2.1. Nghiờn cứu quy luật và lý thuyết xỏc định tải trọng tỏc động lờn trụ nhõn tạo bảo
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.