Trong đú:
σvl - Cường độ khỏng nộn của vật liệu thi cụng trụ, kN/m2; h – Chiều cao dải trụ nhõn tạo, m;
Mối quan hệ giữa tải trọng mỏ tỏc động lờn trụ nhõn tạo (Pf) và tải trọng phỏ hủy của trụ nhõn tạo (Pph) được biểu thị thụng qua hệ số bền của trụ (hay hệ số an toàn) k như sau:
� = 𝐾 𝐾ℎ
𝐾𝐾 (2.4)
Trong đú:
Po - Tải trọng tỏc động lờn một một dải trụ nhõn tạo; 𝐾𝐾ℎ = 𝐾𝐾𝐾 . 𝐾( : ℎ), kN/m;
�� = � 𝐾 , kN/m; (2.5)
k – hệ số bền của trụ, m (Theo [36], [38], [44] đối với thiết kế ổn định trụ bảo vệ trong khai thỏc than lũ chợ, giỏ trị hệ số bền trụ nằm trong phạm vi từ 1,5 ữ 2,0. Tuy nhiờn, thực tế ỏp dụng tựy vào mức độ quan trọng, chức năng, thời gian tồn tại của đường lũ cần bảo vệ, nhà thiết kế cú thể quyết định lực chọn hệ số k lớn hơn 2).
Vớ dụ tớnh toỏn trụ nhõn tạo cho điều kiện vỉa dày trung bỡnh, chiều sõu khai thỏc 350m, theo cỏc giỏ trị gúc dốc vỉa khỏc nhau thể hiện trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Kết quả vớ dụ tớnh toỏn trụ nhõn tạo
TT Thụng số Ký
hiệu Đơn vị Khối lượng
1 Chiều dày vỏch trực tiếp ha m 5 5 5
2 Chiều dày vỏch cơ bản hb m 35 35 35
3 Chiều dày vỉa than m m 2,2 2,2 2,2
4 Trọng lượng thể tớch của vỏch trực tiếp γa kN/m3 26,5 26,5 26,5 5 Trọng lượng thể tớch của vỏch cơ bản γb kN/m3 27,0 27 27 6 Kớch thước chiều rộng vựng biến dạng
dẻo trong trụ than xo m 3,56 3,56 3,56
7 Bước góy thường kỳ của vỏch cơ bản Lmax m 16,79 17,19 18,41
8 Lực dớnh kết C 2 kN/m 500 500 500 9 Gúc nội ma sỏt ϕ độ 25 25 25 10 Hệ số ma sỏt mặt phõn cỏch giữa vỉa than và đỏ vỏch, đỏ trụ f - 0,30 0,30 0,30 11 Hệ số cõn bằng giới hạn ξ - 2,46 2,46 2,46 12 Trọng lượng thể tớch của cỏc tập đất đỏ phớa trờn vỏch cơ bản γ 3 kN/m 26,5 26,5 26,5 13 Hệ số tập trung ứng suất K - 3 3 3
14 Chiều sõu khai thỏc H m 350 350 350
15 Chiều rộng đường lũ bảo vệ c m 4,15 4,15 4,15
16 Chiều rộng trụ nhõn tạo d m 1,41 1,50 1,60
17 Tải trọng tỏc động lờn dải trụ nhõn tạo Pf kN/m 8540 8734 9318 18 Ứng suất uốn tức thời của đỏ vỏch cơ
bản δcb kG/cm2 25 25 25
19 Chiều dày lớp dưới cựng của vỏch cơ
bản h2 cm 900 900 900
20 Gúc dốc vỉa than α độ 10,00 20 35
21 Tải trọng tỏc động lờn một một dải trụ
nhõn tạo Po kN/m 6.046 5.829 5.821
22 Cường độ khỏng nộn của vật liệu thi
cụng trụ σvl kN/m2 20.000 20.000 20.000
Kết quả thể hiện trong bảng 2.1 nờu trờn cho thấy, trong cựng điều kiện, để đảm bảo yờu cầu, theo độ gia tăng gúc dốc vỉa than, chiều rộng trụ cũng tăng theo. Mặt khỏc, giỏ trị tải trọng tỏc động lờn trụ nhõn tạo theo tớnh toỏn là khỏ lớn, dao động từ 8540 ữ 9318 kN/m. Theo đú, vật liệu sử dụng để thi cụng trụ nhõn tạo tại Trung Quốc, Ba Lan hiện nay hầu hết là cỏc vật liệu cú cường độ cao (từ 10 ữ 40 MPa, phổ biến từ 20 ữ 30 MPa, xem bảng 1.4 và phần tổng quan chương 1). Do vậy, khi sử dụng vật liệu thi cụng trụ nhõn tạo bằng cỏc vật liệu cú độ bền thấp, độ co ngút lớn như cũi gỗ, cột gỗ, đỏ chốn, … sẽ khụng phự hợp, do cũi khụng thể tạo ra cường độ chống giữ theo tớnh toỏn.
Đối chiếu với thực tế cỏc mỏ than hầm lũ vựng Quảng Ninh hiện nay, về định hướng ứng dụng, song song với việc ưu tiờn ỏp dụng trụ nhõn tạo bằng cỏc loại vật liệu cú cường độ khỏng nộn cao, hỡnh thức trụ nhõn tạo bằng cỏc loại hỡnh sẵn cú, rẻ tiền như cũi gỗ, cột gỗ, … cũng sẽ được ỏp dụng. Tuy nhiờn, cỏc loại vật liệu này cú độ bền thấp, mức độ co ngút, biến dạng lớn, cơ chế làm việc sẽ như một vỡ chống linh hoạt, nờn việc sử dụng lý thuyết tại cỏc cụng thức từ (2.1) ữ (2.5) sẽ cho kết quả khụng phự hợp với thực tế và khụng khả thi để triển khai cụng nghệ.
Bản chất đường lũ được bảo vệ bằng trụ nhõn tạo là đường lũ chịu ảnh hưởng của khai thỏc lũ chợ, đất đỏ núc và hụng lũ cú mức độ dịch chuyển lớn, việc tớnh toỏn kết cấu chống cho cỏc đường lũ này khỏc hoàn toàn so với tớnh toỏn đường lũ ở điều kiện bỡnh thường (khụng chịu ảnh hưởng của lũ chợ khai thỏc), yờu cầu chịu tải của vỡ chống lớn gấp nhiều lần. Đối với trụ nhõn tạo thi cụng bằng vật liệu cú độ bền thấp, độ co ngút lớn (vớ dụ như cũi gỗ), khi chống giữ ở vựng phỏ hỏa giỏp hụng để chống đỡ đỏ vỏch bảo vệ đường lũ, cơ chế làm việc cũng tương tự như vỡ chống bờn trong đường lũ. Do vậy, cú thể coi ỏp lực mỏ tỏc động lờn trụ nhõn tạo kiểu này tương đương với tải trọng tỏc động lờn núc đường lũ chuẩn bị chịu ảnh hưởng của khai thỏc lũ chợ và được xỏc định theo mức độ chuyển vị của đất đỏ biờn lũ [10]. Cụ thể, tải trọng tiờu chuẩn và tải trọng tớnh toỏn tỏc dụng lờn kết cấu chống giữ được lựa chọn từ giỏ trị lớn nhất của chuyển vị đất đỏ trờn biờn lũ. Từ những giỏ trị chuyển vị này, cú thể lựa chọn được loại kết cấu chống giữ cú liờn hệ với độ bền của khung chống và mật độ lắp đặt của chỳng.
Do đường lũ nằm trong phạm vi ảnh hưởng của khai thỏc lũ chợ, chuyển vị của đất đỏ núc lũ được xỏc định theo cỏc cụng thức sau [10]:
��� = 𝐾��� + 𝐾1. �𝐾𝐾. 𝐾� � . 𝐾𝐾 (2.6)
- Đối với hai lũ chợ hoạt động song song, lũ chợ thứ hai cỏch lũ chợ thứ nhất một khoảng khụng nhỏ hơn 20 m:
��� = 𝐾��� + 1,3. 𝐾1. �𝐾𝐾. 𝐾�� . 𝐾𝐾 (2.7) Trong đú:
���� – Chuyển vị đất đỏ ở núc lũ trong cỏc đường lũ nằm ngang và nằm nghiờng khi chưa chịu ảnh hưởng của cụng tỏc khai thỏc, được tớnh toỏn theo cỏc cụng thức:
���� = 𝐾� ����𝐾�𝐾�𝐾𝐾 (2.8)
Ở đõy:𝐾� �� – Chuyển vị đất đỏ được xỏc định theo hỡnh 2.4 phụ thuộc vào giỏ trị cường độ khỏng nộn Rc của đất đỏ núc lũ và độ sõu đặt cụng trỡnh.
Hỡnh 2.4. Đồ thị xỏc định cỏc giỏ trị chuyển vị đất đỏ Utkp
kα – Hệ số ảnh hưởng của gúc nghiờng phõn lớp đất đỏ và hướng khai đào lũ cú tương quan với phõn lớp đất đỏ, được xỏc định theo bảng 2.2.
kθ – Hệ số đặc trưng cho ảnh hưởng của xu hướng chuyển vị đất đỏ cú tương quan với phõn lớp đất đỏ, được xỏc định theo bảng 2.2.
Bảng 2.2. Bảng tra cỏc hệ số để xỏc định giỏ trị chuyển vị đất đỏ trờn biờn lũ
ks – Hệ số xem xột đến ảnh hưởng của chiều rộng đường lũ, ks=0,2.(b-1), b là chiều rộng đường lũ;
kB – Hệ số tỏc động của cỏc đường lũ khỏc: đối với một đường lũ thỡ kB=1; với ngó ba giao cắt với một đường lũ lõn cận thỡ kB=1,4; với cỏc ngó ba phức tạp với cỏc đường lũ lõn cận theo 2 hướng hoặc cỏc đường lũ vận chuyển thỡ kB =1,6; đối với cỏc đường lũ mở vỉa song song kB=1;
kt – Hệ số ảnh hưởng của thời gian đối với chuyển vị đất đỏ; với cỏc điều kiện t<15 năm khi H/Rccp=20 ữ 60 được xỏc định theo cỏc đồ thị (hỡnh 2.5) trong trường hợp khi t≥15 năm và cỏc giỏ trị H/Rccp khỏc thỡ hệ số kt = 1.
Rccp - Giỏ trị độ bền nộn đơn trục trung bỡnh của cỏc lớp đất đỏ đường lũ cắt qua, (MPa); Hỡnh 2.5. Đồ thị xỏc định hệ số kt Nhúm Đường lũ 0 α ≤ 20 α = 21ữ30 0 α = 31ữ 40 0 kα kθ kα kθ kα kθ
1 Cỏc đường lũ nằm ngang,nằm nghiờng khai đào theo đường phương phõn lớp đỏ
1 0,35 0,95 0,55 0,8 0,8
2 Đường lũ đào với gúc0 nghiờng 30ữ70 với phõn lớp đỏ
0,8
5 0,45 0,8 0,65 0,65 0,9
3 Đường lũ đào với gúc0
U1 – Chuyển vị đất đỏ trong vựng chịu ỏp lực tựa tạm thời gương lũ chợ khai thỏc, được xỏc định theo đồ thị hỡnh 2.6.
Hỡnh 2.6. Cỏc chuyển vị đất đỏ trong vựng ỏp lực tựa của lũ chợ
kkp – Hệ số ảnh hưởng loại núc lũ theo sự phỏ hủy, chi tiết xem bảng 2.3.
Bảng 2.3. Bảng tra cỏc giỏ trị kkp đối với núc lũ
kst – Hệ số xem xột đến ảnh hưởng của diện tớch mặt cắt ngang đường lũ sau lỳn, được xỏc định theo bảng 2.4.
Bảng 2.4. Bảng xỏc định giỏ trị kst theo diện tớch gương lũ
kk – Hệ số đặc trưng của chuyển vị tổng thể đất đỏ núc, xỏc định theo đồ thị hỡnh 2.7.
kkp đối với núc lũ
Rất dễ phỏ hủy Núc bị phỏ hủy trung bỡnh Khú phỏ hủy
0,8 1 1,2
2
Sđ, m 4 6 8 10 12 14 16
Hỡnh 2.7. Đồ thị để xỏc định hệ số kk
Sau khi xỏc định được cỏc giỏ trị chuyển vị của núc lũ ở trạng thỏi chịu ảnh hưởng của ỏp lực lũ chợ sẽ xỏc định được tải trọng đơn vị tiờu chuẩn PN dựa trờn mối quan hệ giữa chuyển vị đất đỏ và chiều rộng khai đào của đường lũ theo bảng 2.5 dưới đõy:
Bảng 2.5. Mối quan hệ giữa chuyển vị đất đỏ và ỏp lực mỏ Chuyển
vị đất đỏ, U mm
N 2
P (kN/m ) tương ứng với chiều rộng đường lũ , m
3,0 3,2 3,4 3,6 4,0 4,2 4,4 5,0 5,4 5,6 6,0 ≤ 50 20 22 24 26 30 32 34 40 44 46 50 75 26 28 30 33 37 39 42 47 52 54 57 100 32 34 37 40 45 47 49 55 59 61 65 150 41 44 53 56 57 60 62 68 72 73 78 200 50 54 58 62 70 72 74 80 84 86 90 250 61 64 68 71 78 81 83 90 94 96 100 300 72 75 78 80 86 89 91 100 104 106 110 400 80 84 88 92 100 102 105 112 118 122 128 500 90 94 98 102 110 113 116 125 132 134 140
Tải trọng tớnh toỏn P lờn một một đường lũ theo hướng núc lũ được xỏc định bằng cụng thức:
𝐾 = 𝐾𝐾 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 (2.9) Trong đú:
PN- Tải trọng đơn vị tiờu chuẩn xỏc định theo bảng 2.5 theo giỏ trị chuyển vị và chiều rộng đường lũ thiết kế;
kp – Hệ số đặc trưng cho sự chuyển tải và mức độ ẩm ướt của đường lũ; được tớnh toỏn cho cỏc đường lũ mở vỉa theo bảng 2.6, cũn đối với cỏc đường lũ chuẩn bị thỡ kp=1;
Bảng 2.6. Bảng tra giỏ trị kp theo chuyển vị đất đỏ trờn biờn đường lũ
kpr – Hệ số ảnh hưởng của kỹ thuật xõy dựng đường lũ, khi khai đào bằng combai đào lũ thỡ kpr được xỏc định theo bảng 2.7, cũn khi khai đào đường lũ bằng phương phỏp khoan nổ mỡn cũng như xõy dựng đường lũ khai đào trong vựng đất đỏ bị phỏ hủy với cỏc phương phỏp khỏc thỡ kpr =1;
Bảng 2.7. Bảng tra giỏ trị kpr
b - Chiều rộng đường lũ, m;
2.2. Nghiờn cứu ỏp lực mỏ tỏc động lờn trụ nhõn tạo bảo vệ đường lũ và cỏc thamsố chủ yếu của trụ nhõn tạo bằng mụ hỡnh phõn tớch số số chủ yếu của trụ nhõn tạo bằng mụ hỡnh phõn tớch số
2.2.1. Lựa chọn phần mềm số
Hiện nay trong lĩnh vực phõn tớch ổn định khối đỏ xung quanh khoảng trống ngầm khai thỏc và thiết kế kết cấu chống giữ cỏc khu vực khai thỏc trong cỏc mỏ than hầm lũ, một số phần mềm tớnh toỏn được lập trỡnh trờn cơ sở cỏc phương phỏp toỏn
U, mm kp ≤50 1,4 5ữ200 1,2 200ữ500 1,15 ≥500 1,1 H/Rccp ≤16 16ữ20 ≥20 kpr 0,6 0,8 1,0
học cơ bản như phương phỏp phần tử hữu hạn; phương phỏp sai phõn hữu hạn; phương phỏp độ hội tụ giới hạn; phương phỏp phần tử biờn; phương phỏp toỏn rời rạc, ... đó và đang được sử dụng rộng rói, cú thể kể đến là: chương trỡnh Phase 2, Ansys, Abaqus, UDEC, Flac, PFC,… Trong phạm vi nghiờn cứu, luận ỏn lựa chọn phần mềm số Phase 2 (trờn cơ sở phương phỏp phần tử hữu hạn) để phõn tớch độ ổn định cần thiết của trụ nhõn tạo cú xem xột đến cỏc tham số địa chất, kỹ thuật như chiều dày, gúc dốc vỉa, chiều sõu khai thỏc, yờu cầu độ bền nộn của trụ nhõn tạo, … Đõy là phần mềm số được sử rộng rói trong cỏc phõn tớch địa kỹ thuật hiện nay ở Việt Nam cũng như trờn thế giới.
2.2.2. Lựa chọn cỏc yếu tố và thụng số đầu vào xõy dựng mụ hỡnh số xỏc định cỏc tham số chủ yếu của trụ nhõn tạo
2.2.2.1. Cỏc thụng số đầu vào xõy dựng mụ hỡnh
Như đó phõn tớch ở nội dung trờn, cỏc yếu tố địa chất, kỹ thuật mỏ ảnh hưởng đến kiểu, loại và khả năng làm việc của trụ nhõn tạo gồm: chiều dày và gúc dốc vỉa, tớnh chất cơ lý của đỏ bao quanh vỉa, chiều sõu khai thỏc, điều kiện địa chất thủy văn, khớ mỏ, khả năng tự chỏy của than, cụng nghệ khai thỏc được ỏp dụng, … Việc xõy dựng mụ hỡnh với đầy đủ cỏc yếu tố trờn là rất khú thực hiện. Do vậy, trong phạm vi luận ỏn sẽ giới hạn và lựa chọn cỏc yếu tố đầu vào điển hỡnh, cú ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của trụ nhõn tạo là: (1) chiều dày vỉa; (2) gúc dốc vỉa; (3) chiều sõu khai thỏc; (4) điều kiện địa chất khu vực đường lũ. Trong đú:
- Về yếu tố chiều dày vỉa: luận ỏn lựa chọn hai trường hợp điển hỡnh của điều kiện vỉa dày trung bỡnh (chiều dày 2,2m) và vỉa dày (chiều dày 5,0m).
- Về yếu tố gúc dốc: giới hạn phạm vi gúc dốc đến 35° độ (phạm vi được khai thỏc bằng cỏc lũ chợ dài), theo cỏc dải 10°, 20° và 35°.
- Về chiều sõu khai thỏc: lựa chọn hai giỏ trị chiều sõu là 350m (tầng khai thỏc phổ biến hiện nay của cỏc mỏ) và 500m (chiều sõu khai thỏc tầng duy trỡ).
- Về điều kiện địa chất: gồm vỉa than và cỏc loại đỏ phổ biến trong địa tầng vựng Quảng Ninh (sột kết, bột kết, cỏt kết, cuội kết, sạn kết, …). Chi tiết cột địa tầng điển hỡnh và cỏc chỉ tiờu cơ lý chủ yếu của đất đỏ thể hiện trong hỡnh 2.8, bảng 2.8.
Hỡnh 2.8. Cột địa tầng điển hỡnh xõy dựng mụ hỡnh
Bảng 2.8. Chỉ tiờu cơ lý của cỏc loại đỏ trong địa tầng vựng than Quảng Ninh
2.2.2.2. Lựa chọn cỏc tham số chủ yếu của trụ nhõn tạo cần xỏc định
Trụ nhõn tạo thay thế trụ than để bảo vệ đường lũ, do đú trụ phải đảm bảo chống lại được ỏp lực mỏ tỏc động lờn nú theo cỏc mối quan hệ với điều kiện địa chất khu vực thi cụng đường lũ và chiều sõu bố trớ cụng trỡnh. Nếu trụ nhõn tạo được thi cụng bằng cỏc loại vật liệu cú khả năng khỏng nộn thấp, kớch thước trụ/chiều rộng trụ sẽ lớn, kộo theo đú là khối lượng vật liệu cần vận chuyển lớn, gia tăng mức độ nặng nhọc và chi phớ thi cụng. Do đú, hai tham số cơ bản của trụ nhõn tạo cần xỏc
Loại vật liệu trọng,Tỷ 3 T/m Mụ đun đàn hồi, MPa Hệ số Poisson Cường độ khỏng kộo, MPa Gúc nội ma sỏt, độ Lực kết dớnh, MPa Than 1,64 2000 0,25 0,1 28 1,0 Sột kết 2,65 3000 0,29 0,2 29 1,4 Bột kết 2,66 4270 0,23 0,42 31,47 2,6 Cỏt kết 2,71 4000 0,21 0,1 33,28 5,0 Cuội, sạn kết 2,66 4000 0,20 0,1 33,5 4,8 Than, đất đỏ sau phỏ hỏa 1,70 30 0,07 0 30 0
định là: (1) kớch thước chiều rộng trụ và (2) cường độ khỏng nộn của trụ.
Về đối tượng trụ nhõn tạo nghiờn cứu, theo kết quả tổng quan, sử dụng vật liệu cú cường độ khỏng nộn cao (thi cụng thành dải liờn tục trong cỏc khung cốp pha mềm hoặc thi cụng trong cỏc khuụn cũi xếp liền nhau dọc theo phương đường lũ) là một tiến bộ trong ngành mỏ, độ tin cậy cao. Áp dụng hỡnh thức trụ nhõn tạo này đó trở