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

Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địacơtrênthế giới

Nghiêncứudịchchuyểnbiếndạngđịatầngđấtđávàbềmặtđấtdoảnhhưởngcủakhaitháchầm lòcólịchsửpháttriểnlâudàivàchođếnngàynayvẫnlàvấnđềquantâmlớncủacácnhàkhoahọc trongvàngoàinước.Đặcbiệtởnướcngoàisốlượngcáccôngtrìnhđãcôngbốrấtnhiều.Chínhvìvậy, trongphầntổngquannày,chỉgiớihạngiớithiệunhữngkếtquảnghiêncứudịchchuyểnbiếndạngđ ịatầngđấtđávàbềmặtđấtbằngphươngphápmôhình.

Trong hướng nghiên cứu lý thuyết đã sử dụng nhiều phương pháp tiếp cận khácnhaunhưphươngphápgiảitích,phươngphápsốv.v….đểtínhtoánchomộtmôhìnhđịacơcó môitrườngđànhồi,liêntục,đặcđiểmphituyến,môitrườngkhốiđárờirạcvới các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác độngtheocácmặtphẳnggiớihạncácvùngtrongkhốiđámỏbịảnhhưởngkhaithác. Để giải các bài toán cơ học môi trường liên tục, các nhà nghiên cứu như: V.NBoris-Komponees,M.VKurlen,A.BFadeev,V.GZoteev,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 trườngđànhồi,liêntụctrongcáccôngtrìnhcủacácnhànghiêncứunhư:A.D.Xashuri n,

B A Khramtsov, V E Bolicov, V A Kvochin, A B Makarov, A I Ilyn Các lýthuyết này cho phép xác định các thành phần trong không gian ba chiều của ten sơbiến dạng ở bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ nằm trên khu vực khai thác và chophép đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mỏ và dự báo sự phát triển của quátrìnhdịchchuyểntheocácphươngánkhaitháckhácnhau[23,27,52,56,57]

 y xy z z y Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏTrongđó:σ1,σ2:ứngsuấtpháptheotrụcx,y εx,εy:Biếndạngdọctươngđốitheotrụcx,yγ xy, γ yx:Biếndạngtrượttheotrụcx,y

Tensơbiếndạngđượctínhtoánngoàiviệcmôtảthànhphầntrêncóthểmôtảở dạng đường đẳng trị đối với hàng loạt các mặt cắt ngang hay mặt cắt đứng Trênthực tế thông dụng nhất là mô tả các ten sơ biến dạng theo biểu đồ cực, biểu thịtrong mặt cắt tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay các trục chính củatensơbiếndạng.

Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong cáctrạngtháiứng suấtbiếndạngkhácnhau Cácp hư ơn g p h á p l ý t hu yế t t í n h t oá nc á c t h ô n g số d ị c h chu yể n h i ệ n n a y đ ềudựatrêncơsởmộtmôhìnhđịacơnàođócủamôitrườngđịachất.A.D.Xashurin

[63] đã nghiên cứu quá trình biến dạng khối đá mỏ và bề mặt đất đối với trường hợpmỏ quặng có chiều dày lớn trong điều kiện có sự tác động của trường ứng suất kiếntạo bất đẳng hướng và đề xuất phương pháp tính toán dịch chuyển bề mặt đất gầnvùng sập đổ Các mô hình lý thuyết tương tự dựa trên vật liệu tương đương cũngđược nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để tính toán các thông số quá trình dịch chuyểnđámỏtrongkhaitháclộthiêncũngnhư khaitháchầmlò[49,51].

Mô hình địa cơ phân tích quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong trường hợpkhai thác hầm lò mỏ quặng theo A.D Xashurin được mô phỏng như một phần nửakhối vật thể đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng cùng với khoảng trống khai thác đượclấpđầybởiđấtđásậpđổthểhiệnhình1.3.

Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏTrongđó:1.Cáctuyếnquantrắctrênbềmặtđất

3 Vùng dịchchuyển nguyhiểm 4,5.Cácmặtphẳngvuônggócthểhiệndịch chuyểnthẳngđứng Khi nghiên cứu mô hình này trong trạngt h á i ứ n g s u ấ t d ư ớ i t á c đ ộ n g c ủ a trường ứng suất kiến tạo, Xashurin xác định được các công thức tính toán dịchchuyển bề mặt đất xung quanh vùng sập đổ có hình dạng tròn và elip, và đi đến kếtluận rằng với một tương quan nhất định giữa các giá trị ứng suất tác động chính thìcác vecto dịch chuyển không chỉ có hướng vào vùng khai thác phá hủy mà cònhướng vào sâu trong khối đá mỏ, tương tự như các kết quả quan trắc thực tế đãchứng minh.

I II chiếu lên mặt đất của vùng sập đổ), và sự phát triển của chúng trong mặt phẳngngang, cũng như các thông số trường ứng suất kiến tạo ban đầu và tính chất biếndạng của môi trường khối đá, có thể xác định được ten sơ biến dạng trong khônggian ba chiều và quỹ đạo của các véc tơ dịch chuyển mà trong trường hợp bất đẳnghướng của trường ứng suất ban đầu, các véc tơ dịch chuyển này không trùng vớihướngxuyêntâmtừ ngoạibiênvàotâmvùng sậpđổvàthểhiệntrênhình1.4.

Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạođẳnghướng (a) vàbấtđẳnghướng (b)

Có thể nhận thấy rằng, các phương pháp số giải các bài toán cơ học môi trườngliên tục - phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay được sử dụng phổ biến để giải cácbài toán cơ học đối với môi trường khối đá mỏ Một trong những ưu việt của cácphương pháp số là tính đa năng Bằng phương pháp số và sử dụng bất kỳ mô hìnhđịa cơ nào mô phỏng môi trường khối đá mỏ với những đặc điểm không đồng nhấtcủa các tính chất đàn hồi và độ bền, cũng như cấu trúc khác nhau và điều kiện biênbất kỳ có thể xác định được trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá xung quanhmộtđườnglòvớihìnhdángthiếtdiệnbấtkỳ.

Các phương pháp số có thể sử dụng một cách hiệu quả để tính toán dịch chuyểnđá mỏ và bề mặt đất trong khai thác hầm lò và khai thác lộ thiên Lần đầu tiênphương pháp số được Kratch

[48] sử dụng để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏtrongtrường hợpkhaithácvỉathanđộdốcthoảivớimô hình môitrườngđànhồi.

Tiếptheo,A.S.Yagunov,A.B.Makarov,V.N.Boris- Komponeesđãsửdụngphươngphápsốđểtínhtoáncácthôngsốquátrìnhdịchchuy ểnkhikhaitháccácvỉathanvàthânquặngcóchiềudàykhônglớn.Mặcdùtrongcác nghiêncứutrênđã không tính đếntính chất biến dạng dẻocủa khốiđámỏ nhưngcác kết quả tínhtoántươngđốiphùhợpvớicáckếtquảđođạctrênthựctế.Trongtrườnghợpkhaithác cácvỉathan,thânquặngdày vàdốcbằngphươngpháphầmlò,trênbềmặtđấttạothànhcácvùngsụtlúnvànứtnẻlớn, hoặckhikhaitháclộthiêntạothànhcácvùngtrượtlở,sậpđổ,thìviệcápdụngmôhìnhđà nhồikhôngcònphùhợp,màcầnthiếtsửdụngmôhìnhđànhồiphituyến,môhìnhđành ồinhớtvv… CácnhàbáchọcM.V.Kurlen,A.B.Fadeev,V.G.Zoteevvànhữngnhàkhoahọckh ác[37,42,72]đãcóđónggópquantrọngpháttriểncácmôhìnhbiếndạngphituyếncủakh ốiđámỏ.Đặcđiểmcấutạokhối,phânlớpvànứtnẻcủamôitrườngkhốiđámỏđượcđềcậptr ongcácmôhìnhđịacơcủaV.G.Zoteevvàtrongcáctínhtoánđãtínhđếnmốiquanhệphit uyếngiữaứnglựctrượtvàtrịsốdịchchuyểntrượttheomặttiếpxúc.Từcáckếtquảtín htoánđãxácđịnhđượcđặctínhvàtrịsốbiếndạngđànhồidẻo liên quan đến dịch chuyển của khối đá theo mặt tiếp xúc giữa các khối cấu trúc.Cũngcầnnhấnmạnhrằng,mặcdùtồntạinhiềuphươngphápsốđể xácđịnhd ịchchuyểnvàbiếndạngkhốiđámỏ,nhưngchỉcómộtsốítphươngphápđượcsửdụngtrongt hựctế,màđiểnhìnhnhấtlàcácmôhìnhmôphỏngtínhchấtbiếndạng đànhồinhớt.

Trong số các mô hình này, đáng chú ý nhất là mô hình đồng nhất củaV i t k e [61] Bản chất củamôhình này làcác tínhtoán được thực hiện cho khối đám ỏ đồng nhất, tiêu chuẩn phá hủy trong mô hình này là giả định rằng ở bất kỳ một điểmnào trong khối đá mỏ đều có thể tách ra một phần tử diện tích có độ bền giảm vàdiệntíchphầntửnàytươngứngvớimộtmặt phẳnggiảmyếu.

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 báodịch chuyển và biến dạng khối đá nứt nẻ khi khai thác các mỏ quặng bằng phươngpháp hầm lò và lộ thiên [28, 32, 33] và đã chỉ ra rằng đối với khối đá nứt nẻ ở giaiđoạn trước giới hạn phá hủy thì trị số dịch chuyển phụ thuộc vào sự tồn tại của hệthốngkẽnứtvàkhoảng cáchgiữacác kẽnứt.

Mặc dù có những ưu việt so với các phương pháp khác khi tính toán dịchchuyểnvàbiếndạngkhốiđámỏdoảnhhưởngcủakhaithác,nhưngphươngphá psố vẫn có những hạn chế nhất định, đó là cách tiếp cận chủ quan khi phân chia khốiđáthànhcácphầntửhữuhạn,sựquânbìnhhóatínhchấtcơlýkhốiđá,sốlượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi không liên tục gần thực tế thìmô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp Các lý thuyết hiện đại ngày nay về dịchchuyển biến dạng khối đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác mỏ cho phépxác định được ten sơ ứng suất trong không gian ba chiều tại bất kỳ điểm nào củakhối đá mỏ, tuy nhiên cần phải lựa chọn đúng đắn các điều kiện biên cho mô hìnhđịa cơ và các tính chất cơ lý môi trường khối đá Trong các mô hình địa cơ hiện đạingày nay, khối đá mỏ được xem như là một môi trường rời rạc, không liên tục, vìvậy vấn đề nghiên cứu tính chất thực tế của môi trường khối đá cũng như trạng tháiứngsuấtbiếndạngbanđầucủakhốiđálàrấtquantrọng.

Các kết quả quan trắc hiện trường cho phép xác định tương đối chính xác cácthông số để dự báo quá trình dịch chuyển của khối đá mỏ Hiện nay đã có cácphương pháp đo đạc ứng suất và biến dạng khối đá mỏ [62, 67], trên cơ sở sử dụngcáckế tq uả quant rắc q u á trình dị ch chuyển k h ố i đá m ỏ và bề m ặ t đ ấ t tron gquá trìnhkhaithácmỏ.

Các phương pháp quan trắc hiện trường quá trình dịch chuyển đá mỏ và bề mặtđất là công cụ chủ yếu để kiểm soát và chuẩn xác hóa các thông số quá trình dịchchuyển đá mỏ được xác định từ nghiên cứu lý thuyết trên các mô hình địa cơ với giảđịnh rằng các lực chuyển động trong mô hình là lực trọng trường, tức trọng lực củakhốiđásậpđổvàkhốiđámỏlàmộtmôitrườngđẳnghướng.Chínhvìvậytrong các tài liệu quy chuẩn [23, 56, 57, 65, 66] đều quy định đến việc kiểm soát quá trìnhdịchc h u y ể n b ằ n g v i ệ c đ o đ ạ c c á c b i ế n d ạ n g đ ứ n g v à b i ế n d ạ n g n g a n g t h e o c á c tuyếnquantrắctạicácmặtcắtchính.

TìnhhìnhnghiêncứudịchchuyểnbiếndạngvùngQuảngNinh

Ở Việt Nam, những năm trước đây xuất phát từ nhiềuyếu tố khách quanm à vấn đề dịch chuyển đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò ở nước ta chưa được đềcập, quan tâm và nghiên cứu đúng mức Vì vậy, bể than Quảng Ninh được xếp vàoloại 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 việcnghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá do khai thác hầm lò ở Việt Nam Tácgiả đã nghiên cứu dịch chuyển đất đá ở vùng đứt gãy kiến tạo khối trên 5 mô hìnhmỏng bằng vật liệu tương đương với khoảng cách giữa các đứt gãy nhỏ, chiều dàyđớihuỷhoạilớn,góccắmcủađứtgãy>70 o ,gócdốccủavỉabằng35 o vàsửdụngsố liệu của các trạm quan trắc thực địa ở cácbể than của các nướcS N G ( L i ê n X ô cũ) để xác định các tính chất và đặc điểm của quá trình dịch chuyển do ảnh hưởngkhai thác mỏ. Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ những quy luật (định tính)chungnhấtvề dịch chuyểnbiến dạngởvùng đứtgãytạo khối.

PGS.TS Nguyễn Đình Bé đã xác định bể than Kuzơbas tương tự với bể thanQuảng Ninh để xác định các thông số dịch chuyển cho tất cả các mỏ, lần đầu tiênxây dựng hệ thống phân loại các đứt gãy kiến tạo theo loại hình đứt gãy, chiều rộngđớihuỷhoạiđấtđá,hướngdịchchuyểntươngđốicủacáccánhnângvàcánh hạ, tương quan thế nằm giữa các mặt trượt ở dạng đứt gãy tạo khối để làm cơ sở địnhhướngchocôngtácnghiêncứudịchchuyểnđấtđá.

Năm 1987, PGS.TS Võ Chí Mỹ nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt địa hình do khaithác mỏ đối với công tác qui hoạch vùng Konhin PGS.TS Võ Chí Mỹ, nghiên cứubiếnđộngđịacơdoảnhhưởngcủaquátrìnhkhaitháchầmlò[14].

Năm 1988, TS Nguyễn Xuân Thụy đã nghiên cứu xác định chiều cao h, độ dàiLcủabềmặt cáckẽnứtnhỏvàảnhhưởngcủa chúngtớidịchchuyểnđấtđá[20].

Năm 1996, TS Kiều Kim Trúc nghiên cứu biến dạng bờ mỏ và các biện phápđiềukhiểnhợplý[21].

Năm2003,TS.VươngTrọngKhađãxâydựngchươngtrìnhphầnmềmphục vụ hiệu quả cho việc xử lý số liệu quan trắc dịch chuyển và biến dạng trên khu vựckhaitháchầmlò[13].

Từ năm 1982 - 1992, Viện nghiên cứu Than kết hợp với Viện VNIMI của LiênXôcũ đãtriển khai đềtài nghiêncứu theocáchướng [22]:

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

Các kết quả nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển biến dạng, vùng kẽnứt, vùng sập đổ, vùng biến dạng mang định tính chưa mô phỏng được chính xáctổngthểbứctranhquátrìnhdịchchuyểnbiếndạngthểhiệnhình1.5

Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đáTrongđó:1:Vỉathan

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

4B, 4H: là vùng đất đá bị nén (áp lực tựa)5:làđường biểudiễn độlúnbềmặtđất Năm 1972, Công ty Than Hòn Gai kết hợp với mỏ than Thống Nhất đã thànhlập trạm quan trắc gồm 4 tuyến (3 tuyến theo dốc, 1 tuyến theo phương) ở khu khaithác Lộ Trí để thu thập các thông số dịch chuyển sơ bộ cho mỏ Công tác quan trắcđượctiếnhànhtừ năm1972đếnnăm1975.

Năm 1991, TS KiềuKim Trúc và nhóm nghiên cứu thuộc ViệnK h o a h ọ c Công nghệ Mỏ đã xử lý số liệu quan trắc và rút ra các thông số dịch chuyển để tínhtoánlạitrụbảovệđườngôtôlênmỏĐèoNai[22].

Năm 2001, để tìm hiểu nguyên nhân xuất hiện kẽ nứt trên bề mặt đất ở mỏ thanMông Dương và xác địnhy ế u t ố ả n h h ư ở n g n g u y h i ể m c ó t h ể x ả y r a c h o k h u d â n cư, cột điện cao thế 110KV và xác định các điểm rò rỉ nước vào khu vực mỏ đangkhai thác, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã thành lập 4 tuyến quan trắc ngắn hạntrong khu vực có kẽ nứt Công tác quan trắc hiện trường được tiến hành và kết quảthuđượcgócdịchchuyểnβnằmtrongkhoảng47 o ÷50 o [3,4]. §é lón 1-2 §é lón 1-3

Kết quả nghiên cứu cho thấy đứt gãy có ảnh hưởng lớn tới sự lún sụt mặt đất,gâybiếndạngnguyhiểmchocáccôngtrìnhnằmtrongbồndịchchuyển.

Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV tiến hành xâydựng các trạm quan trắc để xác định các thông số dịch chuyển, các đại lượng dịchchuyển nhằm tính toán lại trụ bảo vệ than cho các công tình trên bề mặt đất phục vụđề tài cấp nhà nước do TS Phùng Mạnh Đắc chủ nhiệm, thực hiện chính

KS PhạmVănChung[7]cụ thể cácmỏ:

- Vùng Than Thùng Yên Tử mỏ than Nam Mẫu, trạm quan trắc nghiên cứu chotập vỉa: vỉa 7, vỉa 8, vỉa 9 khai thác từ mức +200 lên +360, và trạm quan trắc nằmtrongtuyếnđịachất3và5khuvựckềcậnvùnghạnchếkhaitháckhuditíchlịchsử Yên Tử Sau nhiều chu kỳ quan trắc xác định các góc dịch chuyển và một sốthôngsốdịchchuyểnthểhiệntrênhình1.6

- Vùng Mạo Khê lập trạm quan trắc nghiên cứu vỉa 9 b khai thác từ -80 lên - 25,vỉa 8 Cánh Nam khai thác từ mức -80 lên +20 Các thông số về góc được thể hiệnhình1.7

 V ù n g k hai thá cl ặp lại

-80 §écao Chờnhlệchkho ảngcáchKhoảngc áchcộngdồn Tên®iÓm

Hình1.7 :Cácgó c dịchchu yểnbiến dạng khu vựcmỏt hanMạ oKhê

- Vùng Hạ Long xây dựng trạm quan trắc tại mỏ Hà Lầm nghiên cứu vỉa 10khaitháctừm ức+12lên+60kh uvựcngầm+88.

Cácgóc dịch chuyển biếndạ ngkhu vựcmỏ thanHà

+Phíađôn gmỏthanMôn gDươngxâyd ựngtrạmquan trắcchocác vỉ aG9,khaitháctừ mức-

+ Về phía tây mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho 2 vỉa khaitháclàvỉaI(12),vỉaG9từmức -97lên+20khuvựcgiápranhsuối MôngDương.

Năm 2006, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV đã tiến hành xây dựng trạmquan trắc mỏ than Mông Dương do KS Phạm Văn Chung đã chủ trì đề tài:

“Xâydựng trạm quan trắc và quan trắc sụt lún bề mặt khu vực khai thác hầm lò vỉa 10.1Bắc Mông Dương, tuyến đường sắt chạy qua vỉa I (12) và II (11) khu vực mỏ MôngDươngvàvỉaG9VũMôn -CôngtythanMôngDương”[5].

Năm 2009, KS Phạm Văn Chung đã nghiên cứu xác định các thông số dịchchuyểnvàbiếndạngđấtđákhikhaitháchầmlòdướisuốiBVàngDanh[6].

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

Các kết quả quan trắc trình bày ở trên, sau khi phân tích, xử lý số liệu cho thấygóc dịch chuyển theo đường phương (δ) có chiều hướng biến đổi theo qui luật phụthuộcvàohệsốkiêncốđấtđá(f)

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng trong khu vực khai thác tăng thì góc dịch chuyển δtheođườngphươngtăng.

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng đất đá giảm thì góc dịch chuyển δ theo đườngphương giảm Các yếu tố khác như góc dốc vỉa, chiều dày vỉa, tiến độ gương lò chợhầunh ư k h ô n g ản hh ưở ng đ ế n gi á t r ị góc d ị c h chu yể n t h e o p h ư ơ n g ( δ ) C ác g ó c dịchchuyểnkhácbiếnđộngtuỳthuộcvàogócdịchchuyểntheođườngphương và cácyếutốnhưchiềudàyvỉa,gócdốcvỉa,độ sâukhaitháclòchợ.

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

Năm 2014, TS Lê Văn Công nghiên cứu áp dụng môh ì n h s ố x á c đ ị n h c á c thôngsốdịchchuyển,biếndạngđấtđátrongquátrìnhđàolòvàkhaitháctạic ácmỏ hầmlò vùngQuảngNinhsửdụngphầnmềmFLAC 2D

Kếtluậnchương 1

Địnhnghĩa vềmôhình

Trước hết có thể hiểu đơn giản: một mô hình là một bức tranh rất hạn chế vềthực tế hay thực thể.B ứ c t r a n h n à y c ó t h ể đ ư ợ c x â y d ự n g l ê n b ằ n g v ậ t c h ấ t h a y hoàntoàn trừutượngbằnglýthuyết.

Các đặctrưngcủamôhình

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 làhìnhảnhsaolại,đạidiệnhayphảnánhchomộtthựcthểthiênnhiênh a y nhânt ạ o

M ộ t m ô h ì n h thường k h ô n g ba oh àm tấtc ả các th uộ c tính củathựcthể,màchỉchứađựngđượccácyếutốmà nhữngngườilậpmôhìnhvànhữngngườisử dụngmôhìnhcholàquantrọng.

M ô h ì n h k h ô n g p h ả n á n h r õ r à n g t h ự c t h ể N h ư n g m ô hình cần phản ánh được các chức năng thay thế cho vật thể: a) cho các đối tượngnhất định, b) trong khoảng thời gian nhất định, c) với điều kiện riêng biệt về lýthuyết haythựctế.

Phânloạimôhình

Mô hình kinh nghiệm: Mô hình này thường tổng hợp phân tích các hiện tượngcủasự vậtđãxảyra,từđóđưaracácquyluật vàbiểuthứcmangtínhthốngkê.

Mô hình giải tích: Được thể hiện qua mô hình hình học - địa kỹ thuật hoặc môhình 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 uốnvõng xung quanh khoảng trốngkhai thác.M ô h ì n h n à y đ ư ợ c x â y d ự n g t r ê n c ơ s ở các quy luật của hiện tượng sự vật, có tính đến cácyếu tố hình học, địa cơ học vàcác điềukiệnkỹthuật.

Mô hình số là mô hình được xây dựng dựa trên công cụ máy tính đặc biệt tínhđến các yếu tố hình học của đất đá, điều kiện địa chất, chiều dày vỉa than, góc dốcvỉa, môi trường khối đá và đảm bảo sựm ô p h ỏ n g đ ư ợ c c à n g n h i ề u c á c y ế u t ố c ủ a đấtđágầngiốngnhư môitrườngđấtđátrongthựctếthìcàngtốt.

Ưunhượcđiểmcủacácmôhình

Như chúng ta đã biết, với mô hình kinh nghiệm các yếu tố ảnh hưởng như điềukiện địa chất, địa chất thủy văn, địa cơ học thường được đơn giản hóa rất nhiều Dovậy kết quả nhận được mang tính định tính, tuy nhiên mô hình lại đơn giản nhưngđòihỏinhiềucôngsứcvàthờigianđồngthờikhátốnkémkhixâydựngmôh ìnhvậtliệutươngđương.

Với mô hình giải tích: Các kết quả thu được trong lời giải đại số thường là cácnghiệm kín, các kết quả chính xác và rất dễ dàng cho người sử dụng Tuy nhiên, môhình này cũng có những hạn chế nhất định là thông thường nó chỉ giải được trên cácgiả thiết rất đơn giản, như hình dạng công trình thường có dạng tròn hoặc gần tròn,đấtđálàđànhồiđồngnhấtvàđẳnghướngmàchưachúýđượcnhiềuđếncácyếutố bất thường của điều kiện địa chất cũng như sự thay đổi điều kiện bề mặt địa hìnhtự nhiên, trường ứng suất, đặc tính không liên tục của đất đá, v.v [16] Khôngnhững vậy, các lời giải đại số hiện nay thì còn ít quan tâm được đến sự thay đổi củacác tham số cơ học đá Sau lời giải giải tích chúng ta sẽ thu được phương trình cụthể của ứng suất biến dạng Trên cơ sở các lời giải đó có thể thu được quy luật biếnđổicơhọctrongkhốiđấtđáxungquanhkhoảngtrốngkhaithác. Đối với mô hình số: Việc mô phỏng được nhiều đặc tính của đất đá thì mô hìnhcàng gần với thực tế Do vậy, lời giải càng phức tạp và cần thiết phải có các thiết bịmáy tính với tốc độ tính toán, xử lý cao mới đảm nhận được Mặt khác, môi trườngđất đá trong lòng đất thì thay đổi liên tục không giống nhau tại mọi vị trí nên việcmô phỏng cũng rất khó khăn Nhiều mô hình số hiện nay có thể cho phép mô phỏngkhá đầy đủ các đặc tính của đất đá, không những vậy nó còn cho phép chúng ta thayđổi các tham số đầu vào một cách nhanh chóng để cho ra kết quả phù hợp với điềukiện đất đá thực tế Các kết quả phân tích cho kết quả định lượng thông qua các giátrị của các lời giải Mô hình số được sử dụng để xác định các giá trị biến dạng, ứngsuấttrongđấtđáxungquanhkhoảngkhaithác.

Nghiên cứutrên môhình

Xâydựngmôhình

Để xây dựng một mô hình trước hết xem xét đến mức độ đơn giản hóa, gầnđúng hóa thực thể cũng như các đặc điểm, các biểu hiện, tính chất của chúng, phụthuộc vào khả năng và nhận thức của con người, sự phát triển và tiến bộ của khoahọc, kỹ thuật Trên hình 2.1 cho thấy sự khác nhau giữa các cách đánh giá,m ô t ả các “vật thể địa chất” là đá và khối đá trongthực tế, củacác chuyêng i a đ ị a c h ấ t , địak ỹ t h u ậ t v à c á c c h u y ê n g i a k ỹ t h u ậ t h a y c ơ h ọ c t h u ầ n t ú y , t h e o S c h w e i k a r d t

(2008)[59]: a)Địa chất b)Địakỹthuật c) Kỹ thuậtHình2.1:Môhìnhhóavậtthểđịachấttrongcáclĩnhvựckhácnhau

Nghiêncứutrênmôhình

Nghiên cứu trên mô hình nghĩa là tìm cách mô phỏng lại những gì có thể tácđộng lên vật thể thực, để thu nhận các tín hiệu hay thông tin theo cách mong muốncủangườin g h i ê n c ứ u V i ệ c p h â n t í c h c á c m ố i t ư ơ n g q u a n g i ữ a c á c d ữ l i ệ u v à o và ra sẽ cho phép có được dự báo về biểu hiện của thực thể trên mô hình Nghiêncứutrênmôhìnhđượcthểhiệntrênhình2.2

Hình2.2: Nghiên cứuthựcthểthôngquamôhình Các tác động lên mô hình lại được mô hình hóa tương ứng với các điều kiện cóthể có trong thực tế, phụ thuộc vào nhận thức của con người và các tín hiệu vềnhữngb i ế n đ ổ i t r ê n m ô h ì n h c ũ n g c h ỉ làhệquảcủacácdữliệuđầuvàomôhình mô tả về vật thể Bằng cách thay đổi các phương thức tác động, theo các sơ đồ haychươngtrình đãđượcthiếtlập(đượcmôhìnhhóa),thayđổicácthamsốđầuvàovề mô hình có thể xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu thu nhận được về biểu hiệntrên mô hình với các tác động, chú ý đến tính biến động hay không chắc chắn củacác yếu tố đó Từ đó có thể có được các nhận định lô-gíc, mang tính khoa học, có ýnghĩa kỹ thuật cho các quá trình đã diễn ra trên mô hình Phương pháp nghiên cứunàyđượcg ọ i l à p h ư ơ n g p h á p p h â n t í c h t h a m s ố C á c g i ả i p h á p kỹthu ậthợplýhaytốiưusẽđượcrútratừ các kết quảnghiêncứunhư vậy[16]. Đa phần công tác nghiên cứu được thực hiện trên mô hình gần đúng, nên côngtác nghiên cứu này được gọi là nghiên cứu mô phỏng và không phải kết quả môphỏng nàoc ũ n g c h o p h é p m a n g t í n h đ ị n h l ư ợ n g c h í n h x á c c h o c á c v ấ n đ ề t h ự c tế Nhưng các quy luật thu nhận được chắcc h ắ n s ẽ p h ả n á n h đ ư ợ c t í n h c h ấ t đ ị n h tính các quá trình thực tế, tương đương với các điều kiện tác động và các yếu tố cótrênmôhình.Nóicáchk h á c , c á c k ế t q u ả n h ậ n đ ư ợ c s ẽ đ ú n g c h o c á c m ô h ì n h với các tác động lên mô hình, tương ứng với phương pháp xây dựng mô hình vàphươngphápmôphỏng.

Kiểmchứng mô hình

Kếtquảnghiêncứutrênmôhình,haykếtquảmôphỏng,sẽcóýnghĩathựctế,khicáckếtqu ảđóđượcthửnghiệmđểminhchứngtrênvậtthểthực,trongtrườnghợpnàylàkhốiđáxungquan hkhônggiankhaithác.Sựsailệch(kểcảđịnhlượngvàđịnhtính)giữakếtquảmôphỏngvàcácbiể uhiệnnhậnđượctrongthựctếphảnánhchấtlượngcủamôhìnhvàphươngphápnghiêncứu,nhưngc ũngphụthuộcvàosựbiếnđộngcủađiềukiệnthựctế,hay“tínhkhôngchắcchắn”củasốliệuđầuvào,quacáckhâukhảosát, thăm dò, thí nghiệm Do vậy, kiểm chứng trên mô hình thì số liệu quan trắc thựcđịađóngvaitròquantrọngkhôngthểthiếu.

Điều chỉnhcácthamsốcủa môhình

Khic ó s ự s a i l ệ c h , c ô n g v i ệ c t i ế p t h e o l à x á c đ ị n h l ạ i c á c t h a m s ố đ ầ u v à o thôngquabàitoánphântíchngược đối vớicácmôh ì n h đ ư ợ c t h i ế t l ậ p b ằ n g l ý thuyết (mô hình lý thuyết), hoặc điều chỉnh hệ số của các hàm thực nghiệm, cáctham số hay hệ số kinh nghiệm đối với các mô hình toán học (hay mô hình bán thựcnghiệm).Cácmôhìnhgầnhoànchỉnhnàysẽđượcápdụngchocácgiaiđoạncủa mộtdựán,hoặctrong vùngcócácđiềukiện, haycácđặcđiểmtươngđương.

Trongthựctế khaithác m ỏ h ầ m lò, c ác l o ạ i đ á trong khốiđá làr ấ t đ a dạng, biến động phức tạp Do vậy mọi mô hình cũng chỉ có thể cho các kết quả phản ánhđượcbiểuhiệncủakhốiđáởcácmứcđộchínhxácnhấtđịnh[16].

Chính vì vậy, công tác theo dõi, quan trắc đo đạc hiện trường, vẫn phải được sửdụng để thu nhận các tín hiệu về biểu hiện thực tế của khối đá nguyên trạng trongtrườngh ợ p c ụ t h ể C ô n g t á c q u a n t r ắ c thựcđịa,k ế t h ợ p v ớ i c á c k ế t q u ả phântích mang tính định tính từ nghiên cứu trên mô hình giải tích, mô hình số sẽ chophép dự báo được dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất có thể bị xảyra hay không Trong trườnghợpcónhữngbiếnđộngvềđ i ề u k i ệ n đ ị a c h ấ t , t h ì nhấtt h i ế t phả i t r i ể n khaimôphỏngvớinhững thôngtinmớithu nhậnđược. Nóit ó m l ạ i , n g h i ê n c ứ u t r ê n m ô h ì n h k h ô n g c h ỉ d ừ n g l ạ i ở g i a i đ o ạ n q u y hoạch hay thiết kế, mà cần thiết phải triển khai cả trong giai đoạn hoạt động xâydựng công trình ngầm và khai thác mỏ (phân tích ngược để điều chỉnh mô hình;phântích,môphỏngkhiđiềukiệnđịachấtbiếnđộng)[16].

Môhìnhđịacơ mỏ phụcvụnghiêncứudịchchuyểnbiếndạngđất đá

Lịchsửnghiêncứutrênmôhìnhđịacơ

Đểnghiêncứuvàgiảithíchcácquyluậtdịchchuyểnbiếndạngđấtđádođàolò chuẩn bị cũng như khai thác than ở lò chợ người ta đưa ra mô hình địa cơ đơngiản cho một khối đá nguyên thủy hình lập phương có thể tích khối đá bằng đơn vịnằm ở độ sâu H thể hiện trên hình 2.3 Điều kiện biên của mô hình này là chịu cácthành phần ứng lực pháp tuyến σ 1 và các ứng lực hông σ2,σ3với các giá trị xác địnhnhưsau [2]:

Hình2.3:Môhìnhđịa cơđơngiảnvới véctơ ứnglựckhốiđánguyênthủyởđộsâuH Dựa vàomô hình trênngười ta giải thích các quy luật dịch chuyểnb i ế n d ạ n g khiđàolòchuẩnbị(hình2.4)vàkhikhai thácthanởlòchợ(hình 2.5)

Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựaTrongđó:P 1l à tảitrọngcủacộtđá,P2áplựctựahông

2 làđườngphânbốáp lựckhicótảitrọngTrước khi đào lò, trường lực trong khối đá nguyên thuỷ được đặc trưng bởi cácđường sức1,2=3 Sau khi đào lò, giá trị ứng lực gần lò chợ thay đổi, dẫn đếntăngtảitrọngvùngtựacủakhốiđágầnthànhlò,làmxuấthiệnvùngáplựctựavà

III b IIIa vùng giảm tải nằm trên vùng trống khai thác Ngoài phạm vi trên thì tải trọng có giátrị như ban đầu Sau khi đào lò, trọng lượng cột đá (an ’’ fb) ở trên đè lên gối tựa khuvực mép là (at, bk) làm tăng tải trọng ở các khu vực ấy của vỉa Sự phân phối áp lựccho các khu vực ấy biểu diễn bằng đường cong 1, sau khi bị nén vỡ biểu thị bằngđườngcong2. Bảnchấtcủaáplựctựađượcgiảithíchhình2.5 dướiđây

Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợTrongđó:VùngIlàvùngdịchchuyểnhoàntoàn(giảmtải)

VùngIIa,IIb:Vùnguốnvõng VùngIIIa,IIIb:Vùngđấtđábịnén(áplựctựa) Ưu điểm của mô hình này là rất đơn giản, dựa vào đó có thể giải thích một sốquy luật dịch chuyểnb i ế n d ạ n g c ơ b ả n x u n g q u a n h l ò c h u ẩ n b ị c ũ n g n h ư l ò c h ợ Tuy nhiên, mô hình có nhược điểm là chưa xét đến các thành phần môi trường đấtđá, điều kiện địa chất, khai thác và sự biến động theo không gian và thời gian củacácthành phần ứng suất 1 ,2, 3

Kratch[48]đãkhắcphụcmộtsốnhượcđiểmcủamôhìnhtrênbằngcáchđưaracá cmôhình biếnđộngđịacơ(hình2.6)

Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợTrongđó:Ilàvỉathan

II là khu vực đặt vì chống khai thác thanIIIlà khuvựcđất đábịnén

Trên mô hình này đã tính đến sự biến động của ứng lực và sự biến dạng khối đátrước,trênvàsaugươnglòchợthuộcvùngpháhỏatoànphần.

Quá trình khai thác than ở các lò chợ cơ giới gây ra dịch chuyển biến dạng lớn,tốc độ dịch chuyển lan lên trên bề mặt đất nhanh, tạo ra các vùng sập đổ, vùng kẽnứt,uốnvõngcủakhốiđámỏthểhiệnhình2.7

Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng của khối đá mỏ [74]Trongđó: 2.Bướcsập đổ,3.Khốiđấtđásậpđổ

Tuy vậy, mô hình này vẫn còn nhược điểm là không thể hiện được sự biến độngtheokhônggianvàthờigianvùngkíchhoạtkhaithác Để khắc phục các nhược điểm trên, cần thiết phải nghiên cứu một mô hình địacơcótính đếnsựbiếnđộngkhônggianvàthờigiandoảnhhưởngkhaithác.

Hệthốnghóacácmôhìnhcơhọcđávà khốiđámỏ

Trong điều kiện tự nhiên, khối đá mỏ là một môi trường vật lý rời rạc, khôngđồng nhất, bất đẳng hướng Các quá trình biến dạng cơ học xảy ra trong khối đá cótínhchấtphituyến [68,69].

Thựctếnghiêncứuđịacơhọcmỏđãxácđịnhđượccácđặcđiểmbiếndạngc ủa đámỏ trong phòng thí nghiệm với rất nhiềumô hình biến dạng khác nhau vàcho phép tổng hợp, hệ thống hoá để làm rõ hơn về khái niệm mô hình địa cơ trongnghiêncứucủatácgiả. a Cácmôhìnhvậtlýcủađámỏ

Môi trường đá mỏ có thể mô phỏng bằng phương pháp mô hình để nghiên cứutính chất biến dạng của đá mỏ dưới tác động của tải trọng Đó là các mô hình vật lýđá mỏ Trong các mô hình này, đá mỏ dưới tác động của tải trọng được mô phỏngbằng lực tác động lên thanh lò xo được đặt trong môi trường chất lỏng dính nhớt.Phụ thuộc vào sơ đồ bố trí lực, số lượng thanh lò so, môi trường làm việc của hệthống (lòso đặttrong điều kiện chất lỏng dính nhớt hay trongđiều kiệnb ì n h thường, hoặc tổng hợp cả hai điều kiện) các mô hình vật lý đá mỏ bao gồm: (1) Môhình Maxwell; (2) Mô hình Kelvin - Voigt; (3) Mô hình Poynting-Thomson; (4) MôhìnhZener;(5)MôhìnhBingham v.v[10,11]

Hình2.8:Môhìnhvậtlýđámỏ Các mô hình vật lý của đá mỏ nêu trên là mô hình đơn giản nhất với các mốiquan hệ khác nhau giữa các thành phần ứng suất và biến dạng Trên thực tế khôngthể xây dựng được một mô hình vật lý vạn năng mô phỏng tính chất biến dạng củacácloại đámỏ. b Môhìnhđịacơhọckhốiđámỏ

Trong điều kiện tự nhiên, khối đá mỏ là một môi trường bao gồm các loại đámỏ,các l ỗ r ỗ n g , k ẽ nứ t, xi m ă n g g ắ n kế t g i ữ a các l o ạ i nha m thạch, các l o ạ i k h í , nước v.v…Như vậy mô hình địa cơ khối đá mỏ không chỉ bao gồm mô hình biếndạng của các loại đá khác nhau trong khối đá mà còn bao gồm cả sự tương tác giữachúngvớinhau.

Khái niệm mô hình địa cơ trong nghiên cứu của tác giả: Mô hình địa cơ khối đámỏ được hiểu là một sơ đồ tính toán, mô phỏng với sự gần đúng nhất định các tínhchất địa cơ học của khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên và các quy luật thay đổi củachúngtrong khônggian và thờigian.

Theo khái niệm như trình bày ở trên cần lưu ý đến hai khía cạnh quan trọng[68]: (1) Khi chuyển từ môi trường tự nhiên của khối đá mỏ sang mô hình địa cơkhối đá mỏ, một số đặc điểm cấu trúc cơ học của khối đá được tính đến một cáchgián tiếp trong sơ đồ tính toán Ví dụ, khối đá mỏ với hệ thống các khe nứt có thểđượcmôphỏngbằngmôhìnhmôitrườngliêntục,khôngnứtnẻ,bấtđẳnghướ ng với các đặc tính tương tự; (2) Trong điều kiện địa chất và kỹ thuật mỏ cụ thể, một sốyếu tố về cấu trúc cơ học của khối đá mỏ không được tính đến trong mô hình địa cơcũng không làm thay đổi về định tính và định lượng kết quả đánh giá các quá trìnhđịacơxảyratrongkhốiđámỏ.Chínhvìvậykhôngnhấtthiếtphảixâydựngm ộtmô hình địa cơ vạn năng cho khối đá mỏ, mà là tập hợp các mô hình địa cơ khácnhau, trong đó mỗi một mô hình tương đương với một môi trường tự nhiên của khốiđámỏtheo mộtdấuhiệuphânloạicơbản nàođóđốivớitừngloại khốiđá mỏ.

Có thể hệ thống hoá các mô hình địa cơ được nghiên cứu hiện nay theo các dấuhiệuphânloạikhốiđámỏthểhiệnhình2.9

Trêncơsởphânloạicácmôhìnhđịacơnhư trêncóthểxâydựngcácsơđồtính toán cho phép nghiên cứu các quy luật biến dạng và phá huỷ của khối đá mỏ doảnhhưởngcủacôngtáckhaithácmỏ.

Quanniệmhiện đạivềmôhìnhđịa cơ

Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu lý thuyết về quá trình dịch chuyển và biếndạngkhối đámỏdo ảnh hưởngcủacôngtáckhai thác,thấyrằngcácmô hình địa cơ và phương pháp số giải bài toán mô hình địa cơ hiện nay cho phép làm sáng tỏ quyluật chung quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong vùng ảnh hưởng của khai tháchầm lò hoặc lộ thiên Các mô hình địa cơ phục vụ tính toán sự biến dạng khối đá mỏtrongnghiêncứulýthuyếtđềudựatrêncáccơsở:

1 Khối đá mỏ trong không gian ba chiều được mô phỏng là phần nửa dưới củakhối không gian vật chất có môi trường liên tục đồng nhất, đẳng hướng với các tínhchất đàn hồi, đàn hồi dẻo hoặc các tính chất cơ học khác Thông qua các tính chấtbiến dạng trong môi trường mô hình có thể xác định được các tính chất của khối đámỏ tự nhiên và các tính chất biến dạng của nó Một số nhà nghiên cứu đã xây dựngcác mô hình địa cơ với các yếu tố cấu trúc, các mặt phẳng yếu hoặc sự không đồngnhất tính chất cơ lý v.v… [25, 26, 29, 30] để mô phỏng môi trường mô hình gầnđúngnhấtvớitínhchấtcấutạo phânlớp củakhốiđámỏ tự nhiên.

2 Trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá mỏ được sử dụng làm điều kiện biênđể tínhtoán trên cácm ô h ì n h đ ị a c ơ g ồ m : c á c l ự c t r ọ n g t r ư ờ n g , c á c ứ n g s u ấ t k i ế n tạo ngang và ứng suất ngẫu nhiên do các hoạt động địa động lực Các lực trọngtrường phụ thuộc vào trọng lượng khối đá mỏ và áp lực hông (hình 2.10) có giá trịthay đổi theo độ sâu, đạt 10÷15MPa khi ở độ sâu 500m Ứng suất kiến tạo ngang làtrịsốkhôngđổitheođộsâuvàđặctrưngbằngtrịsốứngsuấtvuônggócchínhcógiá trị khoảng 30.8MPa [63, 74, 75] và có phương trùng với hướng tác động Thôngthường hướng của ứng suất ngang không trùng với hướng đường phương khoángsàng và có giá trị rất khác nhau, tạo nên tính bất đẳng hướng ở trạng thái ứng suấtban đầu Cấu tạo phân lớp của khối đá mỏ tự nhiên tạo nên sự không đồng nhất củatrạng thái ứng suất vì vậy trong mô hình tính toán thường sử dụng các tính chất tổngquát của môi trường mô hình Các ứng suất ngẫu nhiên biến đổi theo thời gian dohoạtđộngđịađộnglựccótínhchấtchukỳvàđạt0.5÷2MPa [76,77,78,79]

Hình 2.10: Các thành phần chính của mô hình địa cơTrongđó:1.Làkhốiđámỏ

3 Dịchchuyểnbiếndạnghình elip Như vậy, ứng suất nằm ngang ban đầu tác động lên các đường biên ngoài baogồmcácthànhphần(hình2.10):

- Ứng suất kiến tạo đặc trưng bởi trị số ứng suất chính vuông góc ϬT1, ϬT2vàhướng tác động của chúng Áp lực hông thay đổi tỉ lệ vớiđ ộ s â u L ự c k i ế n t ạ o ngangkhôngđổitheođộsâu,theokếtquảnghiêncứuthựcnghiệmvàcógiátrịϬ 1 +Ϭ2=-30,8±2,3MPa[75]

3 Nguồnkíchhoạtbiếnđổitrạngtháiứngsuấtlàkhoảngtrốngđãkhaitháchầmlò và được đặc trưng bởi các thông số hình học trong không gian ba chiều, độ sâukhai thác trong khối đá mỏ, chiều dài lò chợ đường phương và hướng dốc của vỉakhai thác có hướng tác động của các ứng suất chính Trong quá trình khai thác mỏ,phụ thuộc vào công nghệ khai thác, các thông số hình học của nguồn kích hoạt vàhướng các trục chính của nguồn kích hoạt luôn thay đổi, vì vậy sẽ xảy ra tình trạngphânbốlạitrườngứngsuấttrongkhốiđámỏtheothờigian[23,38,44,45]

Sử dụng mô hình địa cơ trong nghiên cứu lý thuyết về quá trình dịch chuyểnbiến dạng địa tâng đất đá và bề mặt đất cho phép xác định quy luật chung sự biếndạngkhốiđám ỏvà bề mặtđấttrên cơ sở giảicácbàitoángiảitích, m ô hình số hoặc các phương pháp lý thuyết khác Tuy nhiên, do quá trình dịch chuyển đá mỏ bịảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên về điều kiện mỏ - địa chất, nên đã tạo rahàng loạt sự bất định trong kết quả giải các bài toán lý thuyết Ảnh hưởng của cácyếu tốđóthểhiệnquacácđặcđiểmtínhchấtsau:

- Sự khác nhau về các tính chất biến dạng khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiêncó cấu tạo theo khối, lớp so với môi trường mô hình có các tính chất biến dạng tổnghợp Hậu quả là các quy luật dịch chuyển biến dạng thực tế của khối đá mỏ và bềmặt đấtcónhữngsự khácnhaurấtlớntrongranhgiớicủabồndịchchuyển.

- Sự phức tạp khi xác định các thông số trạng thái ứng suất biến dạng thực tếtrong khối đá mỏ tự nhiên ở từng thời điểm khai thác để sử dụng làm điều kiện biêntrong các mô hình tính toán Vì vậy, khi tính toán thường sử dụng các giá trị ứngsuấttrungbình,màthiếu đi cácluận cứ chắcchắn [31,39,40,41].

- Sự khái quát hóa hình dạng thực tế của vùng kích hoạt biến đổi trạng thái ứngsuất (khoảng không gian lòng moong hoặc vùng sập đổ) khi được mô phỏng bằngcác hình elip hoặc hình tròn dẫn đến những sai số nhất định so với hình dạng thực tếcủavùngkích hoạt [36].

Docónhữngsaisốgiữa cácthôngsốtínhtoán lýthuyếtvàthôngsố đođạct hực tế quá trình dịchc h u y ể n v à b i ế n d ạ n g n ê n t r o n g c á c t à i l i ệ u q u y p h ạ m [ 6 6 ] luôn yêu cầu phải đo đạc kiểm chứng quá trình dịch chuyển biến dạng đá mỏ và bềmặt đất, làm cơ sở cho việc điều chỉnh các thông số dịch chuyển trong khu vực ảnhhưởng khai thác, và đề ra các giải pháp để đảm bảo an toàn cho các công trình [34,35,48].

Các thôngsốtrênmôhình địacơ

Quá trình dịch chuyển và biến dạng đá mỏ được bắt đầu ngay tại vị trí khai tháchầm lò là khoảng trống khai thác sau khi khấu than trong vỉa và đất đá vách sập đổxuống Sự khác biệt về công nghệ khai thác làm ảnh hưởng lớn đến quá trình dịchchuyểnvàbiếndạng,còn các thôngsốcơ bảncủa mô hình địacơkhôngthayđổi.

Phụthuộc vàokích thước khu vựckhai thác quátrình dịch chuyển đámỏ cóthể xảy ra trong tập lớp khối đá mỏ hoặc phát triển lên tận bề mặt đất Trường hợp dịchchuyển xảy ra trong tập lớp khối đá mỏ là khi khai thác ở những độ sâu tương đốilớn, trên thực tế trong đa số trường hợp, quá trình dịch chuyển đá mỏ phát triển lêntớibềmặtđấttạothànhvùngbồndịchchuyển.

Mô hình địa cơ được mô phỏng theo sơ đồ hình 2.11 trường hợp khai thác lộthiên, 2.12 trường hợp khai thác hầm lò Bồn dịch chuyển bao gồm 3 vùng chính:vùngsậpđổ,vùngnứtnẻvàvùngbiếndạnguốnvõng.

1 Vỉathan; 2.Khoảng trốngkhaithác;3 Vùngsậpđổ;4.Vùnglún, sụtlở

Hình 2.12: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trong trường hợp khai thác hầm lò vỉa dàyTrongđó:Hlàđộsaukhaithác,P=γHlàtảitrọngkhốiđá,ψgócdịchchuyển hoàntoàn,β,γlàgócdịchchuyểnbiêntheohướngdốclên vàdốcxuống

Khu vực bề mặt dịch chuyển do ảnh hưởng của khai thác gọi là bồn dịchchuyển,đượcxácđịnhbởicácgócdịchchuyểngiớihạn.

Vùng sập đổ hình thành trực tiếp ngay trên khoảng trống đã khai thác, và đặctrưng bởi hiện tượng xuất hiện hố phễu sụt lở trên mặt đất, liền kề trực tiếp với vùngsập đổ là vùng nứt nẻ, đặc trưng bởi các kẽ nứt và sụt lún theo bậc thang trong khốiđámỏ.

Vùngb i ế n d ạ n g n g u y h i ể m - k h u v ự c b ồ n t r ê n b ề m ặ t đ ấ t c ó c á c b i ế n d ạ n g nguy hiểm cho công trình trên mặt đất, giới hạn vùng này được xác định phụ thuộcvàogiátrịbiếndạngchophéptheogócdịchchuyển.

Vùng biến dạng uốn võng - khu vực bề mặt bị dịch chuyển nhưng không bị pháhủy tính liên tục và đặc trưng bởi các hiện tượng trượt uốn, giản nở hoặc co ép.Trong vùng biến dạng uốn võng, các công trình bị hư hại có thể được bảo dưỡng,sửa chữa và vẫn đảm bảo an toàn theo chức năng công trình Vùng biến dạng võngnằm liền kề với vùng kẽ nứt, hình dạng và kích thước được xác định theo góc dịchchuyển[53,55].

Trong vùng sập đổ, vùng lún sụt và vùng nứt nẻ, các công trình đều bị phá hủytrong quá trình khai thác và các quy chuẩn kỹ thuật đều không cho phép bảo vệ cáccông trình tại các vùng biến dạng này Vì vậy cần đo đạc kiểm soát vùng này, hoặctiến hành quan trắc quy luật phát triển của quá trình dịch chuyển, các ten sơ biếndạng trong vùng này không có ý nghĩa thực tế và khoa học bởi sựb i ế n d ạ n g c ủ a khối đá mỏ trong vùng này không thể mô phỏng theo quan điểm lý thuyết đàn hồi.Trong trường hợp này chỉ cần biết được độ lún, các kẽ nứt cũng như vị trí giới hạncủa vùng sập đổ trên mặt đất, chính giới hạn này xác định hình dạng và kích thướcvùngkíchhoạtbiếnđổitrạngtháiứngsuất.

Vùng biến dạng uốn võng là đối tượng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học thựctế bởi các công trình có thể được bảo vệ trong giới hạn của vùng này trên mặt đất,hoặc nếu khai thác dưới vùng này đảm bảo an toàn khi có đối tượng chứa nước trênbềmặt.

Trongcáctàiliệuquychuẩnkỹthuật[2,23,66]vùngbiếndạnguốnvõngnằm giữa biên giới vùng nứt nẻ và vùng dịch chuyển có độ lún= 15mm, hoặc theo tiêuchuẩn biến dạng giãn nở - nén ép trên bề mặt của các điểm có biến dạng ngang ε =0,5.10 -3 Đường giới hạn theo các tiêu chuẩn này chính là giới hạn của bồn dịchchuyểntrênbềmặt.

Vùng được giới hạn bởi biên giới vùng nứt nẻ và đường biên của bồn dịchchuyển (trên bề mặt đất cũng như trong khối đá) có liên quan đến sự hình thànhtrạng thái ứng suất biến dạng thứ cấp xung quanh khu vực nguồn kích hoạt biến đổitrạngthái ứngsuất. Đểg i ả i b à i t o á n b ả o v ệ c ô n g t r ì n h n ằ m t r ê n v à d ư ớ i v ù n g b i ế n d ạ n g u ố n võngc ó t h ể c h ỉ c ầ n q u a n t r ắ c d ị c h c h u y ể n b i ế n d ạ n g t r o n g p h ạ m v i v ù n g b i ế n dạnguốnnày.

Tuy nhiênngoàivùnguốn võng, trongkhốiđámỏ vàtrên bềm ặ t c ò n h ì n h thành một vùng biến dạng tương đối rộng lớn có khi lên tới hàng kilomet Tại vùngngoài này các biến dạng và dịch chuyển có giá trị nhỏ và tuy không ảnh hưởng lớnđến các công trình bảo vệ nhưng cũng đóng vai trò như là yếu tố kích thích phá hủysự cân bằng tự nhiên trong khối đá mỏ, vì vậy vùng này trên thực tế cũng được đođạcvàkiểmsoát[23,54,67].

Như vậy, khi khai thác khoáng sàng trong khối đá mỏ và trên bề mặt hình thành2 vùng biến dạng: vùng bên trong và vùng bên ngoài Vùng bên trong được hìnhthành do có sự phân bố tại ứng suất trong khối đá xung quanh khu vực khai thác(vùng kích hoạt) dưới tác động của lực trọng trường để cân bằng hệ thống ứng suấttrong khối và tạo thành trạng thái ứng suất biến dạng thứ cấp trong khối đá mỏ.Vùng bên ngoài được hình thành do sự phá hủy trạng thái ứng suất tĩnh do khai thácmỏ gâyra. b) Cácthôngsốhìnhhọccủamôhìnhđịacơ

Kích thước hình học vùng bên trong được xác định bằng kích thước hình dạngkhoáng thể (vỉa, thân quặng), các tính chất cơ lý đá, đặc điểm cấu trúc khối đá mỏ,độ sâu vỉa Ở các độ sâu khác nhau từ khu vực khai thác đến bề mặt đất, kích thướcvùngbêntrongđượcxácđịnhtrêncácmặtcắtchínhtheophươngvàtheodốc vỉa khoảng trống đã khai thác bởi các góc dịch chuyển Ở cácm ứ c d ư ớ i c ù n g l i ề n k ề với khu vực khai thác, mặt cắt ngang vùng biến dạng trong gần giống với hình dạngkhu vực khai thác ở các mức cao hơn, xa dần so với vị trí khai thác hình dạng vùngbiếndạngtrongcũng cóhìnhd ạ n g chu ng gầ n giống nh ư h ì n h d ạ n g giớih ạnk hu vựckhaithác.Giớihạnvùngnứtnẻđượcxácđịnhtheocácgóccắt.

Trong bảng số 2.1 trình bày tỷ lệ giữa bán kính vùng biến dạng uốn võng vớibán kính trung bình vùng sập đổ, tỷ lệ này dao động trong khoảng 1.9 ÷ 2.5 Có thểkết luận rằng kích thước thực tế vùng biến dạng uốn võng lớn hơn một chút so vớikíchthướcvùngnàyđượcxácđịnhtheogócdịchchuyểngiớihạn.

Bảng 2.1: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với cáckhoángsàng UralvàCadacxtan

Kíchthướcvùngkí chhoạt,(m) Kíchthướcvùngbiếndạ ngtrong,(m) Tỉsố

Vùngb i ế n d ạ n g n g o à i n h ư đ ã t r ì n h b à y ởt r ê n đ ư ợ c t ạ o t h à n h d o s ự p h á v ỡ trạng thái tĩnh của khối đá do khai thác gây nên như: suy giảm các tầng chứa nước(trong trường hợp tháo khô mỏ) hoặc do làm chất tải lên bề mặt bằng đổ đất đá thảicủakhai thác, tuyển…vv.

Theolờigiải bà i to án c ơ học củaB usi nes k [60, 64],hệ t h ố n g lự ck hô ng cân bằng tác động lên phần nửa không gian đàn hồi vô hạn có vùng ảnh hưởng khônggiới hạn và độ suy giảm của biến dạng tỷ lệ với khoảng cách tính từ điểm lực tácđộng Trong bảng số 2.2 trình bày kết quả tính toán các thông số hình học của vùngbiếndạngbênngoàichođiềukiệnkhoángsàngUral,Cadacxtan. Để xác định bán kính vùng biến dạng bênn g o à i c ầ n t h i ế t đ ư a r a t i ê u c h u ẩ n đánh giá vùng ảnh hưởng của biến dạng Trong bảng số 2.2, bán kính vùng ảnhhưởng được đánh giá theo 2 tiêu chuẩn: 5% trị số biến dạng trên đường biên củavùng kích hoạt và theo tiêu chuẩn độ chính xác của các phép đo mà các thiết bị trắcđịacóthểxácđịnhcáctrịsốbiếndạng.

Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với cáckhoángsàng UralvàCaracxtan[64]

Như vậy, nếu giới hạn vùng biến dạng bên ngoài được xác định bằng 5% trị sốbiếndạngtrênđườngbiênvùngkíchhoạtthì kíchthướcvùngnày daođộng5.000m÷20.000mhoặcbằng18.1÷20.0 lầnkíchthướcvùng kíchhoạt.

Tínhchấtbiếndạngvàcấutrúcmôhìnhđịacơ

Mô hình địa cơ như mô phỏng ở trên không hạn chế các tính chất môi trườngkhối đá, tức là có thể mô tả mô hình địa cơ như một môi trường đàn hồi, đàn hồidẻo,hoặccáctínhchấtkhác.

Khoa học mỏ hiện đại ngày nay với lượng tri thức sâu rộng về các tính chất cơlý đá mỏ cho phép giải quyết các vấn đề kỹ thuật mỏ một cách có cơ sở Đi đầutrong trường phái này là viện sĩ B.B Rydepski [23, 44] Tuy nhiên việc nghiên cứutính chất khối đá mỏ trong điều kiện thực tế tự nhiên còn rất nhiều hạn chế, chính vìvậy việc lựa chọn tính chất biến dạng cho mô hình địa cơ là rất khó khăn bởi khôngcó các nghiên cứu đầy đủ về sự dịch chuyển và biến dạng của khối đá mỏ Vì vậyviệc mô phỏng toán học các quá trình biến dạng của khối đá mỏ với tất cả các tínhchấtt ự n h i ê n l à r ấ t p h ứ c tạ p, c h o nê nk h i p h â n t í c h c á c q u á t r ì n h c ơ h ọ c v à gi ải quyếtcácbàitoánthựctế,ngườitasửdụngmôhìnhmôitrườngkhốiđávớic áctính chất cơ lý và các thông số hình học của môi trường tự nhiên, mà có ảnh hưởngquyếtđịnhđếnlời giảicủabàitoánđặtravớiđộchínhxácnàođó.

Trong trường hợp chung, các mô hình biến dạng của khối đá có thể phân thànhhai nhóm: rời rạc và liên tục Các mô hình môi trường rời tương đối tương thích vớiđiều kiện tự nhiên hơn do các mô hình này mô phỏng tính rời rạc và không đồngnhất của môi trường khối đá Tuy nhiên đây là bài toán rất phức tạp, vì vậy hiện naythông dụng nhất là các mô hình liên tục được xây dựng trên nguyên tắc liên tục toánhọc đối với một môi trường biến dạng rời rạc Khái niệm nguyên tắc liên tục toánhọcđòihỏitínhliêntụccủamôitrườngứngsuấtvàbiếndạng.Cơsởcủanguyênt ắc này là khái niệm về thể tích tối giản, tức là phần thể tích của môi trường vừa đápứng yêu cầu có tất cả các đặc tính biến dạng của môi trường vừa có kích thước đủnhỏ so với môi trường biến dạng để trạng thái ứng suất biến dạngc ủ a n ó c ó t h ể đượcxemnhư làtạimộtđiểm.

Thểtíchtốigiảncóthểởdạngphầntửnhỏdạnghạthoặcphần tửnhỏdạng viên cấu tạo nên toàn bộ khối đá mỏ tự nhiên: các ứng suất và biến dạng trung bìnhcủamộtthểtíchnàođócủamôitrườngđủlớnsovớithểtíchtốigiảncóthểxem như tương đương với ứng suất và biến dạng của chính thể tích này trong mô hìnhmôitrườngliêntụclýtưởng.

Điều kiệnbiêntrongmôitrườngđịacơmỏ

Các điều kiện biêncủamô hìnhbao gồm hệ thống cácl ự c v à b i ế n d ạ n g t á c động theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng của khaithác, trị số và hướng tác động của các lực và biến dạng này được xác định trực tiếpbằng các thông số của trạng thái ứng suất của khối đá mỏ ở trạng thái tự nhiên Khichưa có đo đạc thực nghiệm về ứng suất, khái niệm về trạng thái ứng suất của khốiđá mỏ dựa trên các giả thuyết của A Geim và A.N Dinic cho rằng ứng suất thẳngđứng được xác định bởi trọng lượng khối đá mỏ nằm bên trên và ứng suất ngang -lực ép hông của khối đá bị biến dạng Các đo đạc thực tế đã chứng minh sự hợp lýcủac á c g i ả t h u y ế t n à y , đ ồ n g t h ờ i c ũ n g c h ứ n g m i n h đ ư ợ c r ằ n g n g o à i l ự c t r ọ n g trường còn có tập hợpcác lực khác tạo nên bởi cácy ế u t ố k h á c n h a u m à n ổ i b ậ t nhấtlàcáclựckiếntạo.

Như vậy, mô hình địa cơ của khoáng sàng đang khai thác và triển khai các đođạcdịchđộngbềmặt, đảmbảocôngtrình cóthểbiểudiễntheodạnghình 2.13.

Môitrườngcủamôhìnhlàkhốiđámỏ- đồngnhấtliêntụcvàđẳnghướng,lànửakhônggiandướivớitấtcảcáctínhchấtđànhồi,đànhồidẻo vàcáctínhchấtkhác.

Các tính chất biến dạng của môi trường mô hình xác định bởi các giá trị trungbìnhtíchhợpcủakhốiđámỏ.

Trạng thái ban đầu của môi trường mô hình địa cơ hay là trạng thái ứng suấtbiến dạng bao gồm các lực trọng trường, ứng suất kiến tạo và các ứng suất biến đổikhác.Lựctrọngtrườngbiếnđổitỉlệtheođộsâu,cáclựckiếntạo nằmngang,c ố định theo độ sâu và có tính bất đẳng hướng, đồng thời hướng tác động của các ứngsuấtchínhkhôngtrùngkhớpvới cácthôngsốcủakhoángvật[70,71]

Trong mô hình tạo thành khoảng trống khai thác là vùng kích hoạt công nghệ,kích thước khoảng trống khai thác thay đổi theo thời gian và không gian được xácđịnh bởi phương pháp và trình tự công nghệ khai thác Sự tạo thành khoảng trốngkhaitháctrongkhốiđámỏlàmphávỡcânbằngtựnhiêncủacáclựctrọngtrường và lực kiến tạo, tạo ra trường ứng suất biến dạng thứ sinh (thứ cấp) cùng với biếndạng tương ứng Xung quanh vùng kích hoạt công nghệ tạo thành vùng ảnh hưởngbao gồm vùng biến dạng trong và vùng biến dạng ngoài, đặc trưng bởi các đặc điểmpháttriểndịchđộngbềmặtvàkhốiđámỏkhácnhau.

Vùng biến dạng trong tạo thành dưới tác động của hệ thống cân bằng lực do cósự phân bố lại ứng suất xung quanh vùng kích hoạt công nghệ Vùng biến dạngngoài tạo thành do tác động của việc mất cân bằng hệ thống lực do phá vỡ trạng tháibanđầu

Hình 2.13: Mô hình địa cơ tổng quát khoáng sàng đang khai thác,phụcvụviệcquantrắckiểmtraquátrìnhdịchchuyển[75]

1 Khoảng trốngkhaithác 2.Vùngbiếndạngtrong3.Vùng biếndạngngoài 4.Khốiđá mỏ

Các dạngmôhìnhđịacơ dựbáodịchchuyểnbiếndạng

Phương pháp sai phân hữu hạn

Phương pháp phần tử biên Phương pháp phần tử hữu hạn

Mô hình không liên tục

Mô hình địa cơ phápnghiêncứuvàcơsởlậpluậnđượcsửdụngcóthểphâncácmôhìnhđịacơdựbáo rabanhómnhưtrênsơđồ hình 2.14[10]

Trong phương pháp này thì khối đá được mô phỏng là liên tục Đặc điểm khôngliên tục cũng có thể được mô phỏng riêng Các phần tử được rời rạc và được kết nốivới nhau tại các nút Mỗi một phần tử có kích thước là hữu hạn [43] Mối quan hệứng suất - biến dạng được định nghĩa bằng một quy luật tương ứng Ứng suất, biếndạng và dịch chuyển phân tích được là nguyên nhân do sự thay đổi điều kiện biên.Ứngsuất,biếndạngvàdịchchuyểnđượcthểhiệntrongsựbiểuhiệncủacácphầ ntử bên cạnh phần tử đó Sự phân tích được thực hiện bằng việc giải quyết các hệphươngtrìnhmatrận.

Phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm đó là: giải quyết các vấn đề bàitoán mô phỏng khối đá có tính dị hướng hay các biểu hiện của vật liệu không đànhồi,từcácmôhìnhcủamỗiphầntửvớicáchàmđặctínhcủavậtliệu.Vớinhững lợi ích trong công nghệ máy tính tốc độ cao hiện nay việc tính toán trên cơ sởphương pháp phần tử hữu hạn đã trở nên rất hữu dụng Một trong những chươngtrình đại diện cho phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay đang được sử dụng rộngrãicó thể kểđếnlàPhase,Plaxis[81]. b) Phươngphápsaiphânhữu hạn(FDM)

Phương pháp này cũng gần giống với phương pháp phần tử hữu hạn, trong đóđất đá cũng đượcmôhình như làmột vật thể liên tục và nó đượcc h i a t h à n h c á c phần tử nhỏ, giữa chúng có sự liên kết với nhau tại các nút Sự khác nhau ban đầunằm ở sự gần đúng được sử dụng để giải quyết các tham số chưa biết Phương phápsai phân hữu hạn dựa trên cơ sở của sự gần đúng các hàm toán học Phương phápgần đúng xây dựng trên ý tưởng cho một thời gian đủ nhỏ trên một bề mặt tại cácđiểm lưới với các phần tử trung gian bên cạnh nó Việc tính toán của phương phápsai phân hữu hạn có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề lời giải động lực họcchứanướchaychấtlỏngdichuyển. Ưuđiểmcủaphươngphápsaiphânhữuhạnlàkhôngcócácmatrậntoánhọcvì thế chutrìnhtính toán nhanhvà cầnthiết bộ nhớcủam á y t í n h n h ỏ L ờ i g i ả i không sử dụng ma trận cũng cho phép phân tích các dịch chuyển, biến dạng với cácgiá trị lớn hơn Đại diện cho nhóm phương pháp sai phân hữu hạn đang được sửdụnghiệnnaycóthểkểđếnlàFLAC2DvàFLAC3D[80]. c) Phươngphápphần tửbiên(BEM)

Trong phương pháp này khối đá được xem là liên tục và giả thiết với các biếndạnglàvôcùngnhỏ.Phương phápphầntửbiên(BEM)m ôphỏngnhững v ấnđềảnh hưởng cần thiết trên biên công trình khai đào Với các yêu cầu mô phỏng cácvấn đề thường được giảm bớt đi so với phương pháp phần tử hữu hạn nơi toàn bộphạmv i n g h i ê n c ứ u đ ư ợ c m i ê u t ả Ả n h h ư ở n g c ủ a k h ố i đ ấ t đ á r ấ t l ớ n , v ô h ạ n thường được tự động xem xét trong phân tích Phương pháp phần tử biên rất có hiệuquảkhiđịnhnghĩacácbiêncóảnhhưởnglớn.

Việc tính toán được xác định với các phần tử biên, môi trường bên trong cácbiênđ ó t h ư ờ n g đ ư ợ c m i ê u t ả v à g i ả t h i ế t b ằ n g c á c c ô n g t h ứ c k h á c n h a u

N h ữ n g công thức này thường là tuyến tính Phương pháp phần tử biên có hiệu quả trongviệc giải quyết các vấn đề vật liệu có biểu hiện đàn hồi đẳng hướng Một chươngtrình đại diện cho phương pháp phần tử biên BEM ngày nay cũng được sử dụngtrongphântíchứngsuấtbiếndạnglàExamine. d) Phươngphápphầntửrờirạc(DEM)

Trái ngược với phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn và phươngpháp phần tử biên, khối đất đá trong phương pháp này không được mô phỏng là liêntục, mà được mô phỏng bằng các khối riêng có chú ý đến trọng lượng bản thân củanó Phương pháp này có khả năng áp dụng nếu các dịch chuyển biến dạng dọc trênkhe nứt lớn hơn biến dạng nội tại bên trong các khối nứt Trong trường hợp này,biến dạng của khối đất đá được bao bọc bởi sự dịch chuyển dọc theo các khe nứtgiữacáckhối.Cáckhốicóthểtựdoxoayvàdịchchuyển.

Lời giải chính xác thì cho phép xác định biến dạng lớn hơn, cho phép từngbước, từng bước xác định giá trị biến dạng tương đương Chương trình điển hìnhhiệnnayđangđượcsửdụngrộngrãichophươngphápnàylàUDEC[80]. e) Phươngphápphần tửthanh

Phương pháp này có khả năng đặc biệt để giả thiết cho các vỏ chống trong cácgian hầm ngầm khai thác Vỏ chống được giả thiết bởi các phần tử thanh Đất đáxung quanh ôm lấy vỏ chống, được giả thiết như các phần tử lò xo đàn hồi ở trênbiênphíasaucácphầntử thanh[58].

Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích, tính toán cho các đườnghầm có vỏ chống Để tính toán phân tích, máy tính chỉ cần có dung lượng bộ nhớvừa không cần quá lớn Tuy nhiên, mô hình được sử dụng cho phương pháp phần tửthanh dầm với kết cấu đàn hồi có những giả thiết đơn giản hay nó chỉ xem xét đượccácđiều kiệnđịa chấtđơngiản. f) Khảnăngkết hợpcácphươngphápsố

Hiệnnaycónhiềuphươngphápsốhaymôhìnhsố,mỗiphươngphápsốđềucóư unhượcđiểmtrongmộtphạmvinhấtđịnh.Dovậy,kếthợpcácphươngphápsố với nhau thì điểm mạnh của mỗi phương pháp được duy trì và phát huy,cácnhượcđiểmsẽhạnchế,khắcphục.Sựkếthợpcủacácphươngphápsốvớicácmô hình khác nhau sẽ tạo ra một mô hình có thể biểu hiện tốt nhất cho các bài toánchúng ta cần phân tích Ví dụ mô hình liên tục có thể được kết hợp với mô hìnhkhông liên tục, hoặc là sự kết hợp của phương pháp phần tử biên và phương phápphần tử hữu hạn Mục đích của lưới phần tử hữu hạn xung quanh với các phần tửbiên thì được giới hạn cần thiết cho sự thay đổi tuỳ ý và các điều kiện biên bất kỳ.Dođó,kíchthướccủalướiphầntử hữuhạncókhảnăngđượcgiảmbớt.

Trong thực tế thì khả năng sử dụng và áp dụng của mỗi phương pháp số cầnphải được xác định, nghiên cứu cụ thể Nếu khối đá bị nứt nẻ ít, thưa thớt hoặckhoảngcáchgiữacáckhenứtnhỏ[16].Việckhaitháchầmlòlànguyênnhângâ yra biến dạng trong khối đất đá thì khi đó bài toán có thể được mô phỏng là liên tục.Trong trường hợp này phương pháp phần tử hữu hạn hay phương pháp sai phân hữuhạn đều có thể được sử dụng để giải quyết bài toán. Đối với trường hợp khối đá bịnứt nẻ và khoảng cách giữa các khe nứt là trung bình thì mô hình phân tích khôngliên tục sẽ phù hợp hơn, khi đó phương pháp phần tử rời rạc sẽ có ích hơn trongphântíchbàitoán.

Tuy nhiên các phương pháp số có những ưu việt so với các phương pháp kháckhi tính toán dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của khai thác,nhưngp hư ơn g p h á p s ố vẫ nc ó nh ữn g h ạ n c h ế n h ấ t đ ị n h , đ ó là c á c h ti ếp c ậ n chủ quankhiphânchiakhốiđáthànhcácphầntửhữuhạn,sựquânbìnhhóatínhchấ tcơl ý k h ố i đ á , s ố l ư ợ n g h ạ n c h ế c á c p h ầ n t ử , đ ể m ô p h ỏ n g m ô i t r ư ờ n g đ à n h ồ i khôngliên tục hoặcliêntụcgầnthựctếthì môhìnhtrởnêncồngkềnhvàphứctạp.

Phương pháp quan trắc hiện trường cho phép xác định các kết quả quan trắcdịch chuyển biến dạng bề mặt tương đối chính xác của khối đá mỏ, nhưng chưa thểhiệnđượcbứctranhtổngthểcủaquátrìnhdịchchuyển.Phươngphápnàykhó cóthể xác định được vùng uốn võng, vùng sập đổ, vùng kẽ nứt ngay trên nóc lò chợ.Nghiên cứu lý thuyết về mô hình địa cơ cho phép thể hiện bức tranh tổng thể củaquá trình dịch chuyển nhưng lại mang tính định tính Vì vậy, tác giả đề xuất nghiêncứu mô hình biến động địa cơ dựa vào điều kiện biên là các kết quả quan trắc thựcđịa cho bức tranh tổng thể quá trình dịch chuyển nhưng mang tính định lượng cụ thểchotừngkhuvựckhaithác.

Lựachọnmôhình địacơứngdụngchođiềukiệnbểthanQuảng Ninh

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của phương pháp số hay mô hình số, vớikết quả quan trắc thực địa tại các mỏ than hầm lò Quảng Ninh Đề tài luận án lựachọn mô hình địa cơ cho bể than Quảng Ninh là mô hình số kết hợp với phươngphápquantrắchiệntrườngđểđiềuchỉnh môhìnhsốsát vớithựctế hơntrongđó:

- Dữl i ệ u đ ầ u v à o c ủ a m ô h ì n h l à c á c t h a m s ố c ơ h ọ c , k í c h t h ư ớ c h ì n h h ọ c , chiềudàyvỉanhư:Độbềnnénσcủacácloạiđấtđá,chỉsốbềnđịachất(GSI),chỉsố 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 theohướngdốc.

- Các kết quả quan trắc thực địa xác định hàm đường cong tiêu chuẩn cho bểthanQuảngNinhphụcvụcôngtácdựbáodịchchuyểnbiếndạng

Kếtluậnchương2

1 Trên cơ sở phân tích các dạng mô hình địa cơ và các phương pháp số khácnhau, nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình đàn hồi đẳng hướng và phương pháp phầntử hữu hạn (FEM) Sự lựa chọn này dựa trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đãđượccôngbốvàhoàncảnhcụthểvềđiềukiệnnghiêncứu(dữliệuthựctế,công cụtínhtoánvàkinhnghiệmnghiêncứu).

2 Khiápdụngmôhìnhđịacơnàyvàothựctế,đểtránhnhữnghạnchế(cáchtiếpcậnchủquankh iphânchiakhốiđáthànhcácphầntửhữuhạn,sựquânbìnhhóatínhchất cơ lý khối đá, số lượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồikhông 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 điềukiệnkhuvựcnghiêncứuđượcđặctrưngbởicácdữliệuquantrắcthựcđịa.

CHƯƠNG3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC HÀM ĐƯỜNG CONG TIÊU

Như đã trình bày ở chương 2, mô hình địa cơ trong đề tài nghiên cứu luận án,tác giả nghiên cứu tổng hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảngphươngp h á p s ố v à p h ư ơ n g p h á p q u a n t r ắ c h i ệ n t r ư ờ n g đ ể n g h i ê n c ứ u b ứ c t r a n h tổng thể quá trình dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất Do vậy, ởchương này tác giả đi nghiên cứu xây dựng hàm số đường cong mẫu từ số liệu thựctế mà tác giả đã quan trắc từ nhiều năm về trước, đây là kho dữ liệu vô cùng phongphú, có cơ sở khoa học, thực tế phù hợp với điều kiện địa chất - kỹ thuật của bể thanQuảngNinh.

Phươngphápquan trắcvàxử lýsố liệu

Như chúng ta đã biết, quan trắc dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt đất làmột trong những nhiệm vụ quan trọng khi khai thác mỏ, xây dựng các công trìnhngầm Hiệnn a y , k ỹ t h u ậ t v à p h ư ơ n g p h á p q u a n t r ắ c d ị c h c h u y ể n v à b i ế n d ạ n g đ ấ t đá đi từ hướng truyền thống đến hiện đại, có rất nhiều phương pháp quan trắc khácnhau như: phương pháp quan trắc mặt đất độ chính xác cao, phương pháp đo ảnh vàhệthốngquantrắcGPS[12]

Phương pháp trắc địa ảnh mặt đất là phương pháp xác định bồn dịch chuyểnthông qua tính chất cơ lý đất đá vùng tương tự, xây dựng các mốc có chiều cao nhấtđịnh tại các biên dịch chuyển, trên bề mặt đất chọn các điểm ổn định xung quanhbồn dịch chuyển, đặt máy ảnh trên các điểm đó, tiến hành chụp ảnh các mốc, sau đóxử lý số liệu nội nghiệp Phương pháp này có nhiều ưu điểm như giảm thiểu đượccôngtác ngoại nghiệp. Phương pháp quan trắc mặt đất là dùng máy trắc địa độ chính cao đo các giá trịbiến đổi như chiều dài các cạnh, các góc, độ cao để xác định dịch chuyển và biếndạngbềmặtđất.Phươngphápnàycócácưuđiểm:

- Tính toán và kiểm tra độ chính xác các giá trị đo bằng việc thành lập lướikhốngchế

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp quan trắc, tác giả lựachọn phương pháp quan trắc mặt đất để đo các trị đo quan trắc biến dạng phục vụkiểm chứng, điều chỉnh, xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn phục vụ cho mô hìnhbiếnđộngđịacơ khaithácvỉadầybằnglòchợcơgiớihóa.

Phương phápluận xâydựngcáchàmđườngcongtiêuchuẩn

Tính toán dịch chuyển biến dạng đá mỏ nhằm mục đích xác định mức độ pháhủy, hư hại các công trình nhà cửa và các đối tượng tự nhiên khác trên mặt đất doảnhhưởngkhaithácmỏ.

Trên cơ sở phân tích, xử lý các số liệu quan trắc cho phép xác định khả năngkhai thác dưới các công trình công nghiệp dân dụng, di tích lịch sử văn hóa cần bảovệ.Cácphươngpháptínhtoánđượcchiathànhcácnhóm:

Phương pháp lý thuyết dựa trên cơ sở các phương trình toán cơ học môi trườngliên tục với giả định rằng khối đá mỏ là một môi trường đàn hồi, dẻo, nhớt hoặc môitrườngrờivv…

Phương pháp thực nghiệm dựa trên các mối tương quan xác định được từ cáckếtquảquantrắc,đođạchiệntrường.

Phương pháp bán thực nghiệm dựa trên cơ sở các mối tương quan được kháiquát hóa từ kết quả đo đạc, từ các mô phỏng lý thuyết và tương tự toán học với cáchệsốđượcxácđịnhthôngquađođạcthựctế.

Trong các phương pháp thực nghiệm thường sử dụng các tương quan đơn giảnnhư[23]:

- q,C i ,C k ,a 0 ,C  : Cáchệsốthựcnghiệmđượcxácđ ịnhb ằ n g quantrắcđođạc thựctế.Thường hệ sốqdaođộngtừ0 6 ÷ 0 9(đấtđá cà n g bề nv ữ n g thìq càngnh ỏ) Ckd a o đ ộ n g t ừ 2 ÷ 4 ( c à n g s â u t h ì C kc à n g l ớ n ) C á c h ệ s ố C i, a0, Cε; xác địnhtừcácbiểuthức:

Các phương pháp bán thực nghiệm được phân chia thành các phương pháp giảnđồ,phươngphápgiảitích,phươngphápđồthịphântích.

- Phương pháp giải tích dựa trên cơ sở lựa chọn các phương trình biểu thịđường cong của độ lún Hiện nay các phương pháp giải tích phần lớn dựa trên cáchàm vi phân xác xuất để mô phỏng đường cong độ lún Ví dụ ở Ba Lan thường sửdụng phương pháp Litwiniszyn với giả định có mối tương quan giữa dịch động đámỏ và độ dẫn nhiệt Còn phương pháp Knothe với giả định rằng sự ảnh hưởng củatừngphầntửkhối tínhcủađường lò cóthểmôtả bằng đườngcongphânbốxácsuất

H bánk í n h v ù n g ả n h tg hưởng chính, H độ sâu khai thác,là góc dịch chuyển giới hạn, S là khoảng cáchđếnđiểmtínhdịchđộng.

PhươngphápgiảitíchcũngđượcR.A.Mullerđưaradựatrêncơsởxemkhốiđá mỏ như một môi trường liên kết yếu, có khả năng kháng lại các lực nén và lựctrượt là chính, còn khả năng kháng lại lực kéo là rất nhỏ, từ đó giải phương trình viphâncủakhốiđáđànhồivàđưaracáccôngthứctínhtoándịchchuyểnbiếndạng.

Phương pháp đồ thị giải tích dựa trên việc sử dụng các đường cong tiêu chuẩnphân bố độ lún và biến dạng trong bồn dịch chuyển Trường hợp này độ lún tại từngđiểm được biểu thị bằng tỷ lệ giữa độ lún tại điểm đó với độ lún cực đại, còn vị tríđiểm này xác định bằng tỷ lệ khoảng cách từ tâm bồn dịch chuyển đến điểm đó vớikích thước bán bồn dịch chuyển Điểm gốcc ủ a t o ạ đ ộ t h ư ờ n g l ấ y đ i ể m c ó đ ộ l ú n cựcđại(hình 3.1). a) L x x a=1 b) 1 o A x o A x m 1 o 1 y x max a,Đườngcong lúnthựctế b, Đường cong lún không thứ nguyênHình3.1:Đườngcong lúnthựctếvàđườngconglúnkhôngthứnguyên

Trên cơ sở xác định phân bố độ lún và biến dạng xây dựng các đồ thị - biểu đồhoặccácbảngtính. Ở Liên Xô (trước đây) và các nước SNG ngày nay phương pháp đường congtiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các quy chuẩn bảo vệ công trình trên bề mặtđất.

Trênhình3.1điểmgốctọađộđượcchọnlàđiểmO- điểmcóđộlúnlớnnhất.TrụcX n ằ m n g a n g t r ê n b ề m ặ t , t r ụ c Y t h ẳ n g x u ố n g d ư ớ i T r ê n đ ồ t h ị b i ể u d i ễ n đườngcongđộlúntheothựctế X  f(x) củamộtnửabồndịchchuyển.Dođiều kiện địa chất các khoáng sàng và điều kiện khai thác mỏ rất khác nhau nên cácđường cong độ lún rất khác nhau và khó có thể so sánh được với nhau Để có thể sosánhđược,ngườitađưaracácđườngcongđộlúnthựctếvềdạngđườngcongđộ lúnk h ô n g c ó t h ứ n g u y ê n b ằ n g c á c h t h e o t r ụ c h o à n h đ ặ t t ỷ l ệ ( X) v à t r ụ c t u n g

Trongđó: x làđộlúntạiđiể m x,maxlàđộlúncựcđại,Llànửachiềudàibồn dịchchuyển.

Nhưvây,nếubiếtđộlúncựcđại maxvàhàmkhôngthứnguyênS(zx)sẽxác định được độ lúnxtại một điểm bất kỳ Hàm phân bố độ lún S(z x) có thể đưa raở dạng hàm mũ, hàm lượng giác, hàm Gauss hoặc hàm biểu thức giải tíchk h á c , nhưngthườngđượcápdụngđưaraởdạngbảng[23].

Trêncơsởlýthuyếtxâydựnghàmđườngcongtiêuchuẩn,cácgiátrịcủahàmcongtiê u chuẩnS(zx),F(zx),F’(zx)đượcxác địnhchovùngQuảngNinh.

Xácđịnhcácthông sốvàđạilượngdịch chuyển

Cơsởlýthuyếtxácđịnhcácthamsốchovùngítđượcnghiêncứudịchđộngđámỏ

+Tínhhệsốkiêncốtrungbìnhcủacáclớp đácứng như:cátkết,sạn kếtvàcácloạitươngđương: f m ci f ci 10 2

+Tínhhệsốkiêncốtrungbìnhcủacáclớpđámềmnhư:bộtkết,sétkết,ásét,thanvàcácl oạitươngđương: c f  m mi f mi 10 2

%) các l o ạ i đá c ứn g“c”, và đá mề m“m”có trongđịatầng.

Mci– là chiều dày các lớp đá cứng.Mmi– làchiềudàycác lớpđá mềm.

hệsốkiêncốcủađịa tầng,ci=nén/100,mi=nén/100.

A là hệ số xác định tỷ lệ gữa độ cứng đất đá mềm và đất đá cứng.C là hệ số (%) của tổng đất đá cứng trên tổng chiều dày địa tầng.D là hệ số (%) của tổng đất đá mềm trên tổng chiều dày địa tầng.M cl à tổngchiềudàyđácứngtrongđịatầng.

Mmlàtổngchiềudàyđámềmtrongđịatầng. m b Lựachọnnhóm mỏ theohệsốkiêncốđịa tầngf.

Nếu A f m  0,5 f C thìnhómmỏđượcchọntheobảng3.1.NếuA0,5thìphải tính đến tỷ lệ thành phần các loại đá cứng (C) có trong địa tầng: nếu C30% thìnhóm mỏ chọn theo hệ số kiên cố f; nếu C30% thì nhóm mỏ chọn tăng lên 1nhóm.TrongđóCxácđịnhtheocôngthức3.18 [23]

TB(độ) Nhómmỏ Trungbình Khoảngdaochuyển

Gócđược xác định theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa, thể hiện bảng 3.2 hoặcbảng 3.3 Các mỏ thuộc nhóm VII và VIII, trong trường hợp có tổng chiều dày cáclớp cát kết, đá vôi lớn hơn50% (C50%) độ sâu khai thác trung bình, đồng thờichiều dày của các lớp đá cát kết, đá vôi30m thì góc dịch chuyểnxác định theobảng 3.4 Góc1phụ thuộc vào nhóm mỏ, chiều dày, góc dốc của vỉa xác định theobảng3.3.

Góc dịch chuyển trong lớp đất phủ () xác định theo bảng 3.5 cho các mỏ thuộcnhóm III - VIII Các nhóm mỏ I, II góc= 45 0 lấy bằng góc dịch chuyển trong cáclớpđágốc.

Chiều dày lớp đất phủh(độ)mét)

Tìnhtrạng lớpđất phủ Khôráo Ngậmnước

I II III IV V VI VII VII

- GiátrịK 1 xácđịnhtheobảng3.8tuỳthuộcvàonhómkhoàngsàngvàtỷsốtổ ngchiềudàyđất phủhvàlớp hm(mêzodoi)vớichiềusâukhaithác trungbình H.

H(độ)mét) Đến100 101 – 200 201 – 400 401 – 600 601 – 800 801 – 900 Lớnh ơn900

+ Xác định góc dịch chuyển hoàn toàn theo hướng dốc1,2p h ụ t h u ộ c v à ogóc dịch chuyển hoàn toàn theo phương3, góc lún cực đạivà góc dốc vỉa Vàthểhiện bảng 3.10

Bảng3.10: Giátrịgóc1ởtửsố,2ởmẫu số (độ)

- Độlúncựcđạitươngđốiq 0 phụthuộcvàonhómkhoángsàng,độsâukhai tháctrungbình,vàtỷsố h 0.5h m

HệsốN1,N2l àtỷsốkíchthướclòchợtheođườngphươngvàhướngdốc(D)vớichi ềusâukhaitháctrungbình H,đượcxácđịnh theo bảng 3.13.

Xácđịnhcácthôngsốvàđạilượngdịchchuyển

- i,i-1– các đại lượng lún trước (theo hướng tính) và sau của một đoạn

- d 1 ,d2-hìnhchiếubằngcủachínhđoạn ấycủa2lầnđotrướcvàsau Đơnvịcủacácđạilượngvàthểhiệnlàmétvàmilimét,Klà1/m;ivà khôngthứnguyên,mặcdùtrongthựctếvẫnthểhiệnmm/m

Véctơdịchchuyển,gócnghiêncủachúngvàphươngvịtínhtheothànhphầ ncủanhữngvectơấy(-làthànhphầnthẳngđứng,-làthànhphầnnằmngang)

Trên cơ sở các số liệu đo đạc ngoài thực địa từ năm 2004 đến 2005 và sau 3 lầnquan trắc, xác định độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang, dịch chuyểnngang,cácđạilượngdịchchuyểnthểhiệnbảng3.14[7]

Bảng3.14: Sosánhkết quảđođạc vàướctính Độ cứng địatầngkhuv ực f=6.9

Trêncơsởcácsốliệuđođạcngoàithựcđịatừnăm2005đếnnăm2007vàsau7lần quan trắc, xác định độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang, dịch chuyểnngang,cácđạilượngdịchchuyểnvàcácthôngsốdịchchuyểnthểhiệnbảng3.15[7]

Bảng3.15: Sosánhkết quảđođạc vàướctính Độ cứngđịa tầngkhu vựcf=4.7

Thờigiandịchchuyểnng uyhiểm 4-6 tháng Thời gian dịchchuyểnnguyhiểm

Thời gian chung quátrìnhdịchchuyển 13 tháng

XácđịnhcáchàmđườngcongtiêuchuẩnvùngQuảngNinh

Bán bồn dịch chuyển thực tế được phân chia ra làm 10 phần, tại mỗi điểm đãchia,cầntínhcácgiátrịđộlúni,độnghiêngii,độcongki.Dịchchuyểnngangivà biến dạng ngangi Hàm số phân bố độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch chuyểnngangvàbiếndạngngangđượcxácđịnhnhưcácđạohàmtươngứngsau[23]:

Các hàm số trên được sử dụng để dự báo dịch chuyển và biến dạng từ các lòđang thiết kế Trên cơ sở nghiên cứu, tổng hợp các số liệu quan trắc thực địa ở cácmỏthan Mạo Khê, Nam Mẫu, Hà Lầm, Mông Dương, xác địnhc á c h à m đ ư ờ n g cong tiêu chuẩn, các kết quả tính toán thể hiện dạng bảng Với các hàm xác địnhđược trong điều kiện khai thác ở Việt Nam hiện nay, chỉ cho ta áp dụng với N≤ 0.7.Vùng Uông Bí các hàm đường cong tiêu chuẩn thể hiện bảng 3.16, vùng Cẩm Phảthểhiệnbảng3.17

Kếtluậnchương 3

1 Các phương pháp được áp dụng tính toán xác định các thông số dịch chuyểnbiến dạng và các hàm đường cong chuẩn là tin cậy và đã được ứng dụng phổ biến ởnhiều nước trên thế giới Do vậy,t ừ c á c k ế t q u ả t r ê n đ ã x á c đ ị n h k í c h t h ư ớ c h ì n h học của mô hình địa cơ, góc dịch chuyển của mô hình, xác định độ lún cực đại mộtmặt cho phép dự báo dịch chuyển biến dạng đá mỏ cho Việt Nam, mặt khác xác lậpđiềukiệnbiênchomôhìnhđịacơ.

2 Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa của mỏ than MạoKhê,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 QuảngNinh đểphục vụ cho công tác tính toán dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặtmỏ nhằmbảovệcáccôngtrìnhvàđảmbảoantoànquátrìnhkhaithácthanhầmlò.

CHƯƠNG4 NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LÚN CỰC ĐẠI XÁC ĐỊNH TỪ KẾTQUẢQUAN TRẮCTHỰCĐỊAVỚIMÔ ĐUNĐÀNHỒIKHỐI ĐÁMỎ Để tính toán, xây dựng mô hình biến động địa cơ hoặc thiết kế các công trìnhngầmvàcôngtáckhaithácmỏ,cầnthiếtphảicócácchỉtiêu tínhchấtcơlý chokhối đá Tuy nhiên, trong thực tế có rất nhiều phương pháp để xác định các chỉ tiêuđó, có một số phương pháp điển hình và hay áp dụng ở các vùng khác nhau như:phương pháp phân loại khối đá theo RMR, phương pháp hệ số giảm bền do cấu trúckhối đá của Nga và phương pháp tính do Hoek và Brown đề xuất, liên quan với tiêuchuẩn bền của Hoek - Brown cho đá và khối đá và có chú ý đến các chỉ số GSI(Geological Strength Index - chỉ số độ bền địa chất), chỉ số D (Disturbance due toblastdamage -pháhoạidonổmìn)[47].

Hiện nay, có nhiều biểu thức xác định các chỉ tiêu cơ học như: mô đun biếndạng, độ bền nén, độ bền kéo cũng như góc ma sát, lực dính kết đã được xác định,liênquanvớicácchỉsốRMR,GSIvàD.

Sự xuất hiện của các phương pháp này thể hiện thành quả nghiên cứu khoa họcto lớn trong lĩnh vực Cơ học đá, Địa kỹ thuật trên thế giới, song cũng phản ảnh tínhphức tạp về biểu hiện cơ học của khối đá liên quan với các điều kiện địa chất cũngnhưcôngnghệ.

Do các phương pháp xác định dựa theo các tiêu chí khác nhau, vì vậy cần thiếtphải phân tích, so sánh để có thể lựa chọn phương pháp “hợp lý”, cũng như pháttriểnphươngpháptrongđiềukiệnViệtNam.

Xâydựng môhình địacơcho khốiđá tạibểthanQuảngNinh

Khái quátđặcđiểmđịachất khuvựcnghiêncứu

Bể than Quảng Ninh gồm ba khu vực [8]: Uông Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả với cácđiềukiệnđịachấtkhácnhau: a) Vùng than Uông Bí gồm 2 đới chứa than: Bảo Đài và Mạo Khê Hai đới nàyngăncáchnhaubởiđứtgãyTrungLương.

- Dải Bảo Đài là một hướng tà lớn ở hai cánh chứa các vỉa than có giá trị côngnghiệp thuộc các khoáng sàng: Đồn Rì, Đồng Vông - Uông Thượng, Vàng Danh,CánhGà, ThanThùng YênTử,KheChuối-HồThiên.

- Dải Uông Bí kéo dài từ Phả Lại đến Đồng Đăng Đại Đán gồm khu Mỏ MạoKhê - Đông Triều - Phả Lại bao gồm các khoáng sàng: Mạo Khê, Tràng Bạch - ĐôngTràngBạch,QuảngLa. Địa tầng chứa than của bể than Quảng Ninh nói chung và vùng than Uông Bínói riêng có tuổi Nori - Reti các nhà địa chất xếp địa tầng này vào điệp Hòn Gai(T 3 n-rhg) Đặc điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lòđặctrưngkhuvựcUôngBíđólà:MạoKhêvàNamMẫu b) Vùng than Hòn Gai nằm ở trung tâm bể than Quảng Ninh kéo dài từ vịnhCuốc Bê (ở phía Tây) đến núi Khánh (ở phía Đông), với chiều dài gần 20km, bềrộng từ 8-10km Tổng diện tích chứa than gần 150 km 2 Các khoáng sàng và mỏthan trong khu vực Hòn Gai có các điều kiện về địa lý tự nhiên, địa lý kinh tế kháthuậnlợichoviệcpháttriểncôngnghiệpkhaithácvàxuấtkhẩuthan.

Cấu trúc địa chất cơ bản của bể than là một địa hào dạng bậc được phát sinh vàphát triển trong đới kiến trúc chồng Caledoni Địa hào chứa than Quảng Ninh đượctạobởicơchếkiếntạohoạthóatrênvỏlục địađãbắtđầuđượccốkết. Địat ầ n g c h ứ a t h a n c ó t u ổ i T3( N o r i -

R e e t i ) ,b a o g ồ m c á c t h à n h t ạ o t r ầ m t í c h điệp Hòn Gai (T3n-rhg) với bề dày trên 2000m, trong đó phụ điệp Hòn Gai dưới dày1500m và phụ điệp Hòn Gai trên mỏng hơn (dày từ 300- 500m) Các trầm tích chứathan điệp Hòn Gai nằm không khớp đều lên trên các thành tạo trầm tích thuộc phứchệu ố n n ế p m ỏ n g C a l e d o n i v à E p i c a l e d o n i C á c v ỉ a t h a n c ó g i á t r ị c ô n g n g h i ệ p trong các khoáng sang than khu vực Hòn Gai nói riêng và bể than Quảng Ninh nóichung,phân bố chủyếutrongtướnglục địa. Đặc điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lòđặctrưngkhuvựcHònGaiđólà:HàLầmvàHàTu c) Vùng than Cẩm Phả nằm ở phía Đông bể than Quảng Ninh kéo dài từ sôngDiễn Vọng (ở phía Tây) đến đảo Cái Bầu (ở phía Đông), với chiều dài trên 25 km,bề rộng từ 6 đến 8km Tổng diện tích chứa than trên 120km 2 Khu vực Cẩm Phả cómức độ tập trung tài nguyên cao nhất bể than Quảng Ninh và cả nước Các khoángsàng và mỏ than trong khu vực Cẩm Phả có các điều kiện về địa lý tự nhiên, địa lýkinhtếrấtthuậnlợichoviệcpháttriểncôngnghiệpkhaithácvàxuấtkhẩuthan.

Cấu trúc địa chất cơ bản của vùng than Cẩm Phả là một địa hào dạng bậc đượcphát sinh và phát triển trong đới kiến trúc chồng Caledoni Địa hào chứa than CẩmPhảđượctạobởicơchếkiếntạohoạthóatrênvỏlụcđịađãbắtđầuđượccốkết Địa tầng chứa than có tuổi T3(Nori- Rêti), bao gồm các thành tạo trầm tích điệpHòn Gai (T3n - rhg) với bề dày trên 2000 mét, trong đó phụ điệp Hòn Gai dưới dày1500mvàphụđiệpHònGaitrênmỏnghơn(dàytừ 300-500m). Đặc điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lòđặctrưngkhu vựcHònGaiđólà:MôngDươngvàKheChàm

Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy điều kiện địa chất phức tạp trong khaithác than ở các mỏ than hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh điển hình là do các uốnnếp và đứt gãy kiến tạo Các yếu tố trên có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng tậptrung,t ă n g c ư ờ n g l à m t h a y đ ổ i k í c h t h ư ớ c v à c á c b á n b ồ n d ị c h c h u y ể n T r o n g khuôn khổ của luận án này đối tượng chính tập chung nghiên cứu mỏ Mạo Khê,NamMẫuvàMôngDương.

Kết quả thínghiệm các mẫu đá bằng phương pháp nénđ ơ n t r ụ c t ạ i v ù n g b ể thanQuảngNinhđượcghiởbảng4.1[8]

STT Loạiđá Độbềnnén σ(MPa) Ghichú

4 Than 17.1 Ở Việt Nam, Nguyễn Quang Phích và nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành xâydựng các mô hình cho khối đá bằng mô hình địa cơ Nguyễn Quang Phích đã tiếnhành thu thập các thông số cơ học từ các nguồn dữliệu khác nhauv à r ú t r a n h ậ n xét: “các phương pháp xác định tham số cơ học cho khối đá phục vụ công tác thiếtkế, tính dịch chuyển biến dạng đất đá và mô phỏng hiện tại trên thế giới không cóquanđiểmthốngnhất,tínhtheocácphươngphápkhácnhauchocáckếtquảkhá cxa nhau, thậm chí theo các qui luật trái ngược nhau Với những đặc trưng nứt nẻ củakhối đá, Ông cho rằng do các điều kiện nghiên cứu và những quan niệm khôngthốngnhấtnêntồntạiphươngpháp khácnhauvàluônđượchoànchỉnh[16].

Xácđịnhmôđun đànhồichocáclớpđấtđátạibểthanQuảngNinh

[17], các lớp đá điển hình ở Quảng Ninh với các đặc điểm địa chất, cơ học đượcphânloạitheoRQD,RMRvàQnhư trênbảng 4.2

(cm) Độbềnnénđơn trục mẫu đá(MPa)

Chấtlượngkhối đá(lớpđá) Nhóm khốiđát heoR max min Trung MR bình

RQD RMR Q max min max min max min Sạnkết 30-50 164.0 70.0 153.9 15 76 55 70 48 3-4 1,52 III-II Cátkết 18-55 125,9 99,6 114,2 11 75 58 68 47 3,35 1,72 III-II Bộtkết 11-35 100,0 38,1 85,0 8 55 43 49 38 1,46 0,84 IV-III Sétkết 2-3 18,5 11.0 17.1 2 38 12 29 11 0,15 0,09 V-IV

Trong bảng 4.3 liệt kê độ bền nén của các lớp đá cùng với nhóm khối đá, từ đóchophépxác địnhđượccác thamsố cơhọcchokhốiđá(cáclớpđá)

Bảng4.3:Dữ liệuvềthamsốcơhọcchocáclớpđá,xác địnhdựatheoRMR

Nđ(MPa) Nhóm khốiđá Lựcdínhkếtc kđ(MPa)

Ekđ(GPa) min max tb

Sạnkết 164.0 70.0 153.9 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60 Cátkết 125,9 99,6 114,2 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60 Bộtkết 100,0 38,1 85,0 IV-III 0,1-0,2-0,3 15-25-35 1,778-5,6-20 Sétkết 18,5 11.0 17.1 V-IV