Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành khai thác mỏ, đặc biệt tại các khu vực có điều kiện địa chất phức tạp như khu Cái Đá thuộc Công ty than Hòn Gai – TKV, việc duy trì ổn định các đường lò xây dựng cơ bản (XDCB) là một thách thức lớn. Theo thống kê, các đường lò xuyên vỉa mức -50 tại đây thường xuyên bị biến dạng, mất ổn định do áp lực mỏ lớn, gây thu hẹp tiết diện từ 9,4 m² xuống còn khoảng 6,2 m², chiều cao lò giảm từ 2,95 m xuống còn 1,8–2,0 m, ảnh hưởng nghiêm trọng đến công tác vận tải và thông gió. Mục tiêu nghiên cứu là phân tích nguyên nhân mất ổn định, đánh giá điều kiện địa chất và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ ổn định và hiệu quả sản xuất cho đường lò XDCB mức -50 trong phạm vi khu Cái Đá, tỉnh Quảng Ninh. Nghiên cứu tập trung vào giai đoạn từ năm 2009 đến hiện tại, với phạm vi khảo sát thực địa và phân tích số liệu tại khu vực thử nghiệm. Ý nghĩa của đề tài thể hiện rõ qua việc giảm chi phí chống xén lò hàng năm, tăng tuổi thọ công trình và đảm bảo an toàn lao động, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác than trong điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về địa chất công trình và cơ học đất đá, bao gồm:

  • Lý thuyết vòm phá hủy theo Tximbarevich: Giúp xác định vòm áp lực đất đá tác động lên kết cấu chống lò, từ đó tính toán áp lực mỏ và áp lực nền.
  • Phân loại chất lượng khối đá: Sử dụng ba phương pháp chính là RQD (Rock Quality Designation), RMR (Rock Mass Rating) và Q (Quality) để đánh giá chất lượng khối đá xung quanh đường lò, từ đó lựa chọn giải pháp chống giữ phù hợp.
  • Mô hình kết cấu chống lò: Phân tích sự biến dạng và nội lực trong vì chống thép SVP-22 và SVP-27, kết hợp với neo cáp gia cường nhằm nâng cao độ ổn định đường lò.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực mỏ, vòm cân bằng tự nhiên, neo cáp dự ứng lực, bùng nền, và trương nở sét.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và khảo sát thực địa:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu địa chất, thủy văn, cơ lý đất đá thu thập từ các báo cáo thăm dò, kết quả khoan lấy mẫu, trắc dọc thành lò, và khảo sát hiện trường tại khu Cái Đá.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán áp lực mỏ theo mô hình vòm phá hủy, phân loại chất lượng khối đá bằng RQD, RMR, Q; phân tích nội lực và biến dạng kết cấu chống; đánh giá hiện trạng mất ổn định qua số liệu biến dạng và chu kỳ xén lò.
  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2009 đến hiện tại, tập trung khảo sát và thử nghiệm tại đoạn lò xuyên vỉa mức -50, với các bước khảo sát, phân tích, đề xuất và thử nghiệm giải pháp kỹ thuật.

Cỡ mẫu khoan lấy mẫu đá lên đến hàng trăm mẫu (317 mẫu đá sạn kết, 626 mẫu đá cát kết, 917 mẫu đá bột kết, 114 mẫu đá sét kết) đảm bảo độ tin cậy cho phân tích cơ lý và đánh giá chất lượng khối đá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân mất ổn định đường lò: Áp lực mỏ lớn do sự hình thành vòm phá hủy mới với bán kính lớn hơn ban đầu, kết hợp với hiện tượng trương nở sét khi gặp nước gây bùng nền. Đường lò xuyên vỉa mức -50 bị nén ép mạnh, làm biến dạng kết cấu chống thép, chiều cao lò giảm từ 2,95 m xuống còn 1,8–2,0 m, tiết diện giảm từ 9,4 m² xuống 6,2 m².

  2. Chất lượng khối đá xung quanh đường lò: Được phân loại thuộc nhóm xấu (cấp V theo RQD), với các lớp đá cát kết, bột kết, sét kết xen kẽ, bị phong hóa mạnh, mất liên kết, giảm độ bền cơ học. Đặc biệt, lớp sét kết và sét than có tính trương nở cao khi tiếp xúc với nước.

  3. Hiện trạng kết cấu chống lò: Vì chống thép SVP-22 hiện tại không đủ khả năng chịu lực, chân cột bị lún và uốn cong vào trong, gây biến dạng và mất ổn định. Chu kỳ xén lò trung bình 4–5 tháng/lần, gây tốn kém chi phí và ảnh hưởng sản xuất.

  4. Tính toán áp lực mỏ và áp lực nền: Áp lực đất đá trên nóc lò được xác định khoảng 10,7 T/m², chiều cao vòm cân bằng tự nhiên là 4,11 m, thuộc loại vòm cao trung bình (tỉ số h_CB/B = 1,13). Áp lực nền cũng được tính toán theo sơ đồ Tximbarevich, cho thấy áp lực tác động lớn lên kết cấu chống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của mất ổn định là do áp lực mỏ tăng cao theo thời gian, kết hợp với sự suy giảm chất lượng khối đá do phong hóa và thẩm thấu nước ngầm. So với các nghiên cứu tại các mỏ than khác trong nước và quốc tế, hiện tượng bùng nền và biến dạng kết cấu chống do áp lực mỏ lớn là phổ biến trong điều kiện địa chất phức tạp. Việc sử dụng kết cấu chống thép truyền thống không đáp ứng được yêu cầu chịu lực lâu dài, dẫn đến phải xén lò nhiều lần, gây gián đoạn sản xuất và tăng chi phí.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến dạng chiều cao và chiều rộng đường lò theo thời gian, bảng so sánh chỉ tiêu cơ lý các loại đá, và sơ đồ áp lực mỏ tác động lên kết cấu chống. Kết quả nghiên cứu khẳng định cần thiết phải áp dụng giải pháp kỹ thuật gia cường khối đá và nâng cấp kết cấu chống để đảm bảo ổn định lâu dài.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Sử dụng kết cấu khung chống thép SVP-27 kết hợp vòm ngược: Tăng khả năng chịu lực và ổn định hình học cho đường lò, giảm biến dạng và bùng nền. Thực hiện trong vòng 12 tháng, do Công ty than Hòn Gai chủ trì.

  2. Gia cường khối đá bằng neo cáp sử dụng vữa xi măng: Tăng liên kết giữa các lớp đất đá, giảm áp lực tác động lên kết cấu chống. Thi công đồng thời với việc nâng cấp kết cấu chống, ưu tiên đoạn lò xuyên vỉa mức -50.

  3. Áp dụng quy trình thi công đào chống xén mở rộng theo công nghệ NATM: Giảm thiểu biến dạng trong quá trình thi công, tăng hiệu quả và an toàn lao động. Đào tạo nhân lực và trang bị thiết bị trong 6 tháng.

  4. Kiểm soát và xử lý nước ngầm, đặc biệt tại các vị trí có lớp sét trương nở: Lắp đặt hệ thống cấp – thoát nước hiệu quả, giảm thiểu hiện tượng bùng nền. Thực hiện song song với các giải pháp kỹ thuật khác.

Các giải pháp trên cần được triển khai đồng bộ, có giám sát kỹ thuật chặt chẽ và đánh giá hiệu quả định kỳ sau mỗi 6 tháng để điều chỉnh kịp thời.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia khai thác mỏ: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật nâng cao ổn định đường lò trong điều kiện địa chất phức tạp, giảm chi phí vận hành và tăng hiệu quả sản xuất.

  2. Nhà quản lý và lãnh đạo các công ty than: Đưa ra quyết định đầu tư hợp lý cho công tác duy trì và cải tạo đường lò, đảm bảo an toàn lao động và hiệu quả kinh tế.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành địa kỹ thuật, khai thác mỏ: Tham khảo phương pháp phân tích, đánh giá chất lượng khối đá và thiết kế kết cấu chống lò phù hợp với điều kiện thực tế.

  4. Các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công công trình ngầm: Áp dụng mô hình tính toán áp lực mỏ, lựa chọn vật liệu và công nghệ thi công phù hợp, nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguyên nhân chính gây mất ổn định đường lò là gì?
    Áp lực mỏ lớn do sự hình thành vòm phá hủy mới và hiện tượng trương nở sét khi gặp nước là nguyên nhân chính gây biến dạng và bùng nền đường lò.

  2. Phương pháp đánh giá chất lượng khối đá nào được sử dụng?
    Ba phương pháp RQD, RMR và Q được áp dụng để đánh giá chất lượng khối đá, giúp lựa chọn giải pháp chống giữ phù hợp.

  3. Tại sao phải sử dụng neo cáp với vữa xi măng thay vì chất dẻo?
    Neo cáp với vữa xi măng có chi phí thấp, thiết bị thi công đơn giản và yêu cầu trình độ thợ thấp hơn, phù hợp với điều kiện thi công tại khu vực nghiên cứu.

  4. Chu kỳ xén lò hiện tại là bao lâu và ảnh hưởng thế nào?
    Chu kỳ xén lò trung bình 4–5 tháng/lần, gây tốn kém chi phí và ảnh hưởng đến tiến độ sản xuất do phải sửa chữa, mở rộng đường lò thường xuyên.

  5. Giải pháp kỹ thuật đề xuất có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Có thể áp dụng rộng rãi cho các đường lò trong điều kiện địa chất tương tự tại Công ty than Hòn Gai và các mỏ than khác có điều kiện địa chất phức tạp.

Kết luận

  • Đường lò xuyên vỉa mức -50 khu Cái Đá bị mất ổn định do áp lực mỏ lớn và hiện tượng trương nở sét, gây biến dạng kết cấu chống và thu hẹp tiết diện lò.
  • Chất lượng khối đá xung quanh đường lò thuộc nhóm xấu, bị phong hóa và mất liên kết, làm giảm độ bền cơ học.
  • Kết cấu chống thép hiện tại không đáp ứng được yêu cầu chịu lực lâu dài, dẫn đến phải xén lò nhiều lần, tăng chi phí và ảnh hưởng sản xuất.
  • Đề xuất sử dụng kết cấu khung chống thép SVP-27 kết hợp vòm ngược và neo cáp gia cường bằng vữa xi măng nhằm nâng cao độ ổn định và tuổi thọ đường lò.
  • Tiếp tục triển khai thử nghiệm, giám sát và đánh giá hiệu quả giải pháp trong 12 tháng tới, đồng thời mở rộng áp dụng cho các khu vực tương tự trong Công ty than Hòn Gai.

Hành động tiếp theo là tổ chức đào tạo kỹ thuật thi công neo cáp, đầu tư thiết bị cần thiết và xây dựng kế hoạch giám sát định kỳ nhằm đảm bảo hiệu quả lâu dài cho công trình khai thác.