Nâng cao ổn định công trình, mức độ an toàn, rủi ro ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

1. Đặt vấn đề

Giai đoạn phát triển của công nghệ chống lò bằng vì neo có các ưu việt nổi trội hơn hẳn so với các loại vì chống khác được sử dụng trong các mỏ than hầm lò như các loại vì chống thép, bê tông cốt thép, gỗ v.v... là vì neo mang tải ngay sau khi được lắp đặt, có tác dụng liên kết, gia cường độ ổn định và ngăn cản sự phát triển dịch động, phá huỷ của khối đá xung quanh đường lò. Ngoài ra sử dụng vì neo cho phép cơ giới hoá toàn bộ khâu chống lò dẫn đến giảm chi phí lao động và tăng tốc độ đào chống lò. Chính vì vậy vì neo được đưa vào sử dụng từ rất sớm ở nhiều nước trên thế giới như neo thép ở Anh (1872); neo gỗ ở Mỹ (1900); neo gỗ, thép ở Nga (1950) v.v... , và đến nay sau hơn 100 năm ra đời và phát triển, công nghệ chống vì neo được áp dụng ở hầu hết các mỏ hầm lò trên thế giới trong nhiều điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ khác nhau và đã đạt được những thành tựu to lớn về mọi phương diện như sơ đồ công nghệ , đồng bộ thiết bị thi công chống neo, vật liệu neo, chất dẻo kết dính, công nghệ quan trắc kiểm soát tính năng làm việc và độ tin cậy của vì neo cũng như các quy chuẩn an toàn và kỹ thuật tính toán và áp dụng vì neo trong chống lò.

Từ cuối những năm 40 của thế kỷ trước, vì neo chủ yếu được sử dụng để chống giữ các công trình ngầm, tiếp đó từ đầu những năm 50 đến nay, vì neo được sử dụng ở các mỏ hầm lò khai thác than, quặng và liên tục được hoàn thiện và phát triển, trở thành một loại hình vì chống rất ưu việt, không thể thiếu trong khai thác mỏ.

2. Quá trình phát triển của vì chống neo một số giai đoạn:

- Giai đoạn 1950-1960: chủ yếu là loại neo cơ học cố định ở đầu có dạng nêm, vít nở v.v..., được sử dụng rộng rãi ở Anh, Pháp, Nga. Loại này có lực khoá neo thấp, không thích hợp sử dụng trong lớp đá mềm yếu, kém bền vững.

- Giai đoạn 1960-1970: Đức bắt đầu nghiên cứu chế tạo neo chất dẻo năm 1958 và từ năm 1959 đến 1961 đã chống thử nghiệm thành công ở các đường lò trong mỏ; thời kỳ đầu neo chất dẻo chỉ cố định đầu neo, đường kính lỗ khoan neo tương đối lớn (3845mm), sau đó phát triển sử dụng neo chất dẻo dính kết toàn thân với đường kính lỗ khoan neo 20-30mm, có lực chịu tải lớn, độ tin cậy cao và nhanh chóng được phổ biến áp dụng rộng rãi ở Đức và các nước khác trên thế giới.

- Giai đoạn 1970-1980: ở nhiều nước đã nghiên cứu chế tạo thành công và đưa vào mỏ ứng dụng các loại neo ma sát cố định toàn thân như neo ống phồng, neo ống chẻ. Tuy nhiên các loại neo này dễ bị ăn mòn han rỉ; lực chịu tải bị ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố chất lượng vật liệu thép, tính chất đất đá, đường kính lỗ khoan và công nghệ thi công phức tạp nên việc áp dụng trong mỏ bị hạn chế.

- Giai đoạn1980-1990: đã xuất hiện nhiều loại vì neo đặc chủng như neo bê tông cốt thép, neo dẻo cốt thép, neo cáp, neo dẻo dự ứng lực; ngoài ra vật liệu chất dẻo cũng như kỹ thuật thi công chống neo cũng được hoàn thiện và phát triển lên một bước.

- Giai đoạn từ cuối những năm 90 thế kỷ trước đến nay, các nước nghiên cứu phát triển các loại chất dẻo kết dính neo với tốc độ đóng rắn nhanh, siêu nhanh, độ bền sau đóng rắn cao, lực dính kết lớn nên đã tạo ra các loại vì neo dẻo cốt thép, neo cáp kháng lực lớn với công nghệ thi công đơn giản và có thể sử dụng độc lập hoặc hỗn hợp với các loại vì chống và các phương pháp gia cường khối đá yếu trong các điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ phức tạp. Vì chống neo là loại vì chống tích cực có khả năng mang tải ngay, gắn kết các lớp đất đá lại với nhau, tạo lớp đất đá xung quanh thành một dầm cứng vững chống lại khả năng sập đổ của đất đá. Do đặc tính này nên sự cố sập đổ của các công trình ngầm giảm đi rõ rệt. Tỉ lệ tai nạn tụt hầm lò trong các công trình ngầm chống bằng vì chống neo so chống vì thép giảm rõ rệt từ 15% năm 2016  đến năm 2020 còn 2%.

Ngày nay, ở hầu hết các nước trên thế giới vì neo đã trở thành hình thức chống chủ đạo trong các mỏ than hầm lò; các loại vì neo dẻo kháng lực lớn không chỉ được sử dụng ở các điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ thuận lợi như  đường lò dọc vỉa nằm ngoài khu vực ảnh hưởng của áp lực lò chợ, chiều dày vỉa trung bình, đất đá vách trụ tương đối ổn định, ít ảnh hưởng của điều kiện địa chất thuỷ văn v.v... mà còn sử dụng có hiệu quả ở các điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ phức tạp như đường lò nằm trong vùng ảnh hưởng của áp lực tựa, các khu vực ngã ba đường lò, ngã ba lò chợ, các hầm trạm, buồng, khám với diện tích lộ trần lớn; ở vỉa than chiều dày lớn, đất đá vách mềm yếu, ngậm nước. Ngoài ra vì neo dẻo còn được sử dụng rộng rãi để cố định các tuyến vận tải bằng monoray, định vị các thiết bị đầu máng cào, quang lật, trạm trục tải, trạm quạt gió v.v...

Hình 1. Sử dụng giải pháp công nghệ tiên tiến chống các đường lò than

Tại Australia và Mỹ do điều kiện địa chất thuận lợi và làm chủ công nghệ chống vì neo tiên tiến nên vì neo được sử dụng để chống 100% đường lò trong mỏ; từ trước năm 1987 ở Anh có gần như 100% đường lò chống bằng vì chống thép, nhưng đến năm 1990 đã có 50% đường lò chống neo, năm 1994 đạt 80% và năm 1997 đạt 90%; ở Pháp đến năm 1986 đường lò chống giữ bằng neo chiếm 50%; tại vùng Cudơbát-LB Nga hiện nay hơn 95% các đường lò được chống bằng vì neo dẻo các loại; năm 2005 ở Trung Quốc có hơn 60% các đường lò được chống giữ bằng vì neo, thậm chí ở một số mỏ số đường lò được chống bằng vì neo chiếm 90% -100%.

Hình 2. Hộ chiếu chống các ngã ba, ngã tư và các đường lò tiết diện lớn

Quá trình phát triển loại hình chống lò bằng vì neo gắn liền với các nghiên cứu lý thuyết và thực hành của các nhà khoa học ở nhiều nước trên thế giới. Các nhà khoa học như Peng (1984), Panek (1956), Gerrnad (1983), v.v... đã có các công trình nghiên cứu lý thuyết tính toán thiết kế chống lò bằng vì neo theo nguyên lý treo, nguyên lý bản dầm và nguyên lý nêm cho các đặc điểm điều kiện địa chất khối đá khác nhau. Một số nhà khoa học và cơ quan nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu phân loại khối đá mỏ phục vụ tính toán và sử dụng vì neo để chống lò như Terzaghi (1946), Lauffer (1958), Deere (1964), Wickkham (1972), Bieniawski (1973), Barton (1974), v.v....

Hình 3. Hộ chiếu chống vì neo tiên tiến trong khu vực khai thác

Hình 4. Hộ chiếu chống vì neo định vị treo thiết bị vận tải monoray

Do tính ưu việt và hiệu quả chống giữ của vì neo nên các nước phát triển trên thế giới đã dần thay thế phương pháp chống giữ lò truyền thống bằng phương pháp chống neo. Điển hình như ở Mỹ, Úc, Đức đã sử dụng neo để chống 100% các đường lò trong mỏ, vùng Cudơbat-LB Nga gần 95% các đường lò được chống bằng vì neo, một số nước khác như Trung Quốc, Anh, Ba Lan số lượng đường lò trong mỏ chống bằng neo >50%. Sử dụng vì neo để chống lò đảm bảo nâng cao độ ổn định lò, giảm chi phí đào chống và duy trì lò ổn định trong thời gian khai thác và mang lại hiệu quả kinh tế to lớn;

- Các nước trên thế giới đều xuất phát từ phương pháp tiếp cận tổng hợp để tính toán và lựa chọn các giải pháp công nghệ tiên tiến chống vì neo theo mô hình: Đánh giá tính chất cơ học khối đá → Thiết kế chống giữ ban đầu → Thi công chống vì neo và quan trắc kiểm soát tình trạng ổn định đường lò → Phân tích, đánh giá thông tin về tình trạng ổn định đường lò và tính năng công tác của vì neo → Hoàn thiện thiết kế chống neo → Quan trắc kiểm soát liên tục tình trạng làm việc của vì neo và tình trạng ổn định đường lò → Ban hành Quy chuẩn về kỹ thuật và an toàn trong tính toán, sử dụng vì neo chống lò.

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, áp dụng vì neo để chống giữ các đường lò đã được triển khai, thực hiện từ những năm 80 của thế kỷ trước. Giữa những năm 90 của thế kỷ trước, lần đầu tiên ở các mỏ Mạo Khê và Vàng Danh đã thử nghiệm neo chất dẻo và từ đầu những năm 2000, neo chất dẻo, neo cáp lần lượt được thử nghiệm ở các mỏ Dương Huy và Khe Chàm dưới sự tài trợ của các tổ chức quốc tế. Sau đó, việc thử nghiệm đã không được duy trì, tiếp tục. Trước năm 2010, việc triển khai áp dụng vì neo trong các mỏ than hầm lò gặp rất nhiều khó khăn và hầu như chỉ sử dụng loại neo bê tông cốt thép với khối lượng rất hạn chế.

Để thúc đẩy áp dụng công nghệ chống lò bằng vì neo, TKV đã ban hành quyết định số 297/QĐ-TKV ngày 01/3/2017 của Tổng giám đốc Tập đoàn TKV về kế hoạch chống lò bằng vì neo, theo đó, năm 2018, mét lò chống neo đạt 10% tổng số mét lò đào mới. Năm 2019 đạt 20% tổng số mét đào lò mới. Năm 2020 đạt 30% tổng số mét đào lò mới. Đến năm 2030 phấn đấu 70% mét lò đào trong đá chống neo, 30% mét lò đào trong than chống neo. Thực tế những năm vừa qua cho thấy khối lượng mét lò chống bằng vì neo phần lớn không đạt theo kế hoạch đề ra. Bảng thống kê khối lượng mét lò chống vì neo 2017-2020 dưới đây:

Trong giai đoạn này đã triển khai một số công trình nghiên cứu về chống neo của Viện KHCN Mỏ như dự án SXTN của TS. Lê Văn Công “Áp dụng thử nghiệm chống lò dọc vỉa than bằng vì neo chất dẻo cốt thép tại các mỏ hầm lò Quảng Ninh”. Dự án này tập trung vào việc mở rộng phạm vi áp dụng vì neo cho các đường lò than. Kết quả nghiên cứu và triển khai dự án là cơ sở để tiếp tục phát triển chống vì neo chất dẻo cốt thép cho các đường lò đào trong than tại các mỏ Khe Chàm, Dương Huy, Quang Hanh. Do khối đá vách xung quanh các đường lò này là sét kết, bột kết (ở vách và trụ vỉa) có tính phân lớp mạnh, có độ bền không cao, tính ổn định khi lộ trần thấp nên công tác chống neo chất dẻo cốt thép gặp rất nhiều khó khăn. Ngoài ra, còn một số các đề tài nghiên cứu của các giả TS. Nông Việt Hùng như “Nghiên cứu áp dụng vì chống neo trong các đường lò than khu vực khai thác lò chợ tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo neo cáp và các phụ kiện vì neo cho các mỏ hầm lò thuộc TKV”; tác giả Vũ Văn Quyết như “Nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật chống giữ phối hợp giữa neo và neo cáp chịu lực lớn phục vụ khai thác hầm lò dọc vỉa”. Tuy nhiên, do hạn chế về phương pháp tiếp cận tổng hợp và thiếu đồng bộ thiết bị thi công, quan trắc kiểm soát dịch động khối đá mỏ nên các kết quả nghiên cứu chưa đưa được vào thực tế sản xuất.

Thực tế hiện nay công nghệ chống lò bằng vì neo ở các mỏ than chỉ là thời kỳ phát triển ban đầu, sử dụng vì neo chủ yếu tập trung ở các các điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ tương đối thuận lợi như các lò đào trong đá có độ ổn định cao, các đường lò than trong vỉa có chiều dày trung bình ở các khu vực không có sự ảnh hưởng của lò chợ khai thác. Các giải pháp công nghệ tiên tiến chống neo ở các khu vực có điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ phức tạp chưa được thử nghiệm một cách hệ thống và toàn diện, đồng bộ thiết bị thi công và công nghệ quan trắc kiểm soát độ ổn định đường lò, kiểm soát khả năng làm việc của neo rất hạn chế. Mặc dù các mỏ đã tiến hành quan trắc dịch động đá vách trong đường lò chống neo nhưng các số liệu quan trắc chưa được cập nhật, tích hợp với điều kiện tự nhiên và hộ chiếu chống nên chưa xác định được tính tương thích giữa các điều kiện tự nhiên với hộ chiếu chống lò. Vì vậy, có không ít trường hợp, hộ chiếu chống lò thừa bền, gây lãng phí nhưng cũng có trường hợp thiếu độ bền cần thiết, đường lò mất ổn định dẫn đến việc phải dừng công tác chống neo. Đây là những nguyên nhân cơ bản dẫn đến trong nhiều năm tỷ lệ mét lò chống neo hàng năm vẫn rất hạn chế.

Thực tế cho thấy, đối với các mỏ ngày càng khai thác xuống sâu và điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ phức tạp, các lý thuyết này cần được sử dụng bổ trợ cho nhau để tính toán thiết kế chống vì neo mới đem lại hiệu quả. Từ kết quả nghiên cứu và áp dụng vì neo trong những điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ khác nhau, đến nay trên thế giới đã đúc kết được nhiều kinh nghiệm chống lò bằng vì neo trên các phương diện tính năng kết cấu, phương thức gia cố, phương pháp chống giữ, kỹ thuật thi công như sau:

Đặc biệt coi trọng công tác kiểm tra đo đạc tham số cơ học đất đá xung quanh đường lò để nhận biết một cách rõ ràng nhất đối với đối tượng chống giữ. Ở Mỹ, Australia, Anh trước khi thiết kế chống giữ neo cần phải tiến hành xác định cụ thể ứng suất nguyên sinh, độ bền cơ học và cấu trúc khối đá cũng như sự phân bố trường ứng suất xung quanh đường lò;

Lựa chọn phương pháp thiết kế chống giữ neo phù hợp với đặc điểm điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ. Ở hầu hết các nước đều sử dụng phương pháp thiết kế: Đánh giá tính chất cơ học khối đá → Thiết kế chống giữ ban đầu → Thi công chống vì neo và quan trắc kiểm soát tình trạng ổn định đường lò → Phân tích, đánh giá thông tin về tình trạng ổn định đường lò và tính năng công tác của vì neo → Hoàn thiện thiết kế chống neo → Quan trắc kiểm soát liên tục tình trạng làm việc của vì neo và tình trạng ổn định đường lò → Ban hành Quy chuẩn về kỹ thuật và an toàn trong tính toán, sử dụng vì neo chống lò.

Căn cứ vào điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ ở mỗi nước người ta lựa chọn hình thức chống giữ phù hợp: ở Australia và Anh chủ yếu sử dụng neo thép xoắn cố định toàn thân bằng chất dẻo; ở Mỹ và Đức sử dụng nhiều chủng loại neo để thích ứng với từng điều kiện địa chất cụ thể. Các nghiên cứu khoa học phát triển theo hướng tìm kiếm các loại vì neo có cường độ kháng tải và độ tin cậy cao, như ở Australia cường độ giới hạn của vật liệu neo thường là 400-600MPa, thậm chí còn lớn hơn 600Mpa; tại Anh cường độ giới hạn của vật liệu neo là 640-720Mpa, còn tại Mỹ là 414-89Mpa. Đa số các nước sử dụng neo có đường kính từ 20-22mm, đôi lúc 24mm; tải trọng kéo đứt thanh neo thường lớn hơn 200kN, có khi trên 300kN, thậm chí ở Anh còn nghiên cứu chế tạo ra neo có thể chịu kéo lớn 500kN. Cường độ kháng tải của neo lớn cho phép giảm mật độ chống neo và tăng được tốc độ đào chống lò.

Máy móc, thiết bị thi công neo tiên tiến đã thúc đẩy phát triển kỹ thuật chống giữ neo, không những bảo đảm chất lượng chống giữ mà còn nâng cao tốc độ đào lò. Ở Australia, Mỹ, Anh, Trung Quốc và một số nước khác đã sử dụng các tổ hợp máy đào - chống neo hiện đại cho phép nâng cao tốc độ đào chống lò bằng vì neo. Ngoài ra, các loại máy khoan, choòng và mũi khoan, hệ thống lắp đặt neo cũng không ngừng được nghiên cứu hoàn thiện và ngày càng đáp ứng yêu cầu thi công chống giữ neo trong mọi điều kiện địa chất-kỹ thuật mỏ.

Hình 5. Thiết bị kiểm tra khả năng mang tải của vì neo

Hình 6. Thiết bị chụp ảnh thành lỗ khoan xác định nứt nẻ khối đá

Thiết bị quan trắc đo đạc, kiểm soát độ tin cậy và tính năng làm việc vì neo như máy chỉ thị tách lớp trên nóc lò, chuyển vị biên lò, đo lực khoá neo ... ngày càng được nghiên cứu hoàn thiện. Ở nhiều nước trên thế giới hiện nay đã sử dụng các hệ thống quan trắc, đo đạc tập trung tính năng làm việc của neo và độ ổn định của đường lò, đảm bảo kiểm soát liên tục tình trạng ổn định và mức độ an toàn của đường lò.

Hình 7. Hệ thống quan trắc tập trung dịch động trên nóc lò chống neo

Hình 8: Hình ảnh một số loại thiết bị máy khoan neo

3. Kết luận – kiến nghị

Công nghệ chống lò bằng vì neo trên thế giới phát triển mạnh mẽ, ngày càng được hoàn thiện và đạt trình độ tiên tiến về mọi phương diện như giải pháp công nghệ chống giữ lò, đồng bộ thiết bị thi công, vật liệu neo, công nghệ quan trắc kiểm soát độ an toàn của vì neo và độ ổn định đường lò. Vì vậy cần nghiên cứu, hoàn thiện các kết quả của các nước tiên tiến áp dụng công nghệ chống neo phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, mục đích đưa nhiều đối tượng sử dụng vì neo giảm chi phí giá thành sản xuất cho ngành than đồng thời nâng cao ổn định công trình, mức độ an toàn, rủi ro ở các mỏ hầm lò.

So với các nước trên thế giới, kỹ thuật công nghệ chống vì neo của Việt Nam đang ở giai đoạn phát triển ban đầu, còn thiếu sự thống nhất trong việc xác định điều kiện tự nhiên phục vụ cho lựa chọn giải pháp chống neo, thiếu các giải pháp tiên tiến để sử dụng vì neo trong các điều kiện địa chất - kỹ thuật mỏ khác nhau, kể cả điều kiện phức tạp, thiếu công nghệ quan trắc kiểm soát độ ổn định đường lò và khả năng làm việc thực tế của vì neo. Việc phân tích thông tin, dữ liệu thực tế chống lò bằng vì neo theo mô hình tiếp cận tổng hợp của thế giới chưa được tiến hành, nên việc chống neo mới chỉ được thực hiện ở các khu vực có điều kiện thuận lợi, khối lượng mét lò chống neo còn rất hạn chế, chỉ đạt khoảng 10 ~ 12%. Thực tế đòi hỏi cần phải có các nghiên cứu tổng thể về công nghệ sử dụng vì neo theo mô hình tiếp cận hiện đại mà các nước trên thế giới đã và đang áp dụng để có cơ sở khoa học và thực tiễn phát triển sử dụng rộng rãi vì neo ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. Các quy chuẩn kỹ thuật, an toàn về vật liệu, kết cấu neo và kỹ thuật chống giữ neo luôn được hoàn thiện đã thúc đẩy mạnh mẽ áp dụng vì neo trong các mỏ than ở nhiều nước trên thế giới.

Hy vọng rằng, trong thời gian tới kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ vật liệu chống mới cho các Công trình ngầm bằng vì chống neo thay thế vì chống thép được áp dụng có hiệu quả nhằm nâng cao ổn định công trình, mức độ an toàn, rủi ro ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. Từ đó, công tác quản lý vệ sinh lao động, quản lý sức khỏe của người lao động sẽ được cải thiện một cách đáng kể, đặc biệt giảm thiểu tai nạn lao động là hạn chế gia tăng tỷ lệ người khuyết tật trong cộng đồng.

Tài liệu tham khảo:

1. Hướng dẫn chống lò sử dụng neo dính kết, phối hợp bê tông phun hoặc lưới thép ở các mỏ than hầm lò, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam 2018;

2. Viện KHCN Mỏ - Vinacomin. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công thương: Nghiên cứu áp dụng vì chống neo trong các đường lò than khu vực khai thác lò chợ tại một số mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh. Chủ nhiệm: TS. Nông Việt Hùng, Hà Nội – 2018;

3. Viện KHCN mỏ Vinacomin. Sản xuất chất dẻo phục vụ công tác chống lò bằng vì neo - thuyết minh dự án xây dựng xưởng sản xuất thỏi chất dẻo phục vụ công tác chống lò. Chủ nhiệm Lê Văn Công & nnk, Hà Nội – 2010;

4. Trường đại học công nghiệp Quảng Ninh. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Công thương: Nghiên cứu đề xuất giải pháp kỹ thuật chống giữ phối hợp giữa neo và neo cáp chịu lực lớn phục vụ khai thác hầm lò dọc vỉa , TS. Vũ Đức Quyết 2017;

5. Báo cáo khối lượng mỏ của TKV các năm 2016 – 2020;

Cùng một số tài liệu tham khảo khác./.

TS. Nông Việt Hùng

Viện Công nghiệp Môi trường

Nguồn: donghanhviet.vn