Đang tải... (xem toàn văn)
86 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue 2 (2020) 86 95 A novel approach of determining the parameters of Asadi profiling function for predictiong ground subsidence due to inclied coal se[.]
86 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue (2020) 86 - 95 A novel approach of determining the parameters of Asadi profiling function for predictiong ground subsidence due to inclied coal seam mining at Quang Ninh coal basin Long Quoc Nguyen * Faculty of Geomatics and Land Administration, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 12th Feb 2019 Accepted 16th Mar 2020 Available online 29th Apr 2020 In this paper, a novel approach for estimating preliminary values of parameters of the Asadi profiling function (APF) were proposed, then the least-squares principle was used with these preliminary values and ground subsidence monitoring data at the Thong Nhat underground mine to determine to the final parameters of the APF This function was employed to predict ground subsidence at the Mong Duong mine where there are geological and rock geomachenial conditions well as seams’ inclination similar to those of Thong Nhat mine The results show that the Rood Mean Square Error (RMSE) and Mean Absolute Error (MAE) equal to 0.081 m and 0.055 m or 9.9% and 6.7% of maximum subsidence, respectively, and a correlation coefficient of 0.973 These results prove that the APF with calculated parameters can be used to predict ground subsidence due to underground mining in the areas that have the similar conditions to Thong Nhat mine Keywords: Asadi profiling function, Inclined seam, Parameter estimation, Quang Ninh coal basin Subsidence prediction Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E-mail: nguyenquoclong@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2020.61(2).10 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 86 - 95 87 Xác định hệ số mơ hình dự báo lún Asadi phù hợp đặc điểm khai thác vỉa dốc bể than Quảng Ninh Nguyễn Quốc Long * Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 12/02/2020 Chấp nhận 16/3/2020 Đăng online 29/4/2020 Bài báo đề xuất công thức tổng quát tính trị số gần hệ số mơ hình dự báo lún Asadi Dựa trị gần số liệu quan trắc lún bề mặt khai thác than hầm lò mỏ Thống Nhất, áp dụng nguyên lý số bình phương nhỏ để xác định hệ số mơ hình Sử dụng mơ hình dự báo độ lún bề mặt khai thác mỏ than Mông Dương, mỏ hầm lị có điều kiện địa chất, tính chất lý đất đá độ dốc vỉa tương đồng với mỏ Thống Nhất Kết dự báo so sánh với số liệu quan trắc để đánh giá độ xác mơ hình Từ kết đánh giá độ xác cho thấy sai số trung phương RMSE = 0,081 m, sai số trung bình MAE = 0,055 m tương đương 9,9% 6,7% độ lún cực đại bồn dịch chuyển, tương quan r = 0,973 Với kết cho phép khẳng định mơ hình Asadi với hệ số đề xuất phù hợp để dự báo lún bề mặt khai thác hầm lị khu vực có điều kiện tương tự mỏ Thống Nhất Từ khóa: Bể than Quảng Ninh; Mơ hình dự báo lún; Mơ hình Asadi; Vỉa dốc; Xác định hệ số © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Quy luật, cường độ trình dịch chuyển đất đá biến dạng bề mặt chịu chi phối đặc điểm địa hình, địa chất, nằm vỉa, tính chất lý lớp địa tầng công nghệ khai thác khoáng sản,… (Reddish and Whittaker, 2012) Tuy nhiên, yếu tố kể phản ánh thông qua kết quan trắc Do đó, kết quan trắc mỏ khác nhau, khu vực mỏ sử dụng đầu vào để xây dựng mơ hình dự báo thích hợp với điều kiện cụ thể, qua cho phép xác định sớm quy luật đại lượng dịch chuyển biến _ *Tác giả liên hệ E - mail: nguyenquoclong@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.2020.61(2).10 dạng, làm sở cho việc lựa chọn công nghệ kỹ thuật khai thác phù hợp, biện pháp gia cố cơng trình,… nhằm mục đích ngăn ngừa giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực q trình khai thác mỏ cơng trình (Nguyễn Quốc Long & Lê Văn Cảnh, 2018) Trong đại lượng biến dạng bao gồm: độ lún (dịch chuyển đứng), dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng độ cong địa hình thìđộ lún đại lượng sở để xác định đại lượng lại (Nguyễn Quốc Long, 2019) Vì vậy, nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng khai thác hầm lị hầu hết tập trung nghiên cứu đối tượng dự báo đại lượng lún Hiện nay, có nhiều phương pháp, nhóm phương pháp dự báo lún bề mặt mỏ ảnh hưởng khai thác hầm lò, phương pháp, nhóm phương pháp có ưu điểm, nhược điểm điều 88 Nguyễn Quốc Long/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 86 - 95 kiện ứng dụng thích hợp, tiêu biểu có phương pháp đề xuất nhà khoa học Nga, Ba Lan, Trung Quốc, Anh (Agnieszka nnk., 2018; Nguyen Quoc Long nnk., 2012) Một số công nghệ đại InSAR, GNSS áp dụng thu thập liệu lún khu vực khai thác (Chen nnk., 2018; Hejmanowski nnk., 2019; Yu nnk., 2014) Tại Việt Nam, có số nghiên cứu dự báo lún bề mặt phạm vi ảnh hưởng khai thác hầm lò bề mặt tiến hành bể than Quảng Ninh, nghiên cứu áp dụng mơ hình dự báo Knothe phương pháp Vùng tương tự (Nguyen, 2016; Nguyen nnk., 2018; Pham Van Chung nnk., 2019) Theo Quy phạm kỹ thuật khai thác hầm lò than diệp thạch (Bộ công nghiệp, 2006), nằm vỉa than Việt Nam hầu hết vỉa nghiêng dốc nghiêng (sau gọi chung vỉa dốc), bên cạnh liệu quan trắc bố trí theo dạng tuyến (Nguyễn Quốc Long, 2019) nên nhóm phương pháp hàm mặt cắt phù hợp để dự báo lún bề mặt điều kiện Việt Nam Trong nhóm phương pháp này, mơ hình Asadi đề xuất cho phép dự báo lún phạm vi bồn dịch chuyển khai thác vỉa dốc (Asadi nnk., 2005) Asadi đề xuất mơ hình xác định mặt cắt bồn lún trường hợp khai thác vỉa dốc cách kết hợp hai hàm mặt cắt dạng mũ, ưu điểm phương pháp không phát triển sở lý thuyết Knothe công nhận rộng khắp mà trước hết tính chặt chẽ lý thuyết Để mơ hình Asadi dự báo xác, phù hợp với điều kiện mỏ - địa chất khu vực cần phải xác định hệ số mơ hình tương ứng với khu vực cụ thể Các hệ số xác định thơng qua số liệu quan trắc thực địa Nghiên cứu tiến hành mỏ Thống Nhất Mông Dương, mỏ hầm lò tiêu biểu Việt Nam có điều kiện địa chất mỏ, địa chất cơng trình góc dốc vỉa than tương đồng (Trúc, 1991; Trung tâm hỗ trợ phát triển khoa học kỹ thuật, 2017) Số liệu quan trắc mỏ Thống Nhất dùng để xác định hệ số mơ hình Asadi, mơ hình kiểm chứng cách so sánh kết dự báo với số liệu quan trắc mỏ Mông Dương Mơ hình Asadi dự báo lún bề mặt khai thác hầm lò vỉa dốc Khác với vỉa dốc thoải, trường hợp vỉa dốc, trình khai thác tạo bồn dịch chuyển bất đối xứng Chính vậy, việc dự báo lún bề mặt khai thác vỉa dốc phức tạp so với vỉa (Nguyễn Quốc Long, 2015) Dựa hàm dự báo lún bề mặt Knothe cho trường hợp vỉa bằng, Asadi đề xuất hai hàm mặt cắt riêng biệt để dự báo độ lún cho hai nửa mặt cắt phía xi dốc ngược dốc bồn dịch chuyển Hai nửa mặt cắt kết hợp lại với thành hàm thống dự báo đường cong lún qua mặt cắt bồn dịch chuyển biểu thức (1) (Asadi nnk., 2004) 𝜂 𝑝 (𝑠𝑖 ) = 𝜂𝑚𝑎𝑥 [𝑐 𝑒 −𝑓( −𝑠 𝑔 ) 𝐿1 + 𝑑 𝑒 −𝑝( 𝑠 𝑞 ) 𝐿2 ] (1) Trong đó: 𝜂 𝑝 (𝑠 ) giá trị độ lún điểm cần 𝑖 xác định mặt cắt bồn dịch chuyển; 𝜂𝑚𝑎𝑥 độ lún cực đại bồn dịch chuyển; s khoảng cách từ điểm có độ lún cực đại (tâm bồn dịch chuyển) tới điểm cần tính, s mang giá trị âm (-) điểm phía ngược dốc dương (+) điểm phía xi dốc bồn dịch chuyển; L1 L2 bán bồn dịch chuyển theo hướng ngược xuôi dốc, tham số xác định dựa kết quan trắc vẽ mặt cắt; Các hệ số f, g, p, q mơ hình xác định thông qua kết quan trắc thực địa; c d hệ số điều kiện để kết nối hai nửa mặt cắt bồn dịch chuyển thành đường cong liền Phương pháp xác định hệ số mơ hình dự báo 3.1 Xác định trị gần hệ số Trong mơ hình dự báo Asadi, độ lún dự báo tính theo biểu thức (1) Giá trị hệ số 𝑓, 𝑔, 𝑝, 𝑞 xác định dựa vào số liệu quan trắc Ký hiệu 𝜂(𝑠𝑖) giá trị quan trắc; 𝑉(𝑠𝑖) giá trị hiệu chỉnh, theo ngun lý số bình phương nhỏ ta có: 𝜂(𝑠𝑖 ) + 𝑉(𝑠𝑖 ) = 𝜂𝑚𝑎𝑥 [𝑐 𝑒 −𝑓( −𝑠 𝑔 ) 𝐿1 + 𝑑 𝑒 −𝑝( 𝑠 𝑞 ) 𝐿2 ] (2) Hệ phương trình số hiệu chỉnh (2) loại hàm phi tuyến, áp dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, giải pháp thơng dụng đưa hàm dạng tuyến tính Với mục đích này, trước hết, biểu diễn hệ số 𝑓, 𝑔, 𝑝, 𝑞 qua trị gần 𝑓 0, 𝑔0 , 𝑝0 , 𝑞 số hiệu chỉnh tương ứng Nguyễn Quốc Long/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (2), 86 - 95 sau: tuyến tính (10): 𝑓 = 𝑓 + 𝛿𝑓 𝑔 = 𝑔0 + 𝛿𝑔 𝑝 = 𝑝0 + 𝛿𝑝 { 𝑞 = 𝑞 + 𝛿𝑞 𝑉(𝜂 (3) Để xác định giá trị gần 𝑓 0, 𝑔0 , 𝑝0 , 𝑞 , tiến hành đạo hàm riêng phần theo biến 𝑓, 𝑔, 𝑝, 𝑞 Từ biểu thức (2), lấy logarit tự nhiên hai vế theo biến, ta có: 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑖) ] = 𝑙𝑛 𝜂𝑚𝑎𝑥 −𝑠 𝑔 ( ) 𝐿1 =− −𝑠 𝑔 + 𝑙𝑛 𝐶 − 𝑓 ( ) 𝐿1 (4) 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑖) ]−𝑙𝑛 𝜂𝑚𝑎𝑥 −𝑙𝑛 𝐶 (−𝑆𝑖 /𝐿1 )𝑔 (−𝑆𝑖+1 /𝐿1 )𝑔 𝑙𝑛[𝜂(𝑠 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛(𝑐) = 𝑙𝑛[𝜂 𝑖 (𝑠𝑖+1 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛(𝑐) 𝑙𝑛[𝜂(𝑠 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛 𝑐 𝑖 𝑙𝑜𝑔𝑠𝑖 /𝑠 [ ] 𝑖+1 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑖+1 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛 𝑐 (5) (6) Thay 𝑔0 vào biểu thức (5) tính giá trị gần 𝑓 là: 𝑓 =− 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑖) ] − 𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 ) 𝜕𝑔 𝑆𝑘 𝑆𝑘+1 [ 𝑝0 = 𝑠𝑖 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) ) 𝛿𝑔 + ( 𝜕𝑝 𝜕𝜂(𝑠𝑖) ) 𝛿𝑝 ( 𝜕𝑞 𝑖) 𝜕𝑓 𝑖 ) 𝛿𝑓 + ) 𝛿𝑞 − 𝜂(𝑠𝑖 ) (10) Trong đó: 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) −𝑆𝑖 𝑔 −𝑓(−𝑆𝑖) 𝐿1 = −𝜂𝑚𝑎𝑥 𝑐 ( ) 𝑒 𝜕𝑓 𝐿1 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝜕𝑔 = −𝜂𝑚𝑎𝑥 𝑐 𝑓 ( 𝑔 −𝑆𝑖 𝑔 −𝑆𝑖 −𝑓(−𝑆𝑖) 𝐿1 ) 𝑙𝑛 ( )𝑒 𝐿1 𝐿1 (11a) 𝑔 (11b) −(𝑆𝑖 /𝐿1 𝑙𝑛[𝜂(𝑠 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛 𝑑 𝑘 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑘+1 ) ]−𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 )−𝑙𝑛 𝑑 𝑙𝑛[𝜂(𝑠𝑘 ) ] − 𝑙𝑛(𝜂𝑚𝑎𝑥 ) (𝑆𝑘 /𝐿2 )𝑞 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝑆𝑖 𝑞 −𝑝( 𝑆𝑖 ) = −𝜂𝑚𝑎𝑥 𝑑 ( ) 𝑒 𝐿2 𝜕𝑝 𝐿2 ] (8) 𝑞 Ký hiệu số hạng tự do: ℓ𝑖 = 𝜂 𝑝0 (𝑠 ) (𝑓 , 𝑔0 , 𝑝0 , 𝑞 ) − 𝜂(𝑠𝑖) 𝑖 3.2 Xác định hệ số mơ hình Nếu trị gần ẩn số xác định xấp xỉ với giá trị chuẩn chúng số hiệu chỉnh ẩn số giá trị nhỏ, ta khai triển hàm 𝜂 𝑝 (𝑠 ) theo chuỗi 𝑖 Taylor giữ lại số hạng bậc δf, δg, δp, δq Sau khai triển ta có phương trình dạng (12) Kết hợp biểu thức (11a11d) (12), biểu thức (10) viết lại sau: 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝑉𝑠 = ( ) 𝛿𝑓 + ( ) 𝛿𝑔 𝑖 𝜕𝑓 𝜕𝑔 0 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) +( ) 𝛿𝑝 + ( ) 𝛿𝑞 + 𝐿𝑖 𝜕𝑝 𝜕𝑞 (13) Ký hiệu hệ số phương trình số hiệu chỉnh 𝜕𝜂(𝑠𝑖) (𝜕 𝑓,𝑔,𝑝,𝑞 ) = 𝑎𝑖𝑗 với j=1, 2, 3, tương ứng với ẩn số 𝛿𝑓 , 𝛿𝑔 , 𝛿𝑝 , 𝛿𝑞 , đó, ta phương trình số hiệu chỉnh dạng tuyến tính, phương trình cịn gọi phương trình sai số mơ tả tổng quát dạng ma trận sau: 𝑉 = 𝐴 𝑋 + 𝐿 (9) (11c) 𝜕𝜂(𝑠𝑖 ) 𝑆𝑖 𝑞 𝑆𝑖 −𝑝( 𝑆𝑖 ) = −𝜂𝑚𝑎𝑥 𝑑 𝑝 ( ) 𝑙𝑛 ( ) 𝑒 𝐿2 (11d) 𝜕𝑞 𝐿2 𝐿2 (7) )𝑔 Cũng với cách làm tương tự tính giá trị gần 𝑞 𝑝0 tương ứng với hai giá trị vị trí 𝑘 𝑘 + (𝑠𝑘 > 0, 𝑠𝑘+1 > 0) sau: 𝑞 = 𝑙𝑜𝑔 ( 𝑖) 𝜕𝜂(𝑠 = 𝜂 𝑝0(𝑠 ) (𝑓 , 𝑔0, 𝑝0 , 𝑞0 ) + ( ) 𝑞 Từ tính giá trị gần g 𝑔0 theo công thức: 𝑔 = 𝜕𝜂(𝑠 𝑓 Áp dụng biểu thức (5) cho giá trị vị trí i i+1 (𝑠𝑖