Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò ở Quảng Ninh

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm 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 hoá khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH BIẾN ĐỘNG ĐỊA CƠ KHU VỰC LÒ 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS PHÙNG MẠNH ĐẮC TS VƯƠNG TRỌNG KHA Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Phạm Văn Chung MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 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 dịch chuyển, biến dạng mơ hình địa giới 1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh .14 1.3 Kết luận chương .20 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 22 2.1 Quan niệm mơ hình 22 2.1.1 Định nghĩa mơ hình 22 2.1.2 Các đặc trưng mơ hình .22 2.1.3 Phân loại mơ hình 23 2.1.4 Ưu nhược điểm mơ hình 23 2.2 Nghiên cứu mơ hình .24 2.2.1 Xây dựng mơ hình 24 2.2.2 Nghiên cứu mơ hình 25 2.2.3 Kiểm chứng mơ hình .26 2.2.4 Điều chỉnh tham số mơ hình 26 2.3 Mơ hình địa mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá 27 2.3.1 Lịch sử nghiên cứu mơ hình địa 27 2.3.2 Hệ thống hóa mơ hình học đá khối đá mỏ 31 2.3.3 Quan niệm đại mơ hình địa 33 2.3.4 Các thông số mô hình địa 36 2.3.5 Tính chất biến dạng cấu trúc mơ hình địa 42 2.3.6 Điều kiện biên môi trường địa mỏ 43 2.3.7 Các dạng mơ hình địa dự báo dịch chuyển biến dạng .44 2.4 Lựa chọn mơ hình địa ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh 49 2.5 Kết luận chương .49 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC HÀM ĐƯỜNG CONG TIÊU CHUẨN TỪ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH 50 3.1 Phương pháp quan trắc xử lý số liệu 50 3.2 Phương pháp luận xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn 51 3.3 Xác định thông số đại lượng dịch chuyển 55 3.3.1 Cơ sở lý thuyết xác định tham số cho vùng nghiên cứu dịch động đá mỏ 55 3.3.2 Xác định thông số đại lượng dịch chuyển 63 3.4 Xác định hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh 67 3.5 Kết luận chương .68 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 69 4.1 Xây dựng mơ hình địa cho khối đá bể than Quảng Ninh 69 4.1.1 Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu 69 4.1.2 Xác định mô đun đàn hồi cho lớp đất đá bể than Quảng Ninh 72 4.1.3 Kết xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata 75 4.2 Tính tốn dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá bề mặt đất 78 4.2.1 Khái quát phần mềm RS2 (Phase2) hãng Rocscience Inc (Canada) 78 4.2.2 Thông số đầu vào trường hợp tính tốn 79 4.2.3 Kết tính tốn cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ .80 4.3 Xác định mối quan hệ độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 87 4.3.1 Phương pháp phân tích thống kê .87 4.3.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính 87 4.3.3 Xác định mối quan hệ độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 89 4.4 Kết luận chương .92 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 93 5.1 Vị trí địa lý ranh giới khu vực nghiên cứu .93 5.2 Khái qt cơng nghệ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than .95 5.3 Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mơ hình địa mỏ than Nam Mẫu 97 5.4 Tính tốn dịch chuyển biến dạng khai thác lị chợ giới hóa theo hướng dốc mơ hình địa .98 5.5 Tính tốn dịch chuyển biến dạng khai thác lị chợ giới hóa theo đường phương 104 5.6 Kiểm chứng mơ hình địa với kết quan trắc thực địa………………….112 5.7 Kết luận chương .115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .116 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS 118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .121 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh 19 Bảng 2.1: Thơng số hình học vùng biến dạng khoáng sàng Ural Cadacxtan 40 Bảng 2.2: Thơng số hình học vùng biến dạng ngồi khống sàng Ural Caracxtan [74] 41 Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá 57 Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển  theo nhóm mỏ góc dốc vỉa .58 Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ 58 Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển  , C> 50% theo nhóm mỏ .59 Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển  lớp đất phủ 59 Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ) 59 Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ) 60 Bảng 3.8: Xác định hệ số K1 .60 Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ) 61 Bảng 3.10: Giá trị góc 1 tử số, 2 mẫu số (độ) 61 Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0 62 Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0 62 Bảng 3.13: Hệ số N1, N2 63 Bảng 3.14: So sánh kết đo đạc lý thuyết .65 Bảng 3.15: So sánh kết đo đạc lý thuyết .66 Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn 67 Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn 68 Bảng 4.1: Kết thí nghiệm nén đơn trục loại đá 71 Bảng 4.2: Một số kết phân tích mức độ ổn định lớp đá Quảng Ninh .72 Bảng 4.3: Dữ liệu tham số học cho lớp đá, xác định dựa theo RMR .73 Bảng 4.4: Điều kiện địa học khối đá số đường lò mỏ than Quảng Ninh 74 Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào RocData 76 Bảng 4.6: Kết tính mơ đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown .78 Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại mô đun đàn hồi 80 Bảng 4.8: Kết tính mô đun đàn hồi loại đá 91 Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc 93 Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa 94 Bảng 5.3: Kết xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata 98 Bảng 5.4: Kết xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu 98 Bảng 5.5: Kết so sánh giá trị dịch chuyển 114 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng khối đá mỏ Hình 1.2: Biểu đồ cực ten sơ biến dạng trạng thái ứng suất biến dạng khác Hình 1.3: Mơ hình địa Xashurin phân tích q trình dịch chuyển đá mỏ .10 Hình 1.4: Quỹ đạo véc tơ dịch chuyển trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) bất đẳng hướng (b) .11 Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá 16 Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu 17 Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê 18 Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm 18 Hình 2.1: Mơ hình hóa vật thể địa chất lĩnh vực khác .25 Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thơng qua mơ hình 25 Hình 2.3: Mơ hình địa đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá nguyên thủy độ sâu H 28 Hình 2.4: Sơ đồ xuất áp lực tựa 28 Hình 2.5: Phạm vi vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lị chợ .29 Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ 30 Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng khối đá mỏ…………………………………31 Hình 2.8: Mơ hình vật lý đá mỏ……………………………………………………32 Hình 2.9: Phân loại mơ hình địa cơ……………………………………………… 33 Hình 2.10: Các thành phần mơ hình địa 35 Hình 2.11: Sơ đồ mơ hình dịch chuyển trường hợp khai thác lộ thiên vỉa dốc dày 37 Hình 2.12: Sơ đồ mơ hình dịch chuyển trường hợp khai thác hầm lị vỉa dày 37 Hình 2.13: Mơ hình địa tổng quát khoáng sàng khai thác, phục vụ việc quan trắc kiểm tra trình dịch chuyển [75] 44 Hình 2.14: Các phương pháp số địa kỹ thuật [10] 45 Hình 3.1: Đường cong lún thực tế đường cong lún không thứ ngun .53 Hình 4.1: Xác định mơ đun đàn hồi E cho đá cát kết .76 Hình 4.2: Xác định mơ đun đàn hồi E cho đá bột kết .77 Hình 4.3: Xác định mơ đun đàn hồi E cho đá sét kết 77 Hình 4.4: Xác định mơ đun đàn hồi E cho than 78 Hình 4.5: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 81 Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 81 Hình 4.7: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 82 Hình 4.8: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 82 Hình 4.9: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 83 Hình 4.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 3…………………………81 Hình 4.11: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 84 Hình 4.12: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 84 Hình 4.13: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 85 Hình 4.14: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 85 Hình 4.15: Biểu đồ độ lún lớp đất đá trường hợp 86 Hình 4.16: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trường hợp 86 Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi đá cát kết 90 Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi đá bột kết 90 Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mơ đun đàn hồi đá sét kết .91 Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V 94 Hình 5.2: Bản đồ khu vực khai thác mỏ than Nam Mẫu 95 Hình 5.3: Sơ đồ cơng nghệ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lị chợ trụ hạ trần thu hồi than 97 Hình 5.4: Sơ đồ tính tốn 99 Hình 5.5: Nhập thơng số cho mơ hình 100 Hình 5.6: Quá trình chạy vịng lặp tính dịch chuyển biến dạng .100 Hình 5.7: Biểu đồ độ lún lớp đất đá ảnh hưởng khai thác hầm lò .100 Hình 5.8: Biểu đồ mơ tả biến dạng ngang .101 Hình 5.9: Biểu đồ xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc 101 Hình 5.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất góc dịch chuyển .102 ... 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: ... mặt đất ảnh hưởng lị chợ giới hố 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 khối đá mỏ; - Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính... tiến sĩ: ? ?Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa khu vực lị 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 Ý tưởng khoa