Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc
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
trên 12%.
Dựa trên các kết quả thử nghiệm 7 mô hình
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
độ bền chống làm việc
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
tại mỏ Wangzhuang
KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
47
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 3. Kết cấu hạ trần thu hồi than
tại mỏ Wangzhuang
Hình 5. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ
Wangzhuang
Hình 6. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ
Xinzhuoyao
Hình 4. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Gushuyuan
13306 tại mỏ Gushuyuan (Trung Quốc) (hình 4).
2. Kết cấu “dầm đá dịch chuyển ” như cầu
vòm
Khi vách dày và mềm, nó nhanh chóng bị phá
hủy sau khi than nóc bị thu hồi. Do những biến
dạng, sụt lún và đứt gãy của than nóc ở phía
trước, trên vách có thể xuất hiện các vết nứt và
đứt gãy. Với kiểu thu hồi than nóc dạng vòm,
cũng có thể hình thành kết cấu vòm cân bằng,
chân vòm phía trước nằm phía trong gương,
chân vòm phía sau là khu vực đã khai thác, như
kết cấu vách của gương số 110 tại mỏ Weijiadi
(Trung Quốc) (hình 7).
Nếu vách trực tiếp tương đối mỏng và vách
cơ bản dày, thì vách trực tiếp bị phá hỏa sau khi
thu hồi than nóc. Vì không gian còn lại của khu
vực đã khai thác lớn hơn chiều cao phá hỏa của
vách cơ bản 1 lần, nên rất khó nhận biết được
trạng thái cân bằng khớp nối khi vách cơ bản bị
phá hủy. Sau khi vách cơ bản bị phá hủy, tại các
vị trí phía trước, trên vách trực tiếp và đằng sau,
ở khu vực đã khai thác, dầm đá có khả năng
tiếp tục chịu tải trọng của lớp mềm phía trên,
như kết cấu vách của gương số 4309 tại mỏ
Wangzhuang (Trung Quốc) (hình 5).
3. Mô hình cấu trúc kết hợp than đá tại
gương hạ trần than
1. Kết cấu kết hợp “vòm-vòm”
Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm, thu hồi
vòm than nóc và kết cấu vòm áp lực nóc, (hình
8). Khi than nóc có độ cứng trung bình hoặc
thấp, nóc mềm và dầy, giai đoạn trước biến
dạng và đứt gẫy xuất hiện thêm nhiều vết nứt
và hình thành kết cấu vòm cân bằng áp lực lên
trên than nóc. Dựa trên quy luật vòm cân bằng
tự nhiên, độ cao và chiều rộng vòm trên nóc thể
hiện trong hệ thức sau:
3. Kết cấu “dầm côngxon”
Khi không có vách trực tiếp hoặc vách rất
mỏng và cứng, thì không gian còn lại ở khu vực
đã khai thác sau khi thu hồi than là rất lớn, hình
thành dầm côngxon tới 15-25m kể từ gương sẽ
đứt gẫy định kỳ, và khi nóc bị phá hỏa sẽ xuất
hiện một tải trọng va đập . Dầm nhô ra sau khi
phá hỏa không thể liên tục truyền tải trọng địa
tầng phía trên, như kết cấu vách của gương số
8911 tại mỏ Xinzhouyao (Trung Quốc) (hình 6).
4. Kết cấu vòm áp lực
H = (b + M . ctga) /2 . tgφ
Trong đó, H – Chiều cao vòm;
M - Chiều rộng vòm;
(1)
b- Khoảng cách giữa gương và mặt
KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
48
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:
P = M2 γ + H.γ (kN/m2)
(2)
Trong đó, M2, γ 22 - 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
trắc là 186kN/m2. Như vậy, kết quả tính toán phù
hợp với kết quả quan trắc.
Hình 9. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch
Tải trọng lên cột chống có thể được tính bằng
công thức sau:
P= M2 . γ 2 + Sh . γ + q/l + Pq
Trong đó, q – Tải trọng dầm côngxon của
vách trực tiếp.
(5)
2. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch
Kết cấu gồm nửa vòm hạ trần than nóc, dạng
vòm hoặc thu hồi trượt và cân bằng của dầm
khối gạch trong vách cơ bản (hình 9).
Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn mức trung
bình, vách trực tiếp dày và vách cơ bản có thể
xem như kết cấu cân bằng của dầm khối gạch,
độ bền chống đáp ứng được điều kiện cân bằng
nửa vòm của dầm khối gạch và có khả năng
chịu được tải trọng của than nóc và vách trực
tiếp:
Ví dụ, ở gương số 2311 của mỏ Shigejie, tải
trọng của than nóc là 52 kN/m2, tải trọng của
vách trực tiếp là 240 kN/m2, chiều cao phá hỏa
của vách cơ bản là 3m và khu vực đã khai thác
là 1m, khi đó Pq = 72 kN/m2. Bằng tính toán, P =
364 kN/m2. Cường độ chống trung bình đạt 383
kN/m2, như vậy, kết quả tính toán phù hợp với
kết quả quan trắc.
3. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm
Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm than nóc,
thu hồi trượt hoặc dạng vòm và kết cấu “dầm
đá dịch chuyển” của vách cơ bản như cầu-vòm
(hình 10). Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn độ
cứng trung bình, vách trực tiếp mỏng, vách cơ
bản bị phá hủy theo lớp và không dễ dàng hình
thành kết cấu cân bằng có khớp do khu vực đã
khai thác lớn hơn độ dày phá hỏa của vách cơ
bản một lần, khi đó vách cơ bản có thể xem như
một kết cấu “dầm dịch chuyển” như cầu-vòm.
Tải trọng lên cột chống theo “dầm dịch chuyển”
là:
Pq = Q . [ 1 – L . tg(φ - q) /2 (H - S) ] /l (3)
S = M - M2 . (1- K2) . Kp’ - SH . (Kp - 1)
Trong đó, SH - Độ dày vách trực tiếp;
K2 - Tỷ lệ thu hồi than nóc;
(4)
Kp’ vµ Kp - Hệ số giãn nở của than nóc và
vách trực tiếp;
Q - Trọng lượng đá của vách chính và tải
trọng lên vách cơ bản;
l - Khoảng cách điều chỉnh của gương
L - Khoảng cách gia trọng định kỳ;
q - Góc cắt của vách cơ bản;
H - Vách cơ bản trong 1 lần chiều cao bị
phá hóa
Pc = L . H . γ /2 . l
(6)
S - Sụt lún tối đa do quay vách cơ bản gây ra.
KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
49
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Hình 11. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch
dạng bước”
Hình 10. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm
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.
P = M2 . γ 2 + Sh. γ + L . H . γ / 2 . l
5. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon- dầm chìa
dạng bước”
Trong kết cấu này, than nóc và vách được
(7)
Tại gương số 4309 của mỏ Wangzhuang, tải
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:
bản lớn hơn 1 lần so với khoảng không còn lại ở
khu vực đã khai thác, cột chống không chỉ chịu
sx = - 6q . x2 . y/H3 + 4q . y3/H3 -3q . y/5 . H
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.
vậy, tải trọng của than nóc là:
PM = M2 . γ2 + M22 . γ2 .ctga/2 .l
Tải trọng của vách trực tiếp là:
Giả sử x = L - L1/3, y = - H/2 và sx = st, khi đó
st = 3q (L - L1/3)2/H2 - q/5
(11)
P ’ = q.L1/3 + q (L - L1/3) + Q, Q = 3q (L - L1/3)2 .
(8)
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
tính toán bằng:
Vì vậy, P ’= q . L1/6 + q (L - L1/3) + 3q (L -
L1/3)2 . L1
(12)
Từ công thức (11) có thể thu được phương
P = PM + Pz + Pq (10)
Trong đó, Pq là lực cân bằng dầm khối gạch, trình sau:
giống như công thức (3)
q (L - L1/3)2 = H2 (s t+ q/5)/3 và q (L - L1/3) =
Tại gương số 13306 của mỏ Gushuyuan, H2(st + 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:
của dầm khối gạch là 42 kN/m2, khi đó tải trọng
P ’ = q . L1/6 + H2(L + L1/3) . (st + q/5)/2 L1 (L
chống là 472 kN/m2. Tải trọng quan sát 482,6 - L1/3)
(13)
KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
50
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
Tải trọng chống là:
Theo quan sát tại hiện trường và kết quả
nghiên cứu mô hình tương đương, thông
P = Pn + Pz + P’/l
(14)
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:
trọng than núc là 84kN/m2 , tải trọng than núc
phần vỏch dưới đó xử lý sơ bộ là 190kN/m2 và
tải trọng va đập của dầm cụngxon tạo ra bởi cột
P = Kd . M . γ/(Kd - 1)
Trong đó, Kd: Hệ số trọng lượng, Kd = 1,3;
Kp: Hệ số trọng lượng giãn nở của đá vách,
(15)
chống P’ là 546kN/m2, 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
5 trang
129700
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_quy_luat_dich_chuyen_than_da_va_bien_phap_kiem_so.pdf
