Trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục là sự kết hợp của cỏc kiểu trụ là dải đỏ chốn, cũi kết hợp cốt liệu rắn và trụ đỡ bờ tụng, nhưng do dải chốn được thi cụng liờn tục nhau nờn bờn cạnh nhiệm vụ chống đỡ vỏch phạm vi đường lũ chuẩn bị cần bảo vệ, việc cỏch ly đường lũ với khu vực đó khai thỏc cũng cú mức độ tin cậy cao, cho phộp loại trừ cỏc mối nguy hiểm/ảnh hưởng của việc trào khớ, nhiệt, nước từ khu khai thỏc cũ, cũng như hạn chế tối đa rũ giú từ đường lũ vào khu vực khai thỏc để cú thể phỏt sinh sự cố chỏy mỏ khi vỉa than cú khả năng tự chỏy.
Đồng thời, do trụ nhõn tạo dạng dải cho phộp ứng dụng cỏc vật liệu mới (cụng nghệ hiện đại) cú khả năng chịu lực tốt, tương tự, thậm chớ tốt hơn cỏc loại bờ tụng đang sử dụng trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng, nờn kớch thước trụ (chiều rộng trụ) cũng được giảm đi đỏng kể. Chi tiết sơ đồ cụng nghệ xem hỡnh 3.10.
Mặt khỏc, từ kinh nghiệm ỏp dụng tại mỏ Đại Bao Đỉnh, Trung Quốc [59], trong điều kiện vỉa than dày trung bỡnh, gúc dốc lớn, cú thể xem xột ỏp dụng trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục bằng cỏch tận dụng đỏ từ khụng gian phỏ hỏa lũ chợ (tự trụi vào khụng gian hụng lũ cần bảo vệ), kết hợp chất dớnh kết để liờn kết thành khối cú khả năng chịu nộn cao, nhằm đồng thời bảo vệ đường lũ và cỏch ly tốt với khu vực phỏ hỏa. Chi tiết sơ đồ cụng nghệ xem hỡnh 3.11.
a. Trụ nhõn tạo trước khi thi cụng b. Trụ nhõn tạo sau khi thi cụng
Hỡnh 3.11. Sơ đồ cụng nghệ sử dụng trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục (bằng đỏ phỏ hỏa kết hợp chất dớnh kết)
Chi tiết và trỡnh tự thực hiện cỏc khõu cụng nghệ của giải phỏp sử dụng trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục như sau:
a. Tớnh toỏn kớch thước dải trụ
Với nhiệm vụ chống đỡ đỏ vỏch phạm vi bờn hụng để bảo vệ và duy trỡ lũ chuẩn bị của lũ chợ này sử dụng cho lũ chợ kế tiếp, dải trụ nhõn tạo phải cú độ bền (khả năng khỏng nộn) tương thớch với ỏp lực mỏ tỏc động lờn nú. Trong mối quan hệ này, ỏp lực mỏ là yếu tố cố định, cỏc vấn đề cũn lại cần phải xỏc định là kớch thước (chiều rộng) và cường độ chịu nộn của dải trụ thi cụng.
Theo kinh nghiệm [54], chiều rộng dải trụ nhõn tạo sẽ được định hỡnh ngay từ khi thiết kế, nằm trong phạm vi từ 0,5 ữ 1,1 lần chiều cao trụ (đõy chớnh là chiều cao khấu gương với vỉa dày, hoặc chiều dày vỉa với điều kiện vỉa than dày trung bỡnh, lũ chợ khấu hết vỉa). Chiều rộng dải trụ khi đú được xỏc định theo cỏc bước sau:
- Bước 1: Xỏc định tải trọng tỏc động lờn một một dải trụ nhõn tạo theo cụng
thức (2.5).
�� = ��
, kN/m;
Trong đú:
Pf – Tải trọng tỏc động lờn dải trụ, được xỏc định theo cụng thức (2.2), kN; d – Chiều rộng dải trụ nhõn tạo, m;
- Bước 2: Xỏc định tải trọng phỏ hủy Pph của dải trụ theo cụng thức (2.3):
Trong đú: � ��ℎ = ���. ( � 2 : ℎ), kN/m; vl - Cường độ khỏng nộn của vật liệu thi cụng trụ, kN/m2; h – Chiều cao dải trụ nhõn tạo, m;
- Bước 3: So sỏnh tải trọng tỏc động lờn dải trụ và tải trọng phỏ hủy của trụ theo
mối quan hệ với hệ số an toàn kể đến độ bền của trụ nhõn tạo theo cụng thức (2.4): =
� ����ℎ Trong đú:
k - hệ số an toàn kể đến độ bền của trụ trong thiết kế, k = 1,5 ữ 2,0.
Tiến hành lặp lại từ bước 1 đến bước 3, với sự điều chỉnh về chiều rộng trụ, vật liệu thi cụng dải trụ cho đến khi đạt yờu cầu k = 1,5 ữ 2,0. Dải giỏ trị này là yờu cầu tối thiểu, quỏ trỡnh thiết kế, tựy chức năng, thời gian tồn tại và mức độ quan trọng của đường lũ dọc vỉa than, cú thể yờu cầu với hệ số k >2.
b. Cụng tỏc thi cụng dải trụ
- Cụng tỏc chuẩn bị: kớch thước của dải trụ thi cụng là tương đối lớn. Vớ dụ
trong điều kiện vỉa dày 2,2m, diện tớch trụ khi đú cú thể tạm xỏc định là 2,2 x (0,5 ữ 1,1)x2,2 = 2,4 ữ 5,3 m2. Giả sử bước thi cụng trụ từ 1,0 ữ 3,0 m, khối lượng vật liệu tương ứng sử dụng cho một lần thi cụng là từ 2,4 ữ 16,0 m3.
Do vật liệu thi cụng trụ sẽ được hũa trộn với nước tạo thành dung dịch lỏng, nờn để cụng tỏc thi cụng đảm bảo yờu cầu kỹ thuật, rỳt ngắn thời gian thực hiện, trờn cơ sở kinh nghiệm tại Trung Quốc (mỏ Tõn Nguyờn, mỏ Changcun), đề xuất sử dụng cỏc tỳi chuyờn dụng (khung cốp pha mềm) để làm khuụn phục vụ thi cụng trụ, hoặc cú thể sử dụng kết cấu cũi bằng gỗ xẻ tạo mộng để xếp thành khuụn kớn (như tại mỏ Bogdanka, Ba Lan). Theo tiến độ thi cụng, khung cốp pha mềm này sẽ được định vị (treo lờn núc lũ và định vị ghim vào nền lũ) ở vị trớ dự kiến thi cụng theo thiết kế.
- Vật liệu thi cụng dải trụ nhõn tạo: theo xu thế phỏt triển của khoa học kỹ
thuật mỏ, để đồng thời đỏp ứng yờu cầu chống giữ, thuận lợi và giảm mức độ nặng nhọc cho người lao động, nhiều đơn vị trờn thế giới đó sản xuất ra nhiều loại vật liệu
khoỏng húa chuyờn dụng cho ngành mỏ, trong đú cú vật liệu sử dụng cho việc xõy dựng trụ nhõn tạo (cú khả năng chịu nộn cao). Cỏc vật liệu này khi chưa sử dụng hầu hết nằm ở dạng bột, chứa trong cỏc bao riờng lẻ (20 ữ 30 kg) để thuận lợi cho cụng tỏc vận chuyển. Tại vị trớ thi cụng, chỳng sẽ được bơm chuyờn dụng gia cụng hũa trộn với nước thành dung dịch lỏng, sau đú bơm đẩy vào cỏc khung cốp pha mềm. Một số loại vật liệu khoỏng húa mỏ cú thể sử dụng xem bảng 3.3.
Bảng 3.3. Đề xuất một số loại vật liệu sử dụng để xõy dựng trụ nhõn tạo TT Loại vật liệukhoỏng húa
Tỷ lệ pha trộn với nước
(Nước/vật liệu) Xuất xứ
Thời gian bắt đầu phản ứng (phỳt) Cường độ khỏng nộn (MPa) 1 PROCEM C 2/1 Ba Lan 4,75 - 9 10,4 2 IZOLOTEX C 2,5/1 Ba Lan 7 - 18 5,1 1/1 18,3 3 PRESOLIT 0,21/1 Ba Lan 240 - 360 45 4 TEKSIL 1/1 Ba Lan 14,59 5 C10 - TrungQuốc - 10 6 C20 - TrungQuốc - 20 7 C30 - TrungQuốc - 30 8 C40 - TrungQuốc - 40
- Thi cụng dải trụ nhõn tạo: để thi cụng dải trụ, sử dụng bơm chuyờn dụng gia cụng dung dịch vật liệu-nước, sau đú bơm vào cỏc tỳi cốp pha mềm. Để tăng độ bền của dải trụ, với mỗi tiến độ thi cụng cú thể bố trớ một thanh neo xuyờn qua thõn trụ để tăng khả năng chịu kộo, chịu nộn của trụ. Bơm cú thể đặt tại vị trớ thi cụng hoặc đặt ở vị trớ khỏc cỏch xa khu vực thi cụng. Khoảng cỏch thụng thường từ 250 ữ 300m với cỏc loại bơm chuyờn dụng. Một số loại bơm cú thể sử dụng là MONO TF (khoảng cỏch đặt bơm lớn nhất 320m, đường kớnh ống bơm 32mm), MONO- WT820 (khoảng cỏch đặt bơm lớn nhất 250m, đường kớnh ống bơm 32mm), …
c. Cụng tỏc gia cường bổ sung lũ chuẩn bị
Tương tự giải phỏp trụ bảo vệ sử dụng cũi (dải trụ khụng liờn tục), để hỗ trợ bảo vệ lũ chuẩn bị cho dải trụ được thi cụng, đề xuất gia cường bổ sung cho lũ chuẩn bị bằng cỏc hỡnh thức sau (hỡnh 3.12):
- Sử dụng kết cấu chống tăng cường lũ dọc vỉa: trong phạm vi khoảng 100m
Ld H f
chống thủy lực thường xuyờn trong quỏ trỡnh khai thỏc. Đồng thời, sẽ treo bổ sung ray/thộp thanh chuyờn dụng dọc theo đường lũ liờn kết cỏc vỡ chống thành một hệ, để tăng mức độ ổn định và khả năng chịu tải.
- Gia cường cho lũ chuẩn bị: sử dụng kết cấu vỡ neo cỏp để neo giữ khối đỏ
núc lũ lờn tập đỏ vỏch ổn định.
Hỡnh 3.12. Gia cường bổ sung cho lũ chuẩn bị được bảo vệ bằng dải trụ nhõn tạo 3.3. Nghiờn cứu khả năng giảm tổn thất tài nguyờn khi ỏp dụng trụ nhõn tạo thay thế trụ than bảo vệ đường lũ
Để bảo vệ đường lũ chuẩn bị, tại cỏc mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh đang ỏp dụng hỡnh thức truyền thống bằng trụ than. Chiều rộng trụ (Ltr) được cỏc đơn vị xỏc định theo cụng thức của giỏo sư Protodiakonov [48] như sau:
Trong đú: Lt r cos 5 ,(m) (3.3)
Ld - Chiều dài theo hướng dốc của lũ chợ, m; α - Gúc dốc của vỉa, độ;
H - Chiều sõu khai thỏc trung bỡnh, m;
f - Hệ kiờn cố của đỏ vỏch theo thang chia của Protodiakonov;
- Hệ số kể đến độ bền của than và đỏ trụ (với than và đỏ trụ cứng = 0,75; với than và đỏ trụ cứng trung bỡnh = 1; với than và đỏ trụ yếu = 1,2 ữ 1,25).
Theo hiện trạng và kế hoạch xuống sõu của cỏc mỏ hầm lũ vựng Quảng Ninh (bảng 3.4), chiều sõu khai thỏc hiện nay phổ biến ở mức từ 300 ữ 350m, tại cỏc tầng duy trỡ là từ 500 ữ 700m so với bề mặt địa hỡnh. Theo cụng thức trờn, với chiều dài lũ chợ phổ biến tại cỏc mỏ hầm lũ vựng Quảng Ninh là 125m, gúc dốc bỡnh quõn 20, đất đỏ vỏch, trụ than từ cứng (f ≥ 5), trung bỡnh (f~4) đến yếu (f≤3), luận ỏn xỏc định chiều rộng trụ than bảo vệ đường lũ bỡnh quõn theo cỏc mức sõu 350m, 500m, 700m như thể hiện trong bảng 3.5 và hỡnh 3.13.
Bảng 3.4. Kế hoạch xuống sõu một số mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh [15] TT Tờn mỏ Tầng khai thỏc Độ sõu bỡnh quõn, m (tớnh cho tầng sõu nhất) 1 Hà Lầm Tầng I -50 ữ -300 550 ữ 600 Tầng II -300 ữ -450 2 Nam Mẫu Tầng I +125 ữ -50 645 ữ 695 Tầng II -50 ữ -200 3 Vàng Danh - Khu Vàng Danh Tầng I ±0 ữ -175 700 ữ 750 Tầng II -175 ữ -300 - Khu Cỏnh Gà Tầng I +115 ữ -50 555 ữ 605 Tầng II -50 ữ -150 4 Dương Huy Tầng I +38 ữ -100 590 ữ 640 Tầng II -100 ữ -250 Tầng III -250 ữ -350 5 Thống Nhất Tầng I -35 ữ -120 615 ữ 665 Tầng II -120 ữ -350 6 Quang Hanh Tầng I -50 ữ -175 500 ữ 550 Tầng II -175 ữ -300 7 Mụng Dương (khu Trung Tõm) Tầng I -100 ữ -250 650 ữ 700 Tầng II -250 ữ -400 Tầng III -400 ữ -550
8 Khe Chàm (Khe Chàm III) Tầng I -100 ữ -300 550 ữ 600
Tầng II -300 ữ -450
Bảng 3.5. Chiều rộng trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị theo chiều sõu khai thỏc
TT lũ chợ (m)Chiều dài Gúc dốcvỉa (độ) Độ kiờn cốđỏ vỏch (f)
Hệ
số Chiều rộng trụ than bảovệ (m)
H=350 H=500 H=700
1 125 20 5 0,75 13,2 15,8 18,6
2 125 20 4 1 19,7 23,5 27,8
Hỡnh 3.13. Sự thay đổi chiều rộng trụ than theo chiều sõu và chỉ tiờu cơ lý của đỏ vỏch, đỏ trụ và vỉa than
Hiện nay và trong tương lai, cỏc lũ chợ khấu gương bằng khoan nổ mỡn, chống giữ bằng cỏc loại giỏ chống thủy lực vẫn chiếm tỷ trọng đa số. Với cỏc lũ chợ này, ở chiều dày vỉa dưới 2,2m sẽ tổ chức khấu hết toàn bộ chiều dày, tại cỏc vỉa than dày trờn 2,2m, sẽ tổ chức khấu lớp trụ, hạ trần thu hồi lớp than phớa núc lũ (tại cỏc khỏm đầu, khỏm chõn lũ chợ, tổng chiều dài khoảng 6,0m sẽ khụng thu hồi than núc). Đối với than khấu gương, hệ số khai thỏc là 95%, với than hạ trần, hệ số thu hồi là 80%. Tỷ lệ tổn thất than khai thỏc lũ chợ tại cỏc mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh khi đú được tớnh toỏn theo cụng thức sau:
K Lc mkg xkkg (Lc Lk )xmth xkth ,(%) (3.4) tt Trong đú: (Lc Lt r )xmv Ktt – tỷ lệ tổn thất than chung, %; Lc – chiều dài lũ chợ, m;
Ltr – chiều dài trụ than bảo vệ theo hướng dốc, m;
Lk – chiều dài khỏm chõn và khỏm đầu lũ chợ, Lk =6,0m; kkg – hệ số khai thỏc than gương, %;
kth - hệ số khai thỏc than thu hồi, %; mv – chiều dày vỉa than khai thỏc, m;
Tương ứng với chiều dày vỉa từ 2,2 ữ 10,0m, chiều rộng trụ than bảo vệ theo cỏc mức sõu khai thỏc, chiều rộng trụ nhõn tạo dự kiến, thay số vào cụng thức trờn, xỏc định được tỷ lệ tổn thất than như thể hiện trong bảng 3.6 và cỏc hỡnh 3.14 ữ 3.16.
Bảng 3.6. Tổng hợp tỷ lệ tổn thất theo cỏc phương ỏn trụ bảo vệ đường lũ TT Chiều dày vỉa (m) Chiều dài lũ chợ (m) Chiều dài khỏm (m) Tỷ lệ tổn thất than chung (%) Trụ than Trụ nhõn tạo H=350m H=500m H=700m H=350m H=500m H=700m I - - - f=5, =1,25 1 2,2 125 6 14,06 15,64 17,33 5,00 5,00 5,00 2 3,5 125 6 20,39 21,85 23,42 11,86 11,84 11,81 3 4,5 125 6 22,78 24,19 25,71 14,44 14,41 14,37 4 5,5 125 6 24,29 25,67 27,17 16,08 16,05 16,00 5 6,5 125 6 25,34 26,70 28,18 17,22 17,18 17,13 6 7,5 125 6 26,11 27,46 28,92 18,05 18,01 17,96 7 10 125 6 27,36 28,69 30,12 19,41 19,36 19,31 II - - - f=4, =1 1 2,2 125 6 17,91 20,03 22,28 5,00 5,00 5,00 2 3,5 125 6 23,96 25,92 28,01 11,80 11,77 11,74 3 4,5 125 6 26,23 28,14 30,16 14,36 14,32 14,27 4 5,5 125 6 27,68 29,55 31,53 15,99 15,94 15,88 5 6,5 125 6 28,68 30,52 32,48 17,12 17,06 17,00 6 7,5 125 6 29,41 31,24 33,17 17,94 17,88 17,82 7 10 125 6 30,61 32,40 34,30 19,29 19,22 19,15 III - - - f=3, =0,75 1 2,2 125 6 22,57 25,27 28,08 5,00 5,00 5,00 2 3,5 125 6 28,28 30,78 33,38 11,73 11,69 11,65 3 4,5 125 6 30,42 32,85 35,37 14,27 14,21 14,15 4 5,5 125 6 31,79 34,16 36,64 15,88 15,81 15,74 5 6,5 125 6 32,73 35,08 37,52 16,99 16,92 16,85 6 7,5 125 6 33,42 35,74 38,16 17,81 17,73 17,65 7 10 125 6 34,55 36,83 39,21 19,14 19,06 18,97
Hỡnh 3.14. So sỏnh tỷ lệ tổn thất than theo hỡnh thức trụ bảo vệ đường lũ (f=5, =1,25)
Hỡnh 3.16. So sỏnh tỷ lệ tổn thất than theo hỡnh thức trụ bảo vệ đường lũ (f=3, =1,25)
Kết quả thể hiện trong bảng 3.5, 3.6 và biểu đồ cỏc hỡnh từ 3.14 ữ 3.16 ở trờn cho thấy, khi chiều sõu khai thỏc tăng, trụ than bảo vệ cũng tăng theo tương ứng. Đi cựng với đú, tỷ lệ tổn thất than cũng tăng theo. Đặc biệt, chiều rộng trụ than bảo vệ và tỷ lệ tổn thất càng tăng khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than trong vỉa mềm yếu. Cụ thể như sau:
- Ở chiều sõu 350m: khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng, chiều rộng trụ than bảo vệ 13,2m, tỷ lệ tổn thất than từ 14,06 ữ 23,76%; khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng trung bỡnh, chiều rộng trụ than bảo vệ 19,7m, tỷ lệ tổn thất than từ 15,64 ữ 28,69%; khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than yếu, chiều rộng trụ than bảo vệ 28,4m, tỷ lệ tổn thất than từ 17,33 ữ 30,12%.
- Ở chiều sõu 500m: khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng, chiều rộng trụ than bảo vệ 15,8m, tỷ lệ tổn thất than từ 17,91 ữ 30,61%; khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng trung bỡnh, chiều rộng trụ than bảo vệ 23,5m, tỷ lệ tổn thất than từ 20,03 ữ 32,4%; khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than yếu, chiều rộng trụ than bảo vệ 33,9m, tỷ lệ tổn thất than từ 22,28 ữ 34,3%.
- Ở chiều sõu 700m: khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng, chiều rộng trụ than bảo vệ 18,6m, tỷ lệ tổn thất than từ 22,57 ữ 34,55%; khi đỏ vỏch, đỏ trụ và than cứng trung bỡnh, chiều rộng trụ than bảo vệ 27,8m, tỷ lệ tổn thất than từ 25,27 ữ 36,83%;