Nghiên cứu ảnh hưởng của bãi thải bề mặt đến độ ổn định của vỏ chống giếng đứng tại các mỏ lò Việt Nam

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 công trình khoa 
học nào nghiên cứu theo hướng này trong khi 
yêu cầu về an toàn ổn định cho vỏ chống giếng 
đứng luôn 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 
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 đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam
 Đỗ Thế Anh 
 Công ty cổ phần Fountech 
 Biên tập: TS. Nhữ Việt Tuấn
Bảng 1. Thành phần cỡ hạt và tỉ lệ trong đất đá 
bãi thải 
Thành phần cỡ 
hạt đất đá bãi 
thải 
< 50 mm 50 ÷ 80 mm 
800 
mm 
Tỉ lệ % 10 80 10 
Bảng 2. Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải vùng than Quảng Ninh
Độ rỗng 
η(%) Tỉ trọng 𐑄 (T/m
3) Tỉ trọng bão hòa 𝑦bh(T/m
3) 
Lực dính kết C 
 (T/m2) 
Góc ma sát trong 
𐐐 (0) 
21 2,1 2,26 2,0 30 
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
15 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
cao tăng thêm do tải trọng Pm truyền vào đáy BC 
được tính theo sơ đồ Hình 1 và theo công thức 
(1) (Đỗ Thụy Đằng, 1997): 
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/m
3; 
b0 – chiều rộng của bãi thải lân cận, m 
Trong điều kiện như thế, tải trọng tác dụng 
vào thành giếng có thể được tính dễ dàng bằng 
phương pháp tính toán trong cơ học ổn định 
khối đất, cường độ áp lực ngang do bãi thải tác 
dụng vào điểm D được biểu thị bằng công thức 
(2) (Phí Văn Lịch, 1977; Đỗ Thụy Đằng, 1997): 
Dưới tác dụng của áp lực ngang phân bố đều 
P và trọng lượng bản thân của vỏ chống, ngoài 
ra còn có ảnh hưởng của các công 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 (còn gọi là ứng suất vồng theo chu vi), tác 
dụng vuông 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 công thức (4) 
(Changsuo Zhang et al, 2005):
Trong đó: p - áp lực ngang phân bố đều; R1, 
R2 - Bán kính trong và ngoài của vỏ giếng; x - 
Khoảng cách từ tâm giếng đến điểm đang xét 
của vỏ chống. 
2.2. Xây dựng và kiểm chứng mô hình số 
2.2.1. Xây dựng mô hình số mô 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 mô hình số được xây dựng sử dụng 
cho nghiên cứu chia thành các khối phần tử mô 
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 mô 
hình được lấy theo kinh nghiệm lớn gấp 5 lần 
chiều sâu giếng để mô tả chính xác vùng ảnh 
hưởng. Mô hình đất đá có bề rộng tùy theo bán 
kính và chiều sâu giếng đứng. Đất đá mô 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 
tông phun với mô hình nghiên cứu đơn giản), 
Hình 1. Sơ đồ tính áp lực bên do ảnh hưởng của 
bãi thải liền kề (ABAQUS User’s, 2011; Võ Trọng 
Hùng, 2012)
 (3)
Hình 2. Sơ đồ phân bố các thành phần ứng suất 
𐐞3 và 𐐞2 trong vỏ chống giếng đứng
Hình 3. Kết cấu mô hình số
c. Khối đất đá và bãi thải 
hình chóp
a. Khối đất đá xung 
quanh thành giếng
b. Vỏ 
giếng
(1)
0.b
Ho mP
γ
=
(2)





 −
+
=
2
45. 0
00
0
0
ϕ
γ tg
ba
bHPz
2
1
2
2
2
2
1
2
2
1
2
1
2
2
2
2
2
2
2
1
2
1
2
2
2
2
3
.
1.
1.
RR
PR
x
R
RR
PR
x
R
RR
PR
−
=






+
−
=






−
−
=
σ
σ
σ
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ16
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. Thông số và mô hình vật liệu 
Mô hình được khảo sát với 6 lớp đất đá nằm 
ngang khác nhau có đặc tính cơ lý được thể 
hiện trên Bảng 3. Mô hình gồm 5 thông 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 tuân theo mô 
hình phá hủy Mohr-Coulomb. 
 2.2.3. Tương tác và điều kiện biên của mô 
hình 
Mô hình tương tác đất đá-vỏ giếng được xác 
định sử dụng bước nghiên cứu địa tĩnh ban đầu, 
để xác định trọng lực, và ứng suất nguyên sinh 
trong đất đá. Điều kiện biên mô 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 mô hình giả sử là cố định ngầm các 
hướng(x, y, z) như hình 4.
2.2.4. Phần tử sử dụng cho mô hình 
Trong mô 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 mô 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 
mô hình số với kết quả tính toán áp lực bên 
thành giếng đạt được bằng phương pháp giải 
tích tính toán theo công thức (2) được thể hiện 
 Bảng 3. Chỉ tiêu cơ lý của đất đá đào qua 
Loại đá 
Các chỉ tiêu cơ lý 
ρ (g/cm3) 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) 1,5 0,5 30 0,91 0,25 
Bột kết (Lớp đất đá 6) 2,6 16,9 36 5,0 0,206 
Bảng 4. Chỉ tiêu cơ lý bê tông thành giếng 
Bê tông 
Các chỉ tiêu cơ lý 
σc 
(MPa) 
σt 
(MPa) 
ρ 
(g/cm3) 
C 
(MPa) 
ϕ 
(độ) 
E 
(GPa) ν 
K 
(GPa) 
G 
(GPa) 
M300 30 0,8 2,40 0,61 35 30 0, 25 18,7 11.6 
a. Điều kiện biến dạng ngầm 
bao quanh mô hình 
b. Liên kết giữa đấ đá và vỏ 
chống giếng đứng
c. Mô hình bãi thải gần miệng 
giếng trên các lớp địa tầng
Hình 4. Biểu diễn điều kiện biên mô hình
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
17 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
trên hình 5.
Kết quả so sánh trên biểu đồ Hình 5.b có thể 
thấy rằng giá trị tính toán 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 toán ứng suất nén 
trong thành giếng được tính như công 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 
phương pháp số và phương pháp giải tích là 
phù hợp, do đó mô hình xây dựng có độ tin cậy 
và có thể được sử dụng để nghiên cứu thông 
số. 
2.3. Khảo sát thông số mô hình 
2.3.1. Ảnh hưởng của khoảng cách bãi thải 
đến giếng đứng 
Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả mô 
phỏng giếng đứng với kích thước như mô 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 
Bảng 5. Đặc tính các loại phần tử sử dụng trong mô hình 
Stt Tên phần tử Số nút Loại hình 
Phần tử rắn (đất đá) C3D4 4 nút – tứ diện tuyến tính 3D Stress 
Phần tử vỏ (giếng) S3 3 nút – vỏ tam giác Vỏ 
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
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ18
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 mô 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
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
19 KHCNM SỐ 1/2019 * CNKT HẦM LÒ
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). Ngoài ra, có thể thấy hai vị trí dịch 
chuyển chủ yếu trong mô 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, mô 
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 lò 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 Môi 
trường, số Chuyên đề III năm 2018. 
 5. Phí Văn Lịch (1977). Áp lực chống giữ 
công 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.