Giáo trình Công nghệ khai thác than hầm lò: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƢƠNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH
------------- *****-------------

Đặng Văn Hải
Vũ Mạnh Hùng; Tạ Văn Kiên

GIÁO TRÌNH

CƠNG NGHỆ KHAI THÁC
THAN HẦM LÒ
CHUYÊN NGÀNH KHAI THÁC HẦM LÒ

QUẢNG NINH - 2013

-1-


MỤC LỤC
BÀI MỞ ĐẦU ................................................................................................................................. 3

1.
2.
3.
4.

Khái niệm về quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lị ......................................3
Các giai đoạn phát triển của cơng nghệ khai thác than hầm lị ..............................4
Hƣớng phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò .........................................5
Thực trạng và hƣớng phát triển của ngành than hầm lò ở Việt Nam .........................5

CHƢƠNG 1: ÁP LỰC MỎ ............................................................................................................. 7

1.1. Khái niệm chung về áp lực mỏ ...............................................................................7
1.2. Giả thuyết áp lực mỏ vòm cân bằng tự nhiên.......................................................20
1.3. Giả thuyết áp lực mỏ dầm công sơn .....................................................................24
1.4. Giả thuyết áp lực mỏ lăng trụ trƣợt của giáo sƣ P. M. Tsimbarevich ...................28
1.5. Giả thuyết áp lực mỏ nứt nẻ ban đầu của Labass .................................................29
1.6. áp lực tựa ..............................................................................................................30
CHƢƠNG 2: CHỐNG GIỮ TRONG LỊ CHỢ ........................................................................... 31

2.1. Mục đích - u cầu và phân loại vì chống trong lị chợ ......................................31
2.2. Chống giữ lị chợ bằng vì chống đơn ...................................................................33
2.3. Vì chống cơ khí hố..............................................................................................45
2.4. Thành lập hộ chiếu chống giữ lò chợ ...................................................................55
CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN ĐÁ VÁCH ...................................................................................... 62

3.1. Khái niệm và Phân loại về điều khiển đá vách ....................................................62
3.2. Điều khiển đá vách bằng phá hoả tồn phần ........................................................64
3.3. Chèn lị tồn phần ..................................................................................................71
3.4. Chèn lị từng phần và phá hoả từng phần .............................................................80
3.5. Hạ vách từ từ ........................................................................................................83
3.6. Giữ vách trên các chồng cũi ..............................................................................84
CHƢƠNG 4: CÔNG NGHỆ KHAI THÁC BẰNG THỦ CÔNG KẾT HỢP VỚI KNM ............ 86

4.1. Đại cƣơng về công nghệ khai thác .......................................................................86
4.2. Sơ đồ cơng nghệ dùng khoan nổ mìn ở các vỉa dốc thoải và nghiêng, mỏng và
dày trung bình ..............................................................................................................87
4.3. Thành lập biểu đồ tổ chức chu kỳ sản xuất trong lị chợ ......................................93
4.4. Quy trình cơng nghệ và sử lý cơng nghệ trong lị chợ .......................................100
CHƢƠNG 5: CƠNG NGHỆ KHAI THÁC CƠ GIỚI HĨA....................................................... 103

5.1. Lịch sử phát triển công nghệ khấu than ........................................................ 103
5.2. Công nghệ khai thác bằng máy đánh rạch và khoan nổ mìn ........................... 104
5.3. Công nghệ khai thác than bằng máy Combai ................................................ 108
5.4. Công nghệ khai thác bằng máy bào .............................................................. 126
CHƢƠNG 6 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC KHÁC .................................................. 136

6.1 Cơng nghệ khai thác bằng máy đào lị vận chuyển bằng xe con thoi trong các
buồng khấu. ....................................................................................................... 136
6.2 Công nghệ khấu than bằng máy cƣa than và lỗ khoan lớn. ............................. 139
6.3. Công nghệ khấu than bằng khoan đƣờng kính lớn......................................... 140
6.4. Cơng nghệ khai thác bằng sức nƣớc. ............................................................ 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................145

-2-


BÀI MỞ ĐẦU
1. Khái niệm về quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lị
Quy trình cơng nghệ khai thác là một tập hợp của nhiều khâu công tác, cần
phải thực hiện theo một trình tự thời gian và khơng gian nhất định để lấy đƣợc
khống sản có ích.
Quy trình cơng nghệ khai thác than hầm lị có thể đƣợc hiểu theo nghĩa rộng và
theo nghĩa hẹp. Theo nghĩa rộng, đó sẽ là tập hợp các q trình mở vỉa và chuẩn bị
ruộng than, quá trình khấu than trong các gƣơng khai thác, chống giữ, điều khiển áp
lực mỏ, quá trình vận tải than lên mặt đất và hàng loạt các vấn đề khác nhƣ sàng
tuyển than, thơng gió mỏ, thốt nƣớc, cung cấp vật liệu, máy móc thiết bị và năng
lƣợng, các q trình cơng nghệ trên mặt bằng cơng nghiệp và v.v... Theo nghĩa hẹp
thì đó chỉ là tập hợp các công việc chuẩn bị và khai thác trong lò chợ, cần đƣợc thực
hiện trong một khu khai thác. Trong phạm vi giáo trình này, chủ yếu chúng ta sẽ

xem xét những vấn đề trong nghĩa hẹp nói trên.
Quy trình cơng nghệ khai thác than ở lị chợ đƣợc chia thành các cơng tác chính
và các cơng tác phụ. Các cơng tác chính là các khâu tách than khỏi khối nguyên, phá
vỡ than đến cỡ hạt cần thiết, xúc bốc và vận tải than, chống giữ lò chợ và điều khiển
áp lực mỏ. Các công tác phụ bao gồm việc di chuyển thiết bị vận tải theo tiến độ của
gƣơng lị chợ, cung cấp vật liệu, máy móc, thiết bị, năng lƣợng vào lị chợ, thơng
gió, chống bụi, thốt nƣớc, chiếu sáng, thơng tin liên lạc... Nhƣ vậy, với các dạng
công nghệ khai thác than khác nhau, sẽ có các tập hợp các cơng tác chính và phụ
khác nhau, tức là các quy trình cơng nghệ khai thác than khác nhau.
Cơng nghệ khai thác than hầm lị có thể đƣợc chia thành bốn dạng chính đó
là: cơng nghệ thủ cơng, cơng nghệ bán cơ khí hố, cơng nghệ cơ khí hố tồn bộ và
cơng nghệ tự động hố. Trong dạng công nghệ thủ công, hầu hết các khâu cơng tác
chính đều phải thực hiện bằng sức ngƣời; cịn ở cơng nghệ bán cơ khí hố thì máy
móc đã làm thay con ngƣời ở một số cơng tác chính và khi ứng dụng cơng nghệ tự
động hố, thì có thể loại trừ sự có mặt thƣờng xuyên của con ngƣời trong lò chợ.

-3-


2. Các giai đoạn phát triển của công nghệ khai thác than hầm lò
Để thấy rõ lịch sử phát triển cơng nghệ khai thác than hầm lị trên thế giới từ
đầu thế kỷ XX đến nay, chúng ta phải xem xét các bƣớc phát triển của công nghiệp
than ở các nƣớc sản xuất nhiều than và có trình độ cơng nghiệp tiên tiến trên thế
giới, đó là các nƣớc châu Âu, Bắc Mỹ, Úc, Trung Quốc... Qua đó, có thể thấy
những giai đoạn phát triển công nghệ khai thác than hầm lò nhƣ sau:
Giai đoạn I - Từ đầu thế kỷ XX đến trƣớc đại chiến thế giới lần thứ hai: Trình
độ cơ khí hố sản xuất cịn ở mức thấp, nhiều khâu công nghệ phải thao tác thủ
công, nhất là ở các khâu chống lò và điều khiển áp lực mỏ. Trong giai đoạn này
cũng có chế tạo và cải tiến một số loại máy đánh rạch, máy liên hợp khấu than và
đào lò..., nhƣng trong lĩnh vực tự động hoá vẫn chƣa đƣợc áp dụng.

Giai đoạn II - Từ sau đại chiến thế giới lần thứ hai đến năm 1960: Tiếp tục
nghiên cứu và áp dụng cơ khí hố các q trình sản xuất, nhƣng việc cơ khí hố
chƣa đồng bộ, mới chỉ dừng ở từng khâu cơng tác riêng biệt. Trong lĩnh vực tự
động hoá đã nghiên cứu thành công các hệ thống điều khiển từ xa một số thiết bị
riêng lẻ, tự động hoá một số thiết bị cố định.
Giai đoạn III - Từ 1960 đến 1980: Có những thay đổi căn bản về chất lƣợng
khai thác than hầm lị. Chế tạo thành cơng và áp dụng rộng rãi nhiều loại tổ hợp
thiết bị cơ khí hố tồn bộ việc khấu than, do đó sản lƣợng và chiều sâu khai thác
của các mỏ than tăng lên rõ rệt. Cơng nghệ đào lị cũng đƣợc cơ khí hố tồn bộ đã
làm tăng tốc độ đào lị. Nhiều nơi đã áp dụng trục tải nhiều cáp ở giếng đứng. Việc
tự động hoá cũng dần dần đi vào đồng bộ và có ảnh hƣởng trực tiếp đến sản xuất.
Một số thiết bị lẻ và tổ hợp khơng thích hợp với chế độ tự động hoá dần dần đƣợc
thay thế bằng các loại thiết bị mới.
Giai đoạn IV - Từ 1980 đến nay: Cùng với sự phát triển vũ bão của nhiều
ngành công nghiệp, đặc biệt là sự phát triển mãnh liệt của kỹ thuật điện tử và công
nghệ tin học, cơng nghệ khai thác than hầm lị đang chuyển biến dần về chiều sâu.
Nhiều dây chuyền sản xuất tự động hoá, do đƣợc kiểm soát chặt chẽ, đã hoạt động
ổn định và đem lại hiệu quả cao. Quá trình khai thác than đã và đang đƣợc gắn liền

-4-


với việc đảm bảo điều kiện lao động an toàn cho thợ mỏ và bảo vệ môi trƣờng
thiên nhiên.
3. Hƣớng phát triển của cơng nghệ khai thác than hầm lị
Xu hƣớng phát triển của ngành khai thác than hầm lò ở các nƣớc tiên tiến trên
thế giới bao gồm:
- Tạo ra trong tƣơng lai một dây chuyền công nghệ liên tục duy nhất, cơ khí
hố tồn bộ và tự động hoá để khai thác và vận chuyển than từ các gƣơng lò chợ
đến toa xe hoặc bunke nhận than của nhà máy tuyển trên mặt đất ;

- Lựa chọn đúng đắn mức độ tự động hoá theo sự hợp lý về kinh tế cho từng
điều kiện cụ thể và theo yêu cầu đảm bảo an toàn lao động đến mức cao nhất ;
- Tập trung hoá việc điều khiển và kiểm tra công tác của các khu vực và
thiết bị sản xuất chủ yếu của mỏ hầm lò nhằm nâng cao tính linh hoạt trong việc
điều khiển sản xuất, tăng thời gian làm việc hữu ích (tăng hệ số sử dụng thời gian)
của thiết bị, giảm số công nhân vận hành máy móc, thiết bị ;
- Cải tiến hệ thống khai thác nhằm tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho
việc cơ khí hố tồn bộ và tự động hố ;
- Gắn chặt quá trình khai thác than với nhiệm vụ bảo vệ mơi trƣờng để duy
trì sự phát triển bền vững.
4. Thực trạng và hƣớng phát triển của ngành than hầm lò ở Việt Nam
Điều kiện địa chất ở các vùng than nƣớc ta hiện nay có đặc điểm nổi bật là địa
hình đồi núi, thích hợp cho khai thác lộ thiên. Do đó, tỷ trọng của sản lƣợng than
khai thác bằng phƣơng pháp hầm lò so với tổng sản lƣợng than khai thác hàng năm
chỉ chiếm khoảng 30-35 %.
Hiện nay, ngành khai thác than hầm lò Việt Nam cịn khá lạc hậu so với các
nƣớc tiên tiến. Cơng nghệ khấu than ở các gƣơng lò khai thác và đào gƣơng lị
chuẩn bị chủ yếu là thủ cơng kết hợp với cơng tác khoan nổ mìn. Trong các gƣơng
lị chợ dài các công tác nặng nhọc và tốn thời gian nhƣ chống lò, điều khiển áp lực
mỏ... vẫn phải thao tác thủ công.
Tuy nhiên, cho đến nay ngành than hầm lị của nƣớc ta đã cơ khí hố và bán cơ
khí hố đƣợc nhiều khâu cơng nghệ quan trọng của các mỏ. Việc vận tải than trong

-5-


hầm lị và ngồi mặt bằng đã đƣợc cơ khí hố hồn tồn, hầu hết các mỏ hầm lị đã
đƣợc trang bị đầu tầu điện và goòng 1 đến 3 tấn, hoạt động trên cỡ đƣờng 600 đến
900 mm. Nhiều mỏ đã lắp đặt thành công hệ thống băng tải bán tự động và tự động
để vận chuyển than trong giếng nghiêng và trên mặt bằng. Nhiều loại máy và thiết bị

cố định chun dùng đã đƣợc cơ khí hố và tự động hoá.
Trong những năm 70 của thế kỷ trƣớc ở mỏ Vàng Danh đã đƣa máy liên hợp
và vì chống đơn bằng thép vào khai thác thí điểm trong lò chợ, song do nhiều
nguyên nhân khách quan cuộc thử nghiệm đó chƣa đạt tới kết quả mong muốn. Vài
năm gần đây, nhiều mỏ hầm lò đã đƣa vào áp dụng thành cơng vì chống thuỷ lực
đơn và vì chống tổ hợp kiểu giá thuỷ lực di động trong lò chợ, các chỉ tiêu kinh
tế-kỹ thuật của lò chợ đã đƣợc cải thiện đáng kể. Đặc biệt, tại mỏ Khe Chàm đã áp
dụng thành công phƣơng pháp khấu than bằng máy liên hợp, sản lƣợng của lò chợ
đã đƣợc nâng lên hơn hai lần so với phƣơng pháp khoan nổ mìn.
Trong tƣơng lai gần, cùng với việc nâng cao tổng sản lƣợng khai thác than, tỷ
trọng sản lƣợng khai thác hầm lị sẽ gia tăng và có thể lên tới 50% tổng sản lƣợng. Do
đó, muốn đáp ứng đƣợc yêu cầu về sản lƣợng và cải thiện đƣợc các chỉ tiêu kinh tế-kỹ
thuật, ngành khai thác than hầm lò cần đƣợc phát triển theo các hƣớng sau đây:
- Cải tạo những mỏ cũ và xây dựng một số mỏ mới theo hƣớng tăng sản lƣợng
và tập trung hoá sản xuất.
- Ƣu tiên áp dụng các hệ thống khai thác có gƣơng lị chợ dài cùng với việc
đầu tƣ hợp lý để cơ khí hố các khâu cơng tác chính trong lị chợ. Nghiên cứu và
dần dần áp dụng cơng nghệ bán cơ khí hố và cơ khí hố vào các gƣơng lò ngắn.
- Nâng cao tốc độ đào các đƣờng lò mở vỉa và chuẩn bị trên cơ sở áp dụng các
loại máy và thiết bị đào lị có năng suất cao và hồn thiện việc tổ chức cơng tác đào lò.
- Nâng cao năng lực vận tải trong hầm lò bằng cách thay goòng 1 tấn với cỡ
đƣờng 600 mm bằng goòng 3 đến 5 tấn với cỡ đƣờng 900 mm, chú ý phát triển các
phƣơng tiện vận tải liên tục, chủ yếu là các tuyến băng tải.
- Gắn liền sự phát triển khai thác than với công tác bảo vệ môi trƣờng tự nhiên.

-6-


CHƢƠNG 1: ÁP LỰC MỎ
1.1. Khái niệm chung về áp lực mỏ

1.1.1 Áp lực mỏ
Áp lực mỏ là các lực trong đá mỏ xung quanh hầm lò tác động lên vì chống lị,
khối đá ngun, trụ than, khối đá chèn...
Trọng lực của đá mỏ là nguyên nhân gây ra áp lực mỏ.
Trong q trình khấu than ở gƣơng lị chợ đá vách bị bóc lộ và dịch chuyển do
trọng lƣợng của nó và của các lớp đá khác nằm trên.
Khi hạ võng, đá vách tách lớp, rạn nứt và sập đổ. Điều đó sẽ làm biến dạng vì
chống lị và gây ra sự phân bố lại ứng suất trong đá mỏ xung quanh hầm lị.
Để đảm bảo điều kiện cơng tác an tồn trong lị chợ cần phải lắp dựng các vì
chống lị và thực hiện các biện pháp điều khiển áp lực mỏ.
Vì chống lị chợ có thể giữ đá vách không bị sập đổ chỉ ở khu vực gần gƣơng
than, nơi vách của vỉa và các lớp đá nằm trên đƣợc duy trì chủ yếu nhờ các lực liên
kết với các lớp đá còn ổn định trên khối than nguyên. ở khoảng cách vài mét kể từ
gƣơng lò tùy thuộc vào các tính chất của đá, các lực liên kết đó bị suy giảm đến
mức vì chống lị chợ khơng cịn đủ tác dụng.
a

b

c

Hình 1.1 Các phƣơng pháp chống giữ lị chợ:
a- Vì chống đơn và chèn lị; b- Vì chống gần gƣơng và vì chống phá hỏa khi phá hỏa đá vách; cVì chống di động cơ khí hóa

Nếu khoảng trống đã khai thác đƣợc chèn lấp tồn bộ (hình 1.1-a) thì áp lực
mỏ sẽ đƣợc khối đá chèn tiếp nhận. Nếu áp dụng phƣơng pháp khai thác với phá
hỏa đá vách thì ở đƣờng biên của vùng sập đổ cần phải thiết lập vì chống phá hỏa
(hình 1.1-b).
Vì chống gần gƣơng, vì chống phá hỏa và khối đá chèn đƣợc dùng để tiếp
-7-

nhận áp lực mỏ và bảo vệ khơng gian lị chợ khơng bị sập đổ.
Hiện nay các loại vì chống di động cơ khí hóa đƣợc sử dụng rộng rãi để bảo
vệ khơng gian lị chợ (hình 1.1-c).
Tập hợp các biện pháp chống giữ, chèn lị, trình tự phá hỏa đá vách, đƣợc áp dụng
để bảo vệ hầm lị khơng bị áp lực mỏ phá hủy, đƣợc gọi là điều khiển áp lực mỏ.
Để lựa chọn đúng đắn loại vì chống và phƣơng pháp điều khiển áp lực mỏ cần
phải có lý thuyết khoa học về áp lực mỏ, giải thích đƣợc bản chất vật lý của các
hiện tƣợng xảy ra trong lịng đất khi thực hiện các cơng tác mỏ.
Cho đến nay vẫn chƣa có đƣợc một lý thuyết thực sự hoàn chỉnh về áp lực mỏ.
Điều này đƣợc giải thích bởi sự đa dạng của các điều kiện địa chất mỏ, sự phức tạp
của các quá trình xảy ra trong lịng đất khi khai thác khống sản và đá mỏ dịch
động, đồng thời rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến trị số và đặc điểm của áp lực mỏ
cịn ít đƣợc nghiên cứu.
Mặc dù vậy, để giải thích đặc điểm và lƣợng hóa đƣợc áp lực mỏ đã có nhiều
giả thuyết khác nhau đƣợc đề xuất, tức là các cơ sở khoa học về đặc điểm khái quát
nhất của cơ chế xuất hiện áp lực mỏ trong địa khối, và đặc biệt là trong vùng xung
quanh hầm lị.
Có nhiều yếu tố gây ảnh hƣởng đến trị số và đặc điểm xuất hiện của áp lực
mỏ: thành phần, cấu tạo và các tính chất cơ-lý của đá mỏ; độ sâu khai thác; chiều
dày của vỉa than; chiều dài lò chợ; tốc độ dịch chuyển của gƣơng lò; độ dốc của vỉa
than và đá; tải trọng và đặc điểm kết cấu của vì chống lị và v.v...
1.1.2. Phân loại đá mỏ
Sự dịch chuyển của địa tầng khi khai thác than gây ra các quá trình vật lý phức
tạp, đặc trƣng mối tác động tƣơng hỗ của tập hợp nhiều yếu tố. Những yếu tố đó phụ
thuộc đáng kể vào cơng nghệ thực hiện các công tác mỏ. Với cùng một địa tầng, q
trình dịch chuyển của các lớp đá có thể rất khác nhau khi khai thác vỉa bằng gƣơng lò
dài và gƣơng lò ngắn, khi bƣớc khấu rộng và hẹp, với các tiến độ khác nhau của
gƣơng, ở những phƣơng pháp điều khiển đá vách khác nhau và v.v...Tập hợp các tính

chất của đá mỏ, quy định hành vi của nó dƣới tác động của các cơng tác mỏ, đƣợc

-8-


gọi là các tính chất cơng nghệ. Các tính chất chủ yếu là: độ bền vững, độ phân lớp,
độ nứt nẻ và khả năng sập đổ (phá hoả).
Sự kết hợp các tính chất cơng nghệ khác nhau của địa tầng vơ cùng đa dạng
và nó quyết định sự lựa chọn đúng đắn các q trình cơng nghệ khai thác.
1.1.2.1. Cấu tạo, cấu trúc và sự phân lớp của đá mỏ
Cấu tạo của địa tầng đƣợc xác định bởi các điều kiện thành tạo khống sàng.
Các khống sàng dạng trầm tích thƣờng có đặc điểm phân lớp của các vỉa sét kết,
bột kết, cát kết, đá vơi và v.v... Các tính chất của các loại đá này đã đƣợc nghiên
cứu tỷ mỷ ở dạng các mẫu đá, song các tính chất bền và đàn hồi của địa tầng khác
biệt nhiều so với các tính chất của các mẫu đá. Có sự khác biệt này là do cấu trúc
và độ nứt nẻ của các lớp đá. Tất cả các loại đá đều có vơ số nứt nẻ, tách biệt địa
tầng thành các khối cấu trúc.
Các tính chất của đá đƣợc xác định ở các mẫu, với kích thƣớc nhỏ hơn các
khối cấu trúc, khơng thể đặc trƣng cho các tính chất của địa tầng. Chính vì vậy, để
nhận biết các tính chất của địa tầng, cần phải lấy thông tin từ một địa khối có chứa
một số lƣợng các khối cấu trúc đủ lớn.
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu và lựa chọn phƣơng pháp chống lò và điều
khiển áp lực mỏ, các lớp đá xung quanh vỉa than đƣợc phân biệt theo các dấu hiệu
riêng. Căn cứ vào vị trí phân bố so với vỉa than, ngƣời ta chia đá vách thành vách
giả, vách trực tiếp và vách cơ bản, còn đá trụ - trụ giả, trụ trực tiếp và trụ cơ bản.
Vách giả là lớp đá không dày lắm (thƣờng chỉ tới 0,5-0,6 m) nằm ngay trên
vỉa than. Lớp này dễ bị sập hoặc bị sập cùng với than khi khấu, hoặc bị sập sau
một khoảng thời gian ngắn. Tuy nhiên, nhiều vỉa than khơng có vách giả.
Vách trực tiếp là lớp đá tƣơng đối dễ sập nằm ở phía trên vỉa than. áp lực của
lớp này tác dụng lên các vì chống ở gƣơng lị và trụ than. Khi khơng có vách giả,

vách trực tiếp nằm sát trên vỉa than.
Vách cơ bản là lớp đá bền chắc, khó sập nằm trên vách trực tiếp và không sập
đồng thời với lớp này. Có khi vách cơ bản nằm ngay trên vỉa, là một lớp đá cứng
và dày.

-9-


Vách giả thƣờng là diệp thạch than, diệp thạch sét yếu; vách trực tiếp phổ
biến là diệp thạch sét-cát và diệp thạch sét; còn vách cơ bản thƣờng là đá vôi và cát
kết, đôi khi là diệp thạch sét vững chắc.
Trụ giả là lớp đá mỏng, rất dễ bị phá huỷ trong quá trình khấu than.
Trụ trực tiếp là lớp đá nằm ngay dƣới vỉa than khi khơng có trụ giả. Các hiện
tƣợng bùng nền, hiện tƣợng trƣợt và sập ở các vỉa dốc đứng có quan hệ chặt chẽ
với tính chất của trụ trực tiếp.
Trụ cơ bản là một lớp đá vững chắc nằm dƣới trụ trực tiếp.
Độ ổn định và khả năng sập đổ của đá ở lò chợ phụ thuộc nhiều vào cách thức
tách lớp của chúng, trong đó chiều dày của chúng có vai trị rất lớn. Khi mối gắn
kết giữa các lớp càng yếu và các lớp càng mỏng, thì chúng càng dễ sập đổ ở những
khối tƣơng đối nhỏ. Khi các lớp đá càng dày, thì chúng càng khó uốn võng và sẽ
sập đổ với những khối càng lớn.
Các loại đá trầm tích đều có tính phân lớp, đó là sự lắng đọng khơng đồng
chất. Nguyên nhân của sự phân lớp là sự đan xen của các lớp đá yếu và các lớp đá
bền vững, trong đó sự tách lớp xảy ra theo các lớp đá yếu, cho dù chúng rất mỏng.
Tính phân lớp biểu hiện rõ nét nhất khi trong địa khối có các lớp đá chất sét, than,
sliuđit hoặc chứa các tàn dƣ thực vật.
Giữa các lớp đá có thể có những bề mặt liên kết rất yếu, chúng có thể đi qua
ranh giới của vỉa, cũng có thể xen vào giữa các lớp đá đồng chất. Đó chính là
ngun nhân của sự phân vỉa. Chiều dày của một phân vỉa càng lớn, thì tính ổn
định của nó càng cao. Do mỗi phân vỉa khơng có sự gắn kết với các lớp đá nằm

trên, cho nên tồn bộ trọng lƣợng của nó đƣợc truyền xuống các lớp đá nằm dƣới.
Phân loại đá mỏ theo tính phân lớp
Loại đá
Phân lớp rất mỏng
Phân lớp mỏng
Phân lớp trung bình
Phân lớp dày
Phân lớp rất dày

Độ dày của lớp, m
< 0,2
0,2  1
13
3  10
> 10

1.1.2.2. Độ nứt nẻ của đá

- 10 -


Độ ổn định của đá mỏ xung quanh hầm lò phụ thuộc nhiều vào độ nứt nẻ của
chúng. Trong các vỉa đá vôi, khoảng cách giữa các vết nứt lớn hơn chiều dày vỉa từ
210 lần. Trong các vỉa cát kết hạt mịn, 78 % có khoảng cách giữa các vết nứt
vƣợt chiều dày vỉa 13 lần, 20 % - từ 310 lần. Trong các vỉa cát kết hạt thô có tới
92 % trƣờng hợp có khoảng cách giữa các vết nứt lớn hơn chiều dày từ 13 lần.
Trong các lớp diệp thạch cát, khoảng cách giữa các vết nứt gần bằng chiều dày lớp.
Các loại đá chất sét thƣờng có độ nứt nẻ cao, khi khoảng cách giữa các vết nứt
thƣờng nhỏ hơn chiều dày vỉa.
Các vết nứt đƣợc nhận biết qua chiều dài và chiều rộng của chúng. Khi chiều

rộng của vết nứt nhỏ hơn 0,05 mm, chúng có cỡ sợi tóc; khi chiều rộng từ 0,05 đến
2 mm - rất mảnh; từ 2 đến 10 mm - cỡ milimét; từ 10 đến 100 mm - cỡ centimét; từ
100 đến 1000 mm - cỡ decimét.
Tất nhiên, tính ổn định của đá phụ thuộc vào mật độ các vết nứt, đƣợc xác
định bởi số vết nứt trên 1 m2 diện tích địa khối.
Phụ thuộc vào độ nứt nẻ, các loại đá đƣợc phân biệt nhƣ sau:
- Không nứt nẻ ;
- ít nứt nẻ - có một hệ nứt với khoảng cách giữa chúng lớn hơn 1 m ;
- Nứt nẻ trung bình - có hai hệ nứt cắt chéo nhau với khoảng cách giữa chúng
lớn hơn 1 m ;
- Nứt nẻ mạnh - có vài hệ nứt cắt chéo nhau với tần suất phân bố trung bình
tới 0,5 m ;
- Nứt nẻ rất mạnh - có nhiều hệ nứt phân bố cách nhau qua khoảng cách nhỏ
hơn 0,2 m.
Độ ổn định của đá vách trên lò chợ phụ thuộc rất nhiều vào góc tạo bởi giữa
gƣơng lị và hƣớng các thớ nứt chính của nó, góc này quyết định phƣơng thức dịch
chuyển của đá vách.
1.1.2.3. Độ ổn định của đá khi bị bóc lộ
Tính bền của đá khi bị bóc lộ bởi các cơng tác mỏ đƣợc gọi là độ ổn định của
nó. Trạng thái của phần đá vách bị bóc lộ và khơng đƣợc chống giữ đƣợc coi là ổn

- 11 -


định, nếu qua một khoảng thời gian của nhu cầu sản xuất nó khơng bị sập đổ hoặc
trơi trƣợt, cịn sự dịch chuyển của nó khơng vƣợt q giới hạn cho phép.
Độ ổn định của đá đƣợc xác định bởi khả năng không bị phá huỷ dƣới tác
động của tự trọng và của nội ứng suất khi bị bóc lộ.
Cần phân biệt tính ổn định của đá khi bóc lộ trong thời gian ngắn và ổn định
trong thời gian dài.

Độ ổn định của đá vách ảnh hƣởng lớn đến hiệu quả khai thác vỉa than, đến
việc lựa chọn loại và kết cấu vì chống lị chợ và phƣơng pháp điều khiển đá vách.
Phân loại đá vách theo độ ổn định
Loại đá vách
Khơng ổn định
Kém ổn định
ổn định trung bình
ổn định
Rất ổn định

Đặc điểm ổn định
Khi không chống giữ, sập đổ ngay sau tiến độ của gƣơng
Khi dải bóc lộ ở gƣơng rộng tới 1 m, ổn định trong 2-3 h
Khi dải bóc lộ ở gƣơng rộng tới 2 m, ổn định tới 1 ngày-đêm
Khi dải bóc lộ rộng tới 2 m, ổn định tới 2 ng-đêm
Khi dải bóc lộ rộng 5-6 m, ổn định lâu dài

1.1.2.4. Khả năng sập đổ của đá vách
Các loại đá vách khác nhau có khả năng sập đổ khác nhau.
Khi điều khiển đá vách bằng phƣơng pháp phá hoả toàn phần, cần phân biệt
phá hoả ban đầu, phá hoả đợt một và phá hoả đợt hai. Phá hoả ban đầu đƣợc tiến
hành khi gƣơng lò chợ dịch chuyển qua một khoảng nhất định kể từ lị cắt, gọi là
bƣớc phá hoả ban đầu. Thơng thƣờng, bƣớc phá hoả ban đầu là 8-12 m, nhƣng với
các loại đá vách bền vững, bƣớc này có thể tới 50-60 m. Để phá hoả đá vách bền
vững, phải sử dụng phƣơng pháp khoan nổ mìn.
Sau phá hoả ban đầu sẽ thực hiện phá hoả thƣờng kỳ đá vách trực tiếp, liền
sau các tiến độ của gƣơng lị chợ, đó là phá hoả đợt một.
Đá vách cơ bản thƣờng treo ở dạng các tấm côngsơn. Theo mức độ dịch
chuyển của gƣơng lị chợ, kích thƣớc của tấm cơngsơn sẽ lớn dần và tới một thời
điểm nào đó nó sẽ sập đổ. Sự sập đổ của vách cơ bản đƣợc gọi là phá hoả đợt hai.

Nếu nhƣ đá vách trực tiếp sau khi sập đổ lấp đầy toàn bộ khoảng trống đã
khai thác, thì sập đổ đợt hai có thể khơng xảy ra. Cịn nếu khoảng trống đã khai
thác khơng đƣợc lấp đầy, thì cƣờng độ sập đổ của vách cơ bản sẽ càng nhỏ, khi tỷ
số giữa chiều dày vách trực tiếp và chiều dày vỉa than càng lớn.

- 12 -


Theo khả năng tự sập đổ của các lớp đá vách ngƣời ta còn phân biệt chúng
dựa vào bƣớc phá hoả (lph), khi đó chúng đƣợc chia thành năm nhóm:
Phân loại đá vách theo bƣớc phá hỏa
Loại đá vách
Rất dễ phá hoả
Dễ phá hoả
Trung bình
Khó phá hoả
Rất khó phá hoả

Bƣớc phá hoả ( lph, m)
< 0,5
0,5 - 2,0
2,0 - 5,0
5,0 - 10
> 10

Trình tự và đặc điểm phát triển của quá trình phá huỷ của đá vách đƣợc quyết
định bởi các đặc tính cấu trúc và các tính chất cơ học của đá. Trên cơ sở khả năng sập
đổ của đá, viện nghiên cứu VUGI (Liên Xô cũ) đã đề xuất bảng phân loại dƣới đây.
Loại đá
I

II
III
IV

Phân loại đá vách theo khả năng sập đổ
Đặc điểm đá vách
Vách trực tiếp là một hay nhiều lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày không
nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày của vỉa than đƣợc khai thác
Vách trực tiếp là lớp đá dễ sập đổ, có chiều dày nhỏ hơn 6-8 lần chiều
dày vỉa. Vách cơ bản là loại đá khó sập đổ, chỉ sập đổ trên diện lớn
Vách trực tiếp là lớp đá dày, khó sập đổ. Trong một số trƣờng hợp
khơng có vách trực tiếp và trên vỉa than là vách cơ bản, có khả năng
bóc lộ trên diện lớn
Vách trực tiếp là loại đá có khả năng hạ võng từ từ mà không bị rạn nứt
và đứt gẫy (khi chiều dày vỉa không quá 0,8-1,0 m)

Từ bảng phân loại thấy rằng, khi vách trực tiếp là loại đá dễ sập đổ, dày hơn
6-8 lần chiều dày vỉa (đá loại I), tải trọng tác động lên vì chống chỉ do lớp đá này
gây ra. Trong khi đó vách cơ bản bị chèn toàn bộ bởi đá vách trực tiếp đã phá hoả,
sẽ hạ võng dần dần và không gây tải trọng lên vì chống.
Nếu khơng có điều kiện trên, vách cơ bản sẽ sập đổ và khơng phải lúc nào vì
chống cũng chịu đƣợc những tải trọng sinh ra bởi cả vách trực tiếp và vách cơ bản.
Khi xét tới bƣớc phá hoả của đá mỏ và vùng áp lực tựa ở trƣớc gƣơng lị chợ,
viện VNIMI đã có những bổ xung cho bảng phân loại đá vách của VUGI.
Phân loại đá vách theo VUGI – VNIMI

Loại đá

I

Đặc điểm đá vách
Vách trực tiếp và vách cơ bản là các lớp đá dễ phá hoả. Vách trực tiếp phá
hoả theo chu kỳ lò chợ, còn vách cơ bản treo trên khoảng trống đã khai thác
ở những khẩu độ không lớn, trong phạm vi một bƣớc sập của vách trực tiếp.
Vùng áp lực tựa trong vỉa than phân bố ở khoảng cách không lớn trong khối
nguyên, kể từ biên của khoảng trống đã khai thác

- 13 -


II

III

IV

Vách trực tiếp là đá dễ phá hoả, dày 3-10 m; cịn vách cơ bản là lớp đá dày,
khó phá hoả. Vách cơ bản có thể treo trên khoảng trơng đã khai thác với
khẩu độ không lớn (tới 3-4 bƣớc phá hoả của vách trực tiếp). Vùng áp lực
tựa phân bố ở khoảng cách đáng kể phía trƣớc lị chợ
Vách trực tiếp là lớp đá bền vững, khó phá hoả, dày 3-5 m. Trên nó là các
loại đá dễ phá hoả, khơng có khả năng treo tự do. Khả năng treo trên khoảng
trống đã khai thác của loại đá này phụ thuộc vào chiều dày và độ bền vững
của vách trực tiếp. Bƣớc phá hoả của vách cơ bản tuỳ thuộc vào kích thƣớc
các khối gẫy của vách trực tiếp. Khi chiều dày vỉa khơng q 1 m, có khả
năng đá vách hạ từ từ
Các vách trực tiếp và cơ bản đều là những loại đá bền vững, khó phá hoả.
Chúng có xu hƣớng treo trên khoảng trống đã khai thác với khẩu độ lớn (tới
50 m hoặc hơn) và tạo ra áp lực tựa khá lớn ở trƣớc gƣơng lò chợ

Khi khai thác các vỉa dốc đứng, bên cạnh sự sập đổ của đá vách cịn có thể có
sự trôi trƣợt của đá trụ. Quan tâm đến khả năng này, viện ĐônUGI (Ukraina) đề
xuất bảng phân loại đá dƣới đây.
Phân loại đá cho các vỉa dốc đứng
Loại đá
I
II

III

IV
V
VI

Đặc điểm đá vách
Vách trực tiếp là đá rất yếu hoặc vách giả

Đặc điểm đá trụ
Trụ yếu có khả năng trƣợt, trụ
giả
Vách trực tiếp là đá dễ phá hoả, có chiều Trụ trực tiếp có độ bền từ trung
dày khơng nhỏ hơn 6-8 lần chiều dày vỉa bình trở lên, khơng trƣợt
Vách trực tiếp có độ bền trung bình, phá Trụ trực tiếp có độ bền trung
hoả ở chiều cao nhỏ hơn 6-8 lần chiều bình, khơng trƣợt
dày vỉa. Vách cơ bản là đá khó phá hoả,
có khả năng bóc lộ trên diện lớn
Vách trực tiếp là đá khó phá hoả, có khả Trụ trực tiếp có độ bền trung
năng bóc lộ trên diện lớn
bình hay bền vững, khơng trƣợt
Vỉa dày dƣới 0,7 m, vách trực tiếp có khả Trụ khơng trƣợt, có khả năng

năng hạ từ từ
trƣơng bùng
Vách trực tiếp là đá khó phá hoả
Trụ là đá yếu, dễ trơi trƣợt

Kinh nghiệm khai thác mỏ cho thấy vách cơ bản gây ảnh hƣởng lớn đến các
hoạt động trong lò chợ và các lò chuẩn bị. Vách cơ bản đƣợc chia làm hai nhóm:
dễ điều khiển và khó điều khiển.
Đá vách dễ điều khiển là loại đá không gây ra phá hoả đợt hai. Khi đó, giữa
vỉa than và vách cơ bản có lớp đá vách trực tiếp dễ phá hoả với chiều dày lớn hơn
34 lần chiều dày vỉa, mà khi sập đổ tạo ra khả năng hạ võng của vách cơ bản.
Đá vách khó điều khiển là loại đá có bƣớc phá hoả đợt một và đợt hai lớn hơn
30 m, khi vách trực tiếp là đá dễ phá hoả với chiều dày nhỏ hơn 4 lần chiều dày vỉa
than.
- 14 -


Đá vách khó điều khiển thƣờng là các loại đá đồng chất có giới hạn bền khi
chịu nén một trục lớn hơn 70 MPa: cát kết, đá vôi, diệp thạch cát.
1.1.3. Các tính chất cơng nghệ của vỉa than
1.1.3.1. Phân loại các vỉa than theo đặc điểm công nghệ
Để dễ dàng lựa chọn phƣơng pháp chống giữ lò chợ và phƣơng pháp điều
khiển áp lực mỏ, cũng nhƣ sơ đồ công nghệ khai thác than hợp lý, các vỉa than
đƣợc phân loại theo hai dấu hiệu chính, đó là chiều dày và góc dốc của chúng.
Theo chiều dày, các vỉa than đƣợc chia thành bốn nhóm:
- Rất mỏng: có chiều dày khơng q 0,7 m;
- Mỏng: có chiều dày từ 0,71 đến 1,2 m;
- Dày trung bình: có chiều dày từ 1,21 đến 3,5 m;
- Dày: có chiều dày lớn hơn 3,5 m.
Với mục đích chế tạo và lựa chọn phƣơng tiện cơ khí hố để chống giữ và

khai thác than trong lò chợ, ngƣời ta còn đề nghị chia các vỉa than theo chiều dày
của chúng thành bẩy nhóm:
- Nhóm một - các vỉa dày khơng q 0,6 m, mà cho đến nay vẫn chƣa có tổ
hợp thiết bị cơ khí hố tồn bộ phù hợp (ngoại trừ cơng nghệ khoan lấy than ở các
vỉa dốc thoải);
- Nhóm hai - các vỉa dày từ 0,60,9 m, đã đƣợc chế tạo các tổ hợp cơ khí hố,
nhƣng năng suất của chúng bị hạn chế bởi sự chật hẹp của không gian lị chợ. Khi
đó, với chiều cao hạn chế của lị chợ, khoảng cách giữa xà của vì chống và thân
máy khai thác hay máng cào khơng đáng kể. Vì vậy, máy liên hợp buộc phải bố trí
bên ngồi khung máng cào, làm thay đổi bố cục của cả tổ hợp, giảm hiệu quả hoạt
động của nó;
- Nhóm ba - các vỉa dày từ 0,91,3 m, có thể bố trí máy liên hợp trên máng cào,
nhƣng dƣới thân máy phải có khoảng hở cần thiết cho dịng tải than của máng cào;
- Nhóm bốn - các vỉa dày từ 1,32,0 m, có thể bố trí dễ dàng máy liên hợp
trên máng cào. Đây chính là điều kiện thuân lợi nhất để tạo ra các tổ hợp thiết bị
với năng suất cao;

- 15 -


- Nhóm năm - các vỉa dày từ 2,03,5 m, có điều kiện khai thác thuận lợi.
Nhƣng do sự phát triển mạnh của hiện tƣợng ép trồi, cần phải bổ sung bộ phận
chống lở gƣơng vào kết cấu của vì chống;
- Nhóm sáu - các vỉa dày từ 3,55,0 m, có thể khai thác bằng phƣơng pháp chia
lớp. Song, ở các vỉa dốc thoải có thể khai thác chỉ một lớp bằng tổ hợp thiết bị cơ khí
hố, phá hoả đá vách hoặc tháo tận thu lớp than đệm dƣới vách; ở các vỉa dốc đứng để
khấu các lớp cần chế tạo các tổ hợp thiết bị áp dụng chèn lị tồn phần;
- Nhóm bẩy - các vỉa dày hơn 5 m, khai thác theo phƣơng pháp chia lớp, sử
dụng các tổ hợp thiết bị của vỉa dày trung bình.
Theo góc dốc, các vỉa than đƣợc chia thành bốn nhóm:

- Dốc thoải: có góc dốc từ 0 đến 18o;
- Dốc nghiêng: có góc dốc từ 19 đến 35o;
- Dốc nghiêng - đứng: có góc dốc từ 36 đến 55o;
- Dốc đứng: có góc dốc từ 56 đến 90o.
Góc dốc của vỉa than có ảnh hƣởng rất lớn đến việc lựa chọn vì chống lị chợ
và phƣơng pháp điều khiển áp lực mỏ.
Điều kiện thuận lợi nhất để sử dụng các tổ hợp thiết bị cơ khí hố là các vỉa có
góc dốc từ 0 đến 12o, khi các lực hấp dẫn không ảnh hƣởng đến việc lựa chọn kết cấu
của thiết bị và có thể khai thác vỉa theo phƣơng, ngƣợc chiều dốc hoặc xi chiều dốc.
ở các vỉa có góc dốc từ 13 đến 35o q trình khai thác thƣờng đƣợc tiến hành
theo phƣơng.
Khi khai thác các vỉa dốc từ 46 đến 90o sẽ gặp nhiều khó khăn do khả năng
trôi trƣợt của đá trụ và sự ảnh hƣởng mạnh của các lực hấp dẫn. Trong những
trƣờng hợp này các vì chống lị chợ buộc phải có các kết cấu đặc biệt để khơng bị
trơi trƣợt trong q trình vận hành. Quá trình điều khiển áp lực mỏ trong lị chợ
cũng có nhiều đặc điểm thay đổi khi góc dốc của vỉa gia tăng.
1.1.3.2. Các tính chất của than nguyên khối
Các tính chất cơ lý của than nguyên khối chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố tự
nhiên và kỹ thuật mỏ. Các yếu tố tự nhiên bao gồm: mức độ biến chất, độ nứt nẻ,
độ kiên cố của than, cấu tạo của vỉa, độ dày của nó và v.v... Các yếu tố kỹ thuật mỏ

- 16 -


bao gồm: chiều rộng lò chợ, loại, mật độ và độ linh hoạt của vì chống, phƣơng
pháp điều khiển đá vách, tốc độ dịch chuyển của gƣơng, phƣơng pháp khấu than,
hƣớng khấu và v.v...
Khi khối than nguyên ở gƣơng lò chợ kém kiên cố, nhiều rạn nứt, có thể làm
gia tăng độ dịch chuyển của đá vách và đá trụ, dẫn đến sự suy giảm tính ổn định
của các lớp đá này.

Các tính chất của than nguyên khối cũng ảnh hƣởng đến việc lựa chọn
phƣơng pháp bảo vệ lò chuẩn bị, cá biệt là việc xác định kích thƣớc của các trụ bảo
vệ, xa hơn là việc chọn các thông số của một hệ thống khai thác.
1.1.3.3. Hiện tượng ép trồi ở gương lị chợ
Ứng suất bình thƣờng trong vỉa than trƣớc khi khai thác bằng áp lực tác động
lên nó của các lớp đá nằm trên. Q trình phân bố lại ứng suất xảy ra do việc khai
thác than trong lò chợ. Sự thay đổi trạng thái ứng suất trong vùng bóc lộ, thƣờng
xuyên hơn là sự xuất hiện của các lực đẩy ngang, có thể dẫn tới sự dịch chuyển của
vỉa về phía khoảng trống khai thác. Đó là nguyên nhân sinh ra hiện tƣợng ép trồi ở
gƣơng lò chợ. Nếu các biến dạng kéo đạt tới trị số giới hạn, thì các vết nứt ép trồi
sẽ phát triển, hƣớng thẳng góc với mặt phân vỉa và song song với mặt bóc lộ. Khi
đó, than bị phá thành các tảng dạng cột nhỏ, gây ra hiện tƣợng lở gƣơng. Trong
phần còn lại của vùng ép trồi các biến dạng kéo chƣa đạt tới trị số giới hạn và than
chƣa bị phá huỷ rõ ràng.
Hiện tƣợng ép trồi ở gƣơng lị chợ phụ thuộc nhiều vào các thơng số kỹ thuật
của lị chợ. Trong đó quan trọng nhất là: chiều rộng của lò chợ, chiều rộng khấu của
máy khai thác, phƣơng pháp điều khiển đá vách, độ linh hoạt của vì chống và v.v...
Khi tăng chiều rộng lị chợ sẽ dẫn đến sự gia tăng mức hạ võng của đá vách
và độ biến dạng của khối than ở gƣơng lò.
Việc giảm chiều rộng khấu của máy khai thác làm giảm giá trị hạ võng của đá
vách và ép trồi của than.
Phƣơng pháp điều khiển đá vách thƣờng đƣợc lựa chọn dựa vào khả năng phá
hoả của nó. Khi vách là đá yếu hoặc có độ ổn định trung bình, trong quá trình phá
hoả hiện tƣợng ép trồi đƣợc ghi nhận yếu hơn, so với khi vách là các loại đá bền

- 17 -


vững. Đá vách bền vững thƣờng treo và không sập đổ ở diện bóc lộ lớn, độ võng
của nó đạt giá trị cao và gây ra sự ép trồi mãnh liệt của than. Trong điều kiện nhƣ

vậy, sự ép trồi thay đổi theo tiến độ dịch chuyển của lò chợ và theo sự thay đổi
chiều dài côngxơn của đá vách trong phạm vi một bƣớc phá hoả.
Một số tác giả cho rằng, trong cùng một lò chợ khi chuyển từ phƣơng pháp
chèn lị từng phần sang phƣơng pháp chèn tồn phần, thì độ hạ võng của vách và
hệ số ép trồi trung bình giảm 20 %.
Độ linh hoạt của vì chống ảnh hƣởng đến sự hạ võng của vách và mức độ ép
trồi của than. Nếu độ linh hoạt của vì chống gia tăng, thì độ hạ võng của vách và sự
ép trồi cũng tăng theo.
1.1.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ
Có nhiều phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ, đó là nghiên cứu lý thuyết,
nghiên cứu tại thực tế sản xuất, nghiên cứu trong phịng thí nghiệm và nghiên cứu
tổng hợp.
Khi tiến hành nghiên cứu lý thuyết, hiện nay chủ yếu sử dụng các giả thuyết
về áp lực mỏ, trong đó mỗi giả thuyết sẽ đƣợc áp dụng cho một trƣờng hợp riêng
gần đúng nhất với điều kiện khai thác mỏ. Một số giả thuyết phổ biến về áp lực mỏ
trong lò chợ sẽ đƣợc giới thiệu ở chƣơng sau.
Hiện nay phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ tại thực tế sản xuất đang đƣợc
áp dụng rộng rãi. Phƣơng pháp này khơng q phức tạp và có thể sớm đƣa ra
những kết quả để đáp ứng các yêu cầu của sản xuất. Tuy nhiên, nó cũng bị hạn chế
bởi yếu tố không gian, không phải bất cứ chỗ nào trong địa tầng cần đƣợc nghiên
cứu con ngƣời và thiết bị quan trắc cũng có thể tiếp cận đƣợc.
Để nghiên cứu áp lực mỏ tại thực tế sản xuất cần phải có các phƣơng tiện
khảo sát và đo đạc. Các phƣơng tiện đó là:
- Phƣơng tiện đo áp lực, thƣờng là các lực kế dạng cột chống hay đế cột, các
áp kế để xác định tải trọng của các cột chống thủy lực, cũng có thể là thiết bị đo áp
lực theo nguyên lý cảm biến trở;
- Thƣớc đo độ dài và vi phân kế để xác định các khoảng biến dạng mà mắt
thƣờng không thể thấy đƣợc;

- 18 -

- Các thiết bị quang học nhƣ máy trắc đạc, máy ảnh, máy quay phim...;
- Đồng hồ thời gian.
Khi nghiên cứu áp lực mỏ tại thực tế sản xuất chủ yếu giải quyết các vấn đề
cụ thể sau đây:
- Xác định trị số của áp lực mỏ trong lò chợ và sự biến đổi của nó theo khơng
gian và thời gian;
- Kiểm tra khả năng lấp đầy khoảng trống đã khai thác khi tiến hành phá hỏa
đá vách;
- Độ lún và trạng thái ứng suất của khối đá chèn;
- Vận tốc và gia tốc, cũng nhƣ hƣớng phát triển của quá trình dịch chuyển của
đá vách và đá trụ trong q trình khai thác khống sản;
- Ảnh hƣởng của q trình khai thác lị chợ đến áp lực mỏ trong các lị chuẩn
bị tiếp giáp với nó;
- Sự ảnh hƣởng của quá trình khai thác mỏ đến mặt đất và v.v...
Phƣơng pháp nghiên cứu áp lực mỏ trong phịng thí nghiệm đƣợc thực hiện để
bù đắp các hạn chế của các phƣơng pháp nghiên cứu khác đã nêu ở trên. Phƣơng
pháp này chủ yếu đƣợc tiến hành theo hƣớng mô hình hóa, tức là mơ phỏng các
điều kiện của thực tế khai thác mỏ qua việc thiết lập các mô hình trong phịng thí
nghiệm. Có nhiều dạng mơ hình: mơ hình vật liệu tƣơng đƣơng, mơ hình quang
đàn hồi, mơ hình tốn-lý, tốn-cơ và v.v...
Khi thiết lập mơ hình vật liệu tƣơng đƣơng, do phải tuân thủ nghiêm túc các
nguyên tắc chặt chẽ về tƣơng đƣơng hình học, tƣơng đƣơng về các hằng số vật lý,
tƣơng đƣơng về yếu tố thời gian, tƣơng đƣơng về các trạng thái ban đầu và kết
thúc v.v..., đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải làm việc kiên trì và cẩn trọng để đạt
đƣợc mục đích mong muốn.
Các mơ hình quang đàn hồi sử dụng vật liệu cảm quang đƣợc chất tải, chủ yếu
để mô phỏng trạng thái ứng suất của đá mỏ và sự phân bố ứng suất xung quanh
hầm lò đƣợc phản ánh qua các vân thoa ánh sáng trên màn ảnh. Tuy nhiên các mơ

hình này chỉ phù hợp với các địa tầng tƣơng đối đồng chất.
Hiện nay, với sự trợ giúp của máy tính điện tử và cơng nghệ thơng tin, nhiều mô

- 19 -


hình tốn-lý và tốn-cơ mơ phỏng diễn biến của q trình khai thác mỏ trong lịng đất
đã đƣợc thiết lập, mở ra một hƣớng nghiên cứu mới về áp lực mỏ hầm lò.
Để giải quyết các vấn đề về áp lực mỏ một cách toàn diện và đủ tin cậy cần
phải thực hiện phƣơng pháp nghiên cứu tổng hợp, tức là kết hợp cả ba phƣơng
pháp nghiên cứu kể trên: lý thuyết, tại thực tế sản xuất và trong phòng thí nghiệm,
các nhánh nghiên cứu sẽ bổ khuyết cho nhau và chỉ có nhƣ vậy các kết quả nghiên
cứu sẽ có đủ tính khả thi.
1.2. Giả thuyết áp lực mỏ vịm cân bằng tự nhiên
Sự hình thành vịm cân bằng tự nhiên trong một khu khai thác theo đƣờng
phƣơng đƣợc thể hiện trên hình 1.2. Trạng thái đầu tiên của lò chợ là lò cắt, lúc này
sự phân bố ứng suất của đá mỏ, mà chủ yếu là của đá vách, xung quanh nó tƣơng
tự nhƣ ở các đƣờng lị chuẩn bị khác (hình 1.2 a). Giáp với lị cắt là vùng ứng suất
thấp hay còn đƣợc gọi là vùng biến dạng không đàn hồi, ở đây đá mỏ dịch chuyển,
tách lớp và rạn nứt, chính vùng này gây ra áp lực tác động lên vì chống lị. Giới
hạn phát triển của vùng này tạo ra một vòm đƣợc gọi là "vòm cân bằng tự nhiên".
Bao quanh vùng ứng suất thấp là vùng ứng suất cao hay còn đƣợc gọi là vùng biến
dạng đàn hồi, áp lực gia tăng của vùng này đƣợc mặt vòm tiếp nhận rồi truyền
xuống chân vòm, gây ra áp lực tựa.
Khi bắt đầu khai thác lị chợ, diện bóc lộ của đá vách sẽ lớn dần theo tiến độ
khai thác và vùng biến dạng không đàn hồi cũng phát triển theo, tức là vòm cân
bằng tự nhiên và áp lực tựa ở các vùng biên cũng sẽ lớn dần. Trên hình 1.2b thể
hiện trạng thái phân bố ứng suất và vị trí của vịm cân bằng tự nhiên ở thời điểm
sau khi phá hỏa ban đầu.
Tiếp theo là giai đoạn khai thác ổn định của lò chợ đi cùng với các đợt phá

hỏa đá vách thƣờng kỳ nhƣ đã đƣợc phân tích ở các mục trƣớc. Trong giai đoạn
này vòm cân bằng tự nhiên đạt các kích thƣớc tối đa và dịch chuyển theo tiến độ
khai thác lị chợ (hình 1.2c), khi đó chân vịm phía trƣớc ln ln gối lên khối
than ngun phía trƣớc gƣơng lị chợ, cịn chân vịm phía sau rời khỏi khối nguyên,
tiến dần vào khoảng trống đã khai thác và tựa lên vùng đá phá hỏa đã bị nén chặt
trở lại.

- 20 -


a

b

c

Hình 1.2. Sự hình thành vịm cân bằng tự nhiên ở khu khai thác:
a- xung quanh lò cắt;
b- sau khi phá hỏa ban đầu;
c- giai đoạn khai thác ổn định

Theo chiều dốc của khu khai thác chân vịm ln tựa lên các khối nguyên
xung quanh các lò chuẩn bị ở mức thơng gió và ở mức vận tải.
Nếu trong khu khai thác áp dụng phƣơng pháp điều khiển đá vách là chèn lị
tồn phần thì bản chất của q trình hình thành vịm cân bằng tự nhiên vẫn khơng
thay đổi, tức là vẫn giống nhƣ khi phá hỏa đá vách vừa nêu ở trên. Nhìn chung, sự
khác biệt chủ yếu khi chèn lị là các kích thƣớc của vịm nhỏ hơn khá nhiều, nếu
các điều kiện khác tƣơng tự nhƣ nhau.

- 21 -

Để xác định áp lực mỏ tác động lên vì chống lò chợ theo giả thuyết áp lực mỏ
vòm cân bằng tự nhiên giáo sƣ M. M. Prôtôđiacônôv đề xuất sơ đồ tính tốn đƣợc
thể hiện trên hình 1.3. Giả thuyết cho rằng chỉ có đá vách nằm bên trong vịm cân
bằng tự nhiên tác động lên vì chống lị chợ. Nhƣ vậy, nếu biết đƣợc kích thƣớc của
vịm thì có thể xác định đƣợc khối lƣợng đá rạn nứt nằm bên trong nó, xác định
đƣợc trọng lƣợng của nó, nghĩa là xác định đƣợc áp lực tác động lên vì chống.
B

y

x

H

C

O

x

yx

ymax

M

A

D
b
b1

y

S

a

S

2a
2a1

Hình 1.3. Sơ đồ tính tải trọng tác động lên vì chống lị chợ

Áp lực lớn nhất tác động lên vì chống là ở hàng cột xa gƣơng nhất, tức là cách
gƣơng một khoảng b, ứng với điểm M trên mặt vòm. Chiều cao của vòm cách
gƣơng một khoảng b đƣợc xác định theo công thức
y x  y max

a1 x 2 a 1  a 1 - b1 
- Δy   f a1f f
a 1f

2

,

m

Trong đó: ymax - chiều cao lớn nhất của vòm, m;
y - tung độ của điểm M, m;
a1 - bán nhịp của vòm, m;
f - hệ số kiên cố trung bình của các lớp đá vách theo thang chia của
M.M. Prơtơđiacơnơv;
x - hồnh độ của điểm M, m.
- 22 -


Dựa vào sơ đồ tính tốn có thể xác định đƣợc giá trị của bán nhịp vòm a1
a1 = a + S , m
a - bán nhịp của vịm tính đến gƣơng lò chợ, đƣợc xác định bằng
thực nghiệm, m;
S - tuyến tiếp xúc của chân vòm với khối than nguyên và đá phá hỏa
hoặc đá chèn đã bị nén chặt, m;
b1 - khoảng cách từ hàng cột đƣợc tính tốn đến chân vịm, m
b1 = b + S , m
b - chiều rộng lớn nhất của lò chợ, m.
Để xác định giá trị S, tác giả cho rằng chính trọng lƣợng của khối đá ABCD
nén xuống mặt vòm, rồi đƣợc truyền xuống chân vòm, tạo ra áp lực tựa ở đây.
Bằng thực nghiệm, tác giả đề xuất công thức tính gần đúng
S ≈ 1,6 γH
f

,

m

trong đó:  - thể trọng trung bình của các lớp đá vách, t/m3;
H - độ sâu khai thác, m.
Từ giá trị của yx có thể tính đƣợc áp lực trên 1 m2 của hàng cột xa gƣơng nhất
, T/ m2

Pb  y x γcosα

Trong đó:  - góc dốc của vỉa, độ.
Cũng có thể tính đƣợc áp lực trên 1 cột của hàng cột xa gƣơng nhất
Pc 

Pb
η

, T/cột

Trong đó:  - mật độ cột chống trong lò chợ, cột/ m2.
Giả thuyết áp lực mỏ vịm cân bằng tự nhiên đƣa ra cách tính tốn khá đơn
giản, tuy nhiên nó bộc lộ một số nhƣợc điểm sau:
- Khơng tạo khả năng tính chính xác khẩu độ của vòm 2a;
- Khi xác định tải trọng tác động lên vì chống chƣa tính đến độ sâu khai thác
và đặc điểm cơng tác của vì chống, mặc dù thực tế đã chứng minh đƣợc rằng áp
lực mỏ gia tăng cùng với chiều sâu khai thác;
- Vì chống chỉ làm việc ở chế độ tải trọng cho trƣớc khơng phụ thuộc vào đá
mỏ, tuy nhiên vì chống cịn có thể làm việc ở ché độ biến dạng cho trƣớc;
- 23 -


- Vòm thƣờng chỉ đặc trƣng cho giai đoạn khai thác đầu tiên của lò chợ, khi
sự sập đổ và dịch động của đá chƣa lan truyền tới mặt đất.

Dù có những vấn đề nêu trên, giả thuyết vịm của M. M. Prơtơđiacơnơv có thể
đƣợc áp dụng khi xác định áp lực trên vì chống gần gƣơng khơng chỉ cho giai đoạn
khai thác đầu tiên của lị chợ, mà đơi khi còn cho cả các giai đoạn tiếp theo khi đá
vách trực tiếp tƣơng đối mềm yếu và khơng có vách cơ bản ở gần.
1.3. Giả thuyết áp lực mỏ dầm công sơn
Giả thuyết dầm công sơn, đƣợc đề xuất bởi các giáo sƣ V. Đ. Slesarev và G.
N. Cuznhesôv, cho rằng khi vách là đá rắn và phân lớp ở các lị chợ đủ dài thì nó
làm việc nhƣ những tấm dầm cơng sơn (hình 1.4). Những tấm dầm này đƣợc ngàm
chặt một đầu trong khối nguyên trƣớc gƣơng lò chợ, còn đầu kia treo tự do bên
trên lò chợ và khoảng trống đã khai thác, hoặc tựa lên vì chống lị.
a

h1

f2

h2

l2

f1

R'

lph

Hình 1.4. Sơ đồ tính
áp lực mỏ trên vì
chống lị chợ:

b
l1

b
h2

l2
T

a- khi vách cơ bản
khơng truyền áp lực
xuống vách trực tiếp;
b- khi vách cơ bản có
truyền áp lực xuống
vách trực tiếp

h1

f2

R"

f1

R'

lph

b
l1

Tùy thuộc các tính chất của các lớp đá vách trực tiếp và vách cơ bản sẽ có hai
trƣờng hợp xảy ra:

- 24 -


- Trƣờng hợp thứ nhất đƣợc gọi là vì chống lò chợ làm việc ở chế độ tải trọng
cho trƣớc, ở đây độ võng f1 của dầm vách trực tiếp lớn hơn độ võng f2 của dầm vách
cơ bản theo tuyến gãy của vách trực tiếp (hình 1.4 a). Do có sự tách lớp giữa hai tấm
dầm, cho nên chỉ có dầm vách trực tiếp gây ra áp lực tác động lên vì chống lị chợ.
- Trƣờng hợp thứ hai đƣợc gọi là vì chống lị chợ làm việc ở chế độ biến dạng
cho trƣớc, lúc này f1< f2 (hình 1.4b) cho nên bên cạnh áp lực do dầm vách trực tiếp
gây ra, cịn có áp lực do dầm vách cơ bản gây ra, truyền qua vách trực tiếp rồi tác
động lên vì chống lị chợ.
Giả thuyết đƣa ra các phƣơng pháp xác định áp lực mỏ trên cả vì chống gần
gƣơng và vì chống phá hỏa. Các tác giả cho rằng chỉ có vách trực tiếp tạo ra áp lực
trên các vì chống gần gƣơng và áp lực này phân bố tƣơng đối đều trên cả chiều
rộng lò chợ. Nhƣ vậy, trong cả hai trƣờng hợp nêu trên đều có thể tính áp lực ở
luồng gần gƣơng bằng cơng thức sau
Pg  γ1 h1cosα

, T/ m2

Trong đó:  - góc dốc của vỉa, độ.
Để xác định áp lực trên tuyến phá hỏa của lò chợ trƣớc tiên cần xác định các
trị số độ võng của các tấm dầm của vách trực tiếp và vách cơ bản bằng các công
thức sau
f1 

γ1 h1l14
8E 1' J1'

, cm

γ 2 h 2  l 22 l12 l 2 l13 l14 
f2  ' ' 

3 12 
2E 2 J 2  2

, cm

Trong đó: 1 - thể trọng trung bình của các lớp đá vách trực tiếp, kg/cm3;
2 - thể trọng trung bình của các lớp đá vách cơ bản, kg/cm3;
h1 - chiều dày của vách trực tiếp, cm;
h2 - chiều dày của vách cơ bản, cm;
l1 - chiều dài công sơn lớn nhất của vách trực tiếp, cm;
l2 - chiều dài công sơn lớn nhất của vách cơ bản, cm;
E1' , E '2

- môdul đàn hồi rút gọn khi uốn của vách trực tiếp và vách

cơ bản , kG/cm2

- 25 -