CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHỐNG GIỮ CÁC ĐƯỜNG LÒ XUYÊN VỈA
3.2 Phân tích tính toán k ết cấu chống bằng neo, kết hợp lưới thép, bê tô ng
3.2.1 Nguyên lý neo kh ối đá
Có khá nhiều giả thuyết đã được đề xuất để minh họa tính năng làm việc của kết cấu neo, có 4 thuyết cơ bản hay nguyên lý cơ bản (Habenicht, 1976; Wagner 1985; Buddery 1989; Van de Merwe and Madeden 2002; Mark 2000) được đề cập rộng rãi là [12]:
- Tạo kết cấu chống dạng vỏ mỏng đơn giản;
- Treo chốt các lớp đá vách mỏng, các vùng đá bị phân hủy vào vùng đá liền khối;
- Liên kết các lớp mỏng, tạo thành dầm hoặc vòm nhận tải;
- Liên kết vùng khối đá bị phá hủy hay phân khối mạnh tạo thành kết cấu nhận tải.
3.2.1.1. Kết cấu chống dạng vỏ mỏng đơn giản
Một khối đá vách liền khối vững chắc trong điều kiện ứng suất thấp có thể tự mang tải, tự chống giữ, nghĩa là sập lở nóc lớn khó xảy ra. Tuy nhiên các vết nứt, khe nứt, các vị trí giao cắt giữa chúng, các bề mặt nứt nẻ nhẵn có thể gây ra phá hủy cục bộ trên mặt biên của khoảng trống ngầm. Trong trường hợp này cần thiết phải sử dụng hệ thống neo (cũng như bê tông phun) để ngăn ngừa hiện tượng tróc vỡ của đá nóc bị tơi rời. Để có được kết cấu chống như vậy các thanh neo có thể ngắn và nhẹ. Điều khiển lớp vỏ mỏng cũng là nhiệm vụ quan trọng thứ hai của neo nóc hầm, lò, cùng với ba cơ chế chống giữ khác (Mark 2000)[12]. Trên hình 3.6 là sơ đồ minh họa kết cấu neo với vai trò tạo lớp vỏ mỏng trong khối đá vách (phía nóc hầm).
3.2.1.2. Treo chốt các lớp đá vách mỏng, phá hủy vào lớp đá liền khối
Lý thuyết treo chốt như trên hình 3.6 là lý thuyết dễ hiểu nhất về cơ chế neo hiện nay. Khi công trình ngầm được xây dựng trong môi trường có cấu tạo như trên hình 3.5 các lớp mỏng của vách trực tiếp có thể võng xuống và tách ra khỏi các lớp cứng vững hơn ở phía trên, vùng phá hủy phía nóc có thể hình thành và bị sập lở.
Hình 3.5 Sơ đồ tạo lớp vỏ mỏng
Hiện tượng võng nóc và tách lớp, tróc vỡ có thể hạn chế được bằng cách kẹp chặt hoặc liên kết các lớp, các khối phá hủy lại với nhau và treo chốt vào lớp đất đá vách cơ bản có khả năng tự chống giữ.
Hình 3.6 Sơ đồ lý thuyết treo chốt
Sử dụng neo theo lý thuyết này rất thích hợp đối với neo cơ học đầu nở, đặc biệt là neo dính kết. Neo dính kết vừa tạo liên kết các lớp đá mỏng yếu
cũng như các khối phá hủy lại với nhau, vừa treo chốt được các vùng đó vào phần khối đá cứng vững ở phần đầu neo (phần khoá neo). Với neo dính kết thì khả năng neo chốt càng tốt khi chiều dài đoạn dính kết khoá neo càng dài. Khi đó chiều dài cần thiết của neo phụ thuộc vào chiều dày của các lớp mỏng, chiều cao, chiều sâu vùng phá hủy và khoảng cách giữa các neo. Cụ thể là tổng chiều dày các lớp mỏng, chiều cao vùng phá hủy càng lớn và khoảng cách giữa các neo càng lớn thì các thanh neo càng phải dài [12]. Wagner đã nghiên cứu hiệu quả và khả năng sử dụng cơ chế treo chốt đối với đá vách tại các mỏ than và cho thấy rằng[12]:
• Trong trường hợp các lớp đá vách mỏng thì khoảng cách giữa các neo là vấn đề mấu chốt, với nguyên tắc chung là khoảng cách giữa các neo không được vượt trước quá 10 lần chiều dày mỗi lớp;
• Trong trường hợp các lớp đá vách dày và sử dụng neo dính kết thì chiều dài đoạn “khoá neo” trong lớp đá cứng vững là vấn đề mấu chốt để đảm bảo neo có hiệu quả cần thiết;
• Trong trường hợp sử dụng neo đầu nở thì độ bền tiếp xúc của đá vách tại vị trí đầu neo là vấn đề mấu chốt. Áp lực tiếp xúc khoảng 20 đến 30 Mpa là thông thường. Áp lực tiếp xúc cao như thế này chỉ có thể giữ được ở các lớp đá cát kết cứng vững ở các mỏ than. Thực tế này cần được chú ý đến khi thiết kế hệ thống chống giữ.
3.2.1.3. Lý thuyết tạo dầm nhận tải
Trong nhiều tình huống thực tế, địa tầng phía trên các đường lò vận chuyển thường phân lớp mỏng và cũng thường không có các lớp cứng vững ở khoảng cách vài mét trên lớp đá vách để có thể giữ các lớp mỏng được treo chốt bằng neo. Trong trường hợp này cơ chế dầm nhận tải như trên hình 3.8 là hiệu quả hơn. Bằng cách này dịch chuyển ngang giữa các lớp được hạn chế
tối đa và dầm được liên kết dày sẽ ổn định hơn. Neo dính kết toàn thân là thích hợp đối với cơ chế này [12].
Hình 3.7 Sơ đồ tính theo lý thuyết dầm nhận tải 3.2.1.4. Liên kết khối đá bị phá hủy hay phân khối mạnh
Khi lớp đá vách bị phá vỡ hoặc phân khối mạnh, hoặc đá vách trực tiếp chứa một hay nhiều hệ khe nứt với các thế nằm khác nhau, neo có tác dụng làm tăng ma sát trên các mặt khe nứt, các mặt yếu. Hiện tượng trượt hoặc tách dọc theo các mặt phân cách sẽ được ngăn chặn hoặc hạn chế, được minh họa đơn giản như trên hình 3.8.
Hình 3.8 Hiệu ứng liên kết (neo chốt)
Hiệu ứng liên kết (hay neo chốt) phụ thuộc chủ yếu vào việc kéo căng neo tích cực, hoặc neo được kéo căng do dịch chuyển của khối đá sau khi neo trong điều kiện thuận lợi cố định. Trường hợp sau được coi là “kéo neo bị động” do dịch chuyển của khối đá. Thực tế cho thấy, kéo neo sẽ gây ra ứng suất trong đá vách gây nén ép vừa dọc theo hướng neo chốt và vừa theo hướng vuông góc. Sự chồng chéo các vùng được nén ép xung quanh mỗi neo sẽ tạo nên vùng liên tục được nén ép, trong đó ứng suất kéo được suy giảm và khả năng chịu cắt của các mặt phân cách tăng lên như trên hình 3.9.
Hình 3.9 Nguyên lý xếp chồng các vùng được nén ép do neo bị kéo căng Như vậy theo nguyên lý neo chốt và xếp chồng các vùng khối đá nứt nẻ mạnh, vùng bị phá hủy có thể tạo nên các dầm và vòm nhận tải như trên hình 3.10.
Hình 3.10 Các dạng liên kết vùng khối đá nứt nẻ, phá hủy tạo thành vòm nhận tải