Mục đích cơ bản của luận án này là xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa cơ để xác định các quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOt TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ……………………… PHẠM VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH BIẾN ĐỘNG ĐỊA CƠ KHU VỰC LỊ CHỢ CƠ GIỚI KHAI THÁC VỈA DÀY Ở MỘT SỐ MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 Công trình hồn thành tại: Bộ mơn Trắc địa mỏ, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Bộ môn Điện khí hóa, Khoa Cơ- Điện, trường Đại học Mỏ-Địa chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Anh Nghĩa PGS.TS Phùng Mạnh Đắc TS Vương Trọng Kha Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Xuân Thụy Phản biện 2: PGS.TS Kiều Kim Trúc Phản biện 3: TS Nguyễn Bá Dũng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất Vào hồi… giờ… ngày….tháng… năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc Gia Việt Nam; Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chấtr MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Q trình tính chất dịch chuyển đất đá khu vực lò chợ giới khai thác vỉa dày phụ thuộc vào nhiều yếu tố có sản trạng vỉa, tính chất đất đá bao quanh vỉa công nghệ, thiết bị khai thác sử dụng, với phát triển không ngừng phương pháp lý thuyết dựa phương pháp số, mơ hình địa cho phép làm sáng tỏ quy luật tính chất q trình dịch chuyển biến dạng đất đá khu vực lò chợ giới khai thác vỉa dày Đặc điểm mơ hình địa là: (i) việc mơ chiều khối đá môi trường liên tục đồng nhất, khơng đồng thơng qua tính chất biến dạng mơi trường, mơ hình giả định tính chất khối đá mỏ tự nhiên đặc tính biến dạng chúng (ii) Nhận trạng thái ứng suất ban đầu khối đá mỏ làm điều kiện biên để tính tốn mơ hình địa (iii) Nguồn kích hoạt trạng thái ứng suất khoảng trống khai thác đặc trưng thông số hình học khơng gian chiều Việc khai thác vỉa dày cơng nghệ giới hố khấu than với phương pháp hạ trần thu hồi than số mỏ hầm lò Quảng Ninh tạo khoảng trống lớn vỉa than dày Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa khu vực lò chợ giới khai thác vỉa dày số mỏ than hầm lò Quảng Ninh” lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế có ý nghĩa thực tiễn Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu nghiên cứu luận án Xác lập sở khoa học phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa để xác định quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất ảnh hưởng lò chợ giới hoá khai thác vỉa dày số mỏ than hầm lò Quảng Ninh 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu luận án - Nghiên cứu tổng quan mô hình địa mỏ; - Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính chất lý đất đá vùng than Quảng Ninh điều kiện khai thác vỉa dày; - Nghiên cứu phương pháp luận khoa học xây dựng mơ hình biến động địa cơ; - Nghiên cứu xác định điều kiện biên cho mơ hình biến động địa thông qua việc xử lý số liệu quan trắc thực địa; - Ứng dụng mơ hình biến động địa xác định quy luật dịch chuyển biến dạng khai thác vỉa dày lò chợ giới hóa, áp dụng cho mỏ Nam Mẫu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trình dịch chuyển biến dạng bề mặt đất trình sập đổ đá vách khai thác vỉa dày công nghệ giới hóa 3.2 Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu mối tương quan độ lún cực đại với thông số đàn hồi khối đá thông qua ứng dụng mơ hình địa để tính tốn dự báo dịch chuyển biến dạng Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thực địa: Đo đạc trạm quan trắc dịch động vùng than Quảng Ninh nhằm kiểm chứng độ xác mơ hình địa cơ, xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh; - Phương pháp lý thuyết: Dựa tảng phương pháp số, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải tốn mơ hình địa - Phương pháp thu thập phân tích tổng hợp: Phục vụ cho phần tổng quan luận án; - Phương pháp hồi quy thống kê: Xác định mối quan hệ biến thông số đàn hồi độ lún cực đại; Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Hàm đường cong tiêu chuẩn xây dựng theo kết quan trắc thực địa số mỏ than hầm lò cho phép xác định kích thước vùng ảnh hưởng bề mặt, tính tốn xác định đại lượng dịch chuyển, đồng thời phục vụ dự báo độ sâu khai thác an toàn mỏ than hầm lò Quảng Ninh Luận điểm 2: Mơ hình địa xây dựng sở mối quan hệ mô đun đàn hồi độ lún cực đại mặt đất theo kết quan trắc thực địa cho phép đồng thời nghiên cứu xác định quy luật dịch chuyển biến dạng phá hủy khối đá địa tầng bề mặt đất Những điểm luận án - Lần Việt Nam luận án xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F’(z) phục vụ cho công tác dự báo dịch chuyển biến dạng vùng than Quảng Ninh - Luận án xác định mối quan hệ mô đun đàn hồi khối đá mỏ độ lún cực đại theo kết quan trắc thực địa - Luận án xác định hệ số giảm bền K = 1,24 để xây dựng mơ hình địa khu vực Quảng Ninh nhằm dự báo dịch chuyển biến dạng phá hủy khối đá bề mặt đất - Luận án xác định quy luật dịch chuyển biến dạng phá hủy đá vách lò chợ giới hóa khai thác hạ trần thu hồi than vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu Ý nghĩa khoa học thực tiễn 7.1 Ý nghĩa khoa học: Thiết lập sở khoa học phương pháp luận xây dựng mơ hình biến động địa với mơi trường đồng không đồng khối đá để dự báo thông số dịch chuyển biến dạng đất đá khai thác vỉa dày lò chợ giới hóa 7.2 Ý nghĩa thực tiễn: - Ứng dụng mơ hình biến động địa cho phép khảo sát ảnh hưởng tham số học đến thông số đàn hồi chiều dày vỉa than - Sử dụng mơ hình cho phép dự báo thơng số dịch chuyển biến dạng vùng mỏ chưa nghiên cứu kỹ dịch chuyển biến dạng Cơ sở tài liệu Luận án thực sở nguồn tài liệu đo đạc thực địa phong phú từ trạm quan trắc mỏ than Quảng Ninh Đồng thời, luận án tham khảo nhiều đề tài, dự án, báo cáo khoa học dịch chuyển biến dạng đất đá, mô hình địa tác giả ngồi nước Cấu trúc luận án Luận án bao gồm chương với phần mở đầu kết luận, tài liệu tham khảo trình bày 128 trang đánh máy A4 Dưới tiêu đề chương: Chương 1: Tổng quan kết nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất ảnh hưởng khai thác Chương 2: Mơ hình địa nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất ảnh hưởng khai thác Chương 3: Nghiên cứu xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn từ số liệu quan trắc mỏ than hầm lò Quảng Ninh Chương 4: Nghiên cứu mối quan hệ độ lún cực đại xác định từ kết quan trắc thực địa với mô đun đàn hồi khối đá mỏ Chương 5: Ứng dụng mơ hình địa nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt ảnh hưởng khai thác lò chợ vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu Quảng Ninh Kết luận kiến nghị Các cơng trình khoa học cơng bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 1.1 Tổng quan kết nghiên cứu mơ hình địa giới Trên giới có nhiều nhà khoa học nghiên cứu lý thuyết dựa phương pháp số: Để giải tốn học mơi trường liên tục, có số nhà nghiên cứu như: A.B Fadeev, Vitke, S G Ashikhmin vv Để giải tốn mơ hình mơi trường đàn hồi, liên tục cơng trình nhà nghiên cứu như: A D Xashurin, V E Bolicov, A B Makarov, vv [23, 27, 52, 56, 57] Để tính tốn thơng số q trình dịch chuyển khai thác vỉa than có chiều dày khơng lớn có nhà khoa học A.B Makarov, V.N Bors – Komponees vv Các nhà bác học M.V Kurlen, A.B Fadeev nhà khoa học khác [37, 42, 72] có đóng góp quan trọng phát triển mơ hình biến dạng phi tuyến khối đá mỏ Lần phương pháp số Kratch [48] sử dụng để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏ trường hợp khai thác vỉa than độ dốc thoải với mơ hình môi trường đàn hồi T2 T1 Hình 1.3: Mơ hình địa Xashurin phân tích q trình dịch chuyển đá mỏ 1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh Ở Việt Nam giai đoạn từ năm 1980 đến năm 2010 nghiên cứu dịch chuyển biến dạng chưa quan tâm: Năm 1980, PGS.TS Nguyễn Đình Bé [1] người đặt móng cho việc nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá khai thác hầm lò Việt Nam Tiếp theo PGS.TS Võ Chí Mỹ [14], Năm 1988, TS Nguyễn Xuân Thụy TS Kiều Kim Trúc [21] Năm 2003 TS Vương Trọng Kha [13] Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV tiến hành xây dựng trạm quan trắc quan trắc thực địa thuộc cấp nhà nước TS Phùng Mạnh Đắc chủ nhiệm, thực KS Phạm Văn Chung [7] Giai đoạn từ năm 2010 đến phải để đến số nhà khoa học sử phương pháp lý thuyết sử dụng phương pháp số như: Năm 2011, TS Nguyễn Anh Tuấn nhóm nghiên cứu sử dựng chương trình Phase phân tích sụt lún q trình biến đổi học khai thác hỗn hợp hầm lò lộ thiên Năm 2014, TS Lê Văn Công nghiên cứu áp dụng mơ hình số xác định thơng số dịch chuyển, biến dạng đất đá q trình đào lò khai thác mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh sử dụng phần mềm FLAC 2D Năm 2015, GS.TS Nguyễn Quang Phích nghiên cứu ứng dụng phát triển mơ hình phân tích, dự báo tai biến địa chất - kỹ thuật cơng trình ngầm, cơng trình khai thác mỏ Việt Nam 1.3 Kết luận chương 1 Mơ hình địa với ưu điểm vượt trội (khả tạo mơ hình từ đơn giản đến phức tạp cấu trúc linh hoạt lựa chọn tham số mô hình mà phương pháp nghiên cứu khác khơng có được) với phát triển nhanh phương pháp số cơng cụ tính tốn số ưu tiên lựa chọn để giải toán liên quan đến dịch chuyển biến dạng đất đá bề mặt khai thác hầm lò Ở Việt Nam, có số cơng trình nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng mặt đất ảnh hưởng khai thác hầm lò phương pháp mơ hình vật liệu tương đương PGS.TS Nguyễn Đình Bé, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV Bộ môn Trắc địa mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đây kết ban đầu quý giá, hạn chế, chẳng hạn như: tạo giống số lý mơ hình thực tế, tỷ lệ mơ hình q bé so với phạm vi thực tế kết nhận có ý nghĩa mặt định tính, khơng thể có mặt định lượng Thực tế có vài kết nghiên cứu dịch chuyển biến dạng mô hình địa tác giả như: GS.TS Nguyễn Quang Phích TS Lê Văn Cơng, nhiên kết ứng dụng xây dựng ngầm đường lò Rõ ràng vấn đề nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt ảnh hưởng khai thác đề tài mở bối cảnh Việt Nam Kết quan trắc thực địa cho phép xác định xác thơng số đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt đất khu vực ảnh hưởng khai thác hầm lò, có hạn chế định khơng thể mơ tả tổng thể tranh trình dịch chuyển biến dạng khối đá mỏ Chính vậy, cần nghiên cứu kết hợp hai phương pháp: phương pháp lý thuyết dựa tảng phương pháp số phương pháp quan trắc trường để bổ trợ lẫn cho phép nghiên cứu tranh tổng thể trình dịch chuyển biến dạng khối đá điều khiển áp lực mỏ để có giải pháp khai thác an tồn, hiệu CHƯƠNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 2.1 Quan niệm mơ hình 2.1.1 Định nghĩa mơ hình Trước hết hiểu đơn giản: mơ hình tranh hạn chế thực tế hay thực thể Bức tranh xây dựng lên vật chất hay hoàn toàn trừu tượng lý thuyết 2.1.2 Các đặc trưng mơ hình Theo Herbert Stachowiak, mơ hình đặc trưng ba đặc điểm [46]: Bản lại, Thu hẹp, thu nhỏ Tính thực dụng 2.1.3 Phân loại mơ hình Mơ hình kinh nghiệm, Mơ hình giải tích, Mơ hình số 2.1.4 Ưu nhược điểm mơ hình - Mơ hình kinh nghiệm mơ yếu tố địa chất, học đơn giản Do cho kết định tính - Mơ hình giải tích: với hàm toán học thường cho lời giải nghiệm kín, kết xác Tuy nhiên mơ hình có hạn chế thường giải giả thiết đơn giản, đất đá đàn hồi, đẳng hướng chưa ý đến ứng suất, đặc tính học đất đá - Mơ hình số: Mơ đầy đủ đặc tính đất đá thay đổi tham số đầu vào nhanh chóng kết phù hợp Do vậy, lời giải phức tạp, môi trường khối đá khơng giống vị trí nên mơ khó khăn 2.2 Nghiên cứu mơ hình 2.2.1 Xây dựng mơ hình a) Địa chất b) Địa kỹ thuật c) Kỹ thuật 2.2.2 Nghiên cứu mơ hình Nghiên cứu mơ hình nghĩa tìm cách mơ lại tác động lên vật thể thực, để thu nhận tín hiệu hay thơng tin theo cách mong muốn người nghiên cứu 2.2.3 Kiểm chứng mơ hình Kết nghiên cứu mơ hình, hay kết mơ phỏng, có ý nghĩa thực tế, kết thử nghiệm để minh chứng vật thể thực, trường hợp khối đá xung quanh không gian khai thác 2.2.4 Điều chỉnh tham số mơ hình Khi có sai lệch, cơng việc xác định lại tham số đầu vào thông qua tốn phân tích ngược mơ hình thiết lập lý thuyết (mơ hình lý thuyết), điều chỉnh hệ số hàm thực nghiệm, tham số hay hệ số kinh nghiệm mơ hình tốn học (hay mơ hình bán thực nghiệm 2.3 Mơ hình địa mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá 2.3.1 Lịch sử nghiên cứu mơ hình địa Để nghiên cứu giải thích quy luật dịch chuyển biến dạng đất đá đào lò chuẩn bị khai thác than lò chợ người ta đưa mơ hình địa đơn giản cho khối đá nguyên thủy hình lập phương tích khối đá đơn vị nằm độ sâu H thể hình 2.3 Điều kiện biên mơ hình chịu thành phần ứng lực pháp tuyến σ1 ứng lực hông σ2, σ3 với giá trị xác định sau [2]: P = 1 = H (2.1) 2 = 3 = k1 (2.2) σ3 σ1 σ2 σ2 σ1 σ3 Hình 2.3 Mơ hình địa đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá nguyên thủy độ sâu H Dựa vào mơ hình người ta giải thích quy luật dịch chuyển biến dạng đào lò chuẩn bị (hình 2.4) khai thác than lò chợ (hình 2.5) Kratch [48] khắc phục số nhược điểm mơ hình cách đưa mơ hình biến động địa (hình 2.6) Hình 2.6 Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ 2.3.2 Hệ thống hóa mơ hình học đá khối đá mỏ 12 Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa mỏ than Mạo Khê, Mông Dương xác định hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), S’(z), S”(z), F(z), F’(z) phù hợp với điều kiện địa chất khai thác bể than Quảng Ninh để phục vụ cho cơng tác tính tốn dự báo đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ nhằm bảo vệ cơng trình đảm bảo an tồn q trình khai thác than hầm lò CHƯƠNG 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 4.1 Xây dựng mơ hình địa cho khối đá bể than Quảng Ninh 4.1.1 Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu Bể than Quảng Ninh gồm ba khu vực [8]: ng Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả với điều kiện địa chất khác nhau: Kết thí nghiệm mẫu đá phương pháp nén đơn trục vùng bể than Quảng Ninh ghi bảng 4.1 [8] Bảng 4.1: Kết thí nghiệm nén đơn trục loại đá STT Loại đá Độ bền nén σ (Mpa) Ghi Cát kết 114 Bột kết 42 Sét kết 31 Than 17.1 4.1.2 Xác định mô đun đàn hồi cho lớp đất đá bể than Quảng Ninh 4.1.3 Kết xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata Để tính mơ đun đàn hồi E theo Rockdata, cần có thông số đầu vào độ bền nén trục (σ), số bền địa chất (GSI), số phá hoại nổ mìn (D) bể than Quảng Ninh, số GSI, D lấy theo kinh nghiệm chuyên gia Ngô Văn Sỹ Các số liệu đầu vào ghi bảng 4.5, kết tính hệ số đàn hồi E thể bảng 4.6 13 STT Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào RocData Loại đá Độ bền Chỉ số bền Chỉ số phá nén σ địa chất hoại nổ MPa GSI mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) Cát kết 114 45 0.8 17 Bột kết 42 37 0.8 Sét kết 31 11 0.8 4 Than 17.1 0.8 Bảng 4.6 Kết tính mơ đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown TT Loại đá Độ bền nén σ (MPa) Chỉ số bền địa chất (GSI) Chỉ số phá hoại nổ mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) Mô đun đàn hồi E (Mpa) Cát kết 114 45 0.8 17 2115 Bột kết 42 37 0.8 691.36 Sét kết 31 11 0.8 244.03 Than 17.1 0.8 93.01 4.2 Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất 4.2.1 Khái quát phần mềm RS2 (Phase2) hãng Rocscience Inc (Canada) 4.2.2 Thông số đầu vào trường hợp tính tốn TH1: Xây dựng mơ hình địa với mơ đun đàn hồi loại đá cát kết có E = 2115 MPa, bột kết có E = 691.36 MPa, sét kết có E = 244.03 MPa tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH2: Tham số đầu vào 70% hệ số đàn hồi tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH3: Tham số đầu vào 50% hệ số đàn hồi tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH4: Tham số đầu vào 125% hệ số đàn hồi tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH5: Tham số đầu vàobằng 30% hệ số đàn hồi tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi 14 TH6: Tham số đầu vào 10% hệ số đàn hồi tính từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi 4.3.3 Kết tính tốn cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ Từ bảng 4.7 rút nhận xét mơ đun đàn hồi lớn độ lún giảm, có mối quan hệ tương quan chặt chẽ Bảng 4.7 Giá trị độ lún cực đại mô đun đàn hồi Kết xác định độ lún mô đun đàn hồi Loại TT Giá trị đá TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 Cát kết Bột E(MPa) 2115.00 1480.50 1057.50 2643.75 634.50 211.50 E(MPa) 691.36 483.95 345.68 864.20 207.41 69.14 E(MPa) 244.03 170.82 122.02 305.04 73.21 24.40 Than E(MPa) 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01 1.906 1.500 1.918 0.944 2.658 5.095 kết Sét kết Ƞ(m) Hình 4.5: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp Hình 4.6: Biểu đồ độ lún trường hợp 4.3 Xác định mối quan hệ độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 4.3.1 Phương pháp phân tích thống kê 4.3.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính 15 4.3.3 Xác định mối quan hệ độ lún cực đại với mô đun đàn hồi Để đánh giá tầm quan trọng biến số ảnh hưởng với nhau, sử dụng ngôn ngữ phân tích thơng kê đồ thị (phần mềm R) xác định biểu đồ tương quan phương trình biến độc lập Cơ sở liệu lấy từ bảng 4.7, kết phân tích sau: Đối với đá cát kết, bột kết, sét kết ta có biểu đồ tương quan thể hình 4.17, 4.18 neta 250 500 750 E Hình 4.18 Biểu đồ tương quan độ Hình 4.17 Biểu đồ tương quan độ lún lún với hệ số đàn hồi đá bột kết với hệ số đàn hồi đá cát kết Phương trình biểu thị mối tương quan độ lún cực đại với hệ số đàn hồi loại đá: ƞ= a+ EX+EX2+ EX3 Trên sở xác định mối tương quan đá cát kết với hệ số đàn hồi xác định phương trình 3.4 Ƞ= 7.01 - 1.04.10-2 E + 6.50.10-6 (E)2- 1.30.10-9 (E)3 (4.4) Đát bột kết xác định phương trình 3.5 Ƞ= 7.01 - 3.17.10-2 E + 6.08.10-5 (E)2 - 3.72.10-8 (E)3 (4.5) Đát sét kết xác định phương trình 3.6 Ƞ= 7.01 - 8.99.10-2 E+ 4.88.10-4 (E)2 - 8.46.10-7 (E)3 (4.6) Như vậy, giải phương trình (4.4), (4.5), (4.6) xác định hệ số đàn hồi EC kết ghi bảng 4.8 Bảng 4.8 Kết tính hệ số đàn hồi loại đá TT Hệ số Cát kết Bột kết Sét kết Ghi ER 2115 691.36 244.03 EC 2628.788 860.368 303.637 16 Từ kết bảng 4.8 thấy sử dụng hệ số đàn hồi tính phần mềm Rockdata (ER) đưa vào mơ hình địa cho vùng ta dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt, xác định thơng số dịch chuyển từ có sở đưa giải pháp khai thác an toàn, hiệu Trong trình xử lý số liệu Tuy nhiên, sử dụng mơ hình địa cho bể than Quảng Ninh theo tác giả nghiên cứu xác định hệ số phụ thuộc giảm bền theo công thức 4.7 KC = EC/ER=1,24 (4.7) 4.4 Kết luận chương Trên giới có nhiều mơ hình địa phân tích, dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt đất, phát triển dạng khác Kết tổng hợp phân tích cho thấy, mơ hình có tồn tại, hạn chế định thường mang tính địa phương, liên quan với điều kiện địa chất cụ thể khu vực, nước Các mơ hình địa sử dụng phương pháp số có tính định lượng cao Độ xác mơ hình tùy thuộc vào nhiều yếu tố, yếu tố thí nghiệm độ bền nén trục quan trọng Trong thực tế nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt đất ảnh hưởng khai thác hầm lò, luận án sử dụng mơ hình địa với nguồn liệu đầu bể than Quảng Ninh xác định mô đun đàn hồi cho mơ hình địa với điều kiện biên mơ hình độ lún cực đại xác định quan trắc thực địa, điều chỉnh mơ hình địa sát thực tế Tác giả xây dựng mơ hình địa phục vụ cho cơng tác phân tích, dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt có sở khoa học Đối với mơ hình địa áp dụng cho bể than Quảng Ninh hệ số giảm bền KC =1,24 CHƯƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ĐỊA CƠ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC LÒ CHỢ VỈA V7 MỎ THAN NAM MẪU QUẢNG NINH 5.1 Vị trí địa lý ranh giới khu vực nghiên cứu Khu vực nghiên cứu đặt trạm quan trắc dịch chuyển biến dạng đất đá bề mặt có điểm toạ độ ghi bảng 5.1 [7] 17 Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc Điểm X Y A 40400 368900 B 40400 370300 C 39100 368900 D 39100 370300 5.2 Khái quát công nghệ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than Sơ đồ công nghệ đề xuất áp dụng cho điều kiện vỉa dày, thoải đến nghiêng thể hình 5.3 [9] Đặc điểm cơng nghệ khai thác vỉa dày tỷ lệ tổn thất than tăng theo chiều dày lớp than hạ trần Hình 5.3: Sơ đồ cơng nghệ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ trụ hạ trần thu hồi than [9] 5.3 Kiến nghị thơng số đàn hồi cho mơ hình địa mỏ than Nam Mẫu Trong q trình thi cơng địa chất cơng trình ngồi việc lấy mẫu thí nghiệm tuyến V lấy thêm lỗ khoan LK-24, LK-NM20, LK-NM51 tuyến VA, LK-36, LK-38A, LK-82 tuyến VI, LK-CG16, LK-NM27, LK-CG17, LK-NM28 tuyến III Bảng 5.3 Kết xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata 18 TT Loại đá Độ bền nén σ (MPa) Chỉ số bền địa chất (GSI) Chỉ số phá hoại nổ mìn (D) Hằng số vật liệu (mi) Thông số đàn hồi E (MPa) Lực dính kết C (Mpa) Góc nội ma sát φ (độ) Cát kết 114 45 0.8 17 2115 0.807 42.358 Bột kết 42 37 0.8 691.36 0.324 23.276 Sét kết 31 11 0.8 244.03 0.41 12.281 Than 17.1 0.8 93.01 0.059 3.5 Như vậy, kết xác định thông số E, C, φ đầu vào để chạy cho mơ hình địa tính tốn với trạng thái đàn hồi dẻo mỏ than Nam Mẫu Quảng Ninh ghi bảng 5.4 Bảng 5.4: Kết xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu TT Hệ Cát kết Bột kết Sét kết Than Ghi số EC 2628.788 860.368 303.637 93.01 C 42.358 23.276 12.281 3.50 φ 0.807 0.324 0.41 0.059 5.4 Tính tốn dịch chuyển biến dạng khai thác lò chợ giới hóa theo hướng dốc mơ hình địa Mơ hình địa xây dựng chương 4, tham số đầu vào q trình tính tốn giá trị E, C, φ đưa phần mềm thương mại Rocscience 2.0 Miền tính tốn mơ hình lấy chiều rộng chiều cao 700x300m so với chiều rộng thực tế mặt cắt 1400x450m, nhiên khu vực đặt trạm quan trắc dịch động vỉa giới hạn từ lỗ khoan LK7 đến biên giới 500m, mức khai thác vỉa từ -80 đến mặt đất 250m, nghĩa chiều cao khoảng 330m Do vậy, tác giả nghiên cứu mơ hình 700x300 hợp lý so thực 19 Hình 5.4: Sơ đồ tính tốn Hình 5.5: Nhập thơng số cho mơ hình Hình 5.7: Mơ hình mơ tả biểu đồ độ lún Hình 5.8: Mơ hình mơ tả biểu đồ biến dạng ngang Hình 5.9: Xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc Hình 5.10: Biểu đồ độ lún góc dịch chuyển Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng lớp đất đá Hình 5.12: Véc tơ dịch chuyển theo thời gian 20 Ở hình 5.7 độ lún mặt đất thể đường màu đỏ có giá trị lớn nhất, đường màu xanh có giá trị nhỏ nhất, kết tính tốn xác định độ lún cực đại ƞ = 1.150m, góc dịch chuyển biên 0 = 470 thể hình 5.9 Trên hình 5.9, 5.10 tập hợp kết phân tích độ lún mặt đất, thể qua biến hình lưới phần tử hữu hạn, cho thấy khai thác độ sâu định, vùng sụt lún rộng thêm mặt đất, độ cong giảm dần, có nghĩa khai thác sâu khả gây phá hủy làm trượt, đổ công trình kiến trúc giảm Điều chứng tỏ khai thác xuống sâu đến độ sâu khai thác an tồn dịch chuyển biến dạng không lan truyền lên đến bề mặt đất Trên hình 5.10 thể dịch chuyển biến dạng lớp đất đá cho thấy có ba vùng rõ rệt: vùng dịch chuyển hồn tồn gần lò tạo hình chữ V, phía vùng uốn võng vùng đất đá chịu nén 5.5 Tính tốn dịch chuyển biến dạng khai thác lò chợ giới hóa theo đường phương Sơ đồ tính tốn thể hình 5.16 với lớp đất đá lấy theo tiêu lý bảng 4.6 Khoảng cách tiến gương ban đầu 12.3m (bao gồm 10 bước tiến gương lò chợ khoảng cách chuẩn bị lắp giàn chống); để thể rõ vùng ứng suất biến dạng tác giả giải toán 10 bước tiến gương lò chợ 6.3m độ mơ hình với 20 độ tiến gương lò chợ để tìm quy luật phân bố vùng dịch chuyển biến dạng xung quanh lò chợ khai thác bề mặt đất Hình 5.16 Mơ hình tính tốn lò chợ giới hóa theo đường phương Hình 5.17 Mơ tả ứng suất 1 lò chợ ban đầu 21 Hình 5.18 Mơ tả ứng suất Hình 5.19 Mơ tả ứng suất 1 độ thứ 1 độ thứ Thông qua số liệu hình ta thấy sau hướng tiến gương phá hủy (đặc trưng điểm vòng tròn) mơ tả sập lở lớp đất đá lò chợ Qua hình ta tính tốn chiều cao sập lở (vùng phân bố điểm vòng tròn) H=12m Như đến độ thứ 11 bước sập đổ lập lại, nghĩa chiều dài lò chợ khai thác theo đường phương 69m lập lại bước sập đổ chiều cao vùng sập đổ Tổng hợp bước tiến gương với 11 độ ta thấy độ thứ 11 quy luật phân bố ứng σ1 trở trạng thái ban đầu thể hình 5.24 Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất σ1 độ 22 5.6 Kiểm chứng mơ hình địa với kết quan trắc thực địa Như biết, để dự báo dịch chuyển biến dạng ảnh hưởng khai thác hầm lò khu vực chưa có quan trắc dịch động cần phải xác định độ lún cực đại Như vậy, đề tài luận án tác giả lựa chọn xác định độ lún cực đại thông qua mô hình địa để kiểm chứng kết quan trắc dịch động mỏ than Nam Mẫu thể bảng 5.5 Bảng 5.5: Kết so sánh giá trị dịch chuyển theo hướng dốc Giá trị Mơ hình địa Quan trắc thực Ghi địa ƞ -1,150m -1,082m Theo hướng dốc ƞ -1,186m -1,185m Theo đường phương β0 470 450 5.7 Kết luận chương Kết phân tích cho thấy: Mơ hình địa luận án sử dụng cho Quảng Ninh xác định quy luật phân bố ứng suất σ1 độ lò chợ quy luật sập đổ lặp lại trạng thái ban đầu khai thác tiến gương đến độ thứ 10 mơ hình tương đương 69m, chiều cao vùng sập đổ phá hủy H=12m Mô hình địa xác định thơng số dịch chuyển biến dạng cho mỏ than Mam Mẫu có độ tin cậy cao nhờ so sánh kết thông số đại lượng dịch chuyển quan trắc thực địa giá trị Mơ hình địa tính tốn cho lò chợ theo hướng dốc xác định biến động lớp đất đá xung quanh lò chợ địa tầng đất đá bề mặt đất Xác định chiều cao vùng sập đổ, bước sập đổ đá vách khai thác vỉa dày lò chợ giới hóa Xác định vùng uốn võng liên tục, vùng uốn võng có kẽ nứt bồn dịch chuyển bề mặt đất Như vậy, mơ hình địa cho phép nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất tranh tổng thể trình dịch chuyển biến dạng 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết nghiên cứu luận án khẳng định rằng: luận điểm khoa học luận án chứng minh rút số kết luận kiến nghị sau đây: Kết luận Trên sở kết nghiên cứu thu rút số kết luận sau: Các phương pháp quan trắc trường xác định thông số dịch chuyển đá mỏ bề mặt đất công cụ chủ yếu để chuẩn xác hóa thơng số dịch chuyển đá mỏ xác định từ nghiên cứu lý thuyết mơ hình địa với giả định lực chuyển động mơ hình lực trọng trường, tức trọng lực khối đá sập đổ khối đá mỏ môi trường đẳng hướng Như vậy, việc áp dụng rộng rãi nghiên cứu lý thuyết dựa tảng phương pháp số với giả định khối đá môi trường biến dạng đàn hồi, bất đẳng hướng đòi hỏi cần thiết phải lựa chọn điều kiện biên cho mơ hình địa thông qua phương pháp đo đạc trường Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa mỏ than Mạo Khê, Mông Dương xác định hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F’(z) phù hợp với điều kiện địa chất - khai thác bể than Quảng Ninh để phục vụ cho cơng tác tính tốn dự báo đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ nhằm bảo vệ cơng trình đảm bảo an tồn q trình khai thác than hầm lò Xác định thông số đại lượng dịch chuyển đá mỏ cung cấp điều kiện biên cho tốn mơ hình địa như: kích thước vùng biến dạng, góc dịch chuyển giới hạn, góc dịch chuyển biên, vv Đồng thời độ lún cực đại đại lượng để nghiên cứu mối tương quan với thông số đàn hồi Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt đất ảnh hưởng khai thác hầm lò, luận án xây dựng mơ hình địa với nguồn liệu đầu tham số học khối đá bể than Quảng Ninh Từ xác định hệ số đàn hồi cho mơ hình địa với điều kiện biên mơ hình độ lún cực đại xác định quan trắc thực địa Thiết lập phương trình mối tương quan độ lún cực đại với thông số đàn hồi Tác giả xây dựng mô hình địa phục vụ cho cơng tác phân tích, dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt Đối với mơ hình địa áp dụng cho bể than Quảng Ninh hệ số giảm bền KC =1,24 24 Mơ hình địa lựa chọn cho bể than Quảng Ninh nghiên cứu tranh tổng thể trình dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất Xác định chiều cao vùng sập đổ, bước sập đổ khai thác vỉa dày lò chợ giới hóa, đồng thời xác định độ lún cực đại khu vực nghiên cứu kết hợp với hàm đường cong tiêu chuẩn đưa dự báo xác dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất cho bể than Quảng Ninh Qua kiểm định mơ hình với giá trị quan trắc thực địa tin tưởng mơ hình địa cho kết sát thực với thực tế Kiến nghị Việc nghiên cứu tích hợp mơ hình địa sử dụng phương pháp số cho phép luận án đưa dự báo dịch chuyển biến dạng có độ tin cậy cao Tuy nhiên cần khảo sát nghiên cứu thêm thay đổi hệ số Poisson xem trình dịch chuyển biến dạng có thay đổi lớn hay khơng Để có mơ hình địa xác thông số đầu vào độ bền nén trục, số vật liệu, số bền địa chất cần có kết thí nghiệm nhiều người làm phải có kinh nghiệm, thơng sơ đầu vào ta qn bình hóa, lấy theo kinh nghiệm 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN A Các đề tài nghiên cứu: Chủ nhiệm đề tài cấp Bộ (2010), “Nghiên cứu xác định thông số dịch chuyển biến dạng bề mặt đất điều kiện địa chất đặc biệt khai thác than hầm lò bể than Quảng Ninh” Chủ nhiệm đề tài cấp Bộ (2011) “Nghiên cứu xử lý, tổng hợp kết quan trắc thực địa xác định thông số dịch chuyển biến dạng đất đá cho số mỏ vùng than Quảng Ninh” B Các báo: Tiếng Việt Phạm Văn Chung, Lê Văn Cảnh, Vương Trọng Kha (2012), “Xác định thông số dịch chuyển biến dạng đất đá mặt mỏ than Mạo Khê khai thác hầm lò” Tạp chí Cơng nghiệp mỏ số năm 2012 Vương Trọng Kha, Phùng Mạnh Đắc, Phạm Văn Chung (2012), “Nghiên cứu quy luật dịch chuyển đất đá biến dạng bề mặt điều kiện địa chất đặc biệt bể than Quảng Ninh” Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, số 39 năm 2012 Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2013), “Nghiên cứu xây dựng mơ hình địa dự báo tượng phá hủy, dịch chuyển biến dạng khai thác than vùng Quảng Ninh” TT Khoa học Công nghệ mỏ, Tạp chí KHKT Mỏ-Địa chất, Số năm 2013, số 43 năm 2013 Phạm Văn Chung, Vương Trọng Kha (2013), “Nghiên cứu xác định thông số dịch chuyển biến dạng đất đá mỏ than Mông Dương” Tạp chí Cơng nghiệp mỏ, Số 2B năm 2013 Phạm Văn Chung, Nguyễn Viết Nghĩa (2013), “Nghiên cứu xử lý kết quan trắc thực địa để xác định thông số dịch chuyển, biến dạng cho số mỏ hầm lò Quảng Ninh” Tạp chí Cơng nghiệp mỏ, Số năm 2013 Nguyễn Quang Phich, Nguyễn Tiến Mạnh, Phạm Văn Chung, An Xuân Trường, Ngô Văn Giáp (2014), “Mô biến đổi học khai thác vỉa dày, dốc hệ thống khai thác chia lớp ngang sử dụng chương trình UDEC” TT Khoa học Công nghệ mỏ, Số năm 2014 Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2014), “Phân tích tai biến sụt lún, sụt lở đất đá khai thác xây dựng cơng trình ngầm” TT Khoa học Cơng nghệ mỏ, Số 12 năm 2014 26 Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2015), “Về khả phân tích, dự báo bồn dịch chuyển (sụt lún) khai thác mỏ mơ hình số” TT Khoa học Cơng nghệ mỏ, Số năm 2015 Phạm Văn Chung, Vương Trọng Kha (2016), “Phân tích, dự báo dịch chuyển biến dạng khai thác mỏ hầm lò mơ hình địa cơ” Hội nghị Khoa học Kỹ thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXV, năm 2016 10 Phạm Văn Chung, Nguyễn Quốc Long, Vương Trọng Kha, Nguyễn Quang Phích (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng góc dốc vỉa độ sâu khai thác đến dịch chuyển biến dạng bề mặt mơ hình địa cơ” Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, Số 58 năm 2017 11 Phạm Văn Chung, Phùng Mạnh Đắc, Vương Trọng Kha (2018), “Xây dựng mơ hình địa xác định mơ đun đàn hồi cho bể than Quảng Ninh ảnh hưởng lò chợ khai thác vỉa dày” Tạp chí Cơng nghiệp mỏ, Số năm 2018 12 Phạm Văn Chung, Phùng Mạnh Đắc, Vương Trọng Kha (2018), “Xây dựng hàm số đường cong mẫu cho bể than Quảng Ninh từ số liệu quan trắc thực địa” Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, Số 59 kỳ năm 2018 Tiếng Anh 13 PHAM Van Chung, LE Van Canh, LE Thi Thu Ha (2014), “Processing the observation data to determine the movement parameters and building non-scale curve form for Mong Duong coal mine” The 3rd International Conference on Advances in Mining and Tunneling, Vung Tau, Viet Nam, năm 2014 14 Pham Van Chung, Nguyen Viet Nghia, Nguyen Quang Phich (2015), “The application of digital model to analyze and forecast sinking field (subsidence) in underground mining” The 2nd International Conference Scientific Research Cooperation between Vietnam and Poland in Earth Sciences, năm 2015 15 Pham Van Chung, Cao Xuan Cuong, Nguyen Quoc Long, Phạm Ngoc Huy (2017), “Initial assessment of impact of underground coal mining on the Khe Cham screening plant” Geo-Spatial Technologies and Earth Resources (GTER 2017) ... than dày Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng mơ hình biến động địa khu vực lò chợ giới khai thác vỉa dày số mỏ than hầm lò Quảng Ninh lựa chọn xuất phát... mặt đất ảnh hưởng lò chợ giới hoá khai thác vỉa dày số mỏ than hầm lò Quảng Ninh 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu luận án - Nghiên cứu tổng quan mơ hình địa mỏ; - Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính chất... đá vùng than Quảng Ninh điều kiện khai thác vỉa dày; - Nghiên cứu phương pháp luận khoa học xây dựng mô hình biến động địa cơ; - Nghiên cứu xác định điều kiện biên cho mơ hình biến động địa thông