Mối Quan Hệ Giữa Hệ Số An Toàn Fs Và Tỷ Lệ Không Thứ Nguyên C/γht, Cho Đống

Có thể bạn quan tâm!

Hình 2.19. Mối quan hệ giữa hệ số an toàn FS và tỷ lệ không thứ nguyên c/γHt, cho đống đá thải có = 30°, 37° và 45 ° và c = 1, 5, 10 và 25 kPa; a) Trường hợp S1;

b) Trường hợp S11 ; c) Trường hợp S21; d) Trường hợp S35

2.2.6. Ảnh hưởng của góc nội ma sát 

Thường các khi phân tích độ ổn định bãi thải, để đơn giản sẽ giả định góc ma sát trong trung bình cho toàn bộ đất đá thải gần với góc dốc của bãi thải (φ = β = 37°) [16], [49], [51]. Leps (1970) đã phân loại đá lấp thành 3 nhóm dựa trên mật độ vật liệu, độ bền và thành phần hạt theo các nhóm: yếu với mật độ thấp, trung bình và mạnh có mật độ cao. Các loại kết quả này chỉ ra rằng: việc xem xét một giá trị duy nhất của φ có thể không đại diện cho giá trị của FoS đối với các đống đá thải vì mật độ và ứng suất có thể thay đổi đáng kể trong đống.

Sử dụng SIGMA /W phân tích ảnh hưởng của góc nội ma sát cố định và góc nội ma sát thay đổi trong bãi thải tới FoS được trình bày ở Hình 2.20.

Hình 2.20. Quan hệ giữa hệ số ổn định của bãi thải với H và theo các điều kiện: (cố định) = 37o; (thay đổi) =32o÷37,2o

Qua Hình 2.20 cho thấy: FoS với  không thay đổi lớn hơn khi thay đổi phần trăm giá trị giảm hệ số an toàn phụ thuộc vào độ sâu của mặt trượt. Đối với bề mặt trượt sâu hơn, sự giảm FoS này rõ ràng hơn.

2.2.7. Ảnh hưởng của phương tiện thiết bị đổ thải

Trên mặt tầng thải thường xuyên có sự di chuyển của các loại ô tô và máy gạt, do đó lớp đất đá nằm dưới mặt tầng thải sẽ được đầm nén dưới tác dụng trực tiếp của tự trọng và tải trọng các thiết bị tham gia công tác đổ thải. Xét về mặt áp lực lên nền, các ô tô thường có trọng lượng từ 55÷170 tấn, lớn hơn từ 2÷8 lần trọng lượng các máy ủi. Vì vậy, ô tô là phương tiện đóng vai trò chủ đạo tạo ra lớp lu lèn có chiều dày h0. Sơ đồ xác định chiều dày lớp lu lèn dưới tác động trực tiếp của tải trọng ô tô được minh họa như trong Hình 2.21.

P3K 2  5K  20,7K  1

Chiều dày lớp lu lèn khi chịu tác động của tải trọng P, được xác định như sau:

h0  0,7a

với a 

; P  0,664Q0Qb

(2.6)

Trong đó: P - tải trọng tác dụng lên bánh sau của xe ô tô, tấn; Qo - tải trọng của ô tô, tấn; Qb - trọng lượng bì của ô tô, tấn; K - hệ số hồi giả của đất đá mặt bãi thải, K= 0,25; γ - khối lượng thể tích đất đá sau lu lèn, t/m3.

A-A

O1Z

Ax O lx

A K B

T N

Hình 2.21. Sơ đồ xác định chiều dày lớp lu lèn dưới tác dụng của tải trọng ôtô

Từ công thức (2.6) cho phép biểu diễn mối quan hệ của khối lượng thể tích đất đá theo chiều cao lớp đất đá lu lèn theo công thức:

 1,5P3K 2  5K  2

h3 K  1

(2.7)

Phạm vị áp dụng công thức (2.7) là giá trị khối lượng thể tích thỏa mãn điều kiện:





NK

NK

(2.8)

Trong đó: γNK - khối lượng thể tích đất đá trong nguyên khối, t/m3; γnr - khối lượng thể tích đất đá nở rời trong đống, t/m; Knr - hệ số nở rời đất đá, tùy thuộc vào loại đất đá và mức độ làm tơi, với đất đá cấp III, Knr = 1,4÷1,5.

Với một loại ô tô nhất định, có thể tạo ra đất đá có độ đầm chặt khác nhau bằng cách thay đổi chiều dày lớp lu lèn. Với tải trọng xe ôtô 58 tấn và chiều dày lớp lu lèn h0 = 3,4 m có thể tạo ra khối lượng thể tích của đất đá thải 2,1 t/m3.

Trường hợp bãi thải S21 có và S11 không có lớp đầm nén (Hình 2.22): bãi thải có lớp đầm nén bề mặt có FoS cao hơn khi không có lớp đầm nén bề mặt.

Hình 2.22. Mối quan hệ giữa FoS của bãi thải với lớp đầm nén bề mặt

2.3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẤT ĐÁ THẢI TẠI CÁC BÃI THẢI VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH

2.3.1. Nghiên cứu sự phân bố kích thước cỡ hạt theo chiều cao tầng

Với công nghệ đổ thải theo chu vi, khi ô tô rót tải từ mép tầng, các hạt đất đá có kích thước khác nhau sẽ tốc độ rơi khác nhau trên sườn tầng thải. Dưới tác dụng của trọng lực, đất đá sẽ trượt và lăn trên sườn tầng thải. Trong quá trình chuyển động, lực ma sát giữa đất đá với sườn tầng thải sẽ xuất hiện và làm cản trở quá trình chuyển động của đất đá. Do sự phân bố thành phần cỡ hạt không đồng đều trên tầng thải, dẫn đến các chỉ tiêu cơ lý đất đá như khối lượng thể tích, hệ số nở rời, lực dính kết, kích thước lỗ hổng, ổn định,... tại mỗi độ cao khác nhau của chiều cao tầng sẽ có giá trị khác nhau. Đây là cơ sở cho việc đề xuất các thông số bãi thải.

Theo kết quả các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học LB Nga [87]: cỡ hạt đất đá nhỏ nhất phân bố chủ yếu tại mép tầng thải và trong các lỗ hổng đất đá trên sườn bãi thải, còn cỡ hạt lớn nhất phân bố chủ yếu tại chân tầng thải (Hình 2.23).

Theo kết quả thống kê thực tế trên các mỏ lộ thiên về thành phần cỡ hạt cho thấy, cỡ hạt đất đá có xu hướng tăng dần từ mặt bãi thải xuống chân bãi thải. Nghiên cứu quá trình rót tải của ô tô trên mặt tầng thải các nhà khoa học LB Nga đã chia dòng vật liệu (đất đá) thành 3 phần như sau [87]:

Hình 2.23. Sự phân bố thành phần cỡ hạt đất đá theo chiều cao tầng thải [87]

- Thành phần đất đá dạng bột, mịn có đường kính cỡ hạt (dc, m) nhỏ hơn kích thước của các lỗ hổng (dn, m) giữa các hạt đất đá trên sườn tầng (dc < dn), thành

phần này sẽ “lấp, nhét” vào các lỗ hổng phân bố dọc theo sườn tầng thải;

- Thành phần đất đá hạt nhỏ và trung bình có đường kính cỡ hạt lớn hơn kích thước của các lỗ hổng (dc ≥ dn), thành phần cỡ hạt này sẽ trượt trên mặt tầng thải dưới tác dụng của trọng lực. Tại thời điểm lực trượt bằng với lực ma sát, các hạt đất đá sẽ bám trên sườn tầng thải. Với mỗi loại đường kính cỡ hạt khác nhau sẽ có trọng lực khác nhau, do đó chúng sẽ phân bố tại các vị trí khác nhau trên sườn tầng thải;

- Thành phần đất đá cỡ hạt lớn, thành phần này sẽ trượt dọc theo sườn tầng thải dưới tác dụng của trọng lượng hạt và phân bố tại chân tầng thải.

2.3.2. Nghiên cứu sự thay đổi lực dính kết đất đá theo chiều cao tầng thải

Lực dính kết đất đá (C) là một trong các thông số quan trọng ảnh hưởng tới độ ổn định của bãi thải. Cũng tương tự như khối lượng thể tích đất đá, lực dính kết tại các vị trí khác nhau của tầng thải cũng có giá trị khác nhau. Lực dính kết phụ thuộc vào loại đất đá, kích thước cỡ hạt và lượng nước trong tầng thải. Căn cứ vào kết quả khảo sát tại các bãi thải của TKV cho thấy: trong điều kiện các bãi thải bị bão hòa nước, lực dính kết giảm từ 10÷15%.

Trong trường hợp tổng quát lực liên kết đất đá tại lớp thải thứ (i) tính cho một

tầng cụ thể được xác định theo công thức [90]:

K K

C tr 1

K 2

hi , MPa (2.9)

i100

Trong đó: K1, K2 - hệ số thực nghiệm tính đến ảnh hưởng loại đất đá (Bảng 2.1); K n - hệ số ảnh hưởng của nước trong bãi thải, khi bão hòa nước, K n =

tr tr

0,8÷0,85; hi - cao độ tầng thải (tính từ mặt tầng thải đến điểm tính toán), m.

Bảng 2.1. Giá trị của K1, K2 khi đất đá khác nhau

Loại đất đá	K1	K2
1	Cuội kết, sạn kết	0,3	0,08
2	Cát kết	0,2	0,22
3	Bột kết, sét kết cứng	0,1	0,16

Mối quan hệ giữa lực dính kết của đất đá trong bãi thải và chiều cao bãi thải được tính toán theo công thức (2.9) và thể hiện ở Hình 2.24. Qua hình này cho thấy: lực dính kết có xu thế tăng dần từ mép tầng thải xuống chân tầng thải, đồng nghĩa với khả năng sạt lở tại khu vực mép tầng thải cao hơn khu vực chân tầng thải.

Hình 2.24. Sự thay đổi lực dính kết đất đá (cát kết) tại các cao độ khác nhau trong tầng thải trong điều kiện đất đá khô và đất đá bão hòa nước

2.3.3. Nghiên cứu sự thay đổi khối lượng thể tích đất đá vào chiều cao tầng thải

Như trên đã phân tích, khi bắt đầu đổ thải do ảnh hưởng của trọng lực và lực ma sát trên sườn tầng thải, thành phần cỡ hạt khác nhau sẽ phân bố tại các cao độ khác nhau của tầng thải. Với mỗi thành phần cỡ hạt đất đá chứa đựng quy luật sắp xếp giữa các hạt đất đá, kích thước lỗ hổng và mật độ phân bố. Do đó, theo độ cao của tầng thải đất đá có hệ số nở rời và khối lượng thể tích đất đá sẽ khác nhau (Bảng 2.2) [90].

Mặt khác, khối lượng thể tích đất đá trong mỗi lớp của tầng thải còn chịu ảnh hưởng của tải trọng các loại thiết bị đổ thải (ô tô, máy gạt) và tải trọng của các lớp đất đá nằm phía trên. Tính từ mặt tầng thải đến chân tầng thải, lớp đất đá thứ nhất

(1) có chiều dày h0 nằm ngay tại mặt bãi thải sẽ chịu sự tác động nén trực tiếp của tải trọng ô tô và máy gạt, mức độ lèn chặt của lớp đất đá này phụ thuộc vào số lần lu lèn và tải trọng thiết bị tham gia đổ thải.

Bảng 2.2. Hệ số nở rời tại các cao độ khác nhau của tầng thải tại bãi thải của

Công ty АО «ССГПО» - Liên Bang Nga [90]

Cao độ đơn vị (hi/H)

Cao độ tầng thải (hi, m)	Hệ số nở rời
0,05	1,5	1,220
0,10	3,0	1,518
0,15	4,5	1,517
0,20	6,0	1,516

0,25

7,5	1,517
0,30	9,0	1,517
0,35	10,5	1,516
0,40	12,0	1,516
0,45	13,5	1,516
0,50	15,0	1,516
0,55	16,5	1,516
0,60	18,0	1,515
0,65	19,5	1,513
0,70	21,0	1,512
0,75	22,5	1,509
0,80	24,0	1,507
0,85	25,5	1,494
0,90	27,0	1,484
0,95	28,5	1,465
1,00	30,0	1,465

Theo Ю.В. Лаптев, khối lượng thể tích tại lớp thải tại lớp (1) là 2,1 t/m3, ứng với hệ số nở rời từ 1,22 [90]. Các lớp thải tiếp theo, khối lượng thể tích của đất đá chịu sự tác động của tải trọng các lớp đất đá nằm phía trên, còn tải trọng của các thiết bị tham gia đổ thải hầu như không tác động đến độ lèn chặt của đất đá. Sơ đồ xác định tải trọng của các lớp đất đá tại các cao độ khác nhau trong tầng thải được thể hiện trong Hình 2.25.

Khối lượng thể tích tại lớp thải thứ (i) xác định theo công thức sau:

k 





A , t/m3 (2.10)

i n n

hl n

100

Trong đó: γn - khối lượng thể tích đất đá tại lớp thứ (i) có tính tới áp lực nén bởi lớp đất đá phía trên, t/m3; γhl - khối lượng thể tích của thành phần cỡ hạt lớn (có kích thước > 5 mm), t/m3; A - tỉ lệ thành phần cỡ hạt lớn, %.

.h b

n nr anr i

, t/m3 (2.11)

 100 



nr .hi , t/m3 (2.12)

hl nr

0,31



h

100







h 2

A  73,8  58i 33,6i

, % (2.13)

H H 

(1)

(2)

(3)

...

(i-1)

i-1 hi-1i-1

i;i)

(i+1)

(i+2)

...

(n)



hi hi-1

Trong đó: γnr - khối lượng thể tích đất đá ở trạng thái nở rời, t/m3; a, b - hệ số thực nghiệm, a = 0,296÷0,41, trung bình 0,34 và b = 0,087÷0,188, trung bình 0,102; hi - khoảng cách từ mặt tầng thải đến lớp đất đá thứ i, m; kn - hệ số ảnh hưởng của nước khi đất đá ở trạng thái bão hòa, kn = 1,05÷1,10.

hi

Hình 2.25. Sơ đồ xác định khối lượng thể tích của các lớp đất đá tại các vị trí khác nhau trong tầng thải; (1), (2), (3)…I - các lớp đất đá thải

Khối lượng thể tích đất đá ở trạng thái nở rời được xác định theo công thức:

NK

nr K

, t/m3 (2.14)

Trong đó: γNK - khối lượng thể tích đất đá trong nguyên khối, t/m3; Knr - hệ số nở rời của đất đá trong bãi thải.

Khi có mặt của nước, đất đá bị bão hòa làm khối lượng thể tích tăng lên. Theo kết quả thí nghiệm tại hiện trường các bãi thải của các mỏ than lộ thiên do Viện KHCN Mỏ - Vinacomin thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 11÷12/2015 cho thấy: ở trạng thái bão hòa nước khối lượng thể tích đất đá tăng từ 5÷10%.

2.3.4. Nghiên cứu tổng hợp tính chất đất đá tại các bãi thải vùng cẩm phả

2.3.4.1. Thí nghiệm xác định tính chất đất đá thải