Chương 4: Nghiên cứu, đánh giá ổn định bờ trụ Nam vỉa 4 mỏ than Na Dương và tính toán lựa chọn giải pháp đảm bảo ổn định cho bờ trụ đến mức -6m
4.2. Tính toán xác định hệ số ổn định
4.2.2. Tính toán ổn định theo mô hình trượt dòng
Để cho trượt dòng chảy phát triển thì đồng thời phải có hai điều kiện. Thứ nhất phải hình thành được một tầng vỡ vụn tức là phải có điều kiện để tích tụ các sản phẩm phong hóa. Thứ hai mái dốc phải có độ dốc thích hợp để giữ lại các sản phẩm phong hóa. Nếu độ dốc lớn hơn thì đất đá phong hóa đến đâu sẽ rơi ngay xuống chân mái dốc đến đấy mà trên bề mặt mái dốc không hình thành đới phong hóa.
Điều kiện tích tụ sản phẩm phong hóa lại phụ thuộc vào hai điều kiện:
- Cấu tạo địa chất của bờ mỏ phải thuận lợi cho hoạt động của các tác nhân phong hóa, thứ hai bề mặt địa hình phải đủ thoải để giữ lại các sản phẩm phong hóa. Bờ trụ Nam vỉa 4, như đã phân tích ở các phần trên, có đủ các điều kiện để hình thành và phát triển hiện tượng trượt dòng chảy.
- Các lớp cấu tạo bờ trụ Nam vỉa 4 có hướng cắm xuôi theo mái dốc với gốc dốc từ 150 đến 170. Các lớp đá sét kết, bột kết có tiềm năng phong hóa cao đều được tiếp xúc trực tiếp với các tác nhân phong hóa nhiệt đới ẩm như không khí, nhiệt độ, nước mưa trên toàn bộ đất đá xuất lộ. Như vậy thấy rằng với đặc điểm đắc biệt bờ trụ Nam vỉa 4 hội tụ đủ các điều kiện để hình thành cơ chế trượt dòng chảy đất đá phong hóa.
4.2.2.2. Tính toán xác định góc dốc ổn định của tầng phong hóa bờ trụ Nam vỉa 4 Như đã phân tích trong các phần trên hình thái biến dạng tại bờ trụ Nam vỉa 4 xảy ra theo cơ chế trượt dòng chảy trong tầng đất đá phong hóa bề mặt. Do vậy, để xác định góc dốc ổn định của bờ mỏ nâng cao độ tin cậy của các kết quả tính toán đã tiến hành tính theo 2 mô hình. Mô hình của Giáo sư Maxlốp và Giáo sư Terzaghi.K
a.Tính toán xác định góc dốc ổn định theo sơ đồ của Giáo sư Maxlốp
Theo Giáo sư Maxlốp tốc độ trượt của hiện tượng trượt dòng chảy được xác định theo công thức:
0 ( )(sin c o s . ) 2
y z C
V H y tg H
(4.2) Trong đó: - hệ số nhớt của đất đá
H - chiều dày của khối trượt α - góc nghiêng của nền y - độ sâu tính toán
g, c, Các chỉ tiêu cơ lý đất đá tính toán Tốc độ V0 tại bề mặt trượt ( y = H )
2
0 ( s i n c o s ) . )
2
V H t g C H
(4.3)
Đối với đất đá phong hóa C rất nhỏ có thể coi C = 0 Khi đó:
2
0 ( s in c o s )
V 2 H t g
(4.4) Điều kiện ổn định của mái dốc là V0 = 0 tức là:
2( s in c o s ) 0
2 H tg
(4.5) Do
2
2 0 H
nên suy ra (Sinα - cosαtg = 0) chia 2 vế cho cosα ta được ( tgα = tg ) và điều kiện ổn định ( góc dốc ổn định ) là
( α = ). Góc dốc của sườn dốc bằng góc ma sát trong của đất đá phong hóa.
Từ đó cho phép kết luận đối với bờ trụ Nam vỉa 4:
- Góc dốc ổn định vào mùa khô α ≤ 16 - Góc dốc ổn định vào mùa mưa α ≤ 12
250
240
230
250
240
230 vỉa than
Khối đất đá phong hóa
y
Đá gốc chưa phong hóa
Hình 4.5. Mặt cắt tính toán xác định gốc dốc theo sơ đồ của GS Maxlốp
b. Tính toán xác định gốc dốc ổn định của tầng phong hóa bề măt phương pháp trượt tịnh tiến (Terzaghi.K)
Trượt tịnh tiến là thuật ngữ được sử dụng khi mô tả sự di chuyển tịnh tiến theo mặt phẳng tương đối nông so với bề mặt địa hình. Như đã phân tích ở trên cơ chế trượt xẩy ra trong tầng phong hóa là hình thái trượt dòng chảy mặt trượt là mặt tiếp xúc giữa tầng phong hóa và bề mặt chưa phong hóa. Do đặc điểm cấu tạo của các lớp đá có tính phân lớp mỏng cho nên mặt phân lớp coi như trùng với mặt trượt.
Khi đó sự ổn định của lăng thể trượt phụ thuộc vào các lực:
- Trọng lượng của khối trượt: W = zb
- Phản lực pháp tuyến lên mặt trượt: N = Wcosβ
- Lực gây trượt hướng xuống chân mái dốc: T = Wsinβ - Lực kháng cắt hướng lên mái dốc: R = τ.b
Trong đó:
- β: góc nghiêng của mái dốc (độ) - τ: độ bền cắt τ = C (T/m2)
- : trọng lượng thể tích của khối trượt (T/m3) - b: chiều dài mặt trượt (m)
Trong trường hợp này các nội lực E1 và E1 được xem là bằng nhau và ngược
chiều, vì thế chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Ở trạng thái cân bằng giới hạn tổng các lực gây trượt bằng tổng các lực trượt cho nên:
C b W. sin Zbcos sin (4.6)
Cho ta: sin cos 1sin 2 2 C
Z
Hay:
in 2 2C
S Z
Từ đây xác định được góc ổn định giới hạn của mái dốc: ( C ) ArcSin
Z
Với khối trượt phong hóa bờ trụ Nam vỉa 4 các thông số tính toán được lựa chọn như sau:
+ Ở trạng thái tự nhiên:
C = 2.0 T/m2 , = 1.92 T/m3
Z = 3.5 mét ( độ sâu trung bình mặt trượt ) + Ở trạng thái bão hòa:
C = 1.4 T/m2 = 2,05 T/m3 Từ đó tính được
- Góc dốc ổn định giới hạn ở trạng thái tự nhiên: βTN ≤ 17018’
- Góc dốc ổn định giới hạn ở trạng thái bão hòa: βBH ≤ 11015’
Cũng hoàn toàn tương tự khi mái dốc tồn tại trong thời gian dài thì theo CouLomb:
τ’max = C’ + σ’tgφ’
Khi đó hệ số an toàn của mái dốc:
' ' ' '
ax
' sin cos
M C tg
K Z
Sau khi thay σ’ = Zcos2β(g - mω) vào phương trình trên ta có:
' cos2 ( ) '
sin cos
C Z m tg
K Z
+ Ở trạng thái cân bằng và nước ngầm được tháo khô (m = 0) giải phương trình trên chúng ta thu được kết quả điều kiện ổn định của mái dốc:
tgβ = tgφ’
Trong đó: β– Là góc nghiêng của sườn dốc (β = α ) φ’ – Góc ma sát trong của đất đá phong hóa
Như vậy điều kiện ổn định của tầng đất đá phong hóa bờ trụ Nam vỉa 4 được xác định như sau:
- Vào mùa khô góc dốc ổn định giới hạn của bờ α ≤ 160 - Vào mùa mưa góc dốc ổn định giới hạn của bờ α ≤ 120