phương pháp phân loại khối đá phục vụ công tác khai thác mỏ

Khả năng áp dụng phương pháp LI.Baron để xác định hệ số kiên
cố (f) của đá phục vụ khai thác than ở các mỏ than của than Việt
Nam
Phạm Đại Hải
(1)
Trần Văn Yết
(1)
Application of LI.Baron method for determining solid coefficient of rock for coal exploitation
processes in the coal mines of Vinacoal
Abstract: Massive rock classification method according to the solid coefficient (f) of Protodiakonov is
simple, easy for application and it has been used in the Russia, Vietnam, as well as the former socialist
countries. However, the calculation method of the coefficient (f) has some unconformable questions.
LI.Baron established his new formula for determining solid coefficient of the rock. According to his formula,
the experience solid coefficient (f) that applied in mines is suitable for mining rock massive. In the basis of
this method, by the authors of this paper, the solid coefficient (f) of some rock types at Mao Khe mine is
presented.
Có thể nói cho đến thời điểm hiện nay đã
có rất nhiều phương pháp phân loại khối đá
phục vụ công tác khai thác mỏ. Tuy nhiên
trong điều kiện của Việt Nam (đặc biệt là
ngành than), phương pháp xác định hệ số
đá mỏ của Protodiakonov đã được sử dụng
rộng rãi và ăn sâu vào tiềm thức của tất cả
những người làm công tác khai thác mỏ (kể
cả những người công nhân làm việc ở các
mỏ khai thác than hầm lò hay lộ thiên). Hệ
số kiên cố (f) đã được sử dụng làm chỉ tiêu
để định mức vật tư trong hoạt động khai
thác các mỏ than qua nhiều năm và đã thể
hiện tính ưu việt và đúng đắn của nó.
I. Khái niệm cơ bản về hệ số kiên cố (f)

của Protodiakonov
Trong lĩnh vực công nghiệp mỏ, theo quan
điểm của các nhà nghiên cứu và công nghệ
thì đá mỏ được chia thành các loại khác
nhau: đá cứng, đá nửa cứng, đá chặt xít, đá
mềm, đá rời rạc, đá đã được phá huỷ. Chúng
được đặc trưng bởi tính chất cơ học và vật lý
như: Độ bền chịu nén ((n), độ bền chịu kéo
((k), độ bền chịu uốn ((u), dung trọng (() ……
và tính chất công nghệ như: Độ kiên cố, độ
mài mòn, độ cứng, độ bền tiếp xúc, độ cản
cắt… Tất cả các tính chất cơ học vật lý và
tính chất công nghệ của đá mỏ phục cho các
quá trình khai thác khoáng sản được gọi
chung là tính chất cơ học vật lý - công nghệ
đá mỏ. Như vậy hệ số kiên cố của
Protodiakonov vẫn được sử dụng thuộc vào
các tính chất công nghệ của đá mỏ
Mục tiêu quan trọng nhất khi phân loại đá
mỏ là phải đánh giá được mức độ kiên cố
của các loại đá khác nhau, thậm chí trong
cùng một loại đá. Protodiakonov cho rằng để
đạt được diều đó, phương pháp tốt nhất là
so sánh các loại đá theo mức độ kiên cố của
1. Phòng Địa cơ học Mỏ
Viện Khoa học công nghệ Mỏ
Số 3 Phan Đình Giót - Thanh Xuân - Hà Nội.
Tel: 04 - 8647062
Emai:
đá mỏ từ điều kiện thực tế trong quá trình

khai thác với kết quả thí ngiệm mẫu đá. Ông
cho rằng đất đá mỏ nằm trong một tổ hợp
ứng suất phức tạp bất kỳ nào đó song có thể
đưa về một dạng đơn giản cho người sản
xuất dễ sử dụng. Do vậy từ độ kiên cố có
thứ nguyên Protodiakonov đã đưa ra hệ số
kiên cố (f) khi so sánh độ kiên cố của một
loại đá nào đó với một đơn vị kiên cố (đơn vị
được lấy là 100 kG/cm2). Và như vậy hệ số
kiên cố (f) đã trở thành cơ sở quan trọng để
phân loại đá mỏ, cho phép so sánh các loại
đá mỏ với nhau trong khi chưa biết được
những loại ứng xuất nào và chúng tác động
ra sao trong đá mỏ, thí dụ như : đá bột kết
có f = 6, đá cát kết có f = 9 … Theo phương
pháp phân loại đơn giản này hệ số kiên cố
(f) đã được sử dụng rộng rãi, có hiệu quả
trong công nghiệp khai khoáng ở các nước
Xã hội chủ nghĩa trước đây và ở Việt Nam từ
trước đến nay (đặc biệt là được sử dụng
rộng rãi trong công nghệp khai thác than)
Protodiakonov đã đưa ra 7 phương pháp
kinh điển để xác định hệ số kiên cố (f), và
phương pháp được sử dụng ở Việt Nam là
xác định theo ứng lực phá huỷ của đất đá
mỏ. Hệ số kiên cố (f) của đá mỏ được xác
định theo giới hạn độ bền nén một trục của
đất đá và được xác định theo công thức:
f = (n/100
trong đó: (n là cường độ kháng tải của

đất đá mỏ khi chịu nén một trục
Những khó khăn khi sử dụng công thức
cổ điển của Protodiakonov để xác định hệ số
kiên cố (f):
Thực tế hiện nay, trong tất cả các đầu
mục công việc khai thác than có liên quan
đến hệ số kiên cố, công thức được sử dụng
để xác định hệ số kiên cố vẫn là công thức
cổ điển của Protodiakonov: f = (n/100. Khi
sử dụng công thức này đã xảy ra hiện tượng
sau:
- Mỏ than Hà Tu: Khi gặp bột kết dai thì
hệ số kiên cố xác định được trên cơ sở thí
nghiệm độ bền nén một trục thường nằm
trong khoảng f = 5 - 6. Nếu sử dụng giá trị
này để định mức vật tư nổ mìn thường cho
chất lượng bãi nổ không tốt; bởi vậy buộc
các kỹ sư địa chất mỏ phải tăng giá trị hệ số
kiên cố lên f = 8 - 9
- Các mỏ khai thác than khác như mỏ
Mạo Khê, Cao Sơn, Nam Mậu, Hà Lầm, Khe
Chàm,….,thì một sô loại đá có hệ số kiên cố
xác định được bằng công thức cổ điển của
Protodiakonov trên cơ sở kết quả thí nghiệm
nén một trục lại cao hơn rất nhiều hệ số kiên
cố cho phép để xác định định mức vật tư
(đối với mỏ hầm lò f<10 và mỏ khai thác lộ
thiên f<14)
Nhìn chung, các doanh nghiệp thuộc than
Việt Nam (TVN) đang quản lý và khai thác

than thuộc bể tha antraxit Quảng Ninh đều
gặp phải hiện tượng tương tự như trên. Có
thể thấy rõ ở bảng tổng hợp kết quả thí
nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 của hai
mỏ Mạo Khê và Cao Sơn)
Bảng 1. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý năm 2004 - mỏ than Mạo Khê
Tên đá
Khối lượng thể tích
(g/cm3 )
Độ bền kéo
(kG/cm2)
Độ bền nén
(kG/cm2)
Hệ số kiên cố
(fp)
Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80 Mức -25 Mức -80
Cát kết
2,4 - 2,7
2,5
2,4 - 3,3
2,6
45 - 142
76
29 - 144
72
528-1681
119
346-1707
1136
5 - 17

12
3 - 17
11
Bột kết
2,5 - 3,2
2,6
2,3 - 2,9
2,6
24 - 138
48
24 - 124
52
125-1148
714
271-1173
786
1 - 12
7
3 - 12
8
Sét kết
2,2 - 2.,
2,4
2,1 - 2,6
2,4
8 - 38
19
14 - 48
28
91-454

232
148-435
330
1 - 5
2
1 - 4
3
Bảng 2. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá năm 2004 - mỏ Cao Sơn
Tên đá
Số
mẫu
Tính chất cơ lý
Khối lượng thể tích
( g/cm3 )
Độ bền kéo
(kG/cm2)
Độ bền nén
(kG/cm2)
Hệ số kiên cố
( fp )
Sạn kết 42
2,50 - 2,65
2.58
54 - 127
91
1118 - 1881
1364
11 - 17
14
Cát kết 113

2,51 - 2,69
2,61
44 - 146
90
649 -1655
1217
7 - 17
12
Bột kết 18
2,58 - 2,69
2,63
34 - 89
53
470 - 933
693
5 - 9
7
Từ những thí nghiệm trên cho thấy ở các mỏ
khai thác than hầm lò (mỏ Mạo Khê) nhiều vị trí đất
đá có hệ số kiên cố (f) vượt qua giá trị cho phép
(f=10); và mỏ khai thác than lộ thiên (mỏ Cao Sơn)
có hệ số kiên cố vượt qua giá trị cho phép (f = 14).
Mặt khác, thực tế sản xuất tồn tại hiện tượng : đối
với các loại đá có hệ số kiên cố nhỏ (hệ số kiên cố
xác định theo công thức cổ điển
của.Protodiakonov) thì chi phí vật tư chưa chắc đã
thấp, và đá có hệ số kiên cố cao thì nhiều khi lại
cao hơn so với giá trị thực tế tai mỏ
II. Xác định hệ số kiên cố (f) theo phương
pháp của Baron

Qua nhiều năm sử dụng phương pháp phân
loại khối đá theo hệ số kiên cố của
GS.VS.Protodiakonov người ta nhận thấy còn
một số tồn tại và đặc biệt là khi sử dụng công
thức xá định (f) qua kết quả thí nghiệm nén một
trục ở phòng thí nghiệm, khi đó xảy ra hiện
tượng:
-Đối với đất đá có độ bền nén thấp ((n xác
định tại phòng thí nghiệm) thì hệ số kiên cố tính
toán theo (n lại nhỏ hơn hệ số kiên cố thu được
từ thực tế tại mỏ
-Ngược lại đối với các loại đá mỏ có cường
độ kháng nén lớn ((n xác định tại phòng thí
nghiệm) có hệ số kiên cố cao hơn hệ số kiên cố
tại mỏ
Các hiện tượng trên đã được nhiều nhà khoa
học của Liên Xô quan tâm nghiên cứu, trong đó
nổi bật nhất là công trình nghiên cứu của
GS.TS.Baron
Năm 2004, phòng Nghiên cứu Địa Cơ Mỏ -
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ thực hiện nhiệm
vụ của TVN giao về việc xác định chỉ tiêu cơ lý
đá ở các mỏ khai thác than lộ thiên và hầm lò
thuộc bể than Quảng Ninh; khi tính toán, xử lý số
liệu cũng đã gặp hiện tượng trên
Để giải quyết các hiện tượng này Baron, qua
nhiều năm nghiên cứu, đã đưa ra phương pháp
chuẩn xác lại phương pháp tính hệ số kiên cố
của Protodiakonov cho phù hợp với thực tế sản
xuất tại mỏ

Cơ sở lý thuyết phương pháp xác định hệ số
kiên cố (f) của Baron
Baron đã cho rằng: Khi tiến hành xây dựng hệ
số kiên cố chung cho các loại đá từ kết quả thí
nghiệm nén mẫu một trục thì đơn vị của (f) đối
với các loại đá có độ kiên cố khác nhau sẽ phải
khác nhau
-Đối với đá yếu thì phải nhỏ hơn 100
(kG/cm2)
-Đối với đá cứng thì đơn vị phải lớn hơn 100
(kG/cm2)
Trên cơ sở xử lý các kết quả thí nghiệm và các
số liệu thu nhận được từ các mỏ, ông đã đưa ra
công thức để xác định hệ số kiên cố (f) chung cho
các loại đá theo kết quả thí nghiệm nén mẫu đá
bằng phương pháp nén mẫu một trục :
f = ((n/300 ) + (
n
σ
/30)
Trong đó: f - Hệ số kiên cố
(n - Giới hạn độ bền nén một trục (kG/cm2)
Cơ sở quan trọng nhất để Baron đưa ra công
thức là ông đã lấy hệ số kiên cố (f) theo kinh
nghiệm nhiều năm ở mỏ làm cơ sở đưa ra
phương pháp xác định hệ số kiên cố (f) của
mình. Theo quan điểm của ông: Hệ số kiên cố
kinh nghiệm tại mỏ rất phù hợp cho khối đá mỏ,
ở một khía cạnh nào đó nó có thể đại diện cho
khối đá cụ thể và đáp ứng được cho việc tính

toán các công trình công nghệ khai thác mỏ
III- Xác định hệ số kiên cố cho các loại đá
mỏ Mạo Khê - theo phương pháp của Baron
Các loại đá trầm tích trong địa tầng chứa than
mỏ than Mạo Khê bao gồm các loại chủ yếu là:
Cát kết, bột kết, sét kết. Trên cơ sở kết quả thí
nghiệm nén mẫu một trục năm 2004 chúng tôi đã
xác định hệ số kiên cố bằng phương pháp của
Baron. Kết quả cụ thể đối với từng loại đá như
sau:
-Đá cát kết
Bảng 3. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá cát kết mỏ Mạo Khê
theo phương pháp của Protodiakonov và Baron
Độ bền nén
kG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
kG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
kG/cm2
Hệ số kiên cố theo
fb
Baron
fp
Protodiakonov
fb
Baron

fp
Protodiakonov
fb
Baron
fp
Protodia
konov
1296 10,9 13,0 1181 10,2 11,8 1859 14,1 18,6
1007 9,0 10,1 1184 10,1 11,8 1590 12,5 15,9
1007 9,0 14,0 1452 11,7 14,5 1410 11,5 14,1
1466 11,9 14,0 1431 11,7 14,3 1411 11,6 14,1
1408 11,5 9,6 1734 13,4 17,3 1662 13,0 16,6
963 8,8 12,5 1537 12,3 15,4 1719 13,2 17,2
1252 10,6 14,1 841 8,1 8,4 714 7,2 7,1
1414 11,4 17,1 1159 10,0 11,6 1418 11,6 14,2
1708 13,2 5,2 1589 12,6 15,9 552 6,1 5,5
522 5,8 17,2 1287 10,8 12,9 1429 11,6 14,3
1721 13,3 9,2 1563 12,4 15,6 785 7,7 7,9
917 8,6 17,6 1296 10,9 13,0 1839 13,9 18,4
1763 13,5 9,4 1197 10,3 12,0 1826 13,9 18,3
943 8,7 17,4 1727 13,3 17,3 1783 13,6 17,8
1742 13,3 15,6 1807 13,8 18,1 1778 13,6 17,8
1561 12,4 13,6 1312 11,0 13,1 1357 11,1 13,6
1364 11,3 7,3 1414 11,5 14,1 1058 9,5 10,6
726 7,2 1408 11,5 14,1
-Đá bột kết
Bảng 4. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá bột kết mỏ Mạo Khê
theo phương pháp của Protodiakonov và Baron
Độ bền
nén

KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
fb
Baron
fp
Protodiakonov
fb
Baron
fp
Protodiakonov
fb
Baron
fp
Protodiakonov
441 5,3 4,4 1030 9,2 10,3 774 7,6 7,7
318 4,3 3,2 1069 9,5 10,7 712 7,2 7,1
1049 9,4 10,5 707 7,1 7,1 894 8,4 8,9
952 8,8 9,5 536 6,0 5,3 935 8,7 9,4
590 6,4 5,9 689 7,0 6,9 597 6,4 6,0
620 6,7 6,3 360 4,7 3,7 365 4,7 3,6
234 3,6 2,4 567 6,2 5,7 475 5,5 4,7
421 5,1 4,2 316 4,3 3,2 628 6,6 6,3

599 6,4 6,0 1091 9,7 10,9 893 8,4 8,9
706 6,9 7,1 780 7,6 7,8 560 6,1 5,6
DO THI BIEU DIEN QUAN HE VE HE SO KIEN CO CUA DA CAT KET - MO MAO
KHE DUOC XAC DINH THEO PHUONG PHAP CUA PROTODIAKONOV VA BARON
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
0 500 1000 1500 2000
Do ben nen ( KG/cm2 )
He so kien co ( f )
He so kien co duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs.Protodiakonov
He so kien co duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs-Ts.Baron
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo
fb
Baron
fp
Protodiakonov

fb
Baron
fp
Protodiakonov
fb
Baron
fp
Protodiakonov
650 6,8 6,5 723 7,2 7,2 773 7,6 7,7
856 8,2 8,6 880 8,3 8,8 787 7,7 7,9
481 5,6 4,8 770 7,7 7,8 740 7,4 7,4
700 7,1 7,0 742 7,4 7,4
682 7,0 6,8 779 7,6 7,8
-Đá sét kết
Bảng 5. Kết quả xác định hệ số kiên cố của đá sét kết mỏ Mạo Khê
theo phương pháp của.Protodiakonov và.Baron
Độ bền
nén
KG/cm2
Hệ số kiên cố theo Độ bền
nén
kG/cm2
Hệ số kiên cố theo Độ bền
nén
kG/cm2
Hệ số kiên cố theo
fb
Baron
fp
Protodiakonov

fb
Baron
fp
Protodiakonov
fb
Baron
fp
Protodiakonov
135 2,6 1,4 174 3,0 1,7 257 3,7 2,6
169 2,9 1,7 300 4,2 3,0 418 5,1 4,2
132 2,5 1,3 378 4,7 3,8 454 5,4 4,5
234 3,6 2,3 464 5,4 4,6 222 3,4 2,2
207 3,3 2,1 530 6,0 5,3 273 3,9 2,7
486 5,6 4,9 378 4,8 3,8 493 5,7 4,9
153 2,8 1,5 467 5,5 4,7 391 4,9 3,9
183 3,1 1,8 369 4,7 3,7 308 4,2 3,1
IV. Một số nhận xét
Từ kết quả thí nghiệm và các đồ thị biểu diễn quan hệ về hệ số kiên cố của các loại đá mỏ Mạo
DO T HI BIE U DIE N QUAN HE VE HE SO KI EN CO CUA DA SET KE T -
MO MAO KHE DUOC XAC DINH T HEO PHUONG PHAP CUA BARON VA
PROT ODIAKONOV
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
0 200 400 600
Do ben nen ( KG/ cm2 )
He so kien co cua da set ket duoc xac dinh theo phuong phap cua
Gs.P rotodiakonov

He so kien co cua da set ket duoc xac dinh theo phuong phap cua Gs-
Ts.Baron

DO THI BIEU DIEN QUAN HE VE HE SO KIEN CO CUA DA SET KET -
MO MAO KHE DUOC XAC DINH THEO PHUONG PHAP CUA BARON
VA PROTODIAKONOV
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
0 100 200 300 400 500 600
Do ben nen ( KG/cm2 )
He so kien co ( f )
Hệ số kiên cố của đá sét kết được xác định theo phương
pháp của
Gs.Protodiakonov
Hệ số kiên cố của đá sét kết được xác định theo phương
pháp của Gs-Ts.Baron
(
(
Khê được xác định theo phương pháp của Protodiakonov và Baron có thể đưa ra các nhận xét sau:
1. Đối với các loại đá mỏ có độ bền kháng nén cao (xác định độ bền kháng nén bằng phương
pháp nén một trục) thì hệ số kiên cố (f) xác định theo phương pháp cua Baron thường nhỏ hơn so
với các giá trị hệ số kiên cố xác định được bằng phương pháp của Protodiakonov từ 1,1 đến 1,3 lần
2. Đối với các đá mỏ có độ bền kháng nén thấp (xác định độ bền kháng nén theo phương pháp
nén một trục) thì ngược lại, và đó hệ số kiên cố (f) xác định được theo phương pháp của Baron
thường lớn hơn các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo phương pháp của Protodiakonov
Các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo hai phương pháp sẽ trùng nhau khi có giá trị nằm
trong khoảng giá trị f = 7 (thường tương đương với đá bột kết).

Các giá trị hệ số kiên cố xác định được theo phương pháp của Baron là phù hợp cho khối đá mỏ
và có thể đại diện cho một khối đá cụ thể, đáp ứng được cho các hoạt động khai thác mỏ.
Hiện nay ở Liên Bang Nga việc xác định hệ số kiên cố của đá mỏ theo phương pháp của Baron đã
thay thế phương pháp của Protodiakonov và được áp dụng cho tất cả các mỏ khai thác than và khai thác
các khoáng sản khác. Việc áp dụng phương pháp xác định hệ số kiên cố của LI.Baron đã đem lại hiệu
quả lớn đối với công tác khoan nổ mìn, cũng như hợp lý hoá công tác tính định mức cho các hoạt động
khai thác mỏ.
Công nghiệp khai thác than là một ngành khai khoáng lớn nhất của Việt Nam, trong nhiều năm qua đã
áp dụng rộng rãi phương pháp phân loại khối đá của Protodiakonov. Tính phổ cập của hệ số kiên cố ở
chỗ nó được coi là một chỉ tiêu quan trọng trong công tác thiết kế, quy hoạch, nghiên cứu và các hoạt
động khai thác mỏ.
Hiện nay tất cả các mỏ khai thác than lộ thiên và hầm lò của TVN đều không ngừng nâng cao sản
lượng khai thác hàng năm chẳng hạn như mỏ than Cao Sơn theo kế hoạch sẽ bố khoảng 24 triệu m3 đất
đá trong năm 2005. Do vậy việc áp dụng phương pháp xác định hệ số kiên cố của Baron cho phù hợp
với thực tế sản xuất và mang lại hiệu quả cao hơn trong hoạt động khai thác là việc làm rất cần thiết.
Tài liệu tham khảo
1. Kết quả thí nghiệm tính chất cơ lý đá và lập bản đồ nham thạch cho các mỏ khai thác than hầm lò
và lộ thiên của TVN
Viện Khoa học Công nghệ Mỏ 2004
2. Коэффициенты крепости горных пород
Л.И.Барон издательство ôНаукаằ Москва 1972
3. Справочник открытые горные работы
Москва ôГорных бюроằ 1994
4. Справочник по буровзрывным работам
Под общей редакцией проф. Д-ра техн. Наук
М.Ф. Друкованого
Москва ôНедраằ 1976