Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN QUỐC LONG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO CÁC ĐẠI LƯỢNG DỊCH CHUYỂN ĐẤT ĐÁ VÀ BIẾN DẠNG BỀ MẶT PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC HẦM LÒ Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.GS.TS VÕ CHÍ MỸ 2.GVC.TS VƯƠNG TRỌNG KHA Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực kết nghiên cứu chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Quốc Long LỜI CẢM ƠN Lời cho phép tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS NGƯT Võ Chí Mỹ GVC.TS Vương Trọng Kha, hai người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học ln động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin trân trọng cảm ơn thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, khoa Mỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đặc biệt giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thầy, cô giáo Bộ môn Trắc địa mỏ Tác giả xin gửi lời cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Minh tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới Ban Khoa học, Công nghệ thông tin Chiến lược phát triển (Vinacomin), Ban Giám đốc, Phòng kỹ thuật, Trắc địa, Địa chất Cơng ty Cổ phần than Mông Dương, Công ty Than Thống Nhất, Viện Khoa học Công nghệ mỏ, Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư mỏ Công nghiệp tạo điều kiện cho tác giả tiếp cận nguồn tư liệu, số liệu để hồn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2019 Tác giả luận án i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII MỞ ĐẦU Chương Tổng quan nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng ảnh hưởng khai thác mỏ hầm lò 1.1 Dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ khai thác hầm lò 1.1.1 Bản chất toán dịch chuyển đất đá bề mặt khai thác hầm lò 1.1.2 Bồn dịch chuyển 1.1.3 Các thông số góc q trình dịch chuyển 10 1.1.4 Các đại lượng dịch chuyển biến dạng 11 1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt 11 1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ 16 1.2.1 Phân nhóm phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ 16 1.2.2 Các kết nghiên cứu tiêu biểu giới 20 1.2.3 Tình hình nghiên cứu nước 26 1.3 Nhận xét chương 30 Chương Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh 32 2.1 Đặc điểm địa chất-mỏ bể than Quảng Ninh 32 2.1.1 Đặc điểm tính chất lý đất đá 32 2.1.2 Đặc điểm cấu tạo vỉa than 34 2.1.3 Đặc điểm cơng nghệ khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh 38 2.1.4 Đặc điểm lò chợ 40 2.2 Đặc điểm liệu quan trắc dịch chuyển biến dạng 40 ii 2.3 Lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp với điều kiện khai thác mỏ hầm lò Việt Nam 42 2.3.1 Tiêu chuẩn lựa chọn phương pháp dự báo 42 2.3.2 Phân tích lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp 42 2.4 Nhận xét chương 45 Chương Nghiên cứu mơ hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng khai thác hầm lò vỉa dốc Việt Nam 46 3.1 Bồn dịch chuyển trường hợp khai thác vỉa dốc 46 3.2 Mơ hình dự báo dịch chuyển đứng cho vỉa nghiêng 47 3.3 Triển khai mơ hình dự báo Asadi vào thực tiễn Việt nam 49 3.3.1 Xác định dịch chuyển đứng cực đại 49 3.3.2 Xác định góc biên 50 3.3.3 Xác định góc lún cực đại 52 3.3.4 Bán bồn dịch chuyển 53 3.3.5 Xác định hệ số f, g, p, q từ số liệu quan trắc 53 3.3.6 Đánh giá độ xác kết dự báo 56 3.4 Xây dựng chương trình xác định hệ số mơ hình 57 3.5 Xây dựng mơ hình dự báo dịch chuyển đứng khai thác than hầm lò Quảng Ninh, Việt Nam 58 3.5.1 Khu vực nghiên cứu (mỏ Thống Nhất) 58 3.5.2 Khu vực nghiên cứu (mỏ Mông Dương) 62 3.5.3 Xây dựng mơ hình dự báo dịch chuyển đứng sở liệu quan trắc điều kiện địa chất - khai thác mỏ Thống Nhất 66 3.5.4 Áp dụng mơ hình dự báo điều kiện mỏ than Mông Dương 75 3.6 Nhận xét chương 88 Chương Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian 89 4.1 Lý sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo 89 4.2 Thông tin mạng nơ-ron nhân tạo 89 4.2.1 Nơ-ron sinh học 89 4.2.2 Nơ-ron nhân tạo 90 iii 4.2.3 Hàm xử lý 92 4.2.4 Mơ hình mạng nơ-ron 93 4.2.5 Huấn luyện mạng 94 4.3 Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp 95 4.4 Thuật toán lan truyền ngược (Back-Propagation) 97 4.5 Lựa chọn yếu tố đầu vào cho mạng nơ-ron dự báo dịch chuyển đứng bề mặt theo thời gian 98 4.6 Dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian mạng nơ-ron nhân tạo .100 4.6.1 Lựa chọn cấu hình mạng 100 4.6.2 Huấn luyện mạng 102 4.6.3 Kết dự báo đánh giá độ xác 108 4.7 Nhận xét chương 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 PHỤ LỤC 152 ANN BP DCBD DT DCĐ ĐTM FA FC FW KHCNM LMS MAE MSE MFN RMS ST SW TNMT TDKT VINACOMIN VNIMI v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hàm độ lún mẫu chuẩn 29 Bảng 2.1 Tổng hợp tính chất lý đá số mỏ hầm lò 33 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp đặc điểm vỉa than mỏ Nam Mẫu 35 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp đặc điểm vỉa than mỏ Hà Lầm 36 Bảng 2.4 Bảng tổng hợp đặc điểm vỉa than mỏ Mông Dương 36 Bảng 2.5 Bảng tổng hợp đặc điểm vỉa than mỏ Thống Nhất 36 Bảng 2.6 Đặc điểm lò chợ khai thác 40 Bảng 2.7: Đặc điểm tuyến quan trắc mỏ 41 Bảng 3.1 Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá 51 Bảng 3.2 Góc biên theo hướng đường phương hướng ngược dốc 52 Bảng 3.3 Góc biên theo hướng xi dốc 52 Bảng 3.4 Xác định hệ số K1 52 Bảng 3.5 Số liệu quan trắc tuyến D mỏ Thống Nhất 59 Bảng 3.6 Số liệu quan trắc tuyến P mỏ Thống Nhất 60 Bảng 3.7 Số liệu quan trắc tuyến D mỏ Mông Dương 63 Bảng 3.8 Số liệu quan trắc tuyến P mỏ Mông Dương 64 Bảng 3.9 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác 66 Bảng 3.10 Các hệ số mơ hình dự báo lún theo hướng dốc vỉa 66 Bảng 3.11 Đánh giá độ xác kết quan trắc dự báo 67 Bảng 3.12 Độ xác dự báo 68 Bảng 3.13 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác 71 Bảng 3.14 Các hệ số mơ hình dự báo 71 Bảng 3.15 Độ xác mơ hình dự báo 72 Bảng 3.16 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất 73 vi Bảng 3.17 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến D mỏ Mông Dương 75 Bảng 3.18 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến D mỏ Mơng Dương 76 Bảng 3.19 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến D mỏ Mơng Dương (phương pháp VNIMI) 78 Bảng 3.20 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp KHCNM) 79 Bảng 3.21 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến P mỏ Mông Dương 82 Bảng 3.22 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương 82 Bảng 3.23 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) 84 Bảng 3.24 Kết dự báo độ xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp Viện KHCNM) 86 Bảng 4.1 Khả biểu diễn mạng có số lớp ẩn khác 100 Bảng 4.2 Số liệu tập huấn mạng kiểm tra kết dự báo 103 Bảng 4.3 So sánh kết dự báo mạng nơ-ron thực tế trường hợp 108 Bảng 4.4 So sánh kết dự báo mạng nơ-ron thực tế trường hợp 111 Bảng 4.5 So sánh kết dự báo mạng nơ-ron thực tế trường hợp 114 Bảng 4.6 So sánh kết dự báo mạng nơ-ron thực tế trường hợp 120 Bảng 4.7 So sánh kết dự báo mạng nơ-ron thực tế trường hợp 128 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bồn dịch chuyển khai thác hầm lò Hình 1.2 Các vùng ảnh hường bồn dịch chuyển Hình 1.3 Các thơng số bồn dịch chuyển 10 Hình 1.4 Tính chất phân bố dịch chuyển biến dạng mặt đất 11 Hình 1.5 Sự phân bố biến dạng khai thác vỉa có độ dốc khác 12 Hình 1.6 Mối quan hệ độ sâu khai thác dịch chuyển đứng 13 Hình 1.7 Ảnh hưởng chiều rộng lò chợ đại lượng dịch chuyển đứng 14 Hình 1.8 Quan hệ dịch chuyển đứng bề mặt tiến độ khai thác 15 Hình 1.9 Các giai đoạn trình dịch chuyển đứng theo thời gian 16 Hình 1.10 Hàm mặt cắt dịch chuyển đứng 17 Hình 1.11 Mơ hình vật lý làm từ cát khô 18 Hình 2.1 Đặc điểm độ dốc số vỉa than mỏ Mông Dương 35 Hình 2.2 Biểu đồ phân bố trữ lượng dự án mỏ hầm lò 38 Hình 2.3 Hệ thống khai thác cột dài theo phương 39 Hình 2.4 Cơng nghệ chống giữ cột thủy lực đơn 39 Hình 2.5 Tuyến quan trắc V2 chu kỳ mỏ than Mạo Khê 42 Hình 3.1 Bồn dịch chuyển trường hợp khai thác vỉa 46 Hình 3.2 Độ lệch tâm bồn dịch chuyển khai thác vỉa nghiêng 47 Hình 3.3 Các tham số mơ hình dự báo dịch chuyển 48 Hình 3.4 Sơ đồ thuật giải tính hệ số mơ hình dự báo 57 Hình 3.5 Chương trình tính hệ số mơ hình dự báo 58 Hình 3.6 Mặt cắt tuyến quan trắc D mỏ Thống Nhất 60 Hình 3.7 Mặt cắt tuyến quan trắc P mỏ Thống Nhất 61 Hình 3.8 Mặt cắt tuyến quan trắc D mỏ Mông Dương 64 159 Ma tran N-1 So hieu chinh df: -1.4847 dg: -0.4385 dp: -0.0599 dq: -0.0101 He so cua mo hinh f: 5.4651 g: 2.6082 p: 4.4887 q: 1.8158 Danh gia chinh xac RMS: 0.080 MAE: 0.060 r: 0.987 Do lun tinh tu -268.000 -190.000 -171.000 -141.000 -106.000 -90.000 -69.000 -40.000 -14.000 0.000 32.000 49.000 60.000 93.000 mo hinh -0.006 -0.149 -0.255 -0.498 -0.852 -1.009 -1.183 -1.334 -1.383 -1.386 -1.076 -0.801 -0.628 -0.240 160 Vong lap: Ma tran A Ma tran N Ma tran N-1 161 So hieu chinh df: -0.7774 dg: -0.1085 dp: -0.0078 dq: -0.0013 He so cua mo f: g: p: q: hinh 6.2425 2.7167 4.4965 1.8171 Danh gia chinh xac RMS: 0.078 MAE: 0.060 r: 0.988 Do lun tinh tu -268.000 -190.000 -171.000 -141.000 -106.000 -90.000 -69.000 -40.000 -14.000 0.000 32.000 49.000 60.000 93.000 108.000 123.000 156.000 162 Vong lap: Ma tran A Ma tran N Ma tran N-1 So hieu chinh df: -0.2216 dg: -0.0312 dp: -0.0009 dq: -0.0002 163 He so cua mo f: g: p: q: hinh 6.4641 2.7479 4.4974 1.8173 Danh gia chinh xac RMS: 0.078 MAE: 0.061 r: 0.988 Do lun tinh tu -268.000 -190.000 -171.000 -141.000 -106.000 -90.000 -69.000 -40.000 -14.000 0.000 32.000 49.000 60.000 93.000 108.000 123.000 156.000 mo hinh -0.002 -0.112 -0.211 -0.458 -0.836 -1.004 -1.187 -1.339 -1.383 -1.386 -1.076 -0.801 -0.628 -0.239 -0.138 -0.075 -0.015 164 XAC DINH HE SO MO HINH TUYEN P MO THONG NHAT So lieu quan trac -186.000 0.000 -149.000 -0.123 -102.000 -0.241 -76.000 -0.513 -61.000 -0.810 0.000 -1.418 32.000 -1.325 76.000 -1.112 105.000 -0.783 130.000 -0.547 146.000 -0.345 198.000 -0.014 207.000 0.000 He so khoi tinh f0: 11.5271 g0: 2.7129 p0: q0: -Vong lap: Ma tran A 165 Ma tran N Ma tran N-1 So hieu chinh dp: -1.0658 dq: -0.7796 He so cua mo f: g: p: q: hinh 4.8595 2.1423 2.1321 2.2551 Danh gia chinh xac RMS: 0.247 MAE: 0.159 r: 0.898 Do lun tinh tu -186.000 -149.000 -102.000 -76.000 -61.000 0.000 mo hinh -0.000 -0.003 -0.148 -0.513 -0.810 -1.418 166 -Vong lap: Ma tran A Ma tran N 167 So hieu chinh df: 0.0052 dg: 0.3279 dp: -0.9921 dq: -0.3318 He so cua mo f: g: p: q: hinh 4.8543 1.8143 3.1242 2.5869 Danh gia chinh xac RMS: 0.047 MAE: 0.040 r: 0.996 Do lun tinh tu -Vong lap: Ma tran A 0.0369 -0.0397 168 Ma tran N Ma tran N-1 So hieu chinh df: -0.3444 dg: -0.0983 dp: -0.5471 dq: -0.1657 169 He so cua mo hinh f: 5.1987 g: 1.9127 p: q: Danh gia chinh xac RMS: 0.039 MAE: 0.032 r: 0.997 Do lun tinh tu mo hinh -Vong lap: Ma tran A 170 Ma tran N Ma tran N-1 So hieu chinh df: -0.1114 dg: -0.0197 dp: -0.0221 dq: 0.0110 He so cua mo f: g: p: q: hinh 5.3101 1.9324 3.6934 2.7417 Danh gia chinh xac RMS: 0.038 MAE: 0.031 r: 0.997 Do lun tinh tu mo hinh -186.000 -0.007 -149.000 -0.045 171 -Vong lap: Ma tran A Ma tran N 172 So hieu chinh df: -0.0380 dg: -0.0074 dp: 0.0074 dq: 0.0038 He so cua mo f: g: p: q: hinh 5.3481 1.9398 3.6860 2.7378 Danh gia chinh xac RMS: 0.038 MAE: 0.031 r: 0.997 Do lun tinh tu -186.000 -149.000 -102.000 -76.000 -61.000 0.000 32.000 76.000 105.000 130.000 146.000 198.000 207.000 mo hinh -0.007 -0.044 -0.268 -0.553 -0.767 -1.418 -1.387 -1.119 -0.798 -0.506 -0.344 -0.054 -0.036 ... CHUYỂN BIẾN DẠNG DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1.1 Dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ khai thác hầm lò 1.1.1 Bản chất tốn dịch chuyển đất đá bề mặt khai thác hầm lò Việc đào lò chuẩn bị khai thác. .. án tiến sĩ Nghiên cứu phương pháp dự báo đại lượng dịch chuyển đất đá biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò Việt Nam lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế, đáp ứng yêu cầu thực... dạng ảnh hưởng khai thác mỏ hầm lò 1.1 Dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ khai thác hầm lò 1.1.1 Bản chất toán dịch chuyển đất đá bề mặt khai thác hầm lò 1.1.2 Bồn dịch chuyển