Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa cơ để xác định các quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của lò chợ cơ giới hoá khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh.

Trang 2

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS PHÙNG MẠNH ĐẮC

2 TS VƯƠNG TRỌNG KHA

Hà Nội - 2018

Trang 3

quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Văn Chung

Trang 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI

THÁC 7

1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới 7

1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh 14

1.3 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 22 2.1 Quan niệm về mô hình 22

2.1.1 Định nghĩa về mô hình 22

2.1.2 Các đặc trưng của mô hình 22

2.1.3 Phân loại mô hình 23

2.1.4 Ưu nhược điểm của các mô hình 23

2.2 Nghiên cứu trên mô hình 24

2.2.1 Xây dựng mô hình 24

2.2.2 Nghiên cứu trên mô hình 25

2.2.3 Kiểm chứng mô hình 26

2.2.4 Điều chỉnh các tham số của mô hình 26

2.3 Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá 27

2.3.1 Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ 27

2.3.2 Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ 31

2.3.3 Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ 33

2.3.4 Các thông số trên mô hình địa cơ 36

2.3.5 Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ 42

2.3.6 Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ 43

2.3.7 Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng 44

2.4 Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh 49

Trang 5

TỪ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH 50

3.1 Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu 50

3.2 Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn 51

3.3 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển 55

3.3.1 Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động đá mỏ 55

3.3.2 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển 63

3.4 Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh 67

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LÚN CỰC ĐẠI XÁC ĐỊNH TỪ KẾT QUẢ QUAN TRẮC THỰC ĐỊA VỚI MÔ ĐUN ĐÀN HỒI KHỐI ĐÁ MỎ 69

4.1 Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh 69

4.1.1 Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu 69

4.1.2 Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh 72

4.1.3 Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata 75

4.2 Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất 78

4.2.1 Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc (Canada) 78

4.2.2 Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán 79

4.2.3 Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ 80

4.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 87

4.3.1 Phương pháp phân tích thống kê 87

4.3.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính 87

4.3.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 89

Trang 6

KHAI THÁC LÒ CHỢ VỈA V7 MỎ THAN NAM MẪU QUẢNG NINH 93

5.1 Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu 93

5.2 Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than 95

5.3 Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu 97

5.4 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng dốc trên mô hình địa cơ 98

5.5 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường phương 104

5.6 Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa……….112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

Trang 7

Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh 19

Bảng 2.1: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với cáckhoáng sàng Ural và Cadacxtan 40

Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với cáckhoáng sàng Ural và Caracxtan [74] 41

Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá 57

Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển  theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa 58

Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ 58

Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển  , C> 50% theo nhóm mỏ 59

Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển  trong lớp đất phủ 59

Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ) 59

Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ) 60

Bảng 3.8: Xác định hệ số K1 60

Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ) 61

Bảng 3.10: Giá trị góc 1 ở tử số, 2 ở mẫu số (độ) 61

Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0 62

Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0 62

Bảng 3.13: Hệ số N1, N2 63

Bảng 3.14: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết 65

Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết 66

Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn 67

Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn 68

Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá 71

Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh 72

Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR 73

Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò ở các mỏ than Quảng Ninh 74

Trang 8

Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi 80

Bảng 4.8: Kết quả tính mô đun đàn hồi các loại đá 91

Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc 93

Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa 7 94

Bảng 5.3: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata 98

Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu 98

Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển 114

Trang 9

Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ 8

Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong cáctrạng thái ứng suất biến dạng khác nhau 9

Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ 10

Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b) 11

Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá 16

Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu 17

Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê 18

Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm 18

Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau 25

Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình 25

Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đánguyên thủy ở độ sâu H 28

Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa 28

Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ 29

Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ 30

Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng của khối đá mỏ………31

Hình 2.8: Mô hình vật lý đá mỏ………32

Hình 2.9: Phân loại mô hình địa cơ……… 33

Hình 2.10: Các thành phần chính của mô hình địa cơ 35

Hình 2.11: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trường hợp khai thác lộ thiên vỉa dốc dày 37 Hình 2.12: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trong trường hợp khai thác hầm lò vỉa dày 37 Hình 2.13: Mô hình địa cơ tổng quát khoáng sàng đang khai thác, phục vụ việc quan trắc kiểm tra quá trình dịch chuyển [75] 44

Hình 2.14: Các phương pháp số trong địa kỹ thuật [10] 45

Hình 3.1: Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên 53

Hình 4.1: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá cát kết 76

Trang 10

Hình 4.4: Xác định mô đun đàn hồi E cho than 78

Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 1 81

Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 1 81

Hình 4.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 3………81

Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết 90

Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết 90

Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá sét kết 91

Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V 94

Hình 5.2: Bản đồ khu vực khai thác mỏ than Nam Mẫu 95

Hình 5.3: Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ trụ hạ trần thu hồi than nóc 97

Hình 5.4: Sơ đồ tính toán 99

Hình 5.5: Nhập các thông số cho mô hình 100

Hình 5.6: Quá trình chạy vòng lặp tính dịch chuyển biến dạng 100

Hình 5.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò 100

Hình 5.8: Biểu đồ mô tả biến dạng ngang 101

Hình 5.9: Biểu đồ xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc 101

Hình 5.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất và góc dịch chuyển 102

Trang 11

Hình 5.13: Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình 103

Hình 5.14: Biểu đồ phân bố các vùng phá hủy 103

Hình 5.15: Sự phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ khai thác 104

Hình 5.16: Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương 105

Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu 106

Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2 106

Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ……….105

Hình 5.25: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khi khai thác lò chợ ban đầu 109

Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 2 109

Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 5 110

Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 9 111

Hình 5.33: Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất và lớp đá vách cơ bản 112

Hình 5.34: Giá trị độ lún trên bề mặt đất 112

Hình 5.35: Giá trị độ lún trên nóc lò chợ 112

Hình 5.36: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo hướng dốc 114

Hình 5.37: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo đường phương 114

Trang 12

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Để đáp ứng nhu cầu than cho nền kinh tế quốc dân, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định 403/QĐ-TTg ngày 14/03/2017 về Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, theo đó toàn ngành phải cung cấp cho nền kinh tế quốc dân 47 - 50 triệu tấn than thương phẩm vào năm

2020 và 55 - 57 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2030, trong đó chủ yếu sản lượng được khai thác từ các mỏ than hầm lò [9] Nhằm nâng cao sản lượng và mức

độ an toàn trong khai thác, tăng năng xuất lao động với giá thành cạnh tranh trong

cơ chế thị trường, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam đang triển khai tích cực chương trình cơ giới hoá khấu than lò chợ với việc áp dụng thử nghiệm hàng loạt các lò chợ cơ giới hoá ở các mỏ Khe Chàm, Dương Huy, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu… và bước đầu đã có những kết quả rất đáng khích lệ, mở ra triển vọng lớn về phát triển công nghệ cơ giới hoá khai thác các mỏ than hầm lò Quảng Ninh

Hiệu quả áp dụng công nghệ cơ giới hoá nói chung, và đặc biệt khi khai thác các vỉa dày phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ, sản trạng các vỉa than, tính chất và quy luật phát triển áp lực mỏ xung quanh khu vực lò chợ cũng như quá trình biến dạng, sập đổ của khối đá trong địa tầng nằm trên trên khu vực lò chợ

Thực tế hoạt động của các lò chợ cơ giới hoá khai thác các vỉa dày với sơ đồ công nghệ khấu than lò chợ lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc như hiện nay ở các công ty than Khe Chàm, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu v.v… đã tạo ra những khoảng không gian khai thác lớn do các vỉa than rất dày, thường dao động 7 - 20m Hậu quả là sự biến dạng, phá huỷ và sập đổ của khối than nóc và đá vách trong quá trình khai thác xảy ra mạnh mẽ hơn nhiều so với trường hợp khai thác các vỉa có chiều dày trung bình và mỏng, thường xuyên xảy ra các hiện tượng như lở gương, rỗng nóc lò chợ, sụt lún bề mặt đất, dẫn đến nước chảy vào lò với lưu lượng lớn, đặc biệt vào mùa mưa, gây ách tắc quá trình sản xuất, giảm mức độ an toàn lao

Trang 13

động và hiệu quả làm việc của đồng bộ thiết bị cơ giới hoá Các thông số như chiều cao vùng sập đổ, vùng phá huỷ tách lớp, vùng biến dạng uốn võng cũng như quy luật sập đổ và bước gẫy của đá vách trực tiếp và cơ bản, độ lún và kích thước bồn dịch chuyển trên bề mặt v.v… là những thông số quan trọng phục vụ cho tính toán điều khiển khối đá mỏ, nhưng trong thực tế khai thác các vỉa dày ở mỏ hầm lò Quảng Ninh còn chưa được nghiên cứu

Đặc điểm cơ bản của mô hình địa cơ là: (i) việc mô phỏng 3 chiều của khối đá trong môi trường liên tục đồng nhất, hoặc không đồng nhất thông qua các tính chất biến dạng trong môi trường, mô hình có thể giả định các tính chất của khối đá mỏ tự nhiên và đặc tính biến dạng của chúng (ii) Nhận trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá mỏ làm điều kiện biên để tính toán mô hình địa cơ (iii) Nguồn kích hoạt trạng thái ứng suất là khoảng trống khai thác được đặc trưng bằng các thông số hình học trong không gian 3 chiều

Hiện nay, các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất biến dạng trên mô hình địa cơ khối đá mỏ, đặc biệt khi kết hợp phương pháp này với phương pháp nghiên cứu bằng quan trắc thực địa có thể xác định được các thông số dịch chuyển, biến dạng và sập đổ của khối đá

mỏ như nêu ra ở trên trong vùng ảnh hưởng của lò chợ với độ tin cậy và chính xác cần thiết, phục vụ cho việc đề ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý

Với sự hỗ trợ của phương pháp số, ứng dụng mô hình địa cơ cho phép nâng cao

độ chính xác, độ tin cậy khi nghiên cứu quy luật và tính chất dịch chuyển đất đá mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến

sĩ: “Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai

thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh” đã được lựa chọn là xuất

phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa thực tiễn

Ý tưởng khoa học của đề tài luận án là: Xác định mô hình địa cơ khối đá mỏ tiệm cận gần đúng với môi trường địa chất khối đá tự nhiên thông qua nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của khối đá mỏ với độ lún cực đại bề mặt đất theo kết quả quan trắc thực địa

Trang 14

2 Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa

cơ để xác định các quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của lò chợ cơ giới hoá khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về mô hình địa cơ khối đá mỏ;

- Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá vùng than Quảng Ninh;

- Nghiên cứu phương pháp luận khoa học xây dựng mô hình biến động địa cơ;

- Nghiên cứu xác định các điều kiện biên cho mô hình biến động địa cơ thông qua việc xử lý các số liệu quan trắc thực địa;

- Ứng dụng mô hình biến động địa cơ xác định quy luật dịch chuyển, biến dạng phá hủy bề mặt và đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới, áp dụng cho mỏ Nam Mẫu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các quy luật dịch chuyển, biến dạng, phá hủy bề mặt đất và của đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hạ trần thu hồi than nóc

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi của khối đá thông qua ứng dụng mô hình địa cơ để tính toán dự báo dịch chuyển, biến dạng và phá hủy bề mặt của khối đá mỏ trong điều kiện cụ thể ở Quảng Ninh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực địa: Đo đạc trên các trạm quan trắc dịch động vùng than Quảng Ninh nhằm tạo điều kiện biên và kiểm chứng độ chính xác mô hình địa cơ, xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh;

- Phương pháp lý thuyết: Dựa trên nền tảng phương pháp số, sử dụng phương

Trang 15

pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán trên mô hình địa cơ

- Phương pháp thu thập phân tích và tổng hợp: Phục vụ cho phần tổng quan luận án;

- Phương pháp hồi quy thống kê: Xác định các mối quan hệ giữa các biến thông

số đàn hồi và độ lún cực đại;

5 Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Hàm đường cong tiêu chuẩn được xây dựng theo kết quả quan

trắc thực địa tại một số mỏ than hầm lò cho phép xác định kích thước vùng ảnh hưởng trên bề mặt, tính toán xác định các đại lượng dịch chuyển, đồng thời phục vụ

dự báo độ sâu khai thác an toàn các mỏ than hầm lò Quảng Ninh

Luận điểm 2: Mô hình địa cơ được xây dựng trên cơ sở mối quan hệ giữa mô

đun đàn hồi và độ lún cực đại của mặt đất theo kết quả quan trắc thực địa cho phép đồng thời nghiên cứu xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy của khối đá trong địa tầng và bề mặt đất

6 Những điểm mới của luận án

- Lần đầu tiên ở Việt Nam luận án đã xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F’(z) phục vụ cho công tác dự báo dịch chuyển biến dạng vùng than Quảng Ninh

- Luận án xác định mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ và độ lún cực đại theo kết quả quan trắc thực địa

- Luận án đã xác định hệ số giảm bền K = 1,24 để xây dựng mô hình địa cơ khu vực Quảng Ninh nhằm dự báo dịch chuyển biến dạng và phá hủy khối đá và bề mặt đất

- Luận án đã xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy đá vách

lò chợ cơ giới hóa khai thác hạ trần thu hồi than nóc vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7.1 Ý nghĩa khoa học:

Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa

cơ với môi trường đồng nhất hoặc không đồng nhất của khối đá để dự báo các thông

số dịch chuyển biến dạng đất đá khi khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa

Trang 16

7.2 Ý nghĩa thực tiễn:

- Ứng dụng mô hình biến động địa cơ cho phép khảo sát ảnh hưởng của các yếu

tố địa chất như tính chất cơ lý đất đá, chiều dày vỉa than, độ sâu khai thác đến quy luật dịch chuyển, biến dạng và sập đổ đá vách

- Sử dụng mô hình cho phép dự báo các thông số dịch chuyển và biến dạng đối với các vùng mỏ chưa được nghiên cứu kỹ về dịch chuyển biến dạng

8 Cơ sở tài liệu

Luận án được thực hiện trên cơ sở các nguồn tài liệu đo đạc thực địa phong phú

từ các trạm quan trắc ở các mỏ than Quảng Ninh

Đồng thời, luận án cũng tham khảo rất nhiều đề tài, dự án, báo cáo khoa học về dịch chuyển biến dạng đất đá, mô hình địa cơ của các tác giả trong và ngoài nước

9 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 5 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 128 trang đánh máy A4 Dưới đây là tiêu đề các chương: Chương 1: Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng khai thác

Chương 2: Mô hình địa cơ trong nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất

Kết luận và kiến nghị

Các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

Trang 17

10 Lời cảm ơn

Lời đầu tiên cho phép tác giả được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc và GVC.TS Vương Trọng Kha, là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn về khoa học và luôn động viên, khuyến khích

để tác giả hoàn thành luận án này

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đặc biệt

là sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa mỏ

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai nhà khoa học NGƯT.PGS.TS Nguyễn Đình Bé, GS.TS Võ Chí Mỹ đã tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận

án này

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Quang Phích đã giúp đỡ tôi rất nhiều, cũng như tạo điều kiện cho tác giả tham gia đề tài cấp Nhà nước để có thêm điều kiện hỗ trợ hoàn thành luận án

Tác giả cũng xin cảm ơn chân thành cảm ơn đến TS Phạm Quốc Tuấn đại diện miền Bắc cho các sản phẩm của Rocscience Inc (Canada) - VCTeck Co Ltd, đã hỗ trợ tác giả bản quyền của phần mềm chạy chương trình RS2 dùng trong luận án này

Xin trân trọng cảm ơn!

Trang 18

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN

BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT

DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới

Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác hầm lò có lịch sử phát triển lâu dài và cho đến ngày nay vẫn là vấn đề quan tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước Đặc biệt ở nước ngoài số lượng các công trình đã công bố rất nhiều Chính vì vậy, trong phần tổng quan này, chỉ giới hạn giới thiệu những kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất bằng phương pháp mô hình

Trong hướng nghiên cứu lý thuyết đã sử dụng nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau như phương pháp giải tích, phương pháp số v.v….để tính toán cho một mô hình địa cơ có môi trường đàn hồi, liên tục, đặc điểm phi tuyến, môi trường khối đá rời rạc với các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác động

theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng khai thác

Để giải các bài toán cơ học môi trường liên tục, các nhà nghiên cứu như: V.N Boris-Komponees, M.V Kurlen, A.B Fadeev, V.G Zoteev, Vitke, Yu A Kashnikov, S G Ashikhmin đã sử dụng các lý thuyết dựa trên phương pháp số Phương pháp số cũng được sử dụng để giải quyết các bài toán mô hình môi trường đàn hồi, liên tục trong các công trình của các nhà nghiên cứu như: A D Xashurin,

B A Khramtsov, V E Bolicov, V A Kvochin, A B Makarov, A I Ilyn Các lý thuyết này cho phép xác định các thành phần trong không gian ba chiều của ten sơ biến dạng ở bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ nằm trên khu vực khai thác và cho phép đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mỏ và dự báo sự phát triển của quá trình dịch chuyển theo các phương án khai thác khác nhau [23, 27, 52, 56, 57]

Trang 19

εx, εy: Biến dạng dọc tương đối theo trục x, y

γxy, γyx: Biến dạng trượt theo trục x, y

Ten sơ biến dạng được tính toán ngoài việc mô tả thành phần trên có thể mô tả

ở dạng đường đẳng trị đối với hàng loạt các mặt cắt ngang hay mặt cắt đứng Trên thực tế thông dụng nhất là mô tả các ten sơ biến dạng theo biểu đồ cực, biểu thị trong mặt cắt tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay các trục chính của ten sơ biến dạng

Trang 20

Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các

trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau Các phương pháp lý thuyết tính toán các thông số dịch chuyển hiện nay đều dựa trên cơ sở một mô hình địa cơ nào đó của môi trường địa chất A.D Xashurin [63] đã nghiên cứu quá trình biến dạng khối đá mỏ và bề mặt đất đối với trường hợp

mỏ quặng có chiều dày lớn trong điều kiện có sự tác động của trường ứng suất kiến tạo bất đẳng hướng và đề xuất phương pháp tính toán dịch chuyển bề mặt đất gần vùng sập đổ Các mô hình lý thuyết tương tự dựa trên vật liệu tương đương cũng được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển

đá mỏ trong khai thác lộ thiên cũng như khai thác hầm lò [49, 51]

Mô hình địa cơ phân tích quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong trường hợp khai thác hầm lò mỏ quặng theo A.D Xashurin được mô phỏng như một phần nửa khối vật thể đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng cùng với khoảng trống khai thác được lấp đầy bởi đất đá sập đổ thể hiện hình 1.3

Trang 21

1 2 3

4 5

2 Bồn dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất

3 Vùng dịch chuyển nguy hiểm

4, 5 Các mặt phẳng vuông góc thể hiện dịch chuyển thẳng đứng Khi nghiên cứu mô hình này trong trạng thái ứng suất dưới tác động của trường ứng suất kiến tạo, Xashurin xác định được các công thức tính toán dịch chuyển bề mặt đất xung quanh vùng sập đổ có hình dạng tròn và elip, và đi đến kết luận rằng với một tương quan nhất định giữa các giá trị ứng suất tác động chính thì các vecto dịch chuyển không chỉ có hướng vào vùng khai thác phá hủy mà còn hướng vào sâu trong khối đá mỏ, tương tự như các kết quả quan trắc thực tế đã chứng minh

Theo Xashurin khi biết các thông số vùng sập đổ (kích thước nửa trục hình

Trang 22

chiếu lên mặt đất của vùng sập đổ), và sự phát triển của chúng trong mặt phẳng

ngang, cũng như các thông số trường ứng suất kiến tạo ban đầu và tính chất biến

dạng của môi trường khối đá, có thể xác định được ten sơ biến dạng trong không

gian ba chiều và quỹ đạo của các véc tơ dịch chuyển mà trong trường hợp bất đẳng

hướng của trường ứng suất ban đầu, các véc tơ dịch chuyển này không trùng với

hướng xuyên tâm từ ngoại biên vào tâm vùng sập đổ và thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo

đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b)

Có thể nhận thấy rằng, các phương pháp số giải các bài toán cơ học môi trường

liên tục - phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay được sử dụng phổ biến để giải các

bài toán cơ học đối với môi trường khối đá mỏ Một trong những ưu việt của các

phương pháp số là tính đa năng Bằng phương pháp số và sử dụng bất kỳ mô hình

địa cơ nào mô phỏng môi trường khối đá mỏ với những đặc điểm không đồng nhất

của các tính chất đàn hồi và độ bền, cũng như cấu trúc khác nhau và điều kiện biên

bất kỳ có thể xác định được trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá xung quanh

một đường lò với hình dáng thiết diện bất kỳ

Trang 23

Các phương pháp số có thể sử dụng một cách hiệu quả để tính toán dịch chuyển

đá mỏ và bề mặt đất trong khai thác hầm lò và khai thác lộ thiên Lần đầu tiên phương pháp số được Kratch [48] sử dụng để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏ trong trường hợp khai thác vỉa than độ dốc thoải với mô hình môi trường đàn hồi Tiếp theo, A.S Yagunov, A.B Makarov, V.N Boris - Komponees đã sử dụng phương pháp số để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển khi khai thác các vỉa than và thân quặng có chiều dày không lớn Mặc dù trong các nghiên cứu trên

đã không tính đến tính chất biến dạng dẻo của khối đá mỏ nhưng các kết quả tính toán tương đối phù hợp với các kết quả đo đạc trên thực tế Trong trường hợp khai thác các vỉa than, thân quặng dày và dốc bằng phương pháp hầm lò, trên bề mặt đất tạo thành các vùng sụt lún và nứt nẻ lớn, hoặc khi khai thác lộ thiên tạo thành các vùng trượt lở, sập đổ, thì việc áp dụng mô hình đàn hồi không còn phù hợp, mà cần thiết sử dụng mô hình đàn hồi phi tuyến, mô hình đàn hồi nhớt vv… Các nhà bác học M.V Kurlen, A.B Fadeev, V.G Zoteev và những nhà khoa học khác [37, 42, 72] đã có đóng góp quan trọng phát triển các mô hình biến dạng phi tuyến của khối

đá mỏ Đặc điểm cấu tạo khối, phân lớp và nứt nẻ của môi trường khối đá mỏ được

đề cập trong các mô hình địa cơ của V.G Zoteev và trong các tính toán đã tính đến mối quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và trị số dịch chuyển trượt theo mặt tiếp xúc Từ các kết quả tính toán đã xác định được đặc tính và trị số biến dạng đàn hồi dẻo liên quan đến dịch chuyển của khối đá theo mặt tiếp xúc giữa các khối cấu trúc Cũng cần nhấn mạnh rằng, mặc dù tồn tại nhiều phương pháp số để xác định dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ, nhưng chỉ có một số ít phương pháp được sử dụng trong thực tế, mà điển hình nhất là các mô hình mô phỏng tính chất biến dạng đàn hồi nhớt

Trong số các mô hình này, đáng chú ý nhất là mô hình đồng nhất của Vitke [61] Bản chất của mô hình này là các tính toán được thực hiện cho khối đá mỏ đồng nhất, tiêu chuẩn phá hủy trong mô hình này là giả định rằng ở bất kỳ một điểm nào trong khối đá mỏ đều có thể tách ra một phần tử diện tích có độ bền giảm và diện tích phần tử này tương ứng với một mặt phẳng giảm yếu

Trang 24

Dựa vào ý tưởng của Vitke về một mô hình đàn hồi nhớt dẻo đồng nhất, Yu A Kalashnikov, S.G Ashikhmin đã giải quyết hàng loạt các bài toán mô hình dự báo dịch chuyển và biến dạng khối đá nứt nẻ khi khai thác các mỏ quặng bằng phương pháp hầm lò và lộ thiên [28, 32, 33] và đã chỉ ra rằng đối với khối đá nứt nẻ ở giai đoạn trước giới hạn phá hủy thì trị số dịch chuyển phụ thuộc vào sự tồn tại của hệ thống kẽ nứt và khoảng cách giữa các kẽ nứt

Mặc dù có những ưu việt so với các phương pháp khác khi tính toán dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của khai thác, nhưng phương pháp

số vẫn có những hạn chế nhất định, đó là cách tiếp cận chủ quan khi phân chia khối

đá thành các phần tử hữu hạn, sự quân bình hóa tính chất cơ lý khối đá, số lượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi không liên tục gần thực tế thì

mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp Các lý thuyết hiện đại ngày nay về dịch chuyển biến dạng khối đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác mỏ cho phép xác định được ten sơ ứng suất trong không gian ba chiều tại bất kỳ điểm nào của khối đá mỏ, tuy nhiên cần phải lựa chọn đúng đắn các điều kiện biên cho mô hình địa cơ và các tính chất cơ lý môi trường khối đá Trong các mô hình địa cơ hiện đại ngày nay, khối đá mỏ được xem như là một môi trường rời rạc, không liên tục, vì vậy vấn đề nghiên cứu tính chất thực tế của môi trường khối đá cũng như trạng thái ứng suất biến dạng ban đầu của khối đá là rất quan trọng

Các kết quả quan trắc hiện trường cho phép xác định tương đối chính xác các thông số để dự báo quá trình dịch chuyển của khối đá mỏ Hiện nay đã có các phương pháp đo đạc ứng suất và biến dạng khối đá mỏ [62, 67], trên cơ sở sử dụng các kết quả quan trắc quá trình dịch chuyển khối đá mỏ và bề mặt đất trong quá trình khai thác mỏ

Các phương pháp quan trắc hiện trường quá trình dịch chuyển đá mỏ và bề mặt đất là công cụ chủ yếu để kiểm soát và chuẩn xác hóa các thông số quá trình dịch chuyển đá mỏ được xác định từ nghiên cứu lý thuyết trên các mô hình địa cơ với giả định rằng các lực chuyển động trong mô hình là lực trọng trường, tức trọng lực của khối đá sập đổ và khối đá mỏ là một môi trường đẳng hướng Chính vì vậy trong

Trang 25

các tài liệu quy chuẩn [23, 56, 57, 65, 66] đều quy định đến việc kiểm soát quá trình dịch chuyển bằng việc đo đạc các biến dạng đứng và biến dạng ngang theo các tuyến quan trắc tại các mặt cắt chính

Như vậy, việc áp dụng rộng rãi các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng phương pháp số với giả định khối đá là môi trường biến dạng đàn hồi, bất đẳng hướng và có cấu tạo theo khối bậc đòi hỏi sự cần thiết phải lựa chọn đúng đắn các điều kiện biên cho các mô hình địa cơ thông qua phương pháp đo đạc tại hiện trường [26, 50] Trong các nghiên cứu lý thuyết, mô hình môi trường địa chất khối

đá mỏ luôn được lý tưởng hóa với hàng loạt các điều kiện đơn giản, vì vậy các quy chuẩn kỹ thuật luôn yêu cầu bắt buộc tiến hành các đo đạc kiểm tra quá trình dịch chuyển để kịp thời chuẩn xác hóa các giải pháp bảo vệ các công trình

1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh

Ở Việt Nam, những năm trước đây xuất phát từ nhiều yếu tố khách quan mà vấn đề dịch chuyển đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò ở nước ta chưa được đề cập, quan tâm và nghiên cứu đúng mức Vì vậy, bể than Quảng Ninh được xếp vào loại chưa được nghiên cứu về các đặc điểm dịch chuyển ảnh hưởng do khai thác, năm 1980, PGS.TS Nguyễn Đình Bé [1] là người đầu tiên đặt nền móng cho việc nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá do khai thác hầm lò ở Việt Nam Tác giả đã nghiên cứu dịch chuyển đất đá ở vùng đứt gãy kiến tạo khối trên 5 mô hình mỏng bằng vật liệu tương đương với khoảng cách giữa các đứt gãy nhỏ, chiều dày đới huỷ hoại lớn, góc cắm của đứt gãy > 70o, góc dốc của vỉa bằng 35o và sử dụng

số liệu của các trạm quan trắc thực địa ở các bể than của các nước SNG (Liên Xô cũ) để xác định các tính chất và đặc điểm của quá trình dịch chuyển do ảnh hưởng khai thác mỏ Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ những quy luật (định tính) chung nhất về dịch chuyển biến dạng ở vùng đứt gãy tạo khối

PGS.TS Nguyễn Đình Bé đã xác định bể than Kuzơbas tương tự với bể than Quảng Ninh để xác định các thông số dịch chuyển cho tất cả các mỏ, lần đầu tiên xây dựng hệ thống phân loại các đứt gãy kiến tạo theo loại hình đứt gãy, chiều rộng đới huỷ hoại đất đá, hướng dịch chuyển tương đối của các cánh nâng và cánh hạ,

Trang 26

tương quan thế nằm giữa các mặt trượt ở dạng đứt gãy tạo khối để làm cơ sở định hướng cho công tác nghiên cứu dịch chuyển đất đá

Năm 1987, PGS.TS Võ Chí Mỹ nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt địa hình do khai thác mỏ đối với công tác qui hoạch vùng Konhin PGS.TS Võ Chí Mỹ, nghiên cứu biến động địa cơ do ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò [14]

Năm 1988, TS Nguyễn Xuân Thụy đã nghiên cứu xác định chiều cao h, độ dài

L của bề mặt các kẽ nứt nhỏ và ảnh hưởng của chúng tới dịch chuyển đất đá [20] Năm 1996, TS Kiều Kim Trúc nghiên cứu biến dạng bờ mỏ và các biện pháp điều khiển hợp lý [21]

Năm 2003, TS Vương Trọng Kha đã xây dựng chương trình phần mềm phục

vụ hiệu quả cho việc xử lý số liệu quan trắc dịch chuyển và biến dạng trên khu vực khai thác hầm lò [13]

Từ năm 1982 - 1992, Viện nghiên cứu Than kết hợp với Viện VNIMI của Liên

Xô cũ đã triển khai đề tài nghiên cứu theo các hướng [22]:

- Nghiên cứu quá trình biến dạng bờ mỏ bằng quan trắc dịch chuyển

- Nghiên cứu xác định tính chất cơ lý đá

- Xác định cấu trúc địa chất

- Xác định điều kiện địa chất thuỷ văn

- Đánh giá độ ổn định, đưa ra các biện pháp nâng cao độ ổn định bờ mỏ cho các

mỏ lộ thiên lớn của Việt Nam

Các kết quả nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển biến dạng, vùng kẽ nứt, vùng sập đổ, vùng biến dạng mang định tính chưa mô phỏng được chính xác tổng thể bức tranh quá trình dịch chuyển biến dạng thể hiện hình 1.5

Trang 27

Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá

Trong đó: 1: Vỉa than

2: là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải) 3B, 3H: là vùng uốn võng

4B, 4H: là vùng đất đá bị nén (áp lực tựa)

Năm 1972, Công ty Than Hòn Gai kết hợp với mỏ than Thống Nhất đã thành lập trạm quan trắc gồm 4 tuyến (3 tuyến theo dốc, 1 tuyến theo phương) ở khu khai thác Lộ Trí để thu thập các thông số dịch chuyển sơ bộ cho mỏ Công tác quan trắc được tiến hành từ năm 1972 đến năm 1975

Năm 1991, TS Kiều Kim Trúc và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã xử lý số liệu quan trắc và rút ra các thông số dịch chuyển để tính toán lại trụ bảo vệ đường ô tô lên mỏ Đèo Nai [22]

Năm 2001, để tìm hiểu nguyên nhân xuất hiện kẽ nứt trên bề mặt đất ở mỏ than Mông Dương và xác định yếu tố ảnh hưởng nguy hiểm có thể xảy ra cho khu dân

cư, cột điện cao thế 110KV và xác định các điểm rò rỉ nước vào khu vực mỏ đang khai thác, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã thành lập 4 tuyến quan trắc ngắn hạn trong khu vực có kẽ nứt Công tác quan trắc hiện trường được tiến hành và kết quả thu được góc dịch chuyển β nằm trong khoảng 47o÷50o [3, 4]

Trang 28

Kết quả nghiên cứu cho thấy đứt gãy có ảnh hưởng lớn tới sự lún sụt mặt đất, gây biến dạng nguy hiểm cho các công trình nằm trong bồn dịch chuyển

Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV tiến hành xây dựng các trạm quan trắc để xác định các thông số dịch chuyển, các đại lượng dịch chuyển nhằm tính toán lại trụ bảo vệ than cho các công tình trên bề mặt đất phục vụ

đề tài cấp nhà nước do TS Phùng Mạnh Đắc chủ nhiệm, thực hiện chính KS Phạm Văn Chung [7] cụ thể các mỏ:

- Vùng Than Thùng Yên Tử mỏ than Nam Mẫu, trạm quan trắc nghiên cứu cho tập vỉa: vỉa 7, vỉa 8, vỉa 9 khai thác từ mức +200 lên +360, và trạm quan trắc nằm trong tuyến địa chất 3 và 5 khu vực kề cận vùng hạn chế khai thác khu di tích lịch

sử Yên Tử Sau nhiều chu kỳ quan trắc xác định các góc dịch chuyển và một số thông số dịch chuyển thể hiện trên hình 1.6

100

-200 -100 0

Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu

- Vùng Mạo Khê lập trạm quan trắc nghiên cứu vỉa 9b khai thác từ -80 lên -25, vỉa 8 Cánh Nam khai thác từ mức -80 lên +20 Các thông số về góc được thể hiện hình 1.7

Trang 29

+20 00 +40 +80 +100

+180

+140 +160 +220

+320

+280 +300 +360 +420 +440

Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê

- Vùng Hạ Long xây dựng trạm quan trắc tại mỏ Hà Lầm nghiên cứu vỉa 10 khai thác từ mức +12 lên +60 khu vực ngầm +88 Các thông số dịch chuyển biến dạng thể hiện hình 1.8

Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm

- Vùng Cẩm Phả - Mông Dương đặt các trạm quan trắc:

+ Phía đông mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho các vỉa G9, khai thác từ mức -97 lên +40, vỉa I (12) khai thác từ mức -97 lên +40

Trang 30

+ Về phía tây mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho 2 vỉa khai thác là vỉa I (12), vỉa G9 từ mức -97 lên +20 khu vực giáp ranh suối Mông Dương Năm 2006, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV đã tiến hành xây dựng trạm quan trắc mỏ than Mông Dương do KS Phạm Văn Chung đã chủ trì đề tài: “Xây dựng trạm quan trắc và quan trắc sụt lún bề mặt khu vực khai thác hầm lò vỉa 10.1 Bắc Mông Dương, tuyến đường sắt chạy qua vỉa I (12) và II (11) khu vực mỏ Mông Dương và vỉa G9 Vũ Môn - Công ty than Mông Dương” [5]

Năm 2009, KS Phạm Văn Chung đã nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển và biến dạng đất đá khi khai thác hầm lò dưới suối B Vàng Danh [6]

Kết quả nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá tại bể than Quảng Ninh thể hiện bảng 1.1

Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh

cố ( f )

Góc dịch chuyển δ

Ghi chú

chiều dày vỉa

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng trong khu vực khai thác tăng thì góc dịch chuyển δ theo đường phương tăng

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng đất đá giảm thì góc dịch chuyển δ theo đường phương giảm Các yếu tố khác như góc dốc vỉa, chiều dày vỉa, tiến độ gương lò chợ hầu như không ảnh hưởng đến giá trị góc dịch chuyển theo phương (δ) Các góc dịch chuyển khác biến động tuỳ thuộc vào góc dịch chuyển theo đường phương và

Trang 31

các yếu tố như chiều dày vỉa, góc dốc vỉa, độ sâu khai thác lò chợ

Năm 2011, TS Nguyễn Anh Tuấn và nhóm nghiên cứu đã sử dụng chương trình Phase 2 phân tích sụt lún và quá trình biến đổi cơ học khi khai thác hỗn hợp hầm lò

và lộ thiên

Năm 2014, TS Lê Văn Công nghiên cứu áp dụng mô hình số xác định các thông số dịch chuyển, biến dạng đất đá trong quá trình đào lò và khai thác tại các

mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh sử dụng phần mềm FLAC 2D

Năm 2015, GS.TS Nguyễn Quang Phích nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình phân tích, dự báo tai biến địa chất - kỹ thuật đối với công trình ngầm, công trình khai thác mỏ ở Việt Nam

Năm 2017, TS Lê Đức Nguyên nghiên cứu cứu đánh giá nguyên nhân gây sụt lún mặt bằng và đề xuất phương án chống sụt lún mặt bằng nhà máy sàng tuyển than Khe Chàm

2 Ở Việt Nam, cho đến nay có một số công trình nghiên cứu dự báo dịch chuyển

và biến dạng mặt đất do ảnh hưởng khai thác hầm lò bằng phương pháp mô hình vật liệu tương đương của PGS.TS Nguyễn Đình Bé, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV

và Bộ môn Trắc địa mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đây là những kết quả ban đầu rất quý giá, nhưng vẫn còn những hạn chế, chẳng hạn như: không thể tạo được sự giống nhau về các chỉ số cơ lý giữa mô hình và thực tế, tỷ lệ mô hình quá bé so với phạm vi thực tế và các kết quả nhận được chỉ có ý nghĩa về mặt định tính, không thể có được về mặt định lượng Thực tế đã có một vài kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bằng mô hình địa cơ của các tác giả như: GS.TS Nguyễn Quang Phích và TS

Trang 32

Lê Văn Công, tuy nhiên các kết quả này ứng dụng trong xây dựng ngầm và đường

lò Rõ ràng vấn đề nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt do ảnh hưởng của khai thác là một đề tài mở trong bối cảnh của Việt Nam

3 Kết quả quan trắc thực địa cho phép xác định chính xác thông số và đại lượng dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất của một khu vực nào đó do ảnh hưởng của khai thác hầm lò, nhưng cũng có những hạn chế nhất định đó là không thể mô tả được tổng thể bức tranh của quá trình dịch chuyển biến dạng khối đá mỏ Chính vì vậy, cần nghiên cứu kết hợp hai phương pháp: phương pháp lý thuyết dựa trên nền tảng của phương pháp số và phương pháp quan trắc hiện trường để bổ trợ lẫn nhau cho phép nghiên cứu được bức tranh tổng thể quá trình dịch chuyển biến dạng của khối đá cũng như điều khiển áp lực mỏ để có các giải pháp khai thác an toàn, hiệu quả

Trang 33

Cũng vì các lý do trên, trong mọi lĩnh vực chuyên môn, con người đã nghiên cứu xây dựng các mô hình cho các đối tượng được nghiên cứu Sau đó tiến hành các công việc thử nghiệm, thí nghiệm trên các mô hình đó, hay còn gọi là mô hình mô phỏng, với hy vọng sẽ có thể nhận được các quy luật về mối tương quan giữa các tác động lên vật thể và các biểu hiện của vật thể Sau đó tổng hợp các hiện tượng xảy ra nhằm mục đích tìm hiểu về tính chất của vật thể Công tác xây dựng mô hình hay còn được gọi là mô hình hóa

2.1 Quan niệm về mô hình

2.1.1 Định nghĩa về mô hình

Trước hết có thể hiểu đơn giản: một mô hình là một bức tranh rất hạn chế về thực tế hay thực thể Bức tranh này có thể được xây dựng lên bằng vật chất hay hoàn toàn trừu tượng bằng lý thuyết

2.1.2 Các đặc trưng của mô hình

Theo Herbert Stachowiak, một mô hình được đặc trưng bởi ít nhất ba đặc điểm [46]:

1 Bản sao lại - Một mô hình là bản sao của một đối tượng nào đó, cụ thể là

hình ảnh sao lại, đại diện hay phản ánh cho một thực thể thiên nhiên hay nhân tạo

Trang 34

(bản gốc), mà chính bản thân chúng cũng có thể cũng lại là các mô hình

2 Thu hẹp, thu nhỏ - Một mô hình thường không bao hàm tất cả các thuộc

tính của thực thể, mà chỉ chứa đựng được các yếu tố mà những người lập mô hình

và những người sử dụng mô hình cho là quan trọng

3 Tính thực dụng - Mô hình không phản ánh rõ ràng thực thể Nhưng mô

hình cần phản ánh được các chức năng thay thế cho vật thể: a) cho các đối tượng nhất định, b) trong khoảng thời gian nhất định, c) với điều kiện riêng biệt về lý thuyết hay thực tế

2.1.3 Phân loại mô hình

Các mô hình cơ bản được chia ra làm loại [16]:

Mô hình kinh nghiệm: Mô hình này thường tổng hợp phân tích các hiện tượng của sự vật đã xảy ra, từ đó đưa ra các quy luật và biểu thức mang tính thống kê

Mô hình giải tích: Được thể hiện qua mô hình hình học - địa kỹ thuật hoặc mô hình cơ học Mô hình này là dùng các lời giải bằng toán học giải tích, để phân tích, xem xét quy luật phân bố ứng suất biến dạng, vùng phá huỷ, vùng biến dạng uốn võng xung quanh khoảng trống khai thác Mô hình này được xây dựng trên cơ sở các quy luật của hiện tượng sự vật, có tính đến các yếu tố hình học, địa cơ học và các điều kiện kỹ thuật

Mô hình số là mô hình được xây dựng dựa trên công cụ máy tính đặc biệt tính đến các yếu tố hình học của đất đá, điều kiện địa chất, chiều dày vỉa than, góc dốc vỉa, môi trường khối đá và đảm bảo sự mô phỏng được càng nhiều các yếu tố của đất đá gần giống như môi trường đất đá trong thực tế thì càng tốt

2.1.4 Ưu nhược điểm của các mô hình

Như chúng ta đã biết, với mô hình kinh nghiệm các yếu tố ảnh hưởng như điều kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa cơ học thường được đơn giản hóa rất nhiều Do vậy kết quả nhận được mang tính định tính, tuy nhiên mô hình lại đơn giản nhưng đòi hỏi nhiều công sức và thời gian đồng thời khá tốn kém khi xây dựng mô hình vật liệu tương đương

Trang 35

Với mô hình giải tích: Các kết quả thu được trong lời giải đại số thường là các nghiệm kín, các kết quả chính xác và rất dễ dàng cho người sử dụng Tuy nhiên, mô hình này cũng có những hạn chế nhất định là thông thường nó chỉ giải được trên các giả thiết rất đơn giản, như hình dạng công trình thường có dạng tròn hoặc gần tròn, đất đá là đàn hồi đồng nhất và đẳng hướng mà chưa chú ý được nhiều đến các yếu

tố bất thường của điều kiện địa chất cũng như sự thay đổi điều kiện bề mặt địa hình

tự nhiên, trường ứng suất, đặc tính không liên tục của đất đá, v.v [16] Không những vậy, các lời giải đại số hiện nay thì còn ít quan tâm được đến sự thay đổi của các tham số cơ học đá Sau lời giải giải tích chúng ta sẽ thu được phương trình cụ thể của ứng suất biến dạng Trên cơ sở các lời giải đó có thể thu được quy luật biến đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh khoảng trống khai thác

Đối với mô hình số: Việc mô phỏng được nhiều đặc tính của đất đá thì mô hình càng gần với thực tế Do vậy, lời giải càng phức tạp và cần thiết phải có các thiết bị máy tính với tốc độ tính toán, xử lý cao mới đảm nhận được Mặt khác, môi trường đất đá trong lòng đất thì thay đổi liên tục không giống nhau tại mọi vị trí nên việc

mô phỏng cũng rất khó khăn Nhiều mô hình số hiện nay có thể cho phép mô phỏng khá đầy đủ các đặc tính của đất đá, không những vậy nó còn cho phép chúng ta thay đổi các tham số đầu vào một cách nhanh chóng để cho ra kết quả phù hợp với điều kiện đất đá thực tế Các kết quả phân tích cho kết quả định lượng thông qua các giá trị của các lời giải Mô hình số được sử dụng để xác định các giá trị biến dạng, ứng suất trong đất đá xung quanh khoảng khai thác

2.2 Nghiên cứu trên mô hình

2.2.1 Xây dựng mô hình

Để xây dựng một mô hình trước hết xem xét đến mức độ đơn giản hóa, gần đúng hóa thực thể cũng như các đặc điểm, các biểu hiện, tính chất của chúng, phụ thuộc vào khả năng và nhận thức của con người, sự phát triển và tiến bộ của khoa học, kỹ thuật Trên hình 2.1 cho thấy sự khác nhau giữa các cách đánh giá, mô tả các “vật thể địa chất” là đá và khối đá trong thực tế, của các chuyên gia địa chất, địa kỹ thuật và các chuyên gia kỹ thuật hay cơ học thuần túy, theo Schweikardt

Trang 36

(2008) [59]:

a) Địa chất b) Địa kỹ thuật c) Kỹ thuật

Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau

2.2.2 Nghiên cứu trên mô hình

Nghiên cứu trên mô hình nghĩa là tìm cách mô phỏng lại những gì có thể tác động lên vật thể thực, để thu nhận các tín hiệu hay thông tin theo cách mong muốn của người nghiên cứu Việc phân tích các mối tương quan giữa các dữ liệu vào

và ra sẽ cho phép có được dự báo về biểu hiện của thực thể trên mô hình Nghiên cứu trên mô hình được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình Các tác động lên mô hình lại được mô hình hóa tương ứng với các điều kiện có thể có trong thực tế, phụ thuộc vào nhận thức của con người và các tín hiệu về những biến đổi trên mô hình cũng chỉ là hệ quả của các dữ liệu đầu vào mô hình

mô tả về vật thể Bằng cách thay đổi các phương thức tác động, theo các sơ đồ hay chương trình đã được thiết lập (được mô hình hóa), thay đổi các tham số đầu vào về

Trang 37

mô hình có thể xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu thu nhận được về biểu hiện trên mô hình với các tác động, chú ý đến tính biến động hay không chắc chắn của các yếu tố đó Từ đó có thể có được các nhận định lô-gíc, mang tính khoa học, có ý nghĩa kỹ thuật cho các quá trình đã diễn ra trên mô hình Phương pháp nghiên cứu này được gọi là phương pháp phân tích tham số Các giải pháp kỹ thuật hợp lý hay tối ưu sẽ được rút ra từ các kết quả nghiên cứu như vậy [16]

Đa phần công tác nghiên cứu được thực hiện trên mô hình gần đúng, nên công tác nghiên cứu này được gọi là nghiên cứu mô phỏng và không phải kết quả mô phỏng nào cũng cho phép mang tính định lượng chính xác cho các vấn đề thực

tế Nhưng các quy luật thu nhận được chắc chắn sẽ phản ánh được tính chất định tính các quá trình thực tế, tương đương với các điều kiện tác động và các yếu tố có trên mô hình Nói cách khác, các kết quả nhận được sẽ đúng cho các mô hình với các tác động lên mô hình, tương ứng với phương pháp xây dựng mô hình và phương pháp mô phỏng

2.2.4 Điều chỉnh các tham số của mô hình

Khi có sự sai lệch, công việc tiếp theo là xác định lại các tham số đầu vào thông qua bài toán phân tích ngược đối với các mô hình được thiết lập bằng lý thuyết (mô hình lý thuyết), hoặc điều chỉnh hệ số của các hàm thực nghiệm, các tham số hay hệ số kinh nghiệm đối với các mô hình toán học (hay mô hình bán thực nghiệm) Các mô hình gần hoàn chỉnh này sẽ được áp dụng cho các giai đoạn của

Trang 38

một dự án, hoặc trong vùng có các điều kiện, hay các đặc điểm tương đương

Trong thực tế khai thác mỏ hầm lò, các loại đá trong khối đá là rất đa dạng, biến động phức tạp Do vậy mọi mô hình cũng chỉ có thể cho các kết quả phản ánh được biểu hiện của khối đá ở các mức độ chính xác nhất định [16]

Chính vì vậy, công tác theo dõi, quan trắc đo đạc hiện trường, vẫn phải được sử dụng để thu nhận các tín hiệu về biểu hiện thực tế của khối đá nguyên trạng trong trường hợp cụ thể Công tác quan trắc thực địa, kết hợp với các kết quả phân tích mang tính định tính từ nghiên cứu trên mô hình giải tích, mô hình số sẽ cho phép dự báo được dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất có thể bị xảy

ra hay không Trong trường hợp có những biến động về điều kiện địa chất, thì nhất thiết phải triển khai mô phỏng với những thông tin mới thu nhận được

Nói tóm lại, nghiên cứu trên mô hình không chỉ dừng lại ở giai đoạn quy hoạch hay thiết kế, mà cần thiết phải triển khai cả trong giai đoạn hoạt động xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ (phân tích ngược để điều chỉnh mô hình; phân tích, mô phỏng khi điều kiện địa chất biến động) [16]

2.3 Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá

2.3.1 Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ

Để nghiên cứu và giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng đất đá do đào

lò chuẩn bị cũng như khai thác than ở lò chợ người ta đưa ra mô hình địa cơ đơn giản cho một khối đá nguyên thủy hình lập phương có thể tích khối đá bằng đơn vị nằm ở độ sâu H thể hiện trên hình 2.3 Điều kiện biên của mô hình này là chịu các thành phần ứng lực pháp tuyến σ1 và các ứng lực hông σ2, σ3 với các giá trị xác định như sau [2]:

P = 1 =  H (2.1)

2 = 3 = k 1 (2.2)

Trang 39

Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá

nguyên thủy ở độ sâu H Dựa vào mô hình trên người ta giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng khi đào lò chuẩn bị (hình 2.4) và khi khai thác than ở lò chợ (hình 2.5)

Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa Trong đó: P1 là tải trọng của cột đá, P2 áp lực tựa hông

1 là đường phân bố áp lực ban đầu

2 là đường phân bố áp lực khi có tải trọng Trước khi đào lò, trường lực trong khối đá nguyên thuỷ được đặc trưng bởi các đường sức 1, 2 = 3 Sau khi đào lò, giá trị ứng lực gần lò chợ thay đổi, dẫn đến tăng tải trọng vùng tựa của khối đá gần thành lò, làm xuất hiện vùng áp lực tựa và

Trang 40

vùng giảm tải nằm trên vùng trống khai thác Ngoài phạm vi trên thì tải trọng có giá trị như ban đầu Sau khi đào lò, trọng lượng cột đá (an’’fb) ở trên đè lên gối tựa khu vực mép là (at, bk) làm tăng tải trọng ở các khu vực ấy của vỉa Sự phân phối áp lực cho các khu vực ấy biểu diễn bằng đường cong 1, sau khi bị nén vỡ biểu thị bằng đường cong 2 Bản chất của áp lực tựa được giải thích hình 2.5 dưới đây

Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ

Trong đó: Vùng I là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải)

Vùng IIa, IIb: Vùng uốn võng Vùng IIIa, IIIb: Vùng đất đá bị nén (áp lực tựa)

Ưu điểm của mô hình này là rất đơn giản, dựa vào đó có thể giải thích một số quy luật dịch chuyển biến dạng cơ bản xung quanh lò chuẩn bị cũng như lò chợ Tuy nhiên, mô hình có nhược điểm là chưa xét đến các thành phần môi trường đất

đá, điều kiện địa chất, khai thác và sự biến động theo không gian và thời gian của các thành phần ứng suất 1, 2,3

Kratch [48] đã khắc phục một số nhược điểm của mô hình trên bằng cách đưa

ra các mô hình biến động địa cơ (hình 2.6)

IIIa

II a

II b

III b

Định dạng
Số trang	139
Dung lượng	6,25 MB