ĐÁ, KHỐI ĐÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHÚNG(DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH XDCTN VÀ XDCTN&MỎ)BỘ MÔN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ. TS. Trần Tuấn Minh

Cơ học đá và khối đá 1 ĐÁ, KHỐI ĐÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CHÚNG (DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH XDCTN VÀ XDCTN&MỎ) Hà Nội, 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT BỘ MÔN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ Người so[.]

ĐÁ, KHỐI ĐÁ VÀ CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA

CHÚNG

(DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH XDCTN VÀ XDCTN&MỎ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH NGẦM VÀ MỎ

Người soạn: TS Trần Tuấn Minh

Mục đớch mụn học

1 Nghiên cứu cơ học đá có ý nghĩa đối với việc mở vỉa thiết kế trong khi khai thác

Việc khai thác khoáng sản trong hầm lò cần thiết phải sử dụng các ph ơng pháp mở vỉa khác nhau Nh đã biết thỡ để tiếp cận đ ợc với khối khoáng sản thỡ chúng ta cần phải khai đào các đ ờng lò trong đất đá để tiếp cận vỉa khoáng sản, nếu chúng ta không hiểu biết về đặc tính của khối đất đá đào qua các khu vực để tiếp cận khoáng sản thỡ sẽ không thu lại đ ợc hiệu quả nh mong muốn Nhiều tr ờng hợp gây thiệt hại cho công tác khai đào và môi tr ờng xung quanh.

2 Khi hiểu biết về các tính chất cơ lý của đất đá có thể đ a ra biện pháp khai đào đất đá, khoáng sản một

cách hợp lý và có tính kinh tế hơn.

3 Thiết kế kết cấu chống giữ các đ ờng hầm lò

Việc khai đào các đ ờng hầm lò có thể gây ra các hiện t ợng mất ổn định đất đá xung quanh các khoảng trống ngầm Do đó, ta phải chống giữ ổn định cho khoảng trống ngầm, khi biết đ ợc các biểu hiện mất ổn

định của khối đá có thể đ a ra đ ợc các biện pháp chống giữ thích hợp Cơ học đá có thể giúp chúng ta có những hiểu biết cơ bản về mất ổn định, dự đoán cũng nh thiết kế đ ợc kết cấu chống giữ ổn định khối đá xung quanh khoảng trống ngầm sau khi khai đào.

4 ổn định bờ mỏ, bãi thải trong khai thác

Đây là vấn đề cần thiết phải đ ợc quan tâm trong các mỏ hiện nay Cơ học đá cũng cung cấp cho sinh viên một cái nhìn khái quát nhất về các dạng mất ổn định, phân tích động học mất ổn định và việc chống giữ

ổn định.

5 Lựa chọn đ ợc ph ơng pháp khai đào, công cụ khai đào, ph ơng tiện để phá vỡ đất đá hợp lý

Khi khai đào đất đá nhất thiết chúng ta cần phải xác định đ ợc ph ơng pháp khai đào, lựa chọn đ ợc công cụ cũng nh ph ơng tiện phá vỡ đất đá Tuy nhiên, để làm đ ợc việc này có hiệu quả cao nhất thì nhất thiết chúng ta cần phải có các hiểu biết sâu sắc về các tính chất cơ học của khối đá Cơ học đá cũng trang bị cho các sinh viên ngành mỏ những hiểu biết cần thiết để có thể chọn lựa đ ợc ph ơng án khai đào, công cụ

và ph ơng tiện cần thiết khi khai đào đất đá khoáng sản.

Tài liệu học tập - phòng mượn và phòng đọc trường đại học mỏ-địa chất

Mẫu đá và khối đá

MÉu nguyªn

Mét hÖ khe nøt kh«ng sö dông tiªu chuÈn Hoek - Brown

Hai hÖ khe nøt kh«ng sö dông tiªu chuÈn Hoek - Brown

NhiÒu nøt

Mẫu đá và khối đá

2 Đá Galena, Sphalerite, Pyrite.

3 Đá phiến bị phong hoá: Kaolin, Bauxite và một số loại đá phiến khác

4 Đá cát kết bị phong hoá, Quartz

5 Quặng bị phong hoá: Azurite, khoáng chất malachite, cuprite

6 Các sông thung lũng: các đá trầm tích: vàng, platin, kim c ơng, magiê

7 Các đá có nguồn gốc núi lửa: Fenspat, Quăczit, Olivin, Magiê, Mica

8 Các đá cát kết biến chất: Quăczít

9 Các đá vôi biến chất: Canxite, Đôlômít

10 Các đá phiến biến chất: Garnet, mica, Fenspat

11 Các vùng tiếp xúc chuyển tiếp: Garnet, khoáng chất Hocblen, Sunphirite

Đặc điểm cấu trỳc đỏ

Cấu trúc phân bố đều - không đều

Granít mài bóng

phân bố không

Khái niệm đồng nhất và không đồng nhất t ơng ứng với phạm vi

nghiên cứu

không theo h ớng đẳng h ớng: đá kết tinh, trầm tích

phân lớp không đẳng h ớng : đá trầm tích, đá biến chất

phân dải, phân phiếnkhông

đẳng h ớng: đá biến chất a)

b)

- chất lấp nhột bờn trong khe nứt;

- cỏc tham số của khe nứt: chiều dài, phương vị,

gúc dốc; …

Các yếu tố thế nằm của khe nứt

- Góc ph ơng vị (): Là góc đ ợc tạo bởi đ ờng ph ơng h ớng bắc

và hình chiếu của đ ờng h ớng dốc lên mặt phẳng ngang (   900)

- Góc dốc (): Là góc đ ợc tạo bởi đ ờng h ớng dốc và hình chiếu của nó lên mặt phẳng ngang

Tính liên tục của các khe nứ

* Chiều dài khe nứt: Là kích th ớc dài trung bình

theo đ ờng h ớng dốc

* Chiều dầy của khe nứt: Là khoảng cách trung

bình từ bờ bên này đến bờ bên kia của khe nứt dọc theo đ ờng ph ơng phát triển của khe nứt.Hình 1.4: Tính liên tục của các khe nứt

* Chiều rộng của khe nứt: Là kích th ớc dài trung

bình của mặt khe nứt theo đ ờng ph ơng

* Mật độ khe nứt (K kn):

(khe nứt/mét dài) Trong đó:

n - Số l ợng khe nứt đếm đ ợc trên đoạn cần khảo sát

có thể đếm bằng mắt (khe nứt)

l - Chiều dài đoạn cần khảo sát số khe nứt (m)

l n

K kn 

Ph¼ng

BÞ ph©n bËc

sự phân bố khe nứt trong đá

Độ nhám trên bề mặt khe nứt, chất lấp nhét trong khet nứt

Cỏc đặc trưng vật lý của đỏ

a Trọng l ợng riêng:

G - Trọng l ợng pha cứng của đá trong điều kiện đ ợc sấy khô

V- Thể tích pha cứng của đá đã đ ợc sấy khô

b Dung trọng của đá:

G 1 - Trọng l ợng thể tích mẫu đá ở điều kiện tự nhiên của đá

V 1 - Thể tích mẫu đá ở điều kiện tự nhiên kể cả lỗ rỗng và khe nứt

max - Độ rỗng lớn nhất của đất đá tơi vụn

min - Độ rỗng nhỏ nhất của đất đá đ ợc đầm chặt ở trạng thái nguyên khối

 - Độ rỗng trung bình của đất đá ở trạng thái tự nhiên

min max

c

k

Độ nở rời của đá (kr).

V1 - Thể tích khối đất đá khai đào

V - Thể tích khối đất đá nguyên khối

V n - thể tích khối đá sau khi đã tr ơng nở;

V 0 - thể tích khối đá ban đầu.

t r

r k V

V k

Khối đá theo nghĩa rộng đ ợc hiểu là một vùng nào đó của vỏ trái đất, đ ợc sử dụng làm nền

móng cho công trinh trên bề mặt trái đất hoặc làm không gian xây dựng, chứa đựng các công trinh trong vỏ trái đất cũng nh khu vực khai thác, bờ dốc hoặc các tảng đá có kích th ớc lớn

t r

r k V

V k

Phân phiến, phay phá và đứt gẫy trong khối đá

ảnh h ởng của phay phá đứt gẫy đến dộ ổn định của đ

định của đ ờng hầm

Nếp lồi

Nếp lõm

14

Tớnh chất õm học của đỏ

Máy biến âm có thể đ ợc làm cho các mục đích sau:

- Các điều kiện đơn trục;

- Các điều kiện 3 trục

Sơ đồ thớ nghiệm và thiết bị xỏc định tớnh chất õm học của mẫu đỏ trong phũng thớ nghiệm

Máy siêu âm của bộ môn XDCTN&Mỏ

s m g

E g

G

) 2 1 )(

1 (

1 2

E g

G

) 1 ( 2

- Vận tốc sóng ngang lan truyền trong khối nguyên có thể đ ợc xác định theo công thức:

Mối liên hệ giua vận tốc sóng dọc với trọng l

ợng thể tích của đá vôi (a), của đất sét (b), và

với độ rỗng của một số đá (c)

ví dụ tốc độ sóng ngang và sóng dọc trong

một số loại khoáng vật đá

a) tr ờng hợp chung; b) thời điểm phản xạ trong của sóng dọc; c) thời điểm phản xạ trong của sóng ngang;  - góc tới và góc phản xạ;  d - góc khúc xạ của sóng dọc; n - góc khúc xạ của sóng ngang

a) bằng ph ơng pháp phản xạ; b) bằng ph ơng pháp phóng xuyên qua; Các ký hiệu: 1 - nguồn phát;

2 - máy thu; 3 - máy ghi dao động; 4 - vật lạ bị phát hiện; 5 - vùng bóng tối âm học

A - điểm phát ra các dao động đàn hồi; C và C’ - Các điểm thu sóng phản xạ;

Tính chất điện từ của đá

Hằng số điện môi

C ờng độ điện tr ờng và grad phụ thuộc vào các tính chất của môi tr ờng chứa điện tr ờng ảnh h ởng của các tính chất của môi tr ờng đ ợc xác định thông qua đinh luật Culông về lực t ơng tác giữa hai điện tích Q1 và Q2 theo công thức:

r - khoảng cách giữa hai điện tích;

a - hệ số kể đến các tính chất điện của môi tr ờng và đ ợc gọi là hằng số điện môi tuyệt đối

độ dẫn điện

Trong phần lớn tr ờng hợp, đá thuộc nhóm các chất nửa dẫn điện, vừa đ ợc đặc tr ng bởi các tính chất của các vật cách

điện cũng nh tính chất của các vật dẫn điện

Q Q F

Ví dụ độ phân cực điện hoá của đá, đ ợc phát hiện theo sự thay đổi dòng điện đi qua mẫu đá bazan có độ ẩm khác nhau:

1  = 0%; 2  = 0,23%; 3  = 0,88%

độ phân cực tổng cộng của đá là mô men l ỡng cực trung binh của một đơn vị thể tích đá, đ ợc biểu thị bằng tổng tất cả các dạng phân cực:

P = Pe + Pa + Pđ + Pm + Pđh

độ thấm điện môi

2 - độ thấm điện môi của pha có hàm l ợng bằng V2;

1 - độ thấm điện môi của môi tr ờng

độ thấm điện môi của đất đá dọc theo mặt phân lớp luôn luôn lớn hơn độ thấm điện môi vuông góc với phân lớp:

1 2 2 1

2

3 1

2 1

2 2 1 1 //

d d

d d

đ ờng cong biểu thị sự thay đổi độ thấm

điện môi theo thể tích t ơng đối của các

khoáng vật dẫn điện

1 Theo công thức Maxoen; 2 Theo

công thức Licteneker; 3 và 4 với các

dạng bao thể ria

Tổn thất điện môi:

đá ở trong một điện tr ờng thay đổi còn đ ợc đặc tr ng bằng một thông số nua, đó là góc tổn thất điện môi  Tổn thất điện môi

đ ợc xác định thông qua tang của góc  bằng tỷ số giua thành phần lực tác dụng Ia và phản tác dụng Ix của dòng điện ở các

đá phân lớp, tg dọc theo mặt lớp cao hơn giá trị tg ngang mặt lớp Đối với vật liệu phân lớp, có thể tính trị số của tg theo các sơ đồ điện t ơng đ ơng có ghép song song hoặc nối tiếp hai chất điện môi:

độ rỗng càng tang thi tg của đá khô càng giảm để tính toán mối quan hệ tg - P, ng ời ta sử dụng công thức tg của vật liệu phân lớp dọc theo mặt lớp (nếu là độ rỗng xuyên suốt và hở):

Sự nhiễm ẩm của đá có thể gây nên sự tăng tổn thất điện môi tg trong phạm vi các tần số thấp:

Sự dẫn điện của đá:

độ dẫn điện song song và vuông góc với mặt phân lớp đá đ ợc xác định theo công thức sau:

Nếu  >> thi tỷ số  /  0 và các công thức trên có dạng:

1 2 2 1

2 2 2 1 1 2

2 2 1 1

2 2 2 1 1 1 //

d d

tg d tg

d tg

d d

tg d tg

d tg

tg P tg

tg

n

n n

1

1

2

0 0

1 2 2 1 1

2 2 1 2

1 //

V V

V V

2 2 // V .

Tính chất nhiệt của đá

Sự chênh lệch nhiệt độ khi dòng nhiệt chuyển từ lớp có độ dẫn nhiệt 1 sang lớp có độ dẫn nhiệt 2

Khi đá hấp thụ nhiệt, động năng của các phân tử và nguyên tử dao động trong chúng luôn luôn tăng Sự tăng động năng đ

ợc xác định bằng sự thay đổi nhiệt độ của đất đá Tần số biên dao động của các phần tử tăng lên khi nhiệt độ của đất đá

tăng Giua nhiệt l ợng Q mà đá hấp thụ đ ợc và nhiệt độ của chúng có mối quan hệ trực tiếp.

dQ = dQ 1 + dQ 2

Trong đó:

dQ 1 - phần nhiệt chuyển sang nội năng của vật thể bị đốt nóng

dQ 2 - phần nhiệt tiêu hao để sinh công bên ngoài (dãn nở vì nhiệt, biến đổi hình dạng, v.v.)

dQ 1 phụ thuộc vào nhiệt dung riêng của phần tử đá và sự chênh lệch nhiệt độ trong đá

dQ 1 = CdT

ở đây:

C - nhiệt dung phân tử của đá khi thể tích không đổi

Trị số C ứng với một đơn vị khối l ợng của đất đá bị đốt nóng, th ờng gọi là nhiệt dung riêng c: Độ dẫn nhiệt của đá  xác

định l ợng nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian, với građien nhiệt độ bằng đơn vị:

độ dẫn nhiệt của đá  xác định l ợng

nhiệt đi qua một đơn vị diện tích trong

một đơn vị thời gian, với građien nhiệt độ bằng đơn vị:

* Các thông số nhiệt của đá:

Các thông số nhiệt của đá đặc tr ng cho

khả năng tích luỹ và dẫn nhiệt của đá cũng nh sự

thay đổi của đá d ới tác động của nhiệt độ

S dt

x dQ



độ dẫn nhiệt của đá đ ợc xác định bởi khả năng dẫn nhiệt của các khoáng vật tạo thành đá Trong tr ờng hợp sắp xếp nối tiếp các khoáng vật tạo thành đá Trong tr ờng hợp sắp xếp nối tiếp các khoáng vật, độ dẫn nhiệt trung bình tb đ ợc xác định theo

ph ơng trình sau:

Nếu giả thiết rằng các khoáng vật đ ợc ghép song song với nhau thì có thể viết

i - độ dẫn nhiệt của khoáng vật mà hàm l ợng tỷ đối của nó trong đá là Vi.

Thực tế, các công thức trên nêu lên giới hạn nhỏ nhất và lớn nhất có thể có về sự thay đổi độ dẫn nhiệt của đá tuỳ theo  của các khoáng vật hợp thành

độ dẫn điện của đá có 2 loại khoáng:

1 và 2 độ dẫn nhiệt của hai khoáng vật hợp thành đá và giả sử 1 > 2;

V 1 - tỷ số thể tích bị chiếm bởi khoáng vật có độ dẫn nhiệt 1

Độ dẫn nhiệt của đá phân lớp thì phụ thuộc vào h ớng chuyển dịch của dòng nhiệt so với sự phân lớp của đá:

Độ dẫn nhiệt khi h ớng chuyển dịch của dòng nhiệt vuông góc và song song với mặt các lớp đá có thể đ ợc xác

định theo công thức sau:

1 2 1 1

1 2 1 2

3

2 3

Mối t ơng quan giua nhiệt dung và mật độ của khoáng vật

Quan hệ giữa độ dẫn nhiệt độ a của đá và độ ẩm

W: 1 Cát thạch anh hạt nhỏ; 2 đất sét; 3 than

Các đ ờng cong tính toán biểu diễn mỗi quan hệ giữa

độ dẫn điện và độ rỗng của đ

Ví dụ quan hệ giua nhiệt độ và độ dẫn nhiệt của đá khi giảm a và tăng nhiệt độ T: 1 đá quaczit hạt rất nhỏ; 2 đá

granite; 3 đá Đôlômít

Tính chất công nghệ của đá

độ cứng của đá:

độ cứng là sực chống lại của vật liệu (hay của một vật thể) đối với tác động cắm vào của một công cụ thí nghiệm ( dụng cụ thí nghiệm hay một vật thể khác)

"độ cứng là công tiêu tán cần thiết (dA) của một diện tích bề mặt, tính cho một đơn vị diện tích của bề mặt

Các ph ơng pháp xác dịnh độ cứng của đá:

Ph ơng pháp vạch của MOHS: độ cứng Mohs

Ph ơng pháp ấn đột của SREYNER: độ cứng Sreyner

Ph ơng pháp búa nẩy SCHMIDT: độ cứng Schmidt

Búa Schmidt và các phụ kiện đi kèm xác định độ bền đá

Một dải lớn số l ợng độ cứng của đá th ờng đ ợc thực hiện trong nhiều lần thử:, cỏc y u t ếu tố ố

ảnh h ởng đến dải các giá trị của búa Schmidt là:

- ảnh h ởng của tính không liên tục (phân cách, nứt nẻ) trong khối đá;

- đặc tính tác động của môi tr ờng;

- sự thay đổi tính chất của đất đá;

- đặc điểm nứt nẻ;

- đ ờng kính, kích cỡ khối đá thử với búa

- Ph ơng pháp búa nẩy SCHMIDT: độ cứng Schmidt

- Ph ơng pháp ấn đột của SREYNER: độ cứng Sreyner

Nguyên tắc đo độ cứng theo Sreyner là ấn một đột kim loại, hình trụ, đáy phẳng, lên bề mặt mẫu đá đã

đựơc cắt, mài phẳng Lực tác dụng đ ợc tăng dần theo các cấp khác nhau và cứ sau mỗi cấp tiến hành đo

độ lún (cắm) sâu của đột với kích th ớc đến 10-3mm Chỉ tiêu thứ nhất đ ợc gọi là độ cứng Sreyner (HS),

định nghĩa theo biểu thức:

HS = Pph / Fđ

trong đó Pph là tải trọng (lực) tại giới hạn phá huỷ và Fđ là diện tích mặt đáy của đột (thông th ờng bằng 2; 3 hoặc 5mm2)

Búa Schmidt của hãng controls ở phòng thí nghiệm bộ môn XDCTN&Mỏ

Khả năng mài mũn của đỏ

Xác định khả nămg mài mòn của đá theo chỉ số mài mòn Cerchar (Cerchar Abrasivity Index-CAI)

Thí nghiệm xác định chỉ số mài mòn Cerchar CAI

bình từ hai phía

Thí nghiệm ch a tốt, phải tiến hành lại

Kết quả thí nghiệm mài mòn và chỉ dẫn xử lý

90 0

d

đĩa cắt của máy khoan hầm TBM

mũi đột

7 kg

Máy thí nghiệm đ ợc cải tiến

Máy thí nghiệm khả năng mài mòn đ ợc cải tiến, ví

dụ so sánh với mài mòn đĩa cắt của máy khoan hầm

Thí nghiệm xác định độ mài mòn đá

Ph ơng pháp thí nghiệm LCPC (Laboratoire des Ponts et Chaussées - theo

tiêu chuẩn AFNOR P18-579)

Máy thí nghiệm LCPC và sơ đồ thí nghiệm

Sức cản cắt của đá

Sức cản cắt của đá, đặc biệt của than, là một chỉ tiêu đ ợc xây dựng để phục vụ việc đánh giá tối

u về khả năng đào, phá đá, than bằng các ph ơng pháp gây tác động "cắt" Sức cản cắt đ ợc định nghĩa theo biểu thức sau;

A = P/T (N/m)

P là lực cắt trung bình và T là độ sâu vết cắt

Độ đập vỡ của đá

Độ khoan của đỏ

Liên quan giữa độ bền nén của đá với các yếu tố

Chu trình khai đào đường hầm bằng khoan nổ mìn

38Mối t ơng quan giua tốc độ khoan

với các tham số cơ lý của đá theo Thuro&Pilinnger.

Độ nổ mìn của đá

Vai trò độ nổ mìn với khai thác mỏ lộ thiên

Vai trò độ nổ mìn với khai thác mỏ hầm lò và xây dựng các công trình ngầm

42

1 Khái niệm đá và khối đá? Phân tích các đặc điểm cấu trúc của đá và khối đá?

2 Các mặt phân cách trong khối đá, vai trò của chúng tới các tính chất vật lý

và cơ học của khối đá?

3 Các chỉ tiêu công nghệ của đá thường được sử dụng và ứng dụng của các chỉ tiêu công nghệ tới lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ?

4 Phân tích ảnh hưởng của yếu tố nứt nẻ tới độ bền cơ học của khối đá?

5 Đặc điểm cấu trúc của khối đá? Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố cấu trúc đến tính ổn định của khối đá?

6 Các loại nước tồn tại trong khối đá, vai trò của chúng đối với tính chất cơ học của khối đá và độ ổn định của các đường lò trong xây dựng công trình ngầm?

7 Khái niệm khe nứt trong khối đá, ảnh hưởng của khe nứt trong khối đá với

sự ổn định khối đá xung quanh các đường lò sau khi khai đào?

8 Các đặc trưng vật lý cơ bản của đá? Vai trò của chúng trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm và mỏ?

Câu hỏi ôn tập về nhà