Chương 1. Tổng quan công tác thi công đào chống các đường lò bằng trong khu vực đất đá có phay phá, đứt g'y địa chất trên thế giới và Quảng ninh
1.2. Tổng quan công tác thi công đào chống các đường lò bằng trong khu vực đất đá có phay phá, đứt g@y địa chất tại Quảng Ninh
1.2.1. Đặc điểm phá hủy kiến tạo trong các đới đứt g+y chứa nước
Nhu cầu sản l−ợng than ngày một tăng, cùng lúc đó các mỏ khai thác lộ thiên ngày càng xuống sâu và chuẩn bị dừng khai thác lộ thiên, l−ợng bốc đất
đá ngày càng lớn, việc khai thác sẽ gặp nhiều khó khăn, đầu t− thiết bị lớn. Vì
vậy, việc khai thác hầm lò dần dần sẽ đóng một vai trò quyết định trong nền công nghiệp than n−ớc ta.
Hiện nay, công tác khai thác hầm lò tại vùng Quảng Ninh đN và đang xuống mức -300 đồng thời đi liền với nó là việc đào lò xây dựng các đường lò cơ bản mà trong đó chủ yếu là đào các đường lò đá xuyên vỉa, dọc vỉa. Theo kế hoạch dự kiến trong 5 năm tới khu vực Quảng Ninh sẽ đào khoảng 100ữ150 km đường lò. Càng xuống sâu các đường lò đào xuyên qua những lớp đá mềm yếu, khá nhiều các đới đứt gNy, nhiều phay phá, các loại đá chứa nhiều nước do vậy công tác đào chống lò sẽ gặp rất nhiều khó khăn.
Đặc tr−ng cấu tạo địa chất của vùng chứa than mang tính trầm tích nhịp
điển hình. Ranh giới giữa nhịp trầm tích là các vỉa than trung bình 1ữ15, có nơi tới 20ữ27 vỉa (nh− ở Mạo Khê, Khe Tam, Khe Chàm). Giữa các vỉa than là một trầm tích dày gồm các loại đá nh−: cuội, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết, sét than, cát, bùn chứa n−ớc. Khoảng cách giữa các vỉa than có nơi chỉ 10ữ15 m nh−ng cũng có nơi tới 150ữ200 m. Một đặc điểm nổ bật là vùng than Quảng Ninh chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của các hiện tượng hoạt động kiến tạo của vỏ trái đất theo các chu kỳ và đ−ợc lặp lại nhiều lần. Đặc điểm đó sẽ làm cho tầng trầm tích than bị uốn nếp, dịch chuyển vò nhàu và phá hủy mNnh liệt.
Có nhiều nơi các đứt gNy chỉ cách nhau 10ữ20 m theo dạng song song hoặc cắt chéo nhau và chia cắt địa tầng trầm tích than thành những mảnh, khoảnh, vùng riêng biệt làm phá hủy và đảo lộn các vỉa than. Điều đó đ−ợc thể hiện
qua các tài liệu đồng danh vỉa, cho đến nay vẫn ch−a có cơ sở chắc chắn.
Nhiều nơi các vỉa than nằm kề nhau mà vẫn không đồng danh vỉa đ−ợc.
Phạm vi các đới phá hủy có nơi rộng tới 300 m (đứt gNy A-A Lộ trí,
Đèo Nai, Cọc Sáu) nh−ng cũng có đứt gNy chỉ rộng 3ữ7 m. Cự ly dịch chuyển của 2 cánh đứt gNy có nơi tới 150 m. Trong các đới đứt gNy phá hủy đó đất đá
thường bị vò nát, vò nhàu tạo thành một đới vụn rời. Tập hỗn hợp đó bao gồm tất cả các loại tảng, cuội, các mảnh vụn dăm sỏi đến cát, bùn sét. Thông thường trong các đới phá hủy đó là những đới chứa nước lớn và liên hệ mật thiết với nước mặt, nước ở sông suối. Do vậy, khi đào lò qua những đới này, việc chống giữ ổn định rất khó khăn, đường lò luôn luôn bị sập lở mạnh, nước chảy nhiều với lưu lượng lớn, quá trình trồi rữa, xói lở càng mạnh.
1.2.2. Đặc trưng đới phá hủy trong đứt g+y ở đường hầm Tây Khe Sim
Đ−ờng hầm Tây Khe Sim có chiều dài gần 2 km từ đầu Tây Khe Sim
đến Lép Mỹ và đ−ợc đào xuyên qua dNy núi với chiều cao khoảng 300 m. Đây là đường hầm đào xuyên vỉa gần vuông góc với phương vị đường phương. Cấu tạo đất đá trong đường hầm bao gồm các loại: cuội, sạn, cát, bột, sét, sét than và các vỉa mỏng. Đặc biệt trên chiều dài đ−ờng hầm hiện tại đN phát hiện đ−ợc 5 đứt gNy lớn nhỏ. Các đứt gNy này có đới phá hủy rộng từ 24ữ150 m và cắm dốc khoảng 600ữ700. Khi đào hầm ở đầu Tây Khe Sim vào sâu khoảng 30 m
đN gặp đới phá hủy mạnh mẽ của đứt gNy. Đới này có chiều rộng khoảng 40ữ50 m và nước chảy ra rất nhiều với lưu lượng đo được 10ữ15 l/s đN tạo nên dạng rửa trôi, xói lở. Sự rửa trôi càng mạnh mẽ làm cho đới phá hủy càng phát triển nhiều kẽ hở lớn. Đó chính là những nhân tố thúc đẩy các quá trình sập lở
đường hầm càng nhanh chóng, gây nguy hiểm an toàn lao động, làm giảm tiến
độ đào lò một cách đáng kể khoảng 5ữ7 m/tháng.
Tại đ−ờng hầm này, hiện t−ợng sập lở đN uốn cong các vì sắt chống lò gây quá trình sập lở rất mạnh. Nhiều chỗ không thể đào tiếp đ−ợc phải ngừng
lại để tìm biện pháp đặc biệt chống giữ khác và giữ cho nóc, hông lò không bị lở tiếp.
Tương lai đường hầm đào sâu khoảng 100ữ400 m sẽ gặp các đứt gNy lớn nh−: A1-A1. Đó là những đứt gNy có đới phá hủy rộng từ 70ữ300 m và nằm ở chỗ cao nhất. áp lực do tải trọng P = γ.H càng lớn thì quá trình biến dạng sập lở càng mạnh mẽ.
1.2.3. Đặc tr−ng đới phá hủy trong đứt g+y FA mỏ Mạo Khê
Đứt gNy FA mỏ than Mạo Khê chạy theo ph−ơng Tây-Đông cắm Bắc với góc dốc 780ữ820. Đứt gNy này cắt qua hầu hết các đ−ờng lò xuyên vỉa ở khu mỏ ở các mức +30, -25 và -80. Đới phá hủy của đứt gNy rộng khoảng 25 m.
Tại vị trí đường lò xuyên vỉa mức -80 đứt gNy F1 phân bố sát vỉa than V7 (cắt V7 ở mức -65). Đất đá phân bố trong đứt gNy chủ yếu là sạn, cát, sét bùn, than. L−ợng bùn sét chiếm tới 60ữ65 % rất dính có thể nhào nặn đ−ợc.
Xen kẹp trong bùn là than và cát sỏi. Lượng nước ở đây khá lớn, lưu lượng ước tính khoảng 20ữ30 m3/h và chảy ra liên tục ở nóc và hông lò.
Khi đào lò qua khu vực này lò bị sập lở mạnh nhất là lở nóc và lở hông.
Ngoài ra còn có hiện t−ợng lún mạnh, các vì chống sắt bị uốn cong hoặc nén lún gần hết ảnh hưởng công tác đào lò qua khu vực này rất khó khăn. Lượng bùn cát trôi xuống rất nhiều làm cho nóc lò bị lở từng mảng lớn. Do n−ớc chảy ra mạnh quá trình xói rửa xảy ra liên tục, các hòn, cục đá tự rơi xuống ngay g−ơng lò. Theo kết quả phân tích hàm l−ợng khoáng vật trong bùn bằng ph−ơng pháp nhiệt và Rongen đ−ợc thể hiện qua bảng 1.1 sau đây:
Bảng 1.1. Hàm l−ợng các chất trong bùn
STT Hàm l−ợng các chất Đơn vị Trị số
1 Sêrêxít % 23ữ35
29
2 Caolimit và Clorit % 10ữ15
12,5
3 Thạch anh và Fenfát % 15ữ20
17,5 4 L−ợng than chất hữu cơ chiếm tỷ lệ rất nhiều % 52ữ70
61 Kết quả phân tích tính chất vật lý và hàm l−ợng cỡ hạt có trong bùn
đ−ợc thể hiện qua bảng 1.2 sau đây:
Bảng 1.2. Hàm l−ợng cỡ hạt có trong bùn
STT Hàm l−ợng các chất Đơn vị Trị số
1 Sỏi sạn % 2ữ10,5
6,25
2 Cát to và vừa % 14,5ữ22
18,25
3 Cát nhỏ và mịn % 41ữ48,5
44,75
4 Bôi % 11,5÷18
14,75
5 SÐt % 9÷14
11,5
6 Chỉ số dẻo % 6ữ9
7,5 Nh− vậy đặc tr−ng bùn ở trong đới phá hủy hoại của đứt gNy thuộc dạng bùn cát với độ linh hoạt cao dễ bị xói rữa và chảy dẻo.
Qua kết quả khảo sát các đới phá hủy ở trong đứt gNy kiến tạo tại các
đường lò xuyên vỉa nhận thấy rằng: đất đá ở trong các đới phá hủy thường rất
yếu, không ổn định, dễ bị rửa trôi cát chảy. Nếu trong đới phá hủy đó lại chứa nước lớn thì quá trình đào lò sẽ gặp rất nhiều khó khăn. Đường lò dễ bị sập lở.
Muốn đào lò qua những khu vực phá hủy đó cần phải có biện pháp đặc biệt gia cường khối đá xung quanh tạo nên mối liên kết mới ở trong đất đá chống lại hiện t−ợng rữa trôi và chảy dẻo.
1.2.4. Đặc tr−ng đới phá hủy trong đứt g+y F1 lò xuyên vỉa vận tải mức +131 khu Đông Vàng Danh - Công ty TNHH MTV than Đồng Vông
Nằm trong trầm tích chứa than thuộc khoáng sàng than Vàng Danh, bao gồm trầm tích Triats thống th−ợng bậc Nori-rêti Điệp Hòn Gai (T3n-rhg) và trầm tích đệ tứ. Các vỉa than theo thứ tự từ dưới lên trên từ vỉa 4 đến vỉa 8, phía trên đến mức +173 đôi khi cắm đảo Nam, dưới mức +173 chuyển dần về cắm Bắc, độ dốc thay đổi 200-:-850. Xen kẽ các vỉa là các sét kết, bột kết và cát kết
Qua kết quả thăm dò, nghiên cứu địa chất kết hợp tài liệu khai thác đN xác định khoáng sàng Đồng Vông tồn tại nhiều hệ thống đứt gNy với quy mô
khác nhau. Các đứt gNy có phương phát triển theo kinh tuyến gần song song với các trục nếp uốn, các đứt gNy có phương vĩ tuyến hoặc á vĩ tuyến thường bị các đứt gNy kinh tuyến cắt và dịch chuyển theo mặt trục của đứt gNy. Cụ thể,
đứt gNy F1 chạy theo hướng kinh tuyến, trên mặt được xác định khá rõ ở dọc suối Uông Th−ợng từ đoạn tuyến AA cắt qua đến tận LK 448 ( T.IE ) tại đây
đất đá bị phá vỡ vụn, nhiều chỗ quan sát thấy thế nằm đảo. Dưới sâu F1 được các LK: 437, 700, 448, 403 bắt gặp. Đứt gNy F1 chạy theo h−ớng Đông Bắc- Tây Nam, bị đứt gNy F.N chặn lại ở đầu phía Đông Bắc. Mặt tr−ợt đứt gNy cắm
Đông Nam với góc dốc 550ữ600. Cự ly dịch chuyển theo hai cánh từ 10ữ25 m, trung bình 20 m. Thành phần đá vách chủ yếu là bột kết, cát kết chiều dày từ 2-:-10 m, trung b×nh 4-:-6 m.
1.2.5. Đặc trưng vùng đất đá mềm yếu, nước chảy nhiều tại lò xuyên vỉa vận tải mức +235 khu II - Xí nghiệp than Hoành Bồ - Công ty TNHH MTV than Uông Bí - TKV
Địa tầng khu mỏ gồm trầm tích chứa than hệ Triat thống trên, bậc Nori phụ diệp thạch Hòn gai và lớp đất phủ đệ tứ. Trong giới hạn thăm dò địa tầng khu mỏ bao gồm: các lớp cuội kết, sạn kết, bột kết, sét kết và các vỉa than xen kẽ nhau. Trong địa tầng chứa than tồn tại các vỉa than có chiều dày từ mỏng, trung bình đến dày. Các vỉa 7, vỉa 8 là những vỉa duy trì liên tục và có trữ
lượng công nghiệp tương đối lớn và có cấu tạo rất phức tạp.
Các vỉa 7, vỉa 8 có chiều dày từ 1,5ữ3 m, than bị phân phiến, phân lớp mạnh. Nằm xen kẽ giữa các lớp than là lớp sét kết, sét than mềm bở dễ thấm nước, độ dẻo cao. Chiều dày các lớp này dịch chuyển từ 1ữ5 cm, góc cấm biến
đổi từ 00ữ850, mức độ liên kết giữa các lớp này không cao dễ bị tách lớp với nhau. Các lớp bị phân cắt bởi các mặt cắt không theo các h−ớng mà chủ yếu là h−ớng vuông góc với vỉa và h−ớng xiên chéo mặt lớp, tạo nên các blốc nhỏ dễ tách khỏi khối nguyên khi lộ trần.
Vỉa than với góc dốc dao động từ 150ữ250, chiều dày vỉa không ổn định.
Vỉa tạo thành lớp có chiều dày khác nhau. đôi chỗ phình to nh−ng tại các vị trí khác lại thắt vào thành mạch nhỏ dạng “đuôi chuột”. Sự hình thành kiến tạo không đồng đều nên ứng suất kéo tại vách và trụ tác động đến độ bền nguyên trạng của vỉa làm cho vỉa dễ bị biến dạng khi nham thạch đẩy tr−ợt tạo nên sự biến đổi góc dốc các lớp. Vách trụ là bột kết, phân phiến với các lớp rất mỏng, dễ tách lớp khi tác động ngoại lực. Ngay tại nóc lò vách lộ ra nguyên trạng sự phân lớp và uốn nếp do chuyển vị đá vách. Chiều dày trụ trực tiếp và vách trực tiÕp lín 6÷10 m.
Đường lò xuyên vỉa vận tải mức +235 khu II đN đào có chiều dài gần 1,5 km tính từ cửa lò đi vào. Đoạn lò mất ổn định, nước dột nhiều tại mét thứ 60 và đ−ợc đào xuyên các lớp đất đá sạn kết, cát kết, bột kết phân lớp từ
20ữ40cm với chiều cao khoảng 20 m (tính từ nóc lò đến mặt địa hình). Vùng mất ổn định dạng hình phễu này có đới phá hủy rộng từ 5ữ10 m và cắm dốc khoảng 650ữ750. Do ảnh h−ởng của n−ớc mặt, ngấm vào các khe nứt làm cho thành phần đất đá tại đoạn lò bị phong hóa và mất ổn định, lượng nước dột xuống với lưu lượng khoảng 2ữ3 l/s. Nước chảy đN tạo nên dạng rửa trôi, xói lở qua khe nứt dẫn đến đoạn lò bị tụt ở phía nóc lò và phải gia cường xén lò thường xuyên gây ảnh hưởng đến công tác vận tải chung cho toàn mỏ và không đảm bảo an toàn cho người lao động.
1.3. Một số giải pháp xử lý, gia cố khối đá bao quanh các đường lò bằng trên thế giới
Trên thế giới không phải vùng than nào cũng có điều kiện địa chất mỏ thuận lợi cho công tác mở vỉa và khai thác than. Nhiều vỉa than nằm ở độ sâu không lớn, đôi khi nằm trên các núi cao, công tác mở vỉa chủ yếu sử dụng các dường lò bằng nối từ mặt đất vào các vỉa. Đôi khi và hầu hết các vỉa than nằm ở độ sâu lớn cách mặt đất. Bề mặt là bình nguyên không bị ngập nước nhưng
địa tầng không chỉ là những lớp đá có độ bền cao, đất đá không bị phá huỷ thì
việc mở vỉa bằng hệ thống các cặp giếng, các đ−ờng lò bằng ít phải sử dụng các biện pháp đặc biệt đẻ xử lý đá phục vụ công tác đào sâu. Nhiều vùng mỏ, các vỉa than nằm sâu trong lòng đất mà cột địa tầng phía trên vỉa là những lớp nham thạch tơi rời, mềm yếu, chứa n−ớc. Việc khai thông mở vỉa gặp rất nhiềy khó khăn do thi công không thuận lợi, mất an toàn. Đất đá bị phá huỷ ngay khi khai đào, thành lò bị sập đổ ngay khi bốc xúc đất đá, nước chảy tràn vào gương đào cản trở việc bốc xúc… Đánh giá chất lượng khối đá mà các
đường lò đi qua nhất là tính chất thuỷ văn, địa chất công trình của đất đá rất quan trọng. Thông thường để đưa ra giải pháp xử lý thì công tác khoan thăm dò ban đầu và nếu cần phải kiểm tra chất lượng lớp đá ngập nước thì có thể phải tiến hành khoan bổ sung để chọn đ−ợc biện pháp thi công một cách chính
xác, đúng tính chất cơ lý của đá và lưu lượng cũng như áp lực nước ngầm chảy vào các đ−ờng lò khi thi công.
Việc xử lý gia cố gia cường khối đá phay phá, đứt gNy, bùn nhNo, tơi vụn, nước chảy vào gương đào cần phải có các giải pháp đặc biệt sau đây:
- Biện pháp khoan phun gia cố trước khi đào;
- Ph−ơng pháp thoát n−ớc và gia cố vùng phay phá khi có chứa n−ớc;
- Phương pháp đóng băng nhân tạo;
- Ph−ơng pháp tạo ô vòm tiến tr−ớc;
- Phương pháp gia cố gương đào bằng bơm ép vữa.
Tuy nhiên các giải pháp trên sẽ dẫn đến chi phí kinh tế cao trong việc sử dụng trang thiết bị, vạt t−, vật liệu, công sức và thời gian. Giá thành xây dựng đường lò qua vùng đất đá trong điều kiện đặc biệt thường cao có khi gấp hàng vài chục lần so với đào lò trong vùng đất đá ổn định. Mặt khác, tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể mà ta lựa chọn giải pháp hữu hiệu để thi công công trình trong điều kiện phức tạp là hết sức quan trọng. Nó có ý nghĩa không chỉ về mặt kinh tế-kỹ thuật mà còn đóng góp cho việc đưa ra các phương pháp đào chống với mục tiêu an toàn và hiệu quả.
1.3.1. Biện pháp khoan phun gia cố trước khi đào
Bản chất biện pháp này là khi vữa phun d−ới tác dụng của áp lực phun thì sẽ xâm nhập chui qua các kẽ nứt đất đá, nhờ lực dính kết của bản thân vữa sẽ liên kết các khối nứt lại với nhau. Mặt khác, biện pháp còn có khả năng ngăn cách n−ớc nhờ các chất phụ gia hoặc các chất liên kết bịt kín các kẽ nứy hạn chế không cho nước chảy vào gương đào. Một số hình ảnh mô tả khoan phun gia cố trước khi đào được thể hiện hình 1.5 sau đây:
Hình 1.5. Hình ảnh khoan lỗ bơm vữa tr−ớc và vòi bơm có nút chặn 1.3.2. Ph−ơng pháp thoát n−ớc và gia cố vùng phay phá khi có chứa n−ớc
Khi thi công các công trình ngầm trong điều kiện ngập nước thì để thi công ng−ời ta dùng biện pháp thoát n−ớc, hạ mực n−ớc ngầm tr−ớc khi thi công. Những công trình gần mặt đất thi công bằng phương pháp đào hở có thể thoát nước trực tiếp bằng các lỗ khoan từ mặt đất hình 1.6. Với những công trình nằm sâu trong lòng đất người ta tiến hành khoan lỗ khoan thoát nước có chiều dài khoảng từ 20 m đến trăm mét, đường kính lỗ khoan ≥ 100 mm tùy thuộc vào điều kiện gương lò cụ thể sau đó nước được bơm lên mặt đất.
1.3.3. Phương pháp đóng băng nhân tạo (phương pháp nhiệt học)
Ph−ơng pháp này đ−ợc sử dụng từ đầu thế kỷ 19 xây dựng đ−ờng lò
đào qua đất đá chứa nước và cát. Bản chất của phương pháp là biến đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, chứa nước thành trạng thái rắn cứng liên kết chắc có độ bền cao. Vùng đất đá đ−ợc đóng băng có thể coi nh− rắn cứng và do đó có thể tiến hành việc khai đào bình thường được thể hiện qua hình 1.7, hình 1.8 sau:
Hình 1.7. (a) Mô tả việc làm ổn định phía trước gương đào của TBM; (b) cho thấy buồng làm việc hoàn thành với TBM trong đất
Các ống để đóng b¨ng
Vùng đất đá bị
đẩy Lỗ khoan thoát
n−íc
Bơm ép chất dẻo
Buồng làm việc
5 5
2 4
3
1
Hình 1.6. Hạ mực n−ớc ngầm bằng các lỗ khoan quanh giếng đang thi công 1- Phều nước quanh giếng đào, 2 - Lớp đất chứa nước, 3 - Lớp đá cách nước,
4 - Công trình thi công, 5 - Lỗ khoan hạ mực n−ớc