Nếu năm 2010 đại đa số các mức đào lò chỉ đến giới hạn -180m (~200m chiều sâu tuyệt đối) (Mạo Khê) thì đến nay chỉ sau gần 10 năm nhiều mỏ đã mở vỉa bằng công nghệ giếng đứng: mỏ than Hà Lầm (giếng sâu từ 350m đến 450m), giếng đứng mỏ than hầm lò Núi Béo- giếng phụ sâu 416,6m, giếng chính sâu 386,6m; Giếng đứng Mạo Khê, giếng chính 426m giếng phụ 452m; giếng mỏ Khe Chàm II-IV giếng chính 538m giếng phụ 567m. Chiều sâu khai thác tăng dẫn đến chiều cao cột địa tầng lớn, lớp đất phủ dày, làm tăng ứng suất, thay đổi trạng thái đá gây nứt vỡ làm giảm độ bền khối đá. Từ đó dẫn đến chiều cao vòm cân bằng tự nhiên tăng. Áp lực tác động lên kết cấu chống tăng. Tuy nhiên các đường lò nằm nông gần mặt đất (mức +32 Mạo Khê, hau +226 Đồng Rì v.v…) hiện tượng bùng nền vẫn xảy ra. Nhiều vị trí áp lực bùng nền đạt tới 30T/m2 đường lò bị bùng nền phá huỷ, chèn kín.

Mỏ than Mạo Khê khi khai thác ở mức nông (mức - 150m) nhưng hiện tượng bùng nền vẫn xảy ra liên tục tại một số vỉa. Nhiều khu vực các đường lò phải chống xén lại nhiều lần trong năm. Có năm số lượng mét lò đào mới còn nhỏ hơn số mét lò phải chống xén. Mặc dù mỏ đã sử dụng nhiều giải pháp kỹ thuật, công nghệ tích cực nhưng đến nay khi các đường lò ngày càng sâu, cách xa mặt đất (400-600m), áp lực lớn nên những giải pháp trên hiệu quả không cao.

Các năm gần đây Bộ Công Thương, Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam đã quan tâm, chỉ đạo, đầu tư nghiên cứu các giải pháp nhằm ngăn chặn, giảm bùng nền tại các mỏ hầm lò nông vùng Quảng Ninh nhưng nguyên nhân bùng nền vẫn còn là vấn đề chưa được nghiên cứu triệt để. Nhận thấy đây là một vấn đề mang tính cấp thiết, thời sự và có ý nghĩa thực tiễn, nhóm nghiên cứu do TS. Lê Văn Công, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin đề xuất, thực hiện đề tài: “Nghiên cứu đề xuất các giải pháp ngăn chặn bùng nền có hiệu quả tại các đường lò mỏ than Mạo Khê” nhằm xác định nguyên nhân và giải pháp ngăn chặn bùng nền.

Qua một thời gian thực hiện, nhóm nghiên cứu đưa ra các nhận xét và giải pháp như sau:

1.Đối với khảo sát, thu thập tài liệu địa chất mỏ, đánh giá đặc điểm điều kiện địa cơ mỏ các đường lõ bị bùng nền Công ty Than Mạo Khê:

Từ điều kiện tự nhiên, cấu tạo vỉa đến bố trí các đương lò mỏ than Mạo Khê thấy rằng: càng xuống sâu chiều dày vỉa càng thu hẹp, điều kiện địa học đá mỏ không được cải thiện, chất lượng khối đá không cao. Chiều sâu bố trí các đường lòkhông lớn. Chiều sâu toàn bộ giếng chính ở mức -400 chiều cao mặt bằng + 26. Chiều dài toàn bộ giếng 426m. Như vậy các mức khai thác đều năm trên mức đáy giếng đứng.

Trong mức độ ranh giới giữa chiều sâu đặt công trình và chiều sâu tới hạn nên ảnh hưởng của áp lực mỏ đến quá trình gây bùng nền do trọng lượng khối đá có thể xẩy ra nhưng trong mức độ. Song do chiều sâu đường lò trong quá trình xây dựng mỏ ở mức độ trung bình, nên hiện tượng bùng nền do hiện tượng nén ép, xuất hiện hiện tượng thủy tĩnh. Do vậy đề tài đã nghiên cứu đồng bộ từ đó tìm ra các giải pháp phù hợp để chống giữ các đường lò, đặc biệt ngăn chặn hiện tượng bùng nền, một sự rủi ro tương đối lớn ảnh hưởng đến ổn định đường lò và giá thành khai thác than vùng mỏ Qủang Ninh và mỏ than Mạo Khê nói riêng.

Tài liệu khoan thăm dò bổ sung và đánh giá chất lượng khối đá đặc trưng tại mỏ than Mạo Khê thấy rằng: Than có độ bền rất thấp, nứt nẻ lớn, xen kẹp các lớp than đôi chỗ là sét và sét kết làm cho chất lượng than không cao, lớp trụ, vách trực tiếp đôi khi là sét kết mềm yếu. Đặc biệt tại một số vỉa than, trụ vỉa có chứa khoáng trương nở và chịu tác động của hiện tượng nén ép ở mức độ yếu và trung bình là nguyên nhân chủ yếu gây bùng nền phá huỷ các đường lò mỏ. Vì vậy cần quan tâm nghiên cứu đến vấn đề này.

2. Các giải pháp chống các đường lò bị biến dạng, phá huỷ lò mà mỏ đã và đang sử dụng là những giải pháp khoa học, kinh điển, như giải pháp bố trí đường lò dọc vỉa đá, sử dụng dầm nền hay gia cố đất đá mềm yếu bằng bơm ép gia cường.

Các phương pháp trên phần lớn được sử dụng trong quá trình xén lại lò. Vì thế tính chủ động chưa cao. Mặt khác, vật liệu bê tông cốt thép là loại vật liệu giá thành nhỏ, cung ứng thuận lợi, tận dụng được nhân công dôi dư của các mỏ. Nhưng bê tông cốt thép là loại vật liệu cứng, dòn, khi biến dạng dễ bị phá huỷ không có khả năng phục hối và tái sử dụng. Các thanh BTCT đúc sẵn liên kết theo khớp và cứng nên không thể linh hoạt thay đổi kích thước, giảm ứng suất. Sử dụng dầm ngược liên kết cứng bằng thép lòng máng, là loại kết cấu chống khoa học có tính kỹ thuật cao. Nhưng với kết cấu cứng, khi vì chống chịu tác động mạnh khi áp lực tăng vì chống dễ biến dạng phá huỷ. Chống lại tác động của áp lực từ nền lò bằng dầm nền dù dầm nền phẳng hay dầm cong đều là những phương pháp xử lý tốt, nhưng chưa toàn diện. Do tính ổn định của chiều dày và góc dốc vỉa không cao. Các đường lò dọc vỉa không hoàn toàn song song với mặt lớp đá trụ. Các thành phần cấu kiện vì chống, nhất là dầm nền không được giằng liên kết với nhau. Vì chống đứng chơi vơi không giằng với nhau. Trong khi đó hướng tác dụng của lực đẩy nền không trùng với mặt phẳng vì chống khép kín nên vì bị đẩy xiên. Vì chống bị vặn phá huỷ luôn xẩy ra tại các đoạn lò bùng nền. Từ đó thấy rằng, các biện pháp chống giữ trong các đường lò bùng nền là những giải pháp đúng nhưng chưa gắn kết với điều kiện địa kỹ thuật mỏ. Vì vậy, cần nghiên cứu một cách đầy đủ hơn các yếu tố ảnh hưởng và nguyên nhân gây bùng nền trước khi đề xuất lựa chọn giải pháp chống bùng nền.

3. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng và nguyên nhân gây bùng nền tại các đường lõ Công ty Than Mạo Khê

Các yếu tố về địa hình, địa mạo, cấu tạo vỉa, về đặc điểm cơ học đá chất lượng đá vùng mỏ Mạo Khê là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến biến dạng gây bùng nền phá huỷ đường lò Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin 82 Phòng CN Xây dựng Công trình ngầm & Mỏ Nghiên cứu đề xuất các giải pháp ngăn chặn bùng nền có hiệu quả tại các đường lò mỏ than Mạo Khê Ngoài ra việc sử dụng kết cấu chống chưa phù hợp khi một số các đường lò dọc vỉa mỏ Mạo Khê có tính trương nở cao gây chất bùng nền là không hợp lý. Tác động của áp lực bùng nền do nén ép và bùng nền do trương nở lớn hơn rất nhiều so với áp lực mỏ nhất là tác động không cùng mặt phẳng với vì chống lò. Sử dụng vì chống 3 thanh dạng không khép kín là trong môi trường tác động đa chiều của áp lực là nguyên nhân phá huỷ các đường lò dọc vỉa phải xén lại nhiều lần của mỏ than Mạo Khê. Hầu hết các vỉa than vùng Quảng Ninh nước ta không ổn định vách trụ vỉa, độ bền của đá vách trụ vỉa không ổn định và thấp. Do đó khi thi công các đường lò dọc vỉa than, nền lò có độ bền khác nhau, trục đường lò không trùng với mặtphân lớp nên áp lực tác động lên kết cấu chống lò không chỉ có tác động của áp lực nóc, áp lực hông, áp lực trương nở mà còn bị tác động của áp lực theo trọng lực ngay cả khi đường lò nằm ở mức chưa quá sâu(~400m).

4. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật ngăn ngừa bùng nền áp dụng cho mỏ than Mạo Khê

Qua nghiên cứu các nguyên nhân gây ra bùng nền tại Mạo khê, thấy rằng do mức độ khai thác của công ty than Mạo Khê ngày càng xuống sâu, hiện tượng nén ép kết hợp trương nở do sét là nguyên nhân chính gây ra bùng nền, nghiên cứu đề xuất các giải pháp xử lý bùng nền bao gồm một số giải pháp. Tuy nhiên tùy mức độ áp lực tính toán cụ thể có thể sử dụng tổ hợp các loại giải pháp ngặn chặn bùng nền hiệu quả.

Trong đó kết hợp chủ yếu các giải pháp:

- Sử dụng vì chống thép lòng máng cải tiến (SVPU thép chữ V) liên kết linh hoạt dầm ngược dạng vòm để chống bùng nền mỏ than Mạo Khê

- Sử dụng neo dính kết chống giữ lò trong môi trường bùng nền mỏ Mạo Khê

- Sử dụng tính năng dự ứng lực đối với neo chất dẻo sợi cáp hoặc chất dẻo cốt thép để chống bùng nền mỏ than Mạo Khê

- Sự dụng tổng hợp vì chống linh hoạt thép lòng máng với neo dính kết ngăn chặn bùng nền

- Tiếp tục nghiên cứu phương pháp ức chế hoạt động của khoáng trương nở chống bùng nền

5. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp chống bùng nền đối với điều kiện địa chất mỏ Mạo Khê

Kết quả khảo sát, đánh giá, phân tích và thực hiện các thí nghiệm xác định tính chất vật lý đá mỏ Mạo Khê thấy rằng các đường lò đang trong thời kỳ chuẩn bị sản xuất được bố trí ở chiều sâu chưa lớn lăm. Hiện tượng được lò dọc vỉa phải xén lại không xẩy ra tại tất cả các vỉa và trong toàn bộ chiều dài đường lò. Kết quả lấy mẫu xét nghiệm tại các đoạn lò bị phá huỷ đều cho thấy sự phá hủy có nguống gốc của bùng nên do trương nở đất đá. Trong bối cảnh hiện nay, khi các đường lò dọc vỉa đều đào trong các vỉa có chiều dày nhỏ hoặc trung bình nên việc bố trí các đường lò dọc vỉa đào trong đá như trước đây là không cần thiết. Phương pháp đào chống giữ trong điều kiện bùng nền nên thực hiện theo 3 giải pháp sau:

- Sử dụng vì chống thép lòng máng (tốt nhất là thép lòng máng cải tiến SVPU nếu nhập hoặc sản xuất được) để gia công các vì chống dạng vòm khép kín. Dầm nền sử dụng loại 4 thanh, liên kết linh hoạt với cột chống và sử dụng đầy đủ các phụ kiện kèm theo vì chống. Vì chống phải được liên kết chặt với nhau bằng gông vai bò (SDO) thanh giằng thép tròn cứng, lướí thép chèn kín. Để bảo đảm công suất khai thác lò chợ. Các thông số kỹ thuật về vận tải, thông gió cần đầu tư loại vì thép lòng máng cải tiến để thiết kế sử dụng vì chống thép lòng máng, liên kết linh hoạt dạng nóc lò phẳng. Với các mối liên kết linh hoạt dạng vì chống lớn hơn 3 thanh.

- Sử dung tổ hợp neo dính kết để chống giữ không chỉ trong các đường lò đào trong đá mà cả trong các đường lò dọc vỉa đá mềm yếu khi chỉ số RQD (phân lớp, nứt nẻ) phù hợp. Sự dụng nguyên lý dầm đối với nóc lò, nguyên lý treo đối với neo nền đặc biệt tại các vị trí đá trụ trực tiếp có chứa khoáng trương nở. Khoảng cách giữa các neo cần được thiết kế cụ thể trên cơ sở khảo sát đánh giá chất lượng khối đá đặc biệt khoảng cách giữa các mặt giảm yếu để neo liên kết và phát huy tác dụng gia cố. Sử dụng neo chống giữ, ngăn chặn bùng nền cần có bản đồ mặt cắt đường lò cụ thể để thiết kế sao cho neo dài hay neo cáp chất dẻo hay neo cáp bê tông khoá neo phải nằm trong đá vách, trụ cơ bản.

- Để nâng cao tính an toàn, hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế nên sử dụng hộ chiếu chống giữ kết hợp giữ vì chống thép lòng máng, linh hoạt khép kín kết hợp với neo dính kết lớp ngắn và lớp dài. Hệ thống vì chống thép lòng máng, linh hoạt kết hợp với tổ hợp neo cần đầy đủ các phụ kiện để có sự liên kết chống xô lệch vì chống và tác động của áp lực mỏ, áp lực trương nở gây nên.

Nhóm nghiên cứu kiến nghị, để có các giải pháp chống và ngăn chặn hạn chế bùng nền đề nghị được tiếp tục nghiên cứu: ngăn ngừa cách ly khoáng trương nở và các biện pháp chống bùng nền và mất ổn định theo hiện tượng nén ép; lập bản đồ nguy cơ bùng nền đối với các mỏ hầm lò.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15459/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)