Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam

Nội dung text: Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam

1. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃI THẢI BỀ MẶT ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH CỦA VỎ CHỐNG GIẾNG ĐỨNG TẠI CÁC MỎ LÒ VIỆT NAM Đặng Văn Kiên, Võ Trọng Hùng, Đỗ Ngọc Anh Bộ môn XDCTN&Mỏ, Khoa Xây dựng, Đại học Mỏ-Địa chất Khuất Mạnh Thắng Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam Đỗ Thế Anh Công ty cổ phần Fountech Biên tập: TS. Nhữ Việt Tuấn Tóm tắt: Bài báo trình bày các kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng bãi thải đến độ ổn định của thành giếng và vỏ chống giếng đứng. Kết quả nghiên cứu đạt được thông qua phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus và phương pháp giải tích. Các kết quả chính của nghiên cứu là cơ sở để lựa chọn các giải pháp phù hợp về quy hoạch, thiết kế và thi công giếng mỏ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng cho vỏ chống giếng đứng của mỏ. 1. Đặt vấn đề lăn xa, phân bố phía chân bãi thải. Một số thông Giếng đứng là công trình mở vỉa có thời gian số cơ lý của đất đá thải như trong Bảng 2 tồn tại lớn (hàng chục năm trở lên) nên kết cấu Với trường hợp giếng nằm dưới bãi thải bề vỏ đòi hỏi độ bền lớn có tuổi thọ dài như bê mặt, ngoài áp lực đất đá nằm ngang xung quanh tông liền khối hoặc bê tông cốt thép liền khối. thành giếng, vỏ chống giếng đứng còn chịu thêm Kết cấu vỏ giếng chịu tác động của áp lực đất đá áp lực của tự trọng bãi thải và các hoạt động xung quanh, nước ngầm cũng như ảnh hưởng đổ thải gây ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của của các công trình bề mặt như đoàn tàu, bãi thành giếng và vỏ chống cố định giếng đứng. thải, nhà xưởng (Hình 1). Đất đá bãi thải vùng Trên thế giới, các kết quả nghiên cứu về ảnh than Quảng Ninh chủ yếu là các loại đá trầm hưởng của bãi thải đến vỏ chống giếng đứng tích ở vách trụ các vỉa than đã nổ mìn, xúc bốc, là không nhiều. Đối với Việt Nam, sau rất nhiều vận chuyển từ các moong khai thác đến bãi thải. năm từ thời kỳ Pháp thuộc đến năm 2009, giếng Thành phần đất đá chủ yếu bao gồm các loại mỏ đầu tiên mới được xây dựng tại mỏ than Hà mảnh, cục đất đá vỡ vụ của cát kết, cuội kết, Lầm, do vậy hầu như chưa có công trình khoa bột kết, sét kết, sét than và đất phủ đệ tứ. Thành học nào nghiên cứu theo hướng này trong khi phần cỡ hạt của đất đá cũng rất khác nhau, có yêu cầu về an toàn ổn định cho vỏ chống giếng kích thước từ 0,1 mm đến 1000 mm như Bảng 1. đứng luôn được đặt ra nhằm bảo đảm sự vận Đất đá kích thước nhỏ tập trung phía trên, do hành bình thường của giếng trong suốt quá đó động năng lớn hơn, đất đá có kích thước lớn trình khai thác. Bảng 1. Thành phần cỡ hạt và tỉ lệ trong đất đá 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên bãi thải cứu 2.1. Cơ sở lý thuyết Thành phần cỡ 50 ÷ 80 800 < 50 mm Do ảnh hưởng của bãi thải liền kề được đặt hạt đất đá bãi mm mm thải trong khu vực lăng thể trượt làm tăng tải trọng bổ Tỉ lệ % 10 80 10 sung của đất vào vỏ chống giếng đứng. Chiều Bảng 2. Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh Góc ma sát trong Độ rỗng ф 3 Tỉ trọng bão Lực dính kết C Tỉ trọng (T/m ) 3 2 0 η(%) hòa bh(T/m ) (T/m ) А ( ) 21 2,1 2,26 2,0 30 14 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
2. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ cao tăng thêm do tải trọng Pm truyền vào đáy BC Trong đó: p - áp lực ngang phân bố đều; R1, được tính theo sơ đồ Hình 1 và theo công thức R2 - Bán kính trong và ngoài của vỏ giếng; x - (1) (Đỗ Thụy Đằng, 1997): Khoảng cách từ tâm giếng đến điểm đang xét Pm của vỏ chống. Ho = (1) γ .b0 Trong đó: H0 – chiều cao tăng thêm, m; Pm – tải trọng trên 1m dài móng tác dụng vào chiều 3 rộng đáy b0, T; - dung trọng của địa tầng, T/m ; b0 – chiều rộng của bãi thải lân cận, m Trong điều kiện như thế, tải trọng tác dụng Hình 2. Sơ đồ phân bố các thành phần ứng suất О3 và О2 trong vỏ chống giếng đứng 2.2. Xây dựng và kiểm chứng mô hình số 2.2.1. Xây dựng mô hình số mô phỏng ảnh hưởng của bãi thải bề mặt giếng đến trạng thái ứng suất và chuyển vị trong vỏ chống giếng Hình 1. Sơ đồ tính áp lực bên do ảnh hưởng của đứng bãi thải liền kề (ABAQUS User’s, 2011; Võ Trọng Để phân tích rõ hơn ảnh hưởng của bãi thải Hùng, 2012) bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng vào thành giếng có thể được tính dễ dàng bằng đứng, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp phương pháp tính toán trong cơ học ổn định phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus. khối đất, cường độ áp lực ngang do bãi thải tác Kết cấu của mô hình số được xây dựng sử dụng dụng vào điểm D được biểu thị bằng công thức cho nghiên cứu chia thành các khối phần tử mô (2) (Phí Văn Lịch, 1977; Đỗ Thụy Đằng, 1997): hình khác nhau với ba phần riêng biệt gồm khối b  ϕ  đất đá xung quanh vỏ giếng, vỏ giếng bằng bê Pz = γ .H 0 tg450 −  0 a + b  2  (2) tông và bãi thải bề mặt (Hình 3). Kích thước mô 0 0 hình được lấy theo kinh nghiệm lớn gấp 5 lần Dưới tác dụng của áp lực ngang phân bố đều chiều sâu giếng để mô tả chính xác vùng ảnh P và trọng lượng bản thân của vỏ chống, ngoài hưởng. Mô hình đất đá có bề rộng tùy theo bán ra còn có ảnh hưởng của các công trình trên bề mặt đến vỏ chống xuất hiện trạng thái ứng suất kính và chiều sâu giếng đứng. Đất đá mô phỏng О hình học với chiều dài x chiều rộng x chiều cao ba chiều: Ứng suất nén hướng tâm 3 (còn gọi là ứng suất hướng kính); Ứng suất tiếp tuyến là 200 x 200 x 120 m. Giếng có bán kính 2,7m О (tính cả phần diện tích đào, tác giả bỏ phần bê 2 (còn gọi là ứng suất vồng theo chu vi), tác dụng vuông góc với ứng suất hướng tâm; Ứng tông phun với mô hình nghiên cứu đơn giản), О suất thẳng đứng 1 tác dụng song song với trục giếng (Hình 2). Đây là một trường hợp của bài toán Lamé đã giải từ năm 1852. Độ lớn của các ứng suất trên được tính theo các công thức (4) (Changsuo Zhang et al, 2005): R2.P  R2  σ = 2  − 1  3 2 2 1 2  R2 − R1  x  R2.P  R2  (3) σ = 2  + 1  2 2 2 1 2  R2 − R1  x  a. Khối đất đá xung b. Vỏ c. Khối đất đá và bãi thải 2 quanh thành giếng giếng hình chóp R2 .P σ1 = 2 2 R2 − R1 Hình 3. Kết cấu mô hình số KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ 15
3. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ với bề dày thành giếng không đổi. Vỏ chống bê để xác định trọng lực, và ứng suất nguyên sinh tông liền khối của giếng đứng được sơ bộ lựa trong đất đá. Điều kiện biên mô hình ở các cạnh chọn dày 0,2m theo thiết kế của công ty than Hà biên sử dụng gối cố định theo phương ngang (x, Lầm khi giếng đi qua vùng đất đá ổn định được y), biên bề mặt được giả thiết biến dạng tự do, mô phỏng dạng vỏ (shell) với độ sâu là 83,3m. biên đáy mô hình giả sử là cố định ngầm các 2.2.2. Thông số và mô hình vật liệu hướng(x, y, z) như hình 4. Mô hình được khảo sát với 6 lớp đất đá nằm 2.2.4. Phần tử sử dụng cho mô hình ngang khác nhau có đặc tính cơ lý được thể Trong mô hình khối đá được mô phỏng nhờ hiện trên Bảng 3. Mô hình gồm 5 thông số cơ phần tử dạng tứ diện tuyến tính, vỏ chống giếng bản: module đàn hồi (E), hệ số Poison (⍴), lực đứng được lựa chọn là phần tử vỏ tam giác với dính của đất C, góc ma sát trong (А) và góc nở đặc tính như Bảng 5: của đất (∝). Vỏ chống giếng đứng là bê tông liền 2.2.5. Các trường hợp nghiên cứu khối M300 với các đặc tính cơ lý được thể hiện trên Bảng 4. Do các lớp đất đá bề mặt thuộc a. Kết quả mô hình giếng đứng trong trường loại mềm yếu nên vật liệu làm việc tuân theo mô hợp chưa có bãi thải hình phá hủy Mohr-Coulomb. Khi chưa có bãi thải phía trên miệng giếng, 2.2.3. Tương tác và điều kiện biên của mô vỏ chống giếng đứng chỉ chịu ảnh hưởng của hình áp lực đất đá xung quanh. Kết quả so sánh giữa mô hình số với kết quả tính toán áp lực bên Mô hình tương tác đất đá-vỏ giếng được xác thành giếng đạt được bằng phương pháp giải định sử dụng bước nghiên cứu địa tĩnh ban đầu, tích tính toán theo công thức (2) được thể hiện a. Điều kiện biến dạng ngầm b. Liên kết giữa đấ đá và vỏ c. Mô hình bãi thải gần miệng bao quanh mô hình chống giếng đứng giếng trên các lớp địa tầng Hình 4. Biểu diễn điều kiện biên mô hình Bảng 3. Chỉ tiêu cơ lý của đất đá đào qua Các chỉ tiêu cơ lý Loại đá ρ (g/cm3) C (MPa) А (độ) E (GPa) ∝ Đá thải (Lớp đất đá 1) 2,1 0,02 30 3,0 0, 25 Bột kết (Lớp đất đá 2) 2,6 5,0 35 3,6 0, 213 Bột kết (Lớp đất đá 3) 2,6 16,9 36 5,0 0,206 Sét kết (Lớp đất đá 4) 2,6 2,9 31 2,4 0,24 Than (Lớp đất đá 5) 1,5 0,5 30 0,91 0,25 Bột kết (Lớp đất đá 6) 2,6 16,9 36 5,0 0,206 Bảng 4. Chỉ tiêu cơ lý bê tông thành giếng Các chỉ tiêu cơ lý Bê tông K G σc σt ρ C E 3 (MPa) (MPa) (g/cm ) (MPa) (độ) (GPa) ν (GPa) (GPa) ϕ M300 30 0,8 2,40 0,61 35 30 0, 25 18,7 11.6 16 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
4. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Bảng 5. Đặc tính các loại phần tử sử dụng trong mô hình Stt Tên phần tử Số nút Loại hình Phần tử rắn (đất đá) C3D4 4 nút – tứ diện tuyến tính 3D Stress Phần tử vỏ (giếng) S3 3 nút – vỏ tam giác Vỏ trên hình 5. phương pháp số và phương pháp giải tích là Kết quả so sánh trên biểu đồ Hình 5.b có thể phù hợp, do đó mô hình xây dựng có độ tin cậy thấy rằng giá trị tính toán áp lực đất đá xung và có thể được sử dụng để nghiên cứu thông quanh thành giếng theo hai phương pháp giải số. tích và phương pháp số cho ra kết quả phù hợp. 2.3. Khảo sát thông số mô hình Giá trị lớn nhất 60 tấn/m2 tại độ sâu 83,3m nằm 2.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách bãi thải qua vỉa than dày 9m. Sự phân bố áp lực thay đến giếng đứng đổi theo chiều dài dọc thân giếng, ngoại trừ tại vị Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mô trí 1/3 của thân giếng có bước nhảy nhỏ, bước phỏng giếng đứng với kích thước như mô hình nhảy này là do sự bất ổn định số xảy ra trong đã kiểm chứng ở trên (R=5,4m; H=83,3m). mô phỏng. Khi vỏ chống giếng đứng có chiều Bãi thải có hình dạng nón, kích thước bề rộng dày 20cm, theo lý thuyết tính toán ứng suất nén 100m, chiều cao 50m. Nghiên cứu được tiến trong thành giếng được tính như công thức (3) hành bằng cách thay đổi vị trí khoảng cách bãi thải từ miệng giếng tới mép ngoài cùng bãi thải. khi R1=2,5m; R2=2,7m; x= 2,7m, ta tính được các thành phần ứng suất trong vỏ giếng. Kết Khoảng cách được thay đổi lần lượt là 30m, quả so sánh giá trị ứng suất tiếp, ứng suất nén 40m, 50m, 60m. Kết quả chuyển vị lớn nhất trên trong thành giếng theo công thức (3) với các giá thành giếng được thể hiện như Hình 7. trị ứng suất tương ứng đạt được bằng phương Kết quả thu được từ sự dịch chuyển khối đất đá khi bãi thải thay đổi vị trí có thể đưa ra một số pháp số (cụ thể là các ứng suất S11, S22) được thể hiện trên Hình 6. kết luận: Khoảng cách bãi thải tới giếng càng xa Kết quả so sánh trên Hình 6 cho thấy giá dần, thì chuyển vị trong thành giếng càng giảm trị ứng suất thu được trong thành giếng bằng dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di chuyển a. Ứng suất trên thành giếng b. Giá trị ứng suất trong thành giếng theo hai phương pháp khác nhau Hình 5. Giá trị ứng suất trong vỏ chống giếng đứng do áp lực đất đá a. Thành phần ứng suất S11 b. So sánh ứng suất đạt theo hai phương pháp Hình 6. Kết quả ứng suất đạt được bằng phương pháp số KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ 17
5. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ theo vị trí đặt bãi thải. Với tính chất đất đá như miệng giếng đứng tới mép ngoài cùng bãi thải là điều kiện khảo sát địa chất đưa ra, có thể thấy 40m và 30 m, tiến hành bằng cách thay đổi kích rằng, chuyển vị lớn nhất đạt 5,6mm với chiều thước bề rộng bãi thải. Bề rộng bãi thải thay đổi dày của lớp bê tông phun là 5cm, chiều dài lần lượt là 60m với chiều cao bãi thải 30m; 80m thanh neo là 1,5m như Hình 8. Có thể thấy hai vị với chiều cao bãi thải 40m; 100m với chiều cao trí dịch chuyển chủ yếu trong mô hình, đó là vị trí bãi thải 50m; 120m với chiều cao bãi thải 60m. phía dưới bãi thải, và vị trí đáy giếng. Điều này Kết quả khảo sát nghiên cứu đưa ra một số kết có thể giải thích rằng, hiện tượng dịch chuyển luận: ứng suất phá hủy kéo (+) trong các trường đó là do trọng lượng bản thân của bãi thải và hợp thay đổi chủ yếu ở phần cổ giếng. Ứng suất trọng lượng bản thân của thành giếng tác động, kéo lớn nhất trong trường hợp bãi thãi có bề từ đó sẽ đưa ra các nghiên cứu thiết kế cổ giếng rộng lớn nhất và khi bề rộng giếng nhỏ dần thì và vành đế đỡ hợp lý. ứng suất kéo giảm dần. Kết quả biểu diễn sự 2.3.2. Ảnh hưởng của bề rộng bãi thải dịch chuyển khối đất đá khi bãi thải thay đổi vị Để khảo sát ảnh hưởng của bề rộng bãi thải, trí cho thấy: Bề rộng bãi thải càng lớn dần, thì nghiên cứu tiến hành cố định khoảng cách từ chuyển vị của bãi thải tác động lên thành giếng Hình 7. Ứng suất trong vỏ chống tại các khoảng cách nhau a. Các điểm khảo sát b. Ứng suất trong vỏ chống thành giếng c. Chuyển vị trong vỏ chống thành giếng Hình 8. So sánh ứng suất trong vỏ chống tại các khoảng cách khác nhau a. Khi khoảng cách 30m chiều rộng thay đổi b. Khi khoảng cách 40m chiều rộng thay đổi Hình 9. Sự ảnh hưởng của chiều rộng bãi thải đến giá trị ứng suất trong vỏ chống 18 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
6. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ càng lớn dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di Tài liệu tham khảo: chuyển theo độ lớn của bề rộng bãi thải. Với 1. Đỗ Thụy Đằng (1997). Thi công cổ giếng tính chất đất đá như điều kiện khảo sát địa chất đứng (bản dịch). Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội. đưa ra, có thể thấy rằng, chuyển vị lớn nhất đạt 2. Võ Trọng Hùng 2012. Thi công giếng 6mm, khi bãi thải có bề rộng 120m, cao 60m đứng. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và (Hình 9). Ngoài ra, có thể thấy hai vị trí dịch Công nghệ. Hà Nội. Changsuo Zhang, Feng chuyển chủ yếu trong mô hình, đó là vị trí phía Hu, Steve Zou. 2005. Effects of blast induced dưới bãi thải, và vị trí đáy giếng. Điều này có vibrations on the fresh concrete lining of a shaft. thể giải thích rằng, hiện tượng dịch chuyển đó Tunnelling and Underground Space Technology là do trọng lượng bản thân của bãi thải, và trọng 20, pp.356–361. lượng bản thân của thành giếng tác động, từ đó 3. GS.TS. Phạm Huy Khang, PGS.TS. sẽ đưa ra các nghiên cứu thiết kế cổ. Nguyễn Hữu Trí, ThS.NCS. Đỗ Văn Thái. Nghiên 3. Kết luận cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than Với việc nghiên cứu sử dụng phương pháp ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus, mô chúng trong xây dựng đường ô tô. Tạp chí GTVT, hình xây dựng trong nghiên cứu này có thể cho 11/2015. phép nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng 4. Th.S. Trần Miên, Th.S. Nguyễn Tam Tính, cách từ bãi thải đến miệng giếng cũng như bề Th.S. Đỗ Mạnh Dũng. Trồng cây phủ xanh bãi rộng bãi thải đến độ ổn định thành giếng. Kết thải mỏ vùng than Quảng Ninh. Tạp chí Môi quả đưa ra trong nghiên cứu này được áp dụng trường, số Chuyên đề III năm 2018. cho giếng có độ sâu nhỏ, bãi thải dạng hình 5. Phí Văn Lịch (1977). Áp lực chống giữ chóp, tuy nhiên kết quả nghiên cứu có thể mở công trình ngầm Tập 1- Đại học Mỏ- Địa chất. rộng cho các loại hình giếng và bãi thải khác Hà Nội 1971. nhau của vùng mỏ Quảng Ninh. Trên đây là 6. ABAQUS User’s. Examples and Theory những kết quả nghiên cứu đạt được ban đầu về Manual, Version 6.10, Simulia, Providence, 2011. vấn đề này, cần có những nghiên cứu sâu hơn 7. M.L. Bucalem, K.J. Bathe. 1997. Finite trong thời gian tới nhằm đáp ứng yêu cầu cấp Element Analysis of Shell Structures. Archives bách của các mỏ than hầm lò có sử dụng giếng of Computational Methods in Engineering. Vol. đứng./. 4, 1, pp.3-61. Research on the effect of surface dumpsites to the stability of the concrete lining of the vertical shafts at underground mines in Vietnam Dang Van Kien, Vo Trong Hung, Do Ngoc Anh Hanoi University of Mining and Geology (HUMG) Khuat Manh Thang Vietnam national coal - mineral industries holding corporation limited Do The Anh Fountech joint stock company Summary: The paper represents the research results on the effect of the surface dumpsites the mine to the stability of the concrete lining of the vertical shafts. Three-dimensional finite element models were developed to conduct the parametric analyses using the commercial FE package, ABAQUS. A good agreement between the numerical results and the analytics method was found. This numerical model can be used to study. Parameter study shows the effect of the distance and width of the surface dumpsites at the mine around the shaft walls to the stability of concrete lining of the vertical shafts. The main results obtained by this study can be applied to underground mines in Vietnam with the equivalent conditions. KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ 19