Tóm tắt Luận án 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

dự báo dịch chuyển đá mỏ trong trường hợp khai thác vỉa than độ dốc thoải với mô hình môi trường đàn hồi. 1 2 3 45   T1 T2 Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ 5 1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh Ở Việt Nam giai đoạn từ năm 1980 đến năm 2010 thì nghiên cứu dịch chuyển biến dạng chưa quan tâm: 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. Tiếp theo là PGS.TS. Võ Chí Mỹ [14], Năm 1988, TS. Nguyễn Xuân Thụy. TS Kiều Kim Trúc [21]. Năm 2003 TS. Vương Trọng Kha [13]. Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV tiến hành xây dựng các trạm quan trắc và quan trắc thực địa thuộc cấp nhà nước do TS. Phùng Mạnh Đắc chủ nhiệm, thực hiện chính KS. Phạm Văn Chung [7] Giai đoạn từ năm 2010 đến nay phải để đến một số nhà khoa học đã sử phương pháp lý thuyết sử dụng phương pháp số như: Năm 2011, TS Nguyễn Anh Tuấn và nhóm nghiên cứu đã sử dựng 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. 1.3 Kết luận chương 1 1. Mô hình địa cơ với những ưu điểm vượt trội (khả năng tạo ra các mô hình từ đơn giản đến phức tạp về cấu trúc cũng như linh hoạt trong các lựa chọn các tham số mô hình mà các phương pháp nghiên cứu khác không có được) cùng với sự phát triển nhanh của phương pháp số và công cụ tính toán số đang được ưu tiên lựa chọn để giải quyết các bài toán liên quan đến dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò. 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, 6 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 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. 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 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, 2. Thu hẹp, thu nhỏ. 3. Tính thực dụng 2.1.3. Phân loại mô hình 1. Mô hình kinh nghiệm, 2. Mô hình giải tích, 3. Mô hình số 2.1.4. Ưu nhược điểm của các mô hình 7 - Mô hình kinh nghiệm mô phỏng các yếu tố địa chất, cơ học đơn giản. Do vậy chỉ cho kết quả định tính - Mô hình giải tích: với các hàm toán học thường cho lời giải nghiệm kín, kết quả chính xác. Tuy nhiên mô hình này có hạn chế thường chỉ giải trên giả thiết đơn giản, đất đá đàn hồi, đẳng hướng chưa chú ý đến ứng suất, đặc tính cơ học đất đá - Mô hình số: Mô phỏng được đầy đủ các đặc tính của đất đá và thay đổi các tham số đầu vào nhanh chóng để cho kết quả phù hợp. Do vậy, lời giải phức tạp, môi trường khối đá không giống nhau tại mọi vị trí nên mô phỏng cũng khó khăn 2.2 Nghiên cứu trên mô hình 2.2.1. Xây dựng mô hình a) Địa chất b) Địa kỹ thuật c) Kỹ thuật 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 2.2.3. Kiểm chứng mô hình Kết quả nghiên cứu trên mô hình, hay kết quả mô phỏng, sẽ có ý nghĩa thực tế, khi các kết quả đó được thử nghiệm để minh chứng trên vật thể thực, trong trường hợp này là khối đá xung quanh không gian khai thác. 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 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 8 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) 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) 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) Hình 2.6. Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ 2.3.2. Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ σ1 σ2 σ3 σ1 σ2 2 σ3 9 2.3.3. Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ 2.3.4. Các thông số trên mô hình địa cơ 2.3.5. Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ 2.3.6. Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ 2.3.7. Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng 2.4 Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh - Mô hình với điều kiện môi trường đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng. - Mô hình này được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn - Dữ liệu đầu vào của mô hình là các tham số cơ học, kích thước hình học, chiều dày vỉa như: Độ bền nén σ của các loại đất đá, chỉ số bền địa chất (GSI), chỉ số phá hoại do nổ mìn (D), hằng số vật liệu (mi) để xác định thông số đàn hồi E. Kích thước hình học như chiều sâu khai thác, chiều dài lò chợ theo phương và theo hướng dốc. - Các kết quả quan trắc thực địa xác định hàm đường cong tiêu chuẩn cho bể than Quảng Ninh phục vụ công tác dự báo dịch chuyển biến dạng - Phần mền chuyên dụng để giải bài toán đó là: Rockdata, R và Rocscience 2.0. 2.5 Kết luận chương 2 1. Trên cơ sở phân tích các dạng mô hình địa cơ và các phương pháp số khác nhau, nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình đàn hồi đẳng hướng và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Sự lựa chọn này dựa trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã được công bố và hoàn cảnh cụ thể về điều kiện nghiên cứu (dữ liệu thực tế, công cụ tính toán và kinh nghiệm nghiên cứu). 2. Khi áp dụng mô hình địa cơ này vào thực tế, để tránh những hạn chế (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 hoặc liên tục gần thực tế thì mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp), điều quan trọng là phải nghiên cứu điều chỉnh mô hình địa cơ cho phù hợp với điều kiện khu vực nghiên cứu được đặc trưng bởi các dữ liệu quan trắc thực địa. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC HÀM ĐƯỜNG CONG TIÊU CHUẨN TỪ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH 3.1 Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu 10 Hiện nay, kỹ thuật và phương pháp quan trắc dịch chuyển và biến dạng đất đá đi từ hướng truyền thống đến hiện đại, có rất nhiều phương pháp quan trắc khác nhau như: phương pháp quan trắc mặt đất độ chính xác cao, phương pháp đo ảnh và hệ thống quan trắc GPS [12] 3.2 Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn Phương pháp đồ thị giải tích dựa trên việc sử dụng các đường cong tiêu chuẩn phân bố độ lún và biến dạng trong bồn dịch chuyển. Điểm gốc của toạ độ thường lấy điểm có độ lún cực đại (hình 3.1). a, Đường cong lún thực tế b, Đường cong lún không thứ nguyên Hình 3.1. Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên Trên cơ sở lý thuyết xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn, các giá trị của hàm cong tiêu chuẩn S(zx), F(zx), F’(zx) được xác định cho vùng Quảng Ninh. 3.3 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển 3.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động đá mỏ a. Xác định hệ số kiên cố địa tầng b. Lựa chọn nhóm mỏ theo hệ số kiên cố địa tầng f. 3.3.2. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển 3.4 Xác định các hàm đường cong chuẩn vùng Quảng Ninh Bán bồn dịch chuyển thực tế được phân chia ra làm 10 phần, tại mỗi điểm đã chia, cần tính các giá trị độ lún i, độ nghiêng ii, độ cong ki. Dịch chuyển ngang i và biến dạng ngang i. Hàm số phân bố độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch chuyển ngang và biến dạng ngang được xác định như các đạo hàm tương ứng sau [23]: (3.29) 11 Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn STT S(z) S’(z) S” (z) F(z) F’ (z) 0 -1,00 0,12 3,19 4,59 -2,40 1 -0,90 0,88 -0,68 4,29 6,87 2 -0,76 0,06 1,70 3,47 0,83 3 -0,51 2,39 -9,83 2,55 6,80 4 -0,30 0,33 14,08 2,71 5,53 5 -0,20 0,88 2,08 1,91 2,54 6 -0,13 0,59 2,64 1,14 1,78 7 -0,09 0,42 0,74 0,97 0,61 8 -0,06 0,19 1,11 0,80 0,61 9 -0,04 0,78 -6,33 0,89 0,86 10 0,00 0,04 1,40 0,02 -0,12 Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn STT S(z) S’(z) S” (z) F(z) F’ (z) 0 -1,00 3,11 -62,69 6,75 -14,34 1 -0,61 4,10 -15,80 4,15 -13,28 2 -0,37 2,78 25,53 2,92 -12,96 3 -0,27 0,89 24,87 1,69 -13,53 4 -0,23 0,06 -21,68 1,60 -5,01 5 -0,22 -0,05 6,57 1,95 -2,63 6 -0,20 0,15 14,17 2,17 -0,11 7 -0,19 0,16 -0,59 1,90 -6,67 8 -0,14 -0,01 1,35 1,26 5,88 9 -0,08 0,54 -1,61 0,65 2,41 10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 3.5 Kết luận chương 3 1. Các phương pháp được áp dụng tính toán xác định các thông số dịch chuyển biến dạng và các hàm đường cong chuẩn là tin cậy và đã được ứng dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. Do vậy, từ các kết quả trên đã xác định kích thước hình học của mô hình địa cơ, góc dịch chuyển của mô hình, xác định độ lún cực đại một mặt cho phép dự báo dịch chuyển biến dạng đá mỏ cho Việt Nam, mặt khác xác lập điều kiện biên cho mô hình địa cơ. 12 2. Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa của mỏ than Mạo Khê, Mông Dương đã xác định được các hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), S’(z), S”(z), F(z), F’(z) phù hợp với các điều kiện địa chất - khai thác của bể than Quảng Ninh để phục vụ cho công tác tính toán dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ nhằm bảo vệ các công trình và đảm bảo an toàn quá trình khai thác than hầm lò. 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 4.1 Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh 4.1.1. Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu Bể than Quảng Ninh gồm ba khu vực [8]: Uông Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả với các điều kiện địa chất khác nhau: Kết quả thí nghiệm các mẫu đá bằng phương pháp nén đơn trục tại vùng bể than Quảng Ninh được ghi ở bảng 4.1 [8] Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá STT Loại đá Độ bền nén σ (Mpa) Ghi chú 1 Cát kết 114 2 Bột kết 42 3 Sét kết 31 4 Than 17.1 4.1.2. Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh 4.1.3. Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata Để tính mô đun đàn hồi E theo Rockdata, cần có thông số đầu vào như độ bền nén một trục (σ), chỉ số bền địa chất (GSI), chỉ số phá hoại do nổ mìn (D) của bể than Quảng Ninh, các chỉ số GSI, D lấy theo kinh nghiệm của chuyên gia Ngô Văn Sỹ. Các số liệu đầu vào ghi bảng 4.5, kết quả tính hệ số đàn hồi E thể hiện bảng 4.6 13 Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào của RocData STT Loại đá Độ bền nén σ MPa Chỉ số bền địa chất GSI Chỉ số phá hoại do nổ mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) 1 Cát kết 114 45 0.8 17 2 Bột kết 42 37 0.8 7 3 Sét kết 31 11 0.8 4 4 Than 17.1 8 0.8 4 Bảng 4.6 Kết quả tính mô đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown TT Loại đá Độ bền nén σ (MPa) Chỉ số bền địa chất (GSI) Chỉ số phá hoại do nổ mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) Mô đun đàn hồi E (Mpa) 1 Cát kết 114 45 0.8 17 2115 2 Bột kết 42 37 0.8 7 691.36 3 Sét kết 31 11 0.8 4 244.03 4 Than 17.1 8 0.8 4 93.01 4.2 Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất 4.2.1 Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada) 4.2.2. Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán TH1: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E = 2115 MPa, bột kết có E = 691.36 MPa, sét kết có E = 244.03 MPa tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH2: Tham số đầu vào bằng 70% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH3: Tham số đầu vào bằng 50% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH4: Tham số đầu vào bằng 125% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH5: Tham số đầu vàobằng 30% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi 14 TH6: Tham số đầu vào bằng 10% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi. 4.3.3 Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ Từ bảng 4.7 rút ra nhận xét mô đun đàn hồi càng lớn độ lún càng giảm, như vậy có mối quan hệ tương quan rất chặt chẽ Bảng 4.7 Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi TT Loại đá Giá trị Kết quả xác định độ lún và mô đun đàn hồi TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 1 Cát kết E(MPa) 2115.00 1480.50 1057.50 2643.75 634.50 211.50 2 Bột kết E(MPa) 691.36 483.95 345.68 864.20 207.41 69.14 3 Sét kết E(MPa) 244.03 170.82 122.02 305.04 73.21 24.40 4 Than E(MPa) 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01 5 Ƞ(m) 1.906 1.500 1.918 0.944 2.658 5.095 Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 1 Hình 4.6: Biểu đồ độ lún trong trường hợp 1 4.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 4.3.1 Phương pháp phân tích thống kê 4.3.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính 15 4.3.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi Để đánh giá tầm quan trọng của các biến số ảnh hưởng với nhau, sử dụng ngôn ngữ phân tích thông kê và đồ thị (phần mềm R) xác định biểu đồ tương quan và phương trình của các biến độc lập Cơ sở dữ liệu được lấy từ bảng 4.7, kết quả phân tích như sau: Đối với đá cát kết, bột kết, sét kết ta có biểu đồ tương quan thể hiện hình 4.17, 4.18. Hình 4.17. Biểu đồ tương quan độ lún với hệ số đàn hồi của đá cát kết 1 2 3 4 5 250 500 750 E ne ta Hình 4.18. Biểu đồ tương quan độ lún với hệ số đàn hồi của đá bột kết Phương trình biểu thị mối tương quan giữa độ lún cực đại với hệ số đàn hồi của các loại đá: ƞ= a+ EX+EX2+ EX3 Trên cơ sở đó xác định mối tương quan giữa đá cát kết với hệ số đàn hồi của nó xác định được phương trình 3.4 Ƞ= 7.01 - 1.04.10-2. E + 6.50.10-6. (E)2- 1.30.10-9. (E)3 (4.4) Đát bột kết xác định phương trình 3.5 Ƞ= 7.01 - 3.17.10-2. E + 6.08.10-5. (E)2 - 3.72.10-8. (E)3 (4.5) Đát sét kết xác định phương trình 3.6 Ƞ= 7.01 - 8.99.10-2. E+ 4.88.10-4. (E)2 - 8.46.10-7. (E)3 (4.6) Như vậy, giải các phương trình (4.4), (4.5), (4.6) xác định được hệ số đàn hồi EC kết quả ghi ở bảng 4.8 Bảng 4.8 Kết quả tính hệ số đàn hồi các loại đá TT Hệ số Cát kết Bột kết Sét kết Ghi chú 1 ER 2115 691.36 244.03 2 EC 2628.788 860.368 303.637 16 Từ kết quả của bảng 4.8 thấy rằng nếu sử dụng hệ số đàn hồi tính được trên phần mềm Rockdata (ER) đưa vào mô hình địa cơ cho bất kỳ vùng nào thì ta có thể dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt, xác định các thông số dịch chuyển từ đó có cơ sở đưa ra giải pháp khai thác an toàn, hiệu quả. Trong quá trình xử lý số liệu Tuy nhiên, khi sử dụng mô hình địa cơ cho bể than Quảng Ninh theo tác giả nghiên cứu và xác định được hệ số phụ thuộc giảm bền theo công thức 4.7. KC = EC/ER=1,24 (4.7) 4.4 Kết luận chương 4 1. Trên thế giới có nhiều mô hình địa cơ phân tích, dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt đất, phát triển ở các dạng khác nhau. Kết quả tổng hợp và phân tích cho thấy, các mô hình đều có những tồn tại, hạn chế nhất định và thường mang tính địa phương, liên quan với các điều kiện địa chất cụ thể của từng khu vực, từng nước. Các mô hình địa cơ sử dụng phương pháp số có tính định lượng rất cao. Độ chính xác các mô hình tùy thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố thí nghiệm độ bền nén một trục rất quan trọng 2. Trong thực tế nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác hầm lò, luận án sử dụng mô hình địa cơ với nguồn dữ liệu đầu của bể than Quảng Ninh đã xác định được mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ với điều kiện biên mô hình là độ lún cực đại đã xác định được do quan trắc thực địa, đã điều chỉnh mô hình địa cơ về sát thực tế hơn. Tác giả xây dựng được mô hình địa cơ phục vụ cho công tác phân tích, dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt có cơ sở khoa học. Đối với mô hình địa cơ áp dụng cho bể than Quảng Ninh thì hệ số giảm bền KC =1,24. CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC LÒ CHỢ VỈA V7 MỎ THAN NAM MẪU QUẢNG NINH 5.1 Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu đặt trạm quan trắc dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt có các điểm toạ độ ghi ở bảng 5.1 [7]. 17 Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc Điểm X Y A 40400 368900 B 40400 370300 C 39100 368900 D 39100 370300 5.2 Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than Sơ đồ công nghệ này đề xuất áp dụng cho điều kiện vỉa dày, thoải đến nghiêng thể hiện hình 5.3 [9]. Đặc điểm của công nghệ khai thác vỉa dày là tỷ lệ tổn thất than sẽ tăng theo chiều dày lớp than hạ trần 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 [9] 5.3 Kiến nghị các thông số đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu Trong quá trình thi công địa chất công trình ngoài việc lấy mẫu thí nghiệm tại các tuyến V còn lấy thêm các lỗ khoan LK-24, LK-NM20, LK-NM51 tuyến VA, LK-36, LK-38A, LK-82 tuyến VI, LK-CG16, LK-NM27, LK-CG17, LK-NM28 tuyến III Bảng 5.3 Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata 18 TT Loại đá Độ bền nén σ (MPa) Chỉ số bền địa chất (GSI) Chỉ số phá hoại do nổ mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) Thông số đàn hồi E (MPa) Lực dính kết C (Mpa) Góc nội ma sát trong φ (độ) 1 Cát kết 114 45 0.8 17 2115 0.807 42.358 2 Bột kết 42 37 0.8 7 691.36 0.324 23.276 3 Sét kết 31 11 0.8 4 244.03 0.41 12.281 4 Than 17.1 8 0.8 4 93.01 0.059 3.5 Như vậy, kết quả xác định các thông số E, C, φ đầu vào để chạy cho mô hình địa cơ và tính toán với trạng thái đàn hồi dẻo mỏ than Nam Mẫu Quảng Ninh ghi ở bảng 5.4. Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu TT Hệ số Cát kết Bột kết Sét kết Than Ghi chú 1 EC 2628.788 860.368 303.637 93.01 2 C 42.358 23.276 12.281 3.50 3 φ 0.807 0.324 0.41 0.059 5.4 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng dốc trên mô hình địa cơ Mô hình địa cơ đã được xây dựng ở chương 4, các tham số đầu vào trong quá trình tính toán là các giá trị E, C, φ được đưa phần mềm thương mại Rocscience 2.0. Miền tính toán của mô hình lấy chiều rộng và chiều cao là 700x300m so với chiều rộng thực tế mặt cắt 1400x450m, tuy nhiên khu vực đặt trạm quan trắc dịch động vỉa 7 giới hạn từ lỗ khoan LK7 đến biên giới ngoài là 500m, mức khai thác vỉa 7 từ -80 đến mặt đất là 250m, nghĩa là chiều cao khoảng 330m. Do vậy, tác giả nghiên cứu mô hình là 700x300 là hợp lý so thực thế. 19 Hình 5.4: Sơ đồ tính toán Hình 5.5: Nhập các thông số cho mô hình Hình 5.7: Mô hình mô tả biểu đồ độ lún Hình 5.8: Mô hình mô tả biểu đồ biến dạng ngang Hình 5.9: Xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc Hình 5.10: Biểu đồ độ lún và góc dịch chuyển Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá Hình 5.12: Véc tơ dịch chuyển theo thời gian 20 Ở hình 5.7 độ lún trên mặt đất thể hiện đường màu đỏ có giá trị lớn nhất, đường màu xanh có giá trị nhỏ nhất, và kết quả tính toán xác định độ lún cực đại ƞ = 1.150m, góc dịch chuyển biên 0 = 470 thể hiện hình 5.9 Trên hình 5.9, 5.10 là tập hợp các kết quả phân tích độ lún trên mặt đất, thể hiện qua sự biến hình của lưới phần tử hữu hạn, cho thấy khi khai thác ở độ sâu nhất định, vùng sụt lún rộng thêm trên mặt đất, nhưng độ cong giảm dần, cũng có nghĩa là khi khai thác càng sâu thì khả năng gây phá hủy làm trượt, đổ các công trình kiến trúc có thể càng giảm. Điều này chứng tỏ rằng càng khai thác xuống sâu và đến một độ sâu khai thác an toàn thì dịch chuyển biến dạng không lan truyền lên đến bề mặt đất. Trên hình 5.10 thể hiện dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá cho thấy rằng có ba vùng rõ rệt: vùng dịch chuyển hoàn toàn ở gần nóc lò tạo ra như hình chữ V, phía trên nữa là vùng uốn võng và vùng đất đá chịu nén 5.5 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường phương Sơ đồ tính toán được thể hiện trong hình 5.16 với các lớp đất đá được lấy theo chỉ tiêu cơ lý ở bảng 4.6. Khoảng cách tiến gương ban đầu là 12.3m (bao gồm 10 bước tiến gương lò chợ và khoảng cách chuẩn bị lắp giàn chống); để thể hiện rõ vùng ứng suất biến dạng tác giả giải quyết bài toán 10 bước tiến gương lò chợ 6.3m là một khẩu độ trên mô hình với 20 khẩu độ tiến gương lò chợ để tìm quy luật phân bố vùng dịch chuyển biến dạng xung quanh lò chợ khai thác và trên bề mặt đất Hình 5.16 Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương Hình 5.17. Mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu 21 Hình 5.18. Mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2 Hình 5.19. Mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 5 Thông qua số liệu của các hình trên ta thấy sau hướng tiến gương là sự phá hủy (đặc trưng là các điểm vòng tròn) mô tả sự sập lở của các lớp đất đá trên nóc lò chợ. Qua các hình trên ta tính toán được chiều cao sập lở (vùng phân bố của các điểm vòng tròn) là H=12m. Như vậy đến khẩu độ thứ 11 thì bước sập đổ lập lại, nghĩa là chiều dài lò chợ khai thác theo đường phương đi được 69m thì lập lại bước sập đổ và chiều cao vùng sập đổ Tổng hợp các bước tiến gương với 11 khẩu độ ta thấy tại khẩu độ thứ 11 quy luật phân bố ứng chính σ1 trở về trạng thái ban đầu thể hiện hình 5.24 Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ 22 5.6 Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa Như chúng ta đã biết, để dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng khai thác hầm lò của khu vực nào đó chưa có quan trắc dịch động chúng ta cần phải xác định độ lún cực đại. Như vậy, đề tài luận án tác giả lựa chọn xác định độ lún cực đại thông qua mô hình địa cơ để kiểm chứng kết quả quan trắc dịch động tại mỏ than Nam Mẫu được thể hiện bảng 5.5. Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển theo hướng dốc Giá trị Mô hình địa cơ Quan trắc thực địa Ghi chú ƞ -1,150m -1,082m T