Hệ số độ bền Protod'yakonov

Khi nói tới các hệ phân loại khối đá, sẽ là một thiếu sót lớn khi không nhắc tới phân loại theo Hệ số độ bền Protod'yakonov của đá, hệ số này thường gọi trong các tài liệu tiếng Việt là hệ số kiên cố f. Hệ phân loại này có thể coi là hệ phân loại khối đá mang tính định lượng sớm nhất trên thế giới, và nó cũng là cơ sở hay nguồn cảm hứng cho một số hệ phân loại sau này. Trong khi Wasabi vẫn đề cập tới hệ số f này như một hệ số thường dùng trong quá khứ, mang tính giáo khoa, thì ngoài thực tế, trong công tác khai thác mỏ ở Việt Nam hiện tại vẫn đang dùng hệ số này phục vụ cho thiết kế khai thác và đào chống lò (bởi một số lý do khác nhau sẽ trình bày ở sau).

Bài này hơi dài, Wasabi viết theo cấu trúc có các phần sau:

Giới thiệu chung, Các yếu tố ảnh hưởng tới tính chính xác của hệ số kiên cố, Các ưu điểm và hạn chế của hệ kiên cố, Kết luận

Giới thiệu chung

Hệ số kiên cố f của đá, một khái niệm do Giáo sư M. M. Protod'yakonov, một nhà khoa học khai thác mỏ lỗi lạc người Nga, tiên phong đề xuất từ 1926. Hệ số này được tạo ra nhằm mục đích cung cấp một thước đo định lượng, thống nhất để đánh giá các tính chất cơ học của đá, thay thế cho các phương pháp phân loại định tính, thiếu phối hợp trước đây.

Ý tưởng chính của Protod'yakonov là các chỉ số khác nhau về độ cứng tương đối của đá (ví dụ, khả năng chống lại việc khoan, nổ mìn, hoặc áp lực lên vì chống) trong thực tế là tương quan chặt chẽ với nhau. Ông đề xuất một hệ số f không thứ nguyên duy nhất để thể hiện độ cứng tổng thể này.

Bản chất: Hệ số kiên có f được định nghĩa là độ bền tương đối trung bình của một loại đá, được xác định thông qua nhiều phương pháp phá hủy khác nhau. Nó không chỉ đơn thuần là một phần trăm của cường độ chịu nén đơn trục như được trình bày phổ biến trong các sách giáo khoa.

Việc sử dụng một hệ số f giúp đơn giản hóa đáng kể việc so sánh và tổng quát hóa dữ liệu trên các quy trình khai thác khác nhau. Điều này mang lại một công cụ thực tiễn và hiệu quả hơn nhiều so với việc phải quản lý một loạt các chỉ số độc lập, không tương quan. Cơ sở của hệ số f nằm ở mối quan hệ tỷ lệ thuận với năng lượng phá hủy riêng, được coi một chỉ số cơ học phổ quát.

Hệ số f thường được hiểu đơn giản là = một phần trăm của độ bền nén đơn trục của đá (tức là f = σ_c / 100, với σ_c có đơn vị là kN/cm2).  Tuy nhiên, Protod'yakonov định nghĩa nó là độ bền tương đối trung bình của đá được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau. Có thể sử dụng các giá trị của bất kỳ cường độ giới hạn nào, hoặc tốt hơn nữa là giá trị trung bình của các cường độ giới hạn khác nhau. Chúng ta cũng có thể sử dụng lượng lao động tiêu hao trong các hoạt động khai thác khác nhau, lượng thuốc nổ cần thiết, áp lực do loại đá này hay khác tạo ra, v.v.

Các phương pháp xác định hệ số kiên cố của đất đá có thể kể đến

• 1.     Phương pháp giã mẫu đá sử dụng mẫu rơi hoặc dụng cụ đập để phá mẫu chuẩn, đo năng lượng phá hủy rồi quy đổi sang độ bền kháng nén 1 trục.
• 2.     Xác định theo độ bền kháng nén 1 trục
• 3.     Xác định theo công khoan 1 cm³ bằng phương pháp khoan thủ công
• 4.     Xác định theo năng xuất thợ khoan trong một ca (khoan thủ công) (chiều dài khoan trong 1 ca)
• 5.     Xác định theo khối lượng thuốc nổ tiêu hao Q (kg) để phá vỡ 1cm³ đất đá khi đào lò có tiết diện S.

Ví dụ việc đánh giá một lớp đá cứng theo các phương pháp khác nhau, theo dữ liệu của Protod'yakonov cho thấy:

• Nén đơn trục các khối lập phương: f = 9.4 - 10.0

• Khai thác theo phương pháp Rzhikha: f = 10.0

• Khoan bằng búa khí nén: f = 11.2

• Áp lực lên vì chống: f = 10.0

• Giá trị trung bình: f ≈ 10.0

 Điều này cho thấy f là một giá trị tổng hợp, đại diện cho thuộc tính cố hữu của đá, được thể hiện thông qua các chỉ số riêng lẻ hội tụ quanh một giá trị trung bình chung. Các độ lệch riêng lẻ so với giá trị trung bình (với hệ số biến thiên trung bình khoảng 14%) không vượt quá sự khác biệt do tính không đồng nhất của đá trong cùng một gương lò.

 Hệ số độ bền Protodyakonov là một thước đo không thứ nguyên về cường độ tương đối của đá. Mặc dù f được thiết lập dựa trên nguyên tắc thống nhất cường độ đá qua nhiều phương pháp phá hủy khác nhau, nhưng độ chính xác của nó vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố địa kỹ thuật nội tại của đá và các quy trình lấy mẫu/thử nghiệm.

Các yếu tố ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ số kiên cố

I. Các yếu địa kỹ thuật ảnh hưởng tới độ độ chính xác của hệ số kiên cố f

Độ chính xác và sự phân tán dữ liệu của hệ số cường độ Protodyakonov ( f ) chịu ảnh hưởng từ các đặc tính tự nhiên của đá:

1. Tính không đồng nhất của đá:

    ◦ Sự khác biệt trong hệ số cường độ ( f ) được xác định bằng các phương pháp phá hủy khác nhau có thể được ước tính bằng hệ số biến thiên trung bình khoảng 14%, và sự khác biệt này không vượt quá sự khác biệt phát sinh do tính không đồng nhất của đá trong cùng một khu vực khai thác.

    ◦ Tính không đồng nhất là một đặc điểm nổi bật của đá, dẫn đến sự phân tán dữ liệu đo lường không thể tránh khỏi khi đo độ cứngซáp lặp lại.

    ◦ Đối với các loại đá không đồng nhất (ví dụ: đá có hạt khoáng lớn), kích thước mẫu thử cần được điều chỉnh sao cho phù hợp với kích thước của các phần tử không đồng nhất (ví dụ: kích thước hạt khoáng).

2. Các đặc điểm cấu trúc và các nứt nẻ:

    ◦ Sự có mặt các cấu trúc gián đoạn (các khe nứt), đặc biệt khi tính nứt nẻ mạnh sẽ dẫn đến việc đánh giá khối đá qua chỉ số f từ thí nghiệm mẫu đá sẽ có sai khác. Ví dụ: Nếu đá granit bị phá vỡ bởi các khe nứt lớn (nứt nẻ mạnh), hệ số f để khoan lỗ có thể là f=10 , nhưng đối với việc nổ mìn,  f  có thể được lấy nhỏ hơn, ví dụ 8 hoặc 6, tùy thuộc vào hoàn cảnh. Đây là một sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản.

    ◦ Hiệu ứng tỷ lệ (kích thước mẫu thí nghiệm), tức là sự khác biệt trong kết quả thử nghiệm từ các mẫu có kích thước khác nhau, được giải thích về mặt lý thuyết bằng sự gia tăng lượng các phần tử không đồng nhất và vi nứt khi kích thước mẫu tăng lên.

 3. Tính dị hướng :

    ◦ Tính dị hướng đề cập đến các loại đá có các đặc tính khác nhau theo các hướng khác nhau (ví dụ: sự phân lớp của đá phiến, đá trầm tích).

    ◦ Đối với các loại đá này, hướng của mẫu thử có thể có tác động cao hơn nhiều đến các thông số đá thu được so với bản thân thiết lập thử nghiệm.

4. Ảnh Hưởng của nước :

    ◦ Các loại đá yếu hoặc không bền (như trầm tích clastic, một số loại đá biến chất) có thể bị phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với nước hoặc không khí.

    ◦ Các đặc tính cơ học của đá bị ảnh hưởng đáng kể bởi những thay đổi trong hàm lượng nước.

 II. Các yếu tố về quy trình lấy mẫu và thí nghiệm

Độ chính xác của các thông số cơ học của đá, bao gồm cả các thông số liên quan đến f (như cường độ nén một trục UCS, bị ảnh hưởng nhiều bởi quy trình lấy mẫu:

1. Các Vấn Đề Về Quy Trình Thí nghiệm Chuẩn:

Độ chính xác của chỉ số Protodyakonov, được xác định bằng quy trình chuẩn (thí nghiệm đập), rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố sau:

• Thời gian sàng (Duration of sieving).

• Mức độ nén chặt của hạt mịn (fines) trong máy đo thể tích, phụ thuộc vào số lần gõ.

• Số lần đập (Number of poundings): Việc này ảnh hưởng đến độ chính xác của  f . Không có cách nào dễ dàng để ước tính số lần đập tối ưu cho các loại đá khác nhau để có được giá trị  f  có thể so sánh được.

    ◦ Trong đá mềm, có thể xảy ra hiện tượng nghiền lại hạt mịn (regrinding of fines).

    ◦ Trong đá cứng, năng lượng có thể được sử dụng vào biến dạng đàn hồi và nứt thay vì tạo ra đủ hạt mịn.

2. Các vấn đề về mẫu thí nghiệm và công tác lấy mẫu:

• Kích thước mẫu thí nghiệm: Kích thước mảnh vụn ít ảnh hưởng đến f trong khoảng 15–22 mm. Tuy nhiên, đối với kích thước nhỏ hơn, f có sự khác biệt, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ kích thước.

• Độ ẩm tự nhiên: Khi xử lý các loại đá có khả năng yếu hoặc không bền, cần giữ độ ẩm tự nhiên của mẫu và tránh làm khô hoặc làm ướt thêm.

• Bảo quản mẫu: Các biện pháp để tránh phân hủy và bảo toàn mẫu bao gồm:

    ◦ Chọn phương pháp lấy mẫu ngăn mẫu tiếp xúc với nước, không khí ẩm.

    ◦ Bọc mẫu ngay lập tức bằng giấy bạc/nhựa, sáp hoặc silicone.

    ◦ Vận chuyển ngay lập tức và theo phương ngang đến phòng thí nghiệm.

• Tính đại diện mẫu: Mẫu đá phải tiêu biểu cho đơn vị địa chất mà nó thuộc về. Việc chỉ tập trung nghiên cứu chuyên sâu vào một đơn nguyên đá, trong khi bỏ qua các đơn nguyên đá liên quan khác, có thể tạo ra rủi ro lớn cho dự án.

• Định hướng mẫu trong đá có tính dị hướng: Đối với đá dị hướng, mẫu cần được định hướng rõ ràng (thường là vuông góc hoặc song song với trục của các yếu tố dị hướng). Nếu lấy mẫu bằng khoan lõi, hướng khoan phải được điều chỉnh cẩn thận.

• Điều kiện thí nghiệm: như bản chất kết quả thí nghiệm đá luôn phụ thuộc vào bản chất đá, tải trọng và tốc độ gia tải. Tốc độ gia tả có thể coi là một điều kiện thí nghiệm ảnh hưởng tới kết quả xác định hệ số f

các Ưu điểm và hạn chế của việc sử dụng hệ số kiên cố f

I.   Các ưu điểm của Hệ số Protodyakonov ( f )

Các ưu điểm chính của hệ số Protodyakonov xoay quanh tính phổ quát, đơn giản và khả năng thống nhất các chỉ số cường độ khác nhau của đá:

1. Nguyên tắc thống nhất độ bền

M. M. Protod'yakonov đã thiết lập bảng hệ số cường độ tương đối dựa trên nhận định cơ bản rằng cường độ của đá trong các khía cạnh khác nhau (với các phương pháp phá hủy khác nhau) là xấp xỉ giống nhau.

• Tính phổ quát: Khái niệm cường độ này áp dụng cho bất kỳ loại phá hủy cơ học nào, bao gồm các quá trình phức tạp như đục rãnh, khoan, phá vỡ, nổ mìn, và nghiền.

• Khả năng so sánh: f là biện pháp đo lường cường độ tương đối. M. M. Protod'yakonov đã chứng minh rằng các chỉ số khác nhau về cường độ tương đối của đá thực tế không khác biệt với nhau.

• Chỉ số đơn lẻ: Việc sử dụng các hệ số cường độ đơn lẻ (f) giúp so sánh và tổng quát hóa dữ liệu về các loại phá hủy khác nhau.

• Không phụ thuộc vào ứng suất: Đặc tính quan trọng nhất của f là chúng cho phép so sánh các loại đá với nhau mà không cần biết các ứng suất trong chúng và cách chúng được tạo ra.  f  là một thuộc tính khách quan của đá chỉ phụ thuộc vào bản thân đá chứ không phụ thuộc vào quá trình phá hủy mà nó thể hiện.

2. Tính ứng dụng thực tiễn và đơn giản

• Tính đơn giản: Ý nghĩa và sự đơn giản của hệ số cường độ Protod'yakonov đã khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong thực tế

• Tiêu chuẩn hóa: Hệ số  f  đã trở thành cơ sở để tính toán các quy trình phục hồi đá và hỗ trợ công trình.

• Đánh giá định lượng:  f  cung cấp một đánh giá định lượng đầu tiên về các tính chất cơ học của đá, điều mà trước đó (trước thế kỷ 20) chỉ được đánh giá bằng các thuật ngữ định tính như "cứng" hay "giòn".

• Ứng dụng thực tế đơn giản: Trong thực tế, việc sử dụng một chỉ số duy nhất là hệ số cường độ  f  đơn giản hơn đáng kể so với việc sử dụng nhiều chỉ số độc lập. Kết hợp với tiêu chuẩn thiết kế khai thác và thiết kế chống đỡ làm cho việc thiết kế đơn giản và nhanh chóng.

3. Có cơ sở vật lý vững chắc

• Tương quan với năng lượng:  f  được chứng minh là tỷ lệ thuận trực tiếp với công cụ thể tích phá hủy. Công cụ thể tích này là một chỉ số vật lý phổ quát.

• Khả năng dự đoán: Mối quan hệ tỷ lệ thuận trực tiếp này giải thích tại sao hệ số cường độ  f  phản ánh rất tốt các đặc tính cơ học khác nhau của đá trong quá trình phá hủy và ăn sâu vào thực tiễn khai thác mỏ.

II. Các Hạn chế và Thách thức về Độ chính xác của  hệ số kiên cố f

 Mặc dù có tính phổ quát, độ chính xác của f chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố địa kỹ thuật nội tại của đá và các vấn đề liên quan đến quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn:

1. Độ nhạy của quy trình thí nghiệm

Độ chính xác của chỉ số Protodyakonov, khi được xác định bằng quy trình chuẩn (thử nghiệm va đập và đo thể tích hạt mịn), rất dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố quy trình sau:

• Thời gian sàng (Duration of sieving).

• Mức độ nén chặt của hạt mịn trong máy đo thể tích, phụ thuộc vào số lần gõ (tappings).

• Số lần va đập (Number of poundings): Số lần va đập tối ưu thay đổi tùy thuộc vào độ cứng của đá. Không có cách dễ dàng để ước tính số lần đập tối ưu cho các loại đá khác nhau để có được giá trị  f  có thể so sánh được.

    ◦ Trong đá mềm, có thể xảy ra hiện tượng nghiền lại hạt mịn (regrinding of fines). Hiện tượng này tạo ra sự thay đổi trong chỉ số  f .

    ◦ Trong đá cứng, năng lượng có thể được sử dụng vào biến dạng đàn hồi và nứt thay vì tạo ra đủ hạt mịn.

• Kích thước mẫu thí nghiệm: Đối với kích thước mảnh vụn nhỏ hơn 15 mm, chỉ số  f  thay đổi, đòi hỏi phải kiểm soát chặt chẽ kích thước để có kết quả chính xác.

(Lưu ý: Do những hạn chế này, các chỉ số khác như năng lượng cụ thể (specific energy) đã được đề xuất, vì chúng cho thấy giá trị ổn định hơn, không bị ảnh hưởng bởi khối lượng mẫu, kích thước mảnh vụn hay số lần đập trong một phạm vi rộng hơn).

 2. Tính không đồng nhất và độ không chính xác

• Đá không phải là vật liệu lý tưởng: Kết luận về sự thống nhất cường độ chỉ có thể áp dụng cho đá thực tế với một sai số nhất định vì đá thực tế không phải là vật thể lý tưởng.

• Sự phân tán dữ liệu: Sự khác biệt giữa các giá trị f cá nhân và giá trị trung bình là khoảng 14% (dao động từ 7% đến 26%). Sự khác biệt này không vượt quá sự khác biệt phát sinh do tính không đồng nhất của đá trong cùng một khu vực khai thác.

• Điều kiện thí nghiệm không thống nhất.

3. Sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản (Tính dị hướng và cấu trúc của khối đá)

Mặc dù tính thống nhất là một quy luật cơ bản, nhưng vẫn có những trường hợp cụ thể xảy ra sự sai lệch khỏi quy luật cơ bản đó:

• Ảnh hưởng của khe nứt lớn:  f  có thể khác biệt đáng kể khi khối đá bị phá vỡ bởi các đặc điểm cấu trúc mạnh mẽ. Ví dụ: Nếu đá granit ( f=10 ) bị phá vỡ bởi các khe nứt lớn (strong cleavage), hệ số  f  đối với khoan lỗ mìn có thể vẫn là 10, nhưng đối với hoạt động nổ mìn, f  có thể được lấy nhỏ hơn, ví dụ 8 hoặc 6, tùy thuộc vào hoàn cảnh.

• Tính dị hướng: Đối với các loại đá dị hướng (có các đặc tính khác nhau theo các hướng khác nhau), hướng của mẫu thử có thể có tác động cao hơn nhiều đến các thông số đá thu được so với bản thân thiết lập thử nghiệm.

• Đá yếu/không bền: Các loại đá này có thể bị ảnh hưởng đáng kể bởi những thay đổi trong độ ẩm. Việc xác định  f  cho các loại đá này đòi hỏi phải bảo tồn hàm lượng ẩm tự nhiên và tránh sấy khô hoặc làm ướt thêm.

KẾT LUẬN

Tóm lại, dù có không ít hạn chế mà ngay cả chính tác giả của hệ số Protod'yakonov cũng thừa nhận có những trường hợp ngoại lệ dẫn đến việc sử dụng hệ số f dẫn đến sai khác thực tế. Tuy nhiên, những trường hợp này là ngoại lệ chứ không phải quy luật. Hệ số độ cứng f của Protod'yakonov có thể coi là "di sản" và vẫn là một công cụ nền tảng và có giá trị trong khoa học khai thác mỏ hiện đại.