Chƣơng 5 THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM TRONG ĐẤT ĐÁ CÓ HIỆN TƢỢNG PHỤT NỔ KHÍVÀ NỔ ĐÁ 5. Hiện tƣợng phụt nổ khí Làhiện tượng khí động học phức tạp, xảy ra do giải phóng ứng suất đàn hồi ch tụ ở trạng thái giới hạn kèm theo hiện tượng đất đá, khí, bụi bắn ra với tốc độ tí lớn kèm theo âm thanh nổ. Người ta giải thích hiện tượng đó bằng các giả thuyết sau: - Do có vùng khícó áp suất lớn với năng lượng tí ch tụ. Khi có đường hầm đào tới gần, lớp đá bảo vệ không đủ độ bền để bảo vệ vùng khícó áp lực quálớn.
Khi độ dày tới giátrị giới hạn, sự phát sinh sự “bục” đột ngột làm đất đá, khí, bụi văng ra như một vụ nổ. - Hiện tượng trên cũng được giải thí nh lý hóa như sau: Một ch bằng quátrì a làkhícó áp lực cao, được tương tác và trương nở thể tí phí ch trong vùng tí ch tụ, một phía là đất đá bị tăng ứng suất làm giảm ổn định vàbền vững. Trạng thái nổ xảy ra khi thế cân bằng bị phávỡ. Hiện tƣợng nổ đá (xung đập) Khối đá xung quanh công trình trong điều kiện trường ứng suất cao màxảy ra hiện tượng các phiến đá bắn ra, cùng với hông đường hầm cóhiện tượng đá bong tróc gọi lànổ đá.
Trong khối đá màkhai đào công trình ngầm (xưởng ngầm, đường hầm, đường lò khai thác ngầm, khu vực khai thác…) làm phân bố lại ứng suất và hiện tượng ứng suất tập trung trong khối đá xung quanh nó. Sau khi ứng suất tập trung đạt đến một giátrị nhất định thìcóthể xảy ra nổ đá. Trong quá trình khai đào công trình ngầm, nổ đá là một hiện tượng phản ánh mất ổn định của khối đá xung quanh mạnh nhất. Nólàmột tai họa địa chất lớn của thi công công trình ngầm.
Do tính phát sinh đột ngột, uy hiếp nghiêm trọng nhất đối với người và thiết bị thi công trong công trình ngầm. Nếu như xử lý không thỏa 79 đáng, thì sẽ làm cho an toàn thi công vàgiữ ổn định của khối đá hoặc công trì nh trở nên rất khó khăn, thậm chísẽ tạo thành sự cố công trình đặc biệt nghiêm trọng. Do nổ đá là hiện tượng động lực cực kỳ phức tạp, đến nay điều kiện hì nh thành vànguyên lýnổ đá trong công trình ngầm vẫn chưa có nhận biết thống nhất. Cóhọc giả cho rằng nổ đá là do bị pháhủy cắt; cũng có học giả căn cứ vào kết quả thínghiệm vàquan sát của mình đưa ra kết luận làdo pháhoại kéo giãn căng; còn cómột quan điểm quátrình pháhoại khối đá phát sinh nổ đá phân làm 3 giai đoạn pháhủy: bóc tách hình thành tấm, bẻ cắt thành cục, bắn bật các cục mảng ra.
* Điều kiện xảy ra nổ đá: (1) Khi đào công trình ngầm hì nh thành không gian ngầm là điều kiện hì nh học gây ra nổ đá. (2) Sự tập trung vàphân bố lại ứng suất xung quanh khối đá đã tạo ra sự tí ch lũy một lượng lớn năng lượng biến dạng đàn hồi ở khối đá xung quanh công trình ngầm, đây là một điều kiện động lực gây ra nổ đá. (3) Sau khi khối đá tiếp nhận ứng suất giới hạn sinh ra khe nứt ban đầu, tập trung giải phóng lượng năng lượng biến dạng đàn hồi dư tức quyết định mức độ bắn ra của nổ đá. (4) Thông qua hình thức nào của nổ đá xuất hiện, nó được quyết định bởi nh chất của đá xung quanh công trình, đặc trưng kết cấu khối đá, thời gian tích lũy tí vàgiải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi dài hay ngắn.
* Căn cứ dự đoán nổ đá Từ quy định vàthành quả nghiên cứu của một số quốc gia đã nhận thấy, căn cứ sinh ra nổ đá na ná như nhau, vấn đề này đối với giai đoạn thiết kế đo đạc công nh ngầm, căn cứ vào điều kiện địa chất vạch ra để phán đoán phát sinh nổ đá có trì giátrị tham khảo hay không. Dựa vào tiêu chuẩn phân loại khối đá công trình của Trung Quốc cóthể đưa ra dự đoán nổ đá như sau: (1) Khi Rc/max>7 không xảy ra nổ đá; (2) Khi Rc/max=4-7 có thể sẽ phát sinh nổ đá nhẹ hoặc nổ đá mức độ trung bì nh; (3) Khi Rc/max<4 cóthể sẽ xảy ra nổ đá nghiêm trọng. 80 Trong đó: Rc- Cường độ kháng nén đơn trục của đá; max- Ứng suất nguyên sinh lớn nhất. Chỉ tiêu cường độ của đá có thể thông qua các dạng thínghiệm để xác định, ứng suất lớn nhất thông thường là thông qua phương pháp đo đạc thực địa để xác định, nhưng không phải làtất cả các công trình đều cóthể tiến hành đo ứng suất.
Vì vậy không thể không nhờ vào những số liệu kinh nghiệm hoặc trực tiếp sử dụng đại lượng ứng suất thẳng đứng trong trường ứng suất trọng lực của khối đá làm giá trị ứng suất lớn nhất. Các giải pháp ngăn ngừa và hạn chế 5. Giải pháp ngăn ngừa vàhạn chế nổ đá Thông qua tích lũy kinh nghiệm vàthực tiến một loạt công trì nh, hiện nay đã cónhiều phương pháp phòng ngừa nổ đá có hiệu quả, quy kết lại đã có: gia cố khối đá xung quanh, biện pháp phòng hộ thêm, hoàn thiện phương pháp thi công, cải thiện điều kiện ứng suất xung quanh cùng với thay đổi tí nh chất cơ lý của khối đá xung quanh… (1) Biện pháp gia cố khối đá xung quanh Phương pháp này là chỉ gia cố khối đá xung quanh biên công trình ngầm sau khi khai đào cùng với gia cố chống đỡ vượt trước đối với mặt chống đỡ, những biện pháp này một làcó thể cải thiện bản thân mặt gương cùng với trạng thái ứng suất của khối đá xung quanh trong phạm vi 1-2 lần đường kí nh hầm; hai làtác dụng bảo vệ khả năng chịu lực sẵn có, cóthể phòng ngừa bắn ra vàsập đổ… (2) Cải thiện điều kiện ứng suất của khối đá xung quanh Cóthể từ góc độ thiết kế vàthi công sử dụng một số phương pháp dưới đây: a) Khi lựa chọn vị trícủa đường hầm và kết cấu ngầm khác, cần phải lựa chọn hướng dọc trục của đường hầm song song với phương của ứng suất lớn nhất, làm như vậy cóthể giảm thiểu được ứng suất cắt của khối đá xung quanh đường hầm; b) Khi thiết kế lựa chọn hình dạng mặt cắt ngang đào hợp lý, cóthể cải thiện được trạng thái ứng suất của khối đá xung quanh đường hầm; 81 c) Trong quátrình thi công, nổ mìn đào hầm sử dụng tiến độ ngắn, nhiều chu kỳ, cũng cóthể cải thiện trạng thái ứng suất của khối đá xung quanh đường hầm; d) Phương pháp loại bỏ ứng suất, tức trong khối đá xung quanh công trình ngầm tạo thành một vùng vỡ rời, hình thành một vùng đàn hồi thấp, từ đó làm cho ứng suất xung quanh biên vàmặt gương hạ thấp, khiến cho ứng suất cao dịch chuyển vào sâu trong khối đá. Để đạt được mục đích này, có thể khoan lỗ khoan trống vượt trước hoặc nổ mìn om trong lỗ khoan vượt trước, biện pháp phòng ngừa nổ đá kiểu này cũng gọi là phương pháp loại trừ ứng suất cao cấp.
(3) Cải thiện tính chất của khối đá xung quanh Ngành than của Trung Quốc sử dụng phổ biến phương pháp bơm nước trước vào vỉa than đã cải thiện biến dạng và đặc tình cường độ của than, tức là phương pháp bơm nước mềm hóa. Sau khi ngâm mẫu than vào nước thìbiến động thời gian pháhủy tăng thêm, hiệu suất giải phóng năng lượng hạ thấp rõrệt. So sánh kết quả biến động thời gian pháhoại (đường cong ứng suất) của mẫu than tự nhiên vàmẫu than ngâm nước với nhau, có thể thấy được, động thái thời gian pháhoại của mẫu than ngâm nước hiện lên cấp số lượng gia tăng. Người ta căn cứ vào đặc tí nh này của than tiến hành bơm nước vào vỉa than để ngăn ngừa áp lực xung đập.
Bơm nước có áp vào vỉa than thường có hai cách: một là bơm nước áp lực vào vỉa than trước khi tiến hành khai thác, làm cho ẩm ướt than, giảm tốc độ vàloại trừ năng lượng xung đập, đây là một biện pháp phòng ngừa khu vực mang tí nh chủ động tí ch cực; loại thứ 2 làtiến hành bơm nước áp lực cao vào trong vùng tập trung ứng suất cục bộ làm giảm đi ứng suất tập trung, giảm trừ nguy cơ nổ than, đây là một biện pháp giải nguy cục bộ. Nổ đá thường xảy ra mạnh nhất trong khoảng 1 giờ sau khi xảy ra nổ, sau đó thìtừng bước của xu hướng nhẹ đi; đa số nổ xảy ra trong phạm vi 1-2 lần đường kính hang, cho nên tránh cũng làmột phương pháp có hiệu quả cao. Sau mỗi một chu kỳ nổ, công nhân thi công tránh ở vị trí an toàn, đợi sau khi nổ đá mạnh nhất ngừng lại thìtiến hành thi công. 82 Đương nhiên làm như vậy cần trìhoãn tiến độ công trì nh, làmột phương pháp tiêu cực.
Ở vị trínóc lòdo nổ đá mà xuất hiện cục đá om cần phải loại bỏ, để bảo đảm an toàn thi công. Đối với nổ đá dạng tách lới khe nứt, nguy hại do bắn ra không lớn, cóthể sử dụng phương pháp loại bỏ đá treo lơ lửng để đảm bảo an toàn thi công. Giải pháp ngăn ngừa phụt nổ khí Khi gần đến vỉa than, đá cần tiến hành công việc từ từ, thận trọng, kết hợp với giải pháp thăm dò, đo đạc, sau đó áp dụng các giải pháp sau đây: - Tạo vùng thoát tải cho chu vi đường lò; - Bơm nước vào vỉa; - Dùng nước thau rửa vỉa; - Xây dựng khung chống hay lưới thép bảo vệ. Các giải pháp chủ yếu khi xây dựng công trình ngầm 5.
Trong đá có hiện tƣợng nổ đá Trước hết cần chọn hình dạng tiết diện ngang công trì nh: Công trình thẳng đứng chọn hình dạng kiểu ôvan (quả trứng), công trì nh ngầm nằm ngang chọn hì nh dạng kiểu vòm cao (cánh hoa sen). Vỏ chống dùng loại neo liên kết toàn thân, kết hợp bê tông phun có gia cường thêm lưới thép. Để phá vỡ đất đá dùng các lỗ khoan nghiêng ra bên ngoài đường lò, vượt khỏi chu vi tiết diện ngang đường lò (độ vượt được tính toán trước). Phần vượt ra ngoài biên được neo giữ bằng neo liên kết toàn thân.
Phần lỗ mì n ở trong tiết diện cần phá đá được nạp thuốc nổ. Sau khi nổ mìn phá đá ở gương hầm thìkhối đá xung quanh đường hầm đã được các neo gia cố. Khi thi công các đường hầm hay đường lòtrong đá cóhiện tượng nổ đá cần kết hợp các giải pháp sau đây: - Các đường lòcách nhau í t nhất 30-40m. - Hai đường lògiao nhau với một góc từ 60-900.
- Tăng tốc độ thi công. - Giảm tải khối đá xung quanh đường lòbằng phương pháp nổ mìn.