3.1. Mơ hình và phƣơng tiện kiểm định vì chống thép
3.1.1. Các mơ hình và phương tiện kiểm định vì chống thép hình vịm
3.1.1.1. Đề xuất mơ hình kiểm định vì chống thép hình vịm trong các đường lị vùng Quảng Ninh
Theo các tài liệu của Ba Lan, Trung Quốc và Nga. Khung thiết bị kiểm định vì chống thép có dạng đứng hoặc nằm ngang.
Tại Viện Mỏ Quốc gia Ba Lan (GIG) người ta tạo ra mô hình thí nghiệm dạng đứng (hình 3.1) để nghiên cứu khả năng mang tải, mức độ chuyển vị của tồn bộ vì chống thép SVP linh hoạt kích thước.
Trên hình 3.1 là một vì chống thép hình vịm linh hoạt kích thước, dưới tác dụng của áp lực thẳng đứng và áp lực hông (tạo bởi hệ thống kích thủy lực), kích thước theo chu vi vì chống bắt đầu thay đổi khi tải trọng vượt quá sức mang tải ở trạng thái linh hoạt. Tất cả giá trị dịch chuyển và độ lớn của ngoại lực đều được ghi lại bằng các bộ cảm biến đặt ở khớp ma sát, chân vì chống và dưới điểm đặt lực.
Sự dịch chuyển tương đối (sự trượt chồng lên nhau) giữa hai đầu xà và cột được kiểm soát bởi các khớp ma sát, lực ma sát này chống lại sự dịch chuyển tương đối giữa xà và cột (đã được kẹp chặt bằng các gơng). Do đó, khả năng mang tải của vì chống khơng những phụ thuộc và khả năng mang tải của xà, cột mà còn phụ thuộc vào lực ma sát tại các mối liên kết. Khi độ linh hoạt của vì chống được vận dụng hết, lúc này vì chống trở thành kết cấu chống cứng. Thông qua các bộ cảm biến, giá trị biến dạng và lực tác dụng lên vì chống cũng được ghi lại và truyền dữ liệu đến hệ thống máy tính để phục vụ cơng tác tổng hợp và phân tích.
Hình 3.1: Mơ hình thí nghiệm vì chống dạng đứng
Thiết bị kiểm định dạng đứng có ưu điểm là chỉ cần diện tích mặt bằng nhỏ, tuy nhiên khơng gian lắp dựng cao, phải trang bị dàn giáo để vận hành, đo đạc nên khi hoạt động mức độ an toàn bị hạn chế, số liệu đọc cũng dễ sai sót. Ngồi ra, khơng linh động trong mục đích nghiên cứu. [16]
Để nghiên cứu, đánh giá khả năng làm việc của vì chống dưới các điều kiện địa chất mỏ khác nhau cũng như an tồn trong q trình thí nghiệm, dễ thao tác thì một số phịng thí nghiệm tại Ba Lan và Nga đã xây dựng mơ hình thí nghiệm dạng nằm như trên hình 3.2.
Hình 3.2: Mơ hình thí nghiệm vì chống dạng nằm
Theo đó, mơ hình này có dạng hình trịn, cấu tạo bởi một hệ thống các kết cấu thép hình, liên kết cứng quanh trụ trịn theo dạng hình rỉa quạt. Cũng như mơ
hình dạng đứng, để gia tải lên vì chống, mơ hình sử dụng 7÷9 kích thủy lực bố trí đều trên chu vi. Các kích thủy lực này được điều khiển bởi hệ thống trạm bơm dầu trung tâm.
Thiết bị kiểm định dạng nằm ngang thì khơng cần trang bị sàn cơng tác nên thuận tiện và an toàn khi lắp dựng cũng như kiểm tra. Tuy nhiên cần diện tích mặt bằng đủ lớn.[16]
Thiết bị kiểm định dạng nằm ngang có hai loại. Loại 1 có kết cấu khung thép đặt trên mặt sàn bê tơng như của Ba Lan (hình 3.3). Loại 2 dạng khung bê tơng đặt sâu xuống mặt đất khoảng 0,8÷1m như của Trung Quốc.
Loại 1 ngoài ưu điểm linh động, gọn nhẹ, dễ thay thế, di chuyển hoặc sửa chữa, cịn có thể kiểm định các dạng kết cấu có hình dạng khác nhau như hình trịn, hình thang hoặc dạng kết cấu chống kín.
Loại 2 có ưu điểm là chắc chắn, chi phí ban đầu thấp hơn loại 1 nhưng lại khơng linh động, khơng di chuyển được. Mặt khác, hình dạng khung bê tơng cũng phải phù hợp với hình dạng tiết diện của vì chống cần kiểm định như hình vịm một tâm tường thẳng, hình trịn…
Qua những phân tích ở trên, để đảm bảo an tồn trong q trình kiểm định, kết quả đọc được ghi chính xác, tác giả lựa chọn thiết bị kiểm định dạng nằm (có dạng trịn) bằng khung thép như hình 3.3.
3.1.1.2. Phương tiện kiểm định khả năng mang tải của vì chống thép hình vòm.
Khả năng mang tải của vì chống thép hình vịm là khả năng chịu được tải
trọng tác động lên vì chống ở trạng thái cứng tại thời điểm vì chống bị biến dạng trên mức cho phép (tính theo trạng thái biến dạng) hoặc ứng suất trong vì chống lớn hơn ứng suất cho phép (tính theo trạng thái bền).
Các loại vì chống thép hình vịm hiện đang sử dụng tại Quảng Ninh
Theo tiết diện mẫu của Tập đồn CN Than – Khống sản Việt Nam ban hành, khung chống thép hình vịm SVP được chia thành 8 loại (SVP1÷SVP8) với diện tích tiết diện bên trong vì chống từ 5,2m2÷21,1m2. Cấp phân loại hệ số kiên cố của đất đá là f≤4, 4<f≤6 và f>6.
Kích thước và khoảng cách vì chống được thống kê như trong bảng 3.1
Bảng 3.1: Kích thước và khoảng cách vì chống SVP theo tiết diện mẫu (SVP.1- SVP.8) [15]
Số Hiệu
VC
Kích thước tiết diện đào của vì Chống trước khi lún, mm Khoảng cách vì chống Theo hệ số kiên cố, m Thép sử Dùng làm vì chống Cao Rộng f > 6 4 < f ≤ 6 f ≤ 4 f > 6 4 < f ≤ 6 f ≤ 4 SVP.1 2890 3130 3250 3370 1,0 0,9 0,8 SVP-17 SVP.2 2970 3460 3580 3700 1,0 0,9 0,8 SVP-17 SVP.3 3240 3790 3910 4030 1,0 0,9 0,8 SVP-22 SVP.4 3360 4400 4520 4640 1,0 0,9 0,8 SVP-22 SVP.5 3680 5000 5120 5240 1,0 0,9 0,8 SVP-27 SVP.6 3790 5450 5570 5690 0,8 0,8 0,5 SVP-27 SVP.7 4210 5690 5810 5930 0,8 0,5 0,5 SVP-27 SVP.8 4510 6350 6500 6650 0,8 0,5 0,5 SVP-33 Thép sử dụng làm vì chống là thép lòng máng SVP, với các thông số kỹ thuật như bảng 3.2.
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật của một số loại thép lòng máng SVP phổ biến [15] Tên và Tên và số hiệu của thép Diện tích mặt cắt ngang (cm2) Trọng lượng 1m dài (kg) Trục X-X Trục Y-Y Mơ men qn tính Jx (cm4) Mô men chống uốn Wx (cm3) Mô men qn tính Jy (cm4) Mơ men chống uốn Wy (cm3) SVP 14 18,7 14,7 1841 40,7 282,3 46,1 SVP 17 21,73 17,1 243,4 50,3 382,3 57,9 SVP 19 24,44 19,2 322,8 61,3 464 67 SVP 22 27,91 21,9 428,6 74,8 566,3 77,8 SVP 27 34,37 27 646,1 100,2 731,5 97,8
Bảng 3.3: Khả năng mang tải giới hạn của vì chống SVP.1-SVP.8 [16]
TT Số hiệu vì chống
Diện tích tiết diện bên trong vì chống, (m2) Mã hiệu thép Khả năng mang tải, P (kN) 1 SVP.1 5,2÷6,4 SVP 17 225 2 SVP.2 6,0÷7,3 SVP 17 200 3 SVP.3 7,1÷8,5 SVP 22 270 4 SVP.4 8,8÷10,4 SVP 22 230 5 SVP.5 11,2÷13,2 SVP 27 275 6 SVP.6 12,7÷15,4 SVP 27 255 7 SVP.7 16,4÷18,2 SVP 27 250 8 SVP.8 20,0÷21,1 SVP 33 305
Bảng 3.3 là cơ sở để lựa chọn các thiết bị khi xây dựng mơ hình thiết bị kiểm định vì chống lị.
Kích thước thiết bị kiểm định:
Sau khi rà sốt, kiểm tra các tiết diện vì chống thép hiện đang sử dụng phổ biến tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh cũng như tiết diện mẫu các đường lị do
Tập đồn CN Than – Khoáng sản Việt Nam ban hành thấy rằng, chiều rộng bên trong vì chống có chiều rộng từ 2860mm đến 6000m, chiều cao bên trong vì chống từ 2230mm đến 4250mm. Trên cơ sở đó, đề tài lựa chọn khung kiểm định vì chống có đường kính 11,3m. Diện tích bố trí thiết bị ~110m2, chiều cao thiết bị 0,5m. [16]
Bảng 3.4: Kích thước và hình dạng thiết bị kiểm định vì chống thép hình vịm SVP linh hoạt [16] Hình dạng Diện tích bố trí thiết bị (m2) Chiều cao (m) Đường kính (m) Tròn 110 0,5 11,3
Kết cấu khung thiết bị kiểm định vì chống:
Khung thiết bị kiểm định vì chống được chế tạo bởi vật liệu chủ yếu là thép hình bởi các ưu điểm của nó như có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao; trọng lượng nhẹ; tính cơ động trong vận chuyển và lắp ráp; chi phí xây dựng khơng lớn…
Tổ hợp kết cấu thép trong mơ hình được thiết kế có dạng trịn, tạo bởi 64 thanh thép hình chữ I có chiều dài 4,5÷5m, bố trí dạng rẻ quạt. Trên thanh thép chữ I này có sử dụng các lỗ trịn định vị khoảng cách 25-30cm nhằm mục đích cố định các piston gia tải cho các loại tiết diện khác nhau.
Để liên kết các thanh thép I ở trên, sử dụng hệ thống các thanh thép U chiều dài khoảng 2m/thanh.
Thiết bị gia tải:
Trên cơ sở khả năng mang tải của các loại vì chống, lựa chọn thiết bị gia tải bằng kích thủy lực có thể tự ghi hành trình piston và áp lực.
Để tạo ra áp lực nóc tác dụng lên khung chống, cần tối thiểu 3 kích thủy lực để gia tải đồng thời (F4, F5 và F6) (hình 3.4). Căn cứ vào khả năng mang tải của vì chống tính tốn được ở bảng 3.3, khả năng mang tải lớn nhất là ở vì chống SVP.8 với giá trị 305 kN.
Vậy, 1 kích thủy lực cần tạo ra một giá trị tối thiểu là: F4=F5=F6= 305/3102kN
Mặt khác, để phục vụ việc nghiên cứu các dạng kết cấu vì chống thép khác nhau cũng như sau khi tham khảo kinh nghiệm của Trung Quốc và Ba Lan, báo cáo lựa chọn kích thủy lực có khả năng gia tải tối thiểu 15T.
Với diện tích tiết diện tiết diện bên trong vì chống từ 5,2÷38,1m2, số kích thủy lực được chọn là 9 cái đánh số từ F1÷F9, bố trí như hình 3.4.
Để bơm dầu vào các kích thủy lực, lựa chọn 1 máy bơm dầu thủy lực và hệ thống van, đường ống dẫn và phụ kiện đi kèm khác.
Hình 3.4: Sơ đồ mơ phỏng các kích thủy lực tác động lên vì chống
Hình 3.5: Các kích thủy lực ở trạng thái làm việc
Danh mục thiết bị chính trong mơ hình kiểm định vì chống thép hình vịm xem trong bảng 3.5 dưới đây.
Bảng 3.5: Bảng liệt kê trang thiết bị kiểm định vì chống thép hình vịm
TT Tên gọi Quy cách Đơn vị Số
lƣợng
Vật liệu
1
Kết cấu phi tiêu chuẩn khung kiểm định vì chống thép hình vịm
- bộ 1 CT38;
CT45
2 Động cơ Y132M1-6 chiếc 1
3 Máy tự ghi áp lực ZJS (0÷60) chiếc 9
4 Kích thủy lực 90/45-300 chiếc 9
5 Hệ thống đường dẫn thủy
lực -
hệ
thống 1 5.1 Van thao tác tổ hợp XHF125/31.5-5A chiếc 2
5.2 Bu lông M12x490 bộ 2
5.3 Van hình cầu QJ10 chiếc 10
5.4 Bộ lọc GLQ10 chiếc 3 5.5 Nút bịt KJ11-10 chiếc 10 5.6 Kẹp U KJ10-10 chiếc 100 5.7 Khớp nối thẳng cùng đường kính KJ-10 chiếc 30 5.8 Khớp nối T cùng đường kính KJ3-10 chiếc 10 5.9 Khớp nối 90° KJ5-10 chiếc 10 5.10 Ống cao áp 380/10000KJRB-10 ống 30 5.11 Ống cao áp 380/5000KJRB-10 ống 10
6 Cờ lê đo lực Insize IST-W850A 2
7 Cảm biến đo lực CAS LSC bộ 2
8 Cảm biến đo biến dạng Geokon 4000 bộ 9
kim loại
10 Bàn thử tổng hợp ZS-4A cái 1
Diện tích khơng gian lắp dựng: 110m2