Nghiên cứu lựa chọn giải pháp thi công lò xuyên vỉa mức 35 khu lộ trí công ty than thống nhất đoạn qua phay fc

Tổng quan các dạng địa chất phức tạp

Tốc độ đào lò bị ảnh hưởng bởi nhiều nguyên nhân, được chia thành hai nhóm: nguyên nhân chủ quan và nguyên nhân khách quan Nguyên nhân chủ quan dễ thay đổi, phụ thuộc vào quyết định của người thiết kế, như việc điều chỉnh thông số, thiết bị thi công hoặc thời gian tổ chức thi công Ngược lại, nguyên nhân khách quan khó thay đổi, liên quan đến tính chất cơ học của khối đá và điều kiện địa chất công trình, thường biến động bất lợi ở những khu vực có địa chất phức tạp Điều kiện địa chất phức tạp trong thi công các công trình mỏ và ngầm thường gặp phải nhiều thách thức.

Sự hình thành các phay phá và đứt gãy địa chất thường chứa bùn, sét, nước và các sản phẩm phong hóa, gây ra nguy cơ sập đổ và tai nạn trong quá trình thi công công trình ngầm Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, các nhà nghiên cứu và thiết kế cần đưa ra giải pháp xử lý thi công phù hợp trong các điều kiện này.

Đất đá chứa nước không ổn định có thể gây ra lưu lượng nước ngầm lớn, ảnh hưởng đến quá trình thi công Khi khai đào, nếu lượng nước chảy ra quá nhiều, thi công sẽ phải tạm dừng để xử lý nước trước khi tiếp tục công việc.

Áp lực lớn từ nước ngầm là một yếu tố gây khó khăn trong quá trình thi công công trình ngầm, đồng thời có thể dẫn đến nguy cơ sập đổ khi khai thác các công trình này.

* Đất đá chứa khí, các túi khí

Trong khu vực này, đất đá có thể chứa cuội sỏi và khí độc hại tích tụ trong các hang hốc, gây ra nguy cơ lớn cho các công trình ngầm Những yếu tố này là nguyên nhân chính dẫn đến các sự cố như phụt khí, xì khí hoặc nổ khí, có thể gây hủy hoại công trình và thiệt hại về con người Do đó, việc áp dụng các biện pháp xử lý an toàn là cần thiết để thi công các công trình ngầm hiệu quả.

* Đất đá mềm yếu, sập đổ

Các công trình ngầm trong đất đá mềm yếu gần mặt đất thường gặp phải tình trạng ổn định thấp, dẫn đến khó khăn trong việc khai thác Khối đất đá này có tính chất sập đổ liên tục, gây ra nhiều thách thức phức tạp cho quá trình đào và chống giữ công trình.

Tình hình thi công trong điều kiện địa chất phức tạp ở trên thế giới và ở Việt nam

Tình hình thi công đường trong điều kiện địa chất phức tạp ở trên thÕ giíi

Hiện nay, các quốc gia tiên tiến đang khai thác than và thi công công trình ngầm ở độ sâu hàng ngàn mét so với mực nước biển Tuy nhiên, việc mở vỉa gặp nhiều khó khăn do điều kiện thi công không thuận lợi và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn Đất đá bị phá hủy ngay khi khai đào, dẫn đến nguy cơ sập lò và nước chảy tràn vào gương đào, cản trở quá trình bốc xúc.

Trong những trường hợp này, người ta thường sử dụng một số giải pháp nhằm đảm bảo an toàn và nâng cao được hiệu quả thi công như:

- Khoan ép vữa gia cố trước khi đào;

- Thoát nước và gia cố vùng phay phá khi có chứa nước;

Gia cố đất đá bằng vữa xi măng đã được áp dụng lần đầu tiên vào năm 1864 để xử lý đất đá nứt nẻ trong quá trình đào hầm, với việc rót vữa vào các vết nứt nhằm chèn và chống nước ngầm Đến năm 1878, phương pháp bơm vữa xi măng với áp lực đã được sử dụng, và vào năm 1907, phun xi măng trở thành biện pháp chống thấm trong xây dựng đập lớn Nhiu-Crôtôn (Hoa Kú) Tại Liên Xô cũ, phương pháp này được áp dụng trong xây dựng nhà máy thủy điện Vôn-Khốp vào năm 1922 dưới sự lãnh đạo của Viện sỹ B.E Ven-đen-nhi-ev Phương pháp phun vữa xi măng tiếp tục phát triển trong việc xây dựng đập bê tông của nhà máy thủy điện Đơ-nhép-prôv-ski vào những năm 1931-1932, nơi màng chống thấm được xây dựng sâu 30m Trong thời kỳ chiến tranh thế giới thứ hai, đập bờ sông của nhà máy này bị phá hủy nặng nề, và khi khôi phục, phun xi măng được áp dụng để xử lý các vết nứt trong bê tông với chiều rộng từ 0,2mm trở lên.

Trong quá trình thi công đường hầm MBTA tại Boston và đường hầm metro Stuttgart, Đức, các kỹ sư đã gặp phải tình trạng đất đá chứa nước và cát Để khắc phục vấn đề này, họ đã áp dụng giải pháp đóng băng nhân tạo, biến đất đá từ trạng thái mềm yếu và ẩm ướt thành dạng rắn cứng với độ bền cao.

Hình 1.1 Bơm ép vữa nhiều lớp (Barton, 2006 trÝch theo Elkem)

Hình 1.2 Các ống đóng băng nhân tạo trên đường hầm MBTA - Boston, MA – 2002 [2]

Hình 1.3 Đóng băng nhân tạo tại đường hầm mêtro Stuttgart, Đức-1974[2]

Theo [13] có rất nhiều công trình thi công trên thế giới gặp điều kiện địa chất rất phức tạp và đa dạng:

H×nh 1.4 Hiện tượng nước chảy vào đường hầm BLISADONA (Austria, 1999, 500l/s)

H×nh 1.5 Hiện tượng nước chảy vào đường hầm KAPONIG (Austria, 1993, 300l/s)

H×nh 1.6 Hiện tượng trượt lở tại đường hầm Herzogberg, Austria

H×nh 1.7 Hiện tượng trượt lở vào trong đường hầm Herzogberg, Austria

H×nh 1.8 Hiện tượng trượt lở vào trong đường hầm Galgenberg, Austria.

Tình hình thi công đường trong điều kiện địa chất phức tạp ở Việt Nam 11 Chương 2 Các giải pháp thi công trong điều kiện địa chất phức tạp

Tại Việt Nam, trong quá trình thi công các đường lò và công trình ngầm, các kỹ sư thường phải đối mặt với nhiều khu vực có điều kiện địa chất phức tạp Đối với từng trường hợp cụ thể, các nghiên cứu đã được thực hiện để đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

Xử lý đứt gãy FA mỏ than Mạo Khê là một thách thức lớn do đứt gãy chạy theo phương Tây-Đông, với góc dốc 78°-82° và cắt qua nhiều đường lò ở các mức +30, -25 và -80 Đới phá hủy của đứt gãy rộng khoảng 25m, chủ yếu gồm sạn, cát, sét bùn và than, trong đó bùn sét chiếm 60-65% và rất dính Khu vực này có lưu lượng nước lớn, ước tính khoảng 20-30 m³/h, chảy ra liên tục tại nóc và hông lò, gây ra hiện tượng sập lở mạnh, đặc biệt là lở nóc và lở hông Hiện tượng lún mạnh làm cho các vì chống sắt bị uốn cong hoặc nén lún, gây khó khăn trong công tác đào lò Để khắc phục, phương pháp khoan và bơm ép vữa xi măng được áp dụng để gia cường vùng đất đá trước khi tiến hành đào bình thường Các lỗ khoan gia cường có đường kính khoảng 105mm được khoan từ mặt địa hình xuống phía nóc lò mức -80, sau đó bơm ép vữa xi măng từ trên xuống Sơ đồ bố trí lỗ khoan được thể hiện trong hình 1.9.

Xử lý vùng đất đá mềm yếu và có nhiều nước chảy tại lò xuyên vỉa vận tải mức +235 khu II thuộc Xí nghiệp than Hoành Bồ - Công ty TNHH MTV than Uông là một nhiệm vụ quan trọng Việc này đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác và vận chuyển than, đồng thời nâng cao hiệu quả sản xuất Các biện pháp xử lý cần được thực hiện một cách khoa học và hiệu quả để giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa quy trình làm việc.

Hiện tại đường lò xuyên vỉa vận tải +235 khu II tại Xí nghiệp than Hoành

Đoạn lò từ K55 -:- K70 đã được khai thông và chống đỡ bằng 2 lớp thép SVP17 với khoảng cách chống 0,5m, nhưng tiết diện đã giảm từ 8,3m² xuống 4,25m² Nguyên nhân mất ổn định là do điều kiện địa chất phức tạp và lượng nước ngầm lớn chảy vào mỏ, cả mùa mưa lẫn mùa khô, khiến đất đá xung quanh đường lò bị bão hòa nước, dẫn đến tình trạng mềm yếu Đường lò vận tải +235 gần mặt địa hình từ 10-25m cũng góp phần làm tăng áp lực lên khung chống, gây hiện tượng bóp méo và thu hẹp.

Hình 1.9 mô tả sơ đồ bố trí lỗ khoan để xác định cấu tạo phay, tuy nhiên kích thước đường lò không đảm bảo khả năng thông qua cho vận tải và thông gió, gây nguy hiểm cho người và thiết bị Hơn nữa, có nguy cơ tụt toàn bộ đất đá vào trong lò, dẫn đến ách tắc sản xuất Để khắc phục tình trạng này, người ta đã sử dụng nhói sắt đường kính 20 và kết cấu chống sắt SVP27 với khoảng cách bước chống 0,35m, kết hợp với gông giằng có đường kính 24 Sự biến dạng và mất ổn định, cùng với giải pháp xử lý cho đoạn lò xuyên vỉa +235, được thể hiện trong hình 1.10 và hình 1.11.

Lõi khoan xác định RQD

Lỗ khoan xác định cấu tạo phay

Phay F_A Đường lò đào hiện trạng tiết diện bị biến dạng qua vùng mất ổn định

PhÇn thÓ tÝch cÇn xÐn

Tiết diện đào thiết kế

Khung chèng thÐp CBII-27, Lp0

Khung chèng thÐp CBII-22, LP0

A - A Đoạn lò XV vận tải ổn định Khu vực mất ổn định, lò bị biến dạng lớn (10m dài) B - B

Hình 1.10 Đoạn lò xuyên vỉa +235 mất ổn định,

Xí nghiệp than Hoành Bồ

Thanh nhãi thÐp  22, L 00 Dầm công xôn

Mặt cắt sau khi xén

Biện pháp xử lý vùng mất ổn định

Hình 1.11 Giải pháp xử lý mất ổn định đoạn lò xuyên vỉa +235, Xí nghiệp than Hoành Bồ

* X ử lý đoạn hầm từ lý trình 0+29 đến lý trình 0+78 hầm đường bộ qua đèo Hải Vân

Trong quá trình thi công hầm đường bộ qua đèo Hải Vân, gói thầu IB, Tổng công ty Sông Đà đã đối mặt với điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt tại đoạn hầm cửa phía Nam từ lý trình 0+29 đến 0+78, nơi có đất sét pha cát và thấu kính pha cát Khi tiếp xúc với nước, loại đất này chuyển thành bùn, gây khó khăn trong thi công Để khắc phục, đơn vị thi công đã nghiên cứu và áp dụng giải pháp đào hầm dẫn ở phía nóc hầm.

- Đào một lò dẫn trước bám nóc hầm Hầm dẫn có dạng tường thẳng, nóc hình vòm, chiều rộng đào 4940mm, chiều cao 3370mm;

- Khi đào xong hầm dẫn, tiến hành khoan phụt gia cố những đoạn có điều kiện địa chất yếu;

- Sau đó tiến hành đào mở rộng phần vòm nóc, hạ bậc và đào phần đáy dạng vòm ngược

Chương 2 Các giải pháp thi công trong điều kiện địa chất phức tạp

Phương pháp thoát nước và gia cố vùng phay phá khi có chứa nước

Điều kiện sử dụng

Điều kiện địa chất mỏ cho phương pháp khoan hạ mực nước yêu cầu đất đá phù hợp với lưu thông nước ngầm, bao gồm cát hạt trung, hạt thô, nham thạch cát kết, đô lo mít và đá vôi nứt nẻ Tính chất của cát sỏi, cùng với thành phần hạt và bán kính phễu nước, được thể hiện chi tiết trong bảng 2.1.

Bảng 2.1 Tính chất cát, sỏi thành phần hạt và bán kính phễu nước Loại nham thạch dẫn nước

Phần lớn đường kính hạt

Xác định lưu lượng nước ngầm và tốc độ dòng chảy

Để thực hiện các nhiệm vụ trên cần thiết phải đánh giá lượng nước chảy vào công trình Tính chất dòng chảy được xác định theo biểu thức Darcy:

Tốc độ dòng chảy trung bình của nước qua một đơn vị diện tích, hay tốc độ lọc của đá, được ký hiệu là v và đo bằng mét trên giây (m/giây) Hệ số thấm hay lọc của đá, ký hiệu k, là đại lượng không đổi cho mỗi loại đá và có thể xác định thông qua thí nghiệm, cũng được đo bằng mét trên giây (m/giây) hoặc mét trên ngày (m/ng.đ) Hiệu số giữa mực nước trong đá ở trạng thái dừng và trạng thái chuyển động đến lỗ khoan được ký hiệu là h Cuối cùng, khoảng cách có sự thay đổi áp suất nước ngầm được ký hiệu là l và được đo bằng mét (m).

Tỷ số h/l = i: Biểu thị sự chênh áp suất nước qua một đơn vị chiều dài và được gọi là gradieng thuỷ lực

Khi dòng nước chảy theo lớp, thì công thức Darcy có dạng sau đây: q = k.i.F = v.F (2.2)

F- Diện tích mặt cắt mà dòng nước chảy qua q- Lượng nước chảy qua lớp đávới diện tích F trong một đơn vị thời gian Khi dòng nước chảy rối theo Chezy tốc độ dòng chảy được xác định như sau: i r C v h hoặc v = K m i l/m (2.4) Trong đó:

C - Hệ số phụ thuộc vào tính chất thành tường của dòng chảy được xác định theo công thức sau: h h r m

Trong đó: r h - Bán kính thuỷ lực biểu thị tỷ số giữa mặt cắt tiết diện đến vùng ẩm, m/gi©y

K m - Hệ số lọc của lớp đá m- Giá trị nằm giữa hai lớp và phụ thuộc vào sự chuyển động theo lớp, hay hỗn loạn

Hệ số lọc của lớp đá K được xác định theo Kusakina J.P thể hiện trên bảng 2.2

Bảng 2.2 Hệ số lọc của lớp đá K

Hệ số lọc Loại đá m/gi©y m/ng.®

- Cát mịn với rất ít hàm lượng sét

- Cát mịn sạch, cát hạt trung với ít sét

- Cát hạt thô với sỏi nhỏ

- Sỏi hạt trung và thô

Phương pháp đóng băng nhân tạo

Bản chất của phương pháp

Phương pháp này chuyển đổi đất đá, cát từ trạng thái mềm yếu, ẩm ướt thành trạng thái rắn chắc, có độ bền cao Khi vùng đất đá được đóng băng, nó trở nên cứng như rắn, cho phép thực hiện các hoạt động khai thác một cách bình thường.

Khi nhiệt độ của cát giảm đến mức nước đóng băng, độ bền của khối tăng lên Đặc biệt, độ bền của khối đá đóng băng càng lớn khi nhiệt độ càng thấp Biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của độ bền đất đá theo nhiệt độ được minh họa trong hình 2.2.

Hình 2.2 Thay đổi độ bền của đất đá theo nhiệt độ

1 Cát được đóng băng 2 Đất bùn được đóng băng,

3 Sét được đóng băng 4 Nước được đóng băng

Qua đồ thị ta thấy rằng cát chứa nước đóng băng tăng độ bền rất nhanh Các loại khác như sét, bùn, nước phát triển độ bền chậm hơn

Cát bão hòa nước khi đóng băng ở nhiệt độ -10°C có độ bền nén đạt 115 kG/cm², trong khi ở -20°C, độ bền nén tăng lên 180 kG/cm² Nước trong cát đóng băng đóng vai trò quan trọng như một chất kết dính, giúp gia tăng độ bền cho cát Tuy nhiên, nếu cát chứa quá nhiều nước, độ bền của cát đóng băng sẽ giảm, do độ bền của nước đóng băng thấp hơn so với cát Mối quan hệ này được thể hiện rõ trong hình 2.3.

Theo đồ thị, cát chứa nước gần trạng thái bão hòa đóng băng có độ bền cao nhất, cho thấy rằng phương pháp đóng băng nhân tạo rất hiệu quả với loại cát này.

0 20 40 60 80 100 120 140 W, % Độ chứa nước cuả cát Độ bền tỷ đối của cát khi đóng băng

Hình 2.3 Mối quan hệ giữa độ bền của cát khi đóng băng với hàm lượng nước khác nhau

Công nghệ đóng băng nhân tạo

Trong quá trình khai thác, người ta tạo ra các lỗ khoan trong địa tầng cát có nước để tiến hành làm lạnh Hệ thống ống làm lạnh sẽ hoạt động để chuyển đổi nhiệt độ, với khả năng đạt tới 35 độ C Chất làm lạnh thường được sử dụng là dung dịch CaCl2.

Khi trao đổi nhiệt độ với lớp cát, nhiệt độ của cát giảm và nhiệt độ dung dịch làm lạnh tăng lên, quá trình này diễn ra cho đến khi xung quanh lỗ khoan hình thành vùng đất đá đông cứng với bán kính cần thiết Việc khoan nhiều lỗ khoan đóng băng theo hình dạng nhất định sẽ tạo ra vùng đất đá đóng băng cần thiết Để tiến hành đào công trình bình thường, cần tạo vòng đá gia cường đủ khả năng ngăn chặn áp lực nước và áp lực mỏ Chiều dày của vòng đá đóng băng được xác định theo công thức cụ thể.

R- Bán kính cần đào của đường lò, cm;

[  ]- ứng suất nén cho phép của cát đã đóng băng, kg/cm 2 ;

P- Giá trị lớn nhất của áp lực tác dụng từ bên ngoài vòng cát gia cường, kG/cm 2 Với lò bằng, chiều dày lớp đá cát đóng băng xác định theo[1]:

 ; m (2.7) ở đây: k n - Hệ số an toàn; k 1 - Hệ số tỉ lệ, k 1 = 1,2-1,5;

P- áp lực mỏ lên lớp đá đóng băng, MPa;

 - Giới hạn bền của đá đóng băng ở thời điểm thi công lò, Mpa

Bán kính của tâm lỗ khoan đóng băng đến tâm đường lò (R 1 ) được xác định công thức sau:

R 1 = R + E/2; m (2.8) được sử dụng để điều chỉnh độ lệch lỗ khoan m và mức độ truyền nhiệt không đồng đều về hai phía của lỗ khoan (tỷ lệ 6/4) Bán kính của tâm lỗ khoan để đóng băng R 2 được xác định theo công thức đã nêu.

Số lỗ khoan đóng băng được xác định công thức sau:

Công thức N = 2π.(R+m+0,6E)/l mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố trong quá trình khoan Khoảng cách l giữa hai lỗ khoan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian đóng băng, nhiệt độ dung dịch làm lạnh, đặc điểm của môi trường và công suất của trạm làm lạnh Thông thường, khoảng cách này dao động từ 0,8 đến 1,3 mét.

Sơ đồ công nghệ đóng băng cát đá trong quá trình đào lò, dù là bằng lò nghiêng hay giếng đứng, không có nhiều khác biệt về nguyên tắc Hệ thống lỗ khoan để đóng băng đất đá có thể được bố trí từ một vị trí khác hoặc từ gương lò đang đào Hình 2.4 minh họa sơ đồ bố trí hệ thống lỗ khoan này.

Hình 2.4 Sơ đồ làm lạnh từ vị trí khác nhau khi đào lò bằng

Điều kiện ứng dụng

Phương pháp đóng băng nhân tạo được sử dụng trong việc khai thác các loại đường lò trong đất đá cứng và mềm yếu có chứa nước Phương pháp này rất hiệu quả trong việc gia cường cát chứa nước tĩnh hoặc nước có tốc độ dòng chảy nhỏ hơn 20m/ngày đêm.

Sự phụ thuộc giữa tốc độ nước, khoảng cách lỗ khoan và tỷ lệ nhiệt độ làm lạnh, nhiệt độ cát được thể hiện hình 2.5

Tỷ lệ nhiệt độ làm lạnh được xác định công thức: t k  T (2.11)

T- Nhiệt độ của chất làm lạnh; t - Nhiệt độ của cát cần gia cường ban đầu

Hình 2.5 Sự phụ thuộc giữa tốc độ nước, khoảng cách lỗ khoan

Phương pháp tạo ô vòm tiến trước (gia cố nóc, chèn nhói)

Điều kiện sử dụng

2.3.1.1 Điều kiện địa chất mỏ

- Lớp đá tơi rời ngập nước nằm ở chiều sâu không quá 15 m và chiều dày lớp đá không lớn hơn 3m

- áp suất thuỷ tĩnh của cột nước không vượt giới hạn 1 - 1,5 Atm;

- Trong đá rời, các đá cục, đá tảng có độ cứng và độ bền cao;

- Dưới lớp đá rời ngập nước một lớp đá ngăn nước với chiều dày > 2m thì độ bền của lớp đá không đòi hỏi lớn cần phải đóng cọc;

- Xuyên qua lớp đá chứa nước dễ dàng đối với việc thoát nước

2.3.1.2 Điều kiện kỹ thuật mỏ

- Diện tích tiết diện gương đào chống theo phương pháp đóng cọc thường nhỏ hơn 20m 2 , tốc độ đào gương thấp đạt khoảng 3 - 15m/tháng;

Trong quá trình thi công công trình trên địa chất mềm yếu, việc sử dụng thép tấm dạng chữ C, thép ống hoặc thép chữ I để đóng cừ là rất quan trọng Hình 2.6 minh họa một số mô hình kết cấu thép gia cố gương công trình.

Hình 2.6 Mô hình kết cấu thép gia cố gương công trình

Độ bền kéo của thép hình từ các hãng sản xuất dao động trong khoảng 37-60 kG/cm² Thép hình có thành tấm dày từ 10-12mm, khối lượng từ 55-65 kg/m, với chiều dài thanh trung bình từ 4-18m và chiều rộng từ 320-380mm Diện tích mặt cắt của thanh thép hình đạt từ 70-100 cm².

Việc sử dụng đóng nhói hay cọc cừ thường dẫn đến tổn thất diện tích sử dụng gương công trình, do đó, các hàng cọc đầu tiên cần tạo ra đường kính hoặc chu vi đào lớn và sau đó thu hẹp dần ở các vòng cọc tiếp theo Đường gương công trình ban đầu được xác định theo công thức cụ thể.

D p - Đường kính công trình vòng đầu tiên khi sử dụng cọc nhói;

D là đường kính bên trong theo thiết kế, a là chiều dày thực của công trình, s là chiều dày thanh thép nhói, b là chiều rộng vòng chống tạm, và c là chiều rộng gỗ lát bên ngoài vỏ giếng.

K- Dự phòng khi các thanh đóng bị cong thu hẹp đường kính công trình, K

Cách đóng cọc

- Đóng xiên với một góc từ 70-75 0 , chiều rộng ván 150-250mm, dày 50- 100mm, chiều dài 1,2-1,8m Đường kính giếng phải thừa ra 200mm so với thiết kế;

- Đóng thẳng đứng với chiều sâu có thể đạt 15m, chiều dài mỗi đoạn 2-6m Cọc gỗ dày 50-100mm, chiều rộng 150-200mm bằng gỗ sồi hoặc bạch dương

Đóng nhói được thực hiện qua hai bước: đầu tiên, tiến hành theo độ sâu từ 1m, 2m, 3m và sau đó dựng tất cả các thanh theo chu vi của công trình Cuối cùng, đóng riêng biệt từng thanh cho đến khi đạt chiều sâu thiết kế yêu cầu.

Phương pháp gia cố gương đào bằng khoan-bơm ép vữa

Bản chất của phương pháp

Dung dịch gắn kết là các chất có khả năng liên kết khi đóng rắn, được bơm vào đất đá nứt nẻ, rỗng, cát, bùn, phay phá và địa chất yếu Việc này giúp tạo ra một khối thống nhất với độ bền cao và khả năng chống thấm tốt Bơm dung dịch gắn kết vào khối đá cứng nứt nẻ hoặc đá bở rời sẽ cải thiện các đặc điểm cấu trúc, tăng cường độ bền, hệ số ma sát trong và lực dính của đá Các loại dung dịch gắn kết được phân loại tùy theo thành phần sử dụng.

- Dung dịch vữa xi măng-cát;

- Dung dịch vữa xi măng-sét;

- Dung dịch silicat (thủy tinh lỏng);

- Dung dịch nhựa tổng hợp.

Điều kiện sử dụng các loại dung dịch để bơm ép gia cường

Điều kiện sử dụng dung dịch bơm ép gia cường phụ thuộc vào cỡ hạt của cát Đối với cát có cỡ hạt từ 0,01-0,5 mm, cần sử dụng dung dịch hóa học để gia cường, vì phương pháp xi măng hóa không hiệu quả Cát có cỡ hạt từ 0,5-2 mm có thể gia cường bằng xi măng hóa nếu hàm lượng hạt lớn chiếm 80% thể tích Kết luận, đối với cát ở phay phá, phương pháp bơm ép dung dịch hóa học là lựa chọn duy nhất để gia cường.

Hạt nhỏ Hạt to vừa Hạt to

Cát Hạt nhỏ Hạt vừa Hạt to

Cuéi sái Nhá Võa To

Vùng không xi măng hóa

Vùng cát chảy 100% Đường kính cỡ hạt, mm

Hình 2.7 Giới hạn sử dụng xi măng hóa cát, sỏi, sét

Thực trạng thi công đường lò xuyên vỉa -35

Điều kiện địa chất khu vực Cẩm Phả

3.1.1 Địa tầng khu vực Cẩm Phả

Khu vực Cẩm Phả có địa tầng đơn giản với chiều dày trầm tích từ 450 đến 600 m, bao gồm nhiều lớp kẹp mỏng Phần trên của vỉa được cấu tạo chủ yếu từ đá hạt thô chắc, chiếm 40-50% tổng khối lượng Trên vách vỉa, trụ vỉa than là các loại đá yếu như sét kết và sét kết than, có độ dày từ 0,5 đến 5,0 m, dễ bị tách chẻ và sập lở trong quá trình khai thác Đặc điểm cấu tạo phân lớp của các loại đá tại khu vực này được thể hiện trong bảng 3.1.

Bảng 3.1 Đặc điểm cấu tạo phân lớp các loại đá tại khu vực Cẩm Phả Đặc điểm cấu tạo Tên mỏ Loại đá Tỷ lệ

(%) Chiều dày lớp (cm) Bề mặt phân lớp

- Cuội, sạn kết 9 2548 Uốn lượn, phẳng

- Bột kết 30 625 Phẳng, nhẵn Đông

- Sét kết 6 420 Trơn, nhẵn, bóng

- Bột kết 27 1027 Phẳng, nhẵn §Ìo

- Sét kết 8 Trơn, láng bóng

Sím - Sét kết 16 510 Nhẵn, láng bóng

3.1.2.Tính chất cơ lý của đá khu vực Cẩm Phả

Bảng 3 2 Tính chất cơ lý đá khu vực Cẩm Phả

Tên mỏ Loại đá Tính chất cơ - lý (Nhỏ - Lớn)

Đặc điểm, điều kiện địa chất nơi thi công đường lò xuyên vỉa -35, khu Lộ TrÝ

Khoáng sản Lộ Trí nằm ở phía Nam của dải than Cẩm Phả, với địa hình rừng núi ven biển có độ cao trung bình từ 200 đến 300m, đỉnh cao nhất đạt +439,6m Các dãy núi kéo dài theo phương vĩ tuyến từ Khe Sim đến Đông Quảng Lợi, trong khi toàn bộ diện tích phía Tây Nam là thung lũng do công ty than Thống Nhất khai thác lộ thiên công trường +110 Mặt đất ở đây có ít thảm thực vật rừng và sườn núi dốc, dễ bị xói lở trong mùa mưa.

Do đặc điểm địa hình, các khe suối ở đây bắt nguồn từ các đường phân thuỷ phía Bắc, chảy theo hướng Bắc - Nam và đổ ra Vịnh Bái Tử Long Những suối này chỉ có nước vào mùa mưa.

Phía Đông Bắc khu mỏ có hồ Bara - đây là hồ nhân tạo được xây dựng để chứa nước phục vụ sản xuất

Khí hậu khu mỏ đặc trưng của vùng nhiệt đới gió mùa, với mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10 Tháng 7 và tháng 8 thường có mưa to và bão Lượng mưa tháng cao nhất đạt khoảng 1089mm, trong khi tổng lượng mưa lớn nhất trong mùa mưa là 2850mm, ghi nhận vào năm 1966.

103 ngày Tổng lượng mưa lớn nhất trong năm là 3076mm

Mùa khô diễn ra từ tháng 11 năm trước đến tháng 4 năm sau, với số ngày mưa lớn nhất ghi nhận là 68 ngày vào năm 1967 và lượng mưa cao nhất đạt 892mm vào năm 1976 Tháng 4 thường là tháng có lượng mưa nhiều nhất trong mùa khô Nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 29°C đến 30°C, với nhiệt độ cao nhất lên tới 37°C và thấp nhất từ 5°C đến 8°C.

Khu Lộ Trí có điều kiện giao thông, vận tải thuận lợi cả bằng đường ôtô và bằng đường sắt

+ Đường Ô tô có đường quốc lộ18A, 18B nối vùng mỏ với các vùng kinh tế khác

Hệ thống đường sắt vận chuyển than từ Tây Khe Sim đến cảng Cửa Ông, kết hợp với mạng lưới đường thủy có cảng nước sâu lớn như Cửa Ông và các cảng nhỏ như Cẩm Phả, Km6, Mông Dương, tạo điều kiện thuận lợi cho việc xuất khẩu than, chuyên chở nội địa và trao đổi hàng hóa hiệu quả.

Địa tầng chứa than khu Lộ Trí của Công ty than Thống Nhất bao gồm trầm tích hệ Trias thống thượng, bậc Nori-Rêti, và hệ tầng Hòn Gai (T3n-rhg) Địa tầng này được phủ bất chỉnh hợp trên đá vôi có tuổi Carbon - Pecmi sớm (C3 - P1).

* Phụ hệ tầng Hòn Gai dưới (T 3 n - r)hg 1 :

Phụ hệ tầng này xuất hiện ở phía Nam khoáng sàng, có độ dày khoảng 300m, chủ yếu bao gồm cuội kết, xen kẽ với một số lớp cát kết, bột kết, sét kết và các lớp than mỏng không có giá trị công nghiệp.

* Phụ hệ tầng Hòn Gai giữa (T 3 n - r)hg 2 :

Cột địa tầng có chiều dày từ 700m  1000m bao gồm các đá chủ yếu như: cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết, và các vỉa than

Qui luật trầm tích của các vỉa than rất phức tạp, với chiều dày địa tầng chứa than tăng dần từ Nam ra Bắc và từ Tây sang Đông Hệ số chứa than tập trung chủ yếu ở phần trung tâm, đặc biệt là tại nếp lõm Lộ Trí Khi di chuyển lên phía Bắc, địa tầng chứa than trở nên dày hơn, nhưng chiều dày của các vỉa than lại bị vát mỏng dần.

Phụ hệ tầng Hòn Gai trên (T 3 n - r)hg 3 là tầng cao nhất, nằm trên vách Vỉa H(5) với diện phân bố hạn chế ở phía Bắc, tiếp giáp đứt gãy A-A Đặc điểm trầm tích của phụ hệ tầng này chủ yếu là đá hạt thô có nguồn gốc lục địa, bao gồm các thành phần như sạn kết, cuội kết, cát kết và bột kết Tuy nhiên, đặc tính phân bố của nó không rõ ràng và các vỉa than trong phụ hệ tầng này không có giá trị công nghiệp.

Hệ Đệ tứ (Q) chủ yếu phân bố ở phần phía Bắc khoáng sàng, trong khi ở phía Nam chỉ xuất hiện rải rác tại một số khu vực do các tầng khai thác lộ thiên đã bị bóc đi hoặc đổ thải lên.

Đất đá chủ yếu bao gồm cuội, sỏi, cát, sét và các vật chất thực vật, có cấu trúc bở rời Độ dày của lớp đất đá dao động từ 2 đến 10 mét, với độ dày trung bình khoảng 7 mét, thường không phân lớp rõ ràng trên các trầm tích Triát.

- Nếp lõm Tây đứt gẫy F. có trục chạy dọc theo đứt gẫy F., cánh Tây thoải, cánh Đông dốc

Nếp lõm Nam đứt gẫy F.C là một cấu trúc địa chất kéo theo của đứt gẫy F.C, với mặt trục hướng về phía Nam và đông nam Đối với chùm vỉa Dày(2), hai cánh của nếp lõm này có độ dốc tương đối thoải, trong đó cánh Nam dao động từ 10° đến 15°, còn cánh Bắc có độ dốc từ 20° đến 25°.

Nếp lõm +18 tọa lạc ở phía đông nam khu IVA, với trục nếp lõm chạy theo phương á vĩ tuyến Mặt trục có độ nghiêng nhẹ về phía bắc, trong khi hai cánh của nếp lõm có độ dốc thoải, dao động từ 15 đến 20 độ.

Nếp lõm 146-402 tọa lạc tại Tây Lộ Trí, kéo dài từ T.IB đến T.III, với trục nếp lõm hướng Đông Bắc-Tây Nam và xu hướng chìm dần về phía Đông Hai cánh của nếp lõm có độ dốc thoải, dao động trong khoảng 10° đến 20°.

Nếp lồi trung tâm khu IVA là yếu tố chính chi phối cấu trúc địa chất của khu vực này, với trục nếp uốn chạy theo phương á vĩ tuyến Mặt trục gần như thẳng đứng, trong khi hai cánh của nếp lồi có độ dốc từ 5 đến 15 độ, với mặt trục tương đối dốc và hơi nghiêng về phía Đông Nam Đặc biệt, cánh Nam có độ dốc và cấu trúc phức tạp hơn so với cánh Bắc.

- Nếp lồi Đèo Nai có trục theo hướng á kinh tuyến, cánh Tây của nếp lồi bị đứt gẫy F. cắt qua

- Đứt gãy thuận FB chạy theo phương TB - ĐN, mặt trượt cắm về Đông bắc với góc dốc 70 0 75 o Biên độ dịch chuyển hai cánh đứt gẫy không đều từ 20m100m

- Đứt gẫy thuận F có phương á kinh tuyến (phương vị 340 0 350 0 ), mặt trượt cắm Đông, góc dốc biến đổi từ 70 0 75 0 , biên độ dịch chuyến theo hướng dèc tõ 20 50m

- Đứt gẫy thuận FP1 có phương Đông Bắc - Tây Nam cắm Nam - Đông Nam, góc dốc thay đổi từ 55 0  60 0 Đứt gẫy FP1 có biên độ dịch chuyển từ 30m

Giải pháp thi công đường lò xuyên vỉa -35 khu lộ trí đoạn đi qua phay FC

Phân tích, lựa chọn các giải pháp thi công đào lò xuyên vỉa -35 đoạn

Dựa trên hiện trạng công nghệ thi công đào lũ xuyên vỉa -35, kết quả phân tích địa chất công trình và thủy văn từ các lỗ khoan thăm dò bổ sung ở khu vực phay FC cho thấy điều kiện địa chất tại đây đã biến động phức tạp, không còn phù hợp với giải pháp thiết kế thi công mà Công ty tư vấn đầu tư Mỏ và Công nghiệp - TKV đã đề xuất Do đó, việc tiếp tục thi công đường lò xuyên vỉa -35 qua khu vực phay FC cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để thực hiện các giải pháp thi công riêng rẽ hoặc phối hợp, phù hợp với các điều kiện địa chất phức tạp đã và đang được áp dụng trên thế giới cũng như tại Việt Nam.

4.1.1 Nguyên tắc lựa chọn giải pháp thi công

Theo chúng tôi, để thi công đường lò xuyên vỉa -35 qua phay FC, cần lựa chọn một giải pháp hiện đại và phù hợp với Việt Nam, đồng thời đáp ứng các yêu cầu cần thiết.

- An toàn cho người và thiết bị tham gia thi công;

- Đảm bảo được tiến độ thi công đã đặt ra;

Công nghệ thi công cần phải tương thích với điều kiện địa chất của công trình và địa chất thủy văn của phay FC, đồng thời phải phù hợp với mặt bằng, không gian thi công và trình độ thi công hiện có.

- Tận dụng tối đa được các thiết bị thi công đã có của công ty;

- Công nghệ phải tiên tiến, thi công phải đơn giản nhưng chi phí đầu tư là nhỏ nhất;

- Đảm bảo tiêu chuẩn môi trường và sinh thái

4.1.2 Lựa chọn giải pháp thi công khả thi cho lò xuyên vỉa -35 đoạn qua phay FC

4.1.2.1 Ưu nhược điểm của các giải pháp thi công khả thi trong điều kiện địa chất mỏ ở phay FC

* Giải pháp đóng băng nhân tạo

+ Mức độ an toàn cao;

+ Tốc độ đào lò đáp ứng được yêu cầu

+ Chi phí thời gian lắp đặt toàn bộ hệ thống đóng băng lớn;

+ Đòi hỏi trình độ đội thợ cao;

+ Công nghệ thi công phức tạp;

+ Các trang thiết bị và vật tư phải nhập từ nước ngoài do đó công tác vËn chuyÓn mÊt nhiÒu thêi gian;

+ Chi phí giá thành mét lò lớn đặc biệt là ở những nơi có nhiệt độ môi trường khu vực thi công cao như ở Việt Nam

* Giải pháp khoan tháo khô, gia cố vùng phay phá và đào lò dẫn

+ Sử dụng các trang thiết bị, vật tư và nhân lực hiện có của công ty và các đơn vị bạn trong ngành;

+ Công nghệ thi công đơn giản;

+ Vận chuyển các thiết bị dễ dàng;

+ Chi phí giá thành mét lò thấp

+ Thời gian thi công chậm do phải khoan các lỗ khoan tháo khô nước và thời gian rút nước;

+ Trình độ tay nghề của cán bộ và công nhân của công ty chưa cao trong điều kiện lưu lượng nước ngầm lớn

4.1.2.2 Chọn giải pháp thi công phù hợp

Dựa trên các ưu nhược điểm của các giải pháp thi công khả thi, nguồn nước chảy vào lũ xuyên vỉa -35 chủ yếu là nước từ đới hủy hoại thuộc phay FC và các phay phá nhỏ khác Ngoài ra, một phần nước bị tích tụ trong các hệ thống lũ khai thác Qua theo dõi và khảo sát, áp lực nước trong phay FC không thay đổi nhiều, cho thấy phay FC có nguồn nước ít, với lưu lượng dao động từ 2000m³/ng-đ đến 2200m³/ng-đ.

Dựa trên các kết quả nghiên cứu và khảo sát, luận văn đề xuất giải pháp thi công tối ưu cho lò xuyên vỉa -35 tại khu Lộ Trí trong đoạn qua phay FC.

Khoan tháo khô, gia cố vùng phay phá và đào lò dẫn.

Biện pháp tổ chức thi công

4.2.1 Khoan tháo khô nước trong phay FC

Công tác khoan tháo khô nhằm hạ áp nước trong phay FC được thực hiện bằng cách khoan 04 lỗ trực tiếp trong vùng phay Mỗi lỗ khoan có chiều dài L0m và đường kính lỗ khoan là 168, sử dụng ống lọc 146 để thu nước và phân chia.

02 lỗ dưới nền và 02 lỗ khoan xiên lên nóc lò Sơ đồ bố trí các lỗ khoan tháo khô được thể hiện trên hình 4.1

- Hai lỗ dưới nền được tháo khô nước bằng bơm cưỡng bức đặt trong lỗ khoan;

- Hai lỗ khoan xiên lên nóc lò, nước được thoát ra theo áp lực nước tự nhiên

Nước từ các lỗ khoan được dẫn ra hố bơm tại chân giếng chính mức -35 và sau đó được bơm ra ngoài cửa lò bằng hệ thống đường ống, giúp thoát nước khỏi khu vực gương lò.

Phạm vi lò đào qua phay Các lỗ khoan tháo khô nước ngầm

Vùng phay FC Các lỗ khoan tháo khô nước ngầm

Hình 4.1 Sơ đồ khoan tháo khô hạ áp nước ngầm trong phay FC

4.2.2 Đào lò qua phay FC bằng tiết diện nhỏ hình thang

4.2.2 1 Đào lò qua phay bằng tiết diện nhỏ hình thang

Sau khi nước trong phay FC được tháo khô, tiến hành đào chống lò với tiết diện nhỏ hình thang, có diện tích S đ = 6,4m2, theo hông phải của gương lò Hộ chiếu đào chống tạm được thiết lập như sau:

- Đào phá đá: Công tác phá vỡ đất đá sử dụng phương pháp bán thủ công bằng búa chèn để căn phá đá;

- Chống lò: Sử dụng vì chống bằng thép SVP27 để chống tạm, bước chèng 0,5m;

Sử dụng các thanh thép góc L6363 có chiều dài từ 1200mm đến 1500mm để đóng nhói xung quanh khung chống, tạo ra một không gian kín ổn định trước gương với khoảng cách 150mm giữa các thanh.

Sơ đồ đào chống lò qua phay bằng lò có tiết diện nhỏ hình thang xem h×nh 4.2

Hình 4.2 Sơ đồ đào chống qua phay FC bằng lò hình thang có tiết diện nhỏ

4.2.2.2 Đào, chống mở rộng tiết diện đến tiết diện thiết kế

Sau khi hoàn thành việc đào tiết diện nhỏ hình thang qua vùng phay FC một cách an toàn, tiến hành mở rộng tiết diện đến kích thước thiết kế ban đầu (S đ m 2) Trình tự mở rộng tiết diện được thực hiện theo các bước cụ thể.

- Đào phá đá: Công tác phá vỡ đất đá sử dụng phương pháp bán thủ công bằng búa chèn để căn phá đá;

Chống lò cần sử dụng thép SVP27 để tạo khung chống tạm, với các thanh thép góc L6363 dài từ 1200mm đến 1500mm để làm nhói đóng lao dạng dầm conson xung quanh khung Điều này giúp tạo ra không gian kín ổn định với khoảng cách 150mm giữa các thanh Đối với những vị trí có dấu hiệu mất ổn định, cần thực hiện chống tăng cường bằng cách xếp cũi lợn.

4.2.2.3 Chống cố định lò xuyên vỉa -35 đoạn qua phay FC

Sau khi hoàn thành việc đào chống tạm theo thiết kế ban đầu, tiến hành cố định toàn bộ tiết diện bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ với vòm ngược Bê tông sử dụng có mác 250, với đá kích thước 20×40 và chiều dày 400mm Đối với phần vòm ngược, bê tông cũng có mác 250, đá 20×40 và chiều dày 250mm.

Mặt cắt ngang đường lò mở rộng được thể hiện hình 4.3

Hình 4.3 Tiết diện chống tạm và chống cố định lò xuyên vỉa mức -35 đoạn qua phay FC kết luận và kiến nghị

Trong những năm tới, nhu cầu năng lượng gia tăng đòi hỏi ngành than phải mở rộng khai thác, bao gồm cả việc khai thác sâu hơn Điều này đồng nghĩa với việc thi công các công trình mỏ sẽ phải đối mặt với điều kiện địa chất phức tạp, và tần suất gặp phải những điều kiện này trong quá trình thi công sẽ ngày càng gia tăng.

Trong thời gian tới, cần tiến hành các nghiên cứu chi tiết và toàn diện hơn nhằm nâng cao trình độ thiết kế thi công trong điều kiện địa chất phức tạp của ngành than Trước khi quyết định sử dụng các giải pháp thi công đơn lẻ hay phối hợp, cần thực hiện thăm dò và đánh giá bổ sung đầy đủ.

Một giải pháp thi công được lựa chọn cần phải thoả mãn các yêu cầu sau:

- An toàn cho người và thiết bị tham gia thi công;

- Đảm bảo được tiến độ thi công đã đặt ra;

- Công nghệ thi công phải phù hợp nhất với kiện địa chất phức tạp, phù hợp với mặt bằng, với không gian thi công, trình độ thi công;

- Tận dụng tối đa được các máy móc, thiết bị thi công đã có của đơn vị hay của các đơn vị trong ngành;

- Công nghệ phải tiên tiến, thi công phải đơn giản nhưng chi phí đầu tư là nhỏ nhất;

- Đảm bảo tiêu chuẩn môi trường và sinh thái

2.1 Đối với Công ty than Thống nhất- TKV

Qua tài liệu thăm dò và báo cáo thăm dò bổ sung luận văn đã đi đến nhận định:

Điều kiện địa chất kỹ thuật tại khu Lộ Trí của Công ty Than Thống Nhất rất đa dạng, đặc biệt là ở đường lò xuyên vỉa vận tải mức -35 Khu vực này đi qua nhiều loại đất đá có độ kiên cố khác nhau, và khi gặp các hiện tượng như phay phá hay đứt gãy, đất đá sẽ trở nên mềm yếu và chứa nhiều nước.

Phay FC tại khu Lộ Trí, đoạn lò xuyên vỉa vận tải mức -35, chứa nhiều nước và có thành phần thạch học chủ yếu là đất đá vò nhàu sụt đổ.

Nước chảy vào lò xuyên vỉa -35 chủ yếu là nước từ đới hủy hoại của phay FC và các phay phá nhỏ liên kết với nhau, bên cạnh đó còn có một phần nước bị tích tụ và ứ đọng trong các hệ thống lũ mà chúng khai thác.

- áp lực nước trong phay FC thay đổi khụng nhiều, lưu lượng thay đổi từ 2000m 3 /ng-đ đến 2200m 3 /ng-đ

Giải pháp thi công lò xuyên vỉa -35 tại khu Lộ Trí đoạn qua phay FC bao gồm khoan tháo khô, gia cố vùng phay phá và đào lò dẫn Để đảm bảo an toàn cho người và máy móc, cũng như giảm chi phí thi công, cần thực hiện quy trình cụ thể.

* Về trình tự công nghệ:

- Khoan tháo khô gương lò;

- Đào và chống lò dẫn;

- Đào, chống tạm mở rộng tới tiết diện thiết kế; chú ý tới việc chống tăng cường;

- Chống cố định tiết diện thiết kế

* Về tổ chức thi công: chuyển từ tổ chức đào chống lò theo ca sang kíp 2.2 Đối với Tập đoàn công nghiệp Than và Khoáng sản Việt Nam

Cần xây dựng kế hoạch cử cán bộ kỹ thuật đi học tập và nghiên cứu công nghệ thi công trong điều kiện địa chất phức tạp tại các nước tiên tiến một cách toàn diện và đầy đủ.

- Cần tổ chức tham quan, hội thảo về các giải pháp thi công trong điều kiện địa chất phức tạp ở các đơn vị trong và ngoài Tập đoàn;

Trong điều kiện địa chất phức tạp, thiết bị thi công thường có giá thành cao nhưng không được sử dụng thường xuyên Do đó, Tập đoàn cần cân nhắc mô hình đầu tư thiết bị và cho thuê tài chính với các đơn vị thành viên để tối ưu hóa chi phí.