Nghiên cứu quy luật dịch chuyển than - đá và biện pháp kiểm soát gương hạ trần than nóc

 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
47KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
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 thông 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, không quá 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 
côngxon dạng bậc và thu hồi hình phễu, loại thứ 
hai là hạ trần nửa vòm và thu hồi dạng vòm. Vì 
góc gẫy của trần than lớn hơn 700- 800, nên gối 
tựa dàn chống và chân vòm phía sau là khu vực 
đã khai thác (hình 2 và 3). 
2. Nghiên cứu kết cấu vách dựa trên mô 
hình tương đương
Dựa trên các kết quả thử nghiệm 7 mô 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 không gian 
còn 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 
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
48 KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
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 không 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 côngxon”
Khi không có vách trực tiếp hoặc vách rất 
mỏng và cứng, thì không gian còn 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 không 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 vòm áp lực
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 vòm, 
cũng có thể hình thành kết cấu vòm cân bằng, 
chân vòm phía trước nằm phía trong gương, 
chân vòm phía sau là khu vực đã khai thác, như 
kết cấu vách của gương số 110 tại mỏ Weijiadi 
(Trung Quốc) (hình 7).
3. Mô 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 vòm, thu hồi 
vòm than nóc và kết cấu vòm 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 vòm cân bằng áp lực lên 
trên than nóc. Dựa trên quy luật vòm cân bằng 
tự nhiên, độ cao và chiều rộng vòm trên nóc thể 
hiện trong hệ thức sau:
 H = (b + M . ctga) /2 . tgφ (1)
Trong đó, H – Chiều cao vòm; 
 M - Chiều rộng vòm;
 b- Khoảng cách giữa gương và mặt 
Hình 3. Kết cấu hạ trần thu hồi than 
tại mỏ Wangzhuang 
Hình 4. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Gushuyuan
Hình 5. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ 
Wangzhuang 
Hình 6. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ 
Xinzhuoyao
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
49KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
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 vòm, là:
 P = M2 γ 2 + H.γ (kN/m
2) (2)
Trong đó, M2, γ 2 - Chiều dày than nóc và tỷ 
trọng của nó;
H, γ - Chiều cao vòm 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 toán 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 
vòm 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) 
 S = M - M2 . (1- K2) . Kp
’ - SH . (Kp - 1) (4)
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.
Tải trọng lên cột chống có thể được tính bằng 
công thức sau:
 P= M2 . γ 2 + Sh . γ + q/l + Pq (5)
Trong đó, q – Tải trọng dầm côngxon 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/m
2. Bằng tính toán, P = 
364 kN/m2. Cường độ chống trung bình đạt 383 
kN/m2, như vậy, kết quả tính toán phù hợp với 
kết quả quan trắc.
3. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm
Kết cấu bao gồm phá hỏa nửa vòm than nóc, 
thu hồi trượt hoặc dạng vòm và kết cấu “dầm 
đá dịch chuyển” của vách cơ bản như cầu-vòm 
(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 không 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)
Hình 7. Kết cấu dịch chuyển vách tại mỏ Weijiadi Hình 8. Kết cấu kết hợp “vòm-vòm”
Hình 9. Kết cấu kết hợp dầm khối vòm gạch
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
50 KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
Từ đó, tải trọng lên cột chống có thể được 
tính bằng công 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 toán 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 côngxon 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 còn lại ở 
khu vực đã khai thác, cột chống không 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 + M
2
2 . 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 toán 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 
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 toán tải trọng va đập 
khi vách cứng bị phá hủy, có thể thiết lập các mô 
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 . x
2 . 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 côngxon 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 công 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) = 
H2(st + q/5)/3 (L - L1/3)
Thay thế các thông số trên vào công thức 
(12), khi đó:
P ’ = q . L1/6 + H
2(L + L1/3) . (st + q/5)/2 L1 (L 
- L1/3) (13)
Hình 10. Kết cấu kết hợp dầm chuyển thành vòm
Hình 11. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon - khối gạch 
dạng bước”
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
51KHCNM SỐ 2/2019 * THÔNG TIN, TƯ LIỆU
Tải trọng chống là:
 P = Pn + Pz + P
’/l (14)
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/m
2, 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 toán của các mô 
hình cấu trúc hỗn hợp và mô hình tải trọng đá 
đơn giản hóa
Theo quan sát tại hiện trường và kết quả 
nghiên cứu mô hình tương đương, thông 
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 hoàn toàn lấp kín khu vực đã khai 
thác. Công thức tính toán 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 toán theo công 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 mô 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)
Hình 12. Kết cấu kết hợp “dầm côngxon- dầm chìa 
dạng bước”