Giáo trình Đào chống lò: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Đào chống lò" cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm đường lò, áp lực đất đá xung quanh đường lò; chống giữ lò bằng và lò nghiêng; vỏ chống các đường lò; chống lò bằng gỗ;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Đào chống lò: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH GIÁO TRÌNH ĐÀO CHỐNG LÒ DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC (LƯU HÀNH NỘI BỘ) QUẢNG NINH - 2011
LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp khai thác khoáng sản là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn của đất nước mà hàng năm Đảng và Nhà nước ta luôn quan tâm đến sản lượng khai thác than và sự phát triển của ngành. Để đáp ứng được yêu cầu đặt ra, những năm gần đây ngành than đã tiến hành xây dựng thêm một số mỏ mới và quy hoạch lại và mở rộng các mỏ hiện có nhằm tăng sản lượng khai thác than hàng năm của các mỏ, trong đó chủ yếu là các mỏ ở vùng Quảng Ninh. Tuy nhiên, sản lượng than khai thác hàng năm của nước ta còn rất thấp so với kế hoạch đặt ra và một số nước trên thế giới có trữ lượng than tương đương với nước ta. Vì vậy, việc xây dựng mới các mỏ than và tăng cường phát triển ngành than ở nước ta là nhiệm vụ rất lớn đối với các cán bộ khoa học và các cán bộ công nhân viên trong ngành than. Với trữ lượng rất lớn đã thăm dò ở vùng đồng bằng Bắc Bộ và phần sâu của vùng Quảng Ninh, nếu chúng ta chú ý và có một quan điểm đúng mức, chắc chắn sẽ làm cho ngành than nước ta phát triển mạnh mẽ góp phần vào sự phát triển nền công nghiệp nói chung của đất nước. Giáo trình Đào chống lò được biên soạn theo chương trình và mục tiêu đã được duyệt cũng mong muốn góp phần vào việc đào tạo những cán bộ khoa học kỹ thuật thực hành bậc Đại học ngành khai thác mỏ hầm lò, phục vụ đắc lực cho sự phát triển của ngành than. Giáo trình Đào chống lò gồm các phần chính: - Trình bày những nội dung cơ bản về áp lực đất đá mỏ và các phương pháp cũng như kỹ thuật chống giữ các đường lò trong mỏ. - Giới thiệu các vấn đề về công tác tổ chức thi công các loại đường lò đào trong một số loại đất đá đặc trưng. - Giới thiệu một số phương pháp củng cố và sửa chữa các đường lò bị yếu đi hoặc hư hỏng sau một thời gian sử dụng... Tuy nhiên do trình độ có hạn và biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong đồng nghiệp và độc giả đóng góp ý kiến để bài giảng được hoàn thiện tốt hơn cho các lần biên soạn sau. Quảng Ninh, ngày 5 tháng 01 năm 2011 Tác giả Trần Xuân Truyền 1
CHƢƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐƢỜNG LÒ, ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ XUNG QUANH ĐƢỜNG LÒ 1.1. Đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn, tính chất cơ lý đá ảnh hƣởng đến công tác đào chống lò 1.1.1. Điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn - Đặc điểm kết cấu nham thạch: cùng với độ kiên cố của đá, kết cấu nham thạch là yếu tố quan trong trong việc lựa chọn chế độ làm việc cho thiết bị khoan. Với kết cấu hạt thô có khả năng mài mòn lớn hơn kết cấu hạt vừa và mịn. Việc chọn chế độ làm việc hợp lý cho thiết bị khoan dựa trên đặc điểm kết cấu của nham thạch có thể giảm chi phí mũi khoan, nâng cao và duy trì tốt năng suất của thiết bị. - Mức độ phân lớp, nứt nẻ và độ rỗng của đá: đây là yếu tố không chỉ ảnh hưởng đến công tác khoan mà còn ảnh hưởng khá lớn đến công tác nổ mìn. Khi khoan vào khối đá có nhiều mặt phân lớp mà giữa các mặt phân lớp có độ phân lớp rõ ràng hoặc khối đá có nhiều khe nứt, nếu lựa chọn thiết bị khoan (loại mũi khoan) và chế độ khoan không hợp lý (lực đập dọc trục lớn, tốc độ xoay giảm) có thể dễ dẫn tới kẹt choòng khoan. Khi khoan vào các vùng có độ rỗng, nứt nẻ lớn việc lấy phoi khoan thường rất khó khăn. Với độ nứt nẻ và độ rỗng lớn có thể làm giảm hiệu quả của công tác nổ mìn do một phần năng lượng nổ đã bị phân tán vào các khe nứt và lỗ rỗng, một nguyên nhân khác nữa là do năng lượng sóng nổ khi truyền đến bề mặt phân lớp hoặc bề mặt khe nứt một phần bị phản xạ trở lại, phần còn lại sẽ khúc xạ và lan truyền sang khối đất đá cần phá vỡ khi đó năng lượng sóng nổ để phá vỡ đất đá đã bị giảm làm hiệu quả phá vỡ đất đá giảm theo. Khi đất đá nứt nẻ mạnh ngoài ảnh hưởng đến công tác khoan nổ mìn còn ảnh hưởng rất lớn đến công tác bảo vệ đường lò và biện pháp thi công. Khi đó có thể phải sử dụng biện pháp thi công bằng cách gia cố đất đá trước khi đào lò, hoặc phải lựa chọn các loại kết cấu chống giữ cho phù hợp. - Địa tầng đất đá có nhiều đặc điểm khác nhau và biến đổi dọc theo chiều dài của giếng. Vì vậy, công tác xây dựng không phải lúc nào cũng tiến hành một cách dễ dàng và thuận lợi. Trong thi công, các giếng nghiêng đào qua các tầng đất đá khác nhau như: Tầng đất đá bị phong hoá, bở rời, khi gặp đá quá cứng, qua phay phá, uốn nếp lớn, cấu trúc và thế nằm của các lớp nham thạch sẽ thay đổi, hang hốc, các vùng chứa nhiều nước, nước có áp, cát chảy, nổ khí, nổ đá,… trong những trường hợp này thì việc xây dựng các công trình ngầm nói chung gặp rất nhiều khó khăn. Khi đó ngoài việc thay đổi chế độ làm việc đảm bảo phù hợp với các điều kiện địa chất, trong một số trường hợp phải xây dựng các biện pháp thi công đặc biệt để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị, chi phí thi công là phù hợp nhất. + Khi thi công giếng nghiêng, dọc theo chiều dài của giếng đào qua nhiều lớp đất đá khác nhau thì tương ứng với mỗi lớp đất đá ta phải tính toán, lựa chọn 2
thiết bị và công nghệ thi công cho phù hợp. Lúc này, vấn đề lựa chọn công nghệ đào giếng càng trở lên phức tạp. Do đó, trong trường hợp này nên sử dụng công nghệ đào hỗn hợp: sử dụng các loại thiết bị năng suất cao để đào trong đá mềm và các thiết bị phức tạp để đào trong các loại đá rắn cứng. Trường hợp nếu gương thi công có cả than và đất đá có thể lựa chọn phương pháp đào lò bằng gương mặt rộng hoặc phương pháp đào lò bằng gương mặt hẹp. + Khi đào lò vào các khu vực có nguy cơ nổ khí cao nếu ta lựa chọn thiết bị thi công hoặc vật liệu nổ không phù hợp dễ gây ra hiện tượng nổ khí. Lúc này để đảm bảo an toàn trong quá trình thi công ta phải thường xuyên đo và kiểm tra nồng độ khí nổ, trong quá trình thi công công trình ngầm phải có biện pháp thăm dò, chọn thiết bị thông gió và sơ đồ thông gió khi thi công cho phù hợp. Phải sử dụng các loại thiết bị thi công an toàn, không gây ra hiện tượng nổ khí, chọn loại thuốc nổ và phương tiện gây nổ an toàn. Theo các tài liệu của Pháp để lại, tại Quảng Ninh đã từng xẩy ra các vụ cháy - nổ khí và bụi nổ tại các mỏ Mông Dương, Hà Lầm, Mạo Khê ...và gần đây là những vụ nổ khí tại Thống Nhất, Khe Chàm 1 đã gây ra thiệt hại rất lớn cả về người và tài sản. Do đó, trong quá trình xây dựng các công trình ngầm trong mỏ hầm lò luôn luôn phải chú ý tới việc thực hiện các biện pháp an toàn chống cháy - nổ khí và bụi. + Khi đào các công trình ngầm qua khu vực đất đá chứa nước và phay phá làm cho quá trình chống giữ trở lên phức tạp hơn, nếu không có giải pháp hữu hiệu thì công tác đào qua sẽ trở lên khó khăn, chi phí sẽ rất cao. Tại các phay phá, đất đá bị vò nhàu do quá trình biến đổi cơ học, tác dụng của lực kiến tạo, tác động của áp suất, nước và các yếu tố hoá - lý mà chúng trở thành rời rạc với các kích thước khác nhau có thể tạo lên hiện tượng cát chảy, có những nơi chỉ bị vò nhàu, nứt nẻ nhiều, có những nơi ngậm nước cao tạo thành túi chứa nước. Như khi đào đường lò xuyên vỉa số 1 mức -80 tại Công ty than Mạo Khê gặp phay FA hiện tượng đất đá bị vò nhau mạnh, lưu lượng nước ngầm chảy vào trong đường lò 60 m3/giờ. Khi đào giếng nghiêng khu Lộ Trí- Công ty than Thống Nhất phần cổ giếng gặp phay Mt, vị trí phay thuộc vùng đất phủ, lưu lượng nước 20 m3/giờ, khi giếng đào qua khu vực này gặp phải hiện tượng đất đá bị trương nở thể tích gây biến dạng khung chống. Đặc biệt là phay FC khi thi công giếng nghiêng phần lớn đường lò xuyên vỉa mức -30 cách chân giếng nghiêng chính 30 m, hiện tượng nước chảy vào lớn khoảng 120 m3/giờ, khi phay bị bục lần 1 khoảng 500 m3, lần 2 khoảng 1000 m3, quá trình thi công qua phay FC kéo dài 1 năm [4]. - Độ ngậm nước của đá: khi thi công các đường lò qua các vùng đá sét kết ngậm nước dễ làm lún máy xuống nền lò, gây khó khăn cho công tác chống giữ và làm giảm năng suất của thiết bị. - Nước trong gương giếng có thể chảy ra từ thân giếng hoặc gương giếng và từ quá trình khử bụi, nó ảnh hưởng đến khả năng làm việc của thiết bị và việc lựa chọn các thiết bị khi đào giếng. Lượng nước thoát ra lớn có thể làm nền lò trở lên mềm yếu, gây lún máy, ảnh hưởng đến sản xuất, lúc này công tác xúc bốc và vận tải trở lên khó khăn, không nên sử dụng thiết bị vận tải băng tải do khi đất đá chứa nước có độ dính bết cao làm ảnh hưởng đến quá trình vận tải. Về 3
công tác khoan nổ mìn phải chọn loại thuốc nổ và phương tiện gây nổ phù hợp có khả năng chịu nước, không nên sử dụng bua mìn bằng đất sét và tốt nhất là bua mìn bằng sỉ say, cần chú ý đến công tác khoan lỗ mìn nền. Ví dụ: Tại một số các giếng nghiêng lượng nước ngầm tương đối lớn như giếng phụ Nam Mẫu và giếng nghiêng chính Công ty than Khe Chàm, đặc biệt tại giếng nghiêng phụ Công ty than Nam Mẫu lưu lượng nước 2060 m3/giờ. Hiện tượng nước ngầm đã gây cản trở rất lớn đến tốc độ thi công giếng, khi đào trong địa tầng chứa nước này tốc độ đào rất thấp thường chỉ đạt 2030 m/tháng [4]. Trong điều kiện như vậy, để thi công công trình ngầm qua ta phải sử dụng công nghệ thi công đặc biệt. - Nước mỏ có tính ăn mòn kim loại sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các thiết bị, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng các kết cấu chống, không nên sử dụng các kết cấu chống kim loại để chống giữ ở các đường lò khi nước có tính ăn mòn kim loại. 1.1.2. Tính chất cơ lý của đá - Hệ số kiên cố của đá: đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến toàn bộ các công việc trong quá trình đào giếng, là cơ sở để tính toán và lựa chọn thiết bị, lựa chọn công nghệ thi công giếng cho phù hợp. Đây là yếu tố quan trọng trong việc lựa chọn chủng loại và chế độ làm việc cho thiết bị khoan. Trong các mỏ than khai thác bằng phương pháp hầm lò, với hệ số kiên cố của đá f4, thường sử dụng thiết bị khoan hoạt động theo nguyên lý đập, đập-xoay hoặc xoay-đập. Việc chọn chế độ làm việc cho thiết bị cũng là một vấn đề quan trọng trong việc đảm bảo độ bền của thiết bị khoan và duy trì năng suất khoan. Với đá có độ kiên cố lớn, nếu việc chọn góc vát của mũi khoan, loại mũi khoan và tốc độ quay của choòng khoan không hợp lý (nhanh) có thể làm mũi khoan nhanh bị mài mòn và hiệu qủa khoan thấp. Với đá có độ kiên cố thấp, nếu chọn chế độ đập nhanh, chế độ xoay chậm (máy khoan xoay-đập hoặc đập-xoay) có thể làm giảm hiệu quả của thiết bị. Khi thi công qua các khu vực như: phay phá, các đới phá huỷ vò nhàu, qua các lớp sét-sét than và qua các vỉa than có độ kiên cố thấp, ngoài việc điều chỉnh chế độ làm việc của thiết bị khoan cần lập các biện pháp chống lún cho thiết bị. Theo số liệu thống kê của nước ngoài thì chi phí và thời gian khoan một đơn vị chiều dài lỗ khoan với đường kính cho trước sẽ biến đổi và tăng mạnh khi đào trong vùng đất đá có hệ số kiên cố f10 (M.M Prôtôđiacônôv) (tăng tới 2,58 lần về giá thành và 2,7 lần về chi phí thời gian). Năng lượng dùng để phá vỡ đất đá cũng tăng vọt. Theo Viện sỹ V.V. Rjevxki mức độ khó khăn dùng để phá vỡ đất đá được tính như sau [8]: K = 5.10-3n+k+.Ai +5.10-5; (1.1) Trong đó: n, k và – Giới hạn bền nén, kéo và trượt của đá, kG/cm ; 2 - Trọng lượng thể tích của đá, T/m3; Ak Ai– Chỉ số âm của khối đá, Ai= ; Ak- Tốc độ âm truyền trong Am khối đá; Am- Tốc độ âm truyền trong mẫu đá. 4
Như vậy các loại đá rất cứng (tương đương với f≥10) sẽ gây nên những khó khăn đặc biệt trong hai khầu: Khoan lỗ mìn và phá vỡ đất đá. Từ công thức 2.1 ta thấy, khi ứng suất nén (n), ứng suất kéo (k) và ứng suất trượt () của khối đá tăng thì mức độ khó khăn để phá vỡ đất đá tăng rất nhanh. Ngoài ra chỉ số K được đánh giá thông qua hệ số kiên cố f của đất đá thì mức độ khó khăn được đánh giá bằng giá thành khoan, chi phí thời gian khoan và mức độ khó khăn khi phá vỡ đất đá thông qua chỉ số K được thể hiện hình 2.1. Chi phÝ thêi gian khoan §é khã kh¨n ph¸ vì ®¸ Gi¸ thµnh mÐt khoan 3 2 1 Nhãm ®¸ V Vi Vii iix ix x xi f 4 6 8 10 14 18 25 Hình 1.1. Thay đổi các chỉ tiêu khoan theo độ bền (độ kiên cố) của đá [8]; 1- Giá thành mét khoan; 2- Chi phí thời gian khoan; 3- Độ khó khăn phá vỡ đá Từ biểu đồ hình 2.1 ta thấy: khi đất đá có hệ số kiên cố f>8 chi phí thời gian khoan và độ khó khăn phá vỡ đất đá bắt đầu tăng nhanh; khi đất đá có hệ số kiên cố f>10 tất cả các nhân tố như giá thành mét khoan, chi phí thời gian khoan và độ khó khăn khi phá vỡ đất đá tăng rất nhanh. + Khi thi công công trình ngầm nếu điều kiện địa cơ học thay đổi, thì phải thay đổi hộ chiếu khoan nổ mìn tương ứng với từng điều kiện địa cơ học phù hợp. Để lập hộ chiếu người thiết kế phải tiến hành xác định hệ số kiên cố đất đá ở các đoạn lò (theo một phương pháp thí nghiệm nào đó; ví dụ xác định hệ số kiên cố đất đá dựa trên phương pháp cối giã của Prôtôđiakônôp) và các đặc tính địa cơ học khu vực khối đá tương ứng mà đường lò phải đào qua. Công việc này được tiến hành liên tục trong suốt thời gian thi công công trình. Đặc biệt, khi điều kiện địa chất, địa cơ học thay đổi. Trên cơ sở hệ số kiên cố của Prôtôđiakônốp và các đặc tính địa cơ học khác, người thiết kế sẽ tiến hành tính toán số lượng lỗ khoan, lượng thuốc nổ cho mỗi chu kỳ, chỉ tiêu thuốc nổ cho mỗi khối đá nguyên và các thông số khoan nổ mìn khác. * Theo Prôtôđiakônốp số lượng lỗ khoan N trên gương lò được tính như sau: N  2,7. f .S ; lỗ. (1.2) Trong đó: f- Hệ số kiên cố của đất đá; S- Tiết diện gương lò, m2 . 5
* Theo Prôtôđiakônốp lượng thuốc nổ cho mỗi khối đá nguyên được tính như sau: f q  1,1.e. ; kg/m3 (1.3) S Trong đó: f và S được chú giải ở công thức trên; e- Hệ số điều chỉnh phụ thuộc 525 vào khả năng công nổ của thuốc nổ sử dụng và được xác định như sau: e  ; P P- Khả năng công nổ của thuốc nổ được sử dụng. Từ công thức (1.2) và (1.3) cho thấy rằng hệ số kiên cố của đất đá có ảnh hưởng rất lớn đến việc tính toán và lựa chọn các thông số khoan nổ mìn. Nếu khoan nổ mìn ở gương lò đá có hệ số kiên cố lớn thì lượng thuốc nổ cần thiết để phá vỡ đất đá và số lỗ khoan ở trên gương lò cũng tăng lên. + Trong thi công CTN có các phương pháp đào hầm như: Đào bằng khoan nổ mìn, đào bằng máy đào lò, đào bằng thủ công, đào bằng búa chèn, đào bằng sức nước. Tùy theo độ bền vững của đất đá mà có thể lựa chọn các phương pháp phá vỡ đất đá trong thi công CTN cho phù hợp (bảng 1.1.) Bảng 1.1. Phạm vi áp dụng của các phương pháp thi công đào hầm Đá rắn cứng Đất đá bở rời Độ bền Độ bền Độ bền Đất dính Đất rời Đất chảy cao trung bình thấp Khoan nổ mìn Máy đào toàn gương (Máy đào hầm(TBM)), máy khiên đào (SM) Máy đào từng phần gương (máy cắt từng phần) Đào bằng các máy xúc bốc Đào bằng rửa lũa (sức nước, khí nén) + Tính chất cơ lý của đất đá có ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn KCC và phương thức chống giữ cho CTN. Ngoài ra, tính chất cơ lý của đất đá còn là cơ sở để lựa chọn sơ đồ thi công trên gương lò nó được thể hiện ở bảng 1.1. + Dựa vào hệ số kiên cố của đất đá M.M.Protođiakonov đã đưa ra các giải pháp chống giữ cho đường hầm như sau: Đối với hầm giao thông không cần chống giữ chỉ trong những điều kiện đặc biệt thuận lợi như trong đá cứng chắc, đồng nhất, không bị phong hoá và nứt nẻ không đáng kể. Trong trường hợp cần thiết có thể đặt neo trong phần vòm hoặc phun lên vách hang một lớp vữa dày 35 cm để bảo vệ đá khỏi phong hoá, phòng nước và giảm sức cản không khí cho công trình. Trong những địa tầng có hệ số kiên cố f=810 khi gặp áp lực thẳng đứng không đáng kể, áp lực bên không có, vỏ hầm có dạng vòm thoải kê trực tiếp lên địa tầng. Hai vách có thể thẳng đứng hoặc hơi nghiêng một 6
chút ra phía ngoài và chỉ cần phun một lớp vữa dày 35 cm (hình 1.2a) vòm có thể là bê tông toàn khối, bê tông phun hoặc bê tông phun tổ hợp với vì neo. Chân vòm trong trường hợp này thường nghiêng so với phương nằm ngang một góc từ 150200. Để đảm bảo ổn định chân vòm chừa bậc đá rộng 0,20,3 m. a) b) 3 I dv dv 2 2 2 3 I dcv R R 6500-7500 6500-7500 R1    2000-2500 100 4 dt 4 7000-8000 200-300 7000-8000 dm dm 9000-10000 9000-10000 c) A 3 dv A-A 2 2 A 1 5 50-100 200 300 R 6500-7500 1 5 4 7000-8000 dm 9000-10000 d) ®) e) 6 dv 2 3 R 6500-7500 R 1 8  2000-2500 dt 7 4 7000-8000 7000-8000 dm 9 1000-11000 9500-10500 9500-10500 g) dv 2 R1 R2 dc v Hình 1.2. Kết cấu vỏ hầm bê tông toàn khối dạng vòm [11] 7000-8000 1. Lớp mặt; 2. Bê tông toàn khối; R4 4 dt R 7000-8000 3. Giới hạn KÕt H×nh 2.6. khổcÊu hầm; 4. Phần vá hÇm mặttoµn bª t«ng đường khèi xe chạy; d¹ng vßm 5.1. Tôn Líp mÆt; 2. Bª t«ng toµn khèi; 3. Giíi h¹n khæ hÇm; lượn sóng; 6. Neo; 7. Lớp vỏ đầu tiên; 4. PhÇn mÆt ®u ? ng xe ch¹y; 5. T«n lu ? n sãng; 6. Neo; 8. Lớp vỏ thứ hai; 9. Vòm ngược d dt 10000-12000 3 7. Líp vá ®Çu tiªn; 8. Líp vá thø hai; 9. Vßm ngöa Trong đá cứng nứt nẻ có hệ số kiên cố f=37 cần phải xây vỏ cho cả phần vòm và tường (H 1.2b). Khi không có áp lực bên và áp lực nước ngầm tường có dạng thẳng đứng. Chân tường có thể mở rộng đôi chút để cải thiện điều kiện tựa lên đáy hang. Nếu hầm thi công theo phương pháp 7
đào toàn tiết diện thì vòm và tường được nối trơn. Vỏ hầm trong trường hợp này có thể xem như có dạng vòm nhọn. Giữa các chân tường người ta đổ bê tông thành đáy phẳng để truyền tải trọng của tàu xe chạy trong hầm xuống nền. Ngoài bê tông toàn khối (hoặc lắp ghép) vỏ hầm trong trường hợp này có thể dùng bê tông phun hoặc bê tông phun lên lưới thép có gia cường bằng neo. Vỏ hầm loại này sẽ cùng làm việc với một phần của khối đá bao quanh như một vòm cứng và bền. Trong đá nứt nẻ và phá hoại không cứng có thể sử dụng vỏ hầm liên hợp kiều hệ Bernold (hình 1.2c). Vỏ loại này là tổ hợp vì chống tạm và ván khuôn để làm chức năng của vỏ vĩnh cửu. Vỏ thường lập từ vỏ bê tông dày từ 1015 cm, lớp bê tông phun dày 58 cm và lớp thép lá lượn sóng và có lỗ dày 13 mm. Thép lá loại này dính bám rất tốt với bê tông và bảo vệ nó khỏi bị phá hỏng do nổ mìn. Trong địa tầng có hệ số kiên cố f=24 thường thi công bằng phương pháp đào từng bộ phận, đặc biệt đối với hầm có tiết diện lớn. Vỏ hầm trong trường hợp này thường có dạng vòm kê lên tường thẳng đứng (hình 1.2d). Đối với loại vỏ này ở chỗ nối chân vòm với tường, trục của kết cấu thường bị gẫy khúc và do đó phát sinh hiện tượng tập trung ứng suất ở tiết diện này. ở chỗ chuyển tiếp chiều dày của vòm và tường là như nhau. Tuy nhiên nếu hầm xây dựng bằng phương pháp vòm trước tường sau khi chân vòm mở rộng vừa kê lên địa tầng vừa kê lên tường điều đó vừa cải thiện được điều kiện làm việc của tường và thuận lợi cho thi công (hình 1.2đ). Khi thi công hầm bằng phương pháp “Đào hầm kiểu mới của Áo (NATM)” trong đất đá cứng bị phá hoại hoặc đất đá nửa cứng người ta thường xây dựng vỏ hầm hai lớp có dạng kín (hình 1.2e). Lớp đầu tiên bằng bê tông phun dày 1020 cm và được gia cường bằng vòm thép hoặc neo. Lớp thứ hai là bê tông đổ tại chỗ hoặc bê tông phun dày từ 2535 cm. Việc áp dụng loại vỏ này tạo điều kiện tốt nhất cho kết cấu ngầm cùng làm việc với địa tầng xung quanh và tiết kiệm vật liệu. Trong địa tầng mền yếu với áp lực thẳng đứng và áp lực bên đều lớn, đôi khi xuất hiện cả áp lực từ dưới lên. vỏ hầm trong trường hợp này thường có dạng vòm tường cong tựa lên vòm ngược (hình 1.2g). Vòm ngược có tác dụng tiếp nhận tải trọng từ dưới lên; phân bố áp lực thẳng đứng lên diện rộng và ngăn chặn sự dịch chuyển của chân tường vào trong hầm do áp lực bên. - Công phá huỷ đơn vị là năng lượng cần thiết để phá vỡ 1 m3 đá ở trạng thái nguyên khối bằng công do năng lượng của thuốc nổ sinh ra hoặc công do máy phá đá sinh ra. Công để thực hiện phá huỷ đơn vị được thể hiện bởi mối quan hệ giữa ứng suất nén đơn trục và biến dạng của khối đá được tính tại thời điểm phá huỷ theo công thức sau [18]: Wz = d, (kJ/m3) (1.4) Trong đó: Wz- Công phá huỷ đơn vị (kJ/m ); - Ứng suất nén của đá; - 3 Biến dạng của đá. 8
Công phá huỷ đơn vị của đá ảnh hưởng đến tốc độ khoan, kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa tốc độ khoan và công phá huỷ đơn vị theo biểu đồ hình 1.3. [19]. Lỗ khoan có  45mm/công suất máy khoan 20kW Tốc độ khoan Rất cao Tốc độ khoan (m/phút) Cao Trung bình Thấp Rất thấp Công phá huỷ đơn vị, KJ/m3 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa tốc độ khoan và công phá huỷ đơn vị của đá [19]. Từ biểu đồ H 1.3. thấy rằng, công cần thiết để phá vỡ một mét khối đất đá càng lớn thì tốc độ khoan càng giảm (tương ứng đường 2 trên H 1.1). - Độ mài mòn của đất đá, đất đá có độ mài mòn cao sẽ làm cho mũi khoan và choòng khoan, các thiết bị xúc bốc nhanh bị mòn khi đó chi phí mũi khoan, thiết bị xúc bốc sẽ tăng lên. - Tính đàn hồi–tính dẻo, nếu đất đá có tính đàn hồi và tính dẻo thì việc phá vỡ đất đá khó khăn hơn, còn nếu đất đá có tính dòn thì việc phá vỡ đất đá dễ dàng hơn, khi đó chi phí thuốc nổ để phá vỡ đất đá sẽ giảm. - Độ dính kết, đất đá có cấu tạo bởi các phần tử nhỏ (gọi là hạt) giữa các hạt có lực dính kết chúng lại với nhau. Do đó muốn tách một phần đất đá ra khỏi khối nguyên của nó phải tốn một công nhất định. Đất đá có độ dính kết cao khó khoan và nổ mìn. - Độ nở rời (độ vỡ rời) là tính chất của đất đá biểu thị khả năng tăng thể tích sau khi bị phá vỡ. Độ nở rời được đặc trưng bằng hệ số nở rời KVR. Hệ số nở rời là tỉ số giữa thể tích đất đá vỡ rời (VVR) với thể tích nguyên khối (Vngk) của nó. VVR KVR  1 (1.5) Vngk Hệ số nở rời có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định khối lượng đất đá sau khi nổ mìn, đó cũng chính là khối lượng đất đá cần xúc bốc và vận tải của một chu kỳ nổ mìn. Nếu đất đá càng cứng rắn thì hệ số nở rời càng lớn, khi đó lượng đất đá cần thiết phải xúc bốc tăng lên. 9
- Trọng lượng riêng và trọng lượng thể tích của đất đá ảnh hưởng đến công tác khoan và công tác xúc bốc, nếu trọng lượng thể tích và trọng lượng riêng lớn thì đất đá có độ cứng lớn, đất đá nặng. Vì vậy khi chọn máy khoan và máy xúc cần chú ý đến những yếu tố này. 1.2. Những khái niệm chung về các loại đƣờng lò trong mỏ và quy trình chung khi thi công các đƣờng lò trong mỏ 1.2.1. Khái niệm chung về các loại đường lò trong mỏ Để khai thác khoáng sản có ích nằm trong lòng đất, người ta phải đào hệ thống đường lò mở vỉa và chuẩn bị để vận tải khoáng sản và đá thải lên mặt đất, đưa người và thiết, vật liệu xuống mỏ... Vậy tất cả các đường lò với mục đích phục vụ khác nhau, nhiệm vụ khác nhau mà chúng có tên gọi khác nhau, nhưng đều là những công trình nằm trong lòng đất của mỏ và được phân thành những nhóm khác nhau: * Nhóm đường lò thẳng đứng - Nhóm đường lò thẳng đứng là loại đường lò được đào vuông góc với mặt phẳng nằm ngang, tùy theo tính chất và công dụng của nó mà có các tên gọi khác nhau + Giếng đứng là loại đường lò thẳng đứng, có nối thông trực tiếp ra mặt đất. Giếng được dùng để trục tải khoáng sản từ dưới lên mặt đất, làm nối thoát gió bẩn hoặc đưa gió sạch vào được gọi là giếng chính. Nếu giếng được dùng để vận tải vật liệu, thiết bị, người hoặc đưa gió sạch vào mỏ hoặc thải gió bẩn được gọi là giếng phụ. + Giếng nông (giếng thăm dò) có nối thông trực tiếp với mặt đất, chiều dài thường không quá 100 m dùng để thoát gió bẩn, đưa vật liệu xuống, dùng để thăm dò hoặc có thể dùng để khai thác (sau khi kết thúc giai đoạn thăm dò) + Giếng mù là loại giếng không có nối thông trực tiếp ra mặt đất dùng để vận tải khoáng sản từ mực dưới lên mức trên, tùy theo mục đích sử dụng mà ta có giếng mù chính hay giếng mù phụ. * Nhóm đường lò nghiêng: Là những đường lò được đào nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một góc nào đó, thường có các loại đường lò sau đây: + Giếng nghiêng là loại đường lò nghiêng có lối thông trực tiếp với mặt đất, tùy theo công dụng mà ta có giếng nghiêng chính và giếng nghiêng phụ + Lò nghiêng là loại đường lò không có lối thông trực tiếp ra mặt đất, chúng có thể được đào dọc theo độ dốc của vỉa trong đá hoặc đào theo một độ dốc nào đó theo mong muốn của người thiết kế. Tùy theo tính chất và công dụng của nó mà có các loại đường lò sau: lò thượng là loại đường lò nghiêng dùng để vận tải khoáng sản từ trên xuống gọi là thượng chính, dùng để vận chuyển vật liệu...gọi là thượng phụ; lò hạ là loại đường lò nghiêng dùng để vận tải khoáng sản từ dưới lên gọi là hạ chính, vận chuyển vật liệu...gọi là hạ phụ; ngoài ra còn các đường lò dốc, lò cắt, họng sáo đều thuộc loại lò nghiêng. 10
* Nhóm đường lò nằm ngang: Là loại đường lò được đào theo một mặt phẳng nằm ngang nào đó. Tuy nhiên thường phải đào dốc xuôi theo hướng vận tải khoáng sản và thoát nước với độ dốc khoảng 350/00. Chúng bao gồm các loại sau: + Lò bằng là loại đường lò có lối thông trực tiếp ra mặt đất thường được đào vuông góc hoặc tạo với phương của vỉa một góc nào đó theo mặt phẳng nằm ngang, nếu lò đào xuyên qua các vỉa được gọi là lò bằng xuyên vỉa. + Lò xuyên vỉa là loại đường lò không có lối thông trực tiếp ra mặt đất và được đào xuyên qua một số vỉa, đối với vỉa dày đào từ trụ sang vách vỉa hoặc ngược lại còn gọi là lò xuyên than. + Lò dọc vỉa là loại đường lò không có lối thông trực tiếp ra mặt đất được đào dọc theo phương của vỉa than hoặc vỉa đá, nếu là nhiệm vụ vận tải khoáng sản được gọi là dọc vỉa vận chuyển trong đá hay lò dọc vỉa vận chuyển trong than, nếu làm nhiện vụ thoát gió bẩn và đưa vật liệu...thì gọi là dọc vỉa thông gió trong đá hay lò dọc vỉa trong than. + Lò song song là loại lò dọc vỉa đào song song với lò dọc vỉa vận chuyển hay lò dọc vỉa thông gió hoặc được đào đồng thời trong quá trình khấu than ở lò chợ. + Lò nối, lò liên lạc, cúp là loại là nằm ngang không có nối thông trực tiếp ra mặt đất dùng để nối giữa hai lò thường, lò hạ hoặc giữa hai lò dọc vỉa trong đá và trong than với nhau dùng để thông gió trong quá trình đào, dùng để vận chuyển, thoát gió, đi lại 1.2.2. Quy trình chung khi thi công đường lò trong mỏ Trong quá trình đào lò, thường thực hiện các bước công việc trong một chu kỳ đào lò theo trình tự như sau: Phá vỡ đất đá trong Thông gió Đưa gương vào các đường lò trạng thái an toàn Các công tác phụ Chống tạm thời và Xúc bốc và vận khác chống cố đinh chuyển đất đá Hình 1.4. Quy trình chung khi thi công đường lò trong mỏ 1.3. Lý thuyết tƣờng chắn đất 1.3.1. Khái niệm chung Tường chắn là một công trình nhân tạo được thi công nhằm ngăn cản sự trượt lở của mái dốc khi góc nghiêng của mái dốc vượt quá giới hạn cân bằng. Trong xây dựng dân dụng, tường chắn thường sử dụng chống đỡ đất đá khi đào hố móng khi thi công các đường hầm. Trong giao thông, tường chắn dùng để chống đỡ nền đường đắp, bảo vệ các sườn dốc tự nhiên và nhân tạo khỏi bị trượt lở. Trong xây dựng thuỷ công tường chắn dùng để bảo vệ bờ sông, bờ biển. 11
Trong xây dựng mỏ tường chắn dùng để chống đỡ đất đá xung quanh vách lộ, các mái dốc của công trường khai thác lộ thiên. Giả sử ta có một khối đất đá hạt vụn (hay đất đá bở rời, kém ổn định) nếu cắt khối đất đá bằng một mặt phẳng A-B mà không chống giữ thì đất đá sẽ bị trượt lở, chỉ đến khi nào góc trượt đạt tới giới hạn cân bằng thì sự trượt mới ngừng lại. Giả thiết rằng đến mặt trượt AC là cân bằng, thì khối đất đá bị trượt lở chính là khối lăng trụ trượt tam giác ABC. Thực tế mặt trượt AC là mặt cong, song để đơn giản trong tính toán ta coi như mặt phẳng. Khi khối lăng trụ tam giác trượt lở sẽ gây ra một áp lực vào tường chắn. Trong trường hợp này người ta gọi là áp lực chủ động lên tường chắn (D). Ngược lại, khi có một ngoại lực tác dụng vào tường chắn, tường chắn tác dụng vào đất đá, đất đá tác dụng lại một phản lực ngược chiều. Phản lực này gọi là áp lực bị động tác dụng lên tường chắn (Q). Trong trường hợp phản lực đất đá nhỏ hơn ngoại lực tác dụng vào tường sẽ tạo nên một lăng trụ trồi tam giác A1B1C1 B C B1 C1       D Q H H    1 A A1   Hình 1.5. Tường chắn đất 1.3.2. Áp lực chủ động  Nếu ta cắt khối đất đá bằng mặt phẳng AB và bỏ đi phần bên trái, và coi AB như là tường chắn đất. Giả sử tường chắn có chiều cao là H, đất đá sau tường chắn có trọng lượng thể tích là , giữa tường và đất đá không có ma sát. Khi đó áp lực D có phương tác dụng vuông góc với AB. Ta thấy áp lực chủ động tác dụng vào tường chắn là do chính trọng lượng G của khối lăng trụ ABC gây ra. Dựa vào phương pháp phân tích lực, ta phân tích G thành hai thành phần: R và D. Trong đó: G - Trọng lượng của khối lăng trụ trượt tam giác ABC; D - Áp lực chủ động của đất đá tác dụng lên tường AB; R - Áp lực của khối đất đá ABC lên mặt trượt AC; Fms - Lực ma sát xuất hiện trên mặt trượt AC. Phân tích lực R thành 2 thành phần: thành phần pháp tuyến N và thành phần tiếp tuyến T và gọi góc hợp bởi lực R và N là 1 thì ta có: T = N.tg1 (1.6) 12
Ta thấy thành phần lực T có xu hướng kéo khối lăng trụ ABC trượt xuống theo mặt AC. Khi đó trên mặt trượt AC sẽ xuất hiện lực ma sát (F ms) cản trở sự trượt của khối lăng trụ ABC và được tính theo công thức: Fms = N.tg (1.7) Với  là góc ma sát trong của đất đá). B C Fms   D 1   T N  H  G   R R   G  D      A  Hình 1.6. Tường chắn đất chịu áp lực chủ động  Ở trạng thái cân bằng ta có: T = Fms  N.tg1=N.tg  1= (1.8) Như vậy có thể rút ra kết luận: lực R luôn luôn hợp với phương pháp tuyến một góc bằng góc ma sát trong của đất đá. Từ sơ đồ hình 1.6. ta thấy góc hợp bởi lực G và thành phần pháp tuyến N bằng  nên góc giữa G và R sẽ là ( - ). Ở trạng thái cân bằng ta có tam giác lực khép kín được tạo thành bởi ba lực: G, D, R. Từ tam giác lực ta có áp lực chủ động D tác dụng vào tường chắn được tính theo công thức : D = G.tg( - ) (1.9) Nếu lấy chiều dài dọc theo tường bằng một đơn vị thì trọng lượng của khối lăng trụ trượt tam giác tính theo công thức: 1 G= H .BC. (1.10) 2 Mà BC = H.tg (900- ) (1.11) Thay (1.11) vào (1.10) ta có:  .H 2 G= .tg (90 0   ) (1.12) 2 Thay G ở công thức (1.12) vào (1.13) ta có:  .H 2 D= .tg (90 0   ) tg(-) (1.13) 2 Như vậy áp lực D phụ thuộc vào góc trượt . Do đó từ biểu thức (1.13) ta phải tìm giá trị góc trượt  sao cho khối lăng trụ trượt tam giác là lớn nhất cũng 13
có nghĩa là áp lực chủ động là lớn nhất. Để tìm cực trị của D ta tính đạo hàm bậc nhất của D theo  và cho bằng 0. dD D'  0 (1.14) d Sau khi tính đạo hàm và biến đổi ta tính được 90 0    (1.15) 2 90 0   Thay giá trị  = vào công thức (1.13) ta xác định được áp lực lớn 2 nhất tác dụng lên tường chắn:  .H 2  90 0    Dmax= .tg  2  ,T/m (1.16) 2  2  Để tìm được cường độ áp lực phân bố B d1 theo chiều cao tường chắn ta lấy vi phân D max theo chiều cao H nghĩa là:  dDmax  d= (1.16) dH Từ đó tính được:  90 0    d =  .h.tg 2   ,T/m2 (1.17)  2  Trong đó:  - Trọng lượng thể tích đất đá, T/m3; A d2 h- Thay đổi từ 0 ÷ H, m; Hình 1.7. Biểu đồ phân bố áp lực  90     tg   - Hệ số đẩy ngang của đất đá hạt vụn theo coulomb.  2  2  Từ biểu thức trên ta thấy cường độ áp lực trên tường chắn đất phân bố theo dạng hình tam giác. Cường độ áp lực tại đỉnh tường d 1= 0 (vì h= 0), và ở chân tường lớn nhất:  90 0    d2=  .H .tg 2   , T/m2 (1.18)  2  Như vậy, cường độ áp lực của một điểm bất kỳ nào trên tường phụ thuộc vào độ sâu của điểm đó và góc ma sát trong của đất đá . 1.3.3. Áp lực bị động Ngược lại với trường hợp áp lực chủ động, khi có ngoại lực Q tác dụng vào tường chắn A’B’ làm cho khối đất đá bên trong có khuynh hướng trồi lên theo mặt A’C’ tạo nên khối lăng trụ trồi tam giác A’B’C’. Tương tự như áp lực chủ động, dưới tác dụng của trọng lượng khối đất đá lăng trụ trồi A’B’C’ sẽ gây ra áp lực bị động Q tác dụng vào tường (phản lực của đất đá vào tường). Dựa vào phương pháp phân tích lực, ta phân tích G’ thành hai thành phần: Q’ và R’. Trong đó: 14
G’ – Trọng lượng của khối lăng trụ trồi tam giác A’B’C’; Q – Áp lực bị động của đất đá tác dụng lên tường chắn A’B’; R’ - Áp lực của khối đát đá lên mặt trồi A’C’. Khi khối đất đá A’B’C’ có xu hướng trồi lên thì trên mặt trồi A’C’ sẽ xuất hiện lực ma sát (Fms) cản trở sự trồi lên của nó. , , B C  Fms  ,  T  Q  1   , , R H  G , ,  , N  R G   Q         , A  Hình 1.8. Tường chắn đất chịu áp lực bị động  Tương tự như cách tính toán và chứng minh ở trường hợp áp lực chủ động ta có thể kết luận lực R’ luôn hợp với phương pháp tuyến một góc bằng chính góc ma sát trong  của đất đá. Giả sử góc trồi là 1 thì góc hợp bởi giữa lực R’ với G’ là (1+ ). Ở trạng thái cân bằng ta có tam giác lực khép kín (hình 2.5). Từ tam giác lực ta có: Q = G’. tg(1+) (1.19) 90 0   Tương tự như tính áp lực chủ động ta tìm được góc trồi 1 = . Ứng 2 90 0   với 1 = thì áp lực đạt trị số lớn nhất Qmax. 2 1  90 0    q1 Qmax= . .H 2 tg 2   , T/m (1.20) B 2  2   Cường độ áp lực bị động tác dụng  theo từng điểm trên chiều cao tường tính theo công thức sau: 90 0   q=  .h.tg , T/m2 (1.21) 2 Cường độ này phân bố theo dạng hình tam giác. Tại đỉnh tường cường độ áp lực bằng q1=0, và tại chân tường cường độ áp A q2 90 0   lực là q2 =  .H .tg (1.22) Hình 1.9. Biểu đồ phân bố áp lực 2    1.3.4. Áp lực chủ động khi bên trên có tải trọng phân bố đều 15
Trường hợp này chỉ khác trường hợp tính áp lực chủ động là ở bên trên khối đất đá phía trong tường chắn có phân bố đều một lớp tải trọng. 1.h1 h0 A1  B C   H  A Hình 1.10. Tường chắn  đất chịu áp lực chủ động khi bên trên có tải trọng phân bố đều Giả thiết lớp tải trọng phân bố đều có trọng lượng thể tích là 1 và chiều cao h1, còn đất đá ở phía trong tường có trọng lượng thể tích là  và chiều cao H. Ta phải tính toán để quy đổi lớp tải trọng phân bố đều thành một lớp tải trọng khác có tính chất tương đương với đất đá ở sau lưng tường chắn. Ta có biểu thức: 1h1 = .h0 (1.23)  1 h1  h0  ,m (1.24)  h0 - Chiều cao của lớp tải trọng phân bố đều sau khi đã quy đổi. Từ công thức trên ta có thể thấy h0 có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn h1. Ta giả thiết h0 > h1. Đến đây việc tính áp lực chủ động tác dụng lên tường tương tự như đã tính ở mục 1.3.2 nhưng coi toàn bộ khối đất đá có chiều cao là (H+h 0), nghĩa là thêm một phần tường tưởng tượng BA1. Vậy muốn tính áp lực chủ động tác dụng lên tường AB, ta chỉ cần tính áp lực chủ động tác dụng lên A 1B và AA1 rồi lấy áp lực trên tường A1A trừ áp lực trên tường A1B. DAB  DA A  DA B 1 1 (1.25) Áp lực chủ động tác dụng lên tường chắn A1A có chiều cao là H + h0:  H  h0 2  90 0    D A1 A = .tg 2   , T/m (1.26) 2  2  Áp lực chủ động tác dụng lên phần tường chắn A1B có chiều cao là h0:  .h02  90 0    D A1B = tg 2   (1.27) 2  2  16
Thay (1.26) và (1.27) vào công thức (1.25) và biến đổi ta có công thức tính áp lực chủ động tác dụng lên tường chắn AB như sau : H H  2h0  90 0   DAB = tg 2 , T/m (1.28) 2 2 Để tính cường độ áp lực phân bố theo chiều cao tường, ta vi phân công thức (1.28) theo H, ta được: 90 0   dAB =  h  h0 tg 2 , T/m2 (1.29) 2 Trong đó : h = 0 ÷ H d1 Cường độ áp lực tại đỉnh tường B (điểm B) ứng với h = 0.  90   0  d1= h0 tg 2 , T/m2 (1.30) 2 Cường độ áp lực tại chân tường (điểm A) ứng với h = H 90 0   d2=  H  h0 tg 2 , T/m2 (1.31) 2 Từ đây ta vẽ được biểu đồ phân bố áp lực theo chiều cao của tường A d2 chắn AB. Biểu đồ phân bố áp lực có Hình 1.11. Biểu đồ phân bố áp lực dạng hình thang có đáy nhỏ là d1 và đáy   lớn là d2. Điểm đặt của tải trọng DAB tại trọng tâm của biểu đồ. 1.4. Áp lực đất đá tác dụng lên đƣờng lò 1.4.1. Khái niệm về áp lực 1. Khái niệm Hiện nay chưa có định nghĩa nào cho thuật ngữ áp lực địa tầng hay áp lực mỏ (áp lực đất đá) được thừa nhận một cách rộng rãi. Có tác giả cho rằng “Áp lực mỏ” là những lực xuất hiện xung quanh các đường lò và khi có những lực này muốn cho đường lò không bị biến dạng phải xây dựng vỏ chống. Song cũng có tác giả lại cho rằng: “Áp lực đất đá là những lực xuất hiện trong vỏ trái đất do sự phá huỷ nhân tạo trạng thái cân bằng ứng suất ban đầu và trạng thái ứng suất mới phân bố”. Song tất cả mọi quan niệm đều hàm chung một ý: áp lực đất đá là một loại lực tác dụng lên công trình xuất phát từ sự biến dạng của đất đá khi đào các khoảng trống dưới ngầm để xây dựng công trình. Khi đào khoảng trống dưới ngầm, trạng thái cân bằng ban đầu (trạng thái cân bằng tự nhiên) bị phá hoại, hình thành sự phân bố lại ứng suất của đất đá xung quanh khoảng trống. Trên mặt lộ chưa chống sẽ không có lực bề mặt (không có phản lực) do đó đất đá có thể tự do biến dạng vào trong lòng khoảng trống. Như vậy ứng suất theo phương vuông góc với mặt lộ sẽ giảm đi rất nhiều so với độ lớn tự nhiên ban đầu. Nói chung ứng suất nén tại vùng nóc và nền giảm dần tới không và có thể chuyển sang ứng suất kéo. Đất đá chịu kéo rất yếu 17
nên dễ bị phá hoại và gây ra áp lực lên công trình. Độ lớn của ứng suất đứng tại vùng này giảm do đó nó còn được gọi là vùng thoát căng ứng lực. Có thể cho rằng: Áp lực đất đá là một loại lực xuất hiện trong đất đá xung quanh đường lò tác dụng lên vỏ chống do sự biến dạng của đất đá khi ta đào các đường lò vào trong lòng đất làm phá vỡ trạng thái cân bằng ứng suất nguyên sinh, tạo ra các mặt lộ và hình thành trạng thái cân bằng ứng suất mới. 2. Đặc tính suất hiện áp lực đất đá Trong việc xác định đặc tính và độ lớn áp lực đất đá còn có nhiều quan niệm khác nhau, chẳng hạn vấn đề ảnh hưởng của độ sâu tới trị số áp lực. Có quan niệm cho rằng độ sâu không ảnh hưởng (Protodiaconov, Tximbarevic, Engesser, Ritter...), có quan niệm cho rằng có ảnh hưởng (Xavin, Morgaiepxki, Liberman, Labax, Rupenheit...); hoặc cũng có quan điểm cho rằng ở một độ sâu nhất định (tùy thuộc vào tính chất đất đá) áp lực sẽ lớn dần theo độ sâu; ở độ sâu lớn hơn, áp lực không ảnh hưởng nữa (Bierbaumier, Terzaghi); ngược lại có quan niệm cho rằng dưới độ sâu nhất định (hàng trăm mét) áp lực bị ảnh hưởng, còn trên nông, áp lực không bị ảnh hưởng của độ sâu. Đất đá là môi trường phức tạp bởi vậy cũng khó có quan niệm thống nhất về các quá trình cơ học xảy ra trong nó. Đặc tính xuất hiện và độ lớn của áp lực mỏ phụ thuộc vào hình dạng kích thước công trình, tính chất cơ lý của đất đá, đặc điểm kiến tạo, góc nghiêng của các lớp, phương pháp đào và chống giữ công trình. Áp lực có thể là đối xứng hoặc không đối xứng so với tiết diện ngang của công trình. Quá trình phát phát triển của áp lực mỏ có thể chia ra làm hai giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất (t1) bắt đầu ngay sau khi đào khoảng trống: đất đá biến dạng về phía mặt lộ. Áp lực gây ra bởi sự biến dạng đó gọi là áp lực ban đầu hay lực biến dạng. Độ lớn của áp lực này lớn dần theo thời gian và tác dụng đều ở mọi phía. Giai đoạn thứ hai (t2) xuất hiện sau khi đào khoảng trống là sự nứt nẻ của đất đá ở nóc, nhiều khi ở cả bên sườn và dưới nền khoảng trống. Có sự nứt nẻ đó là do ứng suất xung quanh khoảng trống vượt quá giới hạn bền về kéo và cắt tại nóc và nén tại hông. Khi đó, trọng lượng khối đất đá trong vùng nứt nẻ đó tác dụng lên kết cấu chống gây ra áp lực. Áp lực đó gọi là áp lực tĩnh. Độ lớn của áp lực này không thay đổi theo thời gian nếu điều kiện xung quanh không có gì thay đổi. P T¶i träng ®éng 1 Pmax a c Đường 1 - Ứng với đất đá dẻo Pod   b Đường 2 - Ứng với đất đá bở   2  rời    O t1 t2 t  Hình 1.12. Quá trình phát triển của áp lực mỏ 18   
Cả hai hiện tượng trên có thể cùng xảy ra đối với một công trình ngầm tuỳ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá mà công trình ngầm đào qua. Đối với đất đá tơi vụn phần lớn chỉ thấy xuất hiện hiện tượng áp lực tĩnh. Ở độ sâu rất lớn hoặc trong vùng đất đá dẻo ta thấy xuất hiện áp lực động là chủ yếu. Trong phần lớn trường hợp của đất đá liên kết ở độ sâu trung bình cả hai hiện tượng trên sẽ lần lượt xảy ra. Trong điều kiện này, nếu có vỏ chống cứng thì áp lực biến dạng sẽ đạt tới giá trị Pmax rồi không đổi theo thời gian. 1.4.2. Áp lực xung quanh đường lò 1.4.2.1. Áp lực ở lò bằng 1. Áp lực nóc lò a. Giả thuyết của giáo sư M.M. Prôtôđiacônôv Bằng quan sát và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cũng như ngoài thực địa, tác giả thấy rằng nếu đào một đường lò vào đất đá, đặc biệt là đất đá mềm yếu và bở rời mà đường lò không được chống giữ thì đất đá ở nóc lò bị rạn nứt và sụt lở tạo nên ở nóc lò một dạng hình vòm và chỉ khi nào tạo nên một vòm cân bằng thì sự sụt lở mới ngừng. Vòm trên nóc lò mà ứng với đất đá không sụt lở nữa gọi là vòm cân bằng tự nhiên (các phần tử đất đá nằm trên đường cong và ngoài đường cong ở trạng thái cân bằng và ổn định). Phần đất đá nằm ở trong vòm bị sụt lở hết được gọi là vòm phá hoại. Giả sử ta đào đường lò có chiều rộng là 2a, bố trí ở độ sâu H và vòm AOB là vòm cân bằng tự nhiên (hình 1.13). Tác giả đã chứng minh được vòm AOB có dạng vòm Parabol, nghĩa là phương trình của đường cong AOB có dạng y = ax2. Để chứng minh cho kết luận này của tác giả, ta đặt vòm AOB nằm trong hệ trục toạ độ Oxy và cắt một mặt cắt song song trục Oy đi qua điểm M có toạ độ x và y. Trên đoạn OM để đảm bảo sự cân bằng của vòm, ta thay thế đoạn vòm OB bằng phản lực T đặt tại O và đoạn vòm MA bằng phản lực R đặt tại M. Vòm AOB chịu tải trọng phân bố đều p = .H (hình 1.13). p  x x T O y R M  b  A   B F   ms N      y 2a  Protodiaconov Hình 1.13. Giả thuyết của 19