Hình 2.16 là đồ thị mối qua hệ giữa gĩc ma sát và thời gian với mẫu than cĩ cùng độ ẩm. Từ đồ thị cĩ thể thấy cĩ mối quan hệ giữa gĩc nội ma sát và thời gian duy trì độ ẩm là khơng nhiều.
2.4. Hiện tƣợng lở gƣơng khi khai thác, đào lị tại các vỉa than mềm yếu, bở rời.
2.4.1. Sự hình thành và phân bố các khu vực biến dạng của khối than trƣớc gƣơng lị chợ
Trong quá trình khai thác, dưới tác dụng của vùng áp lực tựa, khối than trước gương lị chợ xuất hiện tính dẻo và dập vỡ hình thành các khu vực dập vỡ và khu vực cĩ tính dẻo tức là các khu vực khơng cĩ tính đàn hồi. Sự thay đổi trạng thái trên dẫn tới kết cấu khối than bị suy yếu, tính ổn định của khối
than giảm nên dễ xuất hiện tượng lở gương. Theo hướng xa dần gương than, khối than chuyển sang trạng thái ứng suất thấp, khả năng chịu tải được nâng cao rõ rệt, hình thành khu vực đàn cĩ tính đàn hồi. Các khu vực biến dạng của khối than phía trước gương lị chợ được thể hiện trên hình 2.17.
I - Khu vực dập vỡ; II - Khu vực cĩ tính dẻo; III - Khu vực cĩ tính đàn hồi; x1 - Chiều rộng khu vực dập vỡ; x2 - Chiều rộng khu vực cĩ tính dẻo; x0 - Chiều
rộng khu vực khơng cĩ tính đàn hồi;
Hình 2.17 - Các khu vực biến dạng khối than phía trƣớc của gƣơng lị chợ
Kích thước khu vực dập vỡ và khu vực cĩ tính dẻo trước gương chủ yếu phụ thuộc vào sự gia tăng áp lực mỏ trong vùng áp lực tựa, tính chất cơ lý và cấu trúc của than nguyên khối
Căn cứ lý thuyết cân bằng giới hạn của khối đá cĩ thể tính được chiều rộng khu vực cĩ tính dẻo và khu vực dập vỡ tức là khoảng cách từ mép gương lị chợ tới điểm chịu áp lực tựa lớn nhất trước gương như sau:
) cot ( cot ln 2 1 0 p C C H K f h X Trong đĩ: K - Hệ số ứng lực tập trung;
p1- Trở lực chống giữ của gương lị chợ; H - Chiều sâu vỉa than;
- Gĩc nội ma sát của khối than;
f - Hệ số ma sát bề mặt tiếp xúc giữa vỉa than và vách trụ vỉa;
- Hệ số ứng suất ba trục, = sin 1 sin 1
- Trọng lượng thể tích trung bình của các lớn đá vách;
h - Chiều cao khấu gương lị chợ.
2.4.2. Các hình thức lở gƣơng than
Hình 2.18 - Các hình thức lở gƣơng than
Theo các nghiên cứu thực nghiệm trên mơ hình và trong điều kiện thực tế các mỏ than hầm lị cho thấy, hình thức lở gương than chủ yếu cĩ 2 dạng là: lở gương theo dạng phá huỷ cắt và và lở gương theo dạng phá huỷ kéo.
1. Lở gương theo dạng phá hủy cắt
Lở gương theo dạng phá hủy cắt được thể hiện trên hình 2.18a, đối với vỉa than mềm, dưới tác dụng áp lực mỏ, trong gương than xuất hiện ứng lực kéo theo phương ngang, do ứng suất cắt trong gương than lớn hơn cường độ kháng cắt nên sinh ra phá huỷ dạng cắt trượt. Thực tế bề mặt cắt trượt phần lớn là mặt cong, khi chiều cao gương lị chợ và chiều cao trượt lở gương khơng lớn, đơn giản hố thành mặt phẳng, căn cứ lý thuyết Mohr - Coulomb, nguyên tắc phá huỷ cĩ thể mơ tả như sau:
Lực kháng cắt D men theo mặt cắt giải phĩng lực trượt S, khi giá trị nhỏ hơn 0, gương than sinh ra phá huỷ cắt, dùng dư lượng G để biểu thị:
Hình 2.19 -Mơ hình phân tích phá vỡ dạng cắt của gƣơng lị chợ
N, S là do 2 bộ phận áp lực đá vách và trọng lượng bản thân của khối than bị phá vỡ tạo thành. Áp lực đá vách P = q.h.tan. Tự trọng khối trượt W = h’2’ tan / 2, trong đĩ ’ là dung trọng than. Từ lý thuyết Mohr - Coulomb
ta cĩ: = 45 - /2, N = (P + W) sin, S = (P+W) cos.
Đưa vào cơng thức (2-2) ta được quy tắc phá huỷ cắt gương than như sau: G = Ch’ sec + (gh’
+ h2g’/2) (sin tan - cos) tan ≤ 0 Trong đĩ:
C - là lực dính kết của than; - là gĩc nội ma sát của than; N - là lực pháp tuyến trên mặt trượt; S - là lực cắt trên mặt cắt;
h’ - là chiều cao phá huỷ của mặt cắt; q - là tải trọng đá vách tập trung;
- là gĩc kẹp giữa mặt trượt và gương than.
2. Lở gương theo dạng phá hủy kéo
Hình 2.18 (b, c) thể hiện gương than bị phá vỡ ở dạng phá hủy kéo, phá hủy dạng này thường gặp ở than cứng dịn, loại gương than này cĩ lượng biến dạng nhỏ, nguyên nhân phá vỡ trượt lở chủ yếu là do tác động của áp lực đá vách làm cho gương than xuất hiện ứng suất kéo theo phương ngang, mà lực
kéo theo phương ngang khơng thể thơng qua biến dạng của khối than để giải phĩng hoặc làm chậm lại, do đĩ khi nĩ lớn hơn cường độ kháng kéo thì gương than bị phá vỡ kéo đứt, và thường cĩ tiếng nứt vỡ khi bị phá huỷ. Từ lý thuyết về cơ học đàn hồi cho thấy, nguyên tác phá vỡ là:
' 2 h KP Rt Trong đĩ:
Rt - là cường độ kháng kéo của than; K - là hệ số điều chỉnh ứng lực;
P - là áp lực mà gương than phải chịu; h’ - là chiều cao gương than.
Từ những các phân tích trên cho thấy: cơ chế lở gương than chủ yếu xảy ra dưới 2 dạng là lở gương than theo dạng phá hủy cắt và lở gương than theo dạng phá hủy kéo. Các nguyên nhân lở gương chủ yếu liên quan đến áp lực đá vách, cường độ kháng cắt, kháng kéo và một số tính chất khác của than. Do vậy việc nghiên cứu giảm thiểu áp lực mỏ tác động lên gương than hoặc thay đổi tính chất cơ lý của than là các hướng nghiên cứu chính để phịng ngừa sự trượt lở gương than.
2.5. Cơ sở khoa học của việc bơm ép nƣớc phịng ngừa lở gƣơng than.
1. Tác dụng của nước với ứng suất của than
Khi xem than mềm yếu bở rời cĩ đặc tính tương tự với đất thì cĩ thể áp dụng các lý thuyết về cơ học đất để tiến hành phân tích. Theo đĩ, sau khi bơm ép nước xong khối than trở thành vật chất dạng ba pha gồm pha rắn là các hạt than trong khối, pha lỏng là nước trong các khe nứt, lỗ rỗng trong khối và và pha khí là các loại khí tồn tại trong khối than. Theo nguyên lý ứng suất hiệu quả của Terzaghi với đất bão hịa, dưới tác dụng của ngoại lực, ứng suất của vật chất dạng ba pha sản sinh thơng qua việc tiếp xúc các hạt của pha rắn và áp lực của pha lỏng trong các lỗ rỗng, khe nứt.
Hình 2.20 - Khả năng chịu tải của vật chất dạng 3 pha
Khi than ở trạng thái bão hịa, nước đã xâm nhập hồn tồn vào các khe nứt, lỗ rỗng trong khối than theo mọi phương hướng và sinh ra áp lực thủy tĩnh hay cịn gọi là áp lực nước lỗ rỗng. Khi nước khơng thốt ra khỏi khối than, tác dụng của áp lực nước lỗ rỗng lên các hạt than trong khối than chỉ là áp lực nén thủy tĩnh mà khơng làm dịch chuyển hạt, khi áp lực nén của bản thân các hạt trong khối than cĩ thể bỏ qua thì áp lực nước lỗ rỗng trong khối than được coi là ứng suất trung hịa, trái lại ứng suất do trọng lượng bản thân truyền qua các hạt làm thay đổi cường độ khối than được coi là ứng suất cĩ hiệu quả σ’.
Thực tế tổng ứng lực tác dụng lên vật chất dạng ba pha với các điểm tiếp xúc dạng mặt phẳng cong, song do mật độ tập trung các hạt than trong khối tương đối chặt chẽ, khi coi các điểm tiếp xúc là một đường thẳng thì diện tích mặt bất kỳ của khối than chịu tác dụng của tổng ứng lực được thể hiện qua phương trình sau:
A = As + Aw Trong đĩ:
A – Tiết diện chịu tác dụng của tổng ứng lực, (m2); As – Tổng tiết diện tiếp xúc của các hạt than, (m2
); Aw – Tổng tiết các lỗ rỗng, (m2
).
Do nước trong vật chất dạng 3 pha cĩ tính lưu động, dưới tác dụng của ngoại lực pha này sẽ chuyển động, áp lực nước lỗ rỗng phân bố khơng đồng
đều khi đĩ tổng ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất cĩ hiệu quả phải thỏa mãn điều kiện sau:
= ’ + u
Trong đĩ:
– Tổng ứng lực, (MPa);
’– Ứng suất cĩ hiệu quả, (MPa);
u – Áp lực nước lỗ rỗng hay cịn gọi là áp lực thủy tĩnh, (MPa);
Cơng thức trên là nguyên tắc ứng suất hiệu quả của Terzaghi. Từ cơng thức này cho thấy, trước khi bơm ép nước, tổng ứng suất của khối than chủ yếu là từ trọng lượng bản thân truyền qua các hạt than trong khối. Sau khi bơm ép nước, tổng ứng suất khơng thay đổi, dưới tác dụng của áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hiệu quả giảm, đồng thời tác dụng của nĩ lên các hạt trong khối than giảm, nước trong khối than thay thế ứng suất của các hạt chịu một phần tác dụng lực khiến cho giá trị ứng lực tại khu vực được bơm ép giảm, nâng cao được mức độ ổn định của gương than.
2. Phân bố áp lực tựa trước gương than sau khi bơm ép nước
Thơng qua các thực nghiệm cho thấy khi độ ẩm tăng thì tính dịn của than giảm, tính dẻo tăng. Do vậy kết hợp với các phân tích ở phần trên rút ra được nguyên lý bơm ép nước phịng ngừa lở gương than là: khi bơm ép nước, khối than sẽ được làm ướt do vậy độ dịn của than giảm, độ dẻo tăng. Do tính chất than thay đổi dẫn tới sự gia tăng chiều rộng của vùng biến dạng khơng đàn hồi trước gương (vùng chịu ứng suất thấp) đồng thời cũng dẫn tới sự dịch chuyển và gia tăng chiều rộng của vùng biến dạng đàn hồi (vùng chịu ứng suất cao) nên vùng áp lực tựa trước gương được phân bố lại, mức độ ảnh hưởng đến gương than giảm nên sẽ giảm thiểu được hiện tượng lở gương. Vùng phân bố áp lực tựa tại gương than trước và sau khi bơm ép nước xem hình 2.21.
Hình 2.21 - Phân bố áp lực tựa trƣớc gƣơng trƣớc và sau khi bơm ép nƣớc
I – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng khơng đàn hồi trước khi bơm ép; II – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng đàn hồi trước khi bơm ép; III – Vùng mở rộng của áp lực tựa trước khi bơm ép; I’ – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng khơng đàn hồi sau khi bơm ép; II’ – Chiều rộng lớn nhất vùng biến dạng đàn hồi sau khi bơm ép; III’ – Vùng mở rộng của áp lực tựa sau khi bơm ép
2.6. Áp dụng cơng nghệ bơm ép nƣớc cho điều kiện vỉa 14.5 mỏ Khe Chàm III.
Trên cơ sở các thí nghiệm xác định tính chất của vỉa than 14.5 mỏ than Khe Chàm III, luận văn lựa chọn giải pháp bơm ép nước gia tăng độ liên kết của than trong quá trình khai thác và đào lị tại vỉa 14-5 nhằm hạn chế tình trạng tụt lở than trước nhằm đảm bảo an tồn, giảm tình trạng ách tắc sản xuất đồng thời cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động.
2.7. Nhận xét.
Để nghiên cứu thiết kế giải pháp bơm ép nước tăng độ liên kết trong điều kiện địa chất khơng ổn định, than mềm yếu bở rời tại Cơng ty than Khe Chàm, luận văn đã tiến hành lấy mẫu và thí nghiệm xác định một số tính chất của than gồm: độ ẩm tự nhiên, khối lượng riêng, khối lượng thể tích của than, tính thấm của than, sức kháng cắt của than với các miền độ ẩm và thời gian khác nhau. Kết quả này đảm bảo độ tin cậy phục vụ tốt cho cơng tác thiết kế cũng như xây dựng giải pháp bơm ép nước trong điều kiện thực tế.
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ GIẢI PHÁP BƠM ÉP NƢỚC TĂNG ĐỘ LIÊN KẾT CỦA THAN TRONG ĐIỀU KIỆN VỈA 14.5 MỎ THAN KHE CHÀM III VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP
3.1. Lựa chọn giải pháp bơm ép nƣớc
Hiện nay tại Trung Quốc việc bơm ép nước vào vỉa than để gia tăng độ bền khối than được áp dụng khá rộng rãi. Trong phương pháp này phụ thuộc vào chiều dài lỗ khoan cũng như vị trí khoan cĩ các giải pháp khoan bơm ép gồm: Bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn, bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình, bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài và bơm ép nước bằng các lỗ khoan dài kết hợp với lỗ khoan trung bình.
3.1.1. Giải pháp bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan ngắn
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan ngắn thường được áp dụng tại các khu vực khai thác và đào lị vỉa mỏng đến dày trung bình, trong phạm vi khu vực cĩ đứt gãy, chiều dày và gĩc dốc vỉa khơng ổn định. Theo giải pháp này, các lỗ khoan ngắn thường được bố trí tại phần nửa trên theo chiều cao gương lị chợ và khoan xiên về phía vách, chiều dài lỗ khoan thơng thường từ 2,0 3,5 m, khoảng cách giữa các lỗ khoan theo hướng dốc vỉa
được tính tốn phụ thuộc vào bán kính thẩm thấu nước khi bơm ép và thường từ 3,0 5,0 m. Do lỗ các khoan bơm ép nước được bố trí nằm trong vùng dỡ tải của áp lực tựa nên khối than trong vùng này xuất hiện một lượng lớn khe nứt thứ sinh, làm tăng tính thấm của than, việc bơm ép nước thuận lợi, khơng cần áp lực nước cao. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan xem tại hình 3.1a.
a. Lỗ khoan ngắn b. Lỗ khoan trung bình
Hình 3.1 - Bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan ngắn và lỗ khoan trung bình
Giải pháp bố trí mạng lỗ khoan này cĩ ưu điểm là trực tiếp làm tăng độ bền của khối than ngay tại khu vực khấu gương lị chợ, các lỗ khoan cĩ chiều dài ngắn nên thao tác thi cơng khoan bơm ép nước nhanh chĩng và đơn giản. Tuy nhiên, giải pháp này cũng cĩ nhược điểm là khi tiến hành khoan bơm ép nước thì các hoạt động khác trong gương lị chợ phải dừng lại, làm gián đoạn sản xuất, trong quá trình bơm ép dễ gây phình lở gương nếu khơng được kiểm sốt chặt chẽ.
3.1.2. Giải pháp bơm ép nƣớc bằng các lỗ khoan trung bình
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình thường được được áp dụng trong các vỉa cĩ chiều dày và gĩc dốc ổn định đặc biệt thích hợp với các lị chợ cĩ thời gian nghỉ định kỳ để sửa chữa bảo dưỡng thiết bị. Giải pháp này sử dụng các lỗ khoan cĩ chiều dài từ 5,0 25,0 m để bơm ép nước vào vùng chịu ứng suất lớn nhất của áp lực tựa trước gương lị chợ hoặc vùng cĩ ít cĩ khe nứt lỗ rỗng và tính thẩm thấu yếu, nhằm gia cố tiến trước cho gương than. Khi gương khấu tiến đến vị trí bơm ép nước thì khối than đã cĩ tính liên kết tối đa. Các lỗ khoan thường được khoan thẳng theo phương vỉa hoặc khoan xiên về phía vách vỉa khoảng 150 250
tuỳ theo chiều dày vỉa. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan xem hình 3.1b.
Giải pháp bơm ép nước bằng các lỗ khoan trung bình cĩ ưu điểm là chủ động làm tăng tính liên kết của khối than phía trước gương lị chợ, hạn chế hiện tượng phình lở gương khi bơm ép nước. Ngồi ra, giải pháp này cĩ số
lượng lỗ khoan ít hơn, phạm vi thẩm thấu khi bơm ép lớn so với giải pháp bơm ép nước bằng lỗ khoan ngắn. Nhược điểm của giải pháp là khối lượng và