Các yếu tố ảnh hưởng Đến quy luật dịch chuyển biến dạng Đất Đá và bề mặt mỏ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT TIỂU LUẬN MÔN HỌC TRẮC ĐỊA MỎ CƠ SỞ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT MỎ Họ tên học viên: Bùi Hữu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

TRẮC ĐỊA MỎ CƠ SỞ

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT MỎ

Họ tên học viên: Bùi Hữu Trong Lớp: KT TĐ-BD K43

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài.

Dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt thường là nguyên nhân gây ra những tai biến môi trường nghiêm trọng trong các lĩnh vực khai thác mỏ, xây dựng, giao thông, thủy lợi, Do vậy nghiên cứu quy luật và tính chất của quá trình dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt để dự báo, phát hiện và ngăn ngừa những tai biến trên đã được đặt ra ở các mức độ khác nhau cho các lĩnh vực, ngành nghề liên quan trong đó có ngành kỹ thật Trắc địa- Bản đồ Các thông số nhận được từ nghiên cứu địch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt có ý nghĩa rất lớn về kinh tế, kỹ thuật và đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình hoạt động sản xuất

Trong quá trình khai thác lộ thiên, thường xuyên xẩy ra hiện tượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bờ mỏ, Vì vậy, ứng dụng công nghệ nới trong quá trình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ là vấn đề hết sức cần thiêt

Ứng dụng "Công nghệ UAV trong nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ" là một minh chứng thiết thực, cần thiết và không thể thiếu đối với quá trình

khai thác khoán sản

2 Mục tiêu nghiên cứu.

Nghiên cứu quá trình chuyển dịch biến dạng đất đá mỏ hầm lò:

- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá

- Đặc điểm địa chất, cấu trúc cũng như tính chất cơ học của khối đá

- Hình dạng, kích thước khoảng trống và vị trí của công trình

- Phương pháp thi công và các biện pháp công nghệ được áp dụng

3 Đối tượng nghiên cứu.

- Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt mỏ hầm lò

- Nghiên cứu các thông số định lượng quy luật, tính chất dịch chuyển biến dạng:

+ Các thông số về góc

+ Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng mặt đất

+ Các yếu tố và thành phần khác: Hệ số bị khai thác, độ sâu khai thác tương đối, độ sâu khai thác an toàn H .a

4 Phương pháp nghiên cứu.

Hiện nay đã hình thành 3 hướng nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá

và bề mặt chính: nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu ở phòng thí nghiệm trên các

mô hình và quan trắc ngoài thực địa bằng các thiết bị trắc địa

4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.

Nghiên cứu lý thuyết được tiến hành theo hai hướng cơ bản:

- Xuất phát từ bản chất cơ học của quá trình dịch chuyển tìm các mối quan

hệ giải tích giữa các giá trị bằng số của dịch chuyển biến dạng với các thông số

về địa chất khai thác

- Tìm các mối quan hệ thực nghiệm xuyên qua việc xử lý các số liệu nghiên cứu ở thực địa và trong phòng thí nghiệm cũng như các quan hệ giải tích đối với việc đánh giá tính chất dịch chuyển và biến dạng

4.2 Nghiên cứu ở phòng thí nghiệm.

Dùng mô hình được xây dựng bằng vật liệu tương đương, mô hình địa cơ, thí nghiệm với hoạt liệu quang học và thí nghiệm trên các máy ly tâm đặc biệt

4.3 Phương pháp quan trắc ngoài thực địa.

Quan trắc thực địa được tiến hành bằng các máy móc dụng cụ đo đạc của trắc địa Thành lập các trạm quan trắc bằng cách chôn những mốc đặc biệt rồi xác định vị trí của nó qua từng thời gian bằng máy móc, dụng cụ và các phương pháp trắc địa Các trạm quan trắc được xây dựng để đón trước tại nơi lò chợ sẽ

đi qua Công việc đo đạc được tiến hành khi lò chợ đi qua và sau khi kết thúc quá trình dịch chuyển

Chương 1 Dịch chuyển biến dạng đất đá

và bề mặt do ảnh hưởng khai thác mỏ hầm lò

1.1 Khái niệm chung.

Quá trình đào lò khai thác mỏ để lại trong lòng đất các khoảng trống ngầm, làm phá huỷ trạng thái cân bằng ứng suất nguyên sinh của đất đá và kích hoạt sự dịch chuyển và biến dạng các lớp đá để xác lập trạng thái ứng suất cân bằng mới trong khối đất đá bao quanh hầm lò Hậu quả, khối đất đá phía trên có thể bị phá huỷ và dịch chuyển xuống phía dưới Quá trình dịch chuyển và biến dạng đất đá này cũng còn được gọi là hiện tượng phá hủy, sụt lún đất đá, một dạng tai biến địa chất phổ biến trong khai thác hầm lò Quá trình chuyển dịch biến dạng đất đá

mỏ hầm lò về cơ bản phụ thuộc vào:

- Trạng thái cơ học ban đầu của khối đá

- Đặc điểm địa chất, cấu trúc cũng như tính chất cơ học của khối đá

- Hình dạng, kích thước khoảng trống và vị trí của công trình

- Phương pháp thi công và các biện pháp công nghệ được áp dụng

- Thời gian khai thác khác nhau

1.2 Dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt do ảnh hưởng lò chuẩn bị,

lò chợ.

* Lò chuẩn bị.

Đối với lò chuẩn bị, phụ thuộc vào kích thước tiết diện lò, vào độ bền vững của đất đá xung quanh lò chuẩn bị, vùng dịch chuyển và biến dạng của chúng có khác nhau, nhưng nói chung không lớn lắm Nếu như lò chuẩn bị không được chống giữ và đá nóc không bền vững thì nó sẽ sập xuống Trong trường hợp này

sự dịch chuyển đá nóc dưới dạng lún võng và sụt lở đến một chiều cao có thể gấp 5-6 lần chiều cao của lò

* Lò chợ.

Dịch chuyển đất đá ở lò chợ là một quá trình phức tạp Có thể cùng một lúc xuất hiện các dạng dịch chuyển khác nhau như: lún sụt do tác động trọng lực riêng dưới dạng uốn võng các lớp, lún sụt do tác động nén của các lớp dưới dạng

áp lực tựa, trượt theo mặt phẳng vỉa của các lớp, đứt gãy và đổ vỡ các lớp nằm trực tiếp trên vách của vỉa đang khai thác v.v

1.3 Các thông số định lượng quy luật, tính chất dịch chuyển biến dạng 1.3.1 Các thông số về góc.

* Góc biên

Là các góc nằm ngoài vùng trống khai thác Ranh giới vùng ảnh hưởng do khai thác hầm lò được xác định bởi các góc dịch động biên Phân biệt các dạng góc biên sau:

- β0 (về phía vách);

- β01 (về phía trụ): góc biên nằm về phía ranh giới dưới của lò chợ;

- γ0 : góc biên nằm về phía ranh giới trên của lò chợ;

- δ0 : góc biên theo phương của vỉa

- 0: góc biên trong lớp đất bồi

* Góc dịch chuyển

Ranh giới vùng dịch chuyển, biến dạng nguy hiểm được xác định bởi các góc dịch chuyển Phân biệt các góc dịch chuyển như sau:

- β, β : góc dịch chuyển nằm về phía ranh giới dưới lò chợ về phía vách và 1 phía trụ vỉa;

- γ: góc dịch chuyển nằm về phía ranh giới trên của lò chợ;

- δ: góc dịch chuyển theo phương của vỉa;

- : góc dịch chuyển trong lớp đất bồi

* Góc đứt tách

Là góc nằm phía ngoài vùng trống khai thác Các góc đứt tách được ký hiệu là β”, γ”, δ” , được dùng để xác định ranh giới vùng rạn nứt mặt đất

* Góc lún cực đại

Là góc hướng theo phía dốc vỉa Góc lún cực đại được coi là cố định với 𝛉 tất cả các lớp đất đá

* Góc dịch chuyển hoàn toàn

Các góc dịch chuyển hoàn toàn nằm trên vùng trống đã khai thác 1.3.2 Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng mặt đất.

Các đại lượng này có một ý nghĩa thực tế rất lớn trong việc nghiên cứu các biện pháp xây dựng và kết cấu công trình để bảo vệ chúng khỏi những tác hại do ảnh hưởng quá trình dịch chuyển gây nên

Trong bồn dịch chuyển người ta phân biệt một số điểm đặc trưng: tại những điểm uốn của đường cong lún ta có giá trị i và k=0, trong khi đó tại đây giá trịmax dịch chuyển ngang ξ còn có giá trị biến dạng ngang ε = 0 Khi vỉa dốc và dốcmax đứng sự phân bố dịch chuyển và biến dạng tương quan với tâm bồn sẽ không cân đối Ở nửa bồn dịch chuyển phía ngược dốc, điểm có biến dạng ngang cực đại tiến dần đến điểm có độ lún cực đại phù hợp với các giá trị của góc dốc từ dốc vừa đến dốc đứng và không trùng với điểm có độ nghiêng cực đại Điểm có

ξ = 0 chuyển dịch về phía ngược dốc của vỉa và khi vỉa dốc đứng nó nằm gần sát biên giới của bồn dịch chuyển v.v

1.3.3 Các yếu tố và thành phần khác.

Ngoài các thông số về góc và các đại lượng dịch chuyển, khi nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ cần phải quan tâm đến các tham số khác như:

- Hệ số bị khai thác

- Độ sâu khai thác tương đối

- Độ sâu khai thác an toàn Ha

- Hệ số an toàn

- Thời gian chung của quá trình dịch chuyển mặt đất

- Chiều dài bán bồn dịch chuyển

Chương 2 Các yếu tố ảnh hưởng đến dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt

2.1 Tính chất cơ lý đất đá

Các đại lượng dịch chuyển đất đá và sự phân bố của chúng trong lòng đất phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá trong khu vực Đất đá được hình thành từ các niên đại với các điều kiện địa chất – kiến tạo khác nhau nên sự phân bố, hiện trạng về thế nằm, các thông số của các lớp và đặc tính cơ lý đất đá cũng khác nhau Xuất phát từ lịch sử thành tạo, đất đá được chia làm 3 loại: mác ma, trầm tích và biến chất Theo tính chất

cơ lý, đất đá được chia làm 3 loại: đất đá rắn, bở rời và dẻo Các đặc tính của các loại đất đá này sẽ bị biến đổi do quá trình khai thác Có bảy đặc tính cơ lý đất đá sau đây có ảnh hưởng quan trọng tới các đại lượng dịch chuyển địa cơ trong mỏ hầm lò: độ kiên

cố (f); tính phân lớp; tính lưu biến; trọng lượng riêng và tỷ trọng; độ rỗng; tính thẩm thấu nước; khả năng tự cháy của than

Đối với đá yếu như: sét, phiến sét hoặc các loại đá khác thì dịch chuyển xảy ra điều hòa và nhanh hơn so với đất đá cứng Trong những điều kiện giống nhau, độ lún cực đại trong đá cứng nhỏ hơn trong đá yếu

Thứ tự các lớp đá ảnh hưởng lớn đến tính chất dịch chuyển Nếu lớp đá cứng (cát kết, đá vôi,…) nằm dưới những lớp đá yếu (bột kết, sét kết,…) thì sự phá huỷ và dịch chuyển mãnh liệt ở các lớp dưới được các lớp đá yếu điều hoà, vì vậy dịch chuyển mặt đất sẽ điều hoà hơn Với trình tự cấu tạo ngược lại thì dịch chuyển mặt đất sẽ phức tạp

và thường xuất hiện những kẽ nứt

Chiều dày các lớp đá lớn, thời gian dịch chuyển sẽ kéo dài hơn, dễ xảy ra chuyển dịch trượt, tách lớp khi bị uốn

Khi vỉa dốc, các lớp đá có cấu tạo không đồng nhất, dễ xảy ra chuyển dịch trượt theo mặt tiếp giáp yếu, trên mặt đất hình thành những kẽ nứt

a) Độ kiên cố của đất đá: Độ kiên cố của đất đá phụ thuộc vào thành phần thạch

học, thành phần cơ học hạt Độ kiên cố của đất đá được đại diện bằng các chỉ số: độ kháng nén (δ ); độ kháng kéo (δ ); độ dẻo của đất đá (δn k d)

Trong quá trình khai thác chúng ta thường gặp những biến dạng ở phần đá vách, đặc biệt trong các lò chợ hẹp, khoảng cách khấu ngắn Khi khai thác trong các khu vực đất đá có độ cứng lớn, quá trình xảy ra chậm, các đại lượng độ nghiêng và chuyển dịch

nhỏ, quá trình chịch chuyển và biến dạng xảy ra nhanh, tốc độ dịch chuyển và biến dạng cũng lớn hơn Cũng có những trường hợp khoáng sản khai thác trong những vùng xen lẫn các lớp đất đá cứng và mềm, lúc đó biến dạng trên bề mặt phụ thuộc vào

vị trí và thế nằm của các lớp đất đá đó

Tính chất cơ lý của đất đá được đặc trưng bởi thông số độ bền và sức chống đỡ của nó trong điều kiện bị biến dạng và phá hoại, được đại diện bằng độ kiên cố Protodiaconov Trong điều kiện như nhau thì dịch chuyển xảy ra trong đá yếu như sét,

đá phiến sét, v.v êm dịu và nhanh hơn so với trong đất đá cứng Độ kiên cố trung bình của đất đá, địa tầng và vị trí của các lớp đá cứng so với vỉa khoáng sàng khai thác quyết định quy mô biến dạng và quá trình của nó

Độ kiên cố đất đá ảnh hưởng tới đại lượng lún cực đại theo cách là trong những điều kiện như nhau độ lún trong đất đá có độ kiên cố nhỏ hơn trong đất đá yếu Cần lưu ý rằng, tính chất cơ lý của đất đá không ổn định và như nhau ở các vùng khác nhau

và thậm chí trong cùng một mỏ

b) Tính phân lớp của đất đá: là khả năng phân rã, chia lớp bở rời của đất đá dưới

tác dụng của lực cơ học hoặc nhiệt độ Trong quá trình khai thác mỏ, dưới tác động của công nghệ, đất đá được giải phóng năng lượng, các lớp đất đá dãn tách nhau Tính phân lớp của đất đá càng lớn, quá trình dịch chuyển biến dạng càng xảy ra nhanh hơn với phạm vi và tốc độ lớn hơn

c) Tính lưu biến: Sự thay đổi ứng suất và dịch chuyển trong khối đất đá phụ

thuộc vào thời gian Sự thay đổi đặc tính khối đá theo thời gian được gọi là tính lưu biến, nó phụ thuộc vào phương pháp điều khiển áp lực đá vách trong quá trình khai thác và cũng là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình dịch chuyển và biến dạng

d) Trọng lượng riêng và tỷ trọng đất đá: Trong thực tế, thường sử dụng khái

niệm tỷ trọng đất đá với đơn vị kN/cm3

e) Độ rỗng đất đá: Độ rỗng đất đá là tỷ số giữa thể tích lỗ hổng và thể tích khối

đất đá Dựa vào tỷ số này để phân loại đất đá theo độ rỗng như sau:

- đất đá nén chặt: θ ≤ 1%;

- đất đá độ rỗng nhỏ: 1% ≤ θ ≤ 2,5%;

- đất đá độ rỗng trung bình: 2,5% ≤ θ ≤ 10%;

- đất đá độ rỗng lớn: 10% ≤ θ ≤ 20%;

- đất đá độ rỗng rất lớn: θ ≥ 20%

g) Tính thẩm thấu nước: là khả năng thấm nước của đất đá Sự có mặt của nước

trong khối đất đá có thể làm giảm độ cứng của đất đá Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: đất đá rất cứng khi bị ngậm nước mạnh, độ cứng bị giảm đến 20-60% Tính thẩm thấu nước của đất đá không những ảnh hưởng lớn đến quá trình dịch chuyển đất đá, trong nhiều trường hợp còn là nguyên nhân gây rò rỉ nước trong đường lò và các hiểm họa bục nước hầm lò

h) Tính tự cháy của than: Khi có các điều kiện thuận lợi gây cháy như luồng gió,

nhiệt độ cao, độ ẩm thích hợp, có một số loại than có thể tự cháy Sự cháy sẽ phân hủy các trụ than, hoặc một phần than nào đó là yếu tố gia tăng quá trình dịch chuyển đất đá

và biến dạng

2.2 Các yếu tố địa chất - mỏ.

Các yếu tố địa chất tác động lớn đến quá trình dịch chuyển địa cơ mỏ trong hầm

lò do khai thác, dưới đây là những yếu tố quan trọng nhất:

a) Địa tầng đất đá

Thứ tự các lớp đất đá đóng vai trò đối với quá trình dịch chuyển Chẳng hạn khi

đá cứng nằm trực tiếp trên vách lò chợ mà trên nó lại là lớp đá yếu thì lớp đá yếu này

sẽ làm dịu và điều hòa chuyển dịch đột ngột của lớp đá cứng Trong trường hợp thứ tự phân lớp ngược lại thì chuyển dịch xảy ra ít êm dịu hơn và thường xuất hiện các kẽ nứt

b) Đặc điểm kiến tạo

Hoạt động kiến tạo thường tạo ra đứt gãy, uốn nếp, sự phá hủy trong các đới khiến cho độ bền vững cơ học của đất đá giảm đi nhiều so với đất đá xung quanh Dĩ nhiên chúng thúc đẩy quá trình dịch chuyển và biến biến dạng đất đá Các đứt gãy kiến tạo lớn, nhất là ở trong lớp đất đá trên vách vỉa mỏng cấu tạo từ đất phủ rời đệ tam và

đệ tứ, có ảnh hưởng quyết định tới quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất Biến dạng gia tăng và thường là biến dạng không liên tục xuất hiện tại đới đứt gãy Chính vì vậy,

Khi nói đến các điều kiện kiến tạo như đứt gãy, uốn nếp v.v thì đứt gãy là yếu

tố quan trọng nhất ảnh hướng tới biến dạng Khi trong khu vực khai thác tồn tại các đứt gãy lớn, các lớp đất có thể xuất hiện sự bất thường kể cả đại lượng dịch chuyển và tính quy luật của nó

c) Độ dốc vỉa

Trên mặt cắt chính bồn dịch chuyển có tính đối xứng khi ruộng khấu than ở vỉa bằng và trở nên mất đối xứng trong trường hợp khai thác ở vỉa nghiêng

d) Kiến tạo địa chất

Dịch chuyển đất đá ở vùng có hoạt động kiến tạo mang tính chất đặc trưng riêng

và phụ thuộc vào dạng kiến tạo địa chất

Hình 1.22: Phương pháp xác định vùng nguy hiểm khi góc dốc

và chiều dày các lớp đá thay đổi mạnh

Ở uốn nếp lõm kích thước nửa bồn dịch chuyển phía dốc giảm đi do đó dịch chuyển tập trung trong một khu vực nhỏ nên biến dạng mặt đất sẽ tăng lên Phương pháp xác định vùng dịch chuyển nguy hiểm ở vùng uốn nếp lõm phụ thuộc vào góc dốc của các vế nếp uốn

Ở phía ngược dốc, ranh giới vùng nguy hiểm được xác định theo góc kẻ từ ranh giới khai thác trên và góc trong lớp đất bồi khi không có chuyển dịch trượt ở đá vách và dịch chuyển đá trụ (hình 1.22)