Công nghệ khai thác lò chợ, cơ giới hoá đồng bộ hạ trần than bằng mô hình số, có xem xét đến các tham số trong điều kiện vỉa dày, dốc thoải và nghiêng

1. Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ máy tính, để tính toán các kết cấu chống giữ công trình ngầm người ta có thể sử dụng các phần mềm phân tích, tính toán chuyên dụng (thông thường là các phần mềm số). Nói chung, cho đến nay có rất nhiều các phần mềm số được sử dụng để phân tích tính ổn định của khối đất đá xung quanh các khoảng trống ngầm sau khi khai đào. Nói chung, các phần mềm phân tích số hiện nay thường được lập trình trên cơ sở các phương pháp số cơ bản sau [1]: phương pháp phần tử hữu hạn; phương pháp sai phân hữu hạn; phương pháp độ hội tụ giới hạn; phương pháp phần tử biên; phương pháp toán rời rạc....

Mỗi phương pháp trên đều có những phạm vi sử dụng và đều dựa trên một giả thiết tính toán ổn định cũng như sử dụng các tiêu chuẩn phá hủy hay tiêu chuẩn bền khác nhau. Hiện nay trong lĩnh vực phân tích ổn định khối đá xung quanh khoảng trống ngầm khai thác và thiết kế kết cấu chống giữ các khu vực khai thác trong các mỏ than hầm lò, một số phần mềm tính toán được lập trình trên cơ sở các phương pháp toán học ở trên đã và đang được sử dụng rộng rãi, có thể kể đến là: chương trình Phase 2, Ansys, Abaqus, UDEC, Flac, PFC,…

Khi tiến hành tính toán phân tích ổn định công trình ngầm thì người ta thường giả thiết môi trường đất đá trong các mô hình dưới 2 dạng khác nhau, hay thường nhắc tới 2 dạng phân tích cơ bản: phương pháp phân tích tính toán khi coi môi trường đất đá là liên tục và phân tích tính toán độ ổn định của khoảng trống ngầm khi coi môi trường đất đá là rời rạc và có quan tâm đến đặc điểm cấu trúc (đặc tính phân cách, nứt nẻ trong khối đá) trong khối đá.

Trong thực tế tính toán bằng các phần mềm thì người ta thường phải tiến hành các bước tính toán phân tích theo các vòng lặp khác nhau để tìm ra được kết cấu chống có tính tối ưu nhất. Chu trình vòng lặp đó có thể được thực hiện theo các bước sau:

- Mô hình hóa hình dạng, kích thước lò chợ khai thác bằng cách nhập thông số đầu vào cho mô hình;

- Mô hình hóa môi trường đất đá xung quanh: ở trong phần này cần chú ý với các chương trình mà càng kể tới nhiều điều kiện phản ánh điều kiện đất đá xung quanh (nứt nẻ, phân cách, nước ngầm, trường ứng suất nguyên sinh…) thì tính chất gần với thực tế càng chính xác. Tuy nhiên, khi đó thì công việc phân tích tính toán càng trở nên nặng nề và phức tạp và với các máy tính có bộ nhớ trong không đảm bảo thì sẽ rất khó khăn cho việc giải bài toán trên máy tính.

- Mô hình bài toán bằng chương trình;

- Chạy chương trình để phân tích và xem xét mô hình khi chưa có không gian khai thác lò chợ, và khi có không gian khai thác lò chợ;

- Tiến hành lắp đặt kết cấu chống giữ lò chợ và tiến hành phân tích ảnh hưởng của kết cấu chống đến mức độ ổn định của các lò chợ;

- Sau khi phân tích kết quả, tiến hành so sánh và thay đổi các thông số của kết cấu chống bao giờ cho phù hợp, kết hợp việc xem xét đặc tính kinh tế khi nào thấy thỏa mãn thì kết thúc quá trình phân tích.

Như vậy việc phân tích tính toán ở đây là quá trình lặp lại nhiều lần việc lựa chọn kết cấu chống nên kết quả phân tích tính toán sẽ hợp lý hơn và có tính chính xác hơn các phương pháp tính tay vừa mất thời gian và bản chất so sánh xem xét bị hạn chế. Bài báo đi phân tích độ ổn định của lò chợ cơ giới hóa khi có xem xét đến các tham số công nghệ khai thác than thu hồi nóc hạ trần bằng phần mềm số Phase 2 trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn. Đây là phần mềm số được sử rộng rãi trong các phân tích địa kỹ thuật hiện nay ở Việt Nam cũng như trên thế giới.

2. So sánh phân tích ứng suất giữa lời giải đại số và lời giải bằng phần mềm Phase 2

Phase 2 là phần mềm số được sử rộng khá phổ biến hiện nay, Phase 2 có thể dùng để mô phỏng và tính toán ổn định hầm, không gian khai thác ngầm cho các bài toán 2 chiều, dùng để phân tích ứng suất, biến dạng, thiết kế kết cấu chống giữ các không gian khai thác lò chợ. Giao diện của Phase 2 thì đơn giản, dễ sử dụng có thể cho phép phân tích, mô phỏng bất kỳ loại hình kích thước không gian lò chợ, nó cũng cho phép chúng ta mô phỏng được các khe nứt, nhiều loại đất đá, phay phá, đứt gẫy trên cùng một mô hình.

Để đảm bảo sử dụng phần mềm số Phase 2 chúng ta cần đi kiểm tra tính chính xác của phần mềm số này. Để kiểm tra tính chính xác của phần mềm ta đi so sánh một bài toán bằng lời giải giải tích và lời giải số bằng phần mềm Phase 2.

Vấn đề để xem xét là các ứng suất và chuyển vị đối với trường hợp một đường hầm tròn trong môi trường đàn hổi dẻo với trường ứng suất nén có giá trị: P0 = 30MPa

Vật liệu được giả thiết ở đây là hoàn toàn đàn hồi và hoàn toàn dẻo với bề mặt phá hủy được xác định bằng tiêu chuẩn Mohr-Columb. Cả hai trường hợp (góc dãn nở bằng góc ma sát trong) và không xem xét đến dãn nở thể tích (góc dãn nở y = 0) tiêu chuẩn cho chảy dẻo sẽ được áp dụng. Các tham số của vật liệu được giả thiết như sau:

Mô đun đàn hồi của đất đá E = 6778MPa; Hệ số Poisson v = 0,21; Lực dính kết C = 3,45MPa; Góc ma sát trong j = 300; Góc dãn nở thể tích y = 00; Bán kính của đường hầm a = 1m.

Bán kính của đường hầm được giả thiết là nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài của đường hầm do đó bài toán sẽ là bài toán biến dạng phẳng hoàn toàn.

2.1. Lời giải giải tích chính xác

Bán kính vùng biến dạng dẻo R0 đối với mô hình đại số chính xác với lý thuyết của Salencon (1969) được xác định theo biểu thức sau [2]:

2.2. Mô hình bằng Phase 2

Mô hình Phase 2 cho trường hợp này được mô tả như trong hình 1. Mô hình bao gồm: lưới hướng tâm; 80 phần tử (rời rạc) xung quanh đường hầm tròn; lưới 4 nút (3200 phần tử); điều kiện biên cứng, biên ngoài cách 21m từ tâm đường hầm tròn (10 lần đường kính từ biên hầm); trạng thái ứng suất nguyên sinh (30MPa) được sử dụng đối với mỗi phần tử.

Hình 1. Mô hình phân tích bằng Phase 2 với đường lò tròn trong môi trường Mohr-Coulom

2.3. Đánh giá về kết quả

Với trường hợp dẻo (góc dãn nở y = 00). Hình 2 chỉ ra một sự so sánh giữa lời giải bằng Phase 2 và các kết quả của lời giải đại số giải tích. Các ứng suất sr (s3) và sq (s1) theo khoảng cách với bán kính đường hầm trong hình 2a, chuyển vị ur theo r như trong hình 2b. Các kết quả chỉ ra rằng sự đáng tin cậy của Phase 2 với lời giải đại số. Sự sai khác giữa các lời giải phân tích của ứng suất và chuyển vị được thể hiện như trong bảng 1. Sai khác giữa chuyển vị ở trên biên đường lò thì nhỏ hơn (2,37)%.

Hình 2. So sánh kết quả giữa lời giải bằng giải tích và lời giải bằng Phase 2

Bảng 1. Sự sai khác (%) sau khi phân tích với đường hầm trong môi trường đàn hồi-dẻo không có dãn nở thể tích (y = 00)

Trung bình	Lớn nhất	Biên đường lò
ur	3,34	5,46	1,22
sr	1,39	9,19	---
sq	1,22	4,58	---

Qua kết quả phân tích ở trên có thể thấy rằng kết quả phân tích bằng Phase 2 và kết quả phân tích bằng lời giải giải tích có sự sai khác rất nhỏ nên chúng ta có thể kết luận rằng có thể sử dụng Phase 2 để mô phỏng và phân tích các bài toán tiếp theo phục vụ nghiên cứu trong chương này.

3. Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao luồng khấu than đến mức độ thu hồi than hạ trần của lò chợ khai thác trong các vỉa dầy dốc thoải

Để mô hình bài toán nghiên cứu ở đây chúng ta sử dụng nghiên cứu hệ thống lò chợ nằm ở độ sâu 158m, sử dụng lựa chọn mô hình phân tích với lớp vỉa than có chiều dầy lớn với chiều dầy vỉa m = 20m, chiều cao lò chợ hay chiều cao luồng khấu thay đổi từ 2,5m cho đến 3,5m. Phía trên là lớp đá bột kết, và phía dưới nền lò (phía trụ) là lớp cát kết. Mô hình bài toán sử dụng có chiều rộng mô hình 150m, chiều cao mô hình 100m. Do đường lò chợ nằm ở độ sâu lớn nên phần đất đá phía bên trên được quy đổi bằng tải trọng tương đương với giá trị 0,62MPa phía trên đỉnh mô hình, còn hệ thống dàn chống được mô tả bằng phản lực tương đương bên trong đẩy ra từ trong lò chợ. Các đặc tính của đất đá và than trong mô hình được mô tả như trong bảng 2.

Bảng 2. Các tham số đầu vào cho phân tích

Số TT	Tên các tham số	Ký hiệu	Giá trị			Đơn vị
			Lớp cát kết	Lớp Than	Lớp Bột kết
1	Trọng lượng thể tích của đất đá	g	0,026	0,018	0,027	MN/m3
2	Độ bền kéo của khối đá	sk	0,5	0	0,7	MPa
3	Lực dính kết của khối đá	c	1,0	0,2	2,0	MPa
4	Góc ma sát trong của khối đá	j	35	15	40	Độ
5	Mô đun đàn hồi của khối đá	E	2000	300	3000	МPa
6	Hệ số Poisson của khối đá	m	0,31	0,35	0,30	-
7	Góc dãn nở	y	0	-	Độ
8	Góc ma sát trong dư	jre	30	10	35	Độ
9	Lực dính kết dư	cre	0,5	0,1	1,0	MPa
10	Chiều rộng lò chợ	B	2,5	-	m
11	Loại vật liệu	-	Đàn-Dẻo	Đàn-Dẻo	Đàn-Dẻo	-
12	Tiêu chuẩn sử dụng	M-C	-	-	-	-
13	Hệ số ứng suất nguyên sinh	s3/s1	1,0	1,0	1,0	-
14	Góc nghiêng phân lớp đá	a	0	0	0	Độ
15	Chiều dầy lớp đá	m	đủ lớn	20m	đủ lớn

Ở trường hợp đầu tiên chúng ta đi mô phỏng xem xét vùng sập đổ phía sau giàn chống với chiều cao của luồng khấu (hay chiều cao giàn chống). Bằng phần mềm số chúng ta có thể mô phỏng bài toán phân tích như trong hình vẽ 3.

Hình 3. Mô hình phân tích số bài toán lò chợ trong vỉa dầy thu hồi than nóc khi thay đổi chiều cao luồng khấu than so với chiều dầy vỉa

Bằng mô phỏng và phân tích phần mềm chúng ta sẽ thay đổi chiều cao khấu than tương ứng với chiều dầy của vỉa than (ở đây chiều dầy vỉa than giả thiết cố định là 20m). Trên hình 4 mô tả hình ảnh sự phân bố dịch chuyển và ứng suất phân bố của đất đá xung quanh gương lò chợ khi thay đổi chiều cao luồng khấu than.

Hình 4. Phân bố ứng suất và chuyển vị xung quanh khu vực lò chợ khai thác trong trường hợp chiều cao luồng khấu 3,5m

Hình 5. Phân bố chuyển vị và vùng phá hủy than phía trước và phía sau giàn chống thu hồi than nóc khi chiều cao luồng khấu là 3,5m

Bằng phân tích sau khi tính toán và bằng xác suất thống kê chúng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa thể tích vùng than sập đổ phía nóc và phía sau giàn chống với sự thay đổi chiều cao luồng khấu (hay chiều cao lò chợ), kết quả thống kê quy luật được mô tả như trong hình 6.

Hình 6. Sự thay đổi thể tích vùng than sập đổ (m3) với sự thay đổi chiều cao luồng khấu hay chiều cao lò chợ

Quan sát kết quả đồ thị có thể thấy rằng khi chiều cao luồng khấu tăng thì thể tích thu hồi của than ở phía nóc và phía sau giàn chống sẽ được khối lượng nhiều hơn. Công thức gần đúng thu được ở đây có dạng:

Y = 1,793m - 0,7188 (2.12)

ở đây Y - thể tích than thu hồi được, m3;

m - chiều cao luồng khấu của lò chợ, m.

4. Nghiên cứu ảnh hưởng của bước thu hồi than hạ trần đến độn ổn định của lò chợ khai thác

Ở trong phần này tiến hành đi nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của bước tiến lò chợ đến thể tích than thu hồi nóc phía sau giàn chống lò chợ cơ giới hóa bằng phần mềm số Phase 2. Trên cơ sở bài tóa tương tự như mô hình, ở trong phần này chúng ta sẽ thay đổi bước di chuyển của giàn chống xem xét các bước tiến của giàn chống tương ứng từ 0,6m đến 1,2m đến thể tích khối than nóc sập đổ vào máng cào đuôi trên cơ sở xem xét thể tích vùng các phần tử than phá hủy phía sau gương lò chợ. Mô hình trong trường hợp này được mô tả như trong hình 7

Hình 7. Mô hình số phân tích bước di chuyển của lò chợ thay đổi từ 0,6 đến 1,2m

Hình 8. Vùng than phía nóc sập đổ phía trên và phía sau lò chợ khi thay đổi bước khấu than của lò chợ

4. Kết luận:

Từ các kết quả nghiên cứu trên mô hình số cho điều kiện của vỉa 7 - Công ty than Hà Lầm, có thể đưa ra một số nhận xét như sau:

- Bằng phân tích sau khi tính toán và bằng xác suất thống kê chúng ta có thể thiết lập được mối quan hệ giữa thể tích vùng than sập đổ phía nóc và phía sau giàn chống với sự thay đổi chiều cao luồng khấu (hay chiều cao lò chợ).

- Quan sát kết quả đồ thị có thể thấy rằng khi chiều cao luồng khấu tăng thì thể tích thu hồi của than ở phía nóc và phía sau giàn chống sẽ được khối lượng nhiều hơn.

Quan sát kết quả mô hình số thấy rằng, khi bước khấu than tăng lên thì diện tích phá hủy của vùng than nóc và phía sau giàn chống tăng lên có xu hướng tỷ lệ thuận. Kết quả trong hình 8 chỉ ra với bước khấu 1,2m thì diện tích vùng than sập đổ có thể bằng 2 ÷ 2,5 lần diện tích vùng than sập đổ khi bước khấu của lò chợ 0,6m.

TVL

Tài liệu tham khảo:

[1]. Hoek E. (2002), Hoek-Brown failure criterion – 2002 edition, Vancouver, Canada , Cosulting Group Inc: Minneapolis, Minnesota, USA

[2]. Salencon, J. (1969), “Contraction Quasi-Statique D”une Cavite a Symetrie Spherique Ou Cylindrique Dans Un Milieu Elasto-Plastique”, Annales Des Ports Et Chaussees, Vol. 4, pp. 231-236.