Nghiên cứ đề xuất phương án sử dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp bê tông phun lưới thép khi thi công lò xuyên vỉa từ v11(46) đến v24 mức 150 mỏ tràng bạch, công ty than uông bí

HOÀNG MẠNH KHI NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NEO CHẤT DẺO CỐT THÉP KẾT HỢP BÊ TÔNG PHUN LƯỚI THÉP KHI THI CÔNG LÒ XUYÊN VỈA... Neo chất dẻo cốt thép kết hợp với bê tông phun lướ

HOÀNG MẠNH KHI

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NEO

CHẤT DẺO CỐT THÉP KẾT HỢP BÊ TÔNG

PHUN LƯỚI THÉP KHI THI CÔNG LÒ XUYÊN VỈA

HOÀNG MẠNH KHI

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG NEO

CHẤT DẺO CỐT THÉP KẾT HỢP BÊ TÔNG

PHUN LƯỚI THÉP KHI THI CÔNG LÒ XUYÊN VỈA

TỪ V11(46) ĐẾN V24 MỨC -150 MỎ TRÀNG BẠCH,

CÔNG TY THAN UÔNG BÍ

Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm

Mã số: 60580204

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Lê Văn Công

HÀ NỘI - 2015

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Tác giả

Hoàng Mạnh Khi

Trang

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NEO 5

1.1 Giới thiệu chung về neo 5

1.2 Phân loại neo và các phụ kiện của neo 6

1.2.1 Neo cơ học 7

1.2.2 Các loại neo dính kết 10

1.2.3 Neo kết hợp 15

1.2.4 Các phụ kiện đi kèm của neo 16

1.3 Tổng quan về lưới thép và bê tông phun 17

1.4 Nhận xét 20

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NEO 21

2.1 Nguyên lý neo khối đá 21

2.1.1 Kết cấu chống dạng vỏ mỏng đơn giản 21

2.1.2 Treo chốt các lớp đá vách mỏng, phá hủy vào lớp đá liền khối 21

2.1.3 Lý thuyết tạo dầm nhận tải 23

2.1.4 Liên kết khối đá bị phá hủy hay phân khối mạnh 24

2.2 Các phương pháp thiết kế neo 26

2.2.1 Phương pháp giải tích 26

2.2.2 Tính toán thiết kế neo theo thí nghiệm tại hiện trường 30

2.2.3 Thiết kế neo bằng phương pháp mô hình vật lý 31

2.2.4 Thiết kế neo theo phương pháp phân loại khối đá và kinh nghiệm 32

nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam-Vinacomin 33

2.3.1 Tính hệ số ổn định và chiều cao vòm sụt lở của đất đá quanh lò 33

2.3.2 Các thông số của vì neo 34

2.3.3 Tính khả năng chịu lực của thanh neo 36

CHƯƠNG 3: THỰC TRẠNG THI CÔNG TẠI LÒ XUYÊN VỈA TỪ V.11 ĐẾN V.24 38

3.1 Công tác phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn 38

3.2 Công tác xúc bốc vận chuyển 44

3.3 Công tác chống lò 44

3.4 Công tác thông gió, thoát nước, cung cấp điện, khí nén 47

3.5 Đánh giá chung 47

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬ DỤNG NEO CHẤT DẺO CỐT THÉP KẾT HỢP LƯỚI THÉP VÀ BÊ TÔNG PHUN TẠI LÒ XUYÊN VỈA TỪ V11(46) ĐẾN V24 49

4.1 Các tài liệu cơ sở để lập giải pháp 49

4.2 Đặc điểm địa chất công trình, địa chất thủy văn 49

4.2.1 Đặc điểm địa chất thủy văn 49

4.2.2 Đặc điểm địa chất công trình 53

4.2.3 Đặc điểm địa chất của Lò xuyên vỉa từ V11(46) đến V24 54

4.2.4 Đánh giá chung 56

4.3 Đánh giá mức độ ổn định của đất đá 57

4.4 Phân loại chất lượng khối đá 60

4.4.1 Phân loại chất lượng khối đá theo Deere-hay phương pháp RQD 60

4.4.2 Chỉ tiêu phân loại khối đá theo Bieniawski - phương pháp RMR 62

4.5 Tính toán hộ chiếu chống neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun lưới thép 68

4.5.1 Lựa chọn neo chất dẻo cốt thép 68

4.5.3 Xác định các thông số hộ chiếu neo 71

4.5.4 Tính toán bê tông phun 73

CHƯƠNG 5: TỔ CHỨC THI CÔNG ĐÀO CHỐNG LÒ BẰNG VÌ NEO CHẤT DẺO CỐT THÉP KẾT HỢP BÊ TÔNG PHUN LƯỚI THÉP TẠI LÒ XUYÊN VỈA TỪ V11(46) ĐẾN V24 77

5.1 Công tác tính toán thiết kế hộ chiếu khoan nổ mìn 77

5.1.1 Thuốc nổ và phương tiện nổ 77

5.1.2 Chỉ tiêu thuốc nổ 77

5.1.3 Số lượng lỗ mìn trên gương 78

5.1.4 Chiều sâu lỗ mìn 79

5.1.5 Thiết bị khoan 79

5.2 Công tác xúc bốc vận chuyển 82

5.3 Dây chuyền thiết bị khoan lắp đặt neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun 83

5.4 Quy trình lắp đặt neo chất dẻo cốt thép kết hợp bê tông phun 86

5.5 Theo dõi đánh giá sự ổn định của đường lò 94

5.5.1 Công tác lấy mẫu, xác định các tham số phân loại đá 94

5.5.2 Đo dịch động đất đá nóc, khoan đánh giá RQD 95

5.6 Biện pháp kỹ thuật an toàn 99

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ 104

6.1 Các căn cứ tính toán hiệu quả kinh tế 104

6.1.1 Cơ sở tính toán 104

6.1.2 Các định mức và đơn giá sử dụng 104

6.2 Các bảng biểu và kết quả tính toán 105

6.3 Nhận xét 107

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO

TT Tên bảng Trang

Bảng 2.1 Hệ số giảm yếu cấu trúc 34

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của máy khoan YT-28 42

Bảng 3.2 Bảng chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật chống bằng vì sắt 46

Bảng 4.1 Tổng hợp một số chỉ tiêu cơ bản đất đá 54

Bảng 4.2 Thống kế các lớp đất đá đường lò xuyên vỉa từ V11(46) đến V24 đào qua 55

Bảng 4.3 Hệ số ổn định của đường lò xuyên vỉa từ V11(46) đến V24 59

Bảng 4.4 Phân loại mức độ ổn định của đường lò theo VNIMI 59

Bảng 4.5 Đánh giá chỉ tiêu RQD của Terzaghi 61

Bảng 4.6 Phân loại khối đá theo RQD 61

Bảng 4.7 Xác định lượng điểm tiêu chuẩn theo độ bền nén đơn trục của đất đá 63

Bảng 4.8 Xác định lượng điểm chuẩn theo RQD 64

Bảng 4.9 Xác định lượng điểm chuẩn theo khoảng cách giữa các khe nứt 64

Bảng 4.10 Xác định lượng điểm chuẩn theo đặc điểm nứt nẻ 65

Bảng 4.11 Xác định lượng điểm tiêu chuẩn theo yếu tố của nước ngầm 65

Bảng 4.12 Xác định lượng điểm tiêu chuẩn theo yếu tố ảnh hưởng của phương khe nứt 66

Bảng 4.13 Phân loại chất lượng khối đá theo chỉ tiêu RMR 67

Bảng 4.14 Tốc độ đông kết của các loại chất dẻo phổ biến 69

Bảng 4.15 Lực bám dính của neo chất dẻo cốt thép 69

Bảng 4.16 Kết quả tính chiều dài thanh neo 72

Bảng 4.17 Kết quả tính mật độ và khoảng cách giữu các vì neo 73

Bảng 4.18 Tính toán bê tông phun 74

Bảng 4.19 Các thông số kỹ thuật của vì neo chất dẻo cốt thép và lưới thép 75

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật của xe khoan Tamrock 79

Bảng 5.2 Bảng chỉ tiêu kỹ thuật khoan nổ mìn 81

Bảng 5.3 Đặc tính kỹ thuật của máy xúc ZCY-60 82

Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật của máy khoan MQT 120 84

Bảng 5.6 Thông số kỹ thuật của máy phun bê tông PZ-5B 85

Bảng 5.7 Cập nhật số liệu đo dịch động đường lò 98

Bảng 6.1 Hiệu quả kinh tế 105

Bảng 6.2 Dự toán tổng hợp 106

Bảng 6.3 Dự toán tổng hợp 106

TT Tên bảng Trang

Hình 1.1 Neo cơ học cánh xòe 7

Hình 1.2 Neo ống chẻ (SS-39/SS-46) 9

Hình 1.3 Neo ống phồng 10

Hình 1.4 Cấu tạo một lỗ neo vữa xi măng cốt thép 11

Hình 1.5 Thỏi Chất dẻo CK 2350 12

Hình 1.6 Cấu tạo một lỗ neo chất dẻo cốt thép 13

Hình 1.7 Cấu tạo của neo cáp 14

Hình 1.8 Cấu tạo một lỗ neo cơ học kết hợp với neo bê tông cốt thép 16

Hình 1.9 Một số loại tấm đệm thông thường 17

Hình 1.10 Lưới thép liên kết kiểu mắt xích 18

Hình 1.11 Lưới thép hàn 19

Hình 2.1 Sơ đồ tạo lớp vỏ mỏng 22

Hình 2.2 Sơ đồ lý thuyết treo chốt 22

Hình 2.3 Sơ đồ tính theo lý thuyết dầm nhận tải 24

Hình 2.4 Hiệu ứng liên kết (neo chốt) 24

Hình 2.5 Nguyên lý xếp chồng các vùng được nén ép do neo bị kéo căng 25

Hình 2.6 Các dạng liên kết vùng khối đá nứt nẻ, phá hủy tạo thành vòm nhận tải 25

Hình 2.7 Ví dụ các dạng phá hủy và sơ đồ cắm neo 27

Hình 2.8 Ví dụ sơ đồ tính cho toàn bộ hệ thống neo 28

Hình 2.9 Toán đồ phân tích hiệu ứng dầm nhận tải theo Panek 29

Hình 3.1 Hộ chiếu khoan nổ mìn tại lò XV từ V11(46) đến V24 41

Hình 3.2 Máy khoan YT-28 42

Hình 3.3 Hộ chiếu chống lò xuyên vỉa từ V11(46) đến V24 45

Hình 3.4 Biểu đồ tổ chức chu kỳ lò xuyên vỉa từ V11(46) đến V24 45

Hình 4.1 Sơ đồ lựa chọn kết cấu chống dựa vào RQD theo Merrit 62

Hình 4.2 Sơ đồ lựa chọn kết cấu chống theo Cummings & Kendorski 1982 67

Hình 4.3 Hộ chiều chống vì neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun 76

Hình 5.2 Cấu trúc lỗ mìn trên gương 81

Hình 5.3 Máy xúc ZCY-60 82

Hình 5.4 Máy khoan neo nóc MQT120 và đầu nắp cần khoan 83

Hình 5.5 Thiết bị lắp neo hông MQS-45 84

Hình 5.6 Máy phun bê tông PZ-5B 86

Hình 5.7 Sơ đồ bố trí các điểm đo biến dạng vỏ chống bằng thước đo 95

Hình 5.8 Sơ đồ đo dịch động nóc lò bằng trạm chỉ thị màu 98

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc sử dụng neo chất dẻo cốt thép trong xây dựng công trình ngầm và

mỏ là một xu hướng kỹ thuật và công nghệ tiến bộ của các nước có công nghệ than hầm lò phát triển Mặc dù neo chất dẻo cốt thép ra đời muộn hơn các loại neo khác nhưng do những ưu điểm về mặt kỹ thuật kinh tế nên neo chất dẻo cốt thép chiếm được vị trí quan trọng trong việc chống giữ các đường lò chuẩn bị và các đường lò xây dựng cơ bản Từ những năm 50 của thế kỷ trước, ở những nước có nền công nghiệp mỏ phát triển nước Mỹ, Pháp, Liên

Xô (cũ), Đức, Ba Lan, Trung Quốc đã đưa neo dính kết vào sử dụng

Neo chất dẻo cốt thép kết hợp với bê tông phun lưới thép là loại kết cấu

và vật liệu chống kết hợp hài hòa giữa khả năng mang tải của khối đá nóc, hông bao quanh đường lò và tăng khả năng tự mang tải của khối đá và khả năng chống đỡ thụ động của kết cấu chống (vỏ chống bê tông phun) Việc sử dụng neo chất dẻo cốt thép trong xây dựng công trình ngầm và mỏ là một xu hướng kỹ thuật và công nghệ tiến bộ của các nước có công nghệ than hầm lò phát triển

Trong những năm qua Tập đoàn Công nghiệp than khoáng sản Việt Nam cũng đã đẩy mạnh đưa công nghệ chống lò bằng vì chất dẻo cốt thép kết hợp với bê tông phun, bê tông phun độc lập và đã mang lại rất nhiều hiệu quả tích cực cụ thể ở các Công ty như Vàng Danh, Hà Lầm, Khe Chàm mỗi năm

có hàng nghìn mét lò đã được thi công bằng công nghệ trên

Tại khu Tràng Khê của Công ty than Uông Bí vì neo chất dẻo cốt thép kết hợp bê tông phun, bê tông phun độc lập đã được sử dụng rộng rãi và thành công tại nhiều đường lò đá mức +30 như: Đường lò dọc vỉa 9b mức +30, dọc vỉa đá vận tải mức +30, lò xuyên vỉa 9b sang vỉa 12 với khối lượng thi công được hàng nghìn mét lò So với các công nghệ đào lò sử dụng các khung chống truyền thống công nghệ này có nhiều ưu điểm hơn hẳn đó là: Phát huy

được khả năng tự mang tải của khối đá, dễ thi công, dễ vận chuyển, giá thành mét lò đào thấp hơn, nâng cao tốc độ đào lò và phù hợp với công tác cơ giới hoá đào chống lò, giảm chi phí sức lao động, đặc biệt khi xuống sâu

Chất dẻo là một loại dính kết vô cơ có thể dùng để thay thế các loại chất dính kết khác trong công tác chống hầm lò Trước khi chất dẻo xuất hiện, liên kết này thường được sử dụng là cơ học, ma sát hay bê tông Bê tông đã được sử dụng rất hữu hiệu trong vì neo bê tông cốt thép để tạo ra dạng vì chống vừa đơn giản vừa kinh tế, sau một thời gian sử dụng, thấy rằng nó rất thích hợp trong lò

đá và lại rẻ tiền nhưng nhược điểm cần khắc phục là thời gian ninh kết của vữa

bê tông và cách thi công lắp đặt, những đặc điểm này không phù hợp với các đường lò xuất hiện áp lực sớm và tạo dạng vỏ chống tích cực Công nghệ chế tạo chất dẻo ngày nay cho phép sản xuất được các loại chất dẻo có tính năng tương tự như bê tông hoặc cao hơn nhưng lại khắc phục được các nhược điểm của bê tông, dựa vào đặc điểm này, các nhà sản xuất vật liệu xây dựng trên thế giới đã sản xuất được các thỏi chất dẻo đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật và sản xuất, tạo ra được vì neo chất dẻo cốt thép

Thỏi chất dẻo ban đầu được nhập khẩu từ Trung quốc, nhưng do các thủ tục và thời hạn bảo quản có hạn nên gặp rất nhiều vướng mắc trong quá trình triển khai áp dụng vì neo chất dẻo Viện khoa học công nghệ mỏ hiện đã đầu

tư, dây chuyền công nghệ sản xuất thỏi chất dẻo, giải quyết được các vấn đề về cung cấp tại chỗ kịp thời vật liệu cho công tác chống lò trong các mỏ than hầm

lò thuộc tập đoàn CN than - KS Việt Nam, cải thiện điều kiện làm việc cho người lao động, giảm rủi ro trong quá trình đào lò, hạ được giá thành đào lò, góp phần rút ngắn thời gian đưa các khoáng sàng vào khai thác cho các mỏ và tạo lợi nhuận cho doanh nghiệp sản xuất

Chính vì vậy, việc nghiên cứu đề xuất phương án sử dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp bê tông phun lưới thép khi thi công Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí nhằm nâng cao tốc

độ đào lò, nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành đào lò là việc làm

cần thiết và cấp bách hiện nay

2 Mục đích nghiên cứu đề tài

Nghiên cứu đề xuất phương án sử dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp

bê tông phun lưới thép khi thi công Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức

-150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí nhằm nâng cao tốc độ đào lò, nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành đào lò

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí nhằm đưa giải pháp chống neo chất dẻo cốt thép kết hợp với bê tông phun lưới thép

Phạm vi nghiên cứu:

Việc nghiên cứu được tiến hành tại Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về neo tại các đường lò của Việt Nam và trên thế giới

- Nghiên cứu tổng quan về các phương pháp tính toán, thiết kế neo

- Đưa ra giải pháp sử dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và

bê tông phun tại Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí

- Phân tích, đánh giá thực trạng sử dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun tại Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150

mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí

- Tính toán hiệu quả kinh tế so sánh việc chống Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí bằng vì neo chất dẻo cốt thép kết hợp với bê tông phun lưới thép

- Kiến nghị các giải pháp nâng nhằm áp dụng neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun tại Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -

150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí

5 Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp:

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm;

- Thu thập tài liệu, phân tích, đánh giá và tính toán

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học:

Đưa ra giải pháp nhằm sử dụng có hiệu quả hơn neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun tại Lò xuyên vỉa từ V.11(46) đến V.24 mức -150 mỏ Tràng Bạch Công ty than Uông Bí từ đó áp dụng cho các công trình khác tại vùng than Quảng Ninh

Ý nghĩa thực tiễn:

Từ các kết quả nghiên cứu, các đơn vị sản xuất than có thể đưa ra các giải pháp thiết kế thi công neo chất dẻo cốt thép kết hợp lưới thép và bê tông phun hoàn thiện hơn, hợp lý hơn, góp phần nâng cao hiệu quả thi công, giảm chi phí giá thành xây dựng đường lò

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 6 chương, phần kết luận và kiến nghị, các bảng và hình vẽ Được trình bày trong 109 trang khổ giấy A4, với 32 bảng và

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NEO 1.1 Giới thiệu chung về neo

Khi khai đào công trình ngầm thì đất đá xung quanh biên đào có xu thế dịch chuyển vào bên trong khoảng trống công trình ngầm, sự biến dạng hoặc các yếu tố sập đổ khối đất đá bao quanh công trình ngầm phụ thuộc vào trường ứng suất nguyên sinh, độ sâu bố trí công trình, đặc tính đất đá, cấu trúc địa chất, địa tầng, phương pháp khai đào, hình dạng tiết diện mặt cắt ngang công trình, thời gian ổn định không chống của công trình từ đó các nhà khoa học đã cố gắng nghiên cứu, sáng tạo, phát triển, lựa chọn kết cấu chống hợp

lý để nâng cao sự ổn định cho công trình ngầm

Cách thông thường để giữ ổn định công trình ngầm là lắp đặt kết cấu chống giữ Kết cấu chống giữ bằng neo là loại hình kết cấu chống giữ chủ động (coi khối đá là vật liệu tham gia chống giữ, cùng với neo tạo thành hệ kết cấu neo - khối đá)

Neo làm kết cấu chống giữ công trình ngầm đã có lịch sử hình thành và phát triển lâu dài từ đầu thế kỷ XIX đến nay, kết cấu chống neo đã trở thành kết cấu chống giữ khá phổ biến cho các công trình ngầm dân dụng và các đường lò khai thác khoáng sản

Từ những năm 50 của thế kỷ trước, ở những nước có nền công nghiệp

mỏ phát triển như Mỹ, Pháp, Liên Xô (cũ), Đức, Ba Lan, Trung Quốc đã đưa neo dính kết vào sử dụng Theo thống kê sơ bộ tại thời điểm những năm 90 của thế kỷ trước, mỗi năm ở Mỹ sử dụng tới 20 triệu neo chất dẻo cốt thép Liên Xô khoảng 20 triệu, ở Đức khoảng 1,5 triệu Sau những năm này, sự phát triển trong việc áp dụng neo chất dẻo cốt thép còn mạnh mẽ hơn và neo chất dẻo đã trở thành một kết cấu chống rất phổ biến trong công nghiệp mỏ và công trình ngầm [9]

Tại Việt Nam, năm 1991 Bộ Năng lượng giao cho Viện nghiên cứu khoa học công nghệ mỏ lập luận chứng nghiên cứu khả năng sử dụng neo chất dẻo cốt thép cho các mỏ hầm lò Việt Nam Đến năm 1993 và 1994 Bộ Năng lượng mới tìm được nguồn tài trợ để áp dụng thử nghiệm chống lò bằng neo chất dẻo cốt thép từ các cơ quan và các công ty của Australia (Aidab và các công ty: Acirl, Cram và Ani - Arnall) Năm 1995 neo chất dẻo đã được ứng dụng chống giữ các đường lò đá và lò than đầu tiên tại Công ty than Uông Bí, Công ty than Khe Chàm (Dự án Australia tài trợ) Năm 2001 neo chất dẻo cốt thép được ứng dụng vào việc chống giữ các đường lò dọc vỉa than tại Công ty

than Dương Huy (Dự án JCOAL Nhật Bản tài trợ)[2]

Mặc dù được áp dụng vào chống giữ một số đường lò đào trong than và

đá của các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh từ khá sớm, nhưng từ đó đến nay việc áp dụng này không tiến triển do gặp nhiều khó khăn về điều kiện địa chất phức tạp, vật liệu nhập ngoại nên giá thành cao, các trang thiết bị thi công như máy khoan còn chưa phù hợp với điều kiện đá rắn cứng, ngoài ra còn do trình

độ và am hiểu về quy trình thi công neo chất dẻo cốt thép còn hạn chế Hiện nay, neo chất dẻo cốt thép đang được nghiên cứu và sẽ áp dụng nhiều tại các

mỏ vùng Quảng Ninh trong thời gian tới

1.2 Phân loại neo và các phụ kiện của neo

Ngày nay có rất nhiều loại neo khác nhau được sử dụng rộng khắp thế giới phục vụ những yêu cầu và mục đích riêng, số lượng neo được sử dụng ngày càng nhiều và đa dạng về chủng loại Có nhiều cách phân loại neo, tuy nhiên dựa vào đặc điểm liên kết giữa neo và khối đá có thể phân ra làm ba nhóm như sau:

+ Neo cơ học, bao gồm neo đầu nở và neo ma sát (neo ống chẻ, neo ống phồng, );

+ Neo dính kết, với các chất dính kết là bê tông (vữa xi măng) và chất dẻo; + Neo kết hợp, đặc trưng bằng sự kết hợp hai loại neo trên

1.2.1 Neo cơ học

Neo cơ học là loại neo liên kết với khối đá thông qua các lực cơ học, trong nhóm neo cơ học bao gồm neo đầu nở, neo ma sát Neo cơ học đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành mỏ, đặc biệt trong các đường lò khai thác than

Hình 1.1 Neo cơ học cánh xòe

Những ưu điểm và nhược điểm của neo đầu nở:

Ưu điểm:

Giá thành tương đối rẻ, thi công dễ dàng không yêu cầu thiết bị đồng

bộ, phát huy khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt Do khi lắp đặt sử dụng biện pháp xoay thanh neo nên tại đầu neo và thân neo tồn tại những lực xoắn

và lực kéo tương ứng như những lực tạo ra ứng suất trước Khi sử dụng trong

đá cứng, neo có khả năng mang tải cao

Nhược điểm:

Bị hạn chế sử dụng trong điều kiện đá có độ cứng trung bình và rất cứng Khó có khả năng lắp đặt chính xác Phải kiểm tra và đánh giá sự phù hợp của quá trình kéo thanh neo khi lắp đặt Neo có thể bị mất khả năng mang tải khi chịu tác động của sóng nổ mìn hoặc khi phần đất đá áp sát tấm đệm neo bị phá hủy do lực tác dụng quá lớn Chỉ sử dụng làm kết cấu chống tạm trừ khi được bảo vệ chống ăn mòn và được lấp nhét bằng các chất dính kết

*Neo ma sát:

Có hai loại neo ma sát điển hình bao gồm: neo ống chẻ và neo ống phồng Đối với hai loại trên, sức kháng ma sát chống lại hiện tượng trượt được tạo ra nhờ áp lực hướng kính tác dụng từ neo lên thành lỗ khoan suốt chiều dài của neo

Neo ống chẻ (split-set-anchor) là phát minh của hãng Ingersoll-Rand

của Mỹ vào năm 1973 và được đưa vào sử dụng vào mùa thu năm 1976 [6]

Neo ống chẻ được chế tạo có đường kính lớn hơn đường kính lỗ khoan (đưa được vào lỗ khoan nhờ có đầu neo hình côn) Do đó, toàn bộ thân neo bị nén

ép và tạo phản lực tác dụng lên thành lỗ khoan Ma sát giữa thành lỗ khoan và thân neo tạo nên lực bám dính Lực này tương ứng với lực kéo cần thiết dọc trục thân neo để kéo tụt neo ra khỏi lỗ khoan Trên hình 1.2 là ví dụ về neo ống chẻ (SS-39/SS-46)

Neo ống chẻ có ưu điểm và nhược điểm như sau:

Hình 1.2 Neo ống chẻ (SS-39/SS-46)

Ưu điểm:

Cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo Có khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt Không cần thêm thiết bị nào khác ngoài một giá khoan hoặc một cần khoan để lắp đặt Dễ dàng sử dụng kết hợp với lưới thép

Nhược điểm:

Đường kính lỗ khoan là yếu tố ảnh hưởng quyết định để ngăn chặn sự phá hủy xảy ra trong quá trình lắp đặt cũng như tạo ra lực ép giữ lên thành lỗ khoan Khó có thể lắp đặt khi neo có chiều dài lớn Không thể sử dụng để làm kết cấu chống cần có thời gian tồn tại lớn (kết cấu chống cố định) trừ khi có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn, ống thép dễ bị ăn mòn từ cả bên trong và bên ngoài của ống

Neo ống phồng (swellex) là sản phẩm thuộc bản quyền của hãng Atlas Copco AB, Thụy Điển[6], được phát triển vào những năm 1977 đến 1982 Trên hình 1.3 là ví dụ về neo ma sát - neo ống phồng

Nhược điểm:

Giá thành tương đối cao Khi sử dụng để làm kết cấu chống cố định đòi hỏi phải có biện pháp bảo vệ chống ăn mòn Cần một máy bơm nước áp lực cao khoảng 24 đến 30Mpa để bơm phồng thân neo để gây ra tác động nén ép chặt khối đất đá xung quanh với bề mặt của thân neo

1.2.2 Các loại neo dính kết

Neo dính kết đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới từ 50 năm trước đây trong cả lĩnh vực khai thác mỏ và các ngành xây dựng khác Hầu hết các loại kết cấu neo dính kết đều bao gồm các thanh cốt neo cấu tạo từ các thanh composite hoặc những thanh thép trơn, thép gân được dính kết trên suốt chiều

dài bằng chất dính kết Chất dính kết thông thường sử dụng là vữa xi măng hoặc chất dẻo Neo dính kết có thể sử dụng để làm kết cấu chống tạm cũng như kết cấu chống cố định trong nhiều điều kiện khác nhau

Theo sự phát triển của thời gian cho đến nay đã có rất nhiều các loại neo dính kết khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng cũng như yêu cầu về chất lượng có thể kể đến như: neo bê tông cốt thép, neo chất dẻo cốt thép, neo cáp 1.2.2.1 Neo bê tông cốt thép

Neo bê tông cốt thép có thanh cốt neo thường là thép gân, chất dính chất kết giữa thanh neo với đất đá là vữa xi măng được dính kết trên suốt chiều dài thân neo Kết cấu neo bê tông cốt thép có thể được sử dụng để chống tạm hoặc chống cố định trong những điều kiện khối đá khác nhau Hình 1.4 là ví dụ về cấu tạo một lỗ neo vữa xi măng cốt thép

Hình 1.4 Cấu tạo một lỗ neo vữa xi măng cốt thép

Neo bê tông cốt thép có những ưu điểm và nhược điểm cơ bản sau:

Ưu điểm:

- Là một kết cấu có khả năng gia cố khối đá có hiệu quả và bền vững

- Hệ thống gia cố bằng neo bê tông cốt thép có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng

Nhược điểm:

- Do sử dụng vữa xi măng làm chất dính kết nên neo bê tông cốt thép chỉ có khả năng chịu tải trọng tối đa theo thiết kế sau vài ngày (nhanh nhất là sau 8 đến 12 tiếng mới bắt đầu chịu tải được)

- Chất lượng của vữa xi măng phụ thuộc vào tỉ lệ phụ gia, tỉ lệ nước và

xi măng cũng như công tác bơm phụt vữa, công tác cắm neo, do đó khó có thể kiểm tra và duy trì chất lượng ổn định

- Không thể sử dụng trong vùng có dòng nước chảy trong lỗ khoan 1.2.2.2 Neo chất dẻo cốt thép

Neo chất dẻo cốt thép được sử dụng hiện nay ở Việt Nam thường có thanh cốt neo chế tạo từ thép tròn gân, với các phụ kiện đi kèm gồm long đen, tấm đệm và đai ốc chịu lực Chất dính kết là chất dẻo được đóng thành từng thỏi với chiều dài và đường kính nhất định Vật liệu này có tác dụng dính kết với đất đá và thanh neo, cấu tạo gồm hai phần là chất nhựa dẻo và chất xúc tác được đóng gói thành từng thỏi Tùy theo hãng sản xuất khác nhau mà chất cũng như hàm lượng khác nhau Trên hình 1.5 là hình ảnh về chất dẻo CK

2350 (sản xuất tại Trung Quốc) với đường kính φ23, dài 500mm

Hình 1.5 Thỏi Chất dẻo CK 2350

Neo chất dẻo cốt thép có thể sử dụng để làm kết cấu chống tạm cũng như kết cấu chống cố định trong điều kiện khác nhau Một số năm gần đây chất dính kết là chất dẻo đã được sử dụng nhiều hơn chất dính kết là vữa xi măng

Neo chất dẻo cốt thép có những ưu điểm và nhược điểm chính như sau:

Ưu điểm:

- Liên kết bằng chất dẻo có độ cứng lớn hơn so với liên kết bằng xi măng và ít có các vết nứt cục bộ cũng như những phá huỷ liên kết tại xung quanh các khe nứt, kết quả là tổng biến dạng của neo tương đối nhỏ[9]

- Là kết cấu chống có hiệu quả cao tương ứng với tuổi thọ của công trình Đáp ứng đầy đủ hạn chế của neo bê tông cốt thép

- Neo chất dẻo cốt thép có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng và có khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt (thời gian đông kết của chất dẻo rất ngắn từ 5 giây đến 15 phút)

- Neo chất dẻo cốt thép có khả năng làm việc lâu dài trong môi trường

ăn mòn của nước mỏ, do vậy cốt thép được bảo vệ chống ăn mòn tốt hơn

1.2.2.3 Neo cáp

Neo cáp dính kết đã được sử dụng từ khoảng thời gian 20 đến 30 năm trước đây để gia cố cho các công trình nằm trong đá Với cùng mục đích đó, neo cáp đã được sử dụng trong ngành công nghiệp mỏ bắt đầu từ khoảng 15 đến 20 năm trước đây Neo cáp được định nghĩa là một kết cấu gia cố, thông thường được tạo ra từ các sợi thép bện lại, lắp đặt có ứng suất hoặc không ứng suất trước và được dính kết bằng vữa xi măng Neo cáp gia cố khối đá có thể

có chiều dài bất kỳ

Sử dụng neo cáp trong xây dựng mỏ nói chung khác so với khi sử dụng trong xây dựng dân dụng Trong xây dựng mỏ, chủ yếu sử dụng loại neo cáp không ứng suất trước dính kết trên toàn bộ chiều dài neo bằng vữa và nói chung chỉ dùng làm vỏ chống tạm thời Trong khi đó, đối với xây dựng dân dụng, thường sử dụng loại neo cáp ứng suất trước làm thành kết cấu chống cố định Hầu hết tất cả các loại neo cáp đều sử dụng vữa xi măng làm chất dính kết Trên hình 1.7 là ví dụ về cấu tạo của neo cáp

Hình 1.7 Cấu tạo của neo cáp

Neo cáp có những ưu điểm và nhược điểm như sau:

Ưu điểm:

Tạo ra kết cấu chống có tính hiệu quả cao, tuổi thọ lâu bền Loại neo này có khả năng mang tải cao trong điều kiện đá cứng Neo cáp có thể lắp đặt với chiều dài bất kỳ trong các đường hầm gần mặt đất

Nhược điểm:

Khi sử dụng vữa xi măng, khả năng mang tải tối đa của neo chỉ đạt được sau một thời gian nhất định Khó kiểm tra chất lượng của vữa và quá trình phụt vữa cũng như duy trì chất lượng công việc ổn định Chỉ có thể kéo gây ứng suất trước trong neo nếu sử dụng quy trình lắp đặt đặc biệt

1.2.3 Neo kết hợp

Có thể tăng cường ưu điểm, hạn chế nhược điểm và phù hợp với nhiều loại điều kiện đất đá phức tạp khác nhau bằng việc kết hợp các loại neo với nhau Ví dụ, khi kết hợp hai loại neo là neo cơ học cánh xòe và neo bê tông cốt thép ta có thể tận dụng ưu điểm của neo cơ học cánh xòe là có khả năng mang tải ngay sau khi lắp đặt cũng vừa khắc phục nhược điểm của neo bê tông cốt thép là phát huy khả năng chịu lực sau vài ngày, ngược lại chất dính kết là vữa xi măng trong neo kết hợp ngoài việc góp phần gia cố khối đá còn đóng vai trò bảo vệ thanh cốt neo của neo cơ học cánh xòe khỏi tác động xâm thực của môi trường (đây cũng là nhược điểm lớn nhất của neo cơ học cánh xòe) Như vậy, neo kết hợp giữa neo cơ học cánh xòe và neo bê tông cốt thép

có thể làm việc trong điều kiện phức tạp hơn mà một loại neo đơn lẻ không đảm bảo yêu cầu (môi trường khối đá chứa nước, yêu cầu khả năng chịu lực sớm, kéo dài thời gian tồn tại)

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng như yêu cầu cao của các điều kiện thực tế, neo kết hợp đang là một hướng phát triển mới trong lĩnh vực ứng dụng địa kỹ thuật Hình 1.8 là cấu tạo một lỗ neo cơ học kết hợp

với neo bê tông cốt thép

Hình 1.8 Cấu tạo một lỗ neo cơ học kết hợp với neo bê tông cốt thép

1.2.4 Các phụ kiện đi kèm của neo

Tấm đệm được dùng để nhằm mục đích phân bố đều tải trọng tác dụng tại đuôi neo lên bề mặt khối đá Đối với mục đích duy trì trạng thái đàn hồi và khả năng mang tải của neo, việc lựa chọn loại tấm đệm hợp lý đóng vai trò rất quan trọng Thông thường người ta sử dụng 2 loại tấm đệm dạng phẳng và dạng cầu Các tấm đệm phẳng có thể sử dụng khi bề mặt khối đá nhẵn và các thanh neo được lắp đặt vuông góc với bề mặt của khối đá Tuy nhiên trong thực tế, bề mặt nói chung thường lồi lõm và các thanh neo cắm xiên so với bề mặt đá dẫn tới gây tải trọng tác dụng không có lợi lên đầu neo Nếu sử dụng tấm đệm dạng nửa hình cầu kết hợp với bu lông thì các thanh neo có thể lắp đặt nghiêng một góc nào đó so với bề mặt của khối đá mà không gây ứng suất kéo bất lợi tác dụng lên đầu neo Một ưu điểm khác nữa của tấm đệm nửa hình cầu là các bulông neo luôn nằm sát với tấm đệm, điều này truyền ứng suất kéo có lợi hơn lên thanh neo

Khi sử dụng các tấm đệm phẳng, chúng chỉ có tác dụng gia cố tại một

số ít những điểm chịu ứng suất lớn trên bề mặt khối đá Khi chịu trạng thái ứng suất đủ lớn, đá có thể bị phá hủy dẫn tới làm giảm lực kéo tác dụng trong thân neo Hay nói cách khác, hiệu quả gia cố khối đá của neo cũng giảm Nếu chiều sâu phá hủy bề mặt khối đá trong khu vực lắp tấm đệm bằng 1-2 mm thì

có thể giảm lực kéo trong neo từ 20 - 70 % do đó phải tiến hành kéo lại neo

Sự biến dạng của tấm đệm sẽ giảm đáng kể khi sử dụng tấm đệm hình vòm hoặc tấm đệm lồi hình tam giác do các loại này có diện tích chống đỡ (diện tích truyền lực) lớn hơn Các loại tấm đệm này cũng giúp cho kết cấu chống neo có tính linh hoạt

Hình 1.9 Một số loại tấm đệm thông thường 1.3 Tổng quan về lưới thép và bê tông phun

Để tăng cường khả năng gia cố khối đá khi sử dụng neo có thể kết hợp thêm việc sử dụng lưới thép và bê tông phun

* Lưới thép

Có hai loại lưới thép thông thường được sử dụng kết hợp với neo đó là lưới thép liên kết kiểu mắt xích (chainlink) và lưới thép hàn

Lưới thép liên kết kiểu mắt xích có đặc tính rất linh hoạt và khoẻ Chúng thông thường được lắp đặt ngay sát gương đào để ngăn hiện tượng đá rơi hoặc tách vỡ các phiến đá mảnh tránh nguy hiểm cho người và thiết bị Lưới thép được liên kết với bề mặt đá nhờ các chốt hoặc neo đặt cách nhau từ 1-1,5m Các thanh chốt hay neo này có thể được bố trí tại khoảng giữa các kết cấu chống (vì thép v v ) hoặc giữa các neo gia cố đá Tuỳ thuộc vào khoảng cách giữa các điểm chốt giữ lưới, khả năng mang tải của lớp lưới thép kiểu mắt xích có thể thay đổi Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng với khoảng cách giữa các điểm chốt giữ 1,5 - 2,0m, khả năng mang tải của lưới thép vào khoảng xấp xỉ 2,5 T/m2 Mặc dù vậy, lưới thép kiểu mắt xích chỉ phù hợp cho neo trong lò than khi không phun bê tông, không phù hợp để sử dụng kết hợp với

bê tông phun trong lò đá do chúng làm tăng lượng rơi khi phun bê tông và ngoài ra còn giảm tác dụng gia cố của lớp bê tông phun Hình 1.10 là loại lưới thép liên kết kiểu mắt xích

Hình 1.10 Lưới thép liên kết kiểu mắt xích

Lưới thép hàn thường là những mảng lưới thép hình vuông hoặc hình chữ nhật và được hàn tại mỗi vị trí các cốt thép giao nhau Chúng được sử dụng để gia cố bề mặt khối đá nằm giữa các neo và gia cố cho lớp bê tông phun Lưới thép hàn có độ cứng lớn hơn so với lưới thép kiểu mắt xích và vì vậy chúng tỏ ra phù hợp hơn khi bảo vệ khối đá nằm giữa các neo Độ cứng chính là ưu điểm của lưới thép hàn so với lưới thép kiểu mắt xích Mặc dù vậy, chính độ cứng của lưới thép hàn cũng là một nhược điểm ở chỗ nó khó

có thể tiếp xúc tốt với một bề mặt khối đá khi lắp tấm đệm Thông thường trong lò đá chống neo kết hợp với bê tông phun người ta sử dụng lưới thép đường kính sợi 4,2 mm, kích thước mắt lưới 100mm Hình 1.11 là kiểu lưới thép hàn

Hình 1.11 Lưới thép hàn

* Bê tông phun

Trong hầu hết các điều kiện đất đá, bê tông phun được sử dụng kết hợp với neo, đặc biệt là trong xây dựng ngầm dân dụng Cũng như vậy, trong xây

dựng các công trình ngầm trong mỏ, bê tông phun có tác dụng gia cố bề mặt khối đá nằm giữa các neo

Có hai loại bê tông phun cơ bản:

- Bê tông phun khô

- Bê tông phun ướt

Đối với bê tông phun khô, các thành phần trong hỗn hợp bê tông được trộn khô với nhau trước khi hoà với nước tại đầu vòi phun

Đối với bê tông phun ướt, các thành phần của nó cũng tương tự như đối với bê tông phun trộn khô, chỉ khác ở chỗ nước được trộn với các thành phần khác ngay tại thùng trộn còn tất cả các phụ gia được thêm vào trong hỗn hợp tại đầu vòi phun Trong thực tế, phương pháp sử dụng bê tông phun khô thông thường được sử dụng nhiều nhất

có hiệu quả nhất Vì neo thường kết hợp với lưới thép và bê tông phun Bê tông phun có tác dụng chèn, trám nhanh các khe hở, vết nứt ngăn ngừa các hiện tượng tơi rời của khối đá, hạn chế hiện tượng giảm bền tăng độ ổn định cho khối đá Vì neo kết hợp với lưới thép sẽ ngăn ngừa biến dạng của vùng đất đá giữa các thanh neo và hiện tượng đá, than rơi vào không gian bên trong đường lò Sự kết hợp neo với lưới thép và bê tông phun nhằm tận dụng tối đa

ưu điểm của các đơn thể từ đó tạo thành một kết cấu chống giữ đường lò ổn định, giảm chi phí lao động, đẩy nhanh tiến độ đào lò

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ NEO

2.1 Nguyên lý neo khối đá

Có khá nhiều giả thuyết đã được đề xuất để minh họa tính năng làm việc của kết cấu neo, có 4 thuyết cơ bản hay nguyên lý cơ bản (Habenicht, 1976; Wagner 1985; Buddery 1989; Van de Merwe and Madeden 2002; Mark 2000) được đề cập rộng rãi là [8]:

- Tạo kết cấu chống dạng vỏ mỏng đơn giản;

- Treo chốt các lớp đá vách mỏng, các vùng đá bị phân hủy vào vùng

đá liền khối;

- Liên kết các lớp mỏng, tạo thành dầm hoặc vòm nhận tải;

- Liên kết vùng khối đá bị phá hủy hay phân khối mạnh tạo thành kết cấu nhận tải

2.1.1 Kết cấu chống dạng vỏ mỏng đơn giản

Một khối đá vách liền khối vững chắc trong điều kiện ứng suất thấp có thể tự mang tải, tự chống giữ, nghĩa là sập lở nóc lớn khó xảy ra Tuy nhiên các vết nứt, khe nứt, các vị trí giao cắt giữa chúng, các bề mặt nứt nẻ nhẵn có thể gây ra phá hủy cục bộ trên mặt biên của khoảng trống ngầm Trong trường hợp này cần thiết phải sử dụng hệ thống neo (cũng như bê tông phun) để ngăn ngừa hiện tượng tróc vỡ của đá nóc bị tơi rời Để có được kết cấu chống như vậy các thanh neo có thể ngắn và nhẹ Điều khiển lớp vỏ mỏng cũng là nhiệm

vụ quan trọng thứ hai của neo nóc hầm, lò, cùng với ba cơ chế chống giữ khác (Mark 2000)[8] Trên hình 2.1 là sơ đồ minh họa kết cấu neo với vai trò tạo lớp vỏ mỏng trong khối đá vách (phía nóc hầm)

2.1.2 Treo chốt các lớp đá vách mỏng, phá hủy vào lớp đá liền khối

Lý thuyết treo chốt như trên hình 2.2 là lý thuyết dễ hiểu nhất về cơ chế neo hiện nay Khi công trình ngầm được xây dựng trong môi trường có cấu

tạo như trên hình 2.2 các lớp mỏng của vách trực tiếp có thể võng xuống và tách ra khỏi các lớp cứng vững hơn ở phía trên, vùng phá hủy phía nóc có thể hình thành và bị sập lở

Hình 2.1 Sơ đồ tạo lớp vỏ mỏng

Hiện tượng võng nóc và tách lớp, tróc vỡ có thể hạn chế được bằng cách kẹp chặt hoặc liên kết các lớp, các khối phá hủy lại với nhau và treo chốt vào lớp đất đá vách cơ bản có khả năng tự chống giữ

Hình 2.2 Sơ đồ lý thuyết treo chốt

Sử dụng neo theo lý thuyết này rất thích hợp đối với neo cơ học đầu nở, đặc biệt là neo dính kết Neo dính kết vừa tạo liên kết các lớp đá mỏng yếu cũng như các khối phá hủy lại với nhau, vừa treo chốt được các vùng đó vào phần khối đá cứng vững ở phần đầu neo (phần khoá neo) Với neo dính kết thì khả năng neo chốt càng tốt khi chiều dài đoạn dính kết khoá neo càng dài Khi

đó chiều dài cần thiết của neo phụ thuộc vào chiều dày của các lớp mỏng, chiều cao, chiều sâu vùng phá hủy và khoảng cách giữa các neo Cụ thể là tổng chiều dày các lớp mỏng, chiều cao vùng phá hủy càng lớn và khoảng

cách giữa các neo càng lớn thì các thanh neo càng phải dài [8] Wagner đã

nghiên cứu hiệu quả và khả năng sử dụng cơ chế treo chốt đối với đá vách tại các mỏ than và cho thấy rằng [8]:

- Trong trường hợp các lớp đá vách mỏng thì khoảng cách giữa các neo

là vấn đề mấu chốt, với nguyên tắc chung là khoảng cách giữa các neo không được vượt trước quá 10 lần chiều dày mỗi lớp;

- Trong trường hợp các lớp đá vách dày và sử dụng neo dính kết thì chiều dài đoạn “khoá neo” trong lớp đá cứng vững là vấn đề mấu chốt để đảm bảo neo có hiệu quả cần thiết;

- Trong trường hợp sử dụng neo đầu nở thì độ bền tiếp xúc của đá vách tại vị trí đầu neo là vấn đề mấu chốt Áp lực tiếp xúc khoảng 20 đến 30 Mpa

là thông thường Áp lực tiếp xúc cao như thế này chỉ có thể giữ được ở các lớp đá cát kết cứng vững ở các mỏ than Thực tế này cần được chú ý đến khi

thiết kế hệ thống chống giữ

2.1.3 Lý thuyết tạo dầm nhận tải

Trong nhiều tình huống thực tế, địa tầng phía trên các đường lò vận chuyển thường phân lớp mỏng và cũng thường không có các lớp cứng vững ở khoảng cách vài mét trên lớp đá vách để có thể giữ các lớp mỏng được treo chốt bằng neo Trong trường hợp này cơ chế dầm nhận tải như trên hình 2.3 là hiệu quả hơn

Bằng cách này dịch chuyển ngang giữa các lớp được hạn chế tối đa và

dầm được liên kết dày sẽ ổn định hơn Neo dính kết toàn thân là thích hợp đối với cơ chế này [8]

Hình 2.3 Sơ đồ tính theo lý thuyết dầm nhận tải

2.1.4 Liên kết khối đá bị phá hủy hay phân khối mạnh

Khi lớp đá vách bị phá vỡ hoặc phân khối mạnh, hoặc đá vách trực tiếp chứa một hay nhiều hệ khe nứt với các thế nằm khác nhau, neo có tác dụng làm tăng ma sát trên các mặt khe nứt, các mặt yếu Hiện tượng trượt hoặc tách dọc theo các mặt phân cách sẽ được ngăn chặn hoặc hạn chế, được minh họa đơn giản như trên hình 2.4

Hình 2.4 Hiệu ứng liên kết (neo chốt)

Hiệu ứng liên kết (hay neo chốt) phụ thuộc chủ yếu vào việc kéo căng neo tích cực, hoặc neo được kéo căng do dịch chuyển của khối đá sau khi neo trong điều kiện thuận lợi cố định Trường hợp sau được coi là “kéo neo bị động” do dịch chuyển của khối đá Thực tế cho thấy, kéo neo sẽ gây ra ứng

suất trong đá vách gây nén ép vừa dọc theo hướng neo chốt và vừa theo hướng vuông góc Sự chồng chéo các vùng được nén ép xung quanh mỗi neo

sẽ tạo nên vùng liên tục được nén ép, trong đó ứng suất kéo được suy giảm và khả năng chịu cắt của các mặt phân cách tăng lên như trên hình 2.5

Hình 2.5 Nguyên lý xếp chồng các vùng được nén ép do neo bị kéo căng

Như vậy theo nguyên lý neo chốt và xếp chồng các vùng khối đá nứt

nẻ mạnh, vùng bị phá hủy có thể tạo nên các dầm và vòm nhận tải như trên hình 2.6

Hình 2.6 Các dạng liên kết vùng khối đá nứt nẻ, phá hủy tạo thành vòm

nhận tải

2.2 Các phương pháp thiết kế neo

Trên cơ sơ các nguyên lý hay các lý thuyết về chức năng của neo, đến nay có nhiều đề xuất về các phương pháp tính toán, thiết kế neo Có nhiều cách phân nhóm các phương pháp này, ở đây phân thành 5 nhóm sau:

- Phương pháp giải tích

- Phương pháp thí nghiệm tại hiện trường

- Phương pháp thí nghiệm mô hình

- Phương pháp phân loại khối đá và kinh nghiệm

- Phương pháp mô hình số

Sau đây sẽ giới thiệu khái quát về các phương pháp này nhằm thấy được tính đa dạng và phức tạp, đồng thời cũng thể hiện sự chưa hoàn chỉnh của các phương pháp tính toán hiện nay

2.2.1 Phương pháp giải tích

Phương pháp cổ nhất, đơn giản nhất và được sử dụng khá rộng rãi để thiết kế neo là phương pháp giải tích, thiết kế theo nguyên lý treo chốt và nguyên lý tạo thành kết cấu nhận tải có chú ý đến tự trọng của khối đá phân lớp mỏng, vùng khối đá bị phân hủy, sự hình thành áp lực chủ động hoặc bị động [8]

Tùy thuộc sự xuất hiện các vùng phá hủy hoặc sự xuất hiện các lớp đá kém ổn định mà neo được lắp dựng mang tính đơn lẻ, cục bộ hay mang tính hệ thống và từ đó cũng hình thành các sơ đồ tính neo cục bộ hay neo hệ thống 2.2.1.1 Tính neo theo nguyên lý treo, chốt

Theo nguyên lý treo chốt, hệ thống neo phía nóc hầm được thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu chung sau:

- Khả năng nhận tải của hệ thống neo đá vách, SB, cần phải lớn hơn trọng lượng W của các lớp đá vách tơi rời được neo chốt:

1

n i

SB >W

- Các lực neo chốt AF của hệ neo phải lớn hơn trọng lượng của lớp đá vách tơi rời được neo:

SF: Hệ số an toàn;

ρ: Khối lượng thể tích trung bình của các lớp đất đá được neo; g: Gia tốc trọng trường;

Pf: Khả năng nhận tải của neo

Trên cơ sở cơ chế chung này các cách tính khác nhau được phát triển tùy thuộc sơ đồ treo chốt cụ thể Phương pháp treo chốt được coi là thích hợp cho môi trường có ứng suất thấp Tuy nhiên các lực tác dụng theo phương

nằm ngang cũng có thể làm tăng tải trọng tác dụng lên neo [8] cho thấy rằng

tải trọng đó được tác dụng vào neo thường gấp 2 lần tự trọng trong thiết kế Trên hình 2.7 là ví dụ về khả năng xuất hiện khối nêm có thể trượt hay rơi vào khoảng trống, cũng như phía nóc hầm (nóc phẳng) có các lớp mềm yếu, kết cấu neo tại một phạm vi hẹp được coi là neo cục bộ

Hình 2.7 Ví dụ các dạng phá hủy và sơ đồ cắm neo

Khi trong khối xung quanh công trình ngầm xuất hiện vùng phá hủy khép kín ngoài phần khối đá có thể sập trượt phía nóc, vùng đá bị phá hủy bên sườn có thể trượt lở, thì vùng đá bị phá hủy phía nền cũng có thể bị đùn vào khoảng trống Khi đó phải sử dụng neo hệ thống như trên sơ đồ hình 2.8

Hình 2.8 Ví dụ sơ đồ tính cho toàn bộ hệ thống neo

2.2.1.2 Tính neo theo lý thuyết dầm và vòm mang tải

Nguyên lý dầm và vòm chịu tải cũng được sử dụng để thiết kế hệ thống neo cho nóc lò [8], đặc biệt là khi nóc lò có dạm vòm Với mô hình dầm mang tải, các tham số chi phối biểu hiện của dầm chịu tải trọng (cũng như trọng lượng của vùng đá bị phá hủy) theo mô hình dầm ngàm chặt hai đầu, được xác định như sau:

Ứng suất uốn lớn nhất (MPa) σu-max = ρ.g.B2/(2.t) (2.4) Ứng suất cắt lớn nhất (MPa) σc-max = 3.ρ.g.B/4 (2.5)

Độ võng lớn nhất: v =.ρ.g.B4/(32.E.t2) (2.6)

Trong đó:

B: Khẩu độ của nóc hầm (chiều rộng đường hầm),m;

t: Chiều dày của lớp đá vách được kết nối lại, m;

ρ: Khối lượng thể tích trung bình của lớp đá, kg/m3; g: Gia tốc trọng trường, m/s2;

E: Mô đun đàn hồi, MPa

Xuất phát từ nhiều trường hợp trong thực tế là kết cấu dầm nhận tải bao hàm cả hai hiệu ứng là vừa làm tăng ma sát của vùng đá được neo, vừa có tác dụng treo chốt Panek [8] đã xây dựng các biểu thức tính toán chi tiết cho trường hợp khối đá phân lớp, đường hầm có nóc phẳng Trên cơ sở các quy luật toán học nhận được đã xây dựng toán đồ đơn giản như trên hình 2.9, cho phép lựa chọn các thông số của kết cấu neo một cách thuận lợi

Với giả thiết neo có khả năng tăng khả năng chống cắt, chống trượt vùng đá được neo bằng neo cơ học đầu nở và neo dính kết, Lang (1959, 1961) [8] đã xây dựng mô hình tính neo với giả thiết về sự hình thành vòm nhận tải Nói chung các biểu thức tính toán theo nguyên lý hình thành kết cấu nhận tải được nêu trong tài liệu còn khá tóm lược, không cho hết thấy được những giả thiết, giả định rõ ràng khi xây dựng các công thức tính, đặc biệt là

về khả năng nhận tải của kết cấu nhận tải sau khi neo Vì vậy việc áp dụng không đơn giản

Hình 2.9 Toán đồ phân tích hiệu ứng dầm nhận tải theo Panek [8]

2.2.2 Tính toán thiết kế neo theo thí nghiệm tại hiện trường

Trong nhiều phương pháp tính bằng giải tích thường đề cập đến một đại lượng là khả năng mang tải của neo Đến nay có nhiều kết quả nghiên cứu

và đề xuất xung quanh việc xác định định lượng này Một trong cách xác định

là tiến hành thí nghiệm tại hiện trường, bằng phương pháp kéo neo, phục vụ việc điều chỉnh thiết kế ban đầu

Cũng từ đó hình thành phương pháp thiết kế neo qua thí nghiệm hiện trường được áp dụng tại Úc [8], sau đó cũng được chấp nhận rộng rãi trong

“Tiêu chuẩn thực tế” ở Anh [8]

Cơ sở lý luận của phương pháp này các lớp đá khác nhau có thể chịu ứng suất tập trung và bị phá hủy Hiện tượng này lại gây nên ứng suất cao hơn

và gây thêm phá hủy cho các lớp khác Neo gia cố có tác dụng huy động khả năng chống cắt của các lớp đá, hạn chế mức độ phá hủy của đá vách Do vậy phương pháp kết hợp đo lực tác dụng vào neo trong quá trình khai đào cùng với đo mức độ dịch chuyển của các lớp bằng giãn kế nhiều đầu đo và giãn kế cảm biến âm học đã được phát triển Các kết quả nhận được sẽ cho phép:

- Điều chỉnh được chiều dài neo để có chiều dài khóa neo hợp lý phía trên hay phía sau vùng phá hủy;

- Điều chỉnh được mật độ neo và cách bố trí neo để đạt được hiệu ứng gia cố tốt và hợp lý cho vị trí cần thiết;

- Hỗ trợ khả năng truyền tải trọng trong kết cấu neo bằng cách giảm đường kính lỗ neo, chọn loại mũi khoan hợp lý, phương thức rửa thổi lỗ neo Trong điều kiện địa chất biến động mạnh, có thể tăng cường công tác theo dõi Theo Altounyan và Taljaard (2001) [8] việc thiết kế neo trên cơ sở thí nghiệm hiện trường chia làm hai giai đoạn riêng rẽ:

- Bố trí các trạm quan trắc, theo dõi chi tiết để lấy thông tin cho thiết kế;

- Quan trắc, theo dõi thủ công qua các phương tiện đo đạc để đo và hiển