Ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm tới ổn định của nóc hầm có chứa lớp đá kẹp mềm

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 85 Ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm tới ổn định của nóc hầm có chứa lớp đá kẹp mềm Vũ Đức Quyết Khoa Mỏ và Công trình, Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: quyetvu1980@gmail.com Tel: +84787399888 Tóm tắt Từ khóa: Biến dạng; độ sâu đặt đường hầm;đá kẹp mềm; phá hủy; ổn đinh Khi nóc hầm có xen kẽ lớp đá kẹp mềm có ảnh hưởng rất lớn đến ổn định của nóc hầm. Đặc biệt khi đường hầm nằm ở độ sâu càng lớn thì nguy cơ mất ổn định của nóc hầm càng mãnh liệt, rất dễ xảy ra sập hầm. Để giảm thiểu rủi ro, ngăn ngừa sự cố trên xảy ra, bài báo thông qua phần mềm Flac3D xây dựng mô hình khảo sát quá trình biến dạng và phá hủy của nóc hầm dạng hình vòm bán nguyệt có và không có lớp đá kẹp mềm với độ sâu đặt đường hầm tăng 200m đến 700m. Kết quả cho thấy, khi nóc có lớp đá kẹp mềm biến dạng và phá hủy của nóc hầm tăng mãnh liệt khi độ sâu khai thác >300m, mức độ ảnh hưởng lớn hơn rất nhiều so với nóc không có lớp đá kẹp mềm. Keywords: Abstract 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Độ sâu đặt đường hầm vốn có ảnh hưởng rất lớn đối với ổn định của đường hầm, do khi độ sâu đặt đường hầm càng lớn thì ứng suất nguyên sinh càng lớn làm gia tăng biến dạng và phá hủy của đường hầm, nguy cơ mất ổn định đường hầm tăng cao[1, 2, 3]. Mặt khác, khi nóc hầm bị phân lớp hoặc có lớp đá kẹp mềm sẽ làm cho nguy cơ tách lớp và mất ổn định của đá vách ngày càng gia tăng [5, 6], độ dày của lớp đá kẹp mềm và khoảng cách của chúng tới nóc hầm có ảnh hưởng rất lớn đến biến dạng và phá hủy của đường hầm [4]. Khi xuất hiện một trong hai trường hợp trên khiến cho việc duy trì độ ổn định nóc hầm khó khăn hơn. Đặc biệt khi xuất hiện đồng thời cả hai trường hợp trên nguy cơ sập đổ càng lớn, việc duy trì ổn định nóc hầm rất khó khăn. Để giảm thiểu nguy cơ sập hầm cần phải đánh giá được mức độ ảnh hưởng của chúng đối với biến dạng và phá hủy của nóc hầm. Từ đó làm căn cứ để đề xuất ra giải pháp kỹ thuật hợp lý nhằm giữ ổn định cho đường hầm. Trong bài báo, tác giả đã sử dụng phần mềm Flac3D để đánh giá ảnh hưởng độ sâu bố trí đường hầm tới ổn định của nóc hầm có chứa lớp đá kẹp mềm. 2. MÔ HÌNH VÀ NỘI DUNG TÍNH TOÁN 2.1. Xây dựng mô hình tính toán Mô hình thiết lập gồm 5 lớp đá và than với các tham số đầu vào thể hiện ở bảng 1, với kích thước chiều rộng 40m, cao 40m và dày 1.0m, đường hầm được bố trí ở giữa mô hình với hình dạng tiết diện ngang là vòm bán nguyệt tường thẳng, chiều rộng 3.3m, chiều cao 2.8m (hình 1). Mô hình tính toán được xây dựng bằng phần mềm Flac3d [7], với điều kiện mặt trên mô hình đặt tải trọng phân bố đều có giá trị bằng tải trọng của lớp đất đá phía trên đè nén xuống (z), mặt dưới và hai bên hông mô hình được cố định chặt, chịu áp lực ngang (x, y) tác dụng. Trạng thái ứng suất nguyên sinh được tính toán như sau: z=.H; x=y=.z Trong đó: - Trọng lượng thể tích, kg/m3; H- Chiều sâu bố trí mô hình, m; - Hệ số áp lực ngang, =/(1-); - Hệ số Poát-xông của than; z- Ứng suất khối đá theo phương trục Z (thẳng đứng), MPa; x, y- Ứng suất trong khối đá theo phương nằm ngang (phương trục X và trục Y), MPa. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 86 Bảng 1. Các tham số cơ học của các lớp đá [4] TT Lớp đá Chiều dày, m Mô đun đàn hồi E, GPa Hệ số poission Lực dính kết C, MPa Góc ma sát trong , độ Độ bền kéo k, MPa 1 Vách cơ bản 120 4.52 0.23 5.2 45 6.00 2 Vách trực tiếp 13 2.30 0.29 4.0 40 3.50 3 Lớp đá kẹp mềm 0.3 0.14 0.38 0.4 28 0.25 4 Vỉa than 3.2 0.76 0.32 1.6 33 2.00 5 Trụ trực tiếp 17 2.88 0.27 5.2 44 4.50 a) b) Hình 1. Sơ đồ mặt cắt ngang mô hình bài toán 2.2. Nội dung nghiên cứu Để đánh giả ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm đến độ ổn định của nóc hầm có lớp đá kẹp mềm, bài báo xây dựng hai mô hình có và không có lớp đá kẹp mềm để so sánh. Lớp đá kẹp mềm được lựa chọn với chiều dày bằng 30 cm, nằm cách nóc lò 0,5m. Tiến hành khảo sát với độ sâu đặt đường hầm tăng từ 200m đến 700m. 3. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG ĐỘ SÂU ĐẶT ĐƯỜNG HẦM ĐẾN BIẾN DẠNG VÀ PHÁ HỦY NÓC HẦM KHI CÓ LỚP ĐÁ KẸP MỀM 3.1. Ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm đến biến dạng của đường hầm Hình 2 thể hiện chuyển vị của nóc hầm khi nóc có và không có lớp đá kẹp mềm. Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm a) Độ sâu đặt đường hầm 200m Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 87 b) Độ sâu khai thác 300m Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm c) Độ sâu đặt đường hầm 400m Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm d) Độ sâu đặt đường hầm 500m Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm e) Độ sâu đặt đường hầm 600m Không đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm f) Độ sâu đặt đường hầm 700m Hình 2. Ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm đến biến dạng đường hầm có và không có lớp đá kẹp mềm Hình 3. Đồ thị thể hiện biến dạng của đường hầm có và không có lớp đá kẹp mềm Từ kết quả trên hình 2 và đồ thị hình 3 thể hiện giá trị biến dạng tại nóc, hông của đường hầm, thấy rõ được sự khác biệt về biến dạng của nóc hầm có và không có lớp đá kẹp mềm khi gia tăng độ sâu đặt công trình, quan hệ giữa biến dạng với độ sâu đặt công trình như sau: - Khi độ sâu đặt công trình tăng thì biến dạng ở nóc và hông của đường hầm đều tăng. ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 88 Khi công trình nằm ở độ sâu nhỏ hơn 400 m, biến dạng ở nóc và hai bên hông tăng đều, giá trị biến dạng của chúng sấp sỉ bằng nhau và không lớn. Nhưng khi tiếp tục gia tăng độ sâu đặt công trình lớn hơn 400 m thì biến dạng ở hai bên hông vẫn tăng đều, nhưng biến dạng ở nóc tăng mạnh, khi đó độ sâu càng tăng thì tốc độ gia tăng chuyển vị nóc càng lớn, lúc độ sâu đặt công trình tăng lên 700 m thì lượng chuyển vị tại nóc là 512 mm, tăng 2,67 lần so với lúc công trình ở độ sâu 400 m và 8,5 lần so với lúc công trình nằm ở độ sâu 200 m. - Khi nóc hầm xuất hiện lớp đá kẹp mềm thì ảnh hưởng của độ sâu đặt công trình đến biến dạng đường hầm mãnh liệt hơn, trong đó biến dạng ở nóc hầm ảnh hưởng mạnh nhất. Đồ thị hình 3 cho thấy, do ảnh hưởng của lớp đá kẹp mềm mà chuyển vị nóc khi công trình ở độ sâu nhỏ vẫn lớn hơn khi nóc không có đá kẹp mềm. Độ sâu bố trí đường hầm mà nóc có lớp đá kẹp mềm gia tăng lúc độ sâu không lớn (<400m) thì biến dạng tăng đều với tốc độ không lớn, nhưng khi độ sâu >400m thì biến dạng tăng đột biến. Nhưng khi nóc không chứa lớp đá kẹp mềm thì biến dạng tăng đều, không có sự tăng đột biến kể cả khi ở độ sâu lớn, giá trị chênh lệch chuyển vị nóc giữa 2 trường hợp trên khi ở độ sâu 200 m không lớn 23 mm, nhưng khi độ sâu tăng lên 700 m thì giá trị chênh lệch rất lớn 257 mm, bằng 2 lần chuyển vị của nóc không có lớp đá kẹp mềm. - Khi đường hầm ở độ sâu <200m, vị trí chuyển vị nóc lớn nhất khi có và không có lớp đá kẹp mềm đều ở giữa nóc hầm, nhưng khi gia tăng độ sâu thì chuyển vị lớn nhất của nóc có lớp đá kẹp mềm dịch chuyển dần sang phía nóc trái, còn nóc không có lớp đá kẹp mềm thì dịch chuyển về phía nóc phải, phạm vi vùng chuyển vị của nóc có lớp đá kẹp mềm lớn hơn phát triển sâu vào trong khối đá, độ sâu bố trí công trình càng lớn thì vùng chuyển vị lớn càng gia tăng mạnh. 3.1. Ảnh hưởng độ sâu đặt công trình đến phá hủy nóc hầm khi có lớp đá kẹp mềm Trên Hình 4 là hình ảnh thể hiện hiện tượng phá hủy của khối đá xung quanh đường hầm khi nóc có và không có lớp đá kẹp mềm với độ sâu bố trí công trình khác nhau. Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm a) Độ sâu đặt đường hầm 200m Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm b) Độ sâu đặt đường hầm 300m ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 89 Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm c) Độ sâu đặt đường hầm 400m Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm d) Độ sâu đặt đường hầm 500m Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm e) Độ sâu đặt đường hầm 600m Không có đá kẹp mềm Có đá kẹp mềm f) Độ sâu đặt đường hầm 700m Hình 4. Ảnh hưởng độ sâu đặt đường hầm đến phá hủy nóc hầm có và không có đá kẹp mềm Từ kết quả ở hình 4 cho thấy ảnh hưởng của độ sâu đặt công trình đến phá hủy của nóc đường hầm như sau: Khi độ sâu đặt công trình tăng thì vùng phá hủy của khối đá xung quanh đường hầm trong cả hai trường hợp có và không có lớp đá kẹp đều tăng. Khi độ sâu đặt công trình <200m thì phá hủy ở 2 trường hợp khác nhau không nhiều, ở trường hợp có lớp đá kẹp mềm xuất hiện phá hủy tách lớp tại vị trí lớp đá kẹp mềm nhưng không có sự liên thông với vùng phá hủy ở xung quanh biên hầm. Khi độ sâu gia tăng >300m thì phá hủy ở nóc mà có lớp đá kẹp mềm gia tăng mãnh liệt, vùng phá hủy lớp đá kẹp mềm và phá hủy xung quanh biên hầm có sự liên thông với nhau và có sự mở rộng sang hai bên hông, khi độ sâu ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 90 tăng từ 300 m lên 600 m thì vùng phá hủy ở nóc gia tăng không mạnh, nhưng khi tăng lên 700 m phá hủy của lại tăng rất nhanh, phát triển rộng sang hai bên sườn nóc, vùng phá hủy xung quanh công trình ngầm rất lớn. Phá hủy ở hai bên hông hầm cũng gia tăng mạnh, đường hầm thể hiện sự mất ổn định cao so với không có lớp đá kẹp mềm ở nóc hầm. Khi đường hầm không có lớp đá kẹp mềm ở nóc, độ sâu bố trí đường hầm gia tăng thì vùng phá hủy xung quanh đường hầm gia tăng từ từ, phá hủy chủ yếu phát triển mở rộng về hai bên sườn nóc đường hầm mà không phát triển sâu lên phía trên nóc hầm, bị giới hạn tại vị trí phân lớp giữa than và đá vách. 4. KẾT LUẬN Khi nóc lò có lớp đá kẹp mềm, biến dạng và phá hủy của nóc hầm khi độ sâu khai thác gia tăng sẽ phát triển rất mãnh liệt và phức tạp, đặc biệt cần phải chú ý khi công trình ở độ sâu >300m, khi đó tốc độ biến dạng và phá hủy tăng đột biến, nguy cơ sập đổ rất dễ xảy ra, khi đó vùng phá hủy lớp đá kẹp mềm và vùng phá hủy ở xung quanh đường hầm liên thông với nhau, thể hiện sự phá hủy hoàn toàn nóc. Vị trí suy yếu nhất của nóc hầm trong trường hợp này ở nóc trái điểm gần nhất với lớp đá kẹp mềm, cần phải có giải pháp khống chế điểm suy yếu này để tăng cường ổn định cho đường hầm và ngăn ngừa hiện tượng tách lớp tại vị trí lớp đá kẹp mềm bằng giải pháp gia cố bằng neo dự ứng lực hoặc gia cường hóa lớp đá kẹp mềm bằng phương pháp bơm ép dung dịch dính kết nhằm gia tăng cường độ của lớp đá kẹp mềm. Kết quả nghiên cứu là cơ sở để đề xuất giải pháp giữ ổn định cho đường hầm khi nóc có lớp đá kẹp mềm chịu ảnh hưởng của độ sâu bố trí công trình ngầm. Kết quả này càng quan trọng khi độ sâu khai thác ngày càng gia tăng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Quang Phích (2007), Cơ học đá, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. [2]. Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc (2008), Cơ học đá ứng dụng trong xây dựng ngầm và khai thác mỏ, NXBKHKT, Hà nội. [3]. Trần Xuân Truyền, Vũ Đức Quyết (2012), Giáo trình Đào chống lò, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. [4]. Vũ Đức Quyết, nnk (2016), “Nghiên cứu biến dạng và phá hủy của nóc đường lò dọc vỉa đào bám trụ trong vỉa than dày khi nóc lò xuất hiện lớp vách giả”, Kỷ yếu Hội nghị khoa học lần thứ 5 Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. [5]. Dương Cát Bình (2013), Nguyên lý và kỹ thuật khống chế đất đá xung quanh đường lò khi phần than ở nóc lò có kẹp các lớp đá mỏng, Luận án tiến sĩ (Tiếng Trung). [6]. Lưu Ngọc Điền (2014), Nghiên cứu nguyên lý phá hoại nóc của đường lò bám trụ và biện pháp khống chế nó khi lò trong vỉa than dày chịu ảnh hưởng mắc ma xâm nhập, Luận văn Thạc sĩ (Tiếng Trung). [7]. Itasca (2011), Flac3d user’s guide, Version 4.00.69. Itasca Consuling Group Inc, Minneapolis, MN 55401, USA.