phân tích đánh giá ổn định bờ Mỏ mặt trợt có dạng phẳng Nguyễn Tiến Hải, Phạm Văn Hòa Bộ môn khai thác Lộ thiên, Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội Vũ Trọng Hùng Phòng Kỹ thuật, Công ty than Đèo Nai Tóm tắt: Hiện tợng trợt theo mặt phằng thờng xuất mỏ lộ thiên hay công trình khác có nguyên nhân xuất phát từ việc hình thành mặt gián đoạn cắt mặt bờ dốc Khi tiến hành thiết kế, để bờ dốc hoạt động trạng ổn định phải ý tìm điều kiện xấu xảy bờ dốc Trong báo tác giả đề cập tới phơng pháp phân tích đánh giá mức độ ổn định bờ dốc dựa lý thuyết cân giới hạn trình trợt lở xảy theo mặt phẳng Dựa sở lý thuyết phơng pháp tác giả giới thiệu sử dụng phần mềm RocPlane để giải toán cụ thể Giới thiệu 1.1 Giới thiệu chung Hiện nay, tợng trợt lở mỏ lộ thiên nh công trình xây dựng trở thành vấn đề nhức nhối, trợt lở làm thiệt hại nhiều tỷ đồng cho doanh nghiệp mà làm an toàn hoạt động sản xuất mỏ Do để đánh giá mức độ ổn định bờ mỏ, phân tích đánh giá ta phải dựa phơng pháp hợp lý Qua trình nghiên cứu lý thuyết nh thực tiễn E Hoek & J.W Bray phân loại dạng trợt lở thờng xuất bờ dốc nh (Hình 1) Trong báo tác giả đề cập đến phơng pháp phân tích đánh giá bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng (Hình 1.a) Hình Các dạng trợt lở xảy bờ dốc đá thờng xuất MLT (Hoek & Bray 1988); (a) trợt theo mặt phẳng, (b) khối trợt hình nêm, (c) Hiện tợng đá đổ, (d) mặt trợt dang cong hay cung tròn Hiện tợng trợt theo mặt phằng (trợt phẳng) thờng xuất mỏ lộ thiên, công trình giao thông nguyên nhân xuất phát từ việc hình thành mặt gián đoạn cắt trực tiếp vào mặt bờ dốc Các mặt gián đoạn khe nứt, đứt gãy, mặt phân lớp Thông thờng mặt gián đoạn độ bền cắt nhỏ so với vùng đất đá xung quanh nó, trình trợt lở thờng xảy Có nhiều tác giả sâu nghiên cứu để đa phơng pháp đánh giá mức độ ổn định bờ dốc mặt trợt có dạng mặt phẳng Lý thuyết đợc sử dụng rộng rãi cho kết tính toán xác đợc Hoek & Bray (1981) Piteau & Martin (1982) phát triển dựa lý thuyết cân giới hạn Sau lý thuyết đợc hoàn thiện đợc sử dụng làm sở lý thuyết để xây dựng phần mềm thơng mại nh RocPlane (hãng Rocscience), RockPack III (Rockware) dùng để thiết kế đánh giá tất bờ dốc mặt trợt xuất có dạng mặt phẳng 1.2 Điều kiện để bờ dốc trợt lở theo mặt phẳng Theo Hoek & Bray [1] bờ dốc xảy trợt theo mặt phẳng thỏa mãn điều kiện sau đây: - Mặt trợt hình thành xảy có đờng phơng song song gần nh song song với mặt bờ dốc (trong phạm vi 20 độ) - Mặt yếu phải cắt mặt bờ dốc (góc dốc mặt yếu phải nhỏ góc dốc mặt bờ dốc) - Góc dốc mặt trợt phải lớn góc nội ma sát mặt trợt - Mặt tách hai bên khối trợt có cờng độ lực giữ không đáng kể Nếu trờng hợp trợt lở xảy dọc mặt yếu, xuất không xuất khe nứt dựng đứng, khe nứt nằm mặt đỉnh bờ dốc Khi xuất khe nứt, theo Hoek & Bray để tiến hành phân tích đánh giá mức độ ổn định cần có thêm giả thiết sau đây: - Cả mặt trợt khe nứt dựng đứng phải có đờng phơng song song gần nh song song với mặt bờ dốc - Khe nứt xuất phía có dạng thẳng đứng với chiều cao z, khe nứt có chứa nớc với chiều cao zn - Nớc chảy vào mặt trợt từ vị trí khe nứt dựng đứng, phần đầu mặt yếu sau chảy dọc mặt yếu mặt bờ dốc Sự phân bố áp lực nớc khe nứt dọc mặt trợt đợc giả thiết nh Hình vẽ - Độ bền cắt đất đá (S) vị trí mặt yếu đợc xác định theo thuyết bền Mohr Coulumb, dựa hai thông số c theo mối liên hệ: S = c + ntang với c, lần lợt cờng độ lực dính kết góc nội ma sát mặt yếu., n : thành phần ứng suất pháp tác dụng lên mặt yếu Khe nứt Sự phân bố áp lực nước tác dụng lên mặt yếu khe nứt Hình Các thông số dùng để phân tích ổn định bờ dốc (b = Vị trí khe nứt dựng đứng; z = chiều sâu khe nứt dựng đứng; H = chiều cao bờ dốc; = góc nghiêng bờ dốc; = góc nghiêng mặt trợt, = góc nghiêng bề mặt phía bờ dốc ; A = diện tích tác dụng vị trí mặt trợt; W = trọng lợng khối trợt; U = áp lực nớc tác dụng lên mặt trợt; V = áp lực nớc tác dụng lên khe nứt) Khe nứt dựng đứng đóng vai trò quan trọng ổn định bờ dốc loại Nó nguyên nhân làm giảm diện tích tác dụng mặt yếu đồng thời làm giảm trọng lợng khối trợt tác dụng lên mặt trợt Tính ổn định hầu hết bờ dốc phụ thuộc nhiều vào chiều sâu (z) vị trí khe nứt (b -khoảng cách tính từ mép tầng tới vị trí khe nứt) Đặc biệt tiến hành tính chọn thiết kế bờ mỏ hoạt động trạng thái ổn định, ta phải thực bớc tính toán để tìm điều kiện xấu bờ dốc, đồng thời ta phải dự đoán đợc thông số liên quan đến khe nứt (z, b) Xác định hệ số ổn định () Để đánh giá mức độ ổn định bờ dốc ta dùng phơng pháp dựa lý thuyết cân giới hạn để tính trực tiếp hệ số dự trữ ổn định thông qua việc so sánh thành phần lực gây trợt lực chống trợt tác dụng lên mặt trợt Đối với trờng hợp bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng có cấu tạo nh Hình công thức tổng quát để xác định hệ số ổn định đợc thể nh sau: = cA + (W cos U V sin ) tan g W sin + V cos (1) Trờng hợp bờ mặt bờ dốc phẳng, góc = lúc giá trị công thức đợc tính: A= (H - z) Sin (2) (H z) n z n Sin V = n z n U= (3) (4) Trọng lợng khối trợt (W) đợc xác định theo công thức (5) khe nứt dựng đứng nằm mặt bờ dốc, W đợc xác định theo công thức (6) khe nứt dựng đứng nằm phía đỉnh bờ dốc H W= z cotg cotg H (5) H W= z cotg (cotg tang 1) H (6) Khi vị trí chiều sâu khe nứt không xác định, Hoek Bray xây dựng công thức dự đoán chiều sâu (z) theo công thức (7) vị trí khe nứt (b) theo công thức (8) Công thức đợc thành lập vế phải công thức (1) đạt giá trị nhỏ (Min) theo z/H z = cotg tang hay H ( ) z = cotg tang H (7) từ thông số hình học bờ dốc Hoek Bray xây dựng công thức xác định vị trí khe nứt: b = cotg cotg cotg hay b = H ( ) cotg cotg cotg H (8) Trờng hợp tổng quát bề mặt phía tạo với đờng nằm ngang góc khác không lúc thực tơng tự bớc xây dựng công thức để tính toán A, W, b z theo trình tự (Hoek Bray) ta xác định đợc: H + b tang 2 H b b + ( tang tang ) ( tang tang ) W= tang H H A= b= Cos ( H tang tang + tang tang tang + tang tang tangtang tang ( tang tang ) z = H + b tang - (X+b)tang (9) (10) ) (11) (12) Ví dụ phân tích, đánh giá ổn định bờ dốc Các công thức (1) đến (12) đợc sử dụng làm sở lý thuyết công tác đánh giá mức độ ổn định bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng Cơ sở lý thuyết đợc phát triển để xây dựng phần mềm thơng mại nh Rocplane hãng RocScience, Rockpack hãng RocWare Trong phần tác giả giới thiệu ví dụ tính toán với thông số đầu vào bờ dốc đợc thể Bảng 1, sau nhập số liệu phần mềm RocPlane mô trình trợt lở xảy nh Hình 3, kết đánh giá mức độ ổn định nh thông số liên quan đợc thể Hình Bảng Các thông số bờ dốc dùng tính toán Các thông số Chiều cao bờ dốc, H (m) Góc nghiêng bờ dốc, (độ) Góc mặt bờ dốc so với mặt nằm ngang, (độ) Vị trí khe nứt dựng Cờng độ lực dính kết mặt yếu, c (T/m2) Góc nội ma sát đất đá mặt yếu, (độ) Trọng lợng riêng đất đá, (T/m3) Khe nứt dựng đứng chứa nớc Giá trị 60 50 10 10 35 2,7 zn = 0,8 z Hình Trình tự trợt lở bờ dốc đợc mô qua phần mềm RocPlane 2.0 Hình Kết tính toán, đánh giá mức độ ổn định bờ dốc dựa thông số đầu vào Bảng (Hệ số an toàn, = 0,95; z = 24,747; zn = 0,8 z) Kết luận Hiện tợng trợt lở vấn đề cấp thiết cần đợc nghiên cứu tỉ mỉ mỏ khai thác lộ thiên Việt nam nhằm hạn chế hậu chúng tạo Do đó, để tiến hành phân tích đáng giá cách xác nhằm đảm bảo tính ổn định bờ dốc cần sử dụng phơng pháp đánh đắn dạng biến dạng trợt lở cụ thể Trong báo tác giả giới thiệu sở lý thuyết phần mềm ứng dụng nhằm đa nhìn rõ ràng phơng pháp phân tích, đánh giá ổn định bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng phục vụ cho công tác thiết kế nh đánh giá mức độ ổn định bờ dốc Tài liệu tham khảo [1] Hoek, E & Bray, J.W 1981 Rock Slope Engineering, 3rd Edition, London: Institute of Mining and Metallurgy [2] J L Carvalho, Slope stability analysis for open pits, Golder Associates Ltd., Mississauga, CANADA Summary Analysis method for planar slope failure in open pit mines Nguyen Tien Hai, Pham Van Hoa, Hanoi University of Mining and Geology Vu Trong Hung, Deonai Coal Company Plane failure in Open Pit Mines and orther contructed slopes is usually caused by the intersection of a discontinuity plane with a slope face When designing a stable slope, it is often desirable to find the worst conditions for a particular slope configuration and base the final design around those conditions This paper focuses on plane failure analyses of slopes using limit equilibrium techniques And finally the paper presents a RocPlane software to solve a typical prolem of rock plane failure in open pit mines ... (X+b)tang (9) (10) ) (11) (12) Ví dụ phân tích, đánh giá ổn định bờ dốc Các công thức (1) đến (12) đợc sử dụng làm sở lý thuyết công tác đánh giá mức độ ổn định bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng Cơ sở lý... ứng dụng nhằm đa nhìn rõ ràng phơng pháp phân tích, đánh giá ổn định bờ dốc có mặt trợt dạng phẳng phục vụ cho công tác thiết kế nh đánh giá mức độ ổn định bờ dốc Tài liệu tham khảo [1] Hoek, E... tiến hành phân tích đánh giá mức độ ổn định cần có thêm giả thiết sau đây: - Cả mặt trợt khe nứt dựng đứng phải có đờng phơng song song gần nh song song với mặt bờ dốc - Khe nứt xuất phía có dạng