BÀI GIẢNG MÔN HỌC ĐÀO CHỐNG LÒ, Dùng cho hệ Cao đẳng chuyên nghiệp

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP & XÂY DỰNG



BÀI GIẢNG MÔN HỌC

ĐÀO CHỐNG LÒ
Dùng cho hệ Cao đẳng chuyên nghiệp
(Lưu hành nội bộ)

Người biên soạn:

Đỗ Trọng Tiến

Uông Bí, năm 2010


CHƯƠNG 1 : ÁP LỰC ĐẤT ĐÁ
1.1 Khái niệm về áp lực
1.1.1 Khái niệm về áp lực mỏ
Chúng ta có thể hiểu chung rằng: tổng hợp tất cả các lực trong khối đá xung
quanh các đường lò tác dụng lên vỏ chống gọi là “áp lực mỏ”, hay hiểu một cách hẹp
hơn áp lực của đất đá xung quanh các đường lò tác dụng lên vỏ chống gọi là “áp lực
mỏ”.
Đặc tính của sự xuất hiện áp lực mỏ phụ thuộc nhiều yếu tố:
+ Hình dạng và kích thước đường lò
+ Chiều sâu bố trí đường lò
+ Tính chất cơ lý của đất đá bao quanh đường lò .
+ Thời gian sử dụng đường lò
1.1.2 Nguyên nhân phát sinh ra áp lực mỏ:

Khi chúng ta đào các đường lò, hầm trạm vào trong đất đá nguyên khối, thì trạng
thái cân bằng ứng lực tự nhiên của đất đá bị phá vỡ. Sau một khoảng thời gian nhất định,
đất đá xung quanh đường lò sẽ bị rạn nứt, có khuynh hướng dịch chuyển và sụt lở vào
trong khoảng trống và tạo lên áp lực mỏ tác dụng lên các vỏ chống.
Vậy nguyên nhân phát sinh ra áp lực mỏ là do trạng thái cân bằng ứng lực tự nhiên
trong đất đá bị phá vỡ.
1.2. Lý thuyết về tường chắn đất(của Coulomb)
1.2.1. Áp lực chủ động
Giả sử ta có tường chắn đất như hình vẽ
B
C
Do trọng lượng bản thân của khối lăng trụ tam giác
ABC, nó sẽ có khuynh hướng trượt theo mặt trượt
AC, mặt trượt AC nghiêng so với mặt phẳng nằm
ngang 1 góc α, nhưng bị tường chắn đất ngăn lại.
A 
Khối lăng trụ trượt ABC có khuynh hướng dịch
chuyển xuống, gây nên áp lực làm tường chắn đổ
ngược chiều kim đồng hồ, áp lực dó gọi là áp lực
chủ động.
Q
1.2.2. Áp lực bị động
B
C
Cũng với tường chắn đất như trên, trong trường hợp
này sẽ có một lực Q tác dụng vào tường chắn, làm
cho tường chắn có khuynh hướng đổ theo chiều kim
A 
đồng hồ, gây áp lực lên lăng trụ ABC. Lúc này lăng
trụ tam giác ABC có khuynh hướng bị trượt lên trên

theo mặt trượt AC, áp lực đó gọi là áp lực bị động.

1.3. Áp lực xung quanh đường lò
1.3.1. Giả thiết về áp lực đất đá trên nóc lò bằng của giáo sư M.M Prôtdiacônôp
Xuất phát từ thí nghiệm mô hình (với cát ẩm) và quan trắc thực tế Prôtôđiakônốp
cho rằng, sau khi khai đào, phía nóc khoảng trống hình thành vòm sụt lún dịch chuyển
thẳng về phía khoảng trống. Khối đá phía ngoài vòm sụt lún ở trạng thái cân bằng ổn
1


định, trọng lượng đá vòm sụt lún là nguyên nhân gây ra áp lực ở phía nóc lên khung,
vỏ chống (hình 1-3-1).
Theo kết quả phân tích của Prôtôđiakônốp, vòm áp lực có dạng parabol
Như vậy chiều cao tại đỉnh vòm phá huỷ là:

b
trong đó:

a
f

(1-3-1-1)

a - nửa chiều rộng khoảng trống (m)
f - hệ số kiên cố của đất đá phía nóc
Điều đó có nghĩa là vòm áp lực chỉ phụ thuộc vào chiều rộng khoảng trống (a) và
tính chất cơ học của đá nóc (f).
Tính áp lực tập trung cho một đơn vị chiều dài của khoảng trống ta có:
3 a 2 .
Qn 

(KN/m)
(1-3-1-2)
4

trong đó:

f

Qn - áp lực tập trung phía nóc;kN
 - dung trọng của đất đá phía nóc (kN/m3).

x

b

2a
y

Hình 1-3-1: Vòm áp lực theo Prôtôdiakonốp

Các công thức cho thấy áp lực không phụ thuộc kết cấu chống và độ sâu bố trí
công trình.
1.3.2. Giả thuyết của Bierbaumer cho các đường lò nằm gần mặt đất.
Trong thực tế, ta phải thi công xây dựng các công trình ngầm nằm gần mặt đất
như các đường hầm xuyên qua các vùng đồi núi thấp các công sự bố trí nông, các đoạn
cửa lò bằng mở vỉa cho mỏ, cũng như các đoạn cổ giếng nghiêng bố trí ở vùng bằng
phẳng, v..v…
Bierbaumer cho rằng, sau khi khai đào khoảng trống ABCD, khối đá phía nóc
CDEF bị phá huỷ và có xu hướng sụt lún. Khối CDKE có khả năng chuyển dịch vào
khoảng trống. Sự chuyển dịch này bị cản trở bởi các lực ma sát trên các mặt CI và DK.

áp lực nóc tác dụng lên khung, vỏ chống sẽ bằng trọng lượng cột đá CIKD trừ đi các
lực ma sát. Trọng lượng cột khối đá CIKD tính cho một đơn vị chiều dài khoảng trống
là:
Q = 2.a.H.
(kN/m)
(1-3-2-1)
Với giả thiết khối đá là môi trường rời, các lăng trụ trượt CEI và DKF gây ra các
lực chủ động Qcđ vào khối CIKD. áp lực chủ động tập trung đó được xác định theo
công thức sau:
2


Q cd 

1 2 2  90 0   
H tg 

2
2 


(kN/m)

(1-3-2-2)

Trong đó: H - Độ sâu kể từ mặt đất đến đỉnh của khoảng trống (m).
Tác dụng của các lực Qcd gây ra các lực ma sát (hay lực chống trượt) T thoả
mãn điều kiện cân bằng của môi trường rời, ta có:
T = Qcd . tg
(kN/m)

(1-3-2-3)
Từ (1-2-2-1) và (1-2-2-3) tính được áp lực nóc tập trung cho một đơn vị chiều dài
khoảng trống theo biểu thức sau:
H 2 90 0  
Qn  Q  2T  2aH [1 
tg (
).tg ]. (kN/m)
(1-3-2-4)
E

I
Qcd
H

2a

2
K

F
Qcd

P
T

T

C

D

90 0  
2

2a áp lực nóc theo Bierbaumer
Hình 1-3-2 – Sơ đồ tính
Biểu thức (1-3-2-4) chỉ có nghĩa khi Qn  0, từ đó rút ra :

H

H
A
B
= Hgh
0
 90   
tg
tg 2 
2



(m)

(1-3-2-5)

Điều đó có nghĩa là, giả thuyết áp lực của Bierbaumer chỉ có thể được áp dụng
khi điều kiện (1-12) được thoả mãn.
Vậy các công trình bố trí ở độ sâu là H < Hgh thì sử dụng công thức (1-3-2-4)
để tính áp lực nóc, còn nếu H > Hgh ta phải dùng các giả thuyết tính áp lực của

các tác giả khác.
1.4.3. Giả thuyết về áp lực đất đá bên hông lò của PM ximbarevic
Trong trường hợp lò đào qua khu vực có đất đá tại cả nóc và hông lò đều kém ổn
định (bở rời, mềm yếu), áp lực đá không chỉ xuất hiện ở phần nóc lò mà còn xuất hiện
cả ở phần hông lò. Trong trường hợp này vòm phá huỷ ở nóc sẽ mở rộng do đó tải
trọng ở nóc lò cũng lớn hơn.
Áp lực mỏ lên vì chống từ phía hông lò xuất hiện trong điều kiện khi ứng suất
trong đất đá hông vượt giới hạn bền của đất đá khi nén một trục.
Chiều cao lăng trụ bằng chiều cao đường lò và góc nghiêng của mặt phẳng lún có
thể tiếp nhận bằng (90 0 +) /2
Chiều rộng của vòm cân bằng tự nhiên: (2a+2d)
Chiều cao vòm cân bằng: b1
Theo Ximbarevich thì sự gia tải lên các lăng trụ tạo ra do đất đá nằm trong vòm
cân bằng tự nhiên.
Nửa chiều rộng vòm cân bằng tự nhiên:
900  
a 1 = a+d = a+h cotg (
)
(m)
(1-4-3-1)
2

3


trong đó:
 - góc ma sát trong của đá (độ).
Chiều cao vòm áp lực:
900  
b1 = a 1 /f = [a+h cotg

]/ tg

(1-4-3-2)

(kN/m)

(1-4-3-3)





trong đó:
f - hệ số kiên cố của đá.
Tải trọng thẳng đứng: Q = 2a b1 
trong đó:  - dung trọng của khối đá.

(m)

2

Hình 1-4-3 : Giả thiết vòm áp lực theo Ximbarevich
Áp lực hông ở chân vòm cân bằng:
900  
P1=  b1 tg2
Áp lực hông ở nền lò:

(kN/m2)

2

P2 =  (b1+h) tg2

900  
2

(kN/m2)

(1-4-3-4)
(1-4-3-5)

1.4.4 Giả thuyết áp lực đất đá tác dụng ở nền lò của PM Ximbarevich
Áp lực tác dụng từ phía nền vào khoảng trống công trình ngầm được gọi là áp
lực nền. Tuỳ theo nguyên nhân gây ra áp lực nền dẫn đến hiện tượng bùng nền có
nhiều phương pháp, giả thuyết được xây dựng để tính áp lực nền. Dưới đây giới thiệu
giả thuyết của Tximbarêvich (hình 1-4-4-1).
Dưới tác dụng của tải trọng giới hạn P0 (do tác dụng của cột đá BCDĐ và trọng
lượng của khung vỏ chống gây ra), khối đá ABC có thể bị dịch chuyển xuống phía
dưới dọc theo AB. Coi mặt AC là tường chắn giả định, mặt AC chịu tác dụng của áp
lực chủ động Qcđ. Tác động đó đẩy khối ACE trồi lên khoảng trống, dọc theo mặt trượt
AE. Như vậy, khối ACE gây ra áp lực bị động Qbđ lên AC.
Theo lý thuyết áp lực lên tường chắn trong cơ học đất và dựa vào sơ đồ (hình 12-4-1) chúng ta có:
qcđ = (p0 + .x) . tg2 (45-/2)
(1-4-4-1)
2
qbđ = .x . tg (45+/2)
(1-4-4-2)
Tại độ sâu x0 thoả mãn điều kiện:

qcđ= qbđ khi x= x0

4


Từ đó cho phép xác định x0 theo biểu thức sau:
p0 4

tg ( 450  )

2
x0 

1  tg 4 ( 450  )
2

(1-4-4-3)

với ,  là dung trọng và góc ma sát trong của đá phía nền công trình ngầm.
C
b1

qcd

D

Đ
h

45 
0

B

x0

C

I

qbd
A



P0

2

E K

450 


2

x
A
F
Hình 1-2-4-1: Sơ đồ tính áp lực nền theo Tximbarevich
Từ (1-4-4-1) đến (1-4-4-3) cho phép xác định được áp lực chủ động, áp lực bị động
toàn phần, tập trung tác dụng lên AC theo công thức sau:

Q cd

  . x 20



 p 0 . x 0  tg 2 (45  )
2
 2


Q bd

1

 .  . x 20 . tg 2 (45  )
2
2

(1-4-4-4)

Thực tế, lực gây ra dịch chuyển của khối ACE là hiệu của các áp lực chủ động
và bị động, tức là:
Q  Q cd  Q bd  p 0 . x 0 tg 2 ( 450 

x 2

) 0
2
2


 
 2
0
2
0
tg
(
45

)

tg
(
45

)

2
2 

(1-4-4-5)

Lực Q có thể phân tích ra làm hai thành phần tác dụng vuông góc lên AE (N) và tác
dụng song song lên AE (T) hình 1-4-4-2.
B

C

E

Q

T
N

T0

A

Hình 1-4-4-2: Phân tích lực Q ra các thành phần lực T và N
Các thành phần T và N xác định được theo các biểu thức sau:
T= Q . cos(450- /2)
N= Q . sin(450- /2)

(1-4-4-6)
5


Dưới tác dụng của N, hình thành trên mặt trượt AE lực chống trượt T0 (lực ma
sát). Nếu coi khối đá là môi trường rời, mặt AE ở trạng thái cân bằng, theo điều kiện
Coulomb có:
T0 = N. tg = Q. sin(450-/2).tg
Như vậy khối ACE sẽ trượt theo mặt AE, nếu thoả mãn điều kiện: T > T0. Khi đó lực
gây trượt là:
T  T  T0  Q

sin( 45 0 
cos 


)
2

(1-4-4-7)

Chiếu T lên phương thẳng đứng (vuông góc với nền của khoảng trống) chúng ta nhận
được áp lực nền do dịch chuyển của khối đá ACE gây ra. Chú ý đến cả dịch chuyển
của khối đá IKF ở phía đối diện, nhận được áp lực nền toàn phần theo biểu thức:
Qnền= 2T . sin(450- /2) = Q.sin2(450- /2)
(1-4-4-8)
Nếu đá nóc, sườn và nền là như nhau (đồng nhất) và nếu có thể bỏ qua trọng
lượng của khung vỏ chống, đồng thời coi áp lực tác dụng thẳng đứng lên đá nền ở hai
bên sườn khoảng trống p0 bằng trọng lượng cột đá của vòm sụt lở và khối trượt thì có
thể xác định chiều sâu giới hạn x0 một cách gần đúng theo biểu thức:



(h  b1 ).tg 4 (45  )
2
x0 

1  tg 4 (45  )
2

(1- 4-4-9)

Trong trường hợp tổng quát cần phải phân tích xác định p0 theo điều kiện cụ

thể.
1.5 Áp lực ở lò nghiêng
Công trình ngầm được xếp vào loại nằm nghiêng khi 150  750 (hình 1-5-1). Khi
tính áp lực trên nóc lò nghiêng, ta sử dụng các công thức tính như nóc lò bằng, song
cần chú ý là toàn bộ tải tọng đó được phân thành hai thành phần.
Trên mặt cắt theo phương thẳng đứng AA'. Chiều cao của công trình ngầm sẽ là h',
được tính theo biểu thức sau:
h

h'
cos

(1-5-5-1)

Khi đó chiều cao vòm áp lực theo Tximbarevich là:
h
 

0
a  cos tg (45  2 )


b1 

(1-5-5-2)

f

Nhưng trong thực tế các khung, vỏ chống được đặt trên mặt cắt BB' vuông góc
với trục công trình ngầm, vì vậy áp lực do vòm áp lực gây ra được tách thành hai

thành phần: tác dụng vuông góc với trục công trình ngầm (tức là thẳng đứng vào
khung chống) và song song với trục của công trình ngầm. Khi đó, áp lực tác dụng
thẳng đứng có thể tính theo biểu thức sau:
 
h

 a 
tg(450  ) .
cos 
2 

q n   . b1 
f

b1

B

h'

A

(1-2-5-3)

h
6



A'

Hình 1-5-1: Sơ đồ tính áp lực cho công trình ngầm nằm nghiêng
Các thành phần tác dụng vuông góc với trục công trình ngầm qn và tác dụng
song song Tn sẽ là:
 

 a.cos   h. tg(450  ) 
2 

q n  q n .cos  
f



 a.sin   h. tg(450  ). tg .
2

Tn  q n .sin   
f

(1-5-5-4)

1.6 Áp lực mỏ ở giếng đứng
Công trình có góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang  > 750 được coi là
công trình thẳng đứng.
Hiện nay có nhiều giả thuyết khác nhau để xác định áp lực lên khung, vỏ chống
công trình thẳng đứng, khi coi khối đá là môi trường rời. Ở đây giới thiệu hai giả
thuyết của Prôtôđiakônốp và của Tximbarevich.
Prôtôđiakônốp cho rằng vỏ chống của giếng đứng làm việc như tường chắn, do

vậy chịu áp lực của lăng trụ trượt ABC (hình 1-6-1).
Việc tính toán áp lực lên vỏ chống dựa theo cơ sở lý thuyết tường chắn đất. Áp
lực tác dụng lên khung, vỏ chống là áp lực chủ động được xác định gần đúng cho toàn
bộ chiều dài giếng là:



Trong đó:

q s   .z.tg 2 (450  )
2

(T/m2)

(1-6-1)

 là dung trọng trung bình của khối đá xung quanh giếng;
 là góc ma sát trong 'ảo' trung bình;
z là độ sâu kể từ mặt đất.

qs

H

450 



Hình 1-6-1: Sơ đồ tính toán áp lực lên khung, vỏ chống
2 giếng đứng theo

Prôtôđiakônốp
Gọi i, fi và hi là dung trọng, hệ số kiên cố và chiều dày của lớp đá thứ i,  và 
được xác định theo các công thức sau:

7


n




i 1

i

.hi

n

h
i 1

n

;

 = tgf;

f

 f .h
i 1
n

i

i

h
i 1

i

(1-6-2)

i

Như vậy, áp lực sườn qs tăng dần lên theo độ sâu và có biểu đồ phân bố dạng
tam giác.
Tximbarevich cũng xác định áp lực dựa vào lý thuyết tường chắn đất. Tuy
nhiên, khác với giả thuyết của Prôtôđiakônốp, ở đây áp lực được tính cho từng lớp đất,
đá riêng biệt. Đồng thời khi tính tác giả xem rằng các lớp đất đá ở phía trên gây ra áp
lực phân bố đều lên các lớp đất đá phía dưới.
1, h1,1
2, h2,2
3, h3,3
4, h4,4
5, h5,5

Hình 1-6-2: Sơ đồ tính toán và biểu đồ phân bố áp lực theo
Tximbarevich
Với các giả thiết trên, áp lực phân bố tại độ sâu z trong lớp thứ n có thể xác định theo
công thức sau:

q

Z
SN

n
n


   i .hi  ( z   hi ) n tg 2 (45 0  n )
 i 1

2
i 1

(1-6-3)

Như vậy, tính riêng áp lực ở nóc (vách) và nền (trụ) của lớp n ta có:
n

q 1SN  (   i . h i ).tg 2 (450 
i 1

q

2
SN

n
)
2


 (   i . h i   n . h n ).tg (45  n )
2
i 1
n

2

(1-6-4)

0

Trong các biểu thức trên: i; hi; i : dung trọng, chiều dày và góc ma sát trong
của lớp đất đá thứ i. Bằng cách tính như thế này, biểu đồ phân bố áp lực lên khung vỏ
chống phụ thuộc vào tính chất cơ học của từng loại đất, đá trong từng trường hợp cụ
thể và có dạng như hình trên hình 1-6-2.
Ngoài ra, dựa vào kinh nghiệm tác giả đề nghị giảm tải trọng tính toán do các
lớp phía trên nén xuống cho một lớp nào đó được xét, nếu như phía trên của lớp này có
lớp rắn chắc, vẫn ổn định sau khi khai đào. Cụ thể là giảm tải trọng tính toán đi 20%
đến 25% kể đến lớp đất đá cứng vững và ổn định. Chẳng hạn, nếu lớp đá thứ 3 kể từ
trên xuống là lớp vẫn cứng vững, ổn định sau khi khai đào, áp lực tính toán cho lớp
thứ n sẽ là:
3

n 1
n 1

Z
q SN
 0,75.  i .hi    i .hi  ( z   hi ) n .tg (45 0  n )


2
i 1
i 4
i 1

(1-6-5)

8


9


CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU CHỐNG LÒ
2.1.

Phân loại vật liệu chống lò.
Để xây dựng vỏ chống các công trình ngầm, người ta thường sử dụng chính các
vật liệu vẫn dùng để xây dựng các công trình trên mặt đất. Tuy nhiên, do đặc điểm làm
việc dưới ngầm (vỏ chống công trình ngầm (CTN) chịu áp lực mỏ với đặc trưng và
hướng xuất hiện khác nhau, ảnh hưởng của nước ngầm, khí hậu mỏ tới vật liệu, v..v...)

nên đòi hỏi vật liệu chống lò phải đáp ứng những yêu cầu cao hơn. Khi xét đến đặc
điểm làm việc dưới ngầm không những cần chú ý đến ảnh hưởng của môi trường
ngầm đến sự làm việc của vật liệu chống, mà còn cần chú ý đến điều kiện lắp dựng
bản thân vỏ chống.
Hiện nay có nhiều cách để phân loại vật liệu chống lò như sau:
- Theo vai trò sử dụng trong kết cấu vỏ chống mà các vật liệu chống lò được chia ra:
vật liệu chủ yếu, vật liệu dính kết và vật liệu phụ.
+ Các vật liệu chủ yếu dùng để chế tạo các cấu kiện, bộ phận mang tải của vỏ
chống (kim loại, bê tông, gỗ, v..v...)
+ Các vật liệu dính kết dùng để chế tạo vữa, bê tông, chất liên kết (xi măng, chất
dẻo, v..v...)
+ Các vật liệu phụ dùng để cải thiện các tính chất của vỏ chống hoặc giúp cho vỏ
chống thoả mãn các yêu cầu đặc biệt (vật liệu cách nước, phụ gia hoá học, v..v...)
- Theo mức độ chịu lửa, các vật liệu chống lò được chia ra: vật liệu không cháy, vật
liệu không cháy nhưng biến dạng và vật liệu cháy.
+ Các vật liệu không cháy có độ bền nhiệt rất cao, không cháy ngay cả khi chịu tác
dụng lâu dài của ngọn lửa và nhiệt độ cao (bê tông và một vài loại đá, v..v...)
+ Các vật liệu không cháy nhưng biến dạng khi có tác dụng của ngọn lửa và nhiệt
độ cao (kim loại, v..v...)
+ Các vật liệu cháy: bị cháy khi có tác dụng của ngọn lửa (gỗ, chất dẻo, v..v...)
- Theo thời gian phục vụ, các vật liệu chống lò được chia ra thành: vật liệu bền (bê
tông, thép, v..v...) và vật liệu nhanh hỏng (gỗ)
- Theo đặc trưng biến dạng dưới tác dụng của tải trọng, vật liệu chống lò được chia
ra: vật liệu dòn (bê tông, gạch, đá, v..v...) và vật liệu đàn hồi dẻo (kim loại).
2.2. Yêu cầu đối với vật liệu chống lò:
Các vật liệu chống lò cần thoả mãn các yêu cầu sau: có khả năng mang tải cao,
trọng lượng bản thân nhỏ, giá thành hạ, không bị biến dạng, không bị cháy, có khả
năng chống han rỉ và mục nát.
Ngoài ra, phụ thuộc vào điều kiện làm việc của vỏ chống, đôi khi vật liệu chống
còn phải có khả năng chống thấm, cách nước.

Vật liệu chống lò được chọn phụ thuộc vào kết cấu vỏ chống, công dụng và thời
gian phục vụ của đường lò, cường độ áp lực mỏ và điều kiện làm việc của vỏ chống,
cũng như tính hợp lý về kinh tế của vỏ chống.
2.3. Các loại vật liệu chống lò.
2.3.1. Gỗ
a. Ưu điểm: có khả năng mang tải tương đối cao so với trọng lượng tương đối nhỏ; dễ
gia công bằng các dụng cụ đơn giản, ngay cả tại hiện trường; có độ linh hoạt nhỏ (chịu
uốn, ép); có khả năng báo trước khi bị phá huỷ; chi phí về vật liệu, vận tải và lắp dựng
thấp; dễ trồng và khai thác.
10


b. Nhược điểm: không đủ sức chống lại các tác động phá huỷ sinh học và các tác động
cơ học lớn; dể bị cháy; không thích ứng cho các đường lò dạng vòm; mất khả năng báo
trước nguy hiểm khi chịu các tác động huỷ hoại khác nhau; phụ thuộc vào yêu cầu của
nền kinh tế - xã hội (bảo vệ môi trường); khả năng sử dụng lại bị hạn chế.
Nói chung gỗ đã được sử dụng ngay từ những thời điểm ban đầu của ngành mỏ để
làm vật liệu chống lò. Ngày nay trên thế giới vẫn còn nhiều nơi sử dụng gỗ vào các
mục đích này, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Ở Việt Nam gỗ còn được sử dụng
khá phổ biến, đặc biệt ở hầu hết các mỏ khai thác có sản lượng thấp. Tại các nước tiên
tiến, gỗ hầu như không còn được sử dụng vào công tác chống lò.
Cũng phải thấy rằng, một khi công tác khai thác còn rất thủ công và sơ đẳng thì gỗ
nhiều khi có ý nghĩa quan trọng nhờ vào các đặc điểm ưu việt của gỗ.
Gỗ có khả năng mang tải tương đối cao so với trọng lượng tương đối nhỏ, nên
trong các trường hợp khó khăn về khả năng vận tải, lắp dựng thì việc sử dụng gỗ là dễ
dàng, thuận lợi. Bằng các công cụ đơn giản như rìu, cưa đã có thể gia công chế biến tại
chỗ để có được các chi tiết chống đỡ thích hợp với điều kiện cụ thể. Cũng nhờ ưu điểm
này mà việc sửa chữa trở nên đơn giản. Gỗ có khả năng linh hoạt nhất định nhờ có tính
chịu uốn, ép nhất định. Đặc biệt đáng chú ý là các loại gỗ còn tốt, khô đều có khả năng
phát tín hiệu báo trước phá huỷ (phát ra riếng kêu "tách, tách" khi đang bị phá huỷ dần

dần). Giá thành gỗ cũng tương đối thấp hơn so với giá các loại vật liệu khác. Vì chi phí
vật liệu thấp cùng với chí phí vận chuyển và lắp dựng thấp nên trong nhiều trường
hợp, gỗ vẫn còn có ý nghĩa khá trong vai trò làm vật liệu chống.
Những ưu việt về mặt kinh tế đương nhiên sẽ bị lu mờ đi, nếu như vì lí do nào
đấy mà chi phí bảo dưỡng ở các đường lò chống bằng gỗ quá lớn. Đương nhiên khối
lượng công tác bảo dưỡng sẽ rất lớn và tốn kém một khi áp lực đá vượt quá khả năng
mang tải của gỗ hoặc điều kiện không khí trong đường lò quá xấu làm cho gỗ nhanh bị
mục nát. Đối với những tác động kiểu này gỗ ít có khả năng chống lại. Tính dễ cháy
của gỗ cũng gây ra nguy hiểm cho các đường lò. Đương nhiên tính dễ cháy và dễ bị
mục nát cũng có thể hạn chế nhờ các biện pháp ngâm tẩm, song cũng đòi hỏi kinh phí
và ở nước ta chưa được quan tâm, đôi khi còn ngại không đầu tư.
Mặc dù gỗ dễ gia công, nhưng như đã nhắc đến, gỗ không thích hợp khi lò có
dạng vòm, cũng chính vì thế các đường lò chống bằng gỗ khó tạo dáng làm giảm tác
dụng của áp lực đá, hoặc để cho phù hợp với điều kiện xuất hiện áp lực. Khả năng sử
dụng lại các cấu kiện bằng gỗ cũng rất hạn chế. Một nhược điểm nữa là: khi bị mục,
ẩm sẽ mất đi khả năng báo trước sự cố.
c. Các loại gỗ chống lò.
- Gỗ tròn nguyên cây: Gỗ tròn thường được sử dụng dưới các dạng là cột, thìu, văng
giằng ...Gỗ thường có đường kính 7 30cm, chiều dài tối đa là 4m.
- Gỗ xẻ: Gỗ xẻ được sử dụng dưới các dạng:
- Gỗ bổ: cây gỗ được bổ thành từng mảnh cưa xẻ hoặc búa chèn và chủ yếu là làm
chèn.
- Gỗ bìa: còn gọi là bắp, cạnh là phần ngoài của cây gỗ thu được khi xẻ gỗ tròn thành
ván và dầm gỗ. Gỗ bìa thường có dạng một mặt phẳng, mặt còn lại là cong, chiều dày
chiều rộng thay đổi nhiều. Chúng là vật liều tận thu thưưòng được sử dụng để chèn
nóc hay chèn hông.
- Gỗ ván: là sản phẩm gỗ xẻ có chiều rộng tối thiểu gấp đôi chiều dày. Chiều dày của
gỗ ván thường từ 3  7cm. Gỗ ván được sử dụng làm ván khuôn đổ bê tông, làm vách
ngăn lối người đi hoặc ngăn thang, bắc sàn công tác, làm của gió hoặc trong một số
trường hợp được sử dụng làm tấm chèn.

11


- Ván phe: phần gỗ ván nằm gần bên ngoài cây gỗ, có mô9tj phần bên không được xẻ
bóc, nên còn là mặt cong. Công dụng của ván phe tương tự như gỗ ván nhưong hạn
chế hơn vì một phần mặt cong.
- Rầm gỗ: là sản phẩm gỗ xẻ có chiều dày tối thiểu bằng nửa chiều rộng, và thường từ
10 cm trở lên. Các dầm gỗ thành khi có bốn mặt đều phẳng. Tương tự như ván phe,
rầm phe có một hoặc hai mặt bên không phẳng. Chiểu dài của rầm gỗ thường có chiều
dài 1  6,5m kích thước mặt cắt ngang từ 7x7 cm đến 25x25cm. Rầm gỗ thường được
sử dụng để chống giếng đứng có chiều sau không lớn (giếng thăm dò, giếng mù)
chống giếng nghiêng có mặt cắt ngang hình chữ nhật, làm tà vẹt, cốt giếng ....

5

4

3

2

Hình 3.1: Các sản phẩm gỗ xẻ
1- Bìa (Bạnh)
2- Ván phe
Gỗ ván
1 34- Rầm gỗ
5- Rầm phe

2.3.2. Kim loại.
a. Ưu điểm: có độ bền cơ học cao, có khả năng sử dụng được nhiều lần, bền lâu; tuổi

thọ cao; chiếm ít không gian; mức độ linh hoạt, biến hình cao của kết cấu thép nhờ tạo
dáng các cấu kiện bằng thép một cách thích hợp; khả năng sử dụng lại tốt.
b. Nhược điểm: chi phí vật liệu cao, trọng lượng thể tích cao; vận chuyển và lắp ráp
không đơn giản; các loại thép xây dựng thông thường dễ bị ăn mòn trong môi trường
khắc nghiệt.
Ưu điểm căn bản của thép là khả năng mang tải lớn, điều mà không có loại vật
liệu nào sánh kịp. Do có khả năng mang tải lớn và khả năng chống lại các tác động
sinh học một cách triệt để, nên nói chung các cấu kiện bằng thép có được tuổi thọ lớn
hơn hẳn các cấu kiện bằng gỗ.
Khả năng mang tải cao của các cấu kiện bằng thép cũng thuận lợi ngay cả khi
chỉ cần khoảng không gian nhỏ, bởi lẽ khi sử dụng kết cấu chống bằng thép có thể tiết
kiệm được tiết diện đào. Ngay cả trong lò chợ, so với kết cấu bằng gỗ với cùng khả
năng mang tải thì kết cấu thép dễ cơ động hơn.
Những khả năng chế tạo các loại thép hình đặc biệt trong thực tế là vô hạn, vì
thế người ta đã chế tạo ra các cấu kiện, các loại hình chống giữ bằng thép rất đa dạng
với các khả năng mang tải khác nhau, với mức độ linh hoạt và khả năng biến hình
khác nhau. Đặc biệt là có thể điều khiển, điều chỉnh dễ dàng để tạo ra mối tương quan
thích hợp giữa mức độ linh hoạt và khả năng mang tải.
Chính vì các lí do đó mà vật liệu thép dễ thích ứng với các điều kiện địa cơ học
khác nhau, đa dạng hơn là gỗ, tường xây và bêtông. Phạm vi áp dụng kỹ thuật của thép
nhờ đó cũng rộng hơn so với các loại vật liệu khác.
Tuổi thọ cao, như đã nhắc đến, cũng thuận lợi cho việc thu hồi, sử dụng lại
nhiều lần các cấu kiện bằng thép.
12


Tuy nhiên, những ưu điểm đã kể đến cũng kèm theo nhược điểm là giá thành
cao và trọng lượng của kết cấu chống lớn. Nhược điểm nữa thể hiện rõ nét khi phải
vận chuyển trong điều kiện không thuận lợi (chẳng hạn trong khu vực khai thác vỉa
dốc). Cũng vì lí do này mà thép chưa thể thay thế được gỗ ở các khu vực khai thác các

vỉa có chiều dày lớn hơn 3 đến 4m. Thép xây dựng còn dễ bị ăn mòn, đương nhiên
cũng có thể hạn chế nhờ sơn hoặc tạo các lớp phủ bảo vệ.
Cho đến nay, thép được sử dụng ngày càng rộng khắp chủ yếu vì những khả
năng đảm bảo an toàn và các nguyên nhân kinh tế. Đương nhiên khả năng này chỉ có
thể nâng cao tính ưu việt về kinh tế của thép so với gỗ trong trường hợp chí phí vật
liệu được bù trừ nhờ giảm chi phí bảo dưỡng hoặc sử dụng lại nhiều lần.
Sự cải thiện không ngừng các tính chất của vật liệu và phát triển nhiều loại hình kết
cấu chống mới làm cho thép được sử dụng ngày càng nhiều thay cho gỗ. Đây là xu
hướng phát triển chung trên thế giới và đặc biệt khi đã xuất hiện các kết cấu từ
thép hình nhẹ với khả năng mang tải cao cùng với yêu cầu cơ khí hoá ngày càng
tăng, cũng như sự ra đời và phát triển của các kết cấu chống bằng neo.
c. Các vật liệu kim loại dùng để chống lò:
- Kim loại được sử dụng chống lò chủ yếu là gang và thép.
+ Gang có khả năng chống han rỉ tốt hơn là thép . Chúng thường được sử dụng để
chế tạo các bản đệm, các cấu kiện lắp ráp, các tấm tubing phục vụ cho việc đào lò
trong điều kiện địa chất, địa chất thuỷ văn phức tạp.
+ Thép được sử dụng ở các dạng sau: Thép tấm, thép cán định hình(chữ I, thép
lòng máng) thép cán tròn và các chi tiết đặc biệt bằng thép.
+ Các tấm thép dầy 11,5m thường được sử dụng làm tấm chèn. Các tấm thép dầy
2mm trở lên thường được dùng chế tạo các tubing thép. Các đai thép dày 4 5mm
thường được chế tạo thành các thanh giằng, các bản đệm hoặc bản đỡ của vì neo.
+ Các sợi thép tròn đường kính 12mm thường được thường được sử dụng làm dây
buộc cột thép. Còn các sợi thép trơn hoặc có gờ ( AI; AII; AIII; AIV) với đường kính
từ 630mm được sử dụng làm cốt thép cho các kết cấu bê tông cốt thép hoặc chế
tạo vì neo.
+ Các dạng thép cán định hình (thép chữ I, thép lòng máng, thép góc...) được sử
dụng để chế tạo các cấu kiện chịu tải cơ bản của vỏ chống.
2.3.3. Bê tông và bê tông cốt thép.
a. Ưu điểm: có khả năng mang tải lớn và tuổi thọ cao; chống tác động phong hoá đối
với khối đá và ngăn nước chảy; sức cản khí động học nhỏ; có thể tạo ra từ các vật liệu

rẻ tiền; không cháy
b. Nhược điểm: trọng lượng lớn;chi phí vận chuyển và lắp dựng cao; sửa chữa không
thuận tiện các chỗ bị hư hỏng; độ linh hoạt nhỏ hoặc rất hạn chế.
c. Phạm vi áp dụng: chủ yếu tại các đường lò và giếng có tuổi thọ cao và dưới tác
dụng của các tải trọng (áp lực) tĩnh. Ngoài ra phạm vi áp dụng của bêtông còn được
mở rộng thông qua việc chế tạo các cấu kiện, các tấm bêtông làm khung chống hoặc
tấm chèn. Bêtông trong ngành mỏ cũng đã được áp dụng ở dạng bêtông phun, vỏ bê
tông đổ tại chỗ, vỏ bê tông đúc sẵn (tubing), v...v…
Các dạng vỏ chống thông thường từ gạch xây và bêtông hoặc gạch bêtông vốn
có chiều dày tương đối lớn. Vỏ chống có thể phủ toàn bộ phần tường và vòm các
đường lò hoặc bao kín toàn bộ đường lò, đặc biệt ở các giếng mỏ. Khi đó toàn bộ khối
đá vây quanh được lấp kín.
13


Khả năng mang tải cao có được nhờ vào độ bền cao của vật liệu và chiều dày
lớn. Trong điều kiện thông thường, kết cấu chống này được coi là kết cấu chống cứng.
Dưới tác dụng của tải trọng chủ yếu là tĩnh, kết cấu chống thường có tuổi thọ cao hơn
kết cấu gỗ và thép. Khả năng chống các tác động hoá học và sinh học cũng góp phần
làm tăng tuổi thọ của kết cấu chống này. Dạng kết cấu chống kín còn hạn chế được tác
động phong hoá đến khối đá vây quanh và trong nhiều trường hợp còn ngăn nước xâm
nhập vào đường lò. Ngoài ra do bề mặt tương đối nhẵn, kết cấu chống này còn có sức
cản khí động học nhỏ hơn so với kết cấu bằng gỗ và thép.
Các loại vật liệu cơ bản của kết cấu chống này thường sẵn có và rẻ tiền hơn so
với các loại vật liệu khác. Mặt khác kết cấu tường xây và bêtông không bị cháy, do
vậy khi xảy ra cháy mỏ, khả năng lan truyền cháy sẽ không có nếu sử dụng kết cấu
chống này.
Những ưu điểm trên bị hạn chế bởi các nhược điểm là trọng lượng lớn và chiều
dày lớn, kèm theo đó là chi phí vận chuyển và lắp dựng (xây, đổ bêtông...) cao. Tiết
diện đào thường phải lớn hơn là khi sử dụng gỗ và thép, do vậy đòi hỏi thêm chi phí

đào. Ngoài ra để có được kết cấu hoàn chỉnh cần nhiều thời gian hơn.
Khi kết cấu bị phá huỷ do tác động quá mức của áp lực đá, thì việc sửa chữa
thường phức tạp hơn và chi phí cao hơn so với gỗ và thép.
So sánh như vậy và từ thực tế ngành mỏ trong và ngoài nước cho thấy tường
gạch đá xây và bêtông chỉ kinh tế hơn nếu như công trình có tuổi thọ cao và khi không
có tác dụng của áp lực động. Đương nhiên bằng cách sử dụng các loại gỗ đệm có thể
tạo ra khả năng linh hoạt nhất định cho tường xây và bêtông. Tuy nhiên khả năng này
cũng chỉ đạt được ở mức độ hạn chế, trừ trượng hợp sử dụng gạch bêtông và đệm
nhiều lớp gỗ, do vậy tường xây và bêtông hầu như không được sử dụng cho khu vực
khai thác và các đường lò chuẩn bị.
Đương nhiên với sự phát triển và cải tiến các cấu kiện bêtông đúc sẵn khả năng
sử dụng của bêtông đã được mở rộng. Xu hướng hiện nay ở Việt Nam là làm sao giảm
được trọng lượng của các cấu kiện này cho phù hợp với sức khoẻ của công nhân trong
điều kiện làm việc hiện tại.
Về bê tông cốt thép, do bê tông là loại vật liệu chịu nén tốt nhưng chịu kéo
kém, do đó để tăng khả năng chịu kéo của bê tông người ta có thể bố trí thêm cốt thép
vào trong bê tông khi đó ta sẽ có bê tông cốt thép. Các thanh cốt thép được bố trí ở
miền chịu kéo của bê tông, chúng sẽ tiếp thu các ứng suất kéo, khả năng chịu lực của
miền bê tông chịu kéo sẽ tăng lên rất nhiều tương ứng với khả năng chịu lực của miền
bê tông chịu nén.
Sở dĩ hai vật liệu khác nhau là bê tông và cốt thép có thể kết hợp làm việc được với
nhau là vì:
- Bê tông có khả năng liên kết chặt chẽ với cốt thép, vì vậy khi trong cấu kiện bê tông
cốt thép xuất hiện ứng suất, thì cả hai vật liệu sẽ cùng nhau làm việc như một thể
thống nhất.
- Thép và bê tông có hệ số giãn nở nhiệt gần như nhau, nên bảo đảm được tính liền
khối của kết cấu bê tông cốt thép.
- Bê tông bao bọc ngoài cốt thép, có khả năng bảo vệ được cốt thép khỏi bị han rỉ do
nước và khí ăn mòn gây nên.
Cốt thép trong bê tông cốt thép được chia ra: cốt chịu lực, cốt phân bố, cốt lắp

ghép, và cốt đai.
- Cốt chịu lực được bố trí ở miền chịu kéo, hoặc miền chịu nén để tiếp thu các ứng
suất kéo hoặc nén.
14


-

Cốt phân bố cùng với cốt chịu lực tiếp nhận các ứng lực phụ, các ứng lực cục bộ,
đảm bảo sự làm việc phối hợp của các thanh cốt chịu lực.
Cốt lắp ghép và cốt đai dùng để lắp ráp khung cốt thép, tiếp nhận từng phần các
ứng lực kéo, nén và cắt.
Lượng cốt phân bố và cốt lắp ghép được lấy theo qui định kết cấu.

2.3.4. Các vật liệu khác.
a. Thuỷ tinh dẻo:
- Thuỷ tinh dẻo là vật liệu keo gắn kết được cấu tạo từ sợi thuỷ tinh. Sợi thuỷ tinh ở
đây có thể ở dạng sợi, dạng vải thuỷ tinh hoặc dạng bông thuỷ tinh được nén ép lại.
Trong thuỷ tinh dẻo, các vật liệu dính kết thường sử dụng là keo Poliofin, keo Fenol,
keo epoxi và các loại Polyme khác. Tính chất cơ lý của thuỷ tinh dẻo rất đa dạng, phụ
thuộc vào tính chất của sợi cốt và chất dính kết.
- Bằng cách kéo sợi từ khối thuỷ tinh nóng chảy, người ta đã thu được các sợi thuỷ
tinh rất mảnh. Chúng có độ bền chống kéo đứt cao (12502500pa), không bị mục nát,
trương nở, rất ổn định với nhiệt độ. Các chất dính kết phải có độ bền cao, ổn định với
nước xâm thực và đảm bảo luôn dính kết chắc chắn với các sợi thuỷ tinh. Ngoài chất
dính kết và sợi thủy tinh, trong thuỷ tinh dẻo còn có thêm chất ổn định. Công dụng
chính của chất này là chống lão hoá tính dẻo khi sử dụng.
- Nguyên liệu để chế tạo các chất dính kết dạng keo Polyme là khí thiên nhiên, hơi đốt
hoặc các sản phẩm trưng cất dầu mỏ.
Các cấu kiện của vỏ chống hầm lò bằng thuỷ tinh dẻo (xà, cột, chèn, v..v...)

thường được chế tạo bằng cách nén ép, nhưng cũng có thể dùng phương pháp đổ
khuôn, phương pháp kéo, v..v... . Một trong những vật liệu thuỷ tinh dẻo đã được thử
nghiệm là sợi thuỷ tinh dị hướng (CBAM) do viện mỏ A.A.Scôchimski (Liên xô) chế
tạo. Nó có độ bền cao, có tính dị hướng, hầu như không bị trương nở, có đặc trưng phá
hoại dòn - dẻo. Độ bền kéo của CBAM đạt 90daN/mm2, trọng lượng riêng đạt
0,0170,019N/cm3 (nhỏ hơn thép 4 lần). Qua thiết kế và thử nghiệm đã chứng minh
được rằng: các khung chống hình thang với cột và xà dạng ống chế tạo từ CBAM nhẹ
hơn bê tông cốt thép 78 lần, nhẹ hơn gỗ 3 lần. Các vật liệu này đang tiếp tục được thử
nghiệm.
b. Bê tông dẻo:
Bê tông dẻo là vật liệu đá nhân tạo bao gồm có keo kết dính tổng hợp, cát và đá
dăm. Chất dính kết ở đây thường là furônaxêtôn êpôxy, forualđehyt và các keo khác
cũng như các phụ gia hoá chất đặc biệt (sunfuabenzen, polyêtylen, polyamin, v..v...).
Bê tông dẻo có độ bền nén cao (4070Mpa), độ bền kéo đạt 56Mpa, độ bền
uốn đạt 1020Mpa, đặc biệt có khả năng chống thấm cao, chống ăn mòn tốt.
c. Các vật liệu Polyme.
Viện mỏ A.A.Scôchimski (Liên xô) đã thiết kế và áp dụng trên qui mô công
nghiệp các hoá chất trên cơ sở keo Pôliefinfênol, formalđehyt để gia cố neo, các dung
dịch hoá chất trên cơ sở keo êpôxy dùng để gia cố đất đá và để giữ neo trong lỗ khoan
có độ bền rất cao, nhưng do giá thành đắt, nên không thể áp dụng được. Các loại keo
pôliêfin, mechievit - formalđehyt có độ bền kém hớn êpôxy, nhưng rẻ hơn, vì vậy
được sử dụng rộng rãi.
Nhược điểm cơ bản của tất cả các loại keo trên là chúng đều có chứa các chất độc
(formalđehyt, v..v...) đòi hỏi phải có biện pháp để phòng cẩn thận. Trong điều kiện
mỏ phải tăng chi phí thông gió cho các đường lò sử dụng loại keo này
15


CHƯƠNG 3
CHỐNG GIỮ LÒ

3.1.

Khái quát chung
Sau khi khai đào công trình ngầm, trạng thái cơ học cân bằng tự nhiên của khối
đá xung quanh công trình bị biến đổi chuyển sang trạng thái cân bằng mới. Ở trạng
thái cân bằng mới này, khối đá có thể ổn định hay không ổn định. Khối đá là ổn định
nếu như các biến đổi cơ học không làm thay đổi hình dạng và kích thước của công
trình ngầm (khoảng trống) sau khi đào và trong suốt thời gian tồn tại của công trình.
Ngược lại, khối đá là không ổn định.
Nếu khối đá ổn định sau khi đào công trình ngầm, công trình ngầm có thể để lưu
không. Trong trường hợp khối đá có khả năng mất ổn định thì phải tiến hành các
biện pháp gia cường, chống giữ bổ sung cho khối đá.
Mục đích của việc tạo ra kết cấu chống (KCC) là để giữ ổn định khoảng
không gian ngầm, bảo vệ, đảm bảo an toàn và hoạt động bình thường cho con
người, các thiết bị, phương tiện kỹ thuật, v..v… trong đó. Tuy nhiên, các nhiệm vụ
cụ thể của KCC được đặt ra tuỳ thuộc vào mục tiêu sử dụng công trình ngầm.
Trong lĩnh vực khai thác mỏ hầm lò, nhiệm vụ chủ yếu của KCC là:
- Ngăn chặn đá rơi, sập lở vào người lao động, trang thiết bị kỹ thuật;
- Hạn chế dịch chuyển của khối đá và giữ ổn định khoảng trống đảm bảo các công tác
vận hành, vận chuyển và thông gió hay nói cách khác là khả năng thông qua của
đường lò.
Ngoài hai nhiệm vụ chính đó các KCC còn có những nhiệm vụ phụ khác tuỳ
thuộc những đòi hỏi từ điều kiện thực tế như:
- Bảo vệ khối đá xung quanh các đường lò trước các tác động phá huỷ của các tác nhân
phong hoá;
- Bảo vệ các đường lò bị nước xâm nhập.
Trong nhiều trường hợp, các nhiệm vụ phụ này không có ý nghĩa, song có những
trường hợp nó lại trở thành rất quan trọng, chẳng hạn khi phải đào qua các lớp đá chứa
nước.
Ngày nay, trên cơ sở các thành tựu nghiên cứu của lĩnh vực Cơ học đá cho thấy

rằng khi thi công xây dựng các công trình ngầm cần thiết phải đảm bảo gìn giữ được
độ bền hay khả năng mang tải của khối đất, đá. Các biện pháp chống giữ cần thoả mãn
các nhiệm vụ là phát huy, hỗ trợ cũng như gây ảnh hưởng tốt đến khả năng tự mang tải
của khối đá. Trong trường hợp lý tưởng chỉ nên coi KCC là một dạng gia cố hay gia
công bề mặt cho khối đá. Tuy nhiên, trong thực tế các KCC thường đạt được độ cứng
vững nhất định, có thể tính toán và kiểm chứng được.
Nói chung, để đảm bảo giữ gìn được khả năng tự mang tải của khối đá, cần thiết
phải chú ý các điều kiện hay khả năng sau:
- Lựa chọn được hình dạng hợp lý cho công trình ngầm, chú ý đặc biệt đến điều kiện
cụ thể về các tính chất của khối đá;
- Lựa chọn các phương pháp và giải pháp thi công hợp lý
- Lựa chon phương pháp "chống giữ' hợp lý ";
- Chú ý đến yếu tố thời gian đối với cả khối đá và KCC;
Áp dụng các phương pháp đào không gây tác động xấu đến khối đá (có thể gọi
là các phương pháp đào bảo dưỡng khối đá)- tức là ít gây ảnh hưởng đến độ bền của
khối đá.
16


Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu chống giữ công trỡnh ngầm.
Những yêu cầu cơ bản khi thiết kế kết cấu chống giữ công trình ngầm có thể
phân chia ra thành các yêu cầu về chức năng, kỹ thuật và kinh tế.
- Yêu cầu mang tính kỹ thuật:
KCC phải đảm bảo có độ bền và độ ổn định nhất định trong thời gian tồn tại.
KCC phải bền, nghĩa là phải chịu được các tác dụng của ngoại lực cũng như các trạng
thái ứng suất sinh ra trong các cấu kiện của KCC trong giới hạn cho phép và không bị
phá hoại. KCC phải ổn định tức là dưới tác dụng của áp lực đất đá và các loại tải trọng,
KCC phải giữ được kích thước và hình dạng ban đầu hoặc theo yêu cầu sử dụng cụ
thể. Nói chung, hai yêu cầu về độ bền và độ ổn định hiện nay thông thường nên được
kết hợp lại thành một yêu cầu chung về khả năng mang tải của kết cấu chống.

- Yêu cầu về chức năng sử dụng:
Kết cấu chống không được gây ra các trở ngại cho các quá trình sản xuất, thi
công và phải cho phép khả năng cơ giới hóa (theo yêu cầu); chiếm ít không gian, thuận
tiện cho việc sử dụng khoảng không gian ngầm tuỳ theo mục đích cụ thể; đảm bảo khả
năng thông gió, an toàn về cháy; trong nhiều trường hợp còn phải đảm bảo các yêu
cầu về cách nước, thẩm mỹ.
- Yêu cầu kinh tế.
Kết cấu chống phải phù hợp với thời gian tồn tại của công trình ngầm. Tổng vốn đầu tư
ban đầu và giá thành bảo dưỡng, sửa chữa phải nhỏ nhất.

Phân loại kết cấu chống.
Để có thể hình dung được một cách tổng thể về các loại hình KCC các công trình
ngầm có thể tổng hợp, phân tích và xem xét chúng dựa theo những dấu hiệu khác
nhau; cụ thể là theo các cách phân loại các KCC theo nhiều dấu hiệu khác nhau như:
- phân loại theo vật liệu:
gỗ; thép, kim loại; bêtông, gạch, đá; vật liệu tổng hợp
- phân loại theo chức năng, nhiệm vụ:
tạm thời, cố định
- phân loại theo tính năng kỹ thuật:
tích cực, gia cố, chủ động; thụ động, chống đỡ
- phân loại theo đặc điểm; hình dạng kết cấu:
khung chống, vỏ chống, "hoà nhập" vào khối đá;
hình thang, chữ nhật đa giác, tròn ellíp; vòm, móng ngựa, mõm nhái...
- phân loại theo tính chất hay biểu hiện cơ học của kết cấu

rất cứng, cứng, mềm
KCC

Biểu hiện cơ học

rất cứng
như một cố thể-biến dạng ít
cứng
như bán cố thể- biến dạng nhỏ
mềm
biến dạng nhiều
- phân loại theo mức độ liên kết với khối đất, đá:
- không, liên kết ít, liên kết hoàn toàn
- tiếp xúc giữa KCC và khối đá : điểm, diện

Khả năng mang tải
mômen
lực dọc
lớn
nhỏ
lớn
nhỏ
nhỏ
lớn

17


- khả năng tiếp nhận ứng suất tiếp
Trong thực tế kết cấu chống giữ CTN còn được phân loại dựa theo tính chất mối
tác động giữa kết cấu chống với môi trường đất đá bao quanh. Theo đó, kết cấu chống
được phân thành hai loại: “kết cấu chống bị động” và “kết cấu chống chủ động”.
Bất kỳ loại kết cấu chống nào không có tính “chủ động” sinh ra lực đẩy chống lại
khối đá ngay sau khi lắp đặt đều được coi là kết cấu chống “bị động”. Đối với kết cấu
chống bị động, nó chỉ phát huy tác dụng chống giữ khi mà biên công trình ngầm đã có

sự dịch chuyển “đủ lớn” hay nói cách khác là đến một giới hạn nào đó để gây ra sự
“nén ép” tác dụng lên vỏ chống và khi đó vỏ chống sẽ sinh ra những lực chống lại
nhằm hạn chế sự dịch chuyển của khối đá. Sự phản ứng này của kết cấu chống tuỳ
thuộc vào độ cứng của chúng và thời gian lắp đặt. Hầu hết các dạng kết cấu chống giữ
truyền thống như: khung chống gỗ, khung chống thép, neo không ứng suất trước đều
là những dạng kết cấu chống bị động.
Kết cấu chống mang tính chủ động là những loại có khả năng gây tác động và hạn
chế biến dạng của khối đá ngay sau khi lắp đặt. Neo ứng suất trước, vỏ chống lắp
ghép, vỏ bê tông liền khối, vỏ bê tông phun là những ví dụ điển hình của dạng kết cấu
chống chủ động.
3.2. Chống giữ lò bằng lò nghiêng.
3.2.1. Khung chống gỗ.
a. Điều kiện sử dụng.
Trong công tác thi công xây dựng các công trình ngầm, gỗ có thể được sử dụng
để làm KCC tạm thời hoặc cố định. Gỗ sử dụng để chống cố định hầu như chỉ được áp
dụng trong ngành mỏ tại các đường lò có tuổi thọ nhỏ, thường không quá 2 đến 3 năm;
áp lực nóc tương đối nhỏ; ít biến đổi. Khi sử dụng để chống các đường lò có áp lực
nóc, sườn hông và nền đều lớn thì kết cấu chống phức tạp, tốn gỗ, tiết diện lò tăng lên,
độ cản khí động học cũng tăng, do đó không kinh tế. Gỗ thường dùng chống, hào,
giếng mù, rãnh thoát nước...Không nên chống ở lò thải gió vì chóng bị mục. Nếu áp
lực nhỏ, thời hạn phục vụ ngắn, lò thông gió có thể chống bằng gỗ nhưng phải được
ngâm tẩm.
Khi thi công xây dựng các công trình ngầm dân dụng hoặc các hầm trạm có tiết
diện lớn, kết cấu gỗ chỉ được sử dụng làm kết cấu chống tạm thời.
Ngày nay với sự ra đời của các loại vật liệu và kết cấu chống mới có tính ưu
việt hơn hẳn như thép, bê tông, bê tông phun, bê tông phun sợi thép và neo..., đồng
thời do yêu cầu bảo vệ môi trường cao nên vai trò kết cấu chống bằng gỗ trong xây
dựng công trình ngầm ngày càng hạn chế.
Tuy nhiên gỗ vẫn còn được sử dụng để xử lý trong các trường hợp đặc biệt như:
thi công đào theo sơ đồ chia gương, tại các vị trí tiết diện công trình ngầm thay đổi và

đặc biệt là khi khắc phục hiện tượng sập lở cục bộ. Gỗ với đặc điểm dễ chế biến nên
rất thích hợp làm vật liệu dự trữ không thể thiếu được ở mọi công trường xây dựng khi
cần.
b. Ưu điểm.
+ Cho phép nhận thấy và nghe thấy khi áp lực đất đá phát triển đến trạng thái nguy
hiểm gần phá hủy;
+Vận chuyển dễ dàng;
+ Chế biến và gia công đơn giản, dễ thích ứng.
+ Sử dụng được nguồn vật liệu địa phương.
c. Nhược điểm.
+ Không liên kết với khối đá;
18


+ Biến dạng nhiều khi chịu tải;
+ Hầu như không sử dụng lại được;
+ Kết cấu chống tạm và cố định quá hạn phải dỡ bỏ, do vậy gây ra biến đổi cơ học
trong khối đá, khi dỡ bỏ hoặc thay đổi cần phải có biện pháp gia cố và bảo vệ;
+ Dễ cháy, dễ mục nát và gây ra lực cản khí động học lớn;
+ Đòi hỏi người thi công có tay nghề thủ công nhất định;
+ Khai thác gỗ nhiều gây ảnh hưởng xấu đến điều kiện khí hậu, công tác bảo vệ môi
trường ...
d. Các dạng kết cấu chống gỗ cho lò bằng, lò nghiêng.
Về mặt cấu trúc kết cấu gỗ thường phân ra hai dạng dạng khung (nóc phẳng)
và dạng vòm, tròn. Dạng cơ bản của vỏ chống gỗ là dạng khung hở gồm hai cột (1), 1
xà nóc (2). Xà và cột thường làm bằng gỗ tròn 16 - 30. Nêm định vị (3) và các tấm
chèn (4) như hình 3.1. Nếu giữa tấm chèn và đất đá có khoảng hở cần phải chèn bằng
đầu gỗ, hoặc đá thải để định vị khung chống và tạo sự làm việc phối hợp tốt giữa vỏ
chống và đất đá.
Góc nghiêng của cột so với phương ngang (còn gọi là độ thách) theo kinh

nghiệm thường =700 850. Sự thay đổi của  phụ thuộc vào điều kiện địa chất xung
quanh đường lò, điều kiện sử dụng và kích thước khung chống ... Góc  thường ảnh
hưởng đến tiết diện đào, khối luợng vật liệu chống giữ, do vậy  rất có ý nghĩa trong
công tác chống giữ. Trong thực tế  thường lấy theo các thiết kế mẫu, hoặc kinh
nghiệm sử dụng trước đó. Thời gian qua đã có một số tác giả quan tâm nghiên cứu, tuy
nhiên đến nay vẫn chưa có kết quả cụ thể để áp dụng vào thực tế.
Khi chống giữ, tuỳ điều kiện địa chất cụ thể, yêu cầu sử dụng tiết diện mà thay
đổi dạng khung chống cho phù hợp: chẳng hạn, nếu áp lực nền lớn cần dùng khung
chống kín (dạng đầy đủ, có dầm nền, dầm chân cột...). Trường hợp đất đá quá yếu (áp
lực lớn), khung chống gỗ bình thường không đủ khả năng mang tải ta phải sử dụng
thêm các vì chống tăng sức(Hình 3-2, a, b). Khi đất đá ổn định chỉ chịu áp lực nóc là
chủ yếu thì chỉ cần chống giữ phần nóc hoặc một phần suờn, và mối liên kết giữa xà và
cột ở dạng đơn giản như (Hình 3-2,c, d,e).

(4)
(3)
(2)

(1))

Khi giữa các khung chống
có khoảng
cách,
theogỗmức độ nứt nẻ của đất đá
Hình
3-1: Kết
cấutuỳ
chống
và khoảng cách giữa các khung chống mà bên ngoài khung chống phải có chèn. Chèn
vừa có tác dụng ngăn không cho đất đá vụn rơi vào lò đảm bảo an toàn cho người và

19


thiết bị, vừa có tác dụng làm cho áp lực đất đá tác dụng đều lên kết cấu chịu lực (xà và
cột). Việc chèn dầy hay thưa đều phải căn cứ vào tình trạng thực tế của đất đá khi đào
lò: Khi đất đá nứt nẻ có nhiều nguy cơ sụt lở cục bộ thì nhất thiết phải chèn khít,
trường hợp ngược lại có thể chèn thưa. Tuy nhiên khi chèn khít cũng như khi chèn
thưa đều phải đảm bảo chèn kín nóc nghĩa là không để lại khoảng trống giữa đất đá
xung quanh với vật liệu chèn. Vật liệu chèn thường là gỗ bổ, ván gỗ, v..v...
Khoảng cách giữa các khung chống bằng gỗ phụ thuộc vào tính chất cơ lý của
đất đá thường L = 0,5 1m, khi gặp điều kiện địa chất xấu có thể phải chống liền vì.
Mối liên kết giữa các cấu kiện với nhau (đầu xà, đầu cột, cột với dầm nền, giữa xà
nóc với cột bích, văng...) phải đảm bảo chắc chắn và đơn giản, dễ thi công, không làm
yếu khung chống, không gây lực tập trung ứng suất trên mặt cắt đầu gỗ… Thông
thường kết nối bằng các loại mộng, ngàm: loại ngàm vuông (Hình 3-3,b) dùng để liên
kết giữa cột và xà, dạng ngàm tròn (Hình 3-3,c) sử dụng để nối các bộ phận gia cố
thêm hoặc để nối giữa cột với xà khi áp lực sườn không đáng kể.
Lỗ chân cột thường đào sâu 1015 cm trong đá cứng và trung bình 1520 cm
trong đất trung bình; 2025 cm trong đất mềm. Phía đặt rãnh cột chôn sâu hơn đáy
rãnh 1012cm. Trường hợp dùng dầm nền hay dầm chân cột cần phải chôn dầm xuống
khoảng 3/4 đường kính dầm.
Ngoài dạng khung, trong xây dựng ngầm, ta còn gặp dạng vỏ tròn hoặc vòm,
trong đó giá trị mômen uốn được giảm đi rất nhiều so với dạng khung. Tuy nhiên,
dạng này rất ít gặp trong thực tế vì thi công phức tạp: phải chế biến gỗ thành nhiều
đoạn nhỏ, rồi ghép lại cho khớp nhau.

b)

a)

c)

e)

d)

Hình 4.2: Một số loại khung chống có vì tăng sức và các khung chống khác
.
a,

b,

c,

20
e,
d,

f,


Văng dùng để giữ cố định khoảng cách giữa các khung chống theo phương dọc trục lò,
chống lại tác dụng xô đổ khung chống khi nổ mìn. Văng thường làm bằng vật liệu gỗ
tròn 10 - 14 (cm).
Thanh giằng dùng để liên kết các khung chống với nhau theo phương dọc trục
lò. Giằng thường làm bằng gỗ 10 - 14 (cm), giằng thường được giữ vào cột nhờ
đinh đỉa.
e. Thi công.
Trước khi dựng khung chống gỗ ta cần phải làm các công tác chuẩn bị như sửa
lại biên lò, đập tẩy những chỗ đất đá mấp mô trên biên lò bằng búa chèn, búa chim

hoặc thuốc nổ. Biên hầm lò thường được đào bằng khoan nổ mìn nên thường lồi lõm
không đúng với kích thước thiết kế, cần phải sửa lại.
Đào lỗ chân cột: lỗ chân cột phải đào sâu từ 10-15cm trong đất đá kiên cố và
trung bình, 15-20cm trong đất đá trung bình và trong đất đá mềm yếu là 20-25cm. Lỗ
chân cột cũng được đào bằng búa chèn, cuốc chim hoặc thuốc nổ. Nếu có dầm nền thì
dầm nền cũng phải được chôn ngập (1/2) đến 1 lần đường kính gỗ chống.
Trình tự dựng khung chống: đặt dầm nền (nếu có). Dựng từng cột một, giữ tạm
cột bằng chèn nhói, các thanh giằng cài vào cột của các khung chống cũ đã dựng trước
hoặc giữ tạm cột bằng các cột đỡ nghiêng. Sau khi đã dựng cột thì đưa xà lên bằng tay
hoặc bằng các kích nâng. Khi lên xà phải kiểm tra sự ăn khớp giữa đầu xà và đầu cột
để sao cho không có hiện tượng treo cằm hoặc trùng cằm (hình 3-4). Hai hiện tượng
trên đều có thể làm cho cột và xà dễ bị gẫy. Tiếp theo, tiến hành điều chỉnh khoảng
cách, độ cao, độ thách (độ nghiêng chân cột), v..v… của khung chống sao cho khung
chống nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục lò. Sau đó thực hiện đóng nêm đầu xà
và đầu cột để định vị khung chống. Cuối cùng cài chèn phía sau khung chống tại nóc
và hông của đường lò. Mật độ cài chèn phụ thuộc vào hiện trạng đất đá xung quanh
đường lò. Trong quá trình cài chèn, nếu phát hiện khoảng trống phía sau khung chống
thì phải tiến hành kích chặt, chèn kỹ bằng các đầu gỗ hoặc nêm đá.

Hình 3-4: Hiện tượng mối nối không phù hợp giữa xà và cột:
a. Treo cằm; b. Chùng cằm
f, Vỏ chống gỗ cho giếng nghiêng.
Đối với các lò nghiêng( lò thượng, lò hạ, lò ngược ...) tuỳ theo góc nghiêng của
đường lò mà có thêm các cấu kiện phụ như:
- Khi góc nghiêng lò  < 10  120, cần phải đánh văng giữa hai cột cuat vì chống.
21


- Khi 120 < 300, phải đánh văng ở phía đầu cột và chân cột giữa hai vì chống.
- Khi  >300, ngoài hai thanh văng như trên còn cần phải đặt thêm cả dầm nền.

- Khi  > 450, lò nghiêng được chống như các khung chống gỗ ở giêng đứng.
- Khi góc nghiêng  lớn quá cần đặt khung chống cơ bản (có tai) ăn sâu vào đất đá 0,5
 0,7m. khoảng cách giữa các vì cơ bản từ 5  10m tuỳ theo tính chất cơ lý của đất đá.
3.2.2.Khung chống kim loại
a, ưu nhược điểm
Khung chống kim loại là một trong những loại kết cấu chống được sử dụng
rộng rãi và có hiệu quả nhất để chống giữ các đường lò. So với kết cấu chống gỗ, kết
cấu chống bằng kim loại có nhiều ưu điểm hơn:
- Có khả năng mang tải lớn;
- Thuận tiện cho việc lắp đặt, sử dụng được trong các đất đá có độ bền bất kỳ, trong
các đường lò có áp lực mỏ đã xác định cũng như trong các đường lò nằm ở trong vùng
ảnh hưởng của công tác khai thác;
- Làm khung chống tạm thời cũng như làm khung chống cố định, làm khung chống
cứng cũng như làm khung chống linh hoạt.
b, Điều kiện sử dụng
Hiện nay, vì chống bằng thép được sử dụng rộng rãi chiếm tỷ lệ lớn nhất trong
lò bằng và lò nghiêng. Vì chống thép khắc phục được tất cả nhược điểm vì gỗ, dùng
trong đất đá có độ bền bất kỳ, áp lực lớn. Khung chống cố định bằng thép có thể sử
dụng với nhiều thời gian phục vụ khác nhau, thông thường đường lò cần phục vụ từ 57 năm trở lên đều có thể chống bằng khung chống thép. Trong những điều kiện thông
thường, nên sử dụng khung chống thép với những đường lò có thời gian tồn tại 15-20
năm.Không nên dùng trong những đường lò có chất ăn mòn kim loại như axit, muối...
Vì vậy khi sử dụng khung chống thép trong các đường lò có nước cần phải có biện
pháp chống rỉ cho thép. Khung chống tạm thời bằng thép có thể sử dụng được nhiều
lần.
c, Cấu tạo khung chống thép
Các khung chống thép được sử dụng ở lò bằng và lò nghiêng có thể phân chia
thành: kết cấu chống cứng, kết cấu linh hoạt kích thước và kết cấu linh hoạt hình dáng.
c1, Kết cấu chống cứng:
- Khung chống hình thang
Về mặt kết cấu, khung chống thép hình thang tương tự khung chống gỗ, cũng

gồm có một xà nóc và hai cột (và có thể có thêm dầm nền). Các khung chống thép
hình thang có thể là khung kín hoặc khung hở. Các cấu kiện của khung chống thường
được chế tạo từ thép đường ray cũ hoặc từ các dầm thép chữ I số hiệu 16-20 hoặc hơn
nữa. Cột và xà nóc của khung chống hình thang có thể liên kết với nhau như bản đệm,
thép góc với bu lông bản ốp v..v… như hình vẽ (Hình 3-2-1).
Văng bằng gỗ giống như khung chống hình thang bằng gỗ.
Các thanh giằng thường bằng thép góc hoặc thép bản dày 10-15mm bắt bu lông
giữ vào cột chống.
Chèn có thể bằng gỗ, bằng các tấm thép hình gợn sóng, v..v...
Ở khung chống hở, chân cột đặt trực tiếp vào hố chân cột dưới nền. Khi đất đá
dưới nền mềm yếu, để tránh khả năng lún chân cột thì chân cột được hàn thêm một bản
đệm hoặc tỳ lên dầm dọc bằng gỗ qua bản đệm hàn.
Ưu điểm của khung chống hình thang là đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt.
22


Nhược điểm: kết cấu là kết cấu cứng, khả năng mang tải kém hơn khung chống
hình vòm có cùng chi phí.
- Khung chống hình vòm
Các khung chống hình vòm cứng có khả năng mang tải cao hơn khung chống
thép hình thang có cùng chi phí thép. Chúng thường được sử dụng ở những đường lò
có áp lực đất đá ổn định. Khung chống gồm có hai nửa vòm uốn bằng thép hình I12I18 hoặc thép đường ray, hai nửa vòm này được nối cứng với nhau nhờ bu lông bản
nối hoặc các liên kết tương đương khác (Hình 3-2-2). Mối nối là vị trí yếu nhất trong
toàn bộ khung chống.
Ngoài ra, chiều dài từng cấu kiện còn quá lớn nên rất khó khăn khi vận chuyển
trong đường lò. Khung chống kim loại dạng vòng kín (Hình 3-2-3) cấu tạo từ 3 đến 4
cấu kiện liên kết với nhau bằng bản đệm và bulông. Dạng kết cấu này nên sử dụng
trong điều kiện có áp lực đất đá lớn xuất hiện từ cả 4 phía.

(Hình 3-2-1 : Khung chống thép hình thang)

Khi đó khả năng mang tải của kết cấu chống kín được tận dụng tối đa. Cũng giống như
kết cấu chống dạng vòm, mối nối giữ các cấu kiện là vị trí yếu nhất trong toàn bộ
khung chống.

Hình 3-2-2: Khung chống cứng thép
hình vòm.

Hình 3-2-3: Khung chống cứng kín
bằng hình tròn bằng thép.

c2, Khung chống kim loại linh hoạt kích thước
Khung chống được uốn bằng thép lòng máng. Nó gồm có một xà cong và hai
cột cong. Xà cong và cột cong được nối với nhau bằng một liên kết đặc biệt là liên kết
bu lông - gông (mỗi liên kết 2 bộ gông), chính nhờ có liên kết này mà đầu xà được
lồng vào trong lòng cột.
23


Hình 3-2-4: Khung chống thép linh hoạt về kích thước
Với áp lực nhỏ, khung chống làm việc như một khung chống cứng. Khi áp lực
đất đá lớn hơn lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa các cấu kiện (lực ma sát này tạo ra
nhờ lực xiết các bu lông gông) các cấu kiện bắt đầu bị trượt lên nhau, cụ thể là xà bị
trượt trên cột. Tốc độ biến dạng của khối đất đá bên trên nhờ vậy mà giảm đi, áp lực
tác dụng lên khung chống nhỏ hơn lực ma sát các cấu kiện không bị trượt nữa. Biến
dạng của đá nóc tăng dần theo thời gian, áp lực lên khung chống lại lớn dần và đến
một lúc nào đó lại lớn hơn lực ma sát, các cấu kiện lại trượt. Cứ như vậy cho đến khi
khai thác hết độ linh hoạt của khung chống. Độ linh hoạt của khung chống theo
phương thẳng đứng đạt đến 300-500mm. Để tăng độ linh hoạt của khung chống trong
trường hợp cần thiết có thể sử dụng khung chống gồ 5 đoạn cấu kiện.
Khung chống thép linh hoạt hình vòm được sử dụng rất rộng rãi đặc biệt là

trong các đường lò chịu ảnh hưởng của công tác khai thác, ở đó áp lực đất đá thay đổi.

Hình 3-2-5: Khung chống linh hoạt kích thước gồm 5 đoạn cấu kiện
c3, Khung chống kim loại linh hoạt về hình dạng
Khung chống có hai loại khung chống năm khớp và khung chống ba khớp. Các
thanh cấu kiện của khung chống lằm bằng thép I hay thép ray và được sử dụng ở
những nơi có áp lực tác dụng thay đổi về hướng hoặc tác dụng lệch. Loại khung chống
ba khớp có kết cấu đơn giản hơn vì chúng gồm hai đoạn cung cong bằng thép chữ I
24