1.2. Yếu tố tự nhiên bờ Trụ Nam
1.2.2. Đặc điểm địa chất công trình bờ Trụ Nam
Bờ Trụ Nam vỉa G.I từ trên xuống được cấu tạo bởi 3 loại đá chính là bột kết, cát kết, sạn kết, các loại đá bột kết, cát kết có cấu tạo phân lớp từ mỏng đến trung bình. Đá sạn kết có chiều dày từ dày đến rất dày.
1. Bột kết: Trong địa tầng bột kết thường phân bố chuyển tiếp giữa các tầng cát kết và sạn kết, phổ biến nằm sát vách và trụ các vỉa than. Tại bờ Trụ Nam bột kết là trụ trực tiếp của vỉa G.I, lớp bột kết phân bố hầu khắp bờ Trụ Nam cả theo phương lẫn hướng dốc với chiều dày thay đổi từ 1040m.
Quá trình khai thác vỉa G.I những năm qua đã bóc gần hết lớp bột kết sát Trụ vỉa G.1 từ mức +70m trở lên. Từ cao trình < +70 trở xuống đến đáy động tụ,
13
lớp bột kết vẫn được duy trì.
Đá bột kết thường có màu xám, đến xám đen, cấu tạo phân lớp dày đến mỏng, thành phần hạt chủ yếu là thạch anh, silic, độ mài tròn, chọn lọc trung bình đến tốt, xi măng dạng lấp đầy, tiếp xúc, thường là sét, sét than.
2. Cát kết: Trong địa tầng bờ Trụ Nam đến chiều sâu 100m, cát kết phân bố dưới lớp bột kết, cát kết duy trì chỉnh hợp với lớp bột kết phía trên. Cát kết có cấu tạo phân lớp trung bình, chiều dày thay đổi từ 46m. Bề mặt bờ Trụ Nam hiện nay cát kết xuất lộ xen kẹp với sạn kết từ cao trình +70m trở lên, và tập trung ở phía Tây theo tuyến T.2.
Cát kết chủ yếu là cát kết thạch anh, đôi chỗ gặp cát kết đa khoáng. Cát kết có màu sắc thay đổi từ xám sáng đến xám đen, thành phần hạt vụn chủ yếu là thạch anh, silic, độ mài tròn, chọn lọc trung bình đến tốt, xi măng dạng lấp đầy, tiếp xúc, thành phần thường là sét, bột kết.
3. Sạn kết: Trong địa tầng bờ Trụ Nam sạn kết phân bố phần dưới cùng của địa tầng, từ độ sâu 50m trở xuống sạn kết phân bố dưới dạng lớp dày đến rất dày, chiều dày lớp có chỗ đến trên 100m
Theo các lỗ khoan sâu LK.3001, LK.3002, LK.2501, LK.2513 đã khoan sâu vào địa tầng Trụ vỉa G.I từ 300500m sạn kết chiếm đến 90% đất đá toàn bộ bờ trụ Nam vỉa G.I.
Sạn kết thường có màu trắng, trắng đục, xám nhạt, phớt hồng cấu tạo khối, thành phần hạt vụn chủ yếu là thạch anh, silic và ít cuội đa khoáng có độ mài tròn, chọn lọc kém đến trung bình, xi măng cơ sở, lấp đầy, tiếp xúc, thường là cát, bột, sét và đôi chỗ có chứa cacbonat.
Đặc trưng địa tầng bờ Trụ Nam Vỉa G.I được tổng hợp trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Phân bố các lớp đá có mặt trong bờ trụ Nam vỉ G.I TT Tên lớp Loại đá Độ sâu phân
bố (m)
Chiều dày
trung bình (m) Ghi chú
1 Lớp 1 Bột kết 020 10 Số liệu được tổng hợp từ các lỗ khoan:
2501, 2513, 3001
2 Lớp 2 Cát kết 1530 6
3 Lớp 3 Sạn kết 20300 100
14
1.2.2.2. Tính chất bền của các loại đá
Bờ Trụ Nam vỉa G.I mỏ than Đèo Nai cấu tạo bởi các lớp đá cắm vào không gian khai thác với góc dốc > 200, khi đó biến dạng bờ mỏ sẽ xảy ra theo cơ chế trượt phẳng theo các mặt yếu tự nhiên (mặt lớp, mặt phân lớp, mặt trượt đứt gãy.v.v.)
Độ bền của các loại đá ảnh hưởng đến ổn định bao gồm: §é bền theo tiếp xúc lớp (c’, ’) độ bền trong mẫu (Cm, m) hệ số giảm bền cấu trúc .
1. Độ bền theo tiếp xúc lớp (C’, ’): Độ bền theo tiếp xúc giữa các lớp đá, hay theo mặt phân lớp trong cùng một loại đá được xác định bằng các thí nghiệm cắt hiện trường hay trong phòng thí nghiệm.
Tại bờ trụ nam vỉa G.1 trong quá trình nghiên cứu những năm trước đây (giai đoạn 1980 - 1990; 2002 - 2003) đã tiến hành thí nghiệm cắt hiện trường 6 mẫu theo tiếp xúc giữa than và sét kết, 18 mẫu thí nghiệm trong phòng theo tiếp xúc giữa phân lớp trong đá sét kết, sét kết than, bột kết.
Các mẫu thí nghiệm hiện trường có kích thước: (dài x rộng x cao) = 700 x 500 x 500mm; các mẫu thí nghiệm trong phòng có kích thước: (dài x rộng x cao) = 150 x 100 x 100mm. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả thí nghiệm cắt theo tiếp xúc lớp TT Mặt cắt Số mẫu thí
nghiệm
Lực dính kết C’ T/m2
Góc ma sát
trong, ’ độ Ghi chú
1 Than - Sét kết 6 1,70 17,00 Cắt hiện trường
(1980 - 1990)
2 Sét than - Sét than 6 5,60 19,80 Cắt trong phòng (1980 - 1990
3 Sét kết - Sét kết 6 5,40 15,64 Cắt trong phòng
(2002 - 2003)
4 Bột kết - Bột kết 6 7,20 19,80 Cắt trong phòng
(2002 - 2003) Để đáp ứng yêu cầu nghiên cứu, năm 2013 đã tiến hành lấy mẫu thí nghiệm cắt trong phòng cho 2 loại tiếp xúc giữa sét kết - sét kết và bột kết - bột kết thuộc bờ trụ Nam vỉa G.I. Quá trình gia công mẫu và thí nghiệm được thực hiện trên máy cắt thuỷ lực Mastes do Italia chế tạo tại phòng thí nghiệm Địa cơ mỏ Viện KHCN Mỏ - Vinacomin. Kết quả thí nghiệm được tổng hợp trong bảng 1.4
15
Bảng 1.4. Tổng hợp kết quả thí nghiệm cắt theo tiếp xúc lớp (2013) TT Mặt cắt Số mẫu thí
nghiệm
Lực dính kết C’ T/m2
Góc ma sát
trong, ’ độ Ghi chú
1 Sét kết - Sét kết 9 3,49 20,02 Cắt trong phòng 2 Bột kết - Bột kết 9 9,31 21,547 Cắt trong phòng
2. Độ bền trong mẫu (Cm, m): Độ bền các mẫu đá được xác định trong phòng thí nghiệm trên mẫu có dạng chuẩn với kích thước mẫu hình trụ tròn chiều cao bằng đường kính và bằng 45mm (h = d = 45mm), trên máy nén thuỷ lực có tải trọng từ 100200 tấn.
Để phục vụ công tác khai thác mỏ đã tiến hành nhiều giai đoạn nghiên cứu thí nghiệm xác định tính chất cơ lý của các loại đá trong đó điển hình là kết quả nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Danh Phiên, Nguyễn Văn Huỳnh - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội năm 1970 – 1972 2; Báo cáo nghiên cứu ổn định bờ mỏ Đèo Nai của Viện KHKT Mỏ năm 1985 – 1990 3, Báo cáo nghiên cứu bổ sung tính chất cơ lý đá mỏ Đèo Nai của Viện KHKT Mỏ năm 1996 4; và các kết quả nghiên cứu bổ sung tính chất cơ lý đá thuộc các báo cáo thăm dò bổ sung và lập bản đồ nham thạch được tiến hành từ năm 2000 2013 đã cho phép tổng hợp tương đối đầy đủ về tính chất cơ lý của các loại đá chủ yếu, kết quả được tổng hợp trong bảng 1.5.
Bảng 1.5. Tổng hợp tính chất cơ lý của bờ trụ Nam
TT Loại đá
Độ ẩm tự nhiên W (%)
Khối lượng thể tích tự nhiên
ɣ (T/m3)
Cường độ kháng kéo
k (MPa)
Cường độ kháng nén
n (MPa)
Lực dính kết
C (MPa)
Góc ma sát trong
(độ)
Ghi chú
1 Sét kết 0,172 2,63 6,024 65,0 5,0 18,40 Kết quả TN được tổng hợp tư các báo cáo nghiên cứu tính chất cơ lý đá đã được thực hiện từ 1970 - 2012 2 Bột kết 0,303 2,67 8,495 81,6 8,0 30,30
3 Cát kết 0,368 2,62 13,532 112,6 19,0 31,37 4 Sạn kết 0,174 2,63 13,121 127,0 21,0 33,20
Trong giai đoạn nghiên cứu này chỉ tiến hàng thí nghiệm bổ sung 15 mẫu
16
trong đó bao gồm 5 mẫu bột kết, 5 mẫu cát kết và 5 mẫu sạn kết thuộc bờ trụ Nam Vỉa G.I, các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm Địa cơ mỏ Viện KHCN Mỏ - Vinacomin. Kết quả thí nghiệm bổ sung được tổng hợp trong bảng 1.6.
Bảng 1.6. Tổng hợp kết quả thí nghiệm bổ sung tính chất cơ lý của bờ Trụ Nam
TT Loại đá Số lượng mẫu TN
Độ ẩm tự nhiên W (%)
Khối lượng thể tích tự nhiên
ɣ (T/m3)
Cường độ kháng kéo
k (MPa)
Cường độ kháng nén
n (MPa)
Lực dính kết
C (MPa)
Góc ma sát trong
(độ)
Ghi chú
1 Bột kết 5 0,668 2,67 8,732 7,50 9,225 31,37 Thí nghiệm bằng phương pháp chuẩn 2 Cát kết 5 0,642 2,63 12,534 12,12 21,035 32,48
3 Sạn kết 5 0,574 2,64 14,121 12,85 22,0 33,20 3. Nghiên cứu xác định hệ số giảm bền cấu trúc .
Để lựa chọn các thông số bền trong nguyên khối phục vụ tính toán ổn định cần xác định hệ số giảm bền cấu trúc , tức là hệ số chuyển đổi từ độ bền mẫu sang độ bền khối.
Theo Giáo sư. Tiến sỹ Phixenkô (Cộng hoà Liên bang Nga) 5 hệ số giảm bền cấu trúc được xác định trong tính ổn định bờ mỏ theo công thức:
)) ln(
( 1 (
1 L a H
(1.1)
Trong đó:
H - Chiều cao của bờ mỏ, m;
L - Khoảng cách trung bình giữa các hệ khe nứt trong khối đá, m;
a - Hệ số phụ thuộc vào loại đá và tính chất bền, mức độ nứt nẻ của đá;
Đối với các loại đá có mặt trong địa tầng bờ Trụ Nam vỉa G.I mỏ than Đèo Nai đã xác định được các thông số L và a theo bảng 1.7.
Bảng 1.7. Tổng hợp kích thước trung bình của các loại đá mỏ Đèo Nai TT Loại đá Kích thước của khối L, m
Giá trị a Khoảng giá trị Giá trị trung bình
17
1 Bột kết 0,300,80 0,55 3
2 Cát kết 0,501,00 0,80 4
3 Sạn kết 0,401,00 0,80 5
Từ các giá trị này kết hợp với các giá trị thí nghiệm trên mẫu đối với các loại đá khác nhau được tổng hợp trong các bảng 1.5; 1.6 cho phép tính được các giá trị độ bền trong nguyên khối (Ck, k) phục vụ đánh giá ổn định bờ Trụ Nam Vỉa G.I mỏ Đèo Nai.