Đánh giá những khó khăn thường gặp khi đào lò trong vùng ứng suất cao và nên giải pháp khắc phục.

LỜI MỞ ĐẦU
Việc đánh giá trạng thái ứng suất và áp lực đá lên công trình ngầm
đóng vai trò quan trọng trong tính toán thiết kế các công trình mỏ, giao thông,
thủy lợi, thủy điện… Trong phạm vi nghiên cứu của nhóm, chúng tôi chỉ trình
bày, phân tích và đánh giá những khó khăn thường gặp khi đào lò trong vùng
ứng suất cao. Đồng thời nêu ra một vài giải pháp nhằm khắc phục hạn chế
những khó khăn khi đào lò trong vùng ứng suất cao.


ỨNG SUẤT CAO
I.

Khái niệm về ứng suất cao.

- Ứng suất cao là một khái niệm tương đối, do đá không giống nhau
vốn có mô đun đàn hồi khác nhau, tính năng tích trữ năng lượng cũng khác
nhau.
- Bình thường có thể nói, độ lớn của ứng suất ban đầu của vùng đất
đá có liên quan với đặc tính biên dạng của khôi đá ở khu vực này, đá cứng thì
tàng trữ năng lượng lớn, ứng suât nguyên sinh cũnglớn.
- Vì vậy, ứng suất cao mà nói chỉ là tương đối so với cường độ đât
đá xung quanh. Cũng có thê nói là khi tỉ số giữa ứng suất lớn nhất trong vùng
khối đá xung quanh và cường độ của nó (Rb) đạt đến giá trị nào đó, mới có thể
gọi là ứng suất cao hoặc ứng suất cực cao. tức:
Tỉ lệ cường độ khối đá xung quanh=Rb/ max
II.

Nguyên tắc phân biệt ứng suất cao.

- Hiện nay trong thiết kế thi công công trình ngầm đều lấy tỉ lệ
cường độ đá xung quanh làm chỉ tiêu quan trọng để phán đoán độ ổn định của

đất đá xung quanh, có nơi còn làm chỉ tiêu quan trọng để phân cấp đất đá. Từ
góc độ giải thích này, cần phải nhận thức đến vấn đề chôn sâu lớn chưa chắc đã
tồn tại ứng suất cao, mà trường hợp độ sâu nhỏ nhưng cường độ đá rất thấp, như
xuất hiện biến dạng lớn, cũng có thể xuất hiện vấn đề ứng suât cao. Vì vậy, khi
nghiên cứuvấn đề ứng suất cao hay ứng suất cực cao hay không cần phải liên hệ
với cường độ đá để tiến hành quyết định.
- Bảng 1 lấy những tỷ lệ cường độ đá làm chỉ tiêu để phân cấp ứng
suất tiêu chuẩn, có thể tham khảo. Không cần nhất định là ứng suất ban đầu lớn
thi là ứng suất cao. Vì vậy, có lúc ứng suất ban đầu tuy lớn nhưng tỷ lệ so với
cường độ đá lại chưa chắc cao. Cho nên dưới trường hợp độ sâu tương đối nông,
tuy ứng suất ban đầu không lớn, nhưng do cường độ đá cực thấp cũng có thể
xuất hiện hiện tượng biển dạng cực lớn.


- Lấy những tỷ lệ cường độ đá làm chỉ tiêu để phân cấp ứng suất
tiêu chuẩn, có thể tham khảo. Không cần nhất định là ứng suất ban đầu lớn thi là
ứng suất cao. Vì vậy, có lúc ứng suất ban đầu tuy lớn nhưng tỷ lệ so với cường
độ đá lại chưa chắc cao. Cho nên dưới trường hợp độ sâu tương đối nông, tuy
ứng suất ban đầu không lớn, nhưng do cường độ đá cực thấp cũng có thể xuất
hiện hiện tượng biển dạng cực lớn.
- Phân cấp cơ bản chỉ tiêu ứng suất theo tỉ lệ cường độ đá:
Bảng 1. Phân cấp cơ bản chỉ tiêu ứng suất theo tỉ lệ cường độ đá
ứng suất
cực cao
Hiệp hội đường hâm Pháp
Tiêu chuân cơ bản phân câp
khối đá công trình của TQ
Hướng dẫn phương pháp đào
hầm mới Áo của Nhật (1996)
Phân câp Nhật

<2
<4

ứng suất ứng suất bình
cao
thường
2-4
>4
>7
4-7

>2

4-6

>6

<2

2-4

>4

- Tỉ lệ cường độ đá có quan hệ với hiện tượng phá hủy của khối đá
xung quanh sau khi khai đào, đặc biệt là liên quan với hiện tượng nổ đá và biến
dạng lớn. Trường hợp đầu (nổ đá) hiện tượng này có thể phát sinh trong khối đá
cứng nguyên khối, trường hợp sau (biến dạng lớn) hiện tượng này có thể phát
sinh trong địa tầng mềm hoặc địa tầng đất. Sự liên quan trong phân loại cơ bản
của khối đá công trình, mà quy phạm của (zhongye) Nhật Bản là dựa vào sự

xuât hiện áp lực hóa dẻo hay không đê quyết định.
- Hiện tượng chủ yếu xuất hiện khi đào lò trong khối đá có ứng suất
ban đầu cao:
- Trường hợp ứng suất cực cao (Rb/ max < 4) :
+ Đối với đá cứng : trong quá trình đào lò có xảy ra hiện
tượng nổ đá, cục đá bắn ra, khối đá xung quanh đường lò xảy ra bong tróc, nhiều
nứt nẻ mới xuất hiện, tính năng tạo hang kém, nền hào có hiện tượng tách bóc,
tính tạo hình kém.


+ Đối với đá mềm : mẫu đá thường có hiện tượng hóa bánh.
Trong quá trình đào khối đá thành hầm có bong tróc, chuyển vị hiển thị rất
rõ.Thậm chí xảy ra chuyển vị lớn, thời gian duy trì lâu. Không dễ thành hầm,
nền hào xảy ra nún rõ ràng hoặc bong tróc, không dễ thành hình.
- Trường hợp ứng suất cực cao (4 < Rb/ max < 7) :
+ Đối với đá cứng : trong quá trình khai thác đào có thể xuất
hiện nổ đá, khối đá thành hầm có bóc tách và hiện tượng bong tróc, có tương đối
nhiều khe nứt mới phát sinh, tính tạo thành hang tương đối kém, nền hào có hiện
tượng bong tách, tính thành hình thường còn tốt.
+ Đối với đá mềm : mẫu đá có hiện tượng hóa bánh, trong
quá trình đào lò chuyển vị khối đá thành hầm hiện rõ, thời gian duy trì lâu, tính
tạo hang kém. Nền hào có hiện tượng nún, tính thành hình tương đối kém.
- Hiện tượng xuất hiện trong khai đào khi tỉ số cường độ đá không
giống nhau:
Tỉ lệ cường độ
đá
Đặc tính của
áp lực

III.

>4

2-4

<2

Áp lực
Áp lực có Áp lực phát
không phát lúc phát sinh tính dẻo
sinh tính dẻo sinh tính
nhiều
dẻo

Hiện tượng ứng suất cao.
- Hiện tượng mẫu đá bị tách dạng các bánh :

Khi tiến hành thăm dò trong khối đá có cường độ dưới trung
bình, thường nhìn thây mẫu đá có hiện tượng tách giống bánh. L.Obert và
D.E.Stophenson (năm 1965) của Mỹ sử dụng phương pháp kiểm chứng thực
nghiệm đồng dạng đạt được mẫu đá có dạng bánh, do vậy nhận định mẫu đá có
trạng thái dạng bánh là sản phẩm của ứng suât cao. Từ nguyên nhân hình thành
phá hủy cơ học đá làm phân tích, hiện trạng mẫu đã có dạng bánh là sản phẩm
phá hủy dãn cắt. Ngoài cái này còn có thể phát hiện hiện tượng thu nhỏ đường
kính lỗ khoan.


- Nổ đá :
Trong quá trình đào hầm hoặc hầm thăm dò ở vùng ứng suất
cao trong đá cứng nguyên vẹn hoặc tương đối nguyên vẹn có lúc xảy ra nổ đá.

Nổ đá là đá bị nén ép đến giới hạn đàn hồi, năng lượng tích lũy trong khối đá
giải phóng đột ngột mà tạo thành một loại hiện tượng phá hủy đá. Căn cứ vào
tính quan trọng của nổ đá trong công trình đất đá, sau này đã làm trình bày và
phân tích chuyên đề.
- Hiện tượng bong tróc hông của đường hầm ngầm hoặc hầm thăm
dò :
Va đập khối đá là âm thành khàn khàn đồng thời có biến
dạng tương đối lớn, đào hầm thăm dò hoặc đường hầm trong khối đá có độ cứng
trung bình trở xuống , ở trạng thái úng suất cao sẽ không xảy ra mãnh liệt giống
như hiện tượng nổ đá, khối đá ở hông sẽ xảy ra hiện tượng bong tróc, có lúc khe
nứt kéo dài liên tục đen tận lớp đá nông, lúc va đập có âm thanh lạo xạo. Đường
hầm trong đá mềm thì xảy ra biến dạng tương đối lớn. chuyển vị rõ rệt duy trì
Irong thời gian dài, hiện rõ thu nhỏ theo hướng kính.
- Hiện tượng lún, tách lớp cùng với chuyển dịch đàn hồi phần nền
hào đá :
Hiện tượng lún, tách lớp cùng với chuyển dịch đàn hồi phần
nền hào đá. Khi khai đào hào hoặc rãnh trên bê mặt khối đá cứng, trong quá
trình khai đào đột ngột xuất hiện sụt lún, đứt gãy đồng thời kèm theo là âm
thanh phát ra; hoặc phần nền hào sụt lún bong tróc. Trong khôi đá nếu có lớp đá
kẹp mềm thì trên mái dốc nghiêng của hào sẽ xuất hiện hiện tượng dịch chuyển
đàn hồi trở lại.
- Chỉ tiêu cơ học vật lí :
Đo được ở ngoài thực địa có kết quả cao hơn so với thí
nghiệm mầu đá ở trong phòng thí nghiệm. Do tồn tại ứng suất cao làm cho tham
số tốc độ sóng âm, mô đun đàn hồi của khối đá tăng cao, thậm chí so với tham
số đo được mẫu đá ở trạng thái không cỏ ứng suất trong phòng thí nghiệm cao.
Hình dạng của đường cong đo biến dạng chuyển vị ở ngoài hiện trường cũng sẽ
thay đổi, trên trục ứng suất có đoạn giãn cách.

* Ở đây nhóm em phân tích hai hiện tượng chính thường xảy ra khi
đào lò trong vùng ứng suất cao là :
- Hiện tượng nổ đá đối với đá cứng.
- Hiện tượng nén ép và biến dạng mạnh đối với đá mềm.


HIỆN TƯỢNG NỔ ĐÁ ĐỐI VỚI ĐÁ CỨNG
I.

Tổng quan hiện tượng nổ đá.

- Khối đá xung quanh công trình trong điều kiện trường ứng suất
cao mà xảy ra hiện tượng các phiến đá bắn ra, cùng với hông đường hầm có hiện
tượng đá bong tróc gọi là nồ đá. Trong khối đá mà khai đào công trình ngầm
(xưởng ngầm, đường hầm, đường lò khai thác ngầm, khu vực khai thác...) làm
phân bố lại ứng suất và hiện tượng ứng suất tập trung trong khối đá xung quanh
nó. Sau khi ứng suất tập trung đạt đến một giá trị nhất định thì có thể xảy ra nổ
đá.
- Trong quả trình khai đào công trình ngầm, nổ đá là một hiện
tượng phản ánh mất ổn định của khối đá xung quanh mạnh nhất. Nó là một tai
họa địa chất lớn của thi công công trình ngầm. Do tính phát sinh đột ngột, uy
hiếp nghiêm trọng nhất đối với người và thiết bị thi công trong công trình ngầm.
Nếu như xử lý không thỏa đáng, thì sẽ làm cho an toàn thi công và giữ ổn định
của khối đá hoặc công trình trở nên rất khó khăn, thậm chí sẽ tạo thành sự cố
công trình đặc biệt nghiêm trọng.
- Dựa vào thống kê không hoàn toàn, từ năm 1949 đến tháng 5 năm
1985, trong 32 mỏ lớn của Trung Quốc, chí ít phát sinh tăng 1842 vụ nổ than và
nổ đá, điểm thường phát sinh ở vị trí cấu tạo địa chất phức tạp, biến đổi đột ngột
của vỉa than, vỉa than bằng phẳng đột nhiên bị uốn cong biến thành dốc nghiêng
ở độ sâu 200-1000m. Một vài khu vực xảy ra nô đá nghiêm trọng, đã bung ra số

lượng tính toán tấn cục đá, tấp đá và phiến đá. Một số công trình thủy điện ngầm
của Trung Quốc đã xảy ra hiện tượng nổ đá, vị trí no đá đá số trong đá vôi, đá
kết tinh của vùng ứng suất cao hoặc ở vùng lũng sông gần mặt đất. Ngoài ra khai
đào đường hầm trong vùng ứng suất cao, nếu như tầng đá cứng tương đối
nguyên vẹn cũngthường phát sinh hiện tượng nổ đá.
- Do nổ đá là hiện tượng động lực cực kỳ phức tạp,đến nay điều
kiện hình thành và nguyên lý nổ đá trong công trình ngầm vẫn chưa có nhận biết
thống nhất. Có học giả cho rằng nổ đá là do bị phá hủy cắt; cũng có học giả căn
cứ vào kết quả thí nghiệm và quan sát của mình đưa ra kết luận là do phá hoại
kéo giãn căng; còn có một quan điêm quá trình phá hoại khôi đá phát sinh nổ đá


phân làm 3 giai đoạn phá hủy: bóc tách hình thành tâm, bẻ căt thành cục,bắn bật
các cục mảng ra.

II.

Phân loại, đặc tính và đặc điểm của nổ đá.

- Đặc trưng của nổ đá có thể miêu tả từ nhiều góc độ, hiện nay chủ
yếu là căn cứ điều tra ngoài hiện trường mà đạt được đặc trưng nổ đá. xem xét
các nhân tố phương thức nguy hại, mức độ nguy hại của nổ đá cùng với đối sách
phòng ngừa nó phân làm hình thức rạn nứt tróc rời, dạng bắn nổ toác, dạng bắn
phụt tung ra.
+ Dạng tróc rời nứt vỡ : Khôi đá xung quanh công trình có
dạng cục, tấm, vảy cá, khi nổ tách âm thanh phát ra nhỏ, khoảng cách bắn nhỏ,
trên hông hình thành rãnh khe nứt, độ sâu của rãnh khe nứt chủ yếu bị khống
chế bởi ứng suất và cường độ xung quanh khối đá.
+ Dạng phụt bắn ra : Các phiến đá bắn ra và đá vụn phụt ra,
âm thanh nổ phát ra giống như tiêng súng, thể tích đá vụn bắn ra thường không

vượt quá 0,33m3, đường kính 5-10cm. Sau khi tạo rạch trong hầm, thường xuất
hiện đá dạng mảnh vụn bắn ra, sụp đố hoặc bong tróc mảng mỏng dạng vỏ
măng, Gự ly bắn của mảnh đá thường 2-5m. Nhiều cục đá là mảnh đá hình thoi
xung quanh mỏng giữa dày.
+ Dạng nổ tung ra : Khi xảy ra nổ đá cục đá lớn văng ra,
tiếng nổ của nó giống như tiếng nổ bom mìn, thê tích cục đá bắn ra vài mét khối
đến hàng trục mét khối, cự lý văng xa vài mét đến vài chục mét.
- Ngoài ra nổ đá cũng phân làm loại ứng biến, loại giới hạn và loại
cục đá đột xuất như :
+ Loai ứng biến, chỉ khối đá cứng xung quanh đường hầm
xuất hiện sự tập trung ứng suất, trong đá có tính dòn xảy ra phá hoại mãnh liệt,
là hiện tượng nổ đá thông thường nhất; loại giới hạn chỉ có khe nứt cùng song
song với đường hầm, giới hạn của đá hông đường hầm xảy ra phá hủy đột ngột,
thường là chấn động do phá hủy của nổ đá gây ra; loại các cục đá nhô ra, là hiện
tượng các cục đá đột ngột trồi ra do bị các khe nứt và thớ nứt phân tách, cũng là
do phá hủy nổ đá hoặc chận động mà gây ra.


- Trên quy mô cơ bản của nổ đá có thể phân làm 3 loại, tức quy mô
nhỏ, quy mô trung bình và quy mô lớn. Quy mô nhỏ là chi phá hoại ở phần nông
gần bên hông hâm (độ dày phá hủy <25cm), khu vực phá hủy vẫn có tính đàn
hồi, chất lượng của cục đá thông thường dưới 1 tấn. Quy mô trung bình chỉ vùng
phá hủy vỡ rời có độ dày 0,25-0,75m, nhưng bản thân của hầm vẫn ổn định; quy
mô lớn hiện rõ khối đá sập đô vượt quá độ sâu 0,75m. Cục đá đá lớn bắn ra,
trường hợp này sử dụng biện pháp chống giữ thông thường không thê ngăn chặn
được. Dựa vào kinh nghiệm về công trình đường hầm đã có, nổ đá vốn có một
số đặc trưng cơ bản sau:
+ Từ mặt âm thanh nổ đá để xét, có mạnh có yếu, có im lặng,
có âm thanh, thông thường mà nói, âm thanh như sấm quy mô nổ đá lớn, mà âm
thanh lanh lảnh quy mô tương đối nhỏ, có lúc kèm theo âm thanh, có thể nhìn

chỗ vỡ nứt bôc bụi đá. Hiện tượng phát ra âm thanh rất phổ biến, tuyệt đại bộ
phận nổ đá kèm theo âm thanh phát ra.
+ Từ mức độ bắn ra mà xem, cơ bản nổ đá thuộc hai loại bắn
ra yếu và không bắn ra. Thường hầm áp sát hông trên của hông thuộc loại bắn ra
yếu, cự ly bắn ra không lớn hơn 2m, thường trong khoảng 0,8-2m. Hầm nằm sát
dưới núi nổ đá thuộc loại không bắn ra. Chỉ là làm tách rời mặt đá hình thành
cục đá nhỏ xen kẽ các lớp, hoặc cục đá lớn được bong tróc chia tách đá gốc, còn


có thể quan sát được một cách rất rõ trong khối đá đã hình thành khe hở hoặc lỗ
rỗng.
+ Từ khối đá nổ sập mà xét, khối đá chủ yếu có cục đá có thể
tích tương đối lớn hoặc tảng đá thể tích tương đối nhỏ, hình dạng của tảng đá có
dạng vỏ sò xung quanh mỏng giữa dày, sự khác nhau về kích thước chiều rộng
theo phương và dài của nó không hề khác nhau, độ dày xung quanh thì chênh
lệch nhau. Mà trạng thái cục nhiều là có hai cặp tổ hợp khe nứt song song, còn
lại một tô hợp mặt khe nứt có trạng thái lưỡi dao. Kích thước hình học của đá có
dạng tảng (mảng) đều tương đối nhỏ, thông thường trong phạm vi 4,5-20cm, đá
có dạng cục thì không đều từ vài chục centimet đến vài mét.
+ Xét từ hình dạng rãnh nổ đá, có hình dạng góc vuông, bậc
thang và dạng ổ. Rãnh nổ đá với dạng góc vuông, quy mô của nó tương đối lớn,
rãnh nổ có độ sâu tương đối lớn, mà lại kèm theo có âm thanh nổ đá nặng nề;
còn quy mô nổ đá có dạng bậc thang nhỏ nhất, luôn luôn đi kèm theo với nhiều
lần âm thanh nổ đá phát ra, khối đá nổ sạt nhiều với dạng tấm hoặc thanh; rạch
nổ đá có dạng ổ quy mô có to có nhỏ, cơ bản là dạng ổ một lần nổ dài, phá hoại
và âm thanh cơ bản đồng bộ.

(a)

Loại vuông góc; (b) Loại bậc; (c) Loại tổ chim

+ Xét về số lần phát sinh nổ đá ở cùng vị trí, có nổ một lần
và có nổ lặp nhiều lần. Nổ một lần là sau khi nổ đá không phải chống giữ thêm
cũng sẽ không xảy ra nố đá: nổ lặp thì cùng một vị trí xảy ra nổ đá lặp lại, thậm
chí có nơi xáy ra hơn chục lần, đối với trường hợp chống giữ neo, có thể thấy


được một cách rõ ràng cục đá nổ ra được treo trên thanh neo, hình dạng chủ yêu
là dạng tâm hoặc tảng.
+ Từ phương diện gian cách âm thanh nổ đá đến thời điểm
sụt lở đá, có thể phân làm dạng nổ nhanh và dạng nổ chậm. Nổ nhanh thường
sau khi có âm thanh nổ ngay sau đỏ là sụt nổ khối đá, thời gian giãn cách của nó
không quá 10 giây, còn quy mô phá hoại tương đối nhỏ; nổ chậm biểu hiện là
chỉ nghe âm thanh của nó, không nhìn thây chân động của nó, nổ đá có thể chậm
nửa tiếng thậm chí đến mấy tháng. Cũng có lượng ít chỉ có âm thanh mà không
phát sinh hiện tượng tách bóc ra khỏi khối nguyên. Tức chỉ có phát triển rạn nứt
trong khối đá xung quanh mà không xảy ra tính phá hủy nổ sập đá.
+ Xét về phân bố phương rãnh nổ đá dọc theo tuyến đường
hầm, có 3 loại hình, tức tính liên tục, dạng không liên tục và dạng lác đác (vụn
vặt). Dạng liên tục biểu hiện là rãnh nổ đá phân bố liên tục dọc theo trục đường
hầm độ dài 20-100m; Dạng thứ hai biêu hiện là rãnh nổ đá phân bố dạng mảng
giãn cách từ vài chục centimet đên 2m, độ dài phân bố dọc trục của nó thường
từ 10 - 100m, còn trên thành hầm có hiện tượng đường vân vảy cá có thê thấy rõ
ràng; loại thứ 3 thì biểu hiện là xuất hiện nổ đá lẻ tẻ quy mô nhỏ.

III.

Hiện tượng phát sinh nổ đá.

- Rất nhiều nguyên nhân phát sinh nổ đá, trong đó nguyên nhân chủ

yếu là do đào hẩm trong khối đá làm thay đổi không gian tồn tại sẵn có của khối
đá, kết quả trực quan nhất là khối đá nảy sinh nổ đá tạo ra điều kiện không gian
giải phóng năng lượng. Khối đá khi đào hầm hoặc gây chấn động cơ giới khác
đã thay đổi trường ứng suất nguyên sinh trong khối đá, làm cho khối đá xung
quanh khoảng trống công trình phân bố lại ứng suất và gây ra hiện tượng tập
trung ứng suất, ứng suất xung quanh khối đá có lúc sẽ đạt được cường độ ứng
suât nén dọc trục của đá, thậm chí sẽ vượt qua nó mấy lần. Đây là điều kiện
động lực tích lũy năng lượng cần thiết cho khối đá xảy ra nổ đá. Tiền đề của
điều kiện đẩy đủ nói trên còn phải từ đặc trưng cầu tạo và tính chất của đá đi
phân tích biến dạng và hình thức phá hoại của khối đá, cuối cùng phải xem nứt
nẻ vĩ mô lớn trước có bao nhiêu năng lượng biên dạng đàn hồi thừa ra còn dự
trữ. Hiện tại khối đá do thời kỳ đâu từng bước tích lũy năng lượng biến dạng đàn


hồi, đi kèm theo biến dạng khối đá và khe nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện phát triển,
làm cho cách thức truyền vào của năng lượng biến dạng đàn hồi tích trữ trong
khối đá vừa tích trữ vừa tiêu hao, lại quá độ đến mức độ nứt nẻ khối đá tang
mạnh, tạo nên điều kiện năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy hoàn toàn biến
mất, toàn bộ năng lượng biến dạng đàn hồi tiêu tan mất.
- Khối đá có thể xảy ra nổ đá hay không còn liên quan đến thời gian
tích lũy và giải phóng năng lượng biến dạng đàn hồi của khối đá. Trong điều
kiện tương đồng của chính khối đá, tốc độ tập trung ứng suất xung quanh khối
đá càng nhanh, năng lượng biến dạng đàn hồi tích lũy càng nhiều, năng lượng
biển dạng đàn hồi giải phóng nhanh cũng càng nhiều, mức độ xảy ra nổ đá của
khối đá càng mãnh liệt.
- Vì vậy, điều kiện xảy ra nổ đá có thể quy lại là :
+ Khi đào công trình ngầm hình thành không gian ngầm là
điều kiện hình học gây ra nổ đá.
+ Sự tập trung và phân bố lại ứng suất xung quanh khối đá đã
tạo ra sự tích lũy một lượng lớn năng lượng biến dạng đàn hồi ở khối đá xung

quanh công trình ngầm. đây là một điều kiện động lực gây ra 110 đá.
+ Sau khi khối đá tiếp nhận ứng suất giới hạn sinh ra khe nứt
ban đầu, tập trung giải phóng lượng năng lượng biến dạng đàn hồi dư tức quyết
định mức độ bắn ra của nổ đá.
+ Thông qua hình thức nào của nổ đá xuất hiện, nó được
quyết định bởi tính chất của đá xung quanh công trình, đặc trưng kết cấu khối
đá, thời gian tích lũy và giải phóng năng lượng biên dạng đàn hồi dài hay ngắn.
IV.

Căn cứ dự đoán nổ đá.

Từ kết quy định và thành quả nghiên cứu của một số quốc gia đã
nhận thấy, căn cứ sinh ra nổ đá nà ná như nhau, vấn đề này đối với giai đoạn
thiết kế đo đạc công trình ngầm, căn cứ mà điều kiện địa chất vạch ra để phán
đoán phát sinh nô đá và có giá trị tham khảo hay không. Căn cứ tiêu chuẩn sử
dụng phân loại khối đá công trình của Trung Quốc như sau :


+ Khi Rc/ max > 7 không xảy ra nổ đá.
+ Khi Rc/ max = 4-7 có thể sẽ phát sinh nổ đá nhẹ hoặc nổ đá
mức độ trung bình.
+ Khi Rc/ max<4 có thể sẽ xảy ra nổ đá nghiêm trọng.
Trong đó:
Rc- Cường độ kháng nén đơn trục của đá
σmax - ửng suất nguyên sinh lớn nhất.
Chỉ tiêu cường độ của đá có thể thông qua các dạng thí nghiệm để
xác định, ứng suât lớn nhất thông thường là thông qua phương pháp đo đạc thực
địa để xác định, nhưng không phải là tât cả các công trình đều có thể tiến hành
đo ứng suất. Vì vậy không thể không nhờ vào những số liệu kinh nghiệm hoặc
trực tiếp sử dụng đại lượng ứng suất thẳng đứng trong trường ứng suất trọng lực

của khối đá làm giá trị ứng suất lớn nhất.
V.

Phân tích các số liệu quan sát về hiện tượng“nổ đá”.

Những quan sát thực tế tại các mỏ than và kết quả phân tích thống
kê các số liệu thu nhận được từ các vụ“nổ đá’’đã cho phép Salamon M.D.G. rút
ra những kết luận sau đây :
+ Độ dài của lò chợ dài. Tần suất xuất hiện của các vụ “nổ
đá’’ sẽ gia tăng khi gia tăng chiều rộng của panen lò chợ đến 180m. Sau đó,
đường cong của tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá’’ sẽ có mức độ gia tăng
giảm dần và đạt đến giá trị không đổi khi chiều rộng panen lò chợ vượt quá giá
trị 270 m.
+ Các kích thước của vùng áp lực tựa. Tần suất xuất hiện của
các vụ“nổ đá’’sẽ tang lên tùy theo mức độ giảm xuống của các kích thước vùng
áp lực tựa.


+ Chiều sâu tính từ mặt đất. Giữa tần suất xuất hiện của các
vụ “nổ đá’’ và chiều sâu khai thác có mối quan hệ tuyến tính với đặc tính dương
(+) thể hiện rất chặt chẽ.
+ Chiều dày khấu. Sự gia tăng chiều dày khấu trong phần lớn
các trường hợp sẽ kéo theo sự tăng tiến tần suất xuất hiện của các vụ “nổ đá’’.
+ Tốc độ chuvển dịch gương lò chợ. Giá trị dịch chuyển của
gương lò chợ hàng ngày trên một khoảng cách lớn hơn rất nhiều so với chiều
dày khấu. Điều này sẽ dẫn đến những hậu quả không tốt do sự mất mát của đặc
tính chậm phát triển của vùng phá huỷ. Sự dịch chuyển của gương lò chợ với tốc
độ lớn hơn 5 m/tháng (khi vùng áp lực tựa có các kích thước nhỏ) và với tốc độ
10m/tháng (trong trường hợp các kích thước lớn của vùng áp lực tựa) sẽ kéo
theo sự gia tăng đáng kể tần suất xuất hiện của các vụ nổ đá.

+ Những phá hủy địa chất. Tần suất xuất hiện của hiện tượng
“nổ đá” khi tuyến lò chợ đi qua các phá hủy địa chất lớn hơn rất nhiều so với
trường hợp khi các công tác khai thác rời xa dần khỏi các cấu trúc địa chất đó.
Cho đến năm 1960 các nhà địa cơ học vẫn cho rằng, tần suất xuất
hiện của các vụ “nổ đá” được xác định bằng các tính chất của đá như độ bền và
độ giòn cao. Tuy nhiên, sau đó các nhà địa cơ học đã nhận ra rằng, dạng phá huỷ
tương ứng không chỉ là tính chất đặc trưng cho riêng đá mà còn phụ thuộc vào tổ
hợp nhất định của các tính chất mẫu khảo sát (ví dụ độ cứng) và của máy nén.
Ngay cả các loại đá có giá trị môdun đàn hồi thấp cũng có thể bị
phá huỷ ngay tức thì. nếu máy nén (thiết bị thử nghiệm) tương đối "mềm”.
Ngược lại, các loại đá gọi là cứng, trong trường hợp các mẫu của chúng được
nén trong các máy nén rất “cứng”, có thể sẽ bị phá huỷ một cách từ từ và tại đây
không có hiệu ứng phá huỷ đột ngột. Ngoài ra, các số liệu kiểm tra địa chấn của
các vụ “nổ đá" đã chứng minh rằng, mặc dù tất cả các vụ “nổ đá" sẽ kéo theo
những hiệu ứng địa chấn nhưng không phải tất cả các sự kiện địa chấn đó đểu là
các vụ “nổ đá". Trên thực tế, chỉ có một phần nhỏ các sự kiện địa chấn gây ra
những ảnh hưởng xấu (ảnh hường mang tính phá hoại) đến các công trình ngầm.
Như vậy, chỉ có một số ít hiện tượng phá huỷ động học mỏ thể hiện
dưới dạng các vụ “nổ đá’’. Trong khi đó, cùng với sự gia tăng tần suất xuất hiện
của các sự kiện địa chấn thì tỷ lệ số lượng vụ “nổ đá" trong chúng cũng sẽ tăng
theo.


McGarr A. đã kết luận rằng, khổng tổn tại nhưng khác biệt cơ bản
giữa các vụ động đất thông thường với các hiện tượng địa chấn có nguổn gốc từ
việc thực hiện các cồng tác khai thác mỏ. Gay N. G.. Spencer D., Van Wyk J. J,
Van Der Hecver P. K. đã chứng minh rằng, tại đây vai trò quan trọng nhất thuộc
về các lực kiến tạo, còn các công tác khai đào trong nhiều trường hợp chỉ đóng
vai trò như là “cái lẫy cò súng'’ (vai trò của công tác khởi động, mào đầu, kích
nổ).

Những quan sát được một số các nhà địa cơ học thực hiện tại Hoa
Kỳ (ví dụ như trong công trình của Holland C. T. và Thomas E.) đã chỉ ra rằng,
những điều kiện mỏ-địa chất sau đây sẽ tạo nên hoàn cảnh thúc đẩy sự xuất hiện
của các vụ ‘‘nổ đá’’tại các mỏ than:
+ Chiểu dày lớp đất đá nằm phía trên các vỉa than lớn hơn
165m.
+ Sự tổn tại của khối đá cát kết hình thành vách trực liếp tại
các vỉa than.
+ Sự tổn tại của lớp đá nển cực kỳ rắn chắc lại các vỉa than
gây nên những cản trở cho quá trình phát triển hiện tượng bùng nén.
+ Sự tổn tại các phá huỷ địa chất dưới dạng đứt gãy (khi tồn
tại đổng thời các điều kiện đã nêu trên đây) sẽ dẫn đến sự gia tăng tần suất của
các vụ “nổ đá”.
Phương tiện hiệu quả chống lại hiện tượng “nổ đá” tại các mỏ khai
thác bạc-chỉ có nguy hiểm về “nổ đá” thuộc bang Idaho chính là giải pháp nổ
mìn giảm tải (theo Board M.P. Fairhurst C. Jenkis F. MM Dorman K. R.). Kết
quả của các vụ nổ min giảm tải sẽ tạo nên một khu vực phá huỷ “yên tĩnh” tại
vùng nóc vỉa. Tại một số mỏ khai thác quặng, người ta khai thác các mạch
quặng nghiêng có chiều dày lên tới 6m đến độ sâu lớn hơn 2.500 m. Tại đây,
người ta đã để lại các trụ bảo vệ trong quá trình khai thác các mạch quặng này
thông qua hệ thống khai thác khấu hướng từ dưới lên trên với quy trình công
nghệ chèn lấp đầy khoảng không gian khai thác vào giữa các lò chợ (buồng
khấu) có chiếu dài bằng 61m. Khi chiểu cao của trụ bảo vệ này đạt tới giá trị từ
18 - 20 m, thông thường sẽ xảy ra các vụ “nổ đá” với tâm điểm tại trụ bảo vệ
hay trong vùng khối đá gần nó. Các nhà địa cơ học đã xác nhận các vụ “nổ đá”


với biên độ không nhỏ hơn 2 theo thang Richte.Trong thờỉ gian xảy ra các vụ
“nổ đá’’thường đã gây ra sự chuyển dịch của hơn 1000 tấn đất đá.
VI.

Quy luật cân bằng năng lượng và hiện tượng “nổ đá” :

Khai thác khoáng sản có ích là một quá trình động học. Do đó, đầu
tiên nên nghiên cứu quá trình phân bố lại nâng lượng trong khối đá do kết quả
của sự thay đổi các đặc tính hình học của không gian khai thác và sau đó liên kết
tất cả các vấn đề trên với hiện tượng “nổ đá”. Ortlepp W. D. và Salamon M.D.G.
đã phân tích cẩn thận vấn đề này và công bố những kết quả nghiên cứu liên quan
đến chúng.
Các nhà địa cơ học đã xem xét một vùng thể tích khối đá nào đó,
trong đó tồn tại các công trình ngầm với những kích thước ban đẩu và sau đó
tiến hành thay đổi kích thước của chúng. Trước thời điểm hình thành khoảng
trống, một ứng suất đã tồn tại và tác dụng trong thể tích khối đá sẽ được khấu.
Giá trị ứng suất này cân bằng với áp lực tác dụng của các lớp đất đá phía trên.
Sau khi khấu, các ứng suấi tại biên nóc và nền công trình ngầm sẽ
biến mất (hiện tượng “cất tải”; “dỡ tải”). Khi đó sẽ xảy ra quá trình “dỡ tải đàn
hổi”. Quá trình này sẽ sinh ra những chuyển dịch (hiện tượng cong, võng) của
nóc và nền công trình ngẩm tương ứng các giá trị Vh và Vj. Như vậy, thể tích
của không gian ngầm sẽ bị giảm xuống. Giá trị giảm thể tích Vc này gọi là đại
lượng co ngót thể tích của đường lò. Kết quả, quá trình này sẽ làm co ngót mặt
cắt ngang của công trình ngầm.
Trong khi đó, trên thực tế tồn tại một yếu tố rất quan trọng làm cản
trở sự chuyển dịch của nóc và nền công trình ngầm: tại thời điểm trước và sau
khi khai thác khoáng sản, tổng giá trị ứng suất trong mặt phẳng thuộc mặt cắt
ngang công trình ngầm luôn luôn phải cân bằng với giá trị áp lực của trọng
lượng lớp đá nằm phía trên.
Từ đây, sau khi thực hiện đào phá mỗi mét vuông mặt cắt ngang
công trình ngầm, các đại lượng ứng suất xung quanh công trình ngầm cần phải
được gia tăng lên so với các giá trị ứng suất tương ứng trong khối đá nguyên
sinh thêm một giá trị chuẩn xác nào đó để có thể cân bằng với giá trị áp lực lớp

đá phía trên khi chúng không còn được chống đỡ bằng khối đất đá tại phần mặt


cắt ngang này. Sự tác động của ứng suất “cảm ứng’’này sẽ xuất hiện trong quá
trình nén ép mặt nền vỉa gần công trình ngầm xuống phía dưới. Trong khi đó, sự
hình thành công trình ngầm không làm thay đổi thế năng của nền đá có nguổn
gốc từ các lực trọng trường.
Ngoài ra, tuỳ theo mức độ lún cùa nền lò thì nóc của công trình
ngầm cũng bị chuyển dịch xuống phía dưới. Như vậy, đất đá nóc lò sẽ phải dịch
chuyển xuống phía dưới đến một giá trị bằng tổng giá trị uốn đàn hổi Vh và giá
trị lún Vg của nền. Do giá trị cuối này bằng giá trị dịch chuyển của nền lò Vf,
cho nên giá trị tổng chuyển dịch của biên nóc lò sẽ đạt tới giá tộ bằng “tổng độ
co ngót thể tích” trong giới hạn của mặt cắt ngang công trình ngẩm Vc. Kết quả
của các dịch chuyển này sẽ dẫn đến việc thế năng của khối đá W, (xuất hiện do
các lực trọng trường) sẽ giảm xuống một giá trị xác định bằng tích của giá trị co
ngót thể tích Vc và ứng suất pháp 0 tác dụng trong mặt cắt ngang công trình
ngầm tại thời điểm trước khi hình thành chúng.
Salamon M. D. G. và Wagner H. đã xem xét sự cân bằng thế năng
trong quá trình gia tăng tuần tự kích thước của công trình ngầm. Nếu độ bền đá
mỏ lớn đến mức có thể tránh được hiện tượng phá hủy chúng thì sự thay đổi thế
năng trong quá trình chuyển dịch gương lò sẽ xác định nguồn (giá trị) năng
lượng hoàn toàn phải sửdụngđể gia tăng giá trị dự trữ thế năng cho khối đá bao
quanh gương lò đang chuyển dịch và gia tăng sự biến dạng của kết cấu chống
giữ (Ws).
Ngoài ra, kết quả mỗi bước chuyển dịch của gương lò sẽ bóc đi một
thể tích đá nhất định và khối đá sẽmất đi một lượng năng lượng Um đã “dự trữ”
trong thể tích đó. Bằng phương pháp lập luận như vậy, giá trị của năng lượng
toàn phần mà khối đá có thể “chuyển giao được” sẽ bằng :
Um + Wt
Trong quá trình công trình ngầm phát triến, khối đá xung quanh nó

sẽ bị biến dạng và khi đó sẽ phải hoàn thành một khối lượng công việc nhất
định. Phẩn năng lượng toàn phần (không lớn hơn 50%) sẽ được tích tụ dưới
dạng năng lượng biến dạng xuất hiện do sự tập trung ứng suất xung quanh công
trình ngẩm. Một phần khác của lượng năng lượng này sẽ bị phân tán dưới dạng
này hay dạng khác. Phần năng lượng bị phân tán Wr thường được gọi là phần
năng lượng được giải phóng. Giá trị năng lượng toàn phần (Wt+Um) phải bằng


tổng năng lượng tích tụ Uc và nâng lượng được giải phóng Wr, nghĩa là:
Uc + Wr = Um + Wt
Sự gia tăng khoảng không khai thác được thực hiện bằng những
bước tiến nhỏ trong phần lớn các hộ thống khai thác đã xem xét. Do đó, tất cả
các gia số có thể được ký hiệu thông qua ∆. Tương tự, nếu các bước gia tăng
kích thước của công trình ngầm nhỏ thì ∆Wk = 0 và từ đây các nhà địa cơ học
nhận được:
∆ Wr = (∆ Um + ∆ Ws).
Sau khi lắp phương trình ∆ Wr vào công thức Wr, các nhà địa cơ
học nhận được :
∆ Wt = (∆ Uc + ∆ Ws).
Bằng phương pháp như vậy, luồng năng lượng sinh ra từ sự thay
đổi thế năng của khối đá sẽ hoàn toàn được sử dụng để làm biến dạng khối đá và
kết cấu chống giữ. Từ đây, nếu không xảy ra sự phá huỷ của khối đá thì sự gia
tăng khoảng không gian khai thác bằng các bước nhỏ sẽ thể hiện dưới dạng một
quá trình ổn định giả định và sẽ không dẫn đến sự giải phóng năng lượng địa
chấn bất kỳ (theo OrtleppW. D.). Do đó, các hiện tượng địa chấn có khả năng
kéo theo các vụ “nổ đá" sẽ có thể chỉ xuất hiện khi xảy ra hiện tượng mất độ ổn
định tại các mặt yếu cấu trúc hay do các phá huỷ công nghệ khối đá (theo
Spottiswood S.M.McGarr A.).
Sự thay đổi năng lượng biến dạng ∆ Um sẽ làm xuất hiện một phần
năng lượng giải phóng DWr đồng thời cùng với ∆ Ws. Điều này có thể được

xem như là thước đo (mức độ) tập trung ứng suất hình thành tại phần tương ứng
của gương lò trong trường hợp không có hiện tượng phá huỷ đá.
Do trên thực tế,các phá huỷ này có xảy ra, cho nên sư tâp trung ứng
suất đó không thể thực hiện được một cách triệt để. Tuy nhiên, đại tượng ∆ Um
(tính cho một đơn vị diện tích khấu) có thể đươc tiếp nhận như một đơn vị đo
hiệu quả cho trạng thái vùng gương lò và sự thay đổi trạng thái ứng suất trong
quá trình chuyển dịch gương lò. Đại lượng ∆ Um liên quan trực tiếp đến xác
suất của các vụ “nổ đá” và các hiện lượng địa chấn. Trong khi giá trị tỷ sổ của
nó trên một đơn vị diện tích sẽ xác định luồng năng lượng được giải phóng. Giá


trị của luồng năng lượng này có thể tính được trên máy tính điện tử thông qua
một phần mềm chuyên dụng (theo Budavari S.).
Các tính toán trên đây thực hiện nhầm mục đích thiết lập các
phương pháp hạn chế đến mức độ tối đa luồng năng lượng được giải phóng tới
các giá trị nhò hơn 30 MJ/m2 trong các khối đá bị phá huỷ địa chất. Còn trong
các khối đá không có những phá huỷ địa chất thì các vụ “nổ đá” có thể xuất hiện
khi các luồng năng lượng bằng 15 MJ/m2.
Các nhà địa cơ học cho rằng, trong trường hợp phá nổ, các cục đá
chuyển dịch tức thì sẽ bị dỡ tải do đó, trong chúng sẽ bị mất một lượng năng
lượng ∆ Um đã được tích luỹ. Nếu công tác đào phá được thực hiện bằng các
phương tiện cơ giới, nhờ lực ma sát giữa đất đá và bộ phận cắt phá đá của thiết
bị máy mỏ thì một phần ∆ Um sẽ bị chuyển thành nhiệt năng. Có thể giả định
rằng, tại những độ sâu lớn, một phần lớn ∆ Um sẽ bị tiêu phí cho việc phá huỷ
một thể tích đá nhất định phía trước gương đào.
Tuỳ theo mức độ phát triển của các công tác khai thác sau mỗi bước
chuyển dịch của gương lò chợ, năng lượng khối đá đã tích luỹ xung quanh
gương đào sẽ gia tăng thêm một giá trị nâng lượng bằng ∆ Ut. Năng lượng biến
dạng toàn phần Uc hình thành tại thời điểm bắt đầu các công tác khai đào sẽ là
thước đo so sánh cho giá trị năng lượng tích lũy trong khối đá đo kết quả đào

phá. Cùng với năng lượng có nguồn gốc từ các lực kiến tạo, năng lượng này sẽ
bị giải phóng một phần tại những thời điểm ban đầu của hiện tượng động đất.
Thước đo này cho phép so sánh các sơ đồ bố trí công trình ngầm khác nhau.
Tổng sự thay đổi thế năng Wt do kết quả khai thác vỉa thoải hay vỉa gần thoải có
thế xác định theo công thức sau đây:
Wt = σo + Vc
Tại đây:
+ σo - Giá trị ứng suất tác dụng theo phương thẳng đứng
trong khối đá nguyên sinh tại độ sâu tương ứng;
+ Vc - Độ co ngót thể tích đàn hối cùa công trình ngầm.
Theo nguyên tắc, tất cả các chỉ tiêu năng lượng trong quá trình biến
đổi trên đây sẽ giảm xuống khi giảm Wt . Điều này có thể đạt được chỉ bằng sự


hạn chế của sự co ngót của thế tích Vc . Như vậy, sự co ngót thể tích có thể đạt
được bằng các phương pháp sau đây:
+ Bằng sự hạn chế của chiều dày khấu;
+ Bằng phương pháp chèn lấp khoảng không gian khai thác
bằng các loại đá rỗng;
+ Bằng phương pháp khấu không hết (có để lại các trụ bảo
vệ).
VII. Cơ chế của hiện tượng nổ đá :
Các nguổn năng lượng địa chấn chủ yếu gây nên hiện tượng “nổ
đá” cổ thể là :
+ Sự thay đổi của trạng thái ứng suất do kết quả của công tác
khai đào;
+ Những hiện tượng trượt, dịch chuyển đá dọc theo các phá
huỷ địa chất có dạng sụt. Trong một số trường hợp, ngay cả những chuyển dịch
không đáng kể của gương lò chợ cũng có thể kéo theo hiện tượng giải phóng đột
ngột một lượng năng lượng lớn.

Để các hiện tượng động học áp lực mỏ xuất hiện cần phải có một
loạt các điều kiện cụ thể sau đây (theo Salamon M. D. G.):
+ Vùng khối đá phải ở trạng thái giới hạn cân bằng không ổn
định;
+ Trong vùng xem xét cần phải có sự tác dụng của các ứng
suất nhất định được hình thành do các công tác khai đào mỏ. Ngoài ra, bất kỳ sự
biến đổi nhỏ nào của các ứng suất này cũng có thể sẽ là giá trị đủ lớn để phá vỡ
trạng thái cân bằng;
+ Để kích động quá trình lan truyền các sóng địa chấn, cần
phải có những “cú hích” đột biến của ứng suất với biên độ cực lớn;
+ Để hình thành ổ động năng hay địa chấn nâng cần làm cho
xung quanh vùng cân bằng khổng ổn định trong khối đá phải tích luỹ một lượng


năng lượng đủ lớn. Nguồn gốc cùa năng lượng này được hình thành bằng tổ hợp
các lực kiến tạo, các lực trọng trường và các ứng suât công nghệ.


HIỆN TƯỢNG NÉN ÉP VÀ BIẾN DẠNG MẠNH
ĐỐI VỚI ĐÁ MỀM
I.

Đặt vấn đề.

Ở nước ta, các hiện tượng bùng nền, sập lò, nén bẹp lò đã từng xảy
ra khá nhiều ở các mỏ Mạo Khê, Hà Lầm và đang là vấn đề bức xúc tại giếng
nghiêng chính và gần như toàn bộ các các đường lò xung quanh khu vực sân ga
mức -300 mỏ than Khe Chàm III của Công ty than Khe Chàm. Trên cơ sở khảo
sát hiện trạng khối đá xung quanh một số đường lò tại Mạo Khê và Khe Chàm…
cho thấy, đa phần các đường lò này được bố trí trong các khối đá mềm yếu, nứt

nẻ mạnh, thậm chí bị vò nhàu, có khả năng chịu tải thấp. Mặt khác các loại đá cơ
bản tại đây lại chứa các khoáng vật sét, với đặc tính là khi gặp nước vừa bị
trương nở, vừa bị phá hủy vỡ vụn. Ngoài ra, những biến động trong không gian
của các điều kiện địa chất là rất khó dự báo trước được với các phương tiện,
trang bị kỹ thuật hiện có của các mỏ. Trong các tình huống như vậy, các đường
lò sau khi đào được chống giữ bằng các kết cấu chống như khung thép lòng
máng linh hoạt kích thước, thường bị nén bẹp sau khoảng thời gian nhất định.
Các giải pháp chống xén, đổ bê tông hiện tại đều không hữu hiệu vì các kết cấu
chống này chưa phù hợp cho điều kiện địa cơ học này. Khoan phun nhằm gia cố
khối đá, liên kết các phần tử rời rạc lại với nhau trong trường hợp này cũng
không phải giải pháp thích hợp vì các đá chứa sét mặc dù bị nén ép, phá hủy
nhưng độ thẩm thấu rất thấp không cho phép triển khai giải pháp khoan phun.
Để có thể chống giữ các loại đường lò, trước một dạng “tai biến địa
chất“ đặc biệt này cần thiết phải hiểu rõ được bản chất các quá trình và hiện
tượng biến đổi cơ học, vật lý xảy ra trong khối đá sau khi đào, đồng thời kết hợp
phân tích các loại tính năng của các kết cấu chống để có thể lựa chọn các loại tổ
hợp kết cấu chống khả dĩ. Việc thiết kế cụ thể các loại tổ hợp kết cấu chống đòi
hỏi phải có nghiên cứu thận trọng các yếu tố liên quan và mức độ gây tác động
cụ thể. Trên cơ sở các số liệu nghiên cứu, thăm dò và quan trắc cơ bản tại các
đường lò, sau đây sẽ phân tích, kiến nghị các dạng kết cấu chống cho các đường
lò khi gặp các tai biến địa chất ở dạng đặc biệt này.


II.

Khái niệm khối đá mềm yếu và khối đá bị nén ép mạnh.

Theo phân loại của hội cơ học đá thế giới và Johnston đá mềm yếu
(soft rock) là các loại đá có độ bền nén đơn trục của mẫu đá liền khối nằm trong
khoảng 0,5 đến 25MPa. Nhóm này bao gồm các loại đá đặc biệt yếu (extremely

weak rock), rất yếu (very weak rock) và yếu (weak rock). Đặc tính kỹ thuật của
các loại đá này đã được chú ý nghiên cứu nhiều và cho thấy, bao gồm khả năng
vỡ vụn (slaking), trương nở (swelling), chịu nén, các tính chất cơ học phụ thuộc
vào thời gian, biến đổi thể tích…Các đường lò, đường hầm được xây dựng trong
các loại khối đá này cho thấy các biểu hiện phá hủy và dịch chuyển biến đổi theo
thời gian sau khi đào. Do vậy áp lực và tải trong tác dụng lên kết cấu chống
cũng phát triển theo thời gian.
Khối đá được coi là nén ép mạnh (squeering rock) là những khối đá
với biểu hiện dịch chuyển có xu hướng thu nhỏ, thậm chí khép kín khoảng trống
ngầm sau khi đào. Sự thu nhỏ dần của khoảng trống sau khi đào thường được
đánh giá bởi độ hội tụ (convergence). Trong trường hợp này, để hạn chế sự thu
nhỏ của khoảng trống sau khi đào, các kết cấu chống cần có chức năng hạn chế
hội tụ. Khối đá với dịch chuyển vào khoảng chống bị hạn chế hay ngăn cản sẽ
gây áp lực lên kết cấu chống và ngược lại kết cấu chống gây phản lực vào khối
đá (support pressure). Áp lực hình thành trong trường hợp này thường được gọi
là áp lực thực sự. Các quá trình dịch chuyển, biến dạng xảy ra trong khối đá sau
khi đào có thể là các quá trình không dừng hoặc quá trình dừng, tùy thuộc vào
các đặc điểm cơ học của khối đá. Theo phân loại khối đá của Áo (ÖNORM
B2203, 1994), có chú ý đến phân loại của Bieniawski khối đá bị nén ép mạnh có
chỉ số RMR <20.
Mặc dù có chỉ số RMR thấp, song tùy thuộc vào điều kiện địa chất
cụ thể, khối đá bị nén ép mạnh có thể không bị “phá hủy“ sau khi đào, nhưng
khoảng trống sẽ thu nhỏ dần khi không có kết cấu chống. Hiện tượng này có thể
minh họa bằng dịch chuyển của khối đá ứng với các mô hình đàn hồi-nhớt
MAXWELL (quá trình biến dạng không dừng) hoặc KELVIN (quá trình biến
đổi dừng).
Với những đặc điểm nêu trên về khối đá mềm yếu và khối đá bị nén
ép mạnh, kết hợp với các hiện tượng xảy ra xung quanh các đường lò đã khảo

sát sơ bộ có thể khẳng định rằng các đường lò đó nằm trong các khối đá vừa
mềm yếu, vừa bị nén ép mạnh. Đây là những trường hợp phức tạp mà các quá
trình biến đổi cơ học chỉ chó thể mô phỏng bằng các mô hình lưu biến giảm bền:
khả năng mang tải giảm khi dịch chuyển biến dạng tăng và phụ thuộc vào thời
gian.

III.

Vấn đề lựa chọn và thiết kế kết cấu chống.

Kết cấu chống cho trường hợp này có nhiệm vụ hạn chế, thậm chí
ngăn chặn dịch chuyển từ khối đá về phía khoảng trống sau khi đào, mặt khác
phải ngăn chặn các hiện tượng sập, trượt và đẩy trồi từ phía nền của phần đất đá
bị giảm bền, phá hủy quanh đường lò.
Thông thường, để ngăn chặn hoặc hạn chế dịch chuyển, các kết
chống được lựa chọn và thiết kế thường dựa trên hai nguyên lý là “chống giữ“
và ’’né tránh“. Theo nguyên lí chống giữ, kết cấu chống được sử dụng là các kết
cấu chống cứng và chúng được thiết kế theo cường độ của áp lực đất đá. Tuy
nhiên, trong trường hợp cường độ áp lực đất đá lớn, biện pháp này không khả
thi. Nguyên lí „né tránh“ được hình thành trên cơ sở hiện tượng quan trắc được
cũng như các đường đặc tính của khốiđá là dịch chuyển cho phép của biên
đường hầm, đường lò càng lớn thì áp lực tác dụng lên kết cấu chống càng nhỏ.
Với kết cấu chống linh hoạt kích thước cho phép hạn chế phần nào
dịch chuyển hay độ hội tụ, nhờ đó áp lực được giảm đến mức kết cấu chống có
thể tiếp nhận được. Hiệu ứng làm giảm áp lực cũng như tải trọng đất đá lên kết
cấu chống đã được biết đến trong các giải pháp kỹ thuật từ ngay đầu thế kỷ 20
(Hình 1). Kết cấu chống thép linh hoạt của Hãng Toussaint-Heintzmann ra đời
năm 1932 đánh dấu một tiến bộ mới của khung chống bằng thép.

Hình 1.
a - Chèn gỗ giữa khối đá và khung thép lòng mo;
b - vỏ bê tông cài đệm gỗ
Đương nhiên sự ổn định của đường lò, đường hầm sẽ đảm bảo, khi thiết kế đào
rộng thêm ban đầu hợp lý, thiết kế được chi tiết các kết cấu phù hợp và xác định
thời gian lắp dựng thích hợp.
Ngày nay, các kết cấu chống khác nhau với tính năng linh hoạt kích
thước được phát triển đa dạng, song có thể xếp vào 2 nhóm cơ bản, với các đặc
điểm được minh họa như trên hình 2.