THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BÃI THẢI BỀ MẶT ĐẾN ĐỘ ỔN ĐỊNH
CỦA VỎ CHỐNG GIẾNG ĐỨNG TẠI CÁC MỎ LÒ VIỆT NAM
Đặng Văn Kiên, Võ Trọng Hùng, Đỗ Ngọc Anh
Bộ môn XDCTN&Mỏ, Khoa Xây dựng, Đại học Mỏ-Địa chất
Khuất Mạnh Thắng
Tập đồn Cơng nghiệp Than - Khống sản Việt Nam
Đỗ Thế Anh
Cơng ty cổ phần Fountech
Biên tập: TS. Nhữ Việt Tuấn
Tóm tắt:
Bài báo trình bày các kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng bãi thải đến độ ổn định của thành
giếng và vỏ chống giếng đứng. Kết quả nghiên cứu đạt được thông qua phương pháp phần tử hữu
hạn bằng phần mềm Abaqus và phương pháp giải tích. Các kết quả chính của nghiên cứu là cơ sở
để lựa chọn các giải pháp phù hợp về quy hoạch, thiết kế và thi công giếng mỏ nhằm giảm thiểu ảnh
hưởng cho vỏ chống giếng đứng của mỏ.
1. Đặt vấn đề
Giếng đứng là công trình mở vỉa có thời gian
tồn tại lớn (hàng chục năm trở lên) nên kết cấu
vỏ đòi hỏi độ bền lớn có tuổi thọ dài như bê
tơng liền khối hoặc bê tông cốt thép liền khối.
Kết cấu vỏ giếng chịu tác động của áp lực đất đá
xung quanh, nước ngầm cũng như ảnh hưởng
của các cơng trình bề mặt như đồn tàu, bãi
thải, nhà xưởng (Hình 1). Đất đá bãi thải vùng
than Quảng Ninh chủ yếu là các loại đá trầm
tích ở vách trụ các vỉa than đã nổ mìn, xúc bốc,
vận chuyển từ các moong khai thác đến bãi thải.
Thành phần đất đá chủ yếu bao gồm các loại
mảnh, cục đất đá vỡ vụ của cát kết, cuội kết,

bột kết, sét kết, sét than và đất phủ đệ tứ. Thành
phần cỡ hạt của đất đá cũng rất khác nhau, có
kích thước từ 0,1 mm đến 1000 mm như Bảng 1.
Đất đá kích thước nhỏ tập trung phía trên, do
đó động năng lớn hơn, đất đá có kích thước lớn
Bảng 1. Thành phần cỡ hạt và tỉ lệ trong
bãi thải
Thành phần cỡ
50 ÷ 80
hạt đất đá bãi
< 50 mm
mm
thải
Tỉ lệ %
10
80

đất đá
800
mm
10

lăn xa, phân bố phía chân bãi thải. Một số thông
số cơ lý của đất đá thải như trong Bảng 2
Với trường hợp giếng nằm dưới bãi thải bề
mặt, ngoài áp lực đất đá nằm ngang xung quanh
thành giếng, vỏ chống giếng đứng còn chịu thêm
áp lực của tự trọng bãi thải và các hoạt động
đổ thải gây ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của
thành giếng và vỏ chống cố định giếng đứng.

Trên thế giới, các kết quả nghiên cứu về ảnh
hưởng của bãi thải đến vỏ chống giếng đứng
là không nhiều. Đối với Việt Nam, sau rất nhiều
năm từ thời kỳ Pháp thuộc đến năm 2009, giếng
mỏ đầu tiên mới được xây dựng tại mỏ than Hà
Lầm, do vậy hầu như chưa có cơng trình khoa
học nào nghiên cứu theo hướng này trong khi
yêu cầu về an tồn ổn định cho vỏ chống giếng
đứng ln được đặt ra nhằm bảo đảm sự vận
hành bình thường của giếng trong suốt quá
trình khai thác.
2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên
cứu
2.1. Cơ sở lý thuyết
Do ảnh hưởng của bãi thải liền kề được đặt
trong khu vực lăng thể trượt làm tăng tải trọng bổ
sung của đất vào vỏ chống giếng đứng. Chiều

Bảng 2. Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh
Độ rỗng
η(%)

Tỉ trọng 𐑄 (T/m3)

Tỉ trọng bão
hịa 𝑦bh(T/m3)

Lực dính kết C
(T/m2)


Góc ma sát trong
𐐐 (0)

21

2,1

2,26

2,0

30

14

KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

cao tăng thêm do tải trọng Pm truyền vào đáy BC
được tính theo sơ đồ Hình 1 và theo cơng thức
(1) (Đỗ Thụy Đằng, 1997):

Ho =

Pm

γ .b0


(1)

Trong đó: p - áp lực ngang phân bố đều; R1,
R2 - Bán kính trong và ngồi của vỏ giếng; x Khoảng cách từ tâm giếng đến điểm đang xét
của vỏ chống.

Trong đó: H0 – chiều cao tăng thêm, m; Pm –
tải trọng trên 1m dài móng tác dụng vào chiều
rộng đáy b0, T;𝑦 - dung trọng của địa tầng, T/m3;
b0 – chiều rộng của bãi thải lân cận, m
Trong điều kiện như thế, tải trọng tác dụng

Hình 2. Sơ đồ phân bố các thành phần ứng suất
𐐞3 và 𐐞2 trong vỏ chống giếng đứng

Hình 1. Sơ đồ tính áp lực bên do ảnh hưởng của
bãi thải liền kề (ABAQUS User’s, 2011; Võ Trọng
Hùng, 2012)

vào thành giếng có thể được tính dễ dàng bằng
phương pháp tính tốn trong cơ học ổn định
khối đất, cường độ áp lực ngang do bãi thải tác
dụng vào điểm D được biểu thị bằng cơng thức
(2) (Phí Văn Lịch, 1977; Đỗ Thụy Đằng, 1997):
Pz = γ .H 0

b0
ϕ

tg  450 − 

a0 + b0 
2

(2)

Dưới tác dụng của áp lực ngang phân bố đều
P và trọng lượng bản thân của vỏ chống, ngoài
ra cịn có ảnh hưởng của các cơng trình trên bề
mặt đến vỏ chống xuất hiện trạng thái ứng suất
ba chiều: Ứng suất nén hướng tâm 𐐞3 (còn gọi
là ứng suất hướng kính); Ứng suất tiếp tuyến
𐐞2 (cịn gọi là ứng suất vồng theo chu vi), tác
dụng vng góc với ứng suất hướng tâm; Ứng
suất thẳng đứng 𐐞1 tác dụng song song với trục
giếng (Hình 2). Đây là một trường hợp của bài
toán Lamé đã giải từ năm 1852. Độ lớn của các
ứng suất trên được tính theo các cơng thức (4)
(Changsuo Zhang et al, 2005):


1 −

2
R .P 
1 +
σ2 = 2 2
R2 − R12 

R22 .P
σ1 = 2

R2 − R12
σ3 =

R22 .P
R22 − R12





2
R1 

x2 


R12
x2

2.2. Xây dựng và kiểm chứng mơ hình số
2.2.1. Xây dựng mơ hình số mơ phỏng ảnh
hưởng của bãi thải bề mặt giếng đến trạng thái
ứng suất và chuyển vị trong vỏ chống giếng
đứng
Để phân tích rõ hơn ảnh hưởng của bãi thải
bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng
đứng, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus.
Kết cấu của mơ hình số được xây dựng sử dụng
cho nghiên cứu chia thành các khối phần tử mơ

hình khác nhau với ba phần riêng biệt gồm khối
đất đá xung quanh vỏ giếng, vỏ giếng bằng bê
tông và bãi thải bề mặt (Hình 3). Kích thước mơ
hình được lấy theo kinh nghiệm lớn gấp 5 lần
chiều sâu giếng để mơ tả chính xác vùng ảnh
hưởng. Mơ hình đất đá có bề rộng tùy theo bán
kính và chiều sâu giếng đứng. Đất đá mơ phỏng
hình học với chiều dài x chiều rộng x chiều cao
là 200 x 200 x 120 m. Giếng có bán kính 2,7m
(tính cả phần diện tích đào, tác giả bỏ phần bê
tơng phun với mơ hình nghiên cứu đơn giản),

(3)
a. Khối đất đá xung
quanh thành giếng

b. Vỏ
giếng

c. Khối đất đá và bãi thải
hình chóp

Hình 3. Kết cấu mơ hình số

KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ

15


THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ


để xác định trọng lực, và ứng suất nguyên sinh
trong đất đá. Điều kiện biên mơ hình ở các cạnh
biên sử dụng gối cố định theo phương ngang (x,
y), biên bề mặt được giả thiết biến dạng tự do,
biên đáy mơ hình giả sử là cố định ngầm các
hướng(x, y, z) như hình 4.
2.2.4. Phần tử sử dụng cho mơ hình
Trong mơ hình khối đá được mô phỏng nhờ
phần tử dạng tứ diện tuyến tính, vỏ chống giếng
đứng được lựa chọn là phần tử vỏ tam giác với
đặc tính như Bảng 5:
2.2.5. Các trường hợp nghiên cứu
a. Kết quả mơ hình giếng đứng trong trường
hợp chưa có bãi thải
Khi chưa có bãi thải phía trên miệng giếng,
vỏ chống giếng đứng chỉ chịu ảnh hưởng của
áp lực đất đá xung quanh. Kết quả so sánh giữa
mơ hình số với kết quả tính tốn áp lực bên
thành giếng đạt được bằng phương pháp giải
tích tính tốn theo công thức (2) được thể hiện

với bề dày thành giếng không đổi. Vỏ chống bê
tông liền khối của giếng đứng được sơ bộ lựa
chọn dày 0,2m theo thiết kế của công ty than Hà
Lầm khi giếng đi qua vùng đất đá ổn định được
mô phỏng dạng vỏ (shell) với độ sâu là 83,3m.
2.2.2. Thơng số và mơ hình vật liệu
Mơ hình được khảo sát với 6 lớp đất đá nằm
ngang khác nhau có đặc tính cơ lý được thể

hiện trên Bảng 3. Mơ hình gồm 5 thơng số cơ
bản: module đàn hồi (E), hệ số Poison (⍴), lực
dính của đất C, góc ma sát trong (𐐐) và góc nở
của đất (∝). Vỏ chống giếng đứng là bê tông liền
khối M300 với các đặc tính cơ lý được thể hiện
trên Bảng 4. Do các lớp đất đá bề mặt thuộc
loại mềm yếu nên vật liệu làm việc tn theo mơ
hình phá hủy Mohr-Coulomb.
2.2.3. Tương tác và điều kiện biên của mơ
hình
Mơ hình tương tác đất đá-vỏ giếng được xác
định sử dụng bước nghiên cứu địa tĩnh ban đầu,

b. Liên kết giữa đấ đá và vỏ
c. Mơ hình bãi thải gần miệng
a. Điều kiện biến dạng ngầm
chống giếng đứng
giếng trên các lớp địa tầng
bao quanh mơ hình
Hình 4. Biểu diễn điều kiện biên mơ hình

Bảng 3. Chỉ tiêu cơ lý của đất đá đào qua
Các chỉ tiêu cơ lý
3
Loại đá
ρ (g/cm )
C (MPa)
𐐐 (độ)
E (GPa)
∝

Đá thải (Lớp đất đá 1)
2,1
0,02
30
3,0
0, 25
Bột kết (Lớp đất đá 2)
2,6
5,0
35
3,6
0, 213
Bột kết (Lớp đất đá 3)
2,6
16,9
36
5,0
0,206
Sét kết (Lớp đất đá 4)

2,6

2,9

31

2,4

0,24


Than (Lớp đất đá 5)
Bột kết (Lớp đất đá 6)

1,5
2,6

0,5
16,9

30
36

0,91
5,0

0,25
0,206

Bảng 4. Chỉ tiêu cơ lý bê tông thành giếng
Bê tông
M300

16

σc

σt

ρ


Các chỉ tiêu cơ lý

C

(MPa)

(MPa)

(g/cm3)

(MPa)

30

0,8

2,40

0,61

KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ

ϕ
(độ)
35

E

(GPa)


ν

K
(GPa)

G
(GPa)

30

0, 25

18,7

11.6


THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ

Bảng 5. Đặc tính các loại phần tử sử dụng trong mơ hình
Stt

Tên phần tử

Phần tử rắn (đất đá)
Phần tử vỏ (giếng)

C3D4
S3


trên hình 5.
Kết quả so sánh trên biểu đồ Hình 5.b có thể
thấy rằng giá trị tính tốn áp lực đất đá xung
quanh thành giếng theo hai phương pháp giải
tích và phương pháp số cho ra kết quả phù hợp.
Giá trị lớn nhất 60 tấn/m2 tại độ sâu 83,3m nằm
qua vỉa than dày 9m. Sự phân bố áp lực thay
đổi theo chiều dài dọc thân giếng, ngoại trừ tại vị
trí 1/3 của thân giếng có bước nhảy nhỏ, bước
nhảy này là do sự bất ổn định số xảy ra trong
mô phỏng. Khi vỏ chống giếng đứng có chiều
dày 20cm, theo lý thuyết tính tốn ứng suất nén
trong thành giếng được tính như cơng thức (3)
khi R1=2,5m; R2=2,7m; x= 2,7m, ta tính được
các thành phần ứng suất trong vỏ giếng. Kết
quả so sánh giá trị ứng suất tiếp, ứng suất nén
trong thành giếng theo công thức (3) với các giá
trị ứng suất tương ứng đạt được bằng phương
pháp số (cụ thể là các ứng suất S11, S22) được
thể hiện trên Hình 6.

Kết quả so sánh trên Hình 6 cho thấy giá
trị ứng suất thu được trong thành giếng bằng

Số nút

Loại hình

4 nút – tứ diện tuyến tính


3D Stress

3 nút – vỏ tam giác

Vỏ

phương pháp số và phương pháp giải tích là
phù hợp, do đó mơ hình xây dựng có độ tin cậy
và có thể được sử dụng để nghiên cứu thông
số.
2.3. Khảo sát thông số mơ hình
2.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách bãi thải
đến giếng đứng
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mơ
phỏng giếng đứng với kích thước như mơ hình
đã kiểm chứng ở trên (R=5,4m; H=83,3m).
Bãi thải có hình dạng nón, kích thước bề rộng
100m, chiều cao 50m. Nghiên cứu được tiến
hành bằng cách thay đổi vị trí khoảng cách bãi
thải từ miệng giếng tới mép ngoài cùng bãi thải.
Khoảng cách được thay đổi lần lượt là 30m,
40m, 50m, 60m. Kết quả chuyển vị lớn nhất trên
thành giếng được thể hiện như Hình 7.
Kết quả thu được từ sự dịch chuyển khối đất
đá khi bãi thải thay đổi vị trí có thể đưa ra một số
kết luận: Khoảng cách bãi thải tới giếng càng xa
dần, thì chuyển vị trong thành giếng càng giảm
dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di chuyển

a. Ứng suất trên thành giếng


b. Giá trị ứng suất trong thành giếng theo hai
phương pháp khác nhau
Hình 5. Giá trị ứng suất trong vỏ chống giếng đứng do áp lực đất đá

a. Thành phần ứng suất S11
b. So sánh ứng suất đạt theo hai phương pháp
Hình 6. Kết quả ứng suất đạt được bằng phương pháp số

KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ

17


THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ

theo vị trí đặt bãi thải. Với tính chất đất đá như
điều kiện khảo sát địa chất đưa ra, có thể thấy
rằng, chuyển vị lớn nhất đạt 5,6mm với chiều
dày của lớp bê tông phun là 5cm, chiều dài
thanh neo là 1,5m như Hình 8. Có thể thấy hai vị
trí dịch chuyển chủ yếu trong mơ hình, đó là vị trí
phía dưới bãi thải, và vị trí đáy giếng. Điều này
có thể giải thích rằng, hiện tượng dịch chuyển
đó là do trọng lượng bản thân của bãi thải và
trọng lượng bản thân của thành giếng tác động,
từ đó sẽ đưa ra các nghiên cứu thiết kế cổ giếng
và vành đế đỡ hợp lý.
2.3.2. Ảnh hưởng của bề rộng bãi thải
Để khảo sát ảnh hưởng của bề rộng bãi thải,

nghiên cứu tiến hành cố định khoảng cách từ

miệng giếng đứng tới mép ngoài cùng bãi thải là
40m và 30 m, tiến hành bằng cách thay đổi kích
thước bề rộng bãi thải. Bề rộng bãi thải thay đổi
lần lượt là 60m với chiều cao bãi thải 30m; 80m
với chiều cao bãi thải 40m; 100m với chiều cao
bãi thải 50m; 120m với chiều cao bãi thải 60m.
Kết quả khảo sát nghiên cứu đưa ra một số kết
luận: ứng suất phá hủy kéo (+) trong các trường
hợp thay đổi chủ yếu ở phần cổ giếng. Ứng suất
kéo lớn nhất trong trường hợp bãi thãi có bề
rộng lớn nhất và khi bề rộng giếng nhỏ dần thì
ứng suất kéo giảm dần. Kết quả biểu diễn sự
dịch chuyển khối đất đá khi bãi thải thay đổi vị
trí cho thấy: Bề rộng bãi thải càng lớn dần, thì
chuyển vị của bãi thải tác động lên thành giếng

Hình 7. Ứng suất trong vỏ chống tại các khoảng cách nhau

a. Các điểm khảo sát
b. Ứng suất trong vỏ chống thành giếng c. Chuyển vị trong vỏ chống thành giếng
Hình 8. So sánh ứng suất trong vỏ chống tại các khoảng cách khác nhau

a. Khi khoảng cách 30m chiều rộng thay đổi b. Khi khoảng cách 40m chiều rộng thay đổi
Hình 9. Sự ảnh hưởng của chiều rộng bãi thải đến giá trị ứng suất trong vỏ chống

18

KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ



THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ

càng lớn dần. Vùng ảnh hưởng dịch chuyển di
chuyển theo độ lớn của bề rộng bãi thải. Với
tính chất đất đá như điều kiện khảo sát địa chất
đưa ra, có thể thấy rằng, chuyển vị lớn nhất đạt
6mm, khi bãi thải có bề rộng 120m, cao 60m
(Hình 9). Ngồi ra, có thể thấy hai vị trí dịch
chuyển chủ yếu trong mơ hình, đó là vị trí phía
dưới bãi thải, và vị trí đáy giếng. Điều này có
thể giải thích rằng, hiện tượng dịch chuyển đó
là do trọng lượng bản thân của bãi thải, và trọng
lượng bản thân của thành giếng tác động, từ đó
sẽ đưa ra các nghiên cứu thiết kế cổ.
3. Kết luận
Với việc nghiên cứu sử dụng phương pháp
phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus, mơ
hình xây dựng trong nghiên cứu này có thể cho
phép nghiên cứu sự ảnh hưởng của khoảng
cách từ bãi thải đến miệng giếng cũng như bề
rộng bãi thải đến độ ổn định thành giếng. Kết
quả đưa ra trong nghiên cứu này được áp dụng
cho giếng có độ sâu nhỏ, bãi thải dạng hình
chóp, tuy nhiên kết quả nghiên cứu có thể mở
rộng cho các loại hình giếng và bãi thải khác
nhau của vùng mỏ Quảng Ninh. Trên đây là
những kết quả nghiên cứu đạt được ban đầu về
vấn đề này, cần có những nghiên cứu sâu hơn

trong thời gian tới nhằm đáp ứng yêu cầu cấp
bách của các mỏ than hầm lị có sử dụng giếng
đứng./.

Tài liệu tham khảo:
1. Đỗ Thụy Đằng (1997). Thi công cổ giếng
đứng (bản dịch). Đại học Mỏ-Địa chất, Hà Nội.
2. Võ Trọng Hùng 2012. Thi công giếng
đứng. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và
Công nghệ. Hà Nội. Changsuo Zhang, Feng
Hu, Steve Zou. 2005. Effects of blast induced
vibrations on the fresh concrete lining of a shaft.
Tunnelling and Underground Space Technology
20, pp.356–361.
3. GS.TS. Phạm Huy Khang, PGS.TS.
Nguyễn Hữu Trí, ThS.NCS. Đỗ Văn Thái. Nghiên
cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than
ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng
chúng trong xây dựng đường ô tô. Tạp chí GTVT,
11/2015.
4. Th.S. Trần Miên, Th.S. Nguyễn Tam Tính,
Th.S. Đỗ Mạnh Dũng. Trồng cây phủ xanh bãi
thải mỏ vùng than Quảng Ninh. Tạp chí Mơi
trường, số Chun đề III năm 2018.
5. Phí Văn Lịch (1977). Áp lực chống giữ
cơng trình ngầm Tập 1- Đại học Mỏ- Địa chất.
Hà Nội 1971.
6. ABAQUS User’s. Examples and Theory
Manual, Version 6.10, Simulia, Providence, 2011.
7. M.L. Bucalem, K.J. Bathe. 1997. Finite

Element Analysis of Shell Structures. Archives
of Computational Methods in Engineering. Vol.
4, 1, pp.3-61.

Research on the effect of surface dumpsites to the stability of the concrete
lining of the vertical shafts at underground mines in Vietnam
Dang Van Kien, Vo Trong Hung, Do Ngoc Anh
Hanoi University of Mining and Geology (HUMG)
Khuat Manh Thang
Vietnam national coal - mineral industries holding corporation limited
Do The Anh
Fountech joint stock company
Summary:
The paper represents the research results on the effect of the surface dumpsites the mine to the
stability of the concrete lining of the vertical shafts. Three-dimensional finite element models were
developed to conduct the parametric analyses using the commercial FE package, ABAQUS. A good
agreement between the numerical results and the analytics method was found. This numerical model
can be used to study. Parameter study shows the effect of the distance and width of the surface
dumpsites at the mine around the shaft walls to the stability of concrete lining of the vertical shafts.
The main results obtained by this study can be applied to underground mines in Vietnam with the
equivalent conditions.
KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ

19