Giáo trình Cơ học đá ứng dụng trong công trình ngầm và khai thác mỏ

Phần lớn các lĩnh vực hoạt động sản xuất-công nghệ của con người đều liên quan chặt chẽ tới quá trình phá hoại trạng thái tự nhiên của khối đá. Các hoạt động khai thác khoáng sản, xây dựng công trình ngầm, xây dựng các công trình bề mặt... ở những mức độ khác nhau đều làm thay đổi trạng thái và các quá trình cơ học xảy ra trong khối đá.

Cơ học đá là một bộ môn khoa học vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính ứng dụng cao thuộc lĩnh vực các khoa học về trái đất. Cơ học đá có nhiệm vụ nghiên cứu về đá, khối đá, những quá trình cơ học xảy ra trong khối đá khi có tác động của con người... Hiện nay, các nhà địa cơ học rất khó đưa ra những giải pháp hợp lý cho công tác thiết kế, xây dựng công trình ngầm và công nghệ khai thác khoáng sản mà không dựa trên những lời giải của các bài toán ứng dụng thuộc lĩnh vực cơ học đá.

Danh mục các bài toán, các vấn đề ứng dụng cơ học đá lớn đến mức độ làm cho các phương pháp giải quyết chúng trở nên quá phong phú, quá phức tạp và trên thực tế khó có thể trình bày đầy đủ chỉ trong một quyển sách. Cuốn sách “Cơ học đá ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ” là thử nghiệm đầu tiên của các tác giả nhằm hệ thống trình bày một số vấn đề quan trọng liên quan tới vật liệu đá và khối đá, các quá trình cơ học xảy ra trong các khối đá bao quanh công trình ngầm và khai thác khoáng sản, vấn đề đánh giá chất lượng khối đá và dự báo độ ổn định cho các loại công trình ngầm, vấn đề nghiên cứu đánh giá độ ổn định và tính toán trụ bảo vệ, vấn đề nghiên cứu đánh giá và dự báo độ ổn định cho nền các công trình ngầm, một số vấn đề liên quan tới các vụ “nổ đá” (một hiện tượng phá huỷ động học của khối đá mà ngành công nghiệp khai thác khoáng sản Việt Nam sẽ phải tiếp cận, chuẩn bị cho những độ sâu khai thác lớn hơn trong tương lai), vấn đề duy trì và nâng cao độ ổn định cho công trình ngầm v.v... Những vấn đề trên đây có ý nghĩa quan trọng không chỉ trong công tác khai thác tài nguyên khoáng sản mà còn trong các lĩnh vực xây dựng công trình ngầm giao thông, thuỷ điện, thuỷ công, thành phố và các loại công trình ngầm có công dụng đặc biệt khác.

Trên thực tế, công tác chống giữ và bảo toàn trạng thái an toàn cho công trình ngầm chiếm một tỷ trọng rất lớn trong tổng giá thành xây dựng và sử dụng công trình. Trong một số vùng có điều kiện địa cơ học rất phức tạp, chi phí bảo dưỡng, bảo vệ công trình ngầm có thể đạt tới 90% tổng giá thành xây dựng công trình. Điều này bắt buộc các nhà địa cơ học phải tìm kiếm, áp dụng những phương pháp dự báo đặc tính thay đổi trạng thái công trình ngầm dưới tác dụng của các yếu tố, điều kiện địa cơ học tại những khu vực xây dựng khác nhau và lựa chọn các giải pháp hiệu quả nâng cao độ ổn định cho công trình ngầm nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho chúng trong một khoảng thời gian nhất định.

Việc đánh giá, dự báo và đảm bảo độ ổn định cho công trình ngầm là một trong những vấn đề quan trọng nhất thuộc lĩnh vực cơ học đá, cơ học khối đá và cơ học công trình ngầm. Chính trạng thái công trình ngầm sẽ gây ra những ảnh hưởng mang tính quyết định tới hiệu quả, mức độ an toàn cho thiết bị, đội ngũ công nhân làm việc trong công trình. Vì vậy, các nhà địa cơ học đã phải tiến hành tìm kiếm, thử nghiệm và áp dụng những giải pháp hiệu quả để đảm bảo trạng thái làm việc an toàn cần thiết cho các công trình ngầm xây dựng dân dụng và khai thác tài nguyên khoáng sản tại những điều kiện địa cơ học phức tạp khác nhau.

Trong những năm gần đây, vấn đề ổn định công trình ngầm và nhiều vấn đề cơ học đá ứng dụng khác đã được nhiều nhà địa cơ học trên thế giới quan tâm. Nhiều kết quả nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và những giải pháp kỹ thuật-công nghệ về lĩnh vực này đã được công bố. Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều vấn đề nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu cơ sở trong lĩnh vực cơ học đá vẫn chưa được giải quyết một cách thoả đáng. Đá và khối đá là những môi trường hết sức phức tạp từ góc độ cấu tạo cũng như trạng thái vận động. Ngoài ra, sự tồn tại của các dạng hang đào khác nhau đã nhân lên gấp bội mức độ phức tạp, đặc tính đột biến, đặc tính không quy luật của các quá trình cơ học xảy ra trong khối đá bao quanh công trình ngầm. Cho đến nay, nhiều vấn đề cơ bản nhất trong lĩnh vực cơ học đá và ứng dụng vẫn chưa được các nhà địa cơ học thống nhất.

Cuốn sách “Cơ học đá ứng dụng trong xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ” được biên soạn dựa trên nhiều tài liệu trong nước và trên thế giới. Ngoài ra, cuốn sách này cũng là kết quả tổng kết kinh nghiệm, kiến thức của các tác giả sau nhiều năm nghiên cứu, giảng dạy đại học, sau đại học cho các ngành xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ. Tuy nhiên, đây là lần biên soạn đầu tiên, vì vậy trong nội dung cuốn sách không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong các bạn đọc và đồng nghiệp góp ý để các tác giả có thể sửa chữa, bổ sung và hoàn thiện cuốn sách trong những lần xuất bản tiếp theo,

Hà Nội, ngày 19 tháng 5 năm 2005.

Các tác giả

PGS.TS. Võ Trọng Hùng, TS. Phùng Mạnh Đắc