Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam
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
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
lăn xa, phân bố phía chân bãi thải. Một số thông
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.
2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên
cứu
Bảng 1. Thành phần cỡ hạt và tỉ lệ trong đất đá
bãi thải
2.1. Cơ sở lý thuyết
Thành phần cỡ
hạt đất đá bãi
thải
50 ÷ 80
mm
800
mm
Do ảnh hưởng của bãi thải liền kề được đặt
trong khu vực lăng thể trượt làm tăng tải trọng bổ
sung của đất vào vỏ chống giếng đứng. Chiều
< 50 mm
10
Tỉ lệ %
80
10
Bảng 2. Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh
Góc ma sát trong
Độ rỗng
η(%)
Tỉ trọng bão
Lực dính kết C
(T/m2)
Tỉ trọng ф (T/m3)
hòa 푦bh(T/m3)
А (0)
21
2,1
2,26
2,0
30
KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
14
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
của vỏ chống.
P
m
Ho =
(1)
γ.b0
Trong đó: H0 – chiều cao tăng thêm, m; Pm –
tải trọng trên 1m dài móng tác dụng vào chiều
rộng đáy b0, T;푦 - dung trọng của địa tầng, T/m3;
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
đứng
Hình 1. Sơ đồ tính áp lực bên do ảnh hưởng của
bãi thải liền kề (ABAQUS User’s, 2011; Võ Trọng
Hùng, 2012)
Để phân tích rõ hơn ảnh hưởng của bãi thải
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
đất đá xung quanh vỏ giếng, vỏ giếng bằng bê
tông và bãi thải bề mặt (Hình 3). Kích thước mô
hình được lấy theo kinh nghiệm lớn gấp 5 lần
chiều sâu giếng để mô tả chính xác vùng ảnh
hưởng. Mô hình đất đá có bề rộng tùy theo bán
kính và chiều sâu giếng đứng. Đất đá mô phỏng
hình học với chiều dài x chiều rộng x chiều cao
là 200 x 200 x 120 m. Giếng có bán kính 2,7m
(tính cả phần diện tích đào, tác giả bỏ phần bê
tông phun với mô hình nghiên cứu đơn giản),
b0
ϕ
2
Pz = γ.H0
tg 450 −
(2)
a0 + b0
Dưới tác dụng của áp lực ngang phân bố đều
P và trọng lượng bản thân của vỏ chống, ngoài
ra còn có ảnh hưởng của các công trình trên bề
mặt đến vỏ chống xuất hiện trạng thái ứng suất
ba chiều: Ứng suất nén hướng tâm О (còn gọi
là ứng suất hướng kính); Ứng suất t3iếp tuyến
О2 (còn gọi là ứng suất vồng theo chu vi), tác
dụng vuông góc với ứng suất hướng tâm; Ứng
suất thẳng đứng О1 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):
R22.P
R12
x2
R12
x2
σ3 =
σ2 =
σ1 =
1−
R22 − R12
R22.P
R22 − R12
R22.P
R22 − R12
(3)
1+
a. Khối đất đá xung
c. Khối đất đá và bãi thải
b. Vỏ
quanh thành giếng
hình chóp
giếng
Hình 3. Kết cấu mô hình số
KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
15
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.
2.2.2. Thông số và mô hình vật liệu
biên đáy mô hình giả sử là cố định ngầm các
hướng(x, y, z) như hình 4.
Mô hình được khảo sát với 6 lớp đất đá nằm
ngang khác nhau có đặc tính cơ lý được thể
hiện trên Bảng 3. Mô hình gồm 5 thông số cơ
bản: module đàn hồi (E), hệ số Poison (⍴), lực
dính của đất C, góc ma sát trong (А) và góc nở
của đất (∝). Vỏ chống giếng đứng là bê tông liền
khối M300 với các đặc tính cơ lý được thể hiện
trên Bảng 4. Do các lớp đất đá bề mặt thuộc
loại mềm yếu nên vật liệu làm việc tuân theo mô
hình phá hủy Mohr-Coulomb.
2.2.4. Phần tử sử dụng cho mô hình
Trong mô hình khối đá được mô phỏng nhờ
phần tử dạng tứ diện tuyến tính, vỏ chống giếng
đứng được lựa chọn là phần tử vỏ tam giác với
đặc tính như Bảng 5:
2.2.5. Các trường hợp nghiên cứu
a. Kết quả mô hình giếng đứng trong trường
hợp chưa có bãi thải
Khi chưa có bãi thải phía trên miệng giếng,
vỏ chống giếng đứng chỉ chịu ảnh hưởng của
áp lực đất đá xung quanh. Kết quả so sánh giữa
mô hình số với kết quả tính toán áp lực bên
thành giếng đạt được bằng phương pháp giải
tích tính toán theo công thức (2) được thể hiện
2.2.3. Tương tác và điều kiện biên của mô
hình
Mô hình tương tác đất đá-vỏ giếng được xác
định sử dụng bước nghiên cứu địa tĩnh ban đầu,
b. Liên kết giữa đấ đá và vỏ
chống giếng đứng
Hình 4. Biểu diễn điều kiện biên mô hình
Bảng 3. Chỉ tiêu cơ lý của đất đá đào qua
c. Mô hình bãi thải gần miệng
giếng trên các lớp địa tầng
a. Điều kiện biến dạng ngầm
bao quanh mô hình
Các chỉ tiêu cơ lý
ρ (g/cm3)
2,1
C (MPa)
А (độ)
30
E (GPa)
3,0
∝
0, 25
Loại đá
Đá thải (Lớp đất đá 1)
Bột kết (Lớp đất đá 2)
Bột kết (Lớp đất đá 3)
0,02
5,0
2,6
35
3,6
0, 213
0,206
2,6
16,9
36
5,0
Sét kết (Lớp đất đá 4)
2,6
2,9
31
2,4
0,24
Than (Lớp đất đá 5)
Bột kết (Lớp đất đá 6)
1,5
2,6
0,5
30
36
0,91
5,0
0,25
16,9
0,206
Bảng 4. Chỉ tiêu cơ lý bê tông thành giếng
Các chỉ tiêu cơ lý
Bê tông
K
(GPa)
G
(GPa)
σc
(MPa)
σt
(MPa)
ρ
C
(MPa)
E
(GPa)
ϕ
(g/cm3)
ν
(độ)
M300
30
0,8
2,40
0,61
35
30
0, 25
18,7
11.6
KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
16
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Bảng 5. Đặc tính các loại phần tử sử dụng trong mô hình
Stt
Tên phần tử
C3D4
Số nút
Loại hình
3D Stress
Vỏ
Phần tử rắn (đất đá)
Phần tử vỏ (giếng)
4 nút – tứ diện tuyến tính
3 nút – vỏ tam giác
S3
trên hình 5.
phương pháp số và phương pháp giải tích là
phù hợp, do đó mô hình xây dựng có độ tin cậy
và có thể được sử dụng để nghiên cứu thông
số.
2.3. Khảo sát thông số mô hình
2.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách bãi thải
đến giếng đứng
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mô
phỏng giếng đứng với kích thước như mô hình
đã kiểm chứng ở trên (R=5,4m; H=83,3m).
Bãi thải có hình dạng nón, kích thước bề rộng
100m, chiều cao 50m. Nghiên cứu được tiến
hành bằng cách thay đổi vị trí khoảng cách bãi
thải từ miệng giếng tới mép ngoài cùng bãi thải.
Khoảng cách được thay đổi lần lượt là 30m,
40m, 50m, 60m. Kết quả chuyển vị lớn nhất trên
thành giếng được thể hiện như Hình 7.
Kết quả thu được từ sự dịch chuyển khối đất
đá khi bãi thải thay đổi vị trí có thể đưa ra một số
kết luận: Khoảng cách bãi thải tới giếng càng xa
dần, thì chuyển vị trong thành giếng càng giảm
dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di chuyển
Kết quả so sánh trên biểu đồ Hình 5.b có thể
thấy rằng giá trị tính toán áp lực đất đá xung
quanh thành giếng theo hai phương pháp giải
tích và phương pháp số cho ra kết quả phù hợp.
Giá trị lớn nhất 60 tấn/m2 tại độ sâu 83,3m nằm
qua vỉa than dày 9m. Sự phân bố áp lực thay
đổi theo chiều dài dọc thân giếng, ngoại trừ tại vị
trí 1/3 của thân giếng có bước nhảy nhỏ, bước
nhảy này là do sự bất ổn định số xảy ra trong
mô phỏng. Khi vỏ chống giếng đứng có chiều
dày 20cm, theo lý thuyết tính toán ứng suất nén
trong thành giếng được tính như công thức (3)
khi R1=2,5m; R2=2,7m; x= 2,7m, ta tính được
các thành phần ứng suất trong vỏ giếng. Kết
quả so sánh giá trị ứng suất tiếp, ứng suất nén
trong thành giếng theo công thức (3) với các giá
trị ứng suất tương ứng đạt được bằng phương
pháp số (cụ thể là các ứng suất S11, S22) được
thể hiện trên Hình 6.
Kết quả so sánh trên Hình 6 cho thấy giá
trị ứng suất thu được trong thành giếng bằng
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
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
dịch chuyển khối đất đá khi bãi thải thay đổi vị
2.3.2. Ảnh hưởng của bề rộng bãi thải
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
KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
18
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
càng lớn dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di
chuyển theo độ lớn của bề rộng bãi thải. Với
Tài liệu tham khảo:
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
sẽ đưa ra các nghiên cứu thiết kế cổ.
3. Kết luận
3. GS.TS. Phạm Huy Khang, PGS.TS.
Nguyễn Hữu Trí, ThS.NCS. Đỗ Văn Thái. Nghiên
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
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
6. ABAQUS User’s. Examples and Theory
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
6 trang
10880
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_anh_huong_cua_bai_thai_be_mat_den_do_on_dinh_cua.pdf
