Mô phỏng hệ khe nứt trong khối đá phục vụ khai thác mỏ lộ thiên ở Việt Nam

Bài viết giới thiệu phương pháp xử lý dữ liệu khối đá và mô hình mô phỏng khối đá để phục vụ tính toán tối ưu các khâu công nghệ trong khai thác. Phương pháp mô hình ba chiều (3D) môi trường khối đá trong mỏ dựa trên các số liệu thực tế của khối đá, các thông số hình học của mỏ lộ thiên.

80 Journal of Mining and Earth Sciences Vol 61, Issue (2020) 80 - 96 Modelisation of fractured rock mass for open pit mining in Vietnam Tuan Anh Nguyen 1,*, Viet Van Pham 1, Nam Xuan Bui 1, Hoa Thu Thi Le 1, Hai Thi Le 1, Bao Dinh Tran 1, Hanh Minh Thi Le 1,2 Mining Faculty, Hanoi University of Mining and Geology, Vietnam Warsaw University of Life Sciences, Poland ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received 08th Sept 2020 Accepted 24th Sept 2020 Available online 10th Oct 2020 In open pit mining, besides the value of the minerals obtained, the cost of waste rock removal determines the efficiency of the mining operation The paper introduces the rock mass data processing method and modelisation of fractured rock mass to serve the optimal calculation of technological stages in mining This code is a discrete fracture network (DFN) code that couple geometrical block system construction based on modelisation stochastic with RESOBLOK simulations The method of three-dimensional modeling (3D) of the fractured rock mass in the quarry is based on the rock mass data, the geometrical parameters of the open pit mine From there, the rock mass simulation models were used in the analysis of the stability analysis of open pit benches, the optimization of the blast design parameters at overburden benches, project construction materials, and technology projects for block stone extraction An application in some open pit mines such as quarries of Vietnam is presented Keywords: Fractured rock mass, Open-pit mine, Modelling, Vietnam Copyright © 2020 Hanoi University of Mining and Geology All rights reserved _ *Corresponding author E - mail: nguyenanhtuan@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.KTLT2020.07 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Tập 61, Kỳ (2020) 80 - 96 81 Mô hệ khe nứt khối đá phục vụ khai thác mỏ lộ thiên Việt Nam Nguyễn Anh Tuấn1, *, Phạm Văn Việt1, Bùi Xuân Nam1, Lê Thị Thu Hoa1, Lê Thị Hải1, Trần Đình Bão1, Lê Thị Minh Hạnh1, Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Việt Nam Đại học Khoa học Đời sống Warsaw, Ba Lan THÔNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Q trình: Nhận 08/9/2020 Chấp nhận 24/9/2020 Đăng online 10/10/2020 Trong khai thác lộ thiên, bên cạnh giá trị khống sản thu chi phí bóc đá định tới hiệu hoạt động khai thác Bài báo giới thiệu phương pháp xử lý liệu khối đá mơ hình mơ khối đá để phục vụ tính tốn tối ưu khâu công nghệ khai thác Phương pháp mô hình ba chiều (3D) mơi trường khối đá mỏ dựa số liệu thực tế khối đá, thơng số hình học mỏ lộ thiên Từ đó, mơ hình mơ khối đá sử dụng phân tích ổn định bờ mỏ, tối ưu mạng lỗ khoan nổ mìn cho mỏ đá vật liệu xây dựng, hỗ trợ tính trữ lượng, tối ưu thông số công nghệ khai thác đá khối Kết mơ hình mơ khối đá áp dụng cho số điều kiện mỏlộ thiên Việt Nam Từ khóa: Khe nứt, Mỏ lộ thiên, Mơ phỏng, Việt Nam © 2020 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tất quyền bảo đảm Mở đầu Trong mỏ đá, đặc điểm cấu trúc khối đá đóng vai trị quan trọng định tới việc lựa chọn công nghệ khai thác, đồng thiết bị thơng số hệ thống khai thác Đặc tính học khối đá, thành phần khống vật, tính liên tục mầu sắc, hoa văn đá tiêu quan trọng tương ứng với yêu cầu sử dụng đá thành phẩm Trên sở đó, cơng nghệ khai thác, bóc tách đá lựa chọn cho phù hợp với mỏ đá làm vật liệu san lấp, đắp (đá hộc), đá vật liệu VLXD thông thường (đá cấp phối) đá khối sản xuất đá ốp lát, _ *Tác giả liên hệ E - mail: nguyenanhtuan@humg.edu.vn DOI: 10.46326/JMES.KTLT2020.07 mỹ nghệ Khối đá môi trường đặc biệt, mơi trường liên tục, gián đoạn; đẳng hướng, không đẳng hướng; bền vững, kèm bền vững chúng đan xen phức tạp (Hình 1) Các đặc tính mơi trường khối đá khơng liên tục ngun nhân gây khó khăn khai thác làm tăng chi phí khai thác Trong nghiên cứu này, tập trung nghiên cứu đặc điểm phân bố khe nứt khơng gian khối đá, từ sử dụng phương pháp mơ hình mơ khối đá cách ngẫu nhiên phù hợp với thực tế nhằm phục vụ trình khai thác mỏ lộ thiên cách hiệu Những khe nứt tự nhiên mặt phẳng cong tồn chia tách khối đá đồng thành khối Mỗi khe nứt định nghĩa "tất gián đoạn học độ bền tách nhỏ 82 Nguyễn Anh Tuấn nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 80 - 96 khối đá” (Priest, 1993) Khe nứt hình thành tự nhiên hoạt động kiến tạo lịch sử hình thành địa chất cấu trúc khu vực nhân tạo, tạo hoạt động người trình khoan nổ, xúc bốc khối đá Các thông số đặc trưng khe nứt khối đá thể Hình Ở đây, sử dụng thống thuật ngữ "gián đoạn”, "nứt nẻ” "khe nứt” mô tả sử dụng tính tốn thiết kế tương ứng với kích thước mở rộng từ centimét đến hàng mét ứng dụng điều kiện mỏ địa chất Trong thực tế, để xác định vị trí khe nứt thường cần xác định góc phương vị hướng dốc (α) góc dốc (β) Có thể sử dụng la bàn đo trực tiếp thông số ngồi trường (Hình 1b) Các quan sát khảo sát khe nứt khu vực thường thực dọc theo tuyến khảo sát bề mặt theo hướng khác nhau, vết lộ địa hình, vách đá sườn dốc khu vực khai thác, hướng khe nứt lõi lỗ khoan thăm dị, phân tích từ ảnh bề mặt địa hình, sườn tầng Tại khu vực mỏ nghiên cứu cụ thể, thu thập hết xác tất tả khe nứt đủ đặc điểm khe nứt khối đá tính phức tạp khơng rõ ràng điều kiện địa chất; phương pháp thu thập số liệu; khả quan sát Do đó, việc thu thập số liệu đủ lớn (hoặc tối thiểu), sau xử lý số liệu khe nứt đảm bảo độ xác đóng vai trị định đến độ tin cậy sử dụng chúng vào mơ hình mơ (a) khối đá phục vụ cho nhiệm vụ cụ thể thác an toàn hiệu mỏ đá Trong phần sau báo, giới thiệu phương pháp phân tích liệu khe nứt mơ ngẫu nhiên mơ hình khối đá kết mơ hình mơ khối đá giới thiệu áp dụng cho số mỏ lộ thiên nước ta khai thác hiệu qủa mỏ đá VLXD thơng thường, tính tốn tối ưu thiết kế mạng khoan nổ mìn mỏ đá, phân tích đánh giá ổn định bờ mỏ sườn dốc, tính trữ lượng tối ưu thông số công nghệ khai thác mỏ đá khối Các thông số khối đá mơ hình mơ khối đá 2.1 Các thơng số khe nứt Môi trường khối đá khơng liên tục, đặc trưng khe nứt thông số đặc trưng khe nứt hệ khe nứt Trong khối, nằm vị trí mặt phẳng khe nứt hồn tồn xác định không gian, thông số khe nứt biểu diễn giới thiệu Hình Các khe nứt biểu diễn véctơ pháp tuyến trục hướng khe nứt (αn, βn) (Hình 2a) Chúng ta xác định (αn, βn) từ giá trị (αd, βd) theo mối quan hệ sau: αn = αd ± 180o, «+» «-» tương ứng giá trị 0o≤ αn ≤ 360o; βn= 90o-βd, 0o≤ βn ≤ 90o, đó: αd phương vị hướng dốc (dip direction) βd góc (b) Hình Khối đá tự nhiên (a) đặc tính khối đá (b) (Ducan C Wyllie, 1999) Nguyễn Anh Tuấn nnk./Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 61 (5), 80 - 96 dốc (dip) Mặt khe nứt biểu diễn véctơ pháp tuyến đơn vị hệ trục toạ độ đề X(ux, uy, uz)T (Hình 2b) (Jimenez-Rodriguez Sitar, 2006) Mối liên hệ hệ toạ độ đề góc biểu diễn hướng khe nứt xác định sau Priest (1993): 𝑢𝑥 = 𝑐𝑜𝑠𝛼𝑛 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑛 { 𝑢𝑦 = 𝑠𝑖𝑛𝛼𝑛 𝑐𝑜𝑠𝛽𝑛 𝑢𝑧 = 𝑠𝑖𝑛𝛽𝑛 (1) 2.2 Hệ khe nứt Một hệ khe nứt tập hợp cấu trúc khe nứt có nguồn gốc đặc điểm nứt nẻ hướng tương đương, biểu diễn Hình a) Phân bố hướng hệ khe nứt Nếu hệ khe nứt có M khe nứt Mặt khe nứt thứ i có vectơ pháp tuyến ni tương ứng với hướng ni góc dốc βni hệ trục toạ độ đề X (nxi, nyi, nzi) Tổng véctơ pháp tuyến rn với rxn = nxi, ryn = nyi rzn = nzi Từ ta xác định hướng trung bình hệ khe nứt theo biểu thức sau: n=arctan(rxn/ryn)+Q,βn=arctan(rzn/(rxn+ryn)0, 5), đó: Q=0° rxn  ryn  0; Q=180° rxn < ryn  rxn < ryn< 0; Q = 360° rxn  ryn < Xác suất P() giá trị hướng khe nứt chọn ngẫu nhiên tập hợp tạo (a) 83 góc khoảng  +d với giá trị hướng trung bình hệ khe nứt phân bố sau, (Priest, 1993): 𝑃(𝜃) = 𝐾 𝑆𝑖𝑛(𝜃) 𝐾 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑒 𝑑𝜃 𝑒 𝐾 −𝑒 −𝐾 (2) Với K hệ số Fisher Hệ số ước lượng suất phát từ tập hợp khe nứt hệ 𝑀 sau: 𝐾 ≈ 𝑀−|𝑟 | 𝑛 Có thể tính xác suất hướng hệ khe nứt khoảng góc từ 1 2: 𝑒 𝐾 𝑐𝑜𝑠𝜃1 −𝑒 𝐾 𝑐𝑜𝑠𝜃2 𝑒 𝐾 −𝑒 −𝐾 𝑃(θ1