Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc

Nội dung text: Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc

1. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN THAN - ĐÁ VÀ BIỆN PHÁP KIỂM SOÁT GƯƠNG HẠ TRẦN THAN NÓC Song Xuanmin, Jin Zhongming, Wei Jinping Đại học Công nghệ Taiyuan Qian Minggao Đại học Công nghệ Khai thác Mỏ Trung Quốc 1. Mối liên hệ giữa đất đá xung quanh và chống hiển nhiên sẽ thấp hơn; trạng thái địa tầng tại gương 5. Ngoài ra, vẫn tồn tại một tải trọng va đập Kết quả khảo sát và quan trắc tại 29 gương nhỏ tại gương hạ trần than có vách cứng, các khai thác bằng phương pháp hạ trần than nóc cột chống gương hạ trần có vách khác chủ yếu tại Trung Quốc cho thấy các đối tượng vỉa tiến mang tải trọng tĩnh, xấp xỉ tải trọng của địa tầng hành nghiên cứu bao gồm các vỉa dốc thoải, dốc phía trên, không quá 2 lần chiều cao khai thác. và dốc đứng, than từ mềm, trung bình đến cứng. Nếu tăng chiều cao khai thác, hệ số giãn nở của Đặc điểm cơ bản về trạng thái địa tầng và đất đất đá sau khi phá hỏa tăng lên, gần 1,4 - 1,5. đá xung quanh tại các khu vực vỉa như sau: 6. Có hai dạng cơ chế hạ trần và thu hồi 1. Tải trọng chống thấp, khoảng 2000kN/cột than nóc cơ bản, loại thứ nhất là hạ trần dầm chống và 3000-3700 kN/cột chống đối với vỉa côngxon dạng bậc và thu hồi hình phễu, loại thứ cứng (hình 1) hai là hạ trần nửa vòm và thu hồi dạng vòm. Vì 2. Độ bền chống các cột chống phía trước góc gẫy của trần than lớn hơn 700- 800, nên gối lớn hơn các cột chống phía sau (dàn chống loại tựa dàn chống và chân vòm phía sau là khu vực bốn cột) và hệ số tải trọng động nhỏ, trung bình đã khai thác (hình 2 và 3). khoảng 1,3. 2. Nghiên cứu kết cấu vách dựa trên mô 3. Trong quá trình hoạt động, nhìn chung, tồn hình tương đương tại hiện tượng cột chống giảm tải, và có thể tới Dựa trên các kết quả thử nghiệm 7 mô hình trên 12%. tương đương tại 5 mỏ, người ta đã phân loại 4 4. Mối liên hệ giữa tải trọng chống ban đầu dạng kết cấu vách khác nhau là: và tải trọng công tác của cột chống là một hàm 1. Kết cấu nửa vòm “dầm khối gạch” tuyến tính, cụ thể là P = 125 + 1,276 P0 (hình 1). Khi vách trực tiếp tương đối dày, bị phá hủy Nhưng đối với gương cơ giới hóa thông thường sau khi than nóc được thu hồi. Vì không gian thì là một hàm logarit, cụ thể là P = A + BlgP0. còn lại trong vùng đã khai thác nhỏ hơn chiều Điều này cho thấy việc tốc độ gia tăng của tải dày phá hỏa của vách chính 1 lần, nên có thể trọng chống làm việc tại gương hạ trần than hình thành kết cấu cân bằng khớp của “dầm không cao và tải trọng chống ban đầu của cột khối gạch”, như kết cấu vách của gương số Hình 1. Mối liên hệ giữa độ bền chống ban đầu và H ì n h 2 . K ế t c ấ u h ạ t r ầ n t h u h ồ i t h a n độ bền chống làm việc tại mỏ Wangzhuang KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 47
2. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 3. Kết cấu hạ trần thu hồi than Hình 5. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ tại mỏ Wangzhuang Wangzhuang Hình 4. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Gushuyuan Hình 6. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Xinzhuoyao 13306 tại mỏ Gushuyuan (Trung Quốc) (hình 4). Khi vách dày và mềm, nó nhanh chóng bị phá 2. Kết cấu “dầm đá dịch chuyển ” như cầu hủy sau khi than nóc bị thu hồi. Do những biến vòm dạng, sụt lún và đứt gãy của than nóc ở phía Nếu vách trực tiếp tương đối mỏng và vách trước, trên vách có thể xuất hiện các vết nứt và cơ bản dày, thì vách trực tiếp bị phá hỏa sau khi đứt gãy. Với kiểu thu hồi than nóc dạng vòm, thu hồi than nóc. Vì không gian còn lại của khu cũng có thể hình thành kết cấu vòm cân bằng, vực đã khai thác lớn hơn chiều cao phá hỏa của chân vòm phía trước nằm phía trong gương, vách cơ bản 1 lần, nên rất khó nhận biết được chân vòm phía sau là khu vực đã khai thác, như trạng thái cân bằng khớp nối khi vách cơ bản bị kết cấu vách của gương số 110 tại mỏ Weijiadi phá hủy. Sau khi vách cơ bản bị phá hủy, tại các (Trung Quốc) (hình 7). vị trí phía trước, trên vách trực tiếp và đằng sau, 3. Mô hình cấu trúc kết hợp than đá tại ở khu vực đã khai thác, dầm đá có khả năng gương hạ trần than tiếp tục chịu tải trọng của lớp mềm phía trên, 1. Kết cấu kết hợp “vòm-vòm” như kết cấu vách của gương số 4309 tại mỏ Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm, thu hồi Wangzhuang (Trung Quốc) (hình 5). vòm than nóc và kết cấu vòm áp lực nóc, (hình 3. Kết cấu “dầm côngxon” 8). Khi than nóc có độ cứng trung bình hoặc Khi không có vách trực tiếp hoặc vách rất thấp, nóc mềm và dầy, giai đoạn trước biến mỏng và cứng, thì không gian còn lại ở khu vực dạng và đứt gẫy xuất hiện thêm nhiều vết nứt đã khai thác sau khi thu hồi than là rất lớn, hình và hình thành kết cấu vòm cân bằng áp lực lên thành dầm côngxon tới 15-25m kể từ gương sẽ trên than nóc. Dựa trên quy luật vòm cân bằng đứt gẫy định kỳ, và khi nóc bị phá hỏa sẽ xuất tự nhiên, độ cao và chiều rộng vòm trên nóc thể hiện một tải trọng va đập . Dầm nhô ra sau khi hiện trong hệ thức sau: phá hỏa không thể liên tục truyền tải trọng địa H = (b + M . ctga) /2 . tgφ (1) tầng phía trên, như kết cấu vách của gương số Trong đó, H – Chiều cao vòm; 8911 tại mỏ Xinzhouyao (Trung Quốc) (hình 6). M - Chiều rộng vòm; 4. Kết cấu vòm áp lực b- Khoảng cách giữa gương và mặt 48 KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
3. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 7. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Weijiadi Hình 8. Kết cấu kết hợp “vòm-vòm” bên bằn tải a - Góc của than- đá, thường là 450-550; φ – Góc ma sát trong của đá. Tải trọng lên cột chống bằng tải trọng tổng của than nóc và đá bị phá hủy trong vòm, là: γ γ 2 P = M2 2 + H. (kN/m ) (2) γ Trong đó, M2, 2 - Chiều dày than nóc và tỷ trọng của nó; H, γ - Chiều cao vòm và tỷ trọng nóc Ví dụ như gương số 8316, H = 8,3 m và M2 = 2,4 m, như vậy P = 211kN/m2. Giá trị quan Hình 9. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch trắc là 186kN/m2. Như vậy, kết quả tính toán phù Tải trọng lên cột chống có thể được tính bằng hợp với kết quả quan trắc. công thức sau: g S g 2. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch P= M2 . 2 + h . + q/l + Pq (5) Kết cấu gồm nửa vòm hạ trần than nóc, dạng Trong đó, q – Tải trọng dầm côngxon của vòm hoặc thu hồi trượt và cân bằng của dầm vách trực tiếp. khối gạch trong vách cơ bản (hình 9). Ví dụ, ở gương số 2311 của mỏ Shigejie, tải Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn mức trung trọng của than nóc là 52 kN/m2, tải trọng của bình, vách trực tiếp dày và vách cơ bản có thể vách trực tiếp là 240 kN/m2, chiều cao phá hỏa xem như kết cấu cân bằng của dầm khối gạch, của vách cơ bản là 3m và khu vực đã khai thác 2 độ bền chống đáp ứng được điều kiện cân bằng là 1m, khi đó Pq = 72 kN/m . Bằng tính toán, P = nửa vòm của dầm khối gạch và có khả năng 364 kN/m2. Cường độ chống trung bình đạt 383 chịu được tải trọng của than nóc và vách trực kN/m2, như vậy, kết quả tính toán phù hợp với tiếp: kết quả quan trắc. 3. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm Pq = Q . [ 1 – L . tg(φ - q) /2 (H - S) ] /l (3) ’ S Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm than nóc, S = M - M2 . (1- K2) . Kp - H . (Kp - 1) (4) Trong đó, SH - Độ dày vách trực tiếp; thu hồi trượt hoặc dạng vòm và kết cấu “dầm đá dịch chuyển” của vách cơ bản như cầu-vòm K2 - Tỷ lệ thu hồi than nóc; ’ (hình 10). Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn độ Kp vµ Kp - Hệ số giãn nở của than nóc và vách trực tiếp; cứng trung bình, vách trực tiếp mỏng, vách cơ Q - Trọng lượng đá của vách chính và tải bản bị phá hủy theo lớp và không dễ dàng hình trọng lên vách cơ bản; thành kết cấu cân bằng có khớp do khu vực đã l - Khoảng cách điều chỉnh của gương khai thác lớn hơn độ dày phá hỏa của vách cơ L - Khoảng cách gia trọng định kỳ; bản một lần, khi đó vách cơ bản có thể xem như q - Góc cắt của vách cơ bản; một kết cấu “dầm dịch chuyển” như cầu-vòm. H - Vách cơ bản trong 1 lần chiều cao bị Tải trọng lên cột chống theo “dầm dịch chuyển” phá hóa là: γ S - Sụt lún tối đa do quay vách cơ bản gây ra. Pc = L . H . /2 . l (6) KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 49
4. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Hình 11. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch Hình 10. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm dạng bước” Từ đó, tải trọng lên cột chống có thể được kN/m2 cho thấy cơ bản các điều kiện trên phù tính bằng công thức hợp. γ S γ γ P = M2 . 2 + h. + L . H . / 2 . l 5. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon- dầm chìa (7) dạng bước” Tại gương số 4309 của mỏ Wangzhuang, tải Trong kết cấu này, than nóc và vách được trọng của than nóc là 52 kN/ m2, tải trọng vách xem như dầm chìa dạng bước nghịch và vách trực tiếp là 175 kN/m2 và tải trọng lên cột chống cơ bản là “dầm đá dầm chìa” (hình 12). Kết cấu theo cầu trước của vách cơ bản là 146,5 kN/m2, là dạng kết hợp than - đá trong điều kiện vỉa khi đó tải trọng chống theo tính toán là 373,5 kN/ cứng và vách cứng. Để tính toán tải trọng va đập m2. Vì lực cản quan sát được là 359,3 kN/m2, khi vách cứng bị phá hủy, có thể thiết lập các mô nên hai kết quả là phù hợp. hình cơ học bằng cách sử dụng cân bằng tạm 4. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch thời và lý thuyết điều khiển dầm côngxon phá dạng bước” hủy. Nếu P’ là độ bền chống lên vách cơ bản khi Đây là kết cấu mà than nóc và vách trực tiếp vách bị phá hủy, thì điểm tác động cách gương được phá hỏa bằng dầm côngxon dạng bước, 1/3 khoảng cách. Q là lực bổ sung khi vách cơ thu hồi than nóc dạng phễu và vách cơ bản hình bản bị phá hủy, q là trọng lượng của mỗi mét thành kết cấu “dầm khối gạch” (hình 11). Trong dầm côngxon. điều kiện than nóc cứng, vách trực tiếp dày, phá Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, ứng suất nằm hỏa nhiều lần và chiều cao phá hỏa của vách cơ ngang trong dầm côngxon là: s 2 3 3 3 bản lớn hơn 1 lần so với khoảng không còn lại ở x = - 6q . x . y/H + 4q . y /H -3q . y/5 . H khu vực đã khai thác, cột chống không chỉ chịu Để duy trì độ ổn định vách trong phạm vi điều tải trọng của than nóc và vách trực tiếp mà còn khiển vách và nóc dầm côngxon ở khu vực đã chịu một lực để tạo sự cân bằng ở vách cơ bản. khai thác, có thể phá hỏa chính xác ở vị trí cắt Trong khi đó, tải trọng than nóc và vách trực tiếp nóc. Cần thiết để sx tại điểm B đạt tới độ bền kéo bao gồm tải trọng của phần dầm côngxon. Như khối đá st. s s vậy, tải trọng của than nóc là: Giả sử x = L - L1/3, y = - H/2 và x = t, khi đó 2 s 2 2 PM = M2 . γ 2 + M 2 . γ 2 .ctga/2 .l (8) t = 3q (L - L1/3) /H - q/5 (11) ’ 2 Tải trọng của vách trực tiếp là: P = q.L1/3 + q (L - L1/3) + Q, Q = 3q (L - L1/3) . Pz = Sh . γ + (Sh + 2M2). Sh . γ . ctga/2 . l (9) L1 – q . L1/6 ’ Vì vậy, tải trọng lên cột chống có thể được Vì vậy, P = q . L1/6 + q (L - L1/3) + 3q (L - 2 tính toán bằng: L1/3) . L1 (12) P = PM + Pz + Pq (10) Từ công thức (11) có thể thu được phương Trong đó, Pq là lực cân bằng dầm khối gạch, trình sau: 2 2 s giống như công thức (3) q (L - L1/3) = H ( t+ q/5)/3 và q (L - L1/3) = 2 s Tại gương số 13306 của mỏ Gushuyuan, H ( t + q/5)/3 (L - L1/3) tải trọng của than nóc là 48,4 kN/m2, tải trọng Thay thế các thông số trên vào công thức của vách trực tiếp là 381,5 kN/m2, lực cân bằng (12), khi đó: 2 ’ 2 s của dầm khối gạch là 42 kN/m , khi đó tải trọng P = q . L1/6 + H (L + L1/3) . ( t + q/5)/2 L1 (L 2 chống là 472 kN/m . Tải trọng quan sát 482,6 - L1/3) (13) 50 KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
5. THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Tải trọng chống là: Theo quan sát tại hiện trường và kết quả ’ P = Pn + Pz + P/l (14) nghiên cứu mô hình tương đương, thông Trong đó, Pz, PM : Như trong công thức (8), thường, xuất hiện hiện tượng chia lớp giữa vách (9); thứ nhất và vách cơ bản tại khu vực điều khiển L: Khoảng cách gia trọng định kỳ; L = l + (M2 vách trong khai thác hạ trần than. Vì lý do này, + Sh) . ctga; cần xem xét ước tính tải trọng chống bằng cách H: Độ cao phá hỏa một lần của vách cơ bản; tính độ cao phá hỏa của địa tầng bao phủ sao Sh: Chiều dày phần vách dưới đã xử lý sơ bộ cho có thể hoàn toàn lấp kín khu vực đã khai Tại gương số 8914 của mỏ Xinzhouyao, tải thác. Công thức tính toán là: 2 γ trọng than núc là 84kN/m , tải trọng than núc P = Kd . M . /(Kd - 1) (15) 2 phần vỏch dưới đó xử lý sơ bộ là 190kN/m và Trong đó, Kd: Hệ số trọng lượng, Kd = 1,3; tải trọng va đập của dầm cụngxon tạo ra bởi cột Kp: Hệ số trọng lượng giãn nở của đá vách, ’ 2 chống P là 546kN/m , khi đú tải trọng chống là Kp = 1,4 P = 820kN/m2. Giỏ trị tớnh toỏn P tại gương là Các kết quả tính toán theo công thức (15) 6151kN/m2 và giỏ trị quan sỏt lờn tới 5885kN/ cho thấy thấy sai số trung bình khoảng 42,9%, đơn vị. Vỡ vậy, về cơ bản, cả hai đều phự hợp. trong khi đó, theo 5 loại phương trình cơ học 6. So sánh giữa giá trị tính toán của các mô kết cấu hỗn hợp kể trên thì sai số trung bình chỉ hình cấu trúc hỗn hợp và mô hình tải trọng đá bằng 9,8% . Như vậy, lý thuyết về kết cấu hỗn đơn giản hóa hợp là hợp lý. 4. Kết luận Sử dụng mô hình cơ học của kết cấu hỗn hợp than - đá trong gương hạ trần than nóc để điều khiển nóc là khoa học và hợp lý. Áp dụng các phương pháp điều khiển này trong quá trình khai thác phá hỏa hạ trần than giúp đạt được năng suất và hiệu quả cao./. QUỐC TRUNG (Nguồn: Proceedings of ’99 International Workshop on Underground thick seam mining) Hình 12. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon- dầm chìa dạng bước” KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU 51