Mô hình địa cơ dự báo phá hủy dịch chuyển

Nghiên c u xây d ng mô hình đ a c d báo hi n t ng phá h y, d ch chuy n bi n d ng khai thác than vùng Qu ng Ninh Nguy n Quang Phích, Ph m V n Chung Research and development of geomechanical models for predicting collapse and subsidence in underground coal mine in the Quang Ninh coal basin Until now, the prediction techniques of mining collaps and subsidence, a common form of geohazards in underground mining, fall under two basic categories, empirical and phenomenological The empirical theories are principally based on observations and experience from field collaps and subsidence studies Some of the empirical or analytical models have proved sufficiently reliable for collaps and subsidence prediction, at least for a given region Many of these have been successfully applied in a number of countries, especially in Europe Phenomenological techniques are based on equivalent material modeling principles where the collapsing and subsiding strata are mathematically represented as idealized materials that obey the laws of continuum mechanics But the equivalent material modeling method has not achieved much success to date, mainly due to the difficulty of representing complex geologic properties of the strata and also very costly and time-consuming The paper presents some analytical or empirical models and some investigation results by using numerical tools These results, obtained from the numerical models, shows obviously the advantages of numerical methods tv nđ Khai thác than làm hình thành lòng đ t kho ng tr ng ng m Do v y kh i đ t đá phía có th b phá hu , b d ch chuy n xu ng phía d i Quá trình phá h y, d ch chuy n bi n d ng đ t đá c ng đ c g i hi n t ng phá h y, s t lún đ t đá, m t d ng tai bi n đ a ch t ph bi n khai thác h m lò Quá trình phát tri n di n bi n v i ti n trình khai thác than Khi kho ng không gian khai thác đ nh , n u không chèn lò, phía kho ng tr ng th ng hình thành vòm phá hu (trong th c t trình phá hu x y ph c t p, ph thu c vào nhi u y u t khác nhau), nh hình 1, v i L chi u dài lò khai thác H ng véc t d ch chuy n c a Vòm phá h y L Hình Hình thành vòm phá h y d ch chuy n phía lò khai thác than, qu ng Ti p t c khai thác than, kho ng không gian ng m m r ng, c th chi u dài khai thác L l n, s d n đ n hi n t ng d ch chuy n bi n d ng d n l p đ t đá phía vòm phá hu d ng u n tách l p (Hình 2) Các l p đá b tđ ub u n Vùng phá h y, s p l L Hình Hi n t ng u n tách l p l p đá phía vòm s p l , chi u dài lò khai thác L t ng d n Khi chi u dài L khai thác đ l n, s t lún có th x y cho đ n m t đ t Và trình ti n tri n ti p t c v i ti n trình khai thác M c đ lún s t m t đ t (bao g m kích th c hình d ng c a khay, ph u hay b n lún s t) ph thu c vào chi u d y c a v a than (chi u cao kho ng tr ng), tính ch t c h c đ c m c u trúc c a l p đá phía (các l p đá vách), chi u dài lò khai thác ti n đ khai thác, c ng nh b m t đ a hình (Hình 3) Khay, ph u hay b n lún s t m t đ t S p l , d ch chuy n khu v khai thác L Hình S t lún đ n m t đ t chi u dài lò khai thác L đ l n Có r t nhi u y u t tác đ ng đ n trình phá h y, d ch chuy n bi n d ng đ t đá Các y u t nh h ng t u ki n đ a ch t ví d chi u dày l p ph hay chi u sâu khai thác k t m t đ t (H), chi u dày kh i đá (hđ) phía khu v c khai thác (chi u dày t ng ph ), tham s c h c c a kh i đá, chi u dày v a than, qu ng (m), th i gian t n t i kho ng tr ng (t); y u t nh h ng mang tính công ngh nh th i gian m t chu k khai thác, kích th c lu ng khai thác; có y u t tác đ ng đ c bi t nh v n đá, cát ch y Phá h y, lún s t m t d ng tai bi n đ a ch t ho t đ ng k thu t c a ng i gây Phá h y lún s t có th gây nh ng tác đ ng làm h y ho i công trình m t đ t, làm bi n đ i đ a hình, ch ng h n nh t o nên th m b c thu n ho c ngh ch, m t đ t có th tác đ ng làm bi n đ i h th ng th y v n nh h ao, sông ngòi m t đ t Vì v y nghiên c u d báo d ng tai bi n đ a ch t đ c nhà khoa h c k thu t thu c l nh v c khai thác m , tr c đ a m , đ a k thu t quan tâm t r t lâu Tuy nhiên, tính ph c t p c a v n đ , tính đa d ng c a u ki n đ a ch t, nên cho đ n h u nh đ c ph ng pháp d báo, đánh giá, phân tích th ng nh t Các ph ng pháp gi i tích, kinh nghi m th ng ch ý đ c m t s y u t nh h ng c b n ph i đ n gi n hóa toán V i s hình thành phát tri n ph ng pháp tính s t o nên m t công c cho phép có th phân tích, d báo cho t ng tr ng h p c th , ý đ c nhi u y u t nh h ng h n Nghiên c u d ch chuy n đ t đá khai thác than c ng đ c nhà khoa h c Vi t nam nghiên c u b ng ph ng pháp mô hình v t li u t ng đ ng mô hình s [1,2,3,4] xây d ng đ c quy lu t hay ph ng pháp nghiên c u phù h p v i u ki n khai thác n c ta, r t c n t ng c ng nghiên c u, s k t h p gi a nhà khoa h c ph i h p ph ng pháp khác ng nhiên, m c đ xác c a k t qu phân tích c ng l i ph thu c nhi u vào d li u đ u vào, hình thành yêu c u m i, chi ti t h n đ i v i công tác kh o sát, th m dò đ a ch t, đ a k thu t Bài vi t t ng h p m t s mô hình gi i tích, d báo hay tính toán vùng phá h y, mô hình m t lún s t, đ ng th i gi i thi u kh n ng áp d ng ph ng pháp s đ d báo phân tích trình phá h y, d ch chuy n bi n d ng thông qua m t vài ví d Mô hình gi i tích xác đ nh chi u cao vùng phá h y Cho đ n có nhi u mô hình đ c đ xu t, ph thu c vào k t qu quan tr c, nghiên c u u ki n c th , theo quan m nhi u mang tính ch quan c a m i tác gi Ví d mô hình gi i tích, d báo phá h y, lún s t ph bi n cho tr ng h p khai thác lò ch dài, v a n m ngang, th ng xu t phát t s đ phân tích nh hình 4, v i L chi u dài lò ch , hph chi u cao vùng phá h y, hz chi u cao vòm s p l , hs chi u dày vùng phá h y võng, tách l p hu chi u dày l p đ t đá phía vùng phá h y cho đ n m t đ t hph L Hình S đ phân tích, d báo vùng phá h y Thông s quan tr ng đ c ý đ n chi u cao vùng phá h y hph, th ng đ c phân chi u cao vùng phá h y s p l hz chi u cao vùng phá h y u n, tách l p hs Trong b ng t ng h p gi i thi u m t s bi u th c đ vùng phá h y s p l c xây d ng đ tính chi u cao B ng Mô hình d báo chi u cao vùng phá h y [5,6,7] Tác gi /th i gian Bi u th c xác đ nh chi u cao vùng phá h y s p l Ritter (1879) Kommerell (1912) Bierbaumer (1913) ϕ ⎞⎤ ⎛ L + 2m.ctg ⎜ 45 − ⎟⎥ ho c hz = ⎢ 8c ⎣ ⎠⎦ ⎝ ∆z hz = 100 kd L2 hz = 16c Cho kh i đá y u Ximbarevich (1933) hz = L / + m.tg (45 − ϕ / 2) f − 2ν L−m 4ν Cho kh i đá y u hz = Pakrovski (1948) Gmoszynski (1960) L 2f Cho kh i đá c ng ch c L + 2.m.ctg (45 − ϕ / 2) hz = 2.tgϕ Slesarev (1940) Mohr (1954) hz = Cho kh i đá d ng h t k t dính hz = Ruppeneit (1954) Cho kh i đá c ng ch c L 2tgϕ Segal (1934) Xutovics (1951) ⎡ H tgϕ tg (45 − ϕ / ) ⎤ hz = H ⎢1 − ⎥ ⎣ L + 2m.tg (45 − ϕ / ) ⎦ Cho kh i đá y u hz = Cho kh i đá c ng ch c L ctgϕ hz = Protodiakonov (1930) γ ⎡ Cho kh i đá c ng ch c ⎛ ϕ ⎞ L ctg ⎜⎜ 45 − ⎟⎟ 4H ⎝ ⎠ hz = hz = γ L2 16.Rr 3m 2(k r − 1) L + 2m.tg (45 + φ / ) ⎤ ⎞ L ⎧⎪⎡⎛ 2γ H − sin ϕ ⎫⎪ − 1⎬ hz = ⎨⎢⎜⎜ − 1⎟⎟ sin ϕ + 1⎥ exp ⎪⎩⎣⎢⎝ Rr sin ϕ ⎪⎭ ⎠ ⎦⎥ ν L hz = 2(1 − ν ) 0,5.L ln(γH / c ) hz = + tgϕ tg (45 − ϕ / 2) hz = Orlov 1961) hz = Borisov (1962) hz = Dersanov (1962) hz = Salustowicz (1968) Sirokov (1969) Sirokov (1973) Jarosz (1977) Arkuszewski (1978) 0,83 H [L + 2m.ctg (45 + ϕ / 2)] f 1,7.L.Rr (2γ H )2 − 11Rr2 − 2ν 4ν ⎡ ϕ ⎞⎤ ⎛ ⎢ L + 2m.tg ⎜ 45 − ⎟⎥ ⎝ ⎠⎦ ⎣ 2 Rr ⎞ ⎛ L ⎞ ⎤ m ⎛m⎞ ⎡ ⎛ hz = ⎜ ⎟ + ⎢0,5⎜⎜ m − + (m − 1) ⎟⎟ ⎜ ⎟ ⎥ − pz ⎠ ⎝ ⎠ ⎥ ⎝ ⎠ ⎢⎣ ⎝ ⎦ ⎞ ⎛ γH ϕ⎞ ⎛ 0,5.L + ⎜⎜ K c − 1⎟⎟.m.tg ⎜ 45 − ⎟ 2⎠ Rc ⎝ ⎠ ⎝ hz = KK f 2γH hz = 0,5 L2 − m − m v i ≤1 Rc ( ) ⎛ k +1 ⎞ + ⎟⎟ hz = m⎜⎜ r ⎝ kr −1 ⎠ ⎛ 4(k r + 1) − π (k r − 1) ⎞ ⎟⎟ hz = m⎜⎜ ( ) π k − r ⎠ ⎝ Trong b ng 1: L chi u r ng khai thác hay chi u dài lò ch , c h s nén ch t đá theo Ritter, γ dung tr ng c a đá, m chi u dày v a than hay qu ng khai thác, ϕ góc ma sát, ∆z chi u cao s p l c a l p đá vách tr c ti p, kd h s n r i c a đá theo Kommerell, H đ sâu khai thác, f h s kiên c c a đá theo Protodiakonop, ν h s Poison, Rr, Rc đ b n kéo đ b n nén c a kh i đá, kr h s n r i theo Pakrovski, m=1/ν h ng s Poisson, pz áp l c theo ph ng th ng đ ng, Kc h s t p trung ng su t, KK h s suy gi m đ b n Các ký hi u c ng s d ng t ng t cho b ng Chi u cao vùng phá h y tách l p hs c ng đ c nhi u nhà nghiên c u đ xu t mô hình đ d báo, tính toán khác C n k đ n tác gi Saułstowicz,1968; Gajoch and Piechota,1973; Jarosz, 1977; Arkuszewski, 1978; Kendorski, Roosendaal and Bai, 1995; Das, 2000; Heasley, 2004; Palchik, 2005, Gajoch Piechota 1973; Arkuszewski 1973 [5,6,7] Trong b ng nêu m t vài ví d n h nh B ng Mô hình d báo vùng phá h y tách l p [5,6,7] Tác gi Bi u th c xác đ nh chi u cao vùng phá h y tách l p Kendorski, 100m hs = Roosendaal & Bai c3 m + c (1995) c3 c – h s ph thu c nhóm đá Nhóm kh i đá b n nén đ n tr c H s c ng b n ch c b n trung bình ám my u Arkuszewski (1973) hs = ± a b (MPa) >40 20 – 40