Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới
Nghiên cứu về dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do khai thác hầm lò đã có một lịch sử phát triển lâu dài và vẫn là mối quan tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước Số lượng công trình nghiên cứu công bố ở nước ngoài rất phong phú, vì vậy trong phần tổng quan này, chúng tôi sẽ giới hạn giới thiệu những kết quả nghiên cứu về dịch chuyển biến dạng địa tầng và bề mặt đất thông qua phương pháp mô hình.
Trong nghiên cứu lý thuyết, nhiều phương pháp tiếp cận như phương pháp giải tích và phương pháp số đã được áp dụng để tính toán mô hình địa cơ với môi trường đàn hồi, liên tục và phi tuyến Mô hình này xem xét các điều kiện biên bao gồm hệ thống lực và biến dạng tác động lên các mặt phẳng giới hạn trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng bởi khai thác Các nhà nghiên cứu như V.N Boris-Komponees, M.V Kurlen, A.B Fadeev, và V.G Zoteev đã sử dụng lý thuyết dựa trên phương pháp số để giải quyết các bài toán cơ học môi trường liên tục Phương pháp số cũng được áp dụng trong các công trình của A D Xashurin để giải quyết các bài toán mô hình môi trường đàn hồi, liên tục.
B A Khramtsov, V E Bolicov, V A Kvochin, A B Makarov và A I Ilyn đã phát triển các lý thuyết cho phép xác định các thành phần của ten sơ biến dạng trong không gian ba chiều tại bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ Những lý thuyết này không chỉ giúp đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mà còn dự báo sự phát triển của quá trình dịch chuyển theo các phương án khai thác khác nhau.
Hình 1.1 minh họa trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá mỏ, trong đó σ1 và σ2 đại diện cho ứng suất pháp theo các trục x và y Các biến dạng dọc tương đối εx và εy được xác định theo các trục tương ứng, trong khi γxy và γyx thể hiện biến dạng trượt giữa các trục x và y.
Mười sơ biến dạng được tính toán không chỉ mô tả thành phần mà còn có thể thể hiện dưới dạng đường đẳng trị cho nhiều mặt cắt ngang và mặt cắt đứng Thực tế, cách mô tả phổ biến nhất cho các ten sơ biến dạng là thông qua biểu đồ cực, cho thấy mối tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay của các trục chính.
Hình 1.2 minh họa biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau Hiện nay, các phương pháp lý thuyết tính toán thông số dịch chuyển đều dựa trên mô hình địa cơ của môi trường địa chất, theo A.D Xashurin.
Nghiên cứu của [63] tập trung vào quá trình biến dạng của khối đá mỏ và bề mặt đất trong các mỏ quặng dày, dưới tác động của trường ứng suất kiến tạo bất đẳng hướng Tác giả đề xuất phương pháp tính toán dịch chuyển bề mặt đất gần khu vực sập đổ Các mô hình lý thuyết tương tự dựa trên vật liệu tương đương được nhiều nhà nghiên cứu áp dụng để tính toán các thông số dịch chuyển đá mỏ trong khai thác lộ thiên và hầm lò [49, 51].
Mô hình địa cơ phân tích quá trình dịch chuyển khối đá trong khai thác hầm lò mỏ quặng theo A.D Xashurin được mô phỏng như một nửa khối vật thể đàn hồi đồng nhất và đẳng hướng Khoảng trống khai thác được lấp đầy bởi đất đá sập đổ, như thể hiện trong hình 1.3.
Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ Trong đó: 1 Các tuyến quan trắc trên bề mặt đất
2 Bồn dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất
3 Vùng dịch chuyển nguy hiểm
Trong nghiên cứu mô hình ứng suất dưới tác động của trường ứng suất kiến tạo, Xashurin đã phát hiện ra các công thức tính toán dịch chuyển bề mặt đất xung quanh vùng sập đổ có hình dạng tròn và elip Ông kết luận rằng, với một tương quan nhất định giữa các giá trị ứng suất tác động chính, các vector dịch chuyển không chỉ hướng vào vùng khai thác phá hủy mà còn hướng sâu vào trong khối đá mỏ, điều này tương tự như các kết quả quan trắc thực tế đã được chứng minh.
Theo Xashurin, khi nắm rõ các thông số về vùng sập đổ, bao gồm kích thước nửa trục hình chiếu và sự phát triển trong mặt phẳng ngang, cùng với các thông số trường ứng suất kiến tạo ban đầu và tính chất biến dạng của khối đá, có thể xác định ten sơ biến dạng trong không gian ba chiều Trong trường hợp bất đẳng hướng của trường ứng suất ban đầu, các véc tơ dịch chuyển sẽ không trùng với hướng xuyên tâm từ ngoại biên vào tâm vùng sập đổ, như thể hiện trong hình 1.4.a.
Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b)
Phương pháp phần tử hữu hạn hiện đang được áp dụng rộng rãi trong việc giải quyết các bài toán cơ học liên quan đến môi trường khối đá mỏ Một trong những lợi thế nổi bật của các phương pháp số là tính đa năng của chúng Thông qua việc sử dụng các mô hình địa cơ khác nhau, các phương pháp này có thể mô phỏng các đặc điểm không đồng nhất của tính chất đàn hồi và độ bền, cũng như các cấu trúc và điều kiện biên khác nhau, từ đó xác định trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá xung quanh.
Các phương pháp số được sử dụng hiệu quả trong việc tính toán dịch chuyển đá mỏ và bề mặt đất trong khai thác hầm lò và lộ thiên Kratch lần đầu tiên áp dụng phương pháp số để dự báo dịch chuyển đá mỏ trong khai thác vỉa than độ dốc thoải với mô hình đàn hồi Tiếp theo, A.S Yagunov, A.B Makarov và V.N Boris - Komponees đã nghiên cứu các thông số dịch chuyển khi khai thác vỉa than và thân quặng mỏng Mặc dù không tính đến tính chất biến dạng dẻo của khối đá, kết quả tính toán vẫn tương đối phù hợp với thực tế Tuy nhiên, khi khai thác vỉa than và thân quặng dày, mô hình đàn hồi không còn phù hợp do tạo ra các vùng sụt lún và nứt nẻ trên bề mặt đất, vì vậy cần áp dụng các mô hình đàn hồi phi tuyến hoặc mô hình đàn hồi nhớt Các nhà khoa học như M.V Kurlen, A.B Fadeev và V.G Zoteev đã đóng góp vào nghiên cứu này.
Các mô hình biến dạng phi tuyến của khối đá mỏ đã có những đóng góp quan trọng trong việc phát triển hiểu biết về cấu trúc và tính chất của môi trường khối đá Đặc điểm cấu tạo như phân lớp và nứt nẻ được đề cập trong các mô hình địa cơ của V.G Zoteev, với việc tính toán mối quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và trị số dịch chuyển trượt Kết quả tính toán đã xác định đặc tính và trị số biến dạng đàn hồi dẻo liên quan đến dịch chuyển của khối đá Mặc dù có nhiều phương pháp số để xác định dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ, nhưng chỉ một số ít phương pháp, điển hình là các mô hình mô phỏng tính chất biến dạng đàn hồi nhớt, được áp dụng trong thực tế.
Trong số các mô hình này, đáng chú ý nhất là mô hình đồng nhất của Vitke
Mô hình này thực hiện các tính toán cho khối đá mỏ đồng nhất, với giả định rằng tại bất kỳ điểm nào trong khối đá, có thể tách ra một phần tử diện tích có độ bền giảm Diện tích của phần tử này tương ứng với một mặt phẳng giảm yếu.
Dựa trên mô hình đàn hồi nhớt dẻo đồng nhất của Vitke, Yu A Kalashnikov và S.G Ashikhmin đã nghiên cứu và giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến dự báo dịch chuyển và biến dạng của khối đá nứt nẻ trong quá trình khai thác mỏ quặng bằng các phương pháp hầm lò và lộ thiên Họ chỉ ra rằng trong giai đoạn trước giới hạn phá hủy, trị số dịch chuyển của khối đá nứt nẻ phụ thuộc vào sự tồn tại của hệ thống kẽ nứt cũng như khoảng cách giữa các kẽ nứt.
Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh
Trong những năm qua, vấn đề dịch chuyển đất đá do khai thác hầm lò ở Việt Nam chưa được quan tâm đúng mức, đặc biệt tại bể than Quảng Ninh Năm 1980, PGS.TS Nguyễn Đình Bé đã khởi xướng nghiên cứu về dịch chuyển và biến dạng đất đá trong khai thác hầm lò Ông đã tiến hành nghiên cứu trên 5 mô hình mỏng với vật liệu tương đương, tập trung vào các vùng đứt gãy kiến tạo Bằng cách sử dụng số liệu từ các trạm quan trắc ở các bể than của các nước SNG, nghiên cứu đã làm rõ những quy luật chung về dịch chuyển biến dạng trong các khu vực đứt gãy.
PGS.TS Nguyễn Đình Bé đã xác định bể than Kuzơbas tương tự như bể than Quảng Ninh để xác định các thông số dịch chuyển cho tất cả các mỏ Ông đã lần đầu tiên xây dựng hệ thống phân loại các đứt gãy kiến tạo dựa trên loại hình đứt gãy, chiều rộng đới huỷ hoại đất đá, và hướng dịch chuyển tương đối của các cánh nâng và cánh hạ Hệ thống này cũng xem xét tương quan thế nằm giữa các mặt trượt ở dạng đứt gãy tạo khối, nhằm làm cơ sở định hướng cho công tác nghiên cứu dịch chuyển đất đá.
Vào năm 1987, PGS.TS Võ Chí Mỹ đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt địa hình do khai thác mỏ đến công tác quy hoạch vùng Konhin Bên cạnh đó, ông cũng nghiên cứu các biến động địa cơ liên quan đến quá trình khai thác hầm lò.
Năm 1988, TS Nguyễn Xuân Thụy đã nghiên cứu xác định chiều cao h, độ dài
L của bề mặt các kẽ nứt nhỏ có ảnh hưởng đáng kể đến dịch chuyển đất đá Năm 1996, TS Kiều Kim Trúc đã tiến hành nghiên cứu về biến dạng bờ mỏ và đề xuất các biện pháp điều khiển hợp lý để quản lý tình trạng này.
Năm 2003, TS Vương Trọng Kha đã phát triển một chương trình phần mềm nhằm hỗ trợ hiệu quả trong việc xử lý dữ liệu quan trắc dịch chuyển và biến dạng tại khu vực khai thác hầm lò.
Từ năm 1982 - 1992, Viện nghiên cứu Than kết hợp với Viện VNIMI của Liên
Xô cũ đã triển khai đề tài nghiên cứu theo các hướng [22]:
- Nghiên cứu quá trình biến dạng bờ mỏ bằng quan trắc dịch chuyển
- Nghiên cứu xác định tính chất cơ lý đá
- Xác định cấu trúc địa chất
- Xác định điều kiện địa chất thuỷ văn
- Đánh giá độ ổn định, đưa ra các biện pháp nâng cao độ ổn định bờ mỏ cho các mỏ lộ thiên lớn của Việt Nam
Nghiên cứu đã xác định các thông số liên quan đến dịch chuyển biến dạng, bao gồm vùng kẽ nứt, vùng sập đổ và vùng biến dạng mang tính định tính Tuy nhiên, những yếu tố này chưa được mô phỏng chính xác, dẫn đến việc chưa thể hiện đầy đủ tổng thể quá trình dịch chuyển biến dạng như trong hình 1.5.
Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá
2: là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải) 3B, 3H: là vùng uốn võng
4B, 4H: là vùng đất đá bị nén (áp lực tựa) 5: là đường biểu diễn độ lún bề mặt đất
Năm 1972, Công ty Than Hòn Gai và mỏ than Thống Nhất đã thành lập trạm quan trắc tại khu khai thác Lộ Trí, với 4 tuyến (3 tuyến theo dốc và 1 tuyến theo phương) nhằm thu thập các thông số dịch chuyển sơ bộ cho mỏ Công tác quan trắc này được thực hiện từ năm 1972 đến 1975.
Năm 1991, TS Kiều Kim Trúc cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã tiến hành xử lý số liệu quan trắc và xác định các thông số dịch chuyển, nhằm tính toán lại trụ bảo vệ cho đường ô tô dẫn vào mỏ Đèo Nai.
Năm 2001, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã thành lập 4 tuyến quan trắc ngắn hạn tại mỏ than Mông Dương để điều tra nguyên nhân xuất hiện kẽ nứt trên bề mặt đất và xác định các yếu tố nguy hiểm đối với khu dân cư, cột điện cao thế 110KV, cũng như các điểm rò rỉ nước trong khu vực khai thác Kết quả quan trắc cho thấy góc dịch chuyển β nằm trong khoảng 47° đến 50°.
Nghiên cứu chỉ ra rằng đứt gãy có tác động đáng kể đến hiện tượng lún sụt mặt đất, dẫn đến các biến dạng nguy hiểm cho các công trình nằm trong khu vực bồn dịch chuyển.
Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV đã xây dựng các trạm quan trắc để xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển, nhằm tính toán lại trụ bảo vệ than cho các công trình trên bề mặt đất Đề tài này thuộc cấp nhà nước do TS Phùng Mạnh Đắc làm chủ nhiệm và KS Phạm Văn Chung thực hiện, tập trung vào các mỏ cụ thể.
Vùng Than Thùng Yên Tử, nơi có mỏ than Nam Mẫu, là một trạm quan trắc nghiên cứu tập vỉa 7, 8 và 9, khai thác từ mức +200 đến +360 Trạm quan trắc này nằm trong tuyến địa chất 3 và 5, gần khu vực hạn chế khai thác của di tích lịch sử Yên Tử Qua nhiều chu kỳ quan trắc, các góc dịch chuyển và một số thông số dịch chuyển đã được xác định, như thể hiện trong hình 1.6.
Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu
Vùng Mạo Khê đã thiết lập trạm quan trắc để nghiên cứu vỉa 9 b, với mức khai thác từ -80 lên -25, cùng với vỉa 8 Cánh Nam khai thác từ mức -80 lên +20 Các thông số về góc cũng được thể hiện rõ ràng trong quá trình nghiên cứu này.
Khoảng cách cộng dồn §é cao
" Vùng khai thác lặp lại
Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê
Vùng Hạ Long đã thiết lập một trạm quan trắc tại mỏ Hà Lầm để nghiên cứu vỉa 10, khai thác từ mức +12 lên +60 và khu vực ngầm +88 Các thông số dịch chuyển biến dạng được thể hiện trong hình 1.8.
M? T C? T Ð?A HÌNH TUY? N NGHIÊN C? U D?CH CHUY? N BI? N D? NG V?A 10 M? THAN HÀ L? M Ð? cao
Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm
- Vùng Cẩm Phả - Mông Dương đặt các trạm quan trắc:
+ Phía đông mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho các vỉa G9, khai thác từ mức -97 lên +40, vỉa I (12) khai thác từ mức -97 lên +40
Vào năm 2006, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV đã xây dựng trạm quan trắc tại mỏ than Mông Dương, tập trung vào hai vỉa khai thác chính là vỉa I (12) và vỉa G9, từ mức -97 đến +20, gần khu vực giáp ranh suối Mông Dương Dự án này được dẫn dắt bởi KS Phạm Văn Chung, với mục tiêu theo dõi sụt lún bề mặt khu vực khai thác hầm lò vỉa 10.1 Bắc Mông Dương và tuyến đường sắt chạy qua các vỉa I (12) và II (11), cũng như vỉa G9 Vũ Môn thuộc Công ty than Mông Dương.
Năm 2009, KS Phạm Văn Chung đã nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển và biến dạng đất đá khi khai thác hầm lò dưới suối B Vàng Danh [6]
Kết quả nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá tại bể than Quảng Ninh thể hiện bảng 1.1
Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh Tên mỏ Hệ số kiên cố ( f )
Mỏ Mạo Khê 6.5 - 6.9 80 0 Không phụ thuộc vào góc dốc và chiều dày vỉa
Mỏ Hà Lầm 6.1 75 0 Ảnh hưởng do khai thác lặp lại
MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 22
Quan niệm về mô hình
2.1.1 Định nghĩa về mô hình
Một mô hình có thể được hiểu là một hình ảnh giới hạn về thực tế hoặc thực thể, được xây dựng từ vật chất hoặc hoàn toàn trừu tượng thông qua lý thuyết.
2.1.2 Các đặc trưng của mô hình
Theo Herbert Stachowiak, một mô hình được đặc trưng bởi ít nhất ba đặc điểm [46]:
1 Bản sao lại - Một mô hình là bản sao của một đối tượng nào đó, cụ thể là hình ảnh sao lại, đại diện hay phản ánh cho một thực thể thiên nhiên hay nhân tạo
(bản gốc), mà chính bản thân chúng cũng có thể cũng lại là các mô hình
2 Thu hẹp, thu nhỏ - Một mô hình thường không bao hàm tất cả các thuộc tính của thực thể, mà chỉ chứa đựng được các yếu tố mà những người lập mô hình và những người sử dụng mô hình cho là quan trọng
3 Tính thực dụng - Mô hình không phản ánh rõ ràng thực thể Nhưng mô hình cần phản ánh được các chức năng thay thế cho vật thể: a) cho các đối tượng nhất định, b) trong khoảng thời gian nhất định, c) với điều kiện riêng biệt về lý thuyết hay thực tế
Các mô hình cơ bản được chia ra làm loại [16]:
Mô hình kinh nghiệm tổng hợp và phân tích các hiện tượng đã xảy ra, từ đó xác định các quy luật và biểu thức thống kê có giá trị.
Mô hình giải tích được thể hiện qua mô hình hình học - địa kỹ thuật hoặc mô hình cơ học, sử dụng các giải pháp toán học để phân tích và xem xét quy luật phân bố ứng suất biến dạng, vùng phá huỷ, và vùng biến dạng uốn võng xung quanh khoảng trống khai thác Mô hình này được xây dựng dựa trên các quy luật tự nhiên, với sự xem xét các yếu tố hình học, địa cơ học, và các điều kiện kỹ thuật cần thiết.
Mô hình số được xây dựng bằng công cụ máy tính đặc biệt, chú trọng đến các yếu tố hình học của đất đá, điều kiện địa chất, chiều dày và góc dốc vỉa than, cũng như môi trường khối đá Mục tiêu là tạo ra sự mô phỏng gần gũi nhất với thực tế của môi trường đất đá.
2.1.4 Ưu nhược điểm của các mô hình
Mô hình kinh nghiệm thường đơn giản hóa các yếu tố như điều kiện địa chất, địa chất thủy văn và địa cơ học, dẫn đến kết quả định tính Mặc dù mô hình này dễ hiểu, nhưng việc xây dựng mô hình vật liệu tương đương lại tốn nhiều công sức, thời gian và chi phí.
Mô hình giải tích cung cấp các nghiệm kín và chính xác, dễ sử dụng, nhưng thường chỉ áp dụng cho các giả thiết đơn giản như hình dạng tròn của công trình và tính chất đồng nhất của đất đá, mà không xem xét nhiều yếu tố bất thường trong điều kiện địa chất Ngược lại, mô hình số cho phép mô phỏng nhiều đặc tính của đất đá gần với thực tế hơn, mặc dù yêu cầu thiết bị tính toán cao và gặp khó khăn do sự biến đổi liên tục của môi trường đất đá Các mô hình số hiện nay có khả năng mô phỏng đầy đủ các đặc tính của đất đá, cho phép thay đổi nhanh chóng các tham số đầu vào để phù hợp với điều kiện thực tế, từ đó cung cấp kết quả định lượng về biến dạng và ứng suất trong khu vực khai thác.
Nghiên cứu trên mô hình
2.2.1 Xây dựng mô hình Để xây dựng một mô hình trước hết xem xét đến mức độ đơn giản hóa, gần đúng hóa thực thể cũng như các đặc điểm, các biểu hiện, tính chất của chúng, phụ thuộc vào khả năng và nhận thức của con người, sự phát triển và tiến bộ của khoa học, kỹ thuật Trên hình 2.1 cho thấy sự khác nhau giữa các cách đánh giá, mô tả các “vật thể địa chất” là đá và khối đá trong thực tế, của các chuyên gia địa chất, địa kỹ thuật và các chuyên gia kỹ thuật hay cơ học thuần túy, theo Schweikardt
(2008) [59]: a) Địa chất b) Địa kỹ thuật c) Kỹ thuật
Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau
2.2.2 Nghiên cứu trên mô hình
Nghiên cứu trên mô hình là quá trình mô phỏng các yếu tố có thể ảnh hưởng đến vật thể thực, nhằm thu thập thông tin theo yêu cầu của người nghiên cứu Phân tích mối tương quan giữa dữ liệu đầu vào và đầu ra giúp dự đoán biểu hiện của thực thể trong mô hình Hình 2.2 minh họa cho quá trình này.
Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình cho phép mô hình hóa các tác động dựa trên điều kiện thực tế, phụ thuộc vào nhận thức con người và dữ liệu đầu vào Bằng cách điều chỉnh các phương thức tác động và tham số đầu vào, có thể xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu thu nhận và các tác động, đồng thời xem xét tính biến động của các yếu tố Phương pháp này, gọi là phân tích tham số, giúp rút ra các nhận định khoa học và kỹ thuật về quá trình diễn ra trên mô hình Mặc dù nghiên cứu thường thực hiện trên mô hình gần đúng, kết quả vẫn phản ánh tính chất định tính của các quá trình thực tế, tương ứng với các điều kiện tác động và yếu tố trên mô hình Kết quả thu được sẽ chính xác cho các mô hình và tác động tương ứng với phương pháp xây dựng và mô phỏng.
Kết quả nghiên cứu trên mô hình chỉ có ý nghĩa thực tế khi được thử nghiệm trên vật thể thực, như khối đá trong không gian khai thác Sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng và thực tế phản ánh chất lượng của mô hình và phương pháp nghiên cứu, đồng thời phụ thuộc vào biến động của điều kiện thực tế và “tính không chắc chắn” của số liệu đầu vào từ khảo sát, thăm dò và thí nghiệm Do đó, dữ liệu quan trắc thực địa là yếu tố quan trọng trong việc kiểm chứng mô hình.
2.2.4 Điều chỉnh các tham số của mô hình
Khi có sự sai lệch, cần xác định lại các tham số đầu vào qua phân tích ngược với các mô hình lý thuyết hoặc điều chỉnh hệ số của các hàm thực nghiệm Các tham số và hệ số kinh nghiệm cũng được áp dụng cho các mô hình toán học hoặc bán thực nghiệm Những mô hình gần hoàn chỉnh này sẽ được sử dụng trong các giai đoạn của dự án hoặc trong các khu vực có điều kiện và đặc điểm tương đương.
Trong khai thác mỏ hầm lò, sự đa dạng và biến động phức tạp của các loại đá trong khối đá là điều hiển nhiên Do đó, mọi mô hình chỉ có thể cung cấp kết quả phản ánh biểu hiện của khối đá với một mức độ chính xác nhất định.
Công tác theo dõi và quan trắc hiện trường là cần thiết để thu thập tín hiệu về tình trạng thực tế của khối đá nguyên trạng Việc kết hợp quan trắc thực địa với phân tích định tính từ mô hình giải tích và mô hình số giúp dự đoán sự dịch chuyển và biến dạng của địa tầng đất đá cũng như bề mặt đất Khi có sự thay đổi trong điều kiện địa chất, cần thiết phải tiến hành mô phỏng dựa trên thông tin mới thu thập được.
Nghiên cứu trên mô hình cần được triển khai không chỉ trong giai đoạn quy hoạch và thiết kế, mà còn trong quá trình xây dựng công trình ngầm và khai thác mỏ Việc phân tích ngược để điều chỉnh mô hình và thực hiện phân tích, mô phỏng khi có sự biến động về điều kiện địa chất là rất cần thiết.
Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá
2.3.1 Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ Để nghiên cứu và giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng đất đá do đào lò chuẩn bị cũng như khai thác than ở lò chợ người ta đưa ra mô hình địa cơ đơn giản cho một khối đá nguyên thủy hình lập phương có thể tích khối đá bằng đơn vị nằm ở độ sâu H thể hiện trên hình 2.3 Điều kiện biên của mô hình này là chịu các thành phần ứng lực pháp tuyến σ1 và các ứng lực hông σ2, σ3 với các giá trị xác định như sau [2]:
Mô hình địa cơ đơn giản thể hiện véc tơ ứng lực của khối đá nguyên thủy ở độ sâu H, giúp giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng trong quá trình đào lò chuẩn bị và khai thác than tại lò chợ.
Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa Trong đó: P1 là tải trọng của cột đá, P2 áp lực tựa hông
1 là đường phân bố áp lực ban đầu
Trước khi tiến hành đào lò, trường lực trong khối đá nguyên thuỷ được mô tả bằng các đường sức áp lực 1, 2 = 3 Tuy nhiên, sau khi đào lò, giá trị ứng lực gần lò chợ sẽ thay đổi, dẫn đến việc tăng tải trọng ở vùng tựa của khối đá gần thành lò Kết quả là, vùng áp lực tựa xuất hiện với các thông số áp lực σ1, σ2, σ3.
Vùng giảm tải σ3 nằm trên khu vực trống khai thác, ngoài phạm vi này, tải trọng giữ nguyên giá trị ban đầu Sau khi đào lò, trọng lượng cột đá (an "fb) phía trên sẽ đè lên gối tựa khu vực mép (at, bk), dẫn đến việc tăng tải trọng tại các khu vực này của vỉa Sự phân phối áp lực tại các khu vực này được thể hiện qua đường cong 1, trong khi đường cong 2 biểu thị trạng thái bị nén vỡ Bản chất của áp lực tựa được giải thích trong hình 2.5 dưới đây.
Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ
Trong đó: Vùng I là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải)
Vùng IIa và IIb là vùng uốn võng, trong khi vùng IIIa và IIIb là vùng đất đá bị nén (áp lực tựa) Mô hình này có ưu điểm là đơn giản, giúp giải thích một số quy luật dịch chuyển biến dạng cơ bản xung quanh lò chuẩn bị và lò chợ Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình là không xem xét các thành phần môi trường đất đá, điều kiện địa chất, khai thác, cũng như sự biến động theo không gian và thời gian của các thành phần ứng suất σ1, σ2, σ3.
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 Trong đó: I là vỉa than
II là khu vực đặt vì chống khai thác than III là khu vực đất đá bị nén
Mô hình này đã xem xét sự biến động của ứng lực và biến dạng khối đá trước, trong và sau gương lò chợ trong khu vực phá hỏa toàn phần.
Quá trình khai thác than tại các lò chợ cơ giới gây ra sự dịch chuyển và biến dạng lớn, với tốc độ lan tỏa nhanh lên bề mặt đất Hệ quả là xuất hiện các vùng sập đổ, nứt nẻ và uốn võng của khối đá mỏ, như thể hiện trong hình 2.7.
Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng của khối đá mỏ [74]
Trong đó: 2 Bước sập đổ, 3 Khối đất đá sập đổ
Mô hình hiện tại vẫn còn nhược điểm trong việc không thể hiện sự biến động theo không gian và thời gian của vùng kích hoạt khai thác Để khắc phục vấn đề này, việc nghiên cứu một mô hình địa cơ có khả năng phản ánh sự biến động không gian và thời gian do ảnh hưởng của khai thác là rất cần thiết.
2.3.2 Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ
Khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên là một môi trường vật lý không đồng nhất và bất đẳng hướng, với các quá trình biến dạng cơ học mang tính phi tuyến.
Nghiên cứu địa cơ học mỏ đã chỉ ra những đặc điểm biến dạng của đá mỏ thông qua nhiều mô hình khác nhau trong phòng thí nghiệm Điều này cho phép tổng hợp và hệ thống hóa thông tin, làm rõ khái niệm mô hình địa cơ trong nghiên cứu của tác giả Các mô hình vật lý của đá mỏ đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về hành vi của chúng dưới tác động của các yếu tố khác nhau.
Mô hình hóa môi trường đá mỏ là phương pháp quan trọng để nghiên cứu tính chất biến dạng của đá dưới tác động của tải trọng Các mô hình vật lý đá mỏ thường sử dụng lực tác động lên thanh lò xo trong môi trường chất lỏng dính nhớt Tùy thuộc vào sơ đồ bố trí lực, số lượng thanh lò so và điều kiện làm việc của hệ thống, các mô hình này bao gồm: Mô hình Maxwell, Mô hình Kelvin - Voigt, Mô hình Poynting-Thomson, Mô hình Zener và Mô hình Bingham.
Mô hình vật lý đá mỏ là một trong những mô hình đơn giản nhất, thể hiện các mối quan hệ giữa các thành phần ứng suất và biến dạng Tuy nhiên, việc xây dựng một mô hình vật lý vạn năng để mô phỏng tính chất biến dạng của các loại đá mỏ là điều không khả thi Mô hình địa cơ học khối đá mỏ đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về các đặc tính này.
Khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên là một môi trường phức tạp, bao gồm các loại đá, lỗ rỗng, kẽ nứt và xi măng gắn kết giữa các nham thạch Mô hình địa cơ của khối đá mỏ không chỉ phản ánh sự biến dạng của các loại đá mà còn thể hiện sự tương tác giữa chúng, cùng với các yếu tố như khí và nước.
Mô hình địa cơ khối đá mỏ là một sơ đồ tính toán, mô phỏng các tính chất địa cơ học của khối đá mỏ, phản ánh sự gần đúng trong điều kiện tự nhiên và quy luật thay đổi của chúng theo không gian và thời gian.
Khi chuyển đổi từ môi trường tự nhiên của khối đá mỏ sang mô hình địa cơ, cần lưu ý hai khía cạnh quan trọng Thứ nhất, một số đặc điểm cấu trúc cơ học của khối đá được tính toán gián tiếp, ví dụ như khối đá có hệ thống khe nứt có thể được mô phỏng bằng mô hình liên tục, không nứt nẻ, với các tính chất tương tự Thứ hai, trong điều kiện địa chất và kỹ thuật cụ thể, một số yếu tố về cấu trúc cơ học không được tính đến trong mô hình địa cơ nhưng không ảnh hưởng đến kết quả đánh giá các quá trình địa cơ trong khối đá mỏ Do đó, không cần thiết phải xây dựng một mô hình địa cơ vạn năng, mà nên sử dụng tập hợp các mô hình khác nhau, mỗi mô hình tương ứng với một môi trường tự nhiên của khối đá mỏ dựa trên các tiêu chí phân loại cơ bản.
Có thể hệ thống hoá các mô hình địa cơ được nghiên cứu hiện nay theo các dấu hiệu phân loại khối đá mỏ thể hiện hình 2.9
Hình 2.9: Phân loại mô hình địa cơ
Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu
Quan trắc dịch chuyển và biến dạng đất đá cùng bề mặt đất là nhiệm vụ thiết yếu trong khai thác mỏ và xây dựng công trình ngầm Hiện nay, kỹ thuật quan trắc đã phát triển từ các phương pháp truyền thống đến hiện đại, với nhiều lựa chọn như phương pháp quan trắc mặt đất độ chính xác cao, đo ảnh và hệ thống quan trắc GPS.
Phương pháp trắc địa ảnh mặt đất là kỹ thuật xác định bồn dịch chuyển dựa trên tính chất cơ lý của đất đá trong khu vực tương tự Phương pháp này bao gồm việc xây dựng các mốc có chiều cao cố định tại các biên dịch chuyển và chọn các điểm ổn định xung quanh bồn dịch chuyển để đặt máy ảnh Sau đó, các mốc sẽ được chụp ảnh và dữ liệu sẽ được xử lý nội nghiệp Một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng giảm thiểu công tác ngoại nghiệp.
Phương pháp quan trắc mặt đất sử dụng máy trắc địa có độ chính xác cao để đo lường các giá trị biến đổi như chiều dài cạnh, góc và độ cao, nhằm xác định dịch chuyển và biến dạng của bề mặt đất Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm đáng chú ý.
- Có thể cho biết dịch chuyển biến dạng tại khu vực hiện trường trên phạm vi rộng
- Tính toán và kiểm tra độ chính xác các giá trị đo bằng việc thành lập lưới khống chế
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp quan trắc, tác giả đã chọn phương pháp quan trắc mặt đất để đo các trị số biến dạng Phương pháp này nhằm kiểm chứng, điều chỉnh và xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn, phục vụ cho mô hình biến động địa cơ trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa.
Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn
Tính toán dịch chuyển biến dạng đá mỏ giúp xác định mức độ phá hủy và hư hại các công trình nhà cửa cũng như các đối tượng tự nhiên trên bề mặt đất do tác động của hoạt động khai thác mỏ.
Dựa trên việc phân tích và xử lý số liệu quan trắc, có thể xác định khả năng khai thác dưới các công trình công nghiệp dân dụng và di tích lịch sử văn hóa cần được bảo vệ Các phương pháp tính toán được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau.
- Phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm (bán thực nghiệm)
Phương pháp lý thuyết áp dụng các phương trình toán học trong cơ học môi trường liên tục, với giả định rằng khối đá mỏ có thể được coi là một môi trường đàn hồi, dẻo, nhớt hoặc môi trường rời.
Phương pháp thực nghiệm dựa trên các mối tương quan xác định được từ các kết quả quan trắc, đo đạc hiện trường
Phương pháp bán thực nghiệm kết hợp các mối tương quan được tổng hợp từ kết quả đo đạc, mô phỏng lý thuyết và các tương tự toán học, với các hệ số được xác định qua đo đạc thực tế.
Trong các phương pháp thực nghiệm thường sử dụng các tương quan đơn giản như [23]: m m = q
- m , I m , K m , m , m : là giá trị cực đại của độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch chuyển ngang, biến dạng ngang
- m, H: chiều dày vỉa và độ sâu khai thác
Các hệ số thực nghiệm q, C_i, C_k, a_0, C_ε được xác định thông qua quan trắc đo đạc thực tế Hệ số q thường dao động từ 0.6 đến 0.9, trong đó q càng nhỏ khi đất đá càng bền vững Hệ số C_k dao động từ 2 đến 4, với giá trị C_k tăng lên khi độ sâu tăng Các hệ số C_i, a_0, và C_ε được xác định từ các biểu thức cụ thể.
: góc dốc vỉa, là radian
H, h: Độ sâu khai thác và chiều dày lớp phủ
Các phương pháp bán thực nghiệm được phân chia thành các phương pháp giản đồ, phương pháp giải tích, phương pháp đồ thị phân tích
- Phương pháp giản đồ được sử dụng rộng rãi là phương pháp lưới vi phân
Phương pháp giải tích hiện nay chủ yếu dựa vào các phương trình mô tả đường cong độ lún, sử dụng hàm vi phân xác suất để mô phỏng Tại Ba Lan, phương pháp Litwiniszyn được áp dụng với giả định có mối tương quan giữa dịch động đá mỏ và độ dẫn nhiệt Ngoài ra, phương pháp Knothe cho rằng ảnh hưởng của từng phần tử khối tính của đường lò có thể được mô tả bằng đường cong phân bố xác suất.
(đường cong Gauss) [15] Theo các phương pháp này thì trị số dịch động tại một điểm của bồn dịch chuyển xác định bằng công thức: ds r e r
max: độ lún tương ứng với khai thác hoàn toàn, r tg
H bán kính vùng ảnh hưởng chính, H độ sâu khai thác, là góc dịch chuyển giới hạn, S là khoảng cách đến điểm tính dịch động
R.A Muller đã phát triển phương pháp giải tích dựa trên việc coi khối đá mỏ như một môi trường liên kết yếu, có khả năng kháng lại các lực nén và lực trượt nhưng lại rất yếu đối với lực kéo Phương pháp này giải phương trình vi phân của khối đá đàn hồi và cung cấp các công thức tính toán dịch chuyển biến dạng Bên cạnh đó, phương pháp đồ thị giải tích sử dụng các đường cong tiêu chuẩn để phân bố độ lún và biến dạng trong bồn dịch chuyển, trong đó độ lún tại từng điểm được thể hiện bằng tỷ lệ giữa độ lún tại điểm đó với độ lún cực đại Vị trí của điểm này được xác định bằng tỷ lệ khoảng cách từ tâm bồn dịch chuyển đến điểm đó so với kích thước bán bồn dịch chuyển, với điểm gốc tọa độ thường là điểm có độ lún cực đại.
max 1 a) b) a, Đường cong lún thực tế b, Đường cong lún không thứ nguyên
Dựa trên việc xác định phân bố độ lún và biến dạng, các đồ thị và bảng tính được xây dựng Tại Liên Xô trước đây và các nước SNG hiện nay, phương pháp đường cong tiêu chuẩn được áp dụng phổ biến trong các quy chuẩn bảo vệ công trình trên bề mặt đất.
Trong hình 3.1, điểm gốc tọa độ O được xác định là điểm có độ lún lớn nhất Trục X nằm ngang trên bề mặt, trong khi trục Y hướng thẳng xuống dưới Đồ thị thể hiện đường cong độ lún thực tế X = f(x) của một nửa bồn dịch chuyển Do sự khác biệt về điều kiện địa chất và khai thác mỏ, các đường cong độ lún trở nên đa dạng và khó so sánh Để thực hiện việc so sánh, các đường cong độ lún thực tế được chuyển đổi thành dạng không có thứ nguyên bằng cách điều chỉnh tỷ lệ trên trục hoành.
) từ đó ta có công thức [23]:
Trong đó: x là độ lún tại điểm x, max là độ lún cực đại, L là nửa chiều dài bồn dịch chuyển
Để xác định độ lún tại một điểm bất kỳ, cần biết độ lún cực đại max và hàm không thứ nguyên S(zx) Hàm phân bố độ lún S(zx) có thể được biểu diễn dưới nhiều dạng như hàm mũ, hàm lượng giác, hàm Gauss hoặc các hàm biểu thức giải tích khác, nhưng thường được trình bày dưới dạng bảng.
- Độ lún cực đại xác định theo công thức:
m = q 0 m N 1 N 2 cos (3.9) Trong đó: q0độ lún cực đại tương đối
N = và N 2 = n 2 , n1 và n2 là hệ số khai thác dưới mặt đất
- Độ nghiêng i x tại điểm bất kỳ ở mặt cắt chính bồn dịch chuyển xác định theo công thức:
- Độ cong Kx xác định theo công thức:
- Dịch chuyển ngang ξx được xác định theo công thức:
= (3.12) Trong đó: a0là dịch chuyển ngang tương đối
- Biến dạng ngang εx được xác định theo công thức:
Dựa trên lý thuyết xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn, các giá trị của hàm cong tiêu chuẩn S(zx), F(zx), và F’(zx) đã được xác định cho khu vực Quảng Ninh.
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
Xác định hệ số kiên cố của đất đá mỏ theo trình tự [3, 4, 7, 23]:
+ Tính hệ số kiên cố trung bình của các lớp đá cứng như: cát kết, sạn kết và các loại tương đương:
(3.14)+ Tính hệ số kiên cố trung bình của các lớp đá mềm như: bột kết, sét kết, á sét, than và các loại tương đương:
+ Tính hệ số kiên cố địa tầng chứa than:
C% Mc (3.18) + Xác định hệ số D:
30, 70 – tỷ lệ thành phần (theo %) các loại đá cứng “c”, và đá mềm “m” có trong địa tầng
Mci – là chiều dày các lớp đá cứng
Mmi – là chiều dày các lớp đá mềm
ci – hệ số kiên cố của các lớp đá cứng
mi – hệ số kiên cố của các lớp đá mềm
hệ số kiên cố của địa 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
Mc là tổng chiều dày đá cứng trong địa tầng
Mm là tổng chiều dày đá mềm trong địa tầng b Lựa chọn nhóm mỏ theo hệ số kiên cố địa tầng f
Khi A < 0,5, cần xem xét tỷ lệ thành phần đá cứng (C) trong địa tầng để chọn nhóm mỏ theo bảng 3.1 Nếu C ≤ 30%, nhóm mỏ được chọn theo hệ số kiên cố f; ngược lại, nếu C > 30%, nhóm mỏ sẽ được nâng lên 1 nhóm Tỷ lệ C được xác định theo công thức 3.18 [23].
Góc phụ thuộc vào nhóm mỏ và xác định theo bảng 3.1 và góc =
Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá
Hệ số kiên cố đất đá f
TB (độ) Nhóm mỏ Trung bình Khoảng dao chuyển
Góc dịch chuyển được xác định dựa trên nhóm mỏ và góc dốc vỉa , như thể hiện trong bảng 3.2 và bảng 3.3 Đối với các mỏ thuộc nhóm VII và VIII, nếu tổng chiều dày các lớp cát kết và đá vôi lớn hơn 50% (C > 50%) và độ sâu khai thác trung bình cùng với chiều dày của các lớp đá cát kết, đá vôi ≥ 30m, thì góc dịch chuyển sẽ được xác định theo bảng 3.4 Góc 1 cũng phụ thuộc vào nhóm mỏ, chiều dày và góc dốc của vỉa, như quy định trong bảng 3.3.
Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa
Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ
Nhóm mỏ Chiều dày vỉa
Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển , C> 50% theo nhóm mỏ
Góc dịch chuyển trong lớp đất phủ () được xác định theo bảng 3.5 cho các mỏ thuộc nhóm III - VIII Đối với các nhóm mỏ I và II, góc được lấy bằng 45 độ, tương ứng với góc dịch chuyển trong các lớp đá gốc.
Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển trong lớp đất phủ
Chiều dày lớp đất phủ h (mét)
Tình trạng lớp đất phủ Khô ráo Ngậm nước
- Góc giới hạn o, o, o đối với vùng chưa khai thác được xác định trong bảng
Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ)
Nhóm khoáng sàng I II III IV V VI VII VII
Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ)
- Góc lún cực đại xác định theo công thức:
Giá trị K1 được xác định dựa trên bảng 3.8, phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và tỷ số giữa tổng chiều dày đất phủ h và lớp hm (mêzodoi) so với chiều sâu khai thác trung bình H.
Bảng 3.8: Xác định hệ số K1
- Góc dịch chuyển hoàn toàn xác định như sau:
+ Góc dịch chuyển theo phương phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và chiều sâu khai thác trung bình của lò chợ, xác định theo bảng 3.9
Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ)
Góc dịch chuyển hoàn toàn theo hướng dốc 1 và 2 phụ thuộc vào góc dịch chuyển hoàn toàn theo phương 3, cùng với góc lún cực đại và góc dốc vỉa Bảng 3.10 thể hiện mối quan hệ này một cách rõ ràng.
Bảng 3.10: Giá trị góc 1 ở tử số, 2 ở mẫu số (độ)
- Độ lún cực đại tương đối q0 phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng, độ sâu khai thác trung bình, và tỷ số
, giá trị q0 thể hiện bảng 3.11 Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0
- Dịch chuyển ngang cực đại tương đối ao phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và tỷ số
, giá trị của ao thể hiện bảng 3.12 Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0
Hệ số N1, N2 là tỷ số kích thước lò chợ theo đường phương và hướng dốc (D) với chiều sâu khai thác trung bình H, được xác định theo bảng 3.13
3.3.2 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển
Trị số các đại lượng dịch chuyển được xác định theo các công thức sau [2]:
- Trị số độ cong khúc độ K
- Trị số biến dạng ngang
- Trị số dịch chuyển ngang:
+ Trị số dịch chuyển theo trục x l d ε d 2 − 1 tb
+ Tị số dịch chuyển theo trục y
y = Yi-1 – Yi (3.26) + Trị số dịch chuyển ngang
(3.28) + Phương dịch chuyển: được xác định theo các trị số x và y
- Hi-1, Hi – độ cao các mốc quan trắc tương ứng với lần quan trắc trước và tiếp sau đó
- i, i-1 – các đại lượng lún trước (theo hướng tính) và sau của một đoạn (đoạn giữa hia mốc gần nhau)
- ii, ii-1 – giá trị độ nghiêng của đoạn sau và đoạn trước
- ltb – trung bình cộng của các đoạn sau và trước:
Hình chiếu bằng của đoạn đo d1, d2 được thực hiện qua hai lần đo trước và sau Các đại lượng η và ξ được thể hiện bằng mét và milimét, trong khi K có đơn vị là 1/m Các tham số i và ε không có đơn vị, mặc dù trong thực tế vẫn được biểu thị bằng mm/m.
Véctơ dịch chuyển, góc nghiên của chúng và phương vị tính theo thành phần của những vectơ ấy (- là thành phần thẳng đứng, - là thành phần nằm ngang)
Xử lý các kết quả đo đạc thực địa khu vực Quảng Ninh
( tb i − i − 1 a Mỏ than Mạo Khê
Dựa trên số liệu đo đạc thực địa từ năm 2004 đến 2005 và qua ba lần quan trắc, chúng tôi đã xác định được các thông số như độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang và dịch chuyển ngang, được trình bày trong bảng 3.14 [7].
Bảng 3.14: So sánh kết quả đo đạc và ước tính Độ cứng địa tầng khu vực f = 6.9
Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được
Tên góc Độ Tên góc Độ
60 82 q0 07 q0 Chưa a0 03 a0 Chưa Ƞmax 1080 (m) b Mỏ than Mông Dương
Dựa trên số liệu đo đạc thực địa từ năm 2005 đến 2007, qua 7 lần quan trắc, chúng tôi đã xác định được các thông số quan trọng như độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang và dịch chuyển ngang, được thể hiện trong bảng 3.15.
Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và ước tính Độ cứng địa tầng khu vực f = 4.7
Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được
Tên góc Độ Tên góc Độ
Hs 100 Hs 100 Độ lún Ƞmax 2432 (m)
Tốc độ lò chợ từ 15-
Thời gian bắt đầu dịch chuyển lên mặt đất
Thời gian bắt đầu dịch chuyển lên mặt đất
Thời gian dịch chuyển nguy hiểm
Thời gian dịch chuyển nguy hiểm
Thời gian dịch chuyển cực mạnh
Thời gian dịch chuyển cực mạnh 4 tháng
Thời gian chung quá trình dịch chuyển
Thời gian chung quá trình dịch chuyển
Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh
Bán bồn dịch chuyển thực tế được chia thành 10 phần, tại mỗi điểm cần tính toán các giá trị độ lún (i), độ nghiêng (ii), độ cong (ki), dịch chuyển ngang (i) và biến dạng ngang (i) Các hàm số phân bố cho độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch chuyển ngang và biến dạng ngang được xác định thông qua các đạo hàm tương ứng.
Các hàm số được sử dụng để dự báo dịch chuyển và biến dạng từ các lò đang thiết kế, dựa trên nghiên cứu và tổng hợp số liệu quan trắc thực địa tại các mỏ than như Mạo Khê, Nam Mẫu, Hà Lầm và Mông Dương Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng bảng, với các hàm đường cong tiêu chuẩn xác định trong điều kiện khai thác hiện tại ở Việt Nam, cho phép áp dụng với N≤ 0.7 Cụ thể, vùng Uông Bí có các hàm đường cong tiêu chuẩn được trình bày trong bảng 3.16, trong khi vùng Cẩm Phả được thể hiện trong bảng 3.17.
Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn
Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn STT S(z) S’(z) S” (z) F(z) F’ (z)
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
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 được chia thành ba khu vực chính: Uông Bí, Hòn Gai và Cẩm Phả, mỗi khu vực có điều kiện địa chất đặc trưng Trong đó, vùng than Uông Bí bao gồm hai đới chứa than quan trọng là Bảo Đài và Mạo Khê, được phân cách bởi đứt gãy Trung Lương.
Dải Bảo Đài là một hướng tà lớn với hai cánh chứa các vỉa than có giá trị công nghiệp, bao gồm các khoáng sàng như Đồn Rì, Đồng Vông - Uông Thượng, Vàng Danh, Cánh Gà, Than Thùng Yên Tử, và Khe Chuối - Hồ Thiên.
Dải Uông Bí kéo dài từ Phả Lại đến Đồng Đăng Đại Đán, bao gồm khu Mỏ Mạo Khê - Đông Triều - Phả Lại với các khoáng sàng như Mạo Khê, Tràng Bạch - Đông Tràng Bạch, và Quảng La Địa tầng chứa than của bể than Quảng Ninh, đặc biệt là vùng Uông Bí, có tuổi Nori - Reti và được phân loại vào điệp Hòn Gai (T3n-rhg) Các khoáng sàng tiêu biểu cho khai thác than hầm lò tại khu vực Uông Bí là Mạo Khê và Nam Mẫu Vùng than Hòn Gai nằm ở trung tâm bể than Quảng Ninh, kéo dài từ vịnh Cuốc Bê đến núi Khánh, với chiều dài gần 20km và bề rộng từ 8-10km, tổng diện tích chứa than gần 150 km² Khu vực Hòn Gai có điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế thuận lợi cho phát triển công nghiệp khai thác và xuất khẩu than.
Cấu trúc địa chất của bể than Quảng Ninh, đặc biệt là vùng Cẩm Phả, là một địa hào dạng bậc hình thành trong đới kiến trúc chồng Caledoni Địa hào chứa than Cẩm Phả được hình thành bởi cơ chế kiến tạo hoạt hóa trên vỏ lục địa đã được cố kết, với địa tầng chứa than có tuổi T3 (Nori-Reeti) và các thành tạo trầm tích điệp Hòn Gai (T3n-rhg) dày trên 2000m Vùng Cẩm Phả có tổng diện tích chứa than trên 120km², kéo dài từ sông Diễn Vọng đến đảo Cái Bầu, với mức độ tập trung tài nguyên cao nhất bể than Quảng Ninh Các khoáng sàng và mỏ than tại đây có điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế thuận lợi cho phát triển công nghiệp khai thác và xuất khẩu than Một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lò tại khu vực Hòn Gai bao gồm Hà Lầm và Hà Tu.
Các nghiên cứu cho thấy điều kiện địa chất phức tạp trong khai thác than tại các mỏ hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh chủ yếu do các uốn nếp và đứt gãy kiến tạo Những yếu tố này ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng tập trung, làm thay đổi kích thước và các bán bồn dịch chuyển Luận án này tập trung nghiên cứu các mỏ Mạo Khê, Nam Mẫu và Mông Dương.
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
Nguyễn Quang Phích và nhóm nghiên cứu tại Việt Nam đã xây dựng các mô hình cho khối đá dựa trên mô hình địa cơ Ông đã thu thập các thông số cơ học từ nhiều nguồn dữ liệu và nhận xét rằng các phương pháp xác định tham số cơ học cho khối đá phục vụ thiết kế và tính toán dịch chuyển biến dạng đất đá hiện nay trên thế giới không có quan điểm thống nhất Các phương pháp khác nhau dẫn đến kết quả khác xa nhau, thậm chí có những quy luật trái ngược Ông cho rằng sự khác biệt này xuất phát từ điều kiện nghiên cứu và quan niệm không đồng nhất, dẫn đến sự tồn tại và hoàn chỉnh của nhiều phương pháp khác nhau.
4.1.2 Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh
Theo nghiên cứu của chuyên gia Ngô Văn Sỹ và nhóm, các lớp đá điển hình tại Quảng Ninh được phân loại dựa trên các đặc điểm địa chất và cơ học theo các tiêu chí RQD, RMR và Q, như thể hiện trong bảng 4.2.
Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh Loại đá Chiều dày phân lớp
(cm) Độ bền nén đơn trục mẫu đá (MPa)
Chất lượng khối đá (lớp đá) Nhóm khối đá theo RMR max min Trung bình
RQD RMR Q max min max min max min Sạn kết 30-50 164.0 70.0 153.9 15 76 55 70 48 3-4 1,52 III-II Cát kết 18-55 125,9 99,6 114,2 11 75 58 68 47 3,35 1,72 III-II Bột kết 11-35 100,0 38,1 85,0 8 55 43 49 38 1,46 0,84 IV-III Sét kết 2-3 18,5 11.0 17.1 2 38 12 29 11 0,15 0,09 V-IV
Bảng 4.3 trình bày độ bền nén của các lớp đá cùng với nhóm khối đá, từ đó giúp xác định các tham số cơ học cho khối đá.
Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR
Loại đá Độ bến nén mẫu đá
Lực dính kết ckđ (MPa)
Ekđ (GPa) min max tb
Sạn kết 164.0 70.0 153.9 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60 Cát kết 125,9 99,6 114,2 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60 Bột kết 100,0 38,1 85,0 IV-III 0,1-0,2-0,3 15-25-35 1,778-5,6-20 Sét kết 18,5 11.0 17.1 V-IV