Giáo trình đào chống lò

BỘ CƠNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH

GIÁO TRÌNH

ĐÀO CHỐNG LÒ
DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

QUẢNG NINH - 2011


LỜI NĨI ĐẦU
Ngành cơng nghiệp khai thác khống sản là một trong những ngành kinh
tế mũi nhọn của đất nước mà hàng năm Đảng và Nhà nước ta luôn quan tâm đến
sản lượng khai thác than và sự phát triển của ngành. Để đáp ứng được yêu cầu
đặt ra, những năm gần đây ngành than đã tiến hành xây dựng thêm một số mỏ
mới và quy hoạch lại và mở rộng các mỏ hiện có nhằm tăng sản lượng khai thác
than hàng năm của các mỏ, trong đó chủ yếu là các mỏ ở vùng Quảng Ninh.
Tuy nhiên, sản lượng than khai thác hàng năm của nước ta còn rất thấp so
với kế hoạch đặt ra và một số nước trên thế giới có trữ lượng than tương đương
với nước ta. Vì vậy, việc xây dựng mới các mỏ than và tăng cường phát triển
ngành than ở nước ta là nhiệm vụ rất lớn đối với các cán bộ khoa học và các cán
bộ công nhân viên trong ngành than. Với trữ lượng rất lớn đã thăm dò ở vùng
đồng bằng Bắc Bộ và phần sâu của vùng Quảng Ninh, nếu chúng ta chú ý và có
một quan điểm đúng mức, chắc chắn sẽ làm cho ngành than nước ta phát triển
mạnh mẽ góp phần vào sự phát triển nền cơng nghiệp nói chung của đất nước.
Giáo trình Đào chống lị được biên soạn theo chương trình và mục tiêu đã
được duyệt cũng mong muốn góp phần vào việc đào tạo những cán bộ khoa học
kỹ thuật thực hành bậc Đại học ngành khai thác mỏ hầm lò, phục vụ đắc lực cho
sự phát triển của ngành than.

Giáo trình Đào chống lị gồm các phần chính:
- Trình bày những nội dung cơ bản về áp lực đất đá mỏ và các phương
pháp cũng như kỹ thuật chống giữ các đường lị trong mỏ.
- Giới thiệu các vấn đề về cơng tác tổ chức thi cơng các loại đường lị đào
trong một số loại đất đá đặc trưng.
- Giới thiệu một số phương pháp củng cố và sửa chữa các đường lò bị yếu
đi hoặc hư hỏng sau một thời gian sử dụng...
Tuy nhiên do trình độ có hạn và biên soạn lần đầu nên khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Kính mong đồng nghiệp và độc giả đóng góp ý kiến để bài
giảng được hoàn thiện tốt hơn cho các lần biên soạn sau.
Quảng Ninh, ngày 5 tháng 01 năm 2011
Tác giả

Trần Xuân Truyền

1


CHƢƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐƢỜNG LÒ, ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ XUNG
QUANH ĐƢỜNG LÒ
1.1. Đặc điểm địa chất, địa chất thủy văn, tính chất cơ lý đá ảnh hƣởng đến
cơng tác đào chống lò
1.1.1. Điều kiện địa chất và địa chất thuỷ văn
- Đặc điểm kết cấu nham thạch: cùng với độ kiên cố của đá, kết cấu nham
thạch là yếu tố quan trong trong việc lựa chọn chế độ làm việc cho thiết bị
khoan. Với kết cấu hạt thô có khả năng mài mịn lớn hơn kết cấu hạt vừa và mịn.
Việc chọn chế độ làm việc hợp lý cho thiết bị khoan dựa trên đặc điểm kết cấu
của nham thạch có thể giảm chi phí mũi khoan, nâng cao và duy trì tốt năng suất
của thiết bị.
- Mức độ phân lớp, nứt nẻ và độ rỗng của đá: đây là yếu tố không chỉ ảnh

hưởng đến công tác khoan mà cịn ảnh hưởng khá lớn đến cơng tác nổ mìn. Khi
khoan vào khối đá có nhiều mặt phân lớp mà giữa các mặt phân lớp có độ phân
lớp rõ ràng hoặc khối đá có nhiều khe nứt, nếu lựa chọn thiết bị khoan (loại mũi
khoan) và chế độ khoan không hợp lý (lực đập dọc trục lớn, tốc độ xoay giảm)
có thể dễ dẫn tới kẹt chng khoan. Khi khoan vào các vùng có độ rỗng, nứt nẻ
lớn việc lấy phoi khoan thường rất khó khăn. Với độ nứt nẻ và độ rỗng lớn có
thể làm giảm hiệu quả của cơng tác nổ mìn do một phần năng lượng nổ đã bị
phân tán vào các khe nứt và lỗ rỗng, một nguyên nhân khác nữa là do năng
lượng sóng nổ khi truyền đến bề mặt phân lớp hoặc bề mặt khe nứt một phần bị
phản xạ trở lại, phần còn lại sẽ khúc xạ và lan truyền sang khối đất đá cần phá
vỡ khi đó năng lượng sóng nổ để phá vỡ đất đá đã bị giảm làm hiệu quả phá vỡ
đất đá giảm theo. Khi đất đá nứt nẻ mạnh ngồi ảnh hưởng đến cơng tác khoan
nổ mìn cịn ảnh hưởng rất lớn đến cơng tác bảo vệ đường lị và biện pháp thi
cơng. Khi đó có thể phải sử dụng biện pháp thi công bằng cách gia cố đất đá
trước khi đào lò, hoặc phải lựa chọn các loại kết cấu chống giữ cho phù hợp.
- Địa tầng đất đá có nhiều đặc điểm khác nhau và biến đổi dọc theo chiều
dài của giếng. Vì vậy, công tác xây dựng không phải lúc nào cũng tiến hành một
cách dễ dàng và thuận lợi. Trong thi công, các giếng nghiêng đào qua các tầng
đất đá khác nhau như: Tầng đất đá bị phong hoá, bở rời, khi gặp đá quá cứng,
qua phay phá, uốn nếp lớn, cấu trúc và thế nằm của các lớp nham thạch sẽ thay
đổi, hang hốc, các vùng chứa nhiều nước, nước có áp, cát chảy, nổ khí, nổ đá,…
trong những trường hợp này thì việc xây dựng các cơng trình ngầm nói chung
gặp rất nhiều khó khăn. Khi đó ngồi việc thay đổi chế độ làm việc đảm bảo phù
hợp với các điều kiện địa chất, trong một số trường hợp phải xây dựng các biện
pháp thi công đặc biệt để đảm bảo an tồn cho người và thiết bị, chi phí thi công
là phù hợp nhất.
+ Khi thi công giếng nghiêng, dọc theo chiều dài của giếng đào qua nhiều
lớp đất đá khác nhau thì tương ứng với mỗi lớp đất đá ta phải tính tốn, lựa chọn
2

thiết bị và công nghệ thi công cho phù hợp. Lúc này, vấn đề lựa chọn công nghệ
đào giếng càng trở lên phức tạp. Do đó, trong trường hợp này nên sử dụng công
nghệ đào hỗn hợp: sử dụng các loại thiết bị năng suất cao để đào trong đá mềm
và các thiết bị phức tạp để đào trong các loại đá rắn cứng. Trường hợp nếu
gương thi cơng có cả than và đất đá có thể lựa chọn phương pháp đào lò bằng
gương mặt rộng hoặc phương pháp đào lò bằng gương mặt hẹp.
+ Khi đào lò vào các khu vực có nguy cơ nổ khí cao nếu ta lựa chọn thiết
bị thi công hoặc vật liệu nổ không phù hợp dễ gây ra hiện tượng nổ khí. Lúc này
để đảm bảo an tồn trong q trình thi cơng ta phải thường xuyên đo và kiểm tra
nồng độ khí nổ, trong q trình thi cơng cơng trình ngầm phải có biện pháp thăm
dị, chọn thiết bị thơng gió và sơ đồ thơng gió khi thi cơng cho phù hợp. Phải sử
dụng các loại thiết bị thi cơng an tồn, khơng gây ra hiện tượng nổ khí, chọn loại
thuốc nổ và phương tiện gây nổ an toàn. Theo các tài liệu của Pháp để lại, tại
Quảng Ninh đã từng xẩy ra các vụ cháy - nổ khí và bụi nổ tại các mỏ Mông
Dương, Hà Lầm, Mạo Khê ...và gần đây là những vụ nổ khí tại Thống Nhất, Khe
Chàm 1 đã gây ra thiệt hại rất lớn cả về người và tài sản. Do đó, trong q trình
xây dựng các cơng trình ngầm trong mỏ hầm lị ln ln phải chú ý tới việc
thực hiện các biện pháp an tồn chống cháy - nổ khí và bụi.
+ Khi đào các cơng trình ngầm qua khu vực đất đá chứa nước và phay phá
làm cho quá trình chống giữ trở lên phức tạp hơn, nếu khơng có giải pháp hữu
hiệu thì cơng tác đào qua sẽ trở lên khó khăn, chi phí sẽ rất cao.
Tại các phay phá, đất đá bị vị nhàu do q trình biến đổi cơ học, tác dụng
của lực kiến tạo, tác động của áp suất, nước và các yếu tố hoá - lý mà chúng trở
thành rời rạc với các kích thước khác nhau có thể tạo lên hiện tượng cát chảy, có
những nơi chỉ bị vị nhàu, nứt nẻ nhiều, có những nơi ngậm nước cao tạo thành
túi chứa nước. Như khi đào đường lị xun vỉa số 1 mức -80 tại Cơng ty than
Mạo Khê gặp phay FA hiện tượng đất đá bị vò nhau mạnh, lưu lượng nước
ngầm chảy vào trong đường lị 60 m3/giờ. Khi đào giếng nghiêng khu Lộ TríCơng ty than Thống Nhất phần cổ giếng gặp phay Mt, vị trí phay thuộc vùng đất
phủ, lưu lượng nước 20 m3/giờ, khi giếng đào qua khu vực này gặp phải hiện

tượng đất đá bị trương nở thể tích gây biến dạng khung chống. Đặc biệt là phay
FC khi thi công giếng nghiêng phần lớn đường lò xuyên vỉa mức -30 cách chân
giếng nghiêng chính 30 m, hiện tượng nước chảy vào lớn khoảng 120 m3/giờ,
khi phay bị bục lần 1 khoảng 500 m3, lần 2 khoảng 1000 m3, quá trình thi công
qua phay FC kéo dài 1 năm [4].
- Độ ngậm nước của đá: khi thi cơng các đường lị qua các vùng đá sét
kết ngậm nước dễ làm lún máy xuống nền lị, gây khó khăn cho cơng tác chống
giữ và làm giảm năng suất của thiết bị.
- Nước trong gương giếng có thể chảy ra từ thân giếng hoặc gương giếng
và từ q trình khử bụi, nó ảnh hưởng đến khả năng làm việc của thiết bị và việc
lựa chọn các thiết bị khi đào giếng. Lượng nước thốt ra lớn có thể làm nền lị
trở lên mềm yếu, gây lún máy, ảnh hưởng đến sản xuất, lúc này cơng tác xúc
bốc và vận tải trở lên khó khăn, không nên sử dụng thiết bị vận tải băng tải do
khi đất đá chứa nước có độ dính bết cao làm ảnh hưởng đến quá trình vận tải. Về
3


cơng tác khoan nổ mìn phải chọn loại thuốc nổ và phương tiện gây nổ phù hợp
có khả năng chịu nước, khơng nên sử dụng bua mìn bằng đất sét và tốt nhất là
bua mìn bằng sỉ say, cần chú ý đến cơng tác khoan lỗ mìn nền.
Ví dụ: Tại một số các giếng nghiêng lượng nước ngầm tương đối lớn như
giếng phụ Nam Mẫu và giếng nghiêng chính Cơng ty than Khe Chàm, đặc biệt
tại giếng nghiêng phụ Công ty than Nam Mẫu lưu lượng nước 2060 m3/giờ.
Hiện tượng nước ngầm đã gây cản trở rất lớn đến tốc độ thi công giếng, khi đào
trong địa tầng chứa nước này tốc độ đào rất thấp thường chỉ đạt 2030 m/tháng
[4]. Trong điều kiện như vậy, để thi công công trình ngầm qua ta phải sử dụng
cơng nghệ thi cơng đặc biệt.
- Nước mỏ có tính ăn mịn kim loại sẽ ảnh hưởng đến độ bền của các thiết
bị, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng các kết cấu chống, không nên sử dụng các
kết cấu chống kim loại để chống giữ ở các đường lị khi nước có tính ăn mịn

kim loại.
1.1.2. Tính chất cơ lý của đá
- Hệ số kiên cố của đá: đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tồn bộ các
cơng việc trong q trình đào giếng, là cơ sở để tính tốn và lựa chọn thiết bị,
lựa chọn công nghệ thi công giếng cho phù hợp. Đây là yếu tố quan trọng trong
việc lựa chọn chủng loại và chế độ làm việc cho thiết bị khoan. Trong các mỏ
than khai thác bằng phương pháp hầm lò, với hệ số kiên cố của đá f4, thường
sử dụng thiết bị khoan hoạt động theo nguyên lý đập, đập-xoay hoặc xoay-đập.
Việc chọn chế độ làm việc cho thiết bị cũng là một vấn đề quan trọng trong việc
đảm bảo độ bền của thiết bị khoan và duy trì năng suất khoan. Với đá có độ kiên
cố lớn, nếu việc chọn góc vát của mũi khoan, loại mũi khoan và tốc độ quay của
chng khoan khơng hợp lý (nhanh) có thể làm mũi khoan nhanh bị mài mịn và
hiệu qủa khoan thấp. Với đá có độ kiên cố thấp, nếu chọn chế độ đập nhanh, chế
độ xoay chậm (máy khoan xoay-đập hoặc đập-xoay) có thể làm giảm hiệu quả
của thiết bị. Khi thi công qua các khu vực như: phay phá, các đới phá huỷ vò
nhàu, qua các lớp sét-sét than và qua các vỉa than có độ kiên cố thấp, ngoài việc
điều chỉnh chế độ làm việc của thiết bị khoan cần lập các biện pháp chống lún
cho thiết bị.
Theo số liệu thống kê của nước ngồi thì chi phí và thời gian khoan một
đơn vị chiều dài lỗ khoan với đường kính cho trước sẽ biến đổi và tăng mạnh khi
đào trong vùng đất đá có hệ số kiên cố f10 (M.M Prơtơđiacơnơv) (tăng tới 2,58
lần về giá thành và 2,7 lần về chi phí thời gian).
Năng lượng dùng để phá vỡ đất đá cũng tăng vọt. Theo Viện sỹ V.V.
Rjevxki mức độ khó khăn dùng để phá vỡ đất đá được tính như sau [8]:
K = 5.10-3n+k+.Ai +5.10-5;
(1.1)
2
Trong đó: n, k và – Giới hạn bền nén, kéo và trượt của đá, kG/cm ;
- Trọng lượng thể tích của đá, T/m3;
Ai– Chỉ số âm của khối đá, Ai=

khối đá; Am- Tốc độ âm truyền trong mẫu đá.
4

Ak
; Ak- Tốc độ âm truyền trong
Am


Độ khó khăn phá vỡ đá

Chi phí thời gian khoan

Giá thµnh mÐt khoan

Như vậy các loại đá rất cứng (tương đương với f≥10) sẽ gây nên những
khó khăn đặc biệt trong hai khầu: Khoan lỗ mìn và phá vỡ đất đá.
Từ công thức 2.1 ta thấy, khi ứng suất nén (n), ứng suất kéo (k) và ứng
suất trượt () của khối đá tăng thì mức độ khó khăn để phá vỡ đất đá tăng rất
nhanh.
Ngoài ra chỉ số K được đánh giá thông qua hệ số kiên cố f của đất đá thì
mức độ khó khăn được đánh giá bằng giá thành khoan, chi phí thời gian khoan
và mức độ khó khăn khi phá vỡ đất đá thơng qua chỉ s K c th hin hỡnh
2.1.

3
2
1

Nhóm đá
V

Vi

Vii

iix

ix

x

xi

4

6

8

10

14

18

25

f

Hỡnh 1.1. Thay i các chỉ tiêu khoan theo độ bền (độ kiên cố) của đá [8];

1- Giá thành mét khoan; 2- Chi phí thời gian khoan; 3- Độ khó khăn phá vỡ đá
Từ biểu đồ hình 2.1 ta thấy: khi đất đá có hệ số kiên cố f>8 chi phí thời
gian khoan và độ khó khăn phá vỡ đất đá bắt đầu tăng nhanh; khi đất đá có hệ số
kiên cố f>10 tất cả các nhân tố như giá thành mét khoan, chi phí thời gian khoan
và độ khó khăn khi phá vỡ đất đá tăng rất nhanh.
+ Khi thi cơng cơng trình ngầm nếu điều kiện địa cơ học thay đổi, thì phải
thay đổi hộ chiếu khoan nổ mìn tương ứng với từng điều kiện địa cơ học phù
hợp. Để lập hộ chiếu người thiết kế phải tiến hành xác định hệ số kiên cố đất đá ở
các đoạn lò (theo một phương pháp thí nghiệm nào đó; ví dụ xác định hệ số kiên
cố đất đá dựa trên phương pháp cối giã của Prơtơđiakơnơp) và các đặc tính địa cơ
học khu vực khối đá tương ứng mà đường lò phải đào qua. Công việc này được
tiến hành liên tục trong suốt thời gian thi cơng cơng trình. Đặc biệt, khi điều kiện
địa chất, địa cơ học thay đổi. Trên cơ sở hệ số kiên cố của Prơtơđiakơnốp và các
đặc tính địa cơ học khác, người thiết kế sẽ tiến hành tính toán số lượng lỗ khoan,
lượng thuốc nổ cho mỗi chu kỳ, chỉ tiêu thuốc nổ cho mỗi khối đá nguyên và các
thơng số khoan nổ mìn khác.
*
Theo Prơtơđiakơnốp số lượng lỗ khoan N trên gương lị được tính như sau:
(1.2)
N  2,7. f .S ; lỗ.
Trong đó: f- Hệ số kiên cố của đất đá; S- Tiết diện gương lò, m2 .
5


*
Theo Prôtôđiakônốp lượng thuốc nổ cho mỗi khối đá nguyên được
tính như sau:
q  1,1.e.

f

; kg/m3
S

(1.3)

Trong đó: f và S được chú giải ở công thức trên; e- Hệ số điều chỉnh phụ thuộc
vào khả năng công nổ của thuốc nổ sử dụng và được xác định như sau: e 

525
;
P

P- Khả năng công nổ của thuốc nổ được sử dụng.
Từ công thức (1.2) và (1.3) cho thấy rằng hệ số kiên cố của đất đá có
ảnh hưởng rất lớn đến việc tính tốn và lựa chọn các thơng số khoan nổ
mìn. Nếu khoan nổ mìn ở gương lị đá có hệ số kiên cố lớn thì lượng thuốc
nổ cần thiết để phá vỡ đất đá và số lỗ khoan ở trên gương lị cũng tăng lên.
+ Trong thi cơng CTN có các phương pháp đào hầm như: Đào bằng
khoan nổ mìn, đào bằng máy đào lị, đào bằng thủ công, đào bằng búa
chèn, đào bằng sức nước. Tùy theo độ bền vững của đất đá mà có thể lựa
chọn các phương pháp phá vỡ đất đá trong thi công CTN cho phù hợp
(bảng 1.1.)
Bảng 1.1. Phạm vi áp dụng của các phương pháp thi công đào hầm
Đá rắn cứng
Đất đá bở rời
Độ bền
Độ bền
Độ bền
Đất dính
Đất rời

Đất chảy
cao
trung bình
thấp
Khoan nổ mìn
Máy đào tồn gương (Máy đào hầm(TBM)), máy khiên đào
(SM)
Máy đào từng phần gương (máy cắt từng phần)
Đào bằng các máy xúc bốc
Đào bằng rửa lũa (sức
nước, khí nén)

+ Tính chất cơ lý của đất đá có ảnh hưởng rất lớn đến việc lựa chọn KCC
và phương thức chống giữ cho CTN. Ngồi ra, tính chất cơ lý của đất đá còn là
cơ sở để lựa chọn sơ đồ thi cơng trên gương lị nó được thể hiện ở bảng 1.1.
+ Dựa vào hệ số kiên cố của đất đá M.M.Protođiakonov đã đưa ra
các giải pháp chống giữ cho đường hầm như sau:
Đối với hầm giao thông không cần chống giữ chỉ trong những điều
kiện đặc biệt thuận lợi như trong đá cứng chắc, đồng nhất, khơng bị phong
hố và nứt nẻ không đáng kể. Trong trường hợp cần thiết có thể đặt neo
trong phần vịm hoặc phun lên vách hang một lớp vữa dày 35 cm để bảo
vệ đá khỏi phong hố, phịng nước và giảm sức cản khơng khí cho cơng
trình.
Trong những địa tầng có hệ số kiên cố f=810 khi gặp áp lực thẳng
đứng không đáng kể, áp lực bên khơng có, vỏ hầm có dạng vịm thoải kê
trực tiếp lên địa tầng. Hai vách có thể thẳng đứng hoặc hơi nghiêng một
6


chút ra phía ngồi và chỉ cần phun một lớp vữa dày 35 cm (hình 1.2a)

vịm có thể là bê tơng tồn khối, bê tơng phun hoặc bê tơng phun tổ hợp
với vì neo. Chân vịm trong trường hợp này thường nghiêng so với phương
nằm ngang một góc từ 150 200 . Để đảm bảo ổn định chân vòm chừa bậc đá
rộng 0,20,3 m.
b)

3

I

2

dv

dv

a)

2

2
3
dcv

6500-7500

R

R
R1






2000-2500

6500-7500

I

100

4

dt

4
200-300

7000-8000

7000-8000

dm
9000-10000

dm

9000-10000

A-A
A

2

2

5

6500-7500

R

1

1

5

50-100 200 300

dv

3

A

c)

4
7000-8000

dm

9000-10000

d)
dv

®)

e)

6

2

8

R
1


2000-2500

6500-7500

R

3

7

dt

4

7000-8000

7000-8000

9

dm
1000-11000
9500-10500

9500-10500

dv

g)

R1

2

Hình 1.2. Kết cấu vỏ hầm bê tơng tồn khối

dạng vịm [11]

v

dc

R4

7000-8000

R2

4

dt

R
7000-8000

dt

d
3
10000-12000

1. Lớp mặt; 2. Bờ tụng ton khi;
Hình 2.6.
vỏ hầm
bê tông
khối xe

dạng
vòm
3. Gii
hn Kết
khcấu
hm;
4. Phn
mttoàn
ng
chy;
Lớp mặt; 2. Bê tông toàn khối; 3. Giới hạn khỉ hÇm;
5.1. Tơn
lượn sóng; 6. Neo; 7. Lớp vỏ đầu tiờn;
4. Phần mặt đu ? ng xe chạy; 5. Tôn lu ? n sãng; 6. Neo;
8. Lớp vỏ thứ hai; 9. Vũm ngc
7. Lớp vỏ đầu tiên; 8. Lớp vỏ thø hai; 9. Vßm ngưa

Trong đá cứng nứt nẻ có hệ số kiên cố f=37 cần phải xây vỏ cho cả
phần vịm và tường (H 1.2b). Khi khơng có áp lực bên và áp lực nước
ngầm tường có dạng thẳng đứng. Chân tường có thể mở rộng đơi chút để
cải thiện điều kiện tựa lên đáy hang. Nếu hầm thi công theo phương pháp
7


đào tồn tiết diện thì vịm và tường được nối trơn. Vỏ hầm trong trường
hợp này có thể xem như có dạng vịm nhọn. Giữa các chân tường người ta
đổ bê tông thành đáy phẳng để truyền tải trọng của tàu xe chạy trong hầm
xuống nền. Ngồi bê tơng tồn khối (hoặc lắp ghép) vỏ hầm trong trường
hợp này có thể dùng bê tông phun hoặc bê tông phun lên lưới thép có gia
cường bằng neo. Vỏ hầm loại này sẽ cùng làm việc với một phần của khối

đá bao quanh như một vòm cứng và bền.
Trong đá nứt nẻ và phá hoại khơng cứng có thể sử dụng vỏ hầm liên
hợp kiều hệ Bernold (hình 1.2c). Vỏ loại này là tổ hợp vì chống tạm và ván
khn để làm chức năng của vỏ vĩnh cửu. Vỏ thường lập từ vỏ bê tông dày
từ 1015 cm, lớp bê tông phun dày 58 cm và lớp thép lá lượn sóng và có
lỗ dày 13 mm. Thép lá loại này dính bám rất tốt với bê tơng và bảo vệ nó
khỏi bị phá hỏng do nổ mìn.
Trong địa tầng có hệ số kiên cố f=24 thường thi công bằng phương
pháp đào từng bộ phận, đặc biệt đối với hầm có tiết diện lớn. Vỏ hầm trong
trường hợp này thường có dạng vịm kê lên tường thẳng đứng (hình 1.2d).
Đối với loại vỏ này ở chỗ nối chân vòm với tường, trục của kết cấu thường
bị gẫy khúc và do đó phát sinh hiện tượng tập trung ứng suất ở tiết diện
này. ở chỗ chuyển tiếp chiều dày của vòm và tường là như nhau. Tuy nhiên
nếu hầm xây dựng bằng phương pháp vòm trước tường sau khi chân vòm
mở rộng vừa kê lên địa tầng vừa kê lên tường điều đó vừa cải thiện được
điều kiện làm việc của tường và thuận lợi cho thi cơng (hình 1.2đ).
Khi thi cơng hầm bằng phương pháp “Đào hầm kiểu mới của Áo
(NATM)” trong đất đá cứng bị phá hoại hoặc đất đá nửa cứng người ta
thường xây dựng vỏ hầm hai lớp có dạng kín (hình 1.2e). Lớp đầu tiên
bằng bê tơng phun dày 1020 cm và được gia cường bằng vòm thép hoặc
neo. Lớp thứ hai là bê tông đổ tại chỗ hoặc bê tông phun dày từ 2535 cm.
Việc áp dụng loại vỏ này tạo điều kiện tốt nhất cho kết cấu ngầm cùng làm
việc với địa tầng xung quanh và tiết kiệm vật liệu.
Trong địa tầng mền yếu với áp lực thẳng đứng và áp lực bên đều lớn,
đôi khi xuất hiện cả áp lực từ dưới lên. vỏ hầm trong trường hợp này
thường có dạng vịm tường cong tựa lên vịm ngược (hình 1.2g). Vịm
ngược có tác dụng tiếp nhận tải trọng từ dưới lên; phân bố áp lực thẳng
đứng lên diện rộng và ngăn chặn sự dịch chuyển của chân tường vào trong
hầm do áp lực bên.
- Công phá huỷ đơn vị là năng lượng cần thiết để phá vỡ 1 m3 đá ở trạng

thái nguyên khối bằng công do năng lượng của thuốc nổ sinh ra hoặc công do
máy phá đá sinh ra. Công để thực hiện phá huỷ đơn vị được thể hiện bởi mối
quan hệ giữa ứng suất nén đơn trục và biến dạng của khối đá được tính tại thời
điểm phá huỷ theo cơng thức sau [18]:
Wz = d, (kJ/m3)
(1.4)
3
Trong đó: Wz- Cơng phá huỷ đơn vị (kJ/m ); - Ứng suất nén của đá; Biến dạng của đá.

8


Công phá huỷ đơn vị của đá ảnh hưởng đến tốc độ khoan, kết quả nghiên
cứu về mối quan hệ giữa tốc độ khoan và công phá huỷ đơn vị theo biểu đồ hình
1.3. [19].
Lỗ khoan có  45mm/cơng suất máy khoan 20kW

Tốc độ khoan

Tốc độ khoan (m/phút)

Rất cao
Cao
Trung
Thấp
Rất thấp

Công phá huỷ đơn vị, KJ/m3
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa tốc độ khoan và công phá huỷ đơn vị của đá [19].
Từ biểu đồ H 1.3. thấy rằng, công cần thiết để phá vỡ một mét khối đất đá

càng lớn thì tốc độ khoan càng giảm (tương ứng đường 2 trên H 1.1).
- Độ mài mòn của đất đá, đất đá có độ mài mịn cao sẽ làm cho mũi khoan
và choòng khoan, các thiết bị xúc bốc nhanh bị mịn khi đó chi phí mũi khoan,
thiết bị xúc bốc sẽ tăng lên.
- Tính đàn hồi–tính dẻo, nếu đất đá có tính đàn hồi và tính dẻo thì việc
phá vỡ đất đá khó khăn hơn, cịn nếu đất đá có tính dịn thì việc phá vỡ đất đá dễ
dàng hơn, khi đó chi phí thuốc nổ để phá vỡ đất đá sẽ giảm.
- Độ dính kết, đất đá có cấu tạo bởi các phần tử nhỏ (gọi là hạt) giữa các
hạt có lực dính kết chúng lại với nhau. Do đó muốn tách một phần đất đá ra khỏi
khối nguyên của nó phải tốn một cơng nhất định. Đất đá có độ dính kết cao khó
khoan và nổ mìn.
- Độ nở rời (độ vỡ rời) là tính chất của đất đá biểu thị khả năng tăng thể
tích sau khi bị phá vỡ. Độ nở rời được đặc trưng bằng hệ số nở rời KVR. Hệ số
nở rời là tỉ số giữa thể tích đất đá vỡ rời (VVR) với thể tích ngun khối (Vngk)
của nó.
KVR 

VVR
1
Vngk

(1.5)

Hệ số nở rời có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định khối lượng đất đá
sau khi nổ mìn, đó cũng chính là khối lượng đất đá cần xúc bốc và vận tải của
một chu kỳ nổ mìn. Nếu đất đá càng cứng rắn thì hệ số nở rời càng lớn, khi đó
lượng đất đá cần thiết phải xúc bốc tăng lên.
9

- Trọng lượng riêng và trọng lượng thể tích của đất đá ảnh hưởng đến
công tác khoan và công tác xúc bốc, nếu trọng lượng thể tích và trọng lượng
riêng lớn thì đất đá có độ cứng lớn, đất đá nặng. Vì vậy khi chọn máy khoan và
máy xúc cần chú ý đến những yếu tố này.
1.2. Những khái niệm chung về các loại đƣờng lò trong mỏ và quy trình
chung khi thi cơng các đƣờng lị trong mỏ
1.2.1. Khái niệm chung về các loại đường lò trong mỏ
Để khai thác khống sản có ích nằm trong lịng đất, người ta phải đào hệ
thống đường lò mở vỉa và chuẩn bị để vận tải khoáng sản và đá thải lên mặt đất,
đưa người và thiết, vật liệu xuống mỏ...
Vậy tất cả các đường lị với mục đích phục vụ khác nhau, nhiệm vụ khác
nhau mà chúng có tên gọi khác nhau, nhưng đều là những cơng trình nằm trong
lịng đất của mỏ và được phân thành những nhóm khác nhau:
* Nhóm đường lị thẳng đứng
- Nhóm đường lị thẳng đứng là loại đường lị được đào vng góc với
mặt phẳng nằm ngang, tùy theo tính chất và cơng dụng của nó mà có các tên gọi
khác nhau
+ Giếng đứng là loại đường lị thẳng đứng, có nối thơng trực tiếp ra mặt
đất. Giếng được dùng để trục tải khoáng sản từ dưới lên mặt đất, làm nối thốt
gió bẩn hoặc đưa gió sạch vào được gọi là giếng chính. Nếu giếng được dùng để
vận tải vật liệu, thiết bị, người hoặc đưa gió sạch vào mỏ hoặc thải gió bẩn được
gọi là giếng phụ.
+ Giếng nơng (giếng thăm dị) có nối thông trực tiếp với mặt đất, chiều
dài thường không q 100 m dùng để thốt gió bẩn, đưa vật liệu xuống, dùng để
thăm dị hoặc có thể dùng để khai thác (sau khi kết thúc giai đoạn thăm dò)
+ Giếng mù là loại giếng khơng có nối thơng trực tiếp ra mặt đất dùng để
vận tải khoáng sản từ mực dưới lên mức trên, tùy theo mục đích sử dụng mà ta
có giếng mù chính hay giếng mù phụ.
* Nhóm đường lị nghiêng:
Là những đường lị được đào nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang một

góc nào đó, thường có các loại đường lị sau đây:
+ Giếng nghiêng là loại đường lị nghiêng có lối thơng trực tiếp với mặt
đất, tùy theo cơng dụng mà ta có giếng nghiêng chính và giếng nghiêng phụ
+ Lị nghiêng là loại đường lị khơng có lối thơng trực tiếp ra mặt đất,
chúng có thể được đào dọc theo độ dốc của vỉa trong đá hoặc đào theo một độ
dốc nào đó theo mong muốn của người thiết kế. Tùy theo tính chất và cơng dụng
của nó mà có các loại đường lị sau: lò thượng là loại đường lò nghiêng dùng để
vận tải khống sản từ trên xuống gọi là thượng chính, dùng để vận chuyển vật
liệu...gọi là thượng phụ; lò hạ là loại đường lị nghiêng dùng để vận tải khống
sản từ dưới lên gọi là hạ chính, vận chuyển vật liệu...gọi là hạ phụ; ngồi ra cịn
các đường lị dốc, lò cắt, họng sáo đều thuộc loại lò nghiêng.
10


* Nhóm đường lị nằm ngang:
Là loại đường lị được đào theo một mặt phẳng nằm ngang nào đó. Tuy
nhiên thường phải đào dốc xi theo hướng vận tải khống sản và thoát nước
với độ dốc khoảng 350/00. Chúng bao gồm các loại sau:
+ Lò bằng là loại đường lò có lối thơng trực tiếp ra mặt đất thường được
đào vng góc hoặc tạo với phương của vỉa một góc nào đó theo mặt phẳng nằm
ngang, nếu lị đào xun qua các vỉa được gọi là lò bằng xuyên vỉa.
+ Lị xun vỉa là loại đường lị khơng có lối thông trực tiếp ra mặt đất và
được đào xuyên qua một số vỉa, đối với vỉa dày đào từ trụ sang vách vỉa hoặc
ngược lại còn gọi là lò xuyên than.
+ Lị dọc vỉa là loại đường lị khơng có lối thông trực tiếp ra mặt đất được
đào dọc theo phương của vỉa than hoặc vỉa đá, nếu là nhiệm vụ vận tải khoáng
sản được gọi là dọc vỉa vận chuyển trong đá hay lò dọc vỉa vận chuyển trong
than, nếu làm nhiện vụ thốt gió bẩn và đưa vật liệu...thì gọi là dọc vỉa thơng gió
trong đá hay lị dọc vỉa trong than.
+ Lò song song là loại lò dọc vỉa đào song song với lò dọc vỉa vận chuyển

hay lị dọc vỉa thơng gió hoặc được đào đồng thời trong q trình khấu than ở lị
chợ.
+ Lị nối, lị liên lạc, cúp là loại là nằm ngang khơng có nối thơng trực tiếp
ra mặt đất dùng để nối giữa hai lò thường, lò hạ hoặc giữa hai lò dọc vỉa trong
đá và trong than với nhau dùng để thơng gió trong q trình đào, dùng để vận
chuyển, thốt gió, đi lại
1.2.2. Quy trình chung khi thi cơng đường lị trong mỏ
Trong q trình đào lị, thường thực hiện các bước cơng việc trong một
chu kỳ đào lị theo trình tự như sau:
Phá vỡ đất đá trong
các đường lị

Thơng gió

Đưa gương vào
trạng thái an tồn

Các cơng tác phụ
khác

Chống tạm thời và
chống cố đinh

Xúc bốc và vận
chuyển đất đá

Hình 1.4. Quy trình chung khi thi cơng đường lị trong mỏ
1.3. Lý thuyết tƣờng chắn đất
1.3.1. Khái niệm chung
Tường chắn là một cơng trình nhân tạo được thi cơng nhằm ngăn cản sự

trượt lở của mái dốc khi góc nghiêng của mái dốc vượt quá giới hạn cân bằng.
Trong xây dựng dân dụng, tường chắn thường sử dụng chống đỡ đất đá khi đào
hố móng khi thi cơng các đường hầm. Trong giao thông, tường chắn dùng để
chống đỡ nền đường đắp, bảo vệ các sườn dốc tự nhiên và nhân tạo khỏi bị trượt
lở. Trong xây dựng thuỷ công tường chắn dùng để bảo vệ bờ sông, bờ biển.
11


Trong xây dựng mỏ tường chắn dùng để chống đỡ đất đá xung quanh vách lộ,
các mái dốc của công trường khai thác lộ thiên.
Giả sử ta có một khối đất đá hạt vụn (hay đất đá bở rời, kém ổn định) nếu
cắt khối đất đá bằng một mặt phẳng A-B mà khơng chống giữ thì đất đá sẽ bị
trượt lở, chỉ đến khi nào góc trượt đạt tới giới hạn cân bằng thì sự trượt mới
ngừng lại. Giả thiết rằng đến mặt trượt AC là cân bằng, thì khối đất đá bị trượt
lở chính là khối lăng trụ trượt tam giác ABC. Thực tế mặt trượt AC là mặt cong,
song để đơn giản trong tính tốn ta coi như mặt phẳng. Khi khối lăng trụ tam
giác trượt lở sẽ gây ra một áp lực vào tường chắn. Trong trường hợp này người
ta gọi là áp lực chủ động lên tường chắn (D). Ngược lại, khi có một ngoại lực tác
dụng vào tường chắn, tường chắn tác dụng vào đất đá, đất đá tác dụng lại một
phản lực ngược chiều. Phản lực này gọi là áp lực bị động tác dụng lên tường
chắn (Q). Trong trường hợp phản lực đất đá nhỏ hơn ngoại lực tác dụng vào
tường sẽ tạo nên một lăng trụ trồi tam giác A1B1C1
B

C

B1







C1





D



H

H

Q







1

A

A1


Hình 1.5. Tường chắn đất




1.3.2. Áp lực chủ động
Nếu ta cắt khối đất đá bằng mặt phẳng AB và bỏ đi phần bên trái, và coi
AB như là tường chắn đất. Giả sử tường chắn có chiều cao là H, đất đá sau
tường chắn có trọng lượng thể tích là , giữa tường và đất đá khơng có ma sát.
Khi đó áp lực D có phương tác dụng vng góc với AB.
Ta thấy áp lực chủ động tác dụng vào tường chắn là do chính trọng lượng
G của khối lăng trụ ABC gây ra.
Dựa vào phương pháp phân tích lực, ta phân tích G thành hai thành phần:
R và D. Trong đó:
G - Trọng lượng của khối lăng trụ trượt tam giác ABC;
D - Áp lực chủ động của đất đá tác dụng lên tường AB;
R - Áp lực của khối đất đá ABC lên mặt trượt AC;
Fms - Lực ma sát xuất hiện trên mặt trượt AC.
Phân tích lực R thành 2 thành phần: thành phần pháp tuyến N và thành
phần tiếp tuyến T và gọi góc hợp bởi lực R và N là 1 thì ta có:
T = N.tg1
(1.6)

12


Ta thấy thành phần lực T có xu hướng kéo khối lăng trụ ABC trượt xuống

theo mặt AC. Khi đó trên mặt trượt AC sẽ xuất hiện lực ma sát (F ms) cản trở sự
trượt của khối lăng trụ ABC và được tính theo cơng thức:
Fms = N.tg
(1.7)
Với  là góc ma sát trong của đất đá).
B

C
Fms
D

1

T
 G








R

N









H





G





A


D

R




Hình 1.6. Tường chắn đất chịu áp lực chủ động


Ở trạng thái cân bằng ta có:
T = Fms  N.tg1=N.tg  1=
(1.8)
Như vậy có thể rút ra kết luận: lực R ln ln hợp với phương pháp
tuyến một góc bằng góc ma sát trong của đất đá.
Từ sơ đồ hình 1.6. ta thấy góc hợp bởi lực G và thành phần pháp tuyến N
bằng  nên góc giữa G và R sẽ là ( - ).
Ở trạng thái cân bằng ta có tam giác lực khép kín được tạo thành bởi ba
lực: G, D, R. Từ tam giác lực ta có áp lực chủ động D tác dụng vào tường chắn
được tính theo công thức :
D = G.tg( - )
(1.9)
Nếu lấy chiều dài dọc theo tường bằng một đơn vị thì trọng lượng của
khối lăng trụ trượt tam giác tính theo cơng thức:
G=

1
H .BC.
2

(1.10)

Mà BC = H.tg (900- )
Thay (1.11) vào (1.10) ta có:
G=

 .H 2
2

(1.11)

.tg (90 0   )

(1.12)

Thay G ở cơng thức (1.12) vào (1.13) ta có:
D=

 .H 2
2

.tg (90 0   ) tg(-)

(1.13)

Như vậy áp lực D phụ thuộc vào góc trượt . Do đó từ biểu thức (1.13) ta
phải tìm giá trị góc trượt  sao cho khối lăng trụ trượt tam giác là lớn nhất cũng
13


có nghĩa là áp lực chủ động là lớn nhất. Để tìm cực trị của D ta tính đạo hàm bậc
nhất của D theo  và cho bằng 0.
D' 

dD
0
d

(1.14)

Sau khi tính đạo hàm và biến đổi ta tính được


90 0  
2

(1.15)
90 0  
vào công thức (1.13) ta xác định được áp lực lớn
2

Thay giá trị  =

nhất tác dụng lên tường chắn:
Dmax=

 90 0   
 ,T/m
.tg 
2
2



 .H 2

2

Để tìm được cường độ áp lực phân bố
theo chiều cao tường chắn ta lấy vi phân D max

theo chiều cao H nghĩa là:
d=

dDmax
dH

(1.16)

(1.16)
B d1




Từ đó tính được:
 90 0   
 ,T/m2
2



d =  .h.tg 2 

(1.17)

Trong đó:
 - Trọng lượng thể tích đất đá, T/m3;
h- Thay đổi từ 0 ÷ H, m;

A

d2

Hình 1.7. Biểu đồ phân bố áp lực

 90   

tg 
 - Hệ số đẩy ngang của đất đá hạt vụn theo coulomb. 
 2 
2

Từ biểu thức trên ta thấy cường độ áp lực trên tường chắn đất phân bố
theo dạng hình tam giác. Cường độ áp lực tại đỉnh tường d 1= 0 (vì h= 0), và ở
chân tường lớn nhất:
 90 0   
 , T/m2
 2 

d2=  .H .tg 2 

(1.18)

Như vậy, cường độ áp lực của một điểm bất kỳ nào trên tường phụ thuộc
vào độ sâu của điểm đó và góc ma sát trong của đất đá .
1.3.3. Áp lực bị động
Ngược lại với trường hợp áp lực chủ động, khi có ngoại lực Q tác dụng
vào tường chắn A’B’ làm cho khối đất đá bên trong có khuynh hướng trồi lên
theo mặt A’C’ tạo nên khối lăng trụ trồi tam giác A’B’C’. Tương tự như áp lực
chủ động, dưới tác dụng của trọng lượng khối đất đá lăng trụ trồi A’B’C’ sẽ gây

ra áp lực bị động Q tác dụng vào tường (phản lực của đất đá vào tường). Dựa
vào phương pháp phân tích lực, ta phân tích G’ thành hai thành phần: Q’ và R’.
Trong đó:
14


G’ – Trọng lượng của khối lăng trụ trồi tam giác A’B’C’;
Q – Áp lực bị động của đất đá tác dụng lên tường chắn A’B’;
R’ - Áp lực của khối đát đá lên mặt trồi A’C’.
Khi khối đất đá A’B’C’ có xu hướng trồi lên thì trên mặt trồi A’C’ sẽ xuất
hiện lực ma sát (Fms) cản trở sự trồi lên của nó.
,
B

C



T
Q


,



,
A




G



Fms

,

N

,

,
R

1


H





G










,






,

,
R

Q






Hình 1.8. Tường chắn đất chịu áp lực bị động


Tương tự như

cách tính tốn và chứng minh ở trường hợp áp lực chủ động
ta có thể kết luận lực R’ luôn hợp với phương pháp tuyến một góc bằng chính
góc ma sát trong  của đất đá.
Giả sử góc trồi là 1 thì góc hợp bởi giữa lực R’ với G’ là (1+ ). Ở trạng
thái cân bằng ta có tam giác lực khép kín (hình 2.5). Từ tam giác lực ta có:
Q = G’. tg(1+)
(1.19)

Tương tự như tính áp lực chủ động ta tìm được góc trồi 1 =
với 1 =
Qmax=

90 0  
. Ứng
2

90 0  
thì áp lực đạt trị số lớn nhất Qmax.
2

 90 0   
1
 , T/m
. .H 2 tg 2 
2
 2 

(1.20)

Cường độ áp lực bị động tác dụng

theo từng điểm trên chiều cao tường tính
theo cơng thức sau:
q=  .h.tg

90 0  
, T/m2
2





(1.21)

Cường độ này phân bố theo dạng hình
tam giác. Tại đỉnh tường cường độ áp lực
bằng q1=0, và tại chân tường cường độ áp
90 0  
lực là q2 =  .H .tg
2

q1

B

(1.22)

A

Hình 1.9. Biểu đồ phân bố áp lực

1.3.4. Áp lực chủ động khi bên trên có tải trọng phân bố đều
15

q2








A1

1.h1


B

C




H

h0

Trường hợp này chỉ khác trường hợp tính áp lực chủ động là ở bên trên

khối đất đá phía trong tường chắn có phân bố đều một lớp tải trọng.


A

Hình 1.10. Tường chắn
đất chịu áp lực chủ động khi bên

trên có tải trọng phân bố đều
Giả thiết lớp tải trọng phân bố đều có trọng lượng thể tích là 1 và chiều
cao h1, cịn đất đá ở phía trong tường có trọng lượng thể tích là  và chiều cao H.
Ta phải tính tốn để quy đổi lớp tải trọng phân bố đều thành một lớp tải
trọng khác có tính chất tương đương với đất đá ở sau lưng tường chắn.
Ta có biểu thức:
1h1 = .h0
(1.23)
 h0 

 1 h1
,m


(1.24)

h0 - Chiều cao của lớp tải trọng phân bố đều sau khi đã quy đổi.
Từ cơng thức trên ta có thể thấy h0 có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn h1. Ta giả
thiết h0 > h1. Đến đây việc tính áp lực chủ động tác dụng lên tường tương tự như
đã tính ở mục 1.3.2 nhưng coi tồn bộ khối đất đá có chiều cao là (H+h 0), nghĩa
là thêm một phần tường tưởng tượng BA1. Vậy muốn tính áp lực chủ động tác
dụng lên tường AB, ta chỉ cần tính áp lực chủ động tác dụng lên A 1B và AA1 rồi

lấy áp lực trên tường A1A trừ áp lực trên tường A1B.
(1.25)
DAB  DA A  DA B
1

1

Áp lực chủ động tác dụng lên tường chắn A1A có chiều cao là H + h0:
D A1 A =

 H  h0 2
2

 90 0   
 , T/m
.tg 2 
 2 

(1.26)

Áp lực chủ động tác dụng lên phần tường chắn A1B có chiều cao là h0:
D A1B =

 .h02

 90 0   

tg 2 
2
 2 

(1.27)

16


Thay (1.26) và (1.27) vào công thức (1.25) và biến đổi ta có cơng thức
tính áp lực chủ động tác dụng lên tường chắn AB như sau :
DAB =

H H  2h0 
2

tg 2

90 0  
, T/m
2

(1.28)

Để tính cường độ áp lực phân bố theo chiều cao tường, ta vi phân công
thức (1.28) theo H, ta được:
90 0  
, T/m2
dAB =  h  h0 tg
2
2

Trong đó : h = 0 ÷ H

Cường độ áp lực tại đỉnh tường
(điểm B) ứng với h = 0.
d1= h0 tg 2

90  
, T/m2
2
0

(1.30)

(1.29)
B

d1




Cường độ áp lực tại chân tường
(điểm A) ứng với h = H
d2=  H  h0 tg 2

90 0  
, T/m2
2

(1.31)

Từ đây ta vẽ được biểu đồ phân

A
bố áp lực theo chiều cao của tường
d2
chắn AB. Biểu đồ phân bố áp lực có
Hình 1.11. Biểu đồ phân bố áp lực
dạng hình thang có đáy nhỏ là d1 và đáy


lớn là d2. Điểm đặt của tải trọng DAB tại trọng tâm của biểu đồ.
1.4. Áp lực đất đá tác dụng lên đƣờng lò
1.4.1. Khái niệm về áp lực
1. Khái niệm
Hiện nay chưa có định nghĩa nào cho thuật ngữ áp lực địa tầng hay áp lực
mỏ (áp lực đất đá) được thừa nhận một cách rộng rãi. Có tác giả cho rằng “Áp
lực mỏ” là những lực xuất hiện xung quanh các đường lị và khi có những lực
này muốn cho đường lị khơng bị biến dạng phải xây dựng vỏ chống. Song cũng
có tác giả lại cho rằng: “Áp lực đất đá là những lực xuất hiện trong vỏ trái đất
do sự phá huỷ nhân tạo trạng thái cân bằng ứng suất ban đầu và trạng thái ứng
suất mới phân bố”. Song tất cả mọi quan niệm đều hàm chung một ý: áp lực đất
đá là một loại lực tác dụng lên cơng trình xuất phát từ sự biến dạng của đất đá
khi đào các khoảng trống dưới ngầm để xây dựng cơng trình.
Khi đào khoảng trống dưới ngầm, trạng thái cân bằng ban đầu (trạng thái
cân bằng tự nhiên) bị phá hoại, hình thành sự phân bố lại ứng suất của đất đá
xung quanh khoảng trống. Trên mặt lộ chưa chống sẽ khơng có lực bề mặt
(khơng có phản lực) do đó đất đá có thể tự do biến dạng vào trong lòng khoảng
trống. Như vậy ứng suất theo phương vng góc với mặt lộ sẽ giảm đi rất nhiều
so với độ lớn tự nhiên ban đầu. Nói chung ứng suất nén tại vùng nóc và nền
giảm dần tới khơng và có thể chuyển sang ứng suất kéo. Đất đá chịu kéo rất yếu
17

nên dễ bị phá hoại và gây ra áp lực lên cơng trình. Độ lớn của ứng suất đứng tại
vùng này giảm do đó nó cịn được gọi là vùng thốt căng ứng lực.
Có thể cho rằng: Áp lực đất đá là một loại lực xuất hiện trong đất đá xung
quanh đường lò tác dụng lên vỏ chống do sự biến dạng của đất đá khi ta đào các
đường lò vào trong lòng đất làm phá vỡ trạng thái cân bằng ứng suất nguyên
sinh, tạo ra các mặt lộ và hình thành trạng thái cân bằng ứng suất mới.
2. Đặc tính suất hiện áp lực đất đá
Trong việc xác định đặc tính và độ lớn áp lực đất đá cịn có nhiều quan
niệm khác nhau, chẳng hạn vấn đề ảnh hưởng của độ sâu tới trị số áp lực. Có
quan niệm cho rằng độ sâu không ảnh hưởng (Protodiaconov, Tximbarevic,
Engesser, Ritter...), có quan niệm cho rằng có ảnh hưởng (Xavin, Morgaiepxki,
Liberman, Labax, Rupenheit...); hoặc cũng có quan điểm cho rằng ở một độ sâu
nhất định (tùy thuộc vào tính chất đất đá) áp lực sẽ lớn dần theo độ sâu; ở độ sâu
lớn hơn, áp lực không ảnh hưởng nữa (Bierbaumier, Terzaghi); ngược lại có
quan niệm cho rằng dưới độ sâu nhất định (hàng trăm mét) áp lực bị ảnh hưởng,
cịn trên nơng, áp lực khơng bị ảnh hưởng của độ sâu.
Đất đá là môi trường phức tạp bởi vậy cũng khó có quan niệm thống nhất
về các q trình cơ học xảy ra trong nó.
Đặc tính xuất hiện và độ lớn của áp lực mỏ phụ thuộc vào hình dạng kích
thước cơng trình, tính chất cơ lý của đất đá, đặc điểm kiến tạo, góc nghiêng của
các lớp, phương pháp đào và chống giữ cơng trình. Áp lực có thể là đối xứng
hoặc không đối xứng so với tiết diện ngang của cơng trình.
Q trình phát phát triển của áp lực mỏ có thể chia ra làm hai giai đoạn:
Giai đoạn thứ nhất (t1) bắt đầu ngay sau khi đào khoảng trống: đất đá biến
dạng về phía mặt lộ. Áp lực gây ra bởi sự biến dạng đó gọi là áp lực ban đầu hay
lực biến dạng. Độ lớn của áp lực này lớn dần theo thời gian và tác dụng đều ở
mọi phía.
Giai đoạn thứ hai (t2) xuất hiện sau khi đào khoảng trống là sự nứt nẻ của
đất đá ở nóc, nhiều khi ở cả bên sườn và dưới nền khoảng trống. Có sự nứt nẻ đó

là do ứng suất xung quanh khoảng trống vượt quá giới hạn bền về kéo và cắt tại
nóc và nén tại hơng. Khi đó, trọng lượng khối đất đá trong vùng nứt nẻ đó tác
dụng lên kết cấu chống gây ra áp lực. Áp lực đó gọi là áp lực tĩnh. Độ lớn của áp
lực này không thay đổi theo thời gian nếu điều kiện xung quanh khơng có gì
thay đổi.
P
Đường 1 - Ứng với đất đá dẻo
Đường 2 - Ứng vi t ỏ b
ri

Tải trọng động
a

Pmax
Pod





1

c
b



2

O

t1

t2

t

Hỡnh 1.12.
Quỏ trỡnh phỏt trin của áp lực mỏ




18


Cả hai hiện tượng trên có thể cùng xảy ra đối với một cơng trình ngầm tuỳ
thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá mà cơng trình ngầm đào qua. Đối với đất đá
tơi vụn phần lớn chỉ thấy xuất hiện hiện tượng áp lực tĩnh. Ở độ sâu rất lớn hoặc
trong vùng đất đá dẻo ta thấy xuất hiện áp lực động là chủ yếu. Trong phần lớn
trường hợp của đất đá liên kết ở độ sâu trung bình cả hai hiện tượng trên sẽ lần
lượt xảy ra. Trong điều kiện này, nếu có vỏ chống cứng thì áp lực biến dạng sẽ
đạt tới giá trị Pmax rồi không đổi theo thời gian.
1.4.2. Áp lực xung quanh đường lị

1.4.2.1. Áp lực ở lị bằng
1. Áp lực nóc lị
a. Giả thuyết của giáo sư M.M. Prôtôđiacônôv
Bằng quan sát và nghiên cứu trong phịng thí nghiệm cũng như ngồi thực
địa, tác giả thấy rằng nếu đào một đường lò vào đất đá, đặc biệt là đất đá mềm
yếu và bở rời mà đường lị khơng được chống giữ thì đất đá ở nóc lị bị rạn nứt
và sụt lở tạo nên ở nóc lị một dạng hình vịm và chỉ khi nào tạo nên một vịm
cân bằng thì sự sụt lở mới ngừng. Vịm trên nóc lị mà ứng với đất đá khơng sụt
lở nữa gọi là vịm cân bằng tự nhiên (các phần tử đất đá nằm trên đường cong và
ngoài đường cong ở trạng thái cân bằng và ổn định). Phần đất đá nằm ở trong
vòm bị sụt lở hết được gọi là vòm phá hoại.
Giả sử ta đào đường lị có chiều rộng là 2a, bố trí ở độ sâu H và vòm AOB
là vòm cân bằng tự nhiên (hình 1.13).
Tác giả đã chứng minh được vịm AOB có dạng vịm Parabol, nghĩa là
phương trình của đường cong AOB có dạng y = ax2. Để chứng minh cho kết
luận này của tác giả, ta đặt vòm AOB nằm trong hệ trục toạ độ Oxy và cắt một
mặt cắt song song trục Oy đi qua điểm M có toạ độ x và y. Trên đoạn OM để
đảm bảo sự cân bằng của vòm, ta thay thế đoạn vòm OB bằng phản lực T đặt tại
O và đoạn vòm MA bằng phản lực R đặt tại M. Vòm AOB chịu tải trọng phân
bố đều p = .H (hình 1.13).



x

R M
A 
F
ms N 


 

T
O y
 




B

b

p
x



y
2a
 Protodiaconov
Hình 1.13. Giả thuyết của
19


Như vậy, đoạn vòm OM chịu 3 lực tác dụng:
- Phản lực ngang T
- Phản lực tiếp tuyến R
- Tải trọng phân bố đều p. Trên đoạn x, tổng hợp lực là p.x
Vòm ở trạng thái cân bằng nên tổng mô men của các lực trên đối với điểm

M bằng khơng:
x
2

MM = px.  Ty  0
y

(1.32)

p 2
x
2T

(1.33)

Vậy vịm AOB là vịm Parabol.
Tác giả đã chứng minh được phương trình đường cong của vịm parabol
được minh hoạ bởi phương trình sau:
y

x2
af

(1.34)

Đồng thời tác giả cũng chứng minh được chiều cao của vịm cân bằng
a
b
là có dự trữ bền lớn nhất.
f

Trong đó:
a- Nửa chiều rộng đường lị khi đào, m ;
f- Hệ số kiên cố của đất đá (theo Prơtơđiaconov thì f = tg) ;
Như vậy nếu đường lò được chống giữ thì khối đất đá bị sụt lở nằm trong
vịm cân bằng AOB sẽ gây lên áp lực ở nóc tác dụng lên vỏ chống.
Xét 1m dài đường lị thì áp lực ở nóc lị tác dụng vào vỏ chống tính theo
cơng thức:
Q= SAOB.,T/m
(1.35)
Trong đó:
SAOB - Diện tích của vịm AOB ;
S AOB

2
4 a2
 .2a.b  .
3
3 f

(1.36)

Thay (1.36) vào (1.35) ta được :
Q

4
4 a2
a.b.  . . , T/m
3
3 f

(1.37)

Nếu các vì chống được chống cách nhau một khoảng L thì áp lực nóc lị
tác dụng lên một vì chống là:
Q

4.a 2 .L.
, T/vì
3f

(1.38)

Trong đó:
20


 - Trọng lượng thể tích của đất đá trên nóc lị, T/m3 ;
a, f - Được giải thích như ở trên
L - Khoảng cách giữa 2 vì chống, m;
Giả thuyết này đã được sử dụng rộng rãi trong ngành mỏ của một số nước
trên thế giới do tính chất đơn giản của nó và được sử dụng phù hợp để tính áp
lực nóc lị khi đường lị đào vào vùng đất đá ở nóc lị khơng ổn định, cịn đất đá
ở hơng lị tương đối bền vững, khơng có hiện tượng sụt lở. Nhược điểm của giả
thuyết này là chưa tính đến độ sâu bố trí cơng trình và đặc tính làm việc của kết
cấu chống.
b. Giả thuyết của P.M. Tximbarêvic
,
O
O



b1

F

,
A




A

I

B

h

,





B







2a
2a1

Hình 1.14. Giả thuyết của Tximbarevic
Giả thuyết này dùng để tính áp lực ở nóc lị khi đường lị đào vào đất đá
mà cả nóc và hơng lị kém ổn định (bở rời, mềm yếu). Trong trường hợp này
vòm phá huỷ ở nóc sẽ mở rộng ra và cao thêm, vì vậy tải trọng ở nóc cũng lớn
hơn. Và theo giáo sư Tximbarêvic nếu tính gần đúng, tải trọng trên một mét
chiều dài đường lò được xác định theo cơng thức (1.39).
Q = 2a.b1., T/m
(1.39)
Nếu các vì chống chống cách nhau một khoảng L, thì áp lực tác dụng lên
một vì chống được xác định theo cơng thức (1.40).
Q = 2a.b1..L, T/vì
(1.40)
Trong đó:
2a - Chiều rộng đường lị khi đào, m;
b1 - Chiều cao vòm cân bằng mở rộng ;
b1 

a1
,m
f

(1.41)

a1 - Nửa chiều rộng vòm cân bằng mở rộng, a1 được tính theo cơng thức :
 90 0   
 , m
a1  a  h. cot g 
 2 

21

(1.42)


f - Hệ số kiên cố của đất đá ở nóc lị;
 - Góc ma sát trong của đất đád hơng lị;
h – Chiều cao của đường lị;
Áp lực phân bố ở nóc:
2
q n   .b1 , T/m

(1.43)

I



D
T

C

Q




K

E

 D
T





D



B

h

F

H

Giả thuyết này phù hợp nhất khi tính áp lực trong trường hợp đào lị vào
đất đá tơi vụn, khơng liên kết hoặc mềm yếu cả ở nóc và hơng. Nhược điểm của

giả thuyết này cũng giống như nhược điểm của giả thuyết của Prôtôdiacônôv là
chưa kể đến chiều sâu bố trí cơng trình.
c. Giả thuyết của Bierbaumier

A
2a

Hình
 1.15. Giả thuyết của Bierbaumier

Giả thuyết này được dùng để tính tốn áp lực nóc với những đường lị
nằm gần mặt đất.
Trong thực tế phải thi cơng xây dựng các cơng trình ngầm nằm ở gần mặt
đất như các đường hầm xuyên qua núi thấp, các đoạn cửa lò bằng mở vỉa cho
mỏ. Trong những trường hợp này áp lực đất đá không phải là khối đất đá bị phá
huỷ nằm trong vòm parabol nữa mà là toàn bộ trọng lượng khối đất đá IKDC trừ
đi 2 lực ma sát sinh ra hai bên thành IC và KD.
Như vậy áp lực nóc lị được tính theo cơng thức:
Q = G - 2.Fms
(1.41)
Q = G - 2D.tg
(1.42)
Trong đó:
Fms = D.tg
tg - Hệ số ma sát của đất đá ;
 - Góc ma sát trong của đất đá ;
G - Trọng lượng của khối đất đá CIDK ;
Xét trên 1m dọc theo chiều dài đường lị, G có thể tính theo cơng thức:
G = 2a..H, T/m
(1.43)

22


D - Áp lực chủ động của đất đá tác dụng lên thành CI và DK tính theo
cơng thức tường chắn đất:
D

 90 0   
1
 , T/m
 .H 2 tg 2 
2
 2 

(1.44)

Thay giá trị của G và D vào (1.42) ta được:
 H  90 0    
tg  , T/m
Q  2a. .H .1  .tg 
2
2
a

 


(1.45)

Từ công thức (1.45) ta nhận thấy đến một độ sâu nào đó giá trị của Q nhỏ

hơn khơng. Điều đó là vơ lý. Vì vậy cần tìm được chiều sâu bố trí cơng trình mà
ở đó áp lực đất đá Q > 0, hay nói cách khác là tìm chiều sâu giới hạn để sử dụng công
thức (1.45) hợp lý. Chiều sâu giới hạn Hgh được tìm bằng cách cho Q = 0, từ đó
có:
H gh 

2a
 90   
tg
tg 
2


0

,m

(1.46)

2

Vậy với các đường lị được bố trí ở độ sâu là H < Hgh thì sử dụng cơng
thức (1.46) để tính áp lực, còn những đường lò ở độ sâu H ≥ Hgh thì sử dụng
cơng thức của các tác giả khác.
2. Áp lực hơng lị
Như chúng ta đã biết, khi đào một đường lị vào đất đá mềm yếu thì ngồi
sự xuất hiện áp lực nóc lị cịn có áp lực ở hai bên hơng lị. Ở đây ta coi hơng lị
như một tường chắn đất. Cho nên ta sử dụng trường hợp áp lực chủ động khi
bên trên có tải trọng đều để tính áp lực ở hơng lị.
F




,
A


h

b1

E



n 
A
m






,
O
O

I

K





B

 ,
B






2a
2a1

Hình 1.16. Áp  lực hơng
Trên hình 1.16 ta thấy, khi khơng có áp lực hơng thì vịm phá huỷ ở nóc lị
là AOB, khi có áp lực hơng vịm phá huỷ là A’O’B’. Do đó lăng trụ trượt tam
giác (m) bên trên có tải trọng phân bố là một phần đất đá của vòm phá huỷ (n).
23


Để đơn giản cho việc tính tốn, ta coi tải trọng đó là phân bố đều và lấy bằng
tồn bộ khối đất đá AA’EF và BB’KI có chiều cao là b1 và chiều rộng là AA’.
Nửa chiều rộng vòm cân bằng được tính theo cơng thức (1.42), do đó

chiều cao vịm cân bằng được tính theo cơng thức sau:
b1 

a1

f

a  h cot g
f

90 0  
2
,m

(1.47)

Biểu đồ áp lực phân bố ở hai bên hơng lị có dạng hình thang. Cường độ
ngang mức nóc lị là p1 và ngang mức nền lò là p2. Giả thiết đất đá ở nóc và
hơng đồng nhất có cùng trọng lượng thể tích là  thì p1 và p2 tính theo cơng
thức:
 90 0   
 , T/m2
p1   .b1tg 2 
 2 
p 2   b1  h tg 2

(1.48)

90 0  
, T/m2

2

(1.49)

Từ đây có thể tính được áp lực hông tác dụng trên 1m chiều dài đường lị.
Áp lực hơng lị là hợp lực của các lực phân bố theo dạng hình thang (biểu đồ
phân bố áp lực) hay nói cách khác, trị số của áp lực hơng lị bằng diện tích của
biều đồ phân bố áp lực hông.
Qh 

p1  p 2
.h
2

(1.50)

Thay (1.48) và (1.49) vào (1.50) ta được:
Qh 

 .h.2b1  h 
2

tg 2

90 0  
, T/m
2

(1.51)

Trường hợp các vì chống cách nhau 1 khoảng là L thì áp lực hơng tác
dụng lên 1 vì chống là:
Qh 

 .h.L2b1  h 
2

tg 2

90 0  
, T/vì
2

(1.52)

Nếu đất đá ở nóc lị và hơng lị khơng đồng nhất (đất đá nóc lị có trọng
lượng thể tích là 1, đất đá hơng lị có trọng lượng thể tích là ), khi đó ta phải
quy đổi lớp đất đá trên nóc lị thành lớp đất đá có tính chất tương đương đất đá ở
hơng lị bằng cách thay b1 trong các công thức trên bằng chiều cao quy đổi h0.
h0 

 .b1
,m


(1.53)

3. Áp lực nền lò
Trong thực tế có những đường lị đào trong vùng đất đá mềm yếu, chứa
nhiều nước thường xảy ra hiện tượng đất đá ở nền lò trồi lên (bùng nền). Hiện

tượng này xảy ra do nguyên nhân:
- Đất đá ở nền lị bị sự đè nén của đất đá ở hơng lị và nóc lị làm cho đất đá ở
nền lị có xu hướng đầy vào trong lịng đường lị rồi trồi lên.
24