THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN THAN - ĐÁ VÀ BIỆN PHÁP
KIỂM SOÁT GƯƠNG HẠ TRẦN THAN NÓC



Song Xuanmin, Jin Zhongming, Wei Jinping
Đại học Công nghệ Taiyuan
Qian Minggao
Đại học Công nghệ Khai thác Mỏ Trung Quốc


1. Mối liên hệ giữa đất đá xung quanh và
trạng thái địa tầng tại gương
Kết quả khảo sát và quan trắc tại 29 gương
khai thác bằng phương pháp hạ trần than nóc
tại Trung Quốc cho thấy các đối tượng vỉa tiến
hành nghiên cứu bao gồm các vỉa dốc thoải, dốc
và dốc đứng, than từ mềm, trung bình đến cứng.
Đặc điểm cơ bản về trạng thái địa tầng và đất
đá xung quanh tại các khu vực vỉa như sau:
1. Tải trọng chống thấp, khoảng 2000kN/cột
chống và 3000-3700 kN/cột chống đối với vỉa
cứng (hình 1)
2. Độ bền chống các cột chống phía trước
lớn hơn các cột chống phía sau (dàn chống loại
bốn cột) và hệ số tải trọng động nhỏ, trung bình
khoảng 1,3.
3. Trong quá trình hoạt động, nhìn chung, tồn
tại hiện tượng cột chống giảm tải, và có thể tới

trên 12%.
4. Mối liên hệ giữa tải trọng chống ban đầu
và tải trọng công tác của cột chống là một hàm
tuyến tính, cụ thể là P = 125 + 1,276 P0 (hình 1).
Nhưng đối với gương cơ giới hóa thơng thường
thì là một hàm logarit, cụ thể là P = A + BlgP0.
Điều này cho thấy việc tốc độ gia tăng của tải
trọng chống làm việc tại gương hạ trần than
không cao và tải trọng chống ban đầu của cột

chống hiển nhiên sẽ thấp hơn;
5. Ngoài ra, vẫn tồn tại một tải trọng va đập
nhỏ tại gương hạ trần than có vách cứng, các
cột chống gương hạ trần có vách khác chủ yếu
mang tải trọng tĩnh, xấp xỉ tải trọng của địa tầng
phía trên, khơng q 2 lần chiều cao khai thác.
Nếu tăng chiều cao khai thác, hệ số giãn nở của
đất đá sau khi phá hỏa tăng lên, gần 1,4 - 1,5.
6. Có hai dạng cơ chế hạ trần và thu hồi
than nóc cơ bản, loại thứ nhất là hạ trần dầm
cơngxon dạng bậc và thu hồi hình phễu, loại thứ
hai là hạ trần nửa vòm và thu hồi dạng vịm. Vì
góc gẫy của trần than lớn hơn 700- 800, nên gối
tựa dàn chống và chân vịm phía sau là khu vực
đã khai thác (hình 2 và 3).
2. Nghiên cứu kết cấu vách dựa trên mơ
hình tương đương
Dựa trên các kết quả thử nghiệm 7 mơ hình
tương đương tại 5 mỏ, người ta đã phân loại 4
dạng kết cấu vách khác nhau là:

1. Kết cấu nửa vòm “dầm khối gạch”
Khi vách trực tiếp tương đối dày, bị phá hủy
sau khi than nóc được thu hồi. Vì khơng gian
cịn lại trong vùng đã khai thác nhỏ hơn chiều
dày phá hỏa của vách chính 1 lần, nên có thể
hình thành kết cấu cân bằng khớp của “dầm
khối gạch”, như kết cấu vách của gương số

Hình 1. Mối liên hệ giữa độ bền chống ban đầu và
độ bền chống làm việc

Hình 2. Kết cấu hạ trần thu hồi than
tại mỏ Wangzhuang

KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU

47


THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ

Hình 3. Kết cấu hạ trần thu hồi than
tại mỏ Wangzhuang

Hình 5. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ
Wangzhuang

Hình 4. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Gushuyuan

Hình 6. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ

Xinzhuoyao
Khi vách dày và mềm, nó nhanh chóng bị phá
hủy sau khi than nóc bị thu hồi. Do những biến
dạng, sụt lún và đứt gãy của than nóc ở phía
trước, trên vách có thể xuất hiện các vết nứt và
đứt gãy. Với kiểu thu hồi than nóc dạng vịm,
cũng có thể hình thành kết cấu vịm cân bằng,
chân vịm phía trước nằm phía trong gương,
chân vịm phía sau là khu vực đã khai thác, như
kết cấu vách của gương số 110 tại mỏ Weijiadi
(Trung Quốc) (hình 7).
3. Mơ hình cấu trúc kết hợp than đá tại
gương hạ trần than
1. Kết cấu kết hợp “vòm-vòm”
Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vịm, thu hồi
vịm than nóc và kết cấu vịm áp lực nóc, (hình
8). Khi than nóc có độ cứng trung bình hoặc
thấp, nóc mềm và dầy, giai đoạn trước biến
dạng và đứt gẫy xuất hiện thêm nhiều vết nứt
và hình thành kết cấu vịm cân bằng áp lực lên
trên than nóc. Dựa trên quy luật vịm cân bằng
tự nhiên, độ cao và chiều rộng vịm trên nóc thể
hiện trong hệ thức sau:
H = (b + M . ctga) /2 . tgφ (1)
Trong đó, H – Chiều cao vịm;
M - Chiều rộng vòm;
b- Khoảng cách giữa gương và mặt

13306 tại mỏ Gushuyuan (Trung Quốc) (hình 4).
2. Kết cấu “dầm đá dịch chuyển ” như cầu

vòm
Nếu vách trực tiếp tương đối mỏng và vách
cơ bản dày, thì vách trực tiếp bị phá hỏa sau khi
thu hồi than nóc. Vì khơng gian còn lại của khu
vực đã khai thác lớn hơn chiều cao phá hỏa của
vách cơ bản 1 lần, nên rất khó nhận biết được
trạng thái cân bằng khớp nối khi vách cơ bản bị
phá hủy. Sau khi vách cơ bản bị phá hủy, tại các
vị trí phía trước, trên vách trực tiếp và đằng sau,
ở khu vực đã khai thác, dầm đá có khả năng
tiếp tục chịu tải trọng của lớp mềm phía trên,
như kết cấu vách của gương số 4309 tại mỏ
Wangzhuang (Trung Quốc) (hình 5).
3. Kết cấu “dầm cơngxon”
Khi khơng có vách trực tiếp hoặc vách rất
mỏng và cứng, thì khơng gian cịn lại ở khu vực
đã khai thác sau khi thu hồi than là rất lớn, hình
thành dầm côngxon tới 15-25m kể từ gương sẽ
đứt gẫy định kỳ, và khi nóc bị phá hỏa sẽ xuất
hiện một tải trọng va đập . Dầm nhô ra sau khi
phá hỏa khơng thể liên tục truyền tải trọng địa
tầng phía trên, như kết cấu vách của gương số
8911 tại mỏ Xinzhouyao (Trung Quốc) (hình 6).
4. Kết cấu vịm áp lực

48

KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU



THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ

Hình 7. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Weijiadi

bên bằn tải
a - Góc của than- đá, thường là 450-550;
φ – Góc ma sát trong của đá.
Tải trọng lên cột chống bằng tải trọng tổng
của than nóc và đá bị phá hủy trong vịm, là:
P = M2 γ 2 + H.γ (kN/m2) (2)
Trong đó, M2, γ 2 - Chiều dày than nóc và tỷ
trọng của nó;
H, γ - Chiều cao vịm và tỷ trọng nóc
Ví dụ như gương số 8316, H = 8,3 m và M2
= 2,4 m, như vậy P = 211kN/m2. Giá trị quan
trắc là 186kN/m2. Như vậy, kết quả tính tốn phù
hợp với kết quả quan trắc.
2. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch
Kết cấu gồm nửa vòm hạ trần than nóc, dạng
vịm hoặc thu hồi trượt và cân bằng của dầm
khối gạch trong vách cơ bản (hình 9).
Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn mức trung
bình, vách trực tiếp dày và vách cơ bản có thể
xem như kết cấu cân bằng của dầm khối gạch,
độ bền chống đáp ứng được điều kiện cân bằng
nửa vòm của dầm khối gạch và có khả năng
chịu được tải trọng của than nóc và vách trực
tiếp:
Pq = Q . [ 1 – L . tg(φ - q) /2 (H - S) ] /l (3)
(4)

S = M - M2 . (1- K2) . Kp’ - SH . (Kp - 1)
Trong đó, SH - Độ dày vách trực tiếp;
K2 - Tỷ lệ thu hồi than nóc;
Kp’ vµ Kp - Hệ số giãn nở của than nóc và
vách trực tiếp;
Q - Trọng lượng đá của vách chính và tải
trọng lên vách cơ bản;
l - Khoảng cách điều chỉnh của gương
L - Khoảng cách gia trọng định kỳ;
q - Góc cắt của vách cơ bản;
H - Vách cơ bản trong 1 lần chiều cao bị
phá hóa
S - Sụt lún tối đa do quay vách cơ bản gây ra.

Hình 8. Kết cấu kết hợp “vịm-vịm”

Hình 9. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch

Tải trọng lên cột chống có thể được tính bằng
cơng thức sau:
P= M2 . g 2 + Sh . g + q/l + Pq (5)
Trong đó, q – Tải trọng dầm cơngxon của
vách trực tiếp.
Ví dụ, ở gương số 2311 của mỏ Shigejie, tải
trọng của than nóc là 52 kN/m2, tải trọng của
vách trực tiếp là 240 kN/m2, chiều cao phá hỏa
của vách cơ bản là 3m và khu vực đã khai thác
là 1m, khi đó Pq = 72 kN/m2. Bằng tính tốn, P =
364 kN/m2. Cường độ chống trung bình đạt 383
kN/m2, như vậy, kết quả tính tốn phù hợp với

kết quả quan trắc.
3. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm
Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vịm than nóc,
thu hồi trượt hoặc dạng vòm và kết cấu “dầm
đá dịch chuyển” của vách cơ bản như cầu-vịm
(hình 10). Khi độ cứng của than nóc nhỏ hơn độ
cứng trung bình, vách trực tiếp mỏng, vách cơ
bản bị phá hủy theo lớp và khơng dễ dàng hình
thành kết cấu cân bằng có khớp do khu vực đã
khai thác lớn hơn độ dày phá hỏa của vách cơ
bản một lần, khi đó vách cơ bản có thể xem như
một kết cấu “dầm dịch chuyển” như cầu-vòm.
Tải trọng lên cột chống theo “dầm dịch chuyển”
là:
Pc = L . H . γ /2 . l
(6)

KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU

49


THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ

Hình 10. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vịm

Từ đó, tải trọng lên cột chống có thể được
tính bằng cơng thức
P = M2 . γ 2 + Sh. γ + L . H . γ / 2 . l
(7)

Tại gương số 4309 của mỏ Wangzhuang, tải
trọng của than nóc là 52 kN/ m2, tải trọng vách
trực tiếp là 175 kN/m2 và tải trọng lên cột chống
theo cầu trước của vách cơ bản là 146,5 kN/m2,
khi đó tải trọng chống theo tính tốn là 373,5 kN/
m2. Vì lực cản quan sát được là 359,3 kN/m2,
nên hai kết quả là phù hợp.
4. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch
dạng bước”
Đây là kết cấu mà than nóc và vách trực tiếp
được phá hỏa bằng dầm cơngxon dạng bước,
thu hồi than nóc dạng phễu và vách cơ bản hình
thành kết cấu “dầm khối gạch” (hình 11). Trong
điều kiện than nóc cứng, vách trực tiếp dày, phá
hỏa nhiều lần và chiều cao phá hỏa của vách cơ
bản lớn hơn 1 lần so với khoảng không cịn lại ở
khu vực đã khai thác, cột chống khơng chỉ chịu
tải trọng của than nóc và vách trực tiếp mà còn
chịu một lực để tạo sự cân bằng ở vách cơ bản.
Trong khi đó, tải trọng than nóc và vách trực tiếp
bao gồm tải trọng của phần dầm côngxon. Như
vậy, tải trọng của than nóc là:
PM = M2 . γ 2 + M22 . γ 2 .ctga/2 .l
(8)
Tải trọng của vách trực tiếp là:
Pz = Sh . γ + (Sh + 2M2). Sh . γ . ctga/2 . l(9)
Vì vậy, tải trọng lên cột chống có thể được
tính tốn bằng:
P = PM + Pz + Pq (10)
Trong đó, Pq là lực cân bằng dầm khối gạch,

giống như công thức (3)
Tại gương số 13306 của mỏ Gushuyuan,
tải trọng của than nóc là 48,4 kN/m2, tải trọng
của vách trực tiếp là 381,5 kN/m2, lực cân bằng
của dầm khối gạch là 42 kN/m2, khi đó tải trọng
chống là 472 kN/m2. Tải trọng quan sát 482,6

50

Hình 11. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch
dạng bước”

kN/m2 cho thấy cơ bản các điều kiện trên phù
hợp.
5. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon- dầm chìa
dạng bước”
Trong kết cấu này, than nóc và vách được
xem như dầm chìa dạng bước nghịch và vách
cơ bản là “dầm đá dầm chìa” (hình 12). Kết cấu
là dạng kết hợp than - đá trong điều kiện vỉa
cứng và vách cứng. Để tính tốn tải trọng va đập
khi vách cứng bị phá hủy, có thể thiết lập các mơ
hình cơ học bằng cách sử dụng cân bằng tạm
thời và lý thuyết điều khiển dầm côngxon phá
hủy. Nếu P’ là độ bền chống lên vách cơ bản khi
vách bị phá hủy, thì điểm tác động cách gương
1/3 khoảng cách. Q là lực bổ sung khi vách cơ
bản bị phá hủy, q là trọng lượng của mỗi mét
dầm côngxon.
Trên cơ sở lý thuyết đàn hồi, ứng suất nằm

ngang trong dầm côngxon là:
sx = - 6q . x2 . y/H3 + 4q . y3/H3 -3q . y/5 . H
Để duy trì độ ổn định vách trong phạm vi điều
khiển vách và nóc dầm cơngxon ở khu vực đã
khai thác, có thể phá hỏa chính xác ở vị trí cắt
nóc. Cần thiết để sx tại điểm B đạt tới độ bền kéo
khối đá st.
Giả sử x = L - L1/3, y = - H/2 và sx = st, khi đó
st = 3q (L - L1/3)2/H2 - q/5 (11)
’
P = q.L1/3 + q (L - L1/3) + Q, Q = 3q (L - L1/3)2 .
L1 – q . L1/6
Vì vậy, P ’= q . L1/6 + q (L - L1/3) + 3q (L L1/3)2 . L1
(12)
Từ cơng thức (11) có thể thu được phương
trình sau:
q (L - L1/3)2 = H2 (s t+ q/5)/3 và q (L - L1/3) =
2
H (st + q/5)/3 (L - L1/3)
Thay thế các thông số trên vào công thức
(12), khi đó:
P ’ = q . L1/6 + H2(L + L1/3) . (st + q/5)/2 L1 (L
- L1/3)
(13)

KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ


Tải trọng chống là:
(14)
P = Pn + Pz + P’/l
Trong đó, Pz, PM : Như trong công thức (8),
(9);
L: Khoảng cách gia trọng định kỳ; L = l + (M2
+ Sh) . ctga;
H: Độ cao phá hỏa một lần của vách cơ bản;
Sh: Chiều dày phần vách dưới đã xử lý sơ bộ
Tại gương số 8914 của mỏ Xinzhouyao, tải
trọng than núc là 84kN/m2 , tải trọng than núc
phần vỏch dưới đó xử lý sơ bộ là 190kN/m2 và
tải trọng va đập của dầm cụngxon tạo ra bởi cột
chống P’ là 546kN/m2, khi đú tải trọng chống là
P = 820kN/m2. Giỏ trị tớnh toỏn P tại gương là
6151kN/m2 và giỏ trị quan sỏt lờn tới 5885kN/
đơn vị. Vỡ vậy, về cơ bản, cả hai đều phự hợp.
6. So sánh giữa giá trị tính tốn của các mơ
hình cấu trúc hỗn hợp và mơ hình tải trọng đá
đơn giản hóa

Hình 12. Kết cấu kết hợp “dầm cơngxon- dầm chìa
dạng bước”

Theo quan sát tại hiện trường và kết quả
nghiên cứu mơ hình tương đương, thơng
thường, xuất hiện hiện tượng chia lớp giữa vách
thứ nhất và vách cơ bản tại khu vực điều khiển
vách trong khai thác hạ trần than. Vì lý do này,
cần xem xét ước tính tải trọng chống bằng cách

tính độ cao phá hỏa của địa tầng bao phủ sao
cho có thể hồn tồn lấp kín khu vực đã khai
thác. Cơng thức tính tốn là:
P = Kd . M . γ/(Kd - 1)
(15)
Trong đó, Kd: Hệ số trọng lượng, Kd = 1,3;
Kp: Hệ số trọng lượng giãn nở của đá vách,
Kp = 1,4
Các kết quả tính tốn theo cơng thức (15)
cho thấy thấy sai số trung bình khoảng 42,9%,
trong khi đó, theo 5 loại phương trình cơ học
kết cấu hỗn hợp kể trên thì sai số trung bình chỉ
bằng 9,8% . Như vậy, lý thuyết về kết cấu hỗn
hợp là hợp lý.
4. Kết luận
Sử dụng mơ hình cơ học của kết cấu hỗn
hợp than - đá trong gương hạ trần than nóc để
điều khiển nóc là khoa học và hợp lý. Áp dụng
các phương pháp điều khiển này trong quá trình
khai thác phá hỏa hạ trần than giúp đạt được
năng suất và hiệu quả cao./.
QUỐC TRUNG
(Nguồn: Proceedings of ’99 International
Workshop on Underground thick seam mining)

KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU

51