GIÁO TRÌNH ĐÀO CHỐNG LÒ (BẬC ĐẠI HỌC) – TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Đào chống lò dùng cho bậc Đại học do tác giả Trần Xuân Truyền biên soạn, được Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh (Bộ Công Thương) xuất bản và lưu hành nội bộ vào năm 2011. Tài liệu giữ vị trí học phần kỹ thuật chuyên ngành then chốt trong chương trình đào tạo kỹ sư Khai thác mỏ hầm lò và Xây dựng công trình ngầm.

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào việc trang bị cho người học hệ thống cơ sở lý thuyết về địa cơ học mỏ, phương pháp xác định và tính toán áp lực đất đá tác dụng lên công trình ngầm, nguyên lý thiết kế hình học và cơ học của các loại kết cấu chống giữ, cùng với quy trình tổ chức thi công đào, chống, bảo vệ và sửa chữa đường lò trong môi trường mỏ than hầm lò.

Cấu trúc tài liệu được thiết kế theo 3 khối kiến thức chính:

  1. Lý thuyết cơ bản về áp lực đất đá mỏ và kỹ thuật tính toán, thiết kế kết cấu chống giữ đường lò (lò bằng, lò nghiêng, giếng đứng).
  2. Công tác tổ chức thi công đào chống các loại đường lò trong các điều kiện đất đá đặc trưng.
  3. Phương pháp kỹ thuật củng cố, gia cường và sửa chữa các đường lò bị biến dạng hoặc hư hại trong quá trình khai thác.

Điểm đặc thù của giáo trình là sự kết hợp chặt chẽ giữa các mô hình giải tích cơ học mỏ kinh điển (như giả thuyết của M. Protodiakonov, P. Tximbarevic, Bierbaumier, Coulomb) với số liệu địa chất thủy văn, sự cố kỹ thuật và thực tiễn sản xuất tại các mỏ than thuộc vùng Quảng Ninh như Mạo Khê, Nam Mẫu, Khe Chàm, Thống Nhất, Hà Lầm, Mông Dương.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc học phần đi theo trình tự logic địa cơ học từ phân tích ứng suất, tính toán tải trọng đến thiết kế kết cấu và giải pháp công nghệ:

  • Chương 1: Khái niệm về đường lò, áp lực đất đá xung quanh đường lò:

    • Điều kiện địa chất, cơ lý đá: Phân tích ảnh hưởng của cấu trúc nham thạch, mức độ phân lớp, nứt nẻ, độ rỗng, độ ngậm nước, tính ăn mòn của nước ngầm và nguy cơ nổ khí/bụi (khí mê-tan). Phân loại đất đá theo hệ số kiên cố $f$ (theo phương pháp cối giã của M. Protodiakonov), công phá hủy đơn vị $W_z = \int \sigma d\epsilon$ và công thức mức độ khó khăn phá vỡ đất đá $K$ của Viện sĩ V. Rzevxki.
    • Phân loại công trình ngầm: Nhóm đường lò thẳng đứng (giếng đứng chính, giếng phụ, giếng nông $\le 100\text{ m}$, giếng mù); nhóm đường lò nghiêng (giếng nghiêng, lò thượng, lò hạ, lò dốc, họng sáo); nhóm đường lò nằm ngang với độ dốc thoát nước $3\div 5‰$ (lò bằng, lò xuyên vỉa, lò dọc vỉa, lò song song, lò nối/cúp). Chu kỳ đào lò gồm 6 bước công việc nối tiếp: Phá vỡ đất đá $\rightarrow$ Thông gió $\rightarrow$ Đưa gương vào trạng thái an toàn $\rightarrow$ Xúc bốc, vận chuyển $\rightarrow$ Chống tạm thời và chống cố định $\rightarrow$ Công tác phụ trợ.
    • Lý thuyết tường chắn đất Coulomb: Thiết lập công thức áp lực chủ động cực đại $D_{\max} = \frac{1}{2} \gamma H^2 \tan^2\left(45^\circ - \frac{\varphi}{2}\right)$, áp lực bị động $Q_{\max} = \frac{1}{2} \gamma H^2 \tan^2\left(45^\circ + \frac{\varphi}{2}\right)$ và bài toán tường chắn chịu tải trọng phân bố đều quy đổi $h_0 = \frac{\gamma_1 h_1}{\gamma}$.
    • Các giả thuyết tính áp lực đất đá:
      • Giả thuyết vòm cân bằng tự nhiên parabol của M. Protodiakonov: Chiều cao vòm $b = \frac{a}{f}$, phương trình đường cong vòm $y = \frac{x^2}{af}$, áp lực nóc tác dụng lên 1 vì chống cách khoảng $L$ là $Q_L = \frac{4}{3} \frac{a^2 \gamma L}{f}$.
      • Giả thuyết P. Tximbarevic: Áp dụng khi nóc và hông đều kém ổn định, mở rộng nửa chiều rộng vòm $a_1 = a + h \tan\left(45^\circ - \frac{\varphi}{2}\right)$, chiều cao $b_1 = \frac{a_1}{f}$, áp lực phân bố nóc $q_n = \gamma b_1$.
      • Giả thuyết Bierbaumier: Áp dụng cho đường lò nông có chiều sâu $H < H_{gh} = \frac{2a}{\tan^2\left(45^\circ - \frac{\varphi}{2}\right)\tan\varphi}$.
      • Áp lực hông lò (biểu đồ hình thang với cường độ $p_1, p_2$), áp lực nền lò (hiện tượng bùng nền theo Tximbarevic dựa trên hiệu số đẩy ngang $D_0 = Q_n - R_n$), áp lực nóc lò nghiêng phân rã thành lực pháp tuyến $P_n = Q \cos\alpha$ và tiếp tuyến $T_n = Q \sin\alpha$, áp lực giếng đứng theo Protodiakonov và Tximbarevic.
    • Biện pháp duy trì độ ổn định: Bố trí đường lò vào tầng đá cứng, để lại lớp bảo vệ ở nóc/nền than, tính toán trụ bảo vệ ($B = (3\div 4)a$ đối với đá ổn định, $B = (5\div 6)a$ đối với đá không ổn định; bán kính ảnh hưởng $(2,5\div 3)a$; điều kiện bền $m \cdot k \cdot \gamma H < R_n$), tối ưu hóa hình dạng tiết diện ngang và các công nghệ gia cường (hóa học, điện hóa, nhiệt học đóng băng, xi măng hóa).

  • Chương 2: Chống giữ lò bằng và lò nghiêng:

    • Phân loại vỏ chống: Theo vật liệu (gỗ, kim loại, bê tông, bê tông cốt thép), theo thời hạn (tạm thời, cố định), theo kết cấu (liền khối, vì neo, bê tông phun, lưới thép, vỏ liên hợp Bernold, NATM hai lớp vỏ), theo chế độ làm việc (cứng, linh hoạt kích thước/hình dạng).
    • Thiết kế kích thước tiết diện ngang: Quy trình họa đồ xác định tiết diện hình thang và hình vòm (vòm bán nguyệt $h_0 = \frac{B}{2}$, vòm ba tâm $h_0 = \frac{B}{3}$, $R=0,692B$, $r=0,262B$, diện tích vòm $S_v = 0,26B^2$, chu vi vòm $C_v = 1,33B$). Kiểm tra điều kiện thông gió theo quy phạm: $V_{\min} = 0,15\text{ m/s} \le V = \frac{Q}{S_{sd}} \le V_{\max}$ ($V_{\max}$ rãnh gió: $12\text{ m/s}$, lò mở vỉa: $8\text{ m/s}$, lò chuẩn bị: $6\text{ m/s}$, lò chợ: $4\text{ m/s}$).
    • Tính toán cơ học vì chống gỗ: Xác định kích thước xà và cột tiết diện tròn (gỗ cây đường kính $d$) hoặc chữ nhật (gỗ xẻ $b \times h$) theo tải trọng parabol (Protodiakonov: mômen uốn cực đại $M_{\max} = \frac{5}{12} \frac{a^3 \gamma L}{f}$, tính $d = \sqrt[3]{\frac{10 M_{\max} K}{[\sigma_u]}}$ với hệ số bền $K = 1\div 1,2$) và tải trọng phân bố đều (Tximbarevic: $M_{\max} = \frac{a^2 \gamma b_1 L}{2}$).
Tiến trình phát triển logic của nội dung:

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Cơ học đất đá và trạng thái ứng suất mỏ: Mô hình hóa sự thay đổi từ trạng thái ứng suất nguyên sinh sang trạng thái ứng suất mới phân bố quanh biên dạng đào; cơ chế hình thành vùng thoát căng ứng lực tại nóc/nền và tập trung ứng suất tại hông lò.
  • Lý thuyết cân bằng giới hạn: Định luật ma sát trong của đất đá, góc trượt $\theta = 45^\circ + \frac{\varphi}{2}$, hệ số áp lực bên $\tan^2\left(45^\circ \pm \frac{\varphi}{2}\right)$, tính chất biến dạng dẻo, đàn hồi, độ vỡ rời ($K_{VR} = \frac{V_{VR}}{V_{ngk}}$).
  • Mô hình giải tích kết cấu công trình ngầm: Cơ học dầm uốn trên hai gối tựa ứng dụng cho xà chống lò, cơ cấu truyền lực mộng bậc, liên kết khớp linh hoạt và vòm chịu nén thuần túy.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills):
    • Tính toán hộ chiếu khoan nổ mìn: Xác định số lượng lỗ khoan trên gương $N = 2,7 \sqrt{f \cdot S}$ và chỉ tiêu tiêu hao thuốc nổ $q = 1,1 \sqrt{\frac{f}{S}} \cdot \frac{525}{P}$.
    • Thiết kế hình học đường lò: Thiết lập kích thước các đường biên $B, L_1, L_2, L_3, L_4, h_{ng}$ theo số luồng vận tải, khổ đường ray ($600\text{ mm}$, $900\text{ mm}$), góc thách cột ($\theta = 75^\circ \div 85^\circ$) và khoảng cách an toàn quy phạm ($m, n, C$).
    • Tính toán kiểm toán độ bền cơ học: Xác định kích thước tiết diện cấu kiện chịu lực của vỏ chống gỗ, kim loại, bê tông dưới các dạng phân bố tải trọng.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích và lựa chọn giả thuyết áp lực phù hợp theo độ sâu công trình ($H \gtrless H_{gh}$), đặc tính địa tầng (nóc yếu hông cứng vs. nóc yếu hông mềm) và phân tích các dạng phá hủy (bùng nền, sập nóc, trượt lở hông).
  • Kỹ năng thực tiễn (Practical competencies): Đánh giá nguy cơ nổ khí/bụi, xử lý hiện tượng nước ngầm áp lực lớn qua đới đứt gãy kiến tạo, lập biện pháp kỹ thuật đào lò qua tầng đá mềm ngậm nước và triển khai các giải pháp gia cường khối đá (đóng băng, phụt vữa silicat natri, xi măng hóa).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm

Tài liệu áp dụng phương pháp tiếp cận kỹ thuật công trình (Engineering Approach), kết hợp chặt chẽ giữa suy luận giải tích toán học với thực nghiệm mỏ. Từ các định luật cân bằng tĩnh học và biến dạng cơ học đất đá, tác giả dẫn xuất trực tiếp ra các công thức tính toán kích thước hình học và khả năng chịu tải của vỏ chống.

Khung phương pháp luận giảng dạy:

Bài tập và ví dụ thực hành

Giáo trình cung cấp các bài tập mẫu có lời giải chi tiết giúp người học chuẩn hóa quy trình tính toán:

  • Bài toán 1 (Áp lực đường lò nông): Xác định áp lực nóc cho công trình ngầm có chiều rộng $2a = 3,2\text{ m}$, $\gamma = 2,4\text{ T/m}^3$, $\varphi = 63^\circ$ ở độ sâu $H = 15\text{ m}$. Hướng dẫn giải chi tiết cách tính chiều sâu giới hạn $H_{gh} = 28,29\text{ m}$, so sánh $H < H_{gh}$ để khẳng định việc sử dụng công thức Bierbaumier, cho ra kết quả tải trọng nóc $Q = 54,11\text{ T/m}$.
  • Bài toán 2 (Áp lực lò thượng nghiêng): Tính áp lực đất đá tác dụng lên nóc và hông đường lò thượng có góc dốc $\alpha = 25^\circ$, đào trong than ($f = 1, \gamma = 2,4\text{ T/m}^3, \varphi = 45^\circ$, chiều cao $h = 2,4\text{ m}$, chiều rộng nóc $L_n = 1,8\text{ m}$, góc thách $\theta = 80^\circ$). Hướng dẫn giải tính toán chiều cao cột đá hông quy đổi $h' = \frac{h}{\cos\alpha} = 2,65\text{ m}$, vòm mở rộng $a_1 = 2,4\text{ m}$ theo Tximbarevic, tính ra tải trọng tổng hợp nóc $Q = 15,26\text{ T/m}$ và tải trọng hông $Q_h = 4,06\text{ T/m}$.

Đánh giá và hướng dẫn tự học

Cuối Chương 1 cung cấp hệ thống 17 câu hỏi lý thuyết và bài tập tự giải bao gồm:

  1. Giải thích bản chất cơ học của 2 giai đoạn phát triển áp lực mỏ ($t_1, t_2$).
  2. Chứng minh phương trình vòm cân bằng tự nhiên parabol của M. Protodiakonov.
  3. Vẽ biểu đồ phân bố áp lực tường chắn đất, áp lực hông lò và áp lực thành giếng đứng qua $n$ lớp đất đá.
  4. Tính toán kiểm tra giới hạn áp dụng công thức Bierbaumier và tính kích thước vì chống cho các trường hợp cụ thể.

Người học được hướng dẫn tự vẽ biểu đồ phân bố lực, tra cứu thông số cơ lý nham thạch vùng than Quảng Ninh và thực hiện kiểm toán lưu lượng gió thông gió kết hợp với tính toán tiết diện hình học.

Điểm nổi bật và tính cập nhật thực tiễn

Cập nhật công nghệ chống giữ hiện đại

Bên cạnh các vì chống gỗ truyền thống dùng trong các đường lò chuẩn bị ngắn hạn ($1\div 2\text{ năm}$), giáo trình cập nhật chi tiết các giải pháp chống giữ công trình ngầm tiên tiến:

  • Hệ vỏ chống liên hợp Bernold: Tổ hợp vì chống tạm, ván khuôn thép lá dập sóng có lỗ dày $1\div 3\text{ mm}$, lớp bê tông phun dày $5\div 8\text{ cm}$ và lớp vỏ bê tông đổ tại chỗ dày $10\div 15\text{ cm}$.
  • Phương pháp đào hầm mới của Áo (NATM): Xây dựng kết cấu vỏ hầm kín 2 lớp (lớp 1: bê tông phun dày $10\div 20\text{ cm}$ kết hợp vì neo và vòm thép; lớp 2: bê tông đổ tại chỗ hoặc bê tông phun dày $25\div 35\text{ cm}$) nhằm phát huy khả năng tự mang tải của khối đá bao quanh.
  • Kết cấu vòm ngược: Thiết kế cho vùng đất đá mềm yếu chịu áp lực mọi phía lớn nhằm tiếp nhận tải trọng từ dưới lên, chống hiện tượng bùng nền và khép kín chu tuyến chịu lực.

Dữ liệu thực nghiệm từ các mỏ than Quảng Ninh

Giáo trình tích hợp các bài học kỹ thuật và dữ liệu đo đạc thực tế từ quá trình thi công các mỏ hầm lò tại bể than Quảng Ninh:

  • Hiện tượng đứt gãy ngậm nước và bùn cát: Dẫn chứng sự cố bục nước phay FC tại đường lò xuyên vỉa mức $-30\text{ m}$ giếng nghiêng chính than Khe Chàm (lưu lượng nước $120\text{ m}^3\text{/h}$, bục bùn đá lần 1 là $500\text{ m}^3$, lần 2 là $1000\text{ m}^3$, thời gian thi công kéo dài 1 năm); phay FA tại lò xuyên vỉa số 1 mức $-80\text{ m}$ Công ty than Mạo Khê (lưu lượng nước $60\text{ m}^3\text{/h}$); phay Mt tại cổ giếng nghiêng Lộ Trí Công ty than Thống Nhất ($20\text{ m}^3\text{/h}$, gây trương nở đất đá biến dạng khung chống); giếng nghiêng phụ Công ty than Nam Mẫu (lưu lượng nước $20\div 60\text{ m}^3\text{/h}$, tốc độ đào lò bị suy giảm chỉ đạt $20\div 30\text{ m/tháng}$).
  • An toàn cháy nổ khí và bụi than: Trích dẫn các số liệu lịch sử và các vụ sự cố nổ khí tại Mông Dương, Hà Lầm, Mạo Khê, Thống Nhất, Khe Chàm 1 để làm cơ sở quy định nghiêm ngặt về vật liệu nổ an toàn mỏ, chế độ đo kiểm soát khí mê-tan và thông gió gương lò.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 theo học các chương trình đào tạo Kỹ sư Kỹ thuật Mỏ (chuyên ngành Khai thác mỏ hầm lò), Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm và Mỏ, Địa chất công trình.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở kỹ thuật cốt lõi:
    • Cơ học lý thuyết & Sức bền vật liệu: Kiến thức về dầm chịu uốn, mômen chống uốn $W_u$, tam giác lực, phân tích ứng suất và biến dạng.
    • Cơ học đất đá: Các chỉ tiêu cơ lý ($\gamma, \varphi, f, R_n, R_k$), trạng thái cân bằng giới hạn.
    • Địa chất mỏ & Trắc địa mỏ: Cấu trúc địa tầng, nứt nẻ, phay phá kiến tạo và đo đạc hình học không gian ngầm.
  • Giảng viên và kỹ sư mỏ: Giảng viên sử dụng làm tài liệu giảng dạy chính khóa và hướng dẫn Đồ án môn học Đào chống lò, Đồ án tốt nghiệp; cán bộ kỹ thuật tại các công ty than thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) sử dụng làm tài liệu tra cứu các công thức tính toán áp lực mỏ, quy phạm tiết diện hình thang/hình vòm và các thông số kỹ thuật khoan nổ mìn, chống giữ.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho bậc đào tạo Đại học ngành Khai thác mỏ hầm lò và Xây dựng công trình ngầm tại Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh và các cơ sở đào tạo khối ngành mỏ - địa chất.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận học phần?

Cần nắm vững kiến thức toán giải tích, Cơ học lý thuyết, Sức bền vật liệu, Cơ học đất đá mỏ và Địa chất công trình để thực hiện được các phép tính tích phân năng lượng phá hủy, giải tích mômen kết cấu và phân tích cân bằng lực tường chắn.

3. Giáo trình có điểm gì khác biệt so với các tài liệu lý thuyết thuần túy?

Giáo trình tích hợp trực tiếp các tiêu chuẩn quy phạm khai thác mỏ hiện hành (vận tốc gió cho phép theo từng loại đường lò, khoảng cách an toàn thiết bị $m, n, C$) cùng các bài học xử lý sự cố thực địa tại các mỏ than Mạo Khê, Khe Chàm, Nam Mẫu, Thống Nhất.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên bám sát quy trình: Nắm vững giả định biên của từng mô hình áp lực (Protodiakonov, Tximbarevic, Bierbaumier) $\rightarrow$ Tự giải lại các bài tập mẫu số 1 và số 2 $\rightarrow$ Ứng dụng vẽ biểu đồ phân bố áp lực và tính toán kiểm toán tiết diện theo hệ thống 17 bài tập cuối Chương 1.

5. Giáo trình có đề cập đến các tài liệu bổ trợ hoặc quy chuẩn kỹ thuật nào?

Giáo trình trích dẫn các tài liệu nghiên cứu của Viện sĩ V. Rzevxki về chỉ số độ khó phá vỡ đá, các công trình cơ học đá của M. Protodiakonov, P. Tximbarevic, cùng các tài liệu khảo sát địa chất, thủy văn thực tế tại bể than Quảng Ninh.

Kết luận

Giáo trình Đào chống lò của tác giả Trần Xuân Truyền cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện, chuẩn xác về cơ học mỏ, lý thuyết áp lực đất đá và kỹ thuật thiết kế kết cấu vỏ chống đường lò phục vụ khai thác hầm lò. Với lộ trình đào tạo đi từ cơ sở địa cơ học, các mô hình tính toán giải tích đến thiết kế hình học và phương pháp gia cường hiện đại, tài liệu đáp ứng đầy đủ yêu cầu đào tạo kỹ sư mỏ thực hành, phục vụ trực tiếp nhu cầu kỹ thuật của ngành công nghiệp khai thác than Việt Nam.