khu II Xí nghiệp than Hoành Bồ
2.1.4. Tính chất cơ lý đá
a. Các chỉ tiêu lý học của đá
Các chỉ tiêu tính chất lý học của đá đ−ợc thí nghiệm gồm trọng l−ợng thể tích (γ), trọng lượng riêng (∆), độ rỗng (P), độ ngậm nước (w). Những tính chất này của đá, thường không liên quan đến các tác động bên ngoài, do vậy
việc nghiên cứu và đánh giá chúng được thực hiện trước khi xác định những tính chất còn lại khác của đá và khối đá.
- Trọng l−ợng riêng của đá (∆) là trọng l−ợng đơn vị thể tích của khung khoáng vật (pha rắn) ma không kể đến các lỗ rỗng, chất lấp nhét, chất lỏng, chất khí chứa trong đá. Biểu thị đặc tr−ng kiến trúc, cấu tạo độ chặt, hàm l−ợng các khoáng vật tạo đá, thành phần hoá học của các khoáng vật chứa trong đá. Trọng l−ợng riêng của đá là chỉ tiêu dùng để dự đoán hàm l−ợng của những khoáng vật tạo đá và xác định nguồn gốc sinh thành của từng loại đá.
Đối với đá trầm tích giá trị trọng l−ợng riêng sẽ là cơ sở để xác định các loại khoáng vật chính, thành phần và cấu trúc của các loại ximăng gắn kết, các loại sa khoáng phân tán trong đá, để giúp cho công tác thăm dò tìm kiếm vật liệu xây dựng dân dụng, công nghiệp hoặc xác định mức độ biến chất của đá và than. Do sự biến vị và biến chất trên các bề mặt phẳng tr−ợt tự do giữa các tinh thể khoáng vật mà tính dòn của đá sẽ tăng lên và tính dẻo sẽ giảm xuống.
- Trọng l−ợng thể tích của đá (γ) là trọng l−ợng thể tích của khối đá ở trạng thái tự nhiên, trong đó kể cả lỗ rỗng, độ chứa nước, chứa khí và biểu thị khả năng nén chặt của đá. Cùng là những khoáng vật tạo đá nh− nhau trong quá trình trầm tích nh−ng loại đá nào có trọng l−ợng thể tích nhỏ hơn thì loại
đá đó sẽ có nhiều lỗ rỗng, kẽ nứt, khoảng trống hơn. Đá có nhiều lỗ rỗng, nếu trong điều kiện bị ngập n−ớc, n−ớc sẽ chui vào lấp đầy các lỗ rỗng. D−ới tác dụng của áp lực lỗ rỗng sẽ làm tăng độ mở của các vi khe nứt và không cho khép trở lại. Nh− vậy sẽ làm cho thể tích của toàn khối đá tăng lên, nên trọng l−ợng thể tích giảm xuống và nh− vậy độ bền của khối đá cũng giảm xuống rõ rệt. Trọng l−ợng thể tích của khối đá là một chỉ tiêu vật lý đ−ợc sử dụng rất rộng rNi trong việc tính áp lực địa tầng (P=γH) xác định áp lực mỏ, ổn định mái dốc đá, ổn định biên công trình. Ngoài ra đó cũng là chỉ tiêu cơ bản để xác định giá trị định mức và lựa chọn thiết bị, vật t− cho công tác khoan đá, xác định khối l−ợng và loại thuốc nổ để phá vỡ đá cũng nh− năng lực, thiết bị
vận tải mỏ, làm cơ sở để xác định khối l−ợng, thể tích của các bNi thải đá, các nhà kho chứa than v.v...
Trọng l−ợng thể tích của than đ−ợc tạo bởi hàm l−ợng Cacbon, độ lỗ rỗng và tỷ lệ các khoáng vật hỗn hợp khác. Cacbon có trọng l−ợng riêng (∆) là 2,3 G/cm3, nên ở những nơi than bị biến chất mạnh, nén chặt (than antraxit) thì độ rỗng trong than giảm xuống và trọng l−ợng thể tích tăng lên. Tuy nhiên nếu mức độ biến chất nh− nhau mà than có trọng l−ợng thể tích cao thì l−ợng tạp chất gây nên độ tro trong than tăng lên, chất l−ợng than xấu đi. Với đặc tr−ng nh− vậy nên việc đánh giá phẩm chất than ở vùng Quảng Ninh chủ yếu dựa vào chỉ tiêu độ tro. Chỉ tiêu đó thay đổi trong từng khu vực, trong từng vỉa than và đ−ợc xác định thông qua giá trị trọng l−ợng thể tích (γ).
- Độ rỗng của đá (P) là tỷ số giữa thể tích lỗ rỗng trên thể tích khối đá.
Trong đá trầm tích độ rỗng gồm các khe hở, khe nứt, các khoảng trống, ngoài ra còn phụ thuộc vào hình dạng, kích thước các hạt tạo thành đá, mức độ gắn kết trong khối đá và đ−ợc chia thành 3 loại:
+ Loại d−ới mao dẫn khi kích th−ớc các lỗ rỗng nhỏ hơn: 0,2 à;
+ Loại mao dẫn khi kích th−ớc các lỗ rỗng từ: 0,2 àữ0,1 mm;
+ Loại trên mao dẫn khi kích th−ớc các lỗ rỗng lớn hơn 0,1 mm.
Trong quá trình tạo đá, dưới tác dụng của áp lực địa tầng đá chịu một giai đoạn biến dạng d−, nên dẫn đến sự hạ thấp độ rỗng. Khi đó khối đá đ−ợc sắp xếp, lèn chặt hơn, trọng l−ợng thể tích tăng lên. Chỉ tiêu độ rỗng rất cần thiết khi tính áp lực mỏ cũng nh− khả năng để phá vỡ khối đá. Xác định mối liên quan giữa mật độ nứt nẻ, mức độ bền vững của vật chất lấp nhét với khả
năng thấm nước ở trong đá. Tuy nhiên, đối với các loại đá trầm tích ở các mỏ than vùng Quảng Ninh, đặc tr−ng độ rỗng hầu nh− không đ−ợc đề cập đến trong các giai đoạn thăm dò và khai thác. Chỉ tiêu này chỉ đ−ợc đánh giá một cách định tính dựa trên cơ sở giá trị chỉ tiêu trọng l−ợng thể tích, mức độ lèn
chặt và biến chất trong khối đá. Do vậy ý nghĩa sử dụng giá trị độ rỗng rất thấp trong công tác khai thác than.
- Độ ẩm trong đá (w) theo quan niệm của nhiều nhà nghiên cứu cơ lý đá
thì nước sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của khối đá dưới dạng tan rN, hoá
mềm, tr−ơng nở, hút ẩm, thải n−ớc, mao dẫn, thấm n−ớc v.v... D−ới tác dụng của áp lực bên ngoài, n−ớc có xu h−ớng tràn vào các lỗ rỗng làm cho các vi khe nứt mở rộng ra và sẽ phá vỡ mối liên kết giữa các phân tử đá.
b. Các chỉ tiêu cơ học của đá
Các chỉ tiêu cơ học của đá là biểu hiện giá trị ứng suất xuất hiện ở trong khối đá khi chịu tác đoọng của một lực bên ngoài mà ở đó khiến cho đá bị biến dạng, dịch chuyển và phá vỡ. Giá trị giới hạn của ứng suất đ−ợc biểu thị bởi sức kháng tạm thời khi nén, kéo, cắt theo một hướng và được gọi là độ bền của đá. Giá trị độ bền của đá thông qua các chỉ tiêu thí nghiệm mẫu chuẩn nh− sau:
- Độ bền kháng nén σn; - Độ bền kháng kéo σk; - Module đàn hồi E;
- Hệ số Poission ν;
- Lùc dÝnh kÕt C;
- Góc ma sát trong ϕ.
* Độ bền kháng nén của đá trầm tích than
Trong đá trầm tích, độ bền kháng nén của đá σn bao gồm độ bền của thành phần hạt vụn tạo đá và độ bền của xi măng gắn kết giữa các hạt lại với nhau. Bất kỳ một loại đá nào cũng đều có một số l−ợng các khuyết tật nhỏ dạng vi khe nứt, các lỗ rỗng hoặc tính không đồng nhất giữa các mặt tiếp xúc.
Những yếu tố đó sẽ làm giảm mối liên kết giữa các phần tử khoáng vật tạo đá.
Nh− vậy độ bền khoáng nén của đá sẽ phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của các loại xi măng gắn kết cũng nh− các khuyết tật tồn tại ở trong đá.
Thành phần hạt vụn của đá trầm tích thường là hạt thạch anh chiếm tỷ lệ lớn. Ngoài ra còn một số hạt khoáng vật khác nh−ng với tỷ lệ không đáng kể. Xi măng gắn kết chủ yếu là loại xi măng Silic nên đá thường cứng chắc và dòn, độ bền kháng nén cao. Theo lý thuyết của Gsiffith và Rebinder, khi đá
chịu một tải trọng ngoài thì ở góc của các khe nứt, các hạt và những chỗ không đồng nhất sẽ có hiện t−ợng tập trung ứng suất. Tại thời điểm khi mà ứng suất đN v−ợt quá giới hạn bền thì ở các nút tiếp xúc đó sẽ xẩy ra quá trình tr−ợt vi mô. Lúc đó ứng suất tức thời giảm xuống và sẽ phân bố lại trên những
điểm tiếp xúc mới. Tại những điểm mới đó lại xuất hiện hiện t−ợng tr−ợt kế tiếp. Sự biến đổi liên tục nh− vậy sẽ dẫn đến sự phá vỡ khối đá. ở thời điểm khối đá bị phá vỡ thì giới hạn độ bền kháng nén sẽ đạt giá trị lớn nhất. Giá trị
đó sẽ thể hiện đặc tr−ng độ bền của từng loại đá ở từng mỏ và từng khu vực khác nhau.
Bằng kết quả thí nghiệm đN đ−ợc tổng hợp trong khoảng 24.600 mẫu đá
lấy ở các mỏ than vùng Quảng Ninh theo ph−ơng pháp thí nghiệm trong phòng thấy rằng giá trị độ bền kháng nén σn của đá cuội kết, sạn kết thuộc loại cao nhất. Trong đó các mỏ ở khu vực Uông Bí và Cẩm Phả thường có giá
trị trung bình từ 102,6ữ157,3 MPa với hệ số kiên cố ) từ 10ữ16. Đặc biệt là các mỏ phân bố trên dNy núi Mạo Khê, Tràng Bạch và Đèo Nai, Cọc Sáu.
Cuội, sạn kết có cấu trúc bởi xi măng Cácbônat và sét th−ờng dễ bị phong hoá
hơn, đôi chỗ bị bở rời vụn nát tạo thành hiện t−ợng cát chảy (ví dụ ở khai tr−êng T©y Khe Sim).
Loại đá cát kết có độ bền kháng nén σn đạt giá trị trung bình từ 65,0ữ140,0 MPa với hệ số kiên cố f từ 7ữ14. Trong đó loại cát kết hạt trung và hạt mịn màu xám xanh thường có độ bền cao, ít bị phong hoá hơn loại cát kết
hạt thô màu trắng xám. ở khu vực mỏ Cao Sơn, giá trị độ bền kháng nén σn
của cát kết thường cao hơn độ bền kháng nén của loại cuội, sạn kết.
Loại bột kết có độ bền kháng nén σn ở tất cả các mỏ, các khu vực tương
đối giống nhau, với giá trị trung bình biến đổi từ 43,0ữ86,6 MPa và hệ số kiên cố f từ 4ữ9. Riêng khu vực Mông Dương - Khe Chàm, độ bền kháng nén của bột kết có phần thấp hơn ba khu vực khác, với giá trị trung bình biến đổi từ 37,8ữ55,0 MPa và hệ số kiên cố f từ 4ữ6. Bột kết th−ờng phân bố gần vỉa than nên sẽ ảnh hưởng đến phương pháp điều khiển áp lực và đánh giá mức độ ổn
định của đường lò khai thác và bờ mỏ.
Loại sét kết, sét kết than phân bố không lớn trong địa tầng trầm tích nên lượng mẫu làm thí nghiệm thường không nhiều. Do đá yếu nên công tác lấy mẫu, bảo quản vận chuyển và gia công mẫu khó khăn. Kết quả thí nghiệm về
độ bền kháng nén σn ở tất cả các mỏ, các khu vực đều có giá trị tương đối giống nhau, ít biển đổi. Giá trị trung bình từ 15,0ữ40,9 MPa với hệ số kiên cố f từ 1,5ữ4. Riêng khu vực Cẩm Phả, độ bền kháng nén σn của sét kết thường cao hơn, trung bình khoảng từ 20,0ữ40,9 MPa.
Ngoài ra ngay trong cùng một loại đá độ bền kháng nén σn cũng có sự biến đổi lớn thường chênh lệch nhau từ 2-4 lần. Điều đó chứng tỏ rằng tuỳ thuộc vào điều kiện trầm tích, đặc tr−ng thành phần thạch học tạo đá, đặc
điểm kiểu ximăng gắn kết sẽ ảnh hưởng lớn đến mức độ phong hoá, nứt nẻ ở trong đá. Đá loại cuội, sạn kết, cát kết có kiến trúc xi măng Silic thường ít bị phong hoá biến đổi hơn loại có kiến trúc xi măng Cacbonat hoặc sét.
* Độ bền kháng kéo của đá
Độ bền kháng kéo σk là đặc tr−ng cho khả năng chống lại lực kéo giới hạn của đá đến giai đoạn phá huỷ, đứt tách. ứng suất kéo trong khối đá thường xuất hiện ở phần vòm nóc, hông của đ−ờng lò (d−ới dạng tách chẻ), ở nền
đ−ờng lò (d−ới dạng đẩy trồi, bùng nền) hoặc ở phần đầu phía trên của các
khối tr−ợt bờ mỏ, bờ tầng (theo dạng đứt tách) với một chiều sâu nhất định theo phương thẳng đứng (thường gọi là chiều cao đứt tách H90).
Trong địa tầng trầm tích chứa than, giá trị chỉ tiêu độ bền kháng kéo của các loại đá đ−ợc thí nghiệm với số l−ợng mẫu không nhiều, chỉ bằng khoảng 20% số lượng mẫu thí nghiệm cường độ kháng nén. Công tác thí nghiệm đ−ợc thực hiện theo hai ph−ơng pháp chính là nén mẫu theo đ−ờng sinh (phương pháp Barazialian) và nén điểm (Point-load) cho các loại đá hạt thô nh− cuội - sạn kết, cát kết và một ít mẫu bột kết. Giá trị độ bền kháng kéo của đá cuội kết, sạn kết ở mỏ Tràng Bạch, Hồng Thái, Mạo Khê, Hà Lầm, Lộ Trí (Thống Nhất), Đèo Nai thường thấp hơn ở những mỏ khác, trong khi đó độ bền kháng nén lại cao hơn.
Điều đó có nghĩa rằng cuội kết, sạn kết ở một số mỏ thuộc loại đá cứng nh−ng dòn dễ phá vỡ. Độ chênh lệch giữa độ bền kháng kéo σk với độ bền kháng nén σn của cuội kết từ 15,3ữ18,4 của cát kết từ 6,3ữ19,0 và của bột kết từ 4,5ữ13,7. Độ chênh lệch này là tài liệu cơ sở để xây dựng nên trị số tương quan tiêu chuẩn giữa giá trị σn và σk của các loại đá trong vùng mỏ Quảng Ninh khi áp dụng các phương pháp thí nghiệm mẫu đá nhanh bằng thiết bị BU-39 hoặc thiết bị nén điểm (Point load).
* Lực dính kết C và góc ma sát trong ϕ của đá
Khi nghiên cứu độ bền của đá, người ta vẫn thường sử dụng các chỉ tiêu góc ma sát trong và lực dính kết của đá. Lực dính ở trong đá là do lực liên kết giữa các phần tử, các hạt gây nên do vậy đó chính là độ bền của xi măng gắn kết giữa các hạt. Đối với các loại đá yếu cấu tạo chính là thành phần hạt sét nên lực dính kết là do sức căng mao dẫn của n−ớc gây nên.
Khi kích thước hạt vụn càng tăng thì lực dính của đá càng giảm. Lực dính tỷ lệ thuận với diện tích tiếp xúc giữa các hạt và xi măng gắn kết. Theo lý thuyết của P.A. Rebinder khi kích th−ớc hạt càng nhỏ thì mối liên kết giữa chúng lại càng cao. Điều đó đ−ợc thể hiện bởi lực dính kết của loại cát kết
thường cao hơn loại cuội kết, nhưng góc ma sát trong của đá dẫn đến dễ bị biến dạng trượt trôi. Độ ổn định của đá phân bố trên các sườn dốc, bờ mỏ, bNi thải phụ thuộc vào góc ma sát trong ϕ. Góc ma sát trong liên quan đến mức độ gồ ghề của bề mặt và thành phần cỡ hạt tạo đá. Do vậy đá có cỡ hạt càng vụn mịn thì góc ma sát trong càng nhỏ.
Lực dính kết và góc ma sát trong của tất cả các loại đá phân bố trong
địa tầng trầm tích than vùng Quảng Ninh thường biến đổi mạnh, độ biến thiên lớn và không theo quy luật phân bố nhất định.
* Modul đàn hồi và hệ số Poisson
D−ới tác dụng của ngoại lực sẽ hình thành nên quá trình biến dạng xẩy ra ở trong khối đá. Sự biến dạng phụ thuộc vào độ rỗng, mức độ nứt nẻ ở trong khối đá và đặc tr−ng bởi mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng với ngoại lực
đ−ợc thể hiện qua hai giai đoạn đàn hồi và dẻo. Biến dạng dẻo xuất hiện khi ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi và tạo nên mối quan hệ đường cong. Khi
đó quá trình biến dạng sẽ tăng nhanh hơn sự tăng ứng suất. Để nêu lên mối tương quan giữa ứng suất và biến dạng tỷ đối xảy ra khi chịu tác động của ngoại lực đ−ợc biểu thị bằng giá trị modul đàn hồi E và hệ số Poisson ν.
Modul đàn hồi E và hệ số Poisson ν đặc tr−ng cho độ rắn chắc của đá, là khả năng chống lại các lực tác động bên ngoài. Chỉ tiêu đàn hồi phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa các hạt khoáng vật tạo đá cũng nh− tỷ lệ lỗ rỗng, nứt nẻ ở trong khối đá.
Địa tầng trầm tích chứa than mang tính trầm tích nhịp điển hình. Đặc tr−ng cấu tạo dạng phân lớp, phân phiến, tạo nên những bề mặt tiếp xúc yếu gây nên tính không đẳng hướng. Khi nén đá theo phương vuông góc (⊥) với các mặt lớp thì biến dạng tổng cộng là tổng biến dạng của các lớp trong địa tÇng trÇm tÝch.
Tính chất đàn hồi của đá phản ánh thế năng dự trữ trong đó khi chịu tác
động của các lực bên ngoài, là chỉ tiêu cho phép dự đoán khả năng phá vỡ đá.
Đá có modul đàn hồi cao thì vùng biến dạng dẻo nhỏ, nghĩa là đá dễ bị phá
huỷ dòn nên công để phá vỡ thường nhỏ hơn so với loại đá có modul đà hồi nhỏ và độ dẻo lớn.
* Hệ số kiên cố của đá f
Khối đá có thể xem nh− một vật thể không liên tục, vì trong đó tồn tại nhiều lỗ rỗng, nứt nẻ, phân lớp với những hình dạng và kích th−ớc khác nhau.
Với đặc điểm nh− vậy nên Prôtôđiakonov khi nghiên cứu khối đá đá áp dụng quy luật vật thể rời có xét đến lực dính giữa các hạt, các khối nhỏ. Để xác định lực dính trong đá, ông đN đ−a ra khái niệm hệ số ma sát quy −ớc hay còn gọi là hệ số kiên cố của đá.
Theo tiêu chuẩn phân loại của Protodiakonov, các loại đá trầm tích ở vùng than Quảng Ninh có hệ số kiên cố f nh− sau:
- Loại cuội kết, sạn kết có giá trị f trung bình từ 10ữ16 là loại đá cứng và bền nhất trong khu vực.
- Loại cát kết từ hạt mịn đến hạt thô, có giá trị f trung bình từ 8ữ14.
- Loại bột kết có giá trị f trung bình từ 4ữ6 là loại đá thường gặp trong các đường lò đào dọc vỉa.
- Loại sét kết với giá trị f từ 2ữ3 và dễ tách chẻ, sập lở khi đào lò, đó cũng là nguyên nhân hình thành các mặt tr−ợt lở lớn trong bờ mỏ.
Đặc điểm tính chất cơ lý các loại đá trầm tích trong vùng Quảng Ninh
đN đ−ợc tổng hợp, phân tích và đánh giá dựa trên cơ sở các tài liệu hiện có và
đ−ợc bổ sung thêm trong thời gian vừa qua. Đây là giá trị các chỉ tiêu cơ bản dùng làm tài liệu cơ sở để đánh giá mức độ ổn định của các đường lò, công trình ngầm, mái dốc đá, phay phá, đứt gNy và địa chất yếu. Tính chất cơ lý đá
vùng Quảng Ninh đ−ợc thể hiện qua bảng 2.6, 2.7, 2.8 sau đây: