Bài viết luận giải lựa chọn phương pháp tính toán các tham số dịch động, từ đó đề xuất công nghệ khai thác hợp lý cho phần trữ lượng nằm dưới các đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt tại mỏ than Núi Béo.
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ ÁP DỤNG PHẦN MỀM “MASSIP” TÍNH TỐN CÁC THAM SỐ DỊCH CHUYỂN, BIẾN DẠNG KHỐI ĐÁ MỎ VÀ BỀ MẶT ĐỊA HÌNH KHI KHAI THÁC CÁC VỈA THAN NẰM DƯỚI CƠNG TRÌNH CẦN BẢO VỆ TẠI MỎ THAN NÚI BÉO TS Lê Văn Hậu Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin ThS Trần Đức Dậu Trường Đại học Tài nguyên Mơi trường Thành phố Hồ Chí Minh Biên tập: TS Lê Đức Nguyên Tóm tắt: Hiện nay, Công ty than Núi Béo khai thác than phương pháp hầm lò, với tổng trữ lượng địa chất huy động 53,1 triệu tấn, có tới 22,5 triệu (chiếm 42,4%) nằm cơng trình, đối tượng tự nhiên cần bảo vệ bề mặt Để khai thác hiệu phần trữ lượng đảm bảo an tồn cho cơng trình bề mặt, việc nghiên cứu, đánh giá ảnh hưởng tham số sơ đồ công nghệ (SĐCN) khai thác đến trình dịch chuyển, biến dạng bề mặt cần thiết Bài báo luận giải lựa chọn phương pháp tính tốn tham số dịch động, từ đề xuất cơng nghệ khai thác hợp lý cho phần trữ lượng nằm đối tượng cần bảo vệ bề mặt mỏ than Núi Béo Dự án mỏ hầm lò Núi Béo dự kiến huy động vào khai thác vỉa than (V11, V10, V9, V7, V6) từ mức -350 ÷ Lộ vỉa, với tổng trữ lượng địa chất huy động khoảng 53,1 triệu [4] Trong có đến 22,5 triệu (chiếm 42,4% tổng trữ lượng địa chất huy động) nằm phường Hà Lầm, Hà Trung, Hà Tu thành phố Hạ Long Để khai thác hiệu phần trữ lượng nằm cơng trình bề mặt, đảm bảo an toàn cho đối tượng cần bảo vệ, việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng tham số SĐCN khai thác đến trình dịch chuyển, biến dạng bề mặt cần thiết Hiện nay, có nhiều phương pháp để xác định tham số dịch chuyển biến dạng bề mặt ảnh hưởng q trình khai thác hầm lị, phương pháp thực quan trắc ngồi thực địa; nghiên cứu mơ hình vật liệu tương đương phịng thí nghiệm sử dụng phần mềm để mơ tính tốn giá trị cần thiết… Trong đó, Viện VNIMI - Liên Bang Nga đưa phương pháp tính tốn, xác định tham số dịch chuyển đất đá bề mặt tổng hợp “Quy tắc bảo vệ cơng trình xây dựng đối tượng tự nhiên từ ảnh hưởng có hại khai thác mỏ hầm lị mỏ than” [9] Quy tắc nghiên cứu phát triển sở kết quan trắc thực địa; tổng quan kinh nghiệm khai thác khu vực dân cư, cơng trình xây dựng đối tượng tự nhiên; nghiên cứu phịng thí nghiệm phân tích q trình dịch chuyển đất đá mỏ, bề mặt địa hình Từ đưa phương pháp xây dựng trụ bảo vệ điều kiện lớp đất đá bị phá hủy không bị phá hủy, luận giải phương pháp xác định số biến dạng giới hạn cho phép bán kính ảnh hưởng cơng trình dân dụng cơng nghiệp, đề xuất phương pháp tính tốn tham số dịch chuyển biến dạng bề mặt ảnh hưởng q trình khai thác hầm lị giải pháp bảo vệ đối tượng bề mặt giai đoạn khai thác khác theo thiết kế quy hoạch mỏ Trên sở phương pháp luận [9], nhà lập trình tin học lĩnh vực khai khoáng Trường Đại học Mỏ - St.Petersburg - Liên Bang Nga đưa phương pháp tính tốn tham số dịch chuyển đất đá bề mặt ảnh hưởng q trình khai thác hầm lị tổ hợp phần mềm “Massip” Tổ hợp phần mềm đưa giải thuật để đánh giá, xác định tham số dịch KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ chuyển khối đá bề mặt thay đổi tham số SĐCN khai thác Tuy nhiên, tổ hợp phần mềm “Massip” người ta thiết lập hệ số thực nghiệm để tính tốn tham số dịch chuyển, biến dạng bề mặt cho vùng khoáng sàng riêng biệt Liên Bang Nga Do vậy, để sử dụng phương pháp tính toán cho điều kiện mỏ than Núi Béo, cần thiết phải luận giải xác định điều kiện địa chất khoáng sàng than Liên Bang Nga có tính chất tương đồng với mỏ than Núi Béo Đối với Việt Nam, năm qua có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề khai thác cơng trình cần bảo vệ bề mặt, nhằm sớm huy động phần trữ lượng vào khai thác Trong đó, giai đoạn 2004 ÷ 2011 Viện KHCN Mỏ - Vinacomin thực đề tài “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kỹ thuật công nghệ hợp lý để khai thác than khu vực có di tích lịch sử văn hóa, cơng trình cơng nghiệp dân dụng” [3] PGS-TS Phùng Mạnh Đắc làm chủ nhiệm Đề tài đánh giá tổng hợp trữ lượng vỉa than nằm cơng trình, đối tượng tự nhiên cần bảo vệ bề mặt vùng Quảng Ninh, xác định tham số góc dịch chuyển đất đá vùng Mao Khê, ng Bí, Hịn Gai, Cẩm Phả Mơng Dương phương pháp quan trắc ngồi thực địa, từ đề xuất loại hình cơng nghệ khai thác cho điều kiện vỉa than đối tượng cơng trình cần bảo vệ bề mặt Theo đó, vùng Hòn Gai, đề tài [3] xây dựng tuyến quan trắc dịch động bề mặt mỏ than Hà Lầm (có điều kiện đặc trưng cho vùng Hịn Gai) để xác định tham số góc dịch chuyển khối đá mỏ vùng Hòn Gai ảnh hưởng trình khai thác than phương pháp hầm lò Trên sở kết nghiên cứu đề tài [3], nhóm tác giả sử dụng tham số góc dịch chuyển đất đá bề mặt vùng Hịn Gai để so sánh với tham số góc dịch chuyển vùng khoáng sàng riêng biệt Liên Bang Nga, từ luận giải, xác định khống sàng than cụ thể Liên Bang Nga có điều kiện địa chất tương đồng với mỏ than Núi Béo Phương pháp, kết so sánh thể chi tiết bảng Theo phương pháp so sánh bảng 1, tổng giá trị bình phương hiệu (phương sai) góc dịch chuyển đất đá vùng Hịn Gai với khống sàng than Liên Bang Nga (ký hiệu Σ∆2) nhỏ, tương ứng với độ lệch tham số góc dịch chuyển đất đá hai khoáng sàng nhỏ ngược lại Theo đó, giá trị Σ∆2 vùng Hịn Gai khoáng sàng Bulanashky - Liên Bang Nga nhỏ Σ∆2 = 714.32, với độ lệch giá trị góc dịch chuyển đất đá hai khống sàng khơng vượt q 20%, khống sàng khác có độ lệch lớn tương ứng với Σ∆2 lớn Như vậy, kết luận, điều kiện địa chất vùng than Hịn Gai (Núi Béo) tương đồng với khống sàng Bulanashky - Liên Bang Nga Khi để tính tốn tham số dịch chuyển biến dạng đất đá bề mặt cho điều kiện mỏ than Núi Béo ảnh hưởng q trình khai thác hầm lị tổ hợp phần mềm “Massip” cho phép sử dụng hệ số thực nghiệm khoáng sàng than Bulanashky - Liên Bang Nga Việc sử dụng phương pháp số để tính tốn ứng suất biến dạng giải vấn đề địa mỏ ứng dụng rộng rãi lĩnh vực khai khoáng Sự phát triển vũ bão cơng nghệ máy tính nguyên nhân chuyển đổi hướng nghiên cứu sang cấp độ, chất lượng bao gồm mơ hình hóa máy tính để đánh giá giá trị gia tăng mức độ biến dạng khối đá mỏ Nghiên cứu thực vỉa 11 mỏ than Núi Béo, vỉa có chiều dày trung bình 5,6m, góc dốc 18o, chiều sâu khai thác từ 100 ÷ 152m Chiều dài lò chợ theo hướng dốc 100m, theo phương 405m Trong điều kiện trên, mỏ dự kiến áp dụng công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu than máy combai, chống giữ lò chợ giàn chống tự hành, khấu lớp trụ hạ trần than nóc, điều khiển đá vách phương pháp phá hỏa toàn phần Với SĐCN khai thác trên, để xác định tham số dịch chuyển đất đá bề mặt, nhóm tác giả sử dụng tổ hợp phần mềm “Massip” cách nhập tham số góc dịch chuyển đo đạc vùng than Hòn Gai (bảng 1) sử dụng hệ số thực nghiệm khoáng sàng Bulanashky - Liên Bang Nga Kết tính tốn chi tiết xem hình Kết tính tốn hình cho thấy, khai thác vỉa 11 công nghệ khai thác điều khiển đá vách phá hỏa toàn phần hình thành vùng ảnh hưởng bề mặt địa hình với bán kính khoảng 300m (hình 1.a), giá trị sụt lún cực đại η = 2,25m (hình 1.b), giá trị độ nghiêng cực đại i = 17,28.10-3 (hình 1.c), độ cong cực đại k = KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ а Bán kính vùng sụt lún bề mặt thác thác vỉa 11 phương pháp phá hỏa toàn phần b Giá trị sụt lún bề mặt địa hình theo mặt cắt thẳng đứng A-A c Độ nghiêng dịch chuyển bề mặt địa hình d Độ cong dịch chuyển bề mặt địa hình e Giá trị dịch chuyển ngang bề mặt địa hình f Giá trị biến dạng ngang bề mặt địa hình Hình Giá trị dịch chuyển đất đá bề mặt địa hình KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ 1,64.10-3 (hình 1.d) biến dạng ngang cực đại ε = 10,54.10-3 (hình 1.f) Các giá trị vượt giá trị nguy hiểm cho phép tham số dịch chuyển đất đá bề mặt như: độ nghiêng i = 4.10-3, độ cong k = 1,2.10-3, biến dạng ngang ε = 2.10-3 (những giá trị giới hạn xác lập [9]) Do vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ khai thác khác, cho giá trị tham số dịch chuyển đất đá bề mặt nhỏ giá trị giới hạn cho phép cần thiết mỏ than Núi Béo Hiện nay, để khai thác phần trữ lượng công trình dân dụng, cơng nghiệp, đối tượng chứa nước (sơng, suối, hồ)…, nước giới áp dụng công nghệ khai thác điều khiển đá vách chèn lị tồn phần phần Kết áp dụng khơng đảm bảo an tồn cho cơng trình bề mặt mà cịn đạt hiệu mặt kinh tế giảm tổn thất tài nguyên Ví dụ, để bảo vệ khu vực dân cư bề mặt địa hình, mỏ Wujeck thuộc thành phố Katowice Ba Lan khai thác vỉa than độ sâu 360m, áp dụng phương pháp điều khiển đá vách chèn lị tồn phần, thi cơng khối chèn thủy lực, khấu than đồng thiết bị giới hóa, sản lượng trung bình lị chợ đạt 400.000 T/năm Tại mỏ than vùng Donbass Liên Bang Nga, để bảo vệ cơng trình bề mặt, mỏ áp dụng SĐCN khai thác điều khiển đá vách chèn lị tồn phần, phương pháp thi công khối chèn tự chảy [1] Đối với cơng nghệ khai thác chèn lị, mức độ chèn lấp khơng gian khai thác phía sau lị chợ phụ thuộc vào vật liệu phương pháp thi công khối chèn; điều kiện địa chất khu vực áp dụng Trong đó, yếu tố vật liệu thi cơng khối chèn đóng vai trị quan trọng việc bảo vệ chèn công nghệ khai thác điều khiển đá vách chèn lị, cụ thể: - Kích thước cỡ hạt lớn vật liệu chèn để vận chuyển cơng trình bề mặt Theo tuyển tập SĐCN khai thác năm 1997 [10] đưa tiêu chí lựa chọn vật liệu thi cơng khối đường ống khơng vượt q 2/3 đường kính đường ống; - Hàm lượng chất dễ cháy vật liệu chèn không vượt 20%; - Giới hạn độ bền nén đất đá không nhỏ 25 MPa; - Thành phần hạt vật liệu cần phải đảm bảo yêu cầu độ co ngót lấp đầy khơng gian khai thác; - Độ ẩm vật liệu chèn không vượt ÷ 8% Trên cở sở kinh nghiệm khai thác vỉa than cơng trình cần bảo vệ bề mặt giới, nhóm tác giả đề xuất công nghệ khai thác điều khiển đá vách chèn lò để khai thác phần trữ lượng nằm cơng trình cần bảo vệ mỏ than Núi Béo, với vật liệu thi công khối chèn sử dụng đất đá thải từ mỏ than hầm lò, lộ thiên chất thải sau sàng tuyển than Phụ gia đông kết cho hỗn hợp vật liệu chèn để đảm bảo độ co ngót nhỏ sử dụng tro bay tro đáy Nhà máy nhiệt điện vùng xi măng Nhằm nâng cao mức độ tin cậy vật liệu thi công khối chèn lựa chọn, tiến hành nghiên cứu ứng suất biến dạng trạng thái đất đá mỏ dịch chuyển bề mặt tiến hành khai Bảng Đặc tính lý đất đá mỏ chất thải sau sàng tuyền than [6] TT Tên tiêu Đơn vị Thành phần thạch học - Cát kết - Bột kết sét kết Tỷ trọng Khối lượng thể tích Hàm lượng chất cháy Giớ hạn độ bền nén đơn trục Góc dốc tự nhiên Độ co ngót Mơ đun biến dạng % % g/cm3 g/cm3 % MPa độ % MPa Đất đá thải từ Chất thải sau mỏ sàng tuyển than 20 ÷ 30 50 ÷ 70 2,45 1,4 ÷ 1,5 15 ÷ 40 10 ÷ 190 35 ÷ 40 25 ÷ 30 40 ÷ 633 10 ÷ 30 40 ÷ 70 2,4 ÷ 2,5 1,48 ÷ 1,5 10 ÷ 40 30 ÷ 35 24 ÷ 28 - KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ 10 KHCNM SỐ 1/2020 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ thác vỉa 11 mỏ than Núi Béo công nghệ khai thác điều khiển đá vách chèn lị tồn phần Thức chất vấn đề xác định tham số SĐCN khai thác, cho giá trị dịch chuyển, biên dạng đất đá bề mặt nhỏ giá trị giới hạn nguy hiểm Cụ thể Trường Đại học Mỏ - St.Petersburg - Liên Bang Nga giới thiệu phần mềm PC “NEDRA” để giải vấn đề thực phương pháp phần tử hữu hạn [5, 8] Phần mềm PC “NEDRA” [8] thể chi tiết trình biến dạng đất đá giai đoạn giới hạn chất tải, q trình mơ ta sở mơ hình học đường biến dạng tuyến tính, giải đáp phương trình thuyết đàn hồi Trạng thái đất đá vượt giới hạn độ bền chúng đánh giá sử dụng lý thuyết biến dạng độ bền mơ hình học khối đá biến dạng Để thực thuật toán trên, sử dụng cơng nghệ máy tính chun ngành (PC «NEDRA») làm mơ hình khối đá mỏ trạng thái ứng suất biến dạng [8] Khi mơ hình hóa theo SĐCN phần mềm PC “NEDRA”, thông thường giá trị đặc tính đất đá sau sử dụng: Mô đun đàn hồi đất đá E (MPa); số lớp đất đá từ ÷ 5, lớp than (Ey); hệ số Poisson cho tất đất đá áp dụng 0,3; dung trọng đất đá từ 1,7 ÷ 2,2 T/m3; lực dính kết đất đá C (MPa); góc nội ma sát thơng thường 30o; độ bền kéo đất đá không vượt 1/3C Vật liệu chèn lị mơ hình hóa khối đá với mô đun đàn hồi (Eз) nhỏ than Trong trường hợp mơ hình hóa phương án: Eз = 0,01; 0,0333; 0,1; 0,25 0,75Ey Kích thước mơ hình thiết kế với chiều dài 600m, chiều cao 240m, vỉa nằm độ sâu 152m, chiều dày vỉa mơ hình hóa áp dụng 5,6m Những điều kiện giới hạn biên bên trái bên phải hướng khơng có dịch chuyển theo đường nằm ngang, bên theo phương thẳng đứng, bên giới hạn không hạn chế Chi tiết kết chạy mơ hình xem từ hình 2a ÷ hình 2e Kết mơ hình (từ hình 2a ÷ hình 2e) cho thấy, khai thác vỉa 11 công nghệ khai thác điều khiển đá vách chèn lò, với vật liệu chèn đất đá thải từ mỏ lộ thiên hầm lị, mơ đun biến dạng khôi chèn cần phải lớn 30 MPa Khi giá trị Ез < 30 МPа, giá trị biến dạng ngang đất đá bề mặt địa hình vượt trị giới hạn cho phép (0,5.10-3) Hình Giá trị giới hạn mơđun biến dạng vật liệu chèn [6], dẫn đến phá hủy cơng trình, đối tượng tự nhiên bề mặt Như vậy, việc sử dụng vật liệu đất đá thải từ mỏ làm vật liệu chèn, cho phép hình thành khối chèn với mơ đun biến dạng đến 600 MPa (xem bảng 2), đảm bảo yêu cầu bảo vệ cơng trình bề mặt khai thác vỉa than phía Tài liệu tham khảo: Đào Hồng Quảng Báo cáo tổng kết Đề tài trọng điểm cấp Bộ Công Thương: “Nghiên cứu áp dụng cơng nghệ chèn lị khai thác than mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh”, 2015 Kazanin O.I., Lê Văn Hậu, Nguyễn Đức Trung Xác định chiều sâu an toàn khai thác vỉa than nằm đối tượng cần bảo vệ bề mặt mỏ than Núi Béo Tạp chí Cơng nghiệp Mỏ 2015 №5 - tr 58-62 Phùng Mạnh Đắc Nghiên cứu lựa chọn giải pháp kỹ thuật công nghệ hợp lý để khai thác than khu vực có di tích lịch sử văn hóa, cơng trình cơng nghiệp dân dụng Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, Hà Nội, năm 2011 – 256tr Trương Đức Dư Dự án đầu tư xây dựng cơng trình khai thác hầm lị mỏ than Núi Béo Viện Khoa học Cơng nghệ Mỏ, Hà Nội, năm 2010 – 287tr Zienkiewicz O.C The Finite Element Method in Engineering Science London, Mc Graw-Hill, 1971 - 178р Ле Ван Хау Обоснование параметров подземной разработки наклонных пластов бассейна Куангнинь под охраняемыми объектами на поверхности Диссертация Национальный минерально-сырьевой университет “Горный” 2016 - c.124 KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ 11 THƠNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ Мустафин М.Г., Наумов А.С Контроль допустимых деформаций земной поверхности при строительстве вертикальных выработок в условиях застроенных территорий Записки Горного института, том 198, СПб, 2012 г - С 194-197 Мустафин М.Г., Петухов И.М Об основных факторах, обуславливающих возникновение горных ударов с разрушением почвы выработок Горный информационноаналитический бюллетень - М.: МГГУ, 2002 - № 11 -С 17 - 22 Правила охраны сооружений и природных объектов от вредного влияния подземных горных разработок на угольных месторождениях - СПб.: ВНИМИ, 1998 291с 10 Технологичесские схемы разработки пластов на угольных шахтах Часть I: технологические схем -208с Часть II: набор модулей и пояснительная записка - 413с Институт горного дела им А.А Скочинского (ИГД им А.А Скочинского) Москва 1991 Application of “Massip” software to calculate the parameters of displacement and deformation of the monolith and the topographic surface when coal seams exploited under the protected work at Nui Beo coal mine Dr Le Van Hau, Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology MSc Tran Duc Dau, Ho Chi Minh University of Natural Resources and Environment Abstract: Currently, Nui Beo Coal Company is exploiting coal by the underground method, with total geological reserves of 53.1 million tons, of which up to 22.5 million tons (accounting for 42.4%) under works, natural objects need to be protected on the surface In order to effectively exploit the above reserves while ensuring safety for surface works, the study and evaluation of the impact of mining technological diagram parameters on the displacement, surface deformation process are necessary The paper discusses and explains the method of calculating the displacement parameters, thereby a reasonable exploitation technology for the reserves under the surface protected objects at Nui Beo coal mine is propsed 12 KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ ... HỌC CÔNG NGHỆ MỎ chuyển khối đá bề mặt thay đổi tham số SĐCN khai thác Tuy nhiên, tổ hợp phần mềm “Massip” người ta thiết lập hệ số thực nghiệm để tính tốn tham số dịch chuyển, biến dạng bề mặt. .. cơng trình cần bảo vệ bề mặt giới, nhóm tác giả đề xuất cơng nghệ khai thác điều khi? ??n đá vách chèn lò để khai thác phần trữ lượng nằm cơng trình cần bảo vệ mỏ than Núi Béo, với vật liệu thi công. .. ngang bề mặt địa hình f Giá trị biến dạng ngang bề mặt địa hình Hình Giá trị dịch chuyển đất đá bề mặt địa hình KHCNM SỐ 1/2020 * CƠNG NGHỆ KHAI THÁC HẦM LỊ THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ 1,64.10-3