cỏc mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh
1.3.1. Giới hạn đỏnh giỏ
Than sản xuất trong nước hiện nay tập trung hầu hết tại vựng Quảng Ninh. Trong đú, Tập đoàn CN Than- Khoỏng sản Việt Nam (TKV) là đơn vị sản xuất và cung cấp chớnh, đúng gúp trờn 85% tổng sản lượng than được sản xuất hàng năm. Luận ỏn giới hạn đối tượng là 12 mỏ hầm lũ lớn thuộc TKV, gồm Mạo Khờ, Nam Mẫu, Uụng Bớ, Vàng Danh, Hà Lầm, Nỳi Bộo, Dương Huy, Quang Hanh, Thống Nhất, Hạ Long (Khe Chàm II-IV), Khe Chàm (Khe Chàm III) và Mụng Dương.
1.3.2. Tài liệu được sử dụng
Tài liệu được sử dụng để đỏnh giỏ bao gồm:
- Bỏo cỏo thăm dũ địa chất và cỏc bỏo cỏo tổng hợp tài liệu khảo sỏt thăm dũ bổ sung, tớnh lại trữ lượng cỏc khoỏng sàng vựng than Quảng Ninh.
- 13 dự ỏn đầu tư xõy dựng cỏc mỏ than hầm lũ được nờu ở trờn do Cụng ty Cổ phần Tư vấn đầu tư mỏ và cụng nghiệp – Vinacomin (VIMCC) và Viện KHCN Mỏ - Vinacomin (IMSAT) lập [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31].
1.3.3. Kết quả đỏnh giỏ
1.3.3.1. Trữ lượng than trong trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị tại cỏc mỏ hầm lũ vựng Quảng Ninh
Tổng trữ lượng địa chất huy động tại 13 dự ỏn mỏ thuộc 12 Cụng ty than hầm lũ nờu trờn là 924.169 nghỡn tấn. Trong đú, trữ lượng để lại trong cỏc trụ bảo vệ đường lũ là 93.460 nghỡn tấn, chiếm 10,11% tổng trữ lượng huy động, chi tiết thể hiện trong bảng 1.5 [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31].
Bảng 1.5. Trữ lượng than trong trụ bảo vệ đường lũ theo một số dự ỏn mỏ TT Tờn dự ỏn TL địa chất huy động (1000T) Tổn thất (1000 T) TL cụng nghiệp (1000 T) TBV đường lũ Tổn thất do khai thỏc Sỏt phay Tổng 1 Mạo Khờ 81.160 5.650 17.737 - 23.387 57.773 2 Vàng Danh (khu VD) 64.614 7.899 10.767 715 19.381 45.233 3 Vàng Danh (khu Cỏnh Gà) 75.624 6.964 9.422 4.097 20.483 55.141 4 Nam Mẫu 83.869 8.646 11.698 5.086 25.430 58.439 5 Uụng Bớ (Tràng Bạch) 30.010 2.662 7.029 - 9.691 20.319 6 Hà Lầm 120.213 13.630 14.909 9.086 37.625 82.588 7 Nỳi Bộo 68.533 7.710 7.788 1.934 17.432 51.101 8 Hạ Long (Khe Chàm II-IV) 93.300 5.079 18.599 - 23.678 69.622 9 Thống Nhất 48.777 4.751 6.428 2.795 13.973 34.804 10 Dương Huy 98.138 11.339 19.967 - 31.306 66.832 11 Quang Hanh 46.939 5.037 6.815 2.963 14.815 32.124 12 Khe Chàm 53.949 6.999 7.439 1.801 16.239 37.710 13 Mụng Dương 59.043 7.093 9.597 4.173 20.863 38.180 - Tổng cộng: 924.169 93.460 148.194 32.649 274.303 649.866 - Tỷ lệ %: 100% 10,11% 16,04% 3,53% 29,68% 70,32%
1.3.3.2. Phõn loại trữ lượng than trong trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị theo cỏc yếu tố chiều dày và gúc dốc
Trong khuụn khổ luận ỏn, việc thực hiện tổng hợp, đỏnh giỏ chi tiết điều kiện chiều dày, gúc dốc tại từng trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị theo 13 dự ỏn mỏ nờu trờn (số lượng vỉa than huy động từ vài vỉa đến hàng chục vỉa, số lượng lũ chợ tại mỗi dự ỏn đều từ trờn 100 ữ 200 lũ chợ) là rất khú thực hiện. Trong khi đú, giai đoạn 2016-2017, Viện KHCN Mỏ - Vinacomin đó thực hiện đỏnh giỏ tổng hợp trữ lượng than tại 13 dự ỏn nờu trờn và xỏc định được tổng trữ lượng huy động trong phạm vi lũ chợ, đồng thời đó phõn loại được trữ lượng theo mối tương quan giữa cỏc yếu tố chiều dày và gúc dốc vỉa than (bảng 1.6 [8]).
Bảng 1.6. Tổng hợp trữ lượng theo chiều dày và gúc dốc tại cỏc mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh [8] Gúc dốc (độ) Chiều dày (m) 0,7 ữ 1,2 1,21 ữ 3,5 > 3,5 Tổng 1 ≤15º 190 39.469 68.944 108.603 Tỷ lệ 0,03% 6,26% 10,93% 17,22% 2 15 ữ 35º 5.046 144.858 211.136 361.041 Tỷ lệ 0,80% 22,97% 33,48% 57,25% 3 35 ữ 55º 3.511 73.050 53.640 130.202 Tỷ lệ 0,56% 11,58% 8,51% 20,65% 4 >55º 1.890 15.033 13.875 30.799 Tỷ lệ 0,30% 2,38% 2,20% 4,88% 5 Tổng 10.638 272.411 347.596 630.645 Tỷ lệ 1,69% 43,20% 55,12% 100,00%
Trữ lượng than để lại trong trụ than bảo vệ đường lũ khụng được đề cập trong kết quả nghiờn cứu trờn, nhưng về bản chất, cỏc trụ than đều là cỏc khu vực vỉa nằm giỏp cỏc lũ chợ trong phạm vi đỏnh giỏ. Do đú, về điều kiện chiều dày, gúc dốc vỉa, chỳng hoàn toàn tương đồng với điều kiện vỉa than trong phạm vi lũ chợ. Xuất phỏt từ phõn tớch này, luận ỏn sẽ sử dụng cỏc tỷ lệ phõn bố trữ lượng được thực hiện trong kết quả nghiờn cứu trờn để phõn loại cho trữ lượng than trong trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị. Sai số về kết quả khi đú sẽ phỏt sinh, nhưng giỏ trị sai số là khụng lớn và hoàn toàn cú thể chấp nhận được. Kết quả cho thấy:
- Về chiều dày, trữ lượng than trong trụ bảo vệ lũ chuẩn bị tập trung hầu hết và phõn bố tương đối đều ở phạm vi vỉa dày (51.513 nghỡn tấn, chiếm 52,12%) và dày trung bỡnh (40.370 nghỡn tấn, chiếm 43,20%).Trữ lượng trong phạm vỉa mỏng là khụng đỏng kể, chỉ khoảng 1.576 nghỡn tấn, chiếm 1,69%.
- Về gúc dốc, trữ lượng tập trung hầu hết trong phạm vi gúc dốc từ thoải đến dốc nghiờng. Trong đú, ở phạm vi vỉa nghiờng là 53.505 nghỡn tấn (chiếm 57,25%), vỉa dốc nghiờng 19.295 nghỡn tấn (20,65%), vỉa nghiờng 16.095 nghỡn tấn (17,22%). Trữ lượng trong phạm vi vỉa dốc đứng chỉ khoảng 4.564 nghỡn tấn, chiếm 4,88%.
- Theo tổ hợp cỏc yếu tố chiều dày và gúc dốc, trữ lượng tập trung phần lớn ở phạm vi dày trung bỡnh đến dày, thoải đến nghiờng (68.824 nghỡn tấn, chiếm 73,64%). Trong đú, trữ lượng dày trung bỡnh, thoải đến nghiờng là 27.317 nghỡn tấn (29,23%), vỉa dày, thoải đến nghiờng là 41.507 nghỡn tấn (44,41%). Đõy là phạm vi vỉa được khai thỏc bằng lũ chợ dài, sẽ thuận lợi cho việc ứng dụng kết quả nghiờn cứu của luận ỏn vào thực tế để thay thế trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị bằng trụ nhõn tạo nhằm giảm
tổn thất tài nguyờn. Trữ lượng cũn lại thuộc phạm vi vỉa dày trung bỡnh đến dày, dốc nghiờng đến dốc đứng là 23.059 nghỡn tấn (24,67%), và một phần nhỏ trong phạm vi vỉa mỏng, thoải đến dốc đứng 1.576 nghỡn tấn (1,69%).
Chi tiết kết quả thể hiện trong bảng 1.7.
Bảng 1.7. Phõn loại trữ lượng than trong trụ bảo vệ lũ chuẩn bị tại cỏc mỏ hầm lũ vựng Quảng Ninh theo yếu tố chiều dày và gúc dốc vỉa
Gúc dốc (độ) Chiều dày (m) 0,7 ữ 1,2 1,21 ữ 3,5 > 3,5 Tổng 1 ≤15º 28 5.849 10.217 16.095 Tỷ lệ 0,03% 6,26% 10,93% 17,22% 2 15 ữ 35º 748 21.468 31.290 53.505 Tỷ lệ 0,80% 22,97% 33,48% 57,25% 3 35 ữ 55º 520 10.826 7.949 19.295 Tỷ lệ 0,56% 11,58% 8,51% 20,65% 4 >55º 280 2.228 2.056 4.564 Tỷ lệ 0,30% 2,38% 2,20% 4,88% 5 Tổng 1.576 40.370 51.513 93.460 Tỷ lệ 1,69% 43,20% 55,12% 100,00% 1.4. Nhận xột
Từ kết quả thực hiện trong nội dung của chương cú thể rỳt ra một số nhận xột sau: 1. Cụng nghệ sử dụng trụ nhõn tạo thay thế trụ than bảo vệ đó được triển khai tại một số nước trờn thế giới, đạt được những thành cụng nhất định. Kết quả cho thấy đõy là một hướng đi đỳng đắn để giải quyết vấn đề giảm tổn thất, chi phớ một lũ chuẩn bị và giỏ thành sản xuất. Nhỡn chung, giải phỏp sử dụng trụ nhõn tạo thay thế trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị cơ bản chỉ ỏp dụng cho vỉa than cú gúc dốc thoải (phần lớn) đến nghiờng. Trong đú, mỗi loại hỡnh trụ nhõn tạo cú giới hạn ỏp dụng khỏc nhau về điều kiện địa chất, đặc biệt là hai yếu tố chiều dày, gúc dốc vỉa than, cụ thể:
- Trụ nhõn tạo bằng dải đỏ chốn do đặc thự độ co ngút lớn, cỏch thức thi cụng phức tạp, nặng nhọc, nờn chỉ được ỏp dụng cho điều kiện vỉa than cú chiều dày nhỏ (từ 0,8 ữ 1,8m) để giảm tối đa lượng đỏ chốn phải vận chuyển đến phạm vi xõy dựng trụ.
- Trụ nhõn tạo bằng cũi, cụm cột hay trụ đỡ cú thể ỏp dụng cho điều kiện vỉa than cú chiều dày lớn hơn (tại mỏ Ziemowit, Ba Lan ỏp dụng cho vỉa dày 4,5m), gúc dốc thoải (đến 20 tại mỏ Bogdanka, Ba Lan). Ưu điểm là thi cụng đơn giản, khụng
yờu cầu cao về vật liệu thi cụng. Tuy nhiờn, khả năng cỏch ly khụng gian phỏ hỏa với đường lũ chuẩn bị được bảo vệ hạn chế, nờn khụng phự hợp để ỏp dụng tại cỏc vỉa than cú khả năng tự chỏy, hay chịu ảnh hưởng của nước và cỏc loại khớ cú hại cú thể xuất hiện và tồn tại bờn trong khu vực đỏ phỏ hỏa giỏp hụng đường lũ được bảo vệ.
- Trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục được ỏp dụng cho điều kiện vỉa than từ dày trung bỡnh (1,8 ữ 2,88m) đến dày (6,1m). Trong đú, với trụ được xõy dựng hoàn toàn từ vật liệu khỏng nộn cao (từ 20 ữ 40 Mpa), hay bằng kết cấu tường xõy được ỏp dụng cho điều kiện vỉa than cú gúc dốc thoải do cụng tỏc thi cụng thuận tiện, đỏ phỏ hỏa phạm vi xõy dựng trụ nhõn tạo khụng/hầu như khụng gõy khú khăn, mất an toàn cho việc thi cụng. Với điều kiện vỉa cú gúc dốc lớn (31 ữ 37º), để đảm bảo an toàn, đồng thời tận dụng được yếu tốc gúc dốc, vật liệu xõy dựng trụ nhõn tạo được sử dụng bằng đỏ phỏ hỏa của bản thõn lũ chợ (sau khi nổ mỡn cắt vỏch tự trụi trượt vào khụng gian dự kiến xõy dựng trụ) kết hợp với chất dớnh kết bằng hỗn hợp vữa. Chiều rộng trụ nhõn tạo cơ bản trong phạm vi từ 1,6 ữ 2,0m. Nhỡn chung, trụ nhõn tạo dạng dải liờn tục cú ưu điểm nổi bật là khả năng chịu tải và mức độ tin cậy cao, cỏch ly tốt đường lũ với khu vực phỏ hỏa của lũ chợ đó khai thỏc liền kề.
2. Ở trong nước, vấn đề sử dụng trụ nhõn tạo thay thế trụ than bảo vệ đường lũ chuẩn bị trong quỏ trỡnh khai thỏc chưa được nghiờn cứu triển khai. Cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu chủ yếu tập trung theo hướng ỏp dụng cỏc sơ đồ cụng nghệ khai thỏc khụng để lại trụ bảo vệ, giảm kớch thước trụ bảo vệ hoặc khai thỏc tận thu trụ bảo vệ đồng thời với quỏ trỡnh khai thỏc lũ chợ.
3. Trữ lượng để lại trong trụ than bảo vệ lũ chuẩn bị tại cỏc mỏ hầm lũ vựng Quảng Ninh là tương đối lớn (93.460 nghỡn tấn), chiếm khoảng 10,11% tổng trữ lượng huy động tại cỏc mỏ hầm lũ lớn vựng Quảng Ninh. Theo tổ hợp cỏc yếu tố chiều dày và gúc dốc, trữ lượng tập trung phần lớn ở phạm vi vỉa dày trung bỡnh đến dày, thoải đến nghiờng (68.824 nghỡn tấn, chiếm 73,64%). Trong đú, trữ lượng vỉa dày trung bỡnh, thoải đến nghiờng là 27.317 nghỡn tấn (29,23%), vỉa dày, thoải đến nghiờng là 41.507 nghỡn tấn (44,41%). Đõy là phạm vi vỉa được khai thỏc bằng lũ chợ dài, sẽ thuận lợi cho việc ứng dụng giải phỏp sử dụng trụ nhõn tạo thay thế trụ than bảo vệ đường lũ chuẩn bị. Kết quả này đó gúp phần chứng minh cho tớnh cấp thiết và tiềm năng ứng dụng kết quả nghiờn cứu của đề tài luận ỏn.
CHƯƠNG 2: NGHIấN CỨU QUY LUẬT ÁP LỰC MỎ TÁC ĐỘNG LấN TRỤ NHÂN TẠO BẢO VỆ ĐƯỜNG Lề CHUẨN BỊ VÀ CÁC THAM SỐ
CHỦ YẾU CỦA TRỤ
2.1. Nghiờn cứu quy luật và lý thuyết xỏc định tải trọng tỏc động lờn trụ nhõn tạo bảo vệ đường lũ dọc vỉa than lũ chợ tạo bảo vệ đường lũ dọc vỉa than lũ chợ
2.1.1. Trạng thỏi ứng suất phõn bố trong trụ than giỏp khu vực khai thỏc lũ chợ
Quỏ trỡnh khai thỏc lũ chợ sẽ phỏ vỡ trạng thỏi cõn bằng và thay đổi gia tăng ứng suất trong khối than nguyờn giỏp với khu vực khai thỏc. Theo đú, phạm vi trụ than chịu ảnh hưởng sẽ hỡnh thành bốn vựng cú ứng suất lớn hơn ứng suất nguyờn sinh theo hướng từ phỏ hỏa về khối than nguyờn là: Vựng bở rời (I); Vựng rời rạc (II); Vựng dẻo (III); Phạm vi tăng cao ứng suất vựng đàn hồi (IV). Giả sử trụ than tại chu vi vựng khai thỏc ở vào trạng thỏi biến dạng đàn hồi, thỡ ứng suất thẳng đứng trụ than y được phõn bố như đường cong 1. Giỏ trị y phỏt triển theo đường cong hàm mũ õm phụ thuộc vào khoảng cỏch xo tới biờn của khu vực khai thỏc. Đặc điểm phõn bố ứng suất trờn trụ than dưới ảnh hưởng của ỏp lực tựa được biểu thị trờn hỡnh 2.1 [57], [67].
Hỡnh 2.1. Phõn bố ứng suất thẳng đứng và vựng biến dạng đàn - dẻo trong trụ than
1- Ứng suất đàn hồi; 2 - Ứng suất đàn hồi - dẻo; I – Vựng đất đỏ rời rạc; II – Vựng nứt nẻ; III – Vựng dẻo; IV – Vựng ứng suất đàn hồi tăng cao; V – Vựng ứng suất nguyờn sinh
Thực tế, dưới tỏc dụng của ỏp lực cao, trụ than vựng lõn cận khu vực khai thỏc, sẽ xuất hiện vựng bở rời và vựng dẻo, đồng thời gõy nờn dịch chuyển hướng ứng suất vào bờn trong khối than và gõy ra biến dạng dẻo. Trong vựng bở rời (vựng I), đất đỏ đó bị lở rời và vỡ vụn, cơ bản khụng thể truyền ứng suất thẳng đứng. Vựng nứt nẻ (vựng II) dựa vào một bờn của vựng đó khai thỏc, ỏp lực giảm và bằng ứng suất nguyờn sinh H, tuy nhiờn cường độ đất đỏ yếu đi rừ rệt, từ đú làm cho đất đỏ nứt nẻ và dịch động mạnh. Vựng biến dạng dẻo (vựng III) dựa vào một bờn của khối than vựng nứt nẻ II và vựng ứng suất đàn hồi tăng cao (vựng IV) là vựng chịu tải trọng. Vị trớ giỏp ranh giữa vựng dẻo III và vựng đàn hồi IV là nơi ứng suất tập trung lớn nhất. Ở một độ rộng nhất định (xo) cỏch biờn trụ than giỏp vựng phỏ hỏa, ứng suất giới hạn và ỏp lực là tương đồng, đõy chớnh là vựng cõn bằng giới hạn, cú kớch thước bằng tổng chiều rộng của vựng II và III, được xỏc định theo cụng thức:
𝑥𝑜 = 𝑚
2𝑓𝜉𝑙𝑛𝐾𝛾𝐻+𝐶𝑐𝑡𝑔𝜙
𝜉𝐶𝑐𝑡𝑔𝜙 , (𝑚) (2.1)
Trong đú:
xo – Chiều rộng vựng cõn bằng giới hạn, m; m - Độ dày vỉa than khai thỏc, m;
C - Lực dớnh kết của than, kN/m2; - Gúc nội ma sỏt của than, độ；
- Hệ số cõn bằng giới hạn; sin 1 sin 1 − + =
f - Hệ số ma sỏt giữa mặt tiếp xỳc vỏch và trụ vỉa than với đất đỏ, f = 0,3 [43]; K – Hệ số tập trung ứng suất, K = 2,5 ữ 3,0;
- Trọng lượng thể tớch của cỏc lớp đất đỏ phớa trờn vỉa than, kN/m3; H – Chiều sõu bố trớ đường lũ so với bề mặt địa hỡnh, m;
Khi sử dụng hỡnh thức bảo vệ bằng trụ than, đường lũ phải được bố trớ ngoài phạm vi này. Nghĩa là được bố trớ trong vựng IV và vựng V. Nếu được bố trớ trong vựng V, khi đú đường lũ sẽ nằm hoàn toàn ngoài vựng ảnh hưởng của ỏp lực tựa lũ chợ, tuy nhiờn, khi đú chiều rộng trụ than sẽ lớn, làm tăng tỷ lệ tổn thất.
2.1.2. Nghiờn cứu lý thuyết tớnh toỏn tải trọng tỏc động lờn trụ nhõn tạo bảo vệ lũ dọc vỉa than lũ chợ dọc vỉa than lũ chợ
Cựng với quỏ trỡnh tiến gương của lũ chợ từ thượng khởi điểm, diện tớch lộ của vỏch cơ bản dần tăng lờn. Khi đạt đến giới hạn sập đổ, bờn trong vỏch cơ bản sẽ xuất hiện cỏc vết nứt theo hướng dốc và theo phương. Với sự phỏt triển liờn tục của vết nứt ban đầu, kết hợp phần lộ trần của vỏch cơ bản theo phương và hướng dốc cũng được mở rộng, từ đú tạo ra bước gẫy ban đầu của đỏ vỏch cơ bản. Trong quỏ trỡnh sập đổ thường kỳ, đỏ vỏch cơ bản sẽ góy theo cỏc khẩu độ nhất định, như thể hiện trong hỡnh 2.1, gồm khối đỏ B và C ở bờn phớa trờn khối than, khối đỏ A đó góy và sập đổ trong khụng gian phỏ hỏa. Đường lũ được giữ lại nằm dưới khối đỏ B, do đú tải trọng của khối B ảnh hưởng đến mụi trường ứng suất và cú tỏc dụng quyết định đến sự ổn định của đất đỏ xung quanh của đường lũ được giữ lại [66]. Mụ hỡnh đơn giản mụ tả cấu trỳc đất đỏ xung quanh khu vực trụ nhõn tạo thể hiện trong cỏc hỡnh 2.2, 2.3.
Hỡnh 2.2. Dạng cấu trỳc góy của vỏch cơ bản
Hỡnh 2.3. Mụ hỡnh cấu trỳc đất đỏ xung quanh đường lũ và trụ nhõn tạo
Trụ nhõn tạo bảo vệ đường lũ được bố trớ ở hụng lũ giỏp khu vực phỏ hỏa, tức là nằm trong vựng nứt nẻ. Khi đú, tải trọng tỏc động lờn trụ nhõn tạo chớnh là tải trọng