Luận án tiến sĩ nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu và bình sai hỗn hợp lưới tự do mặt đất GPS

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

Trang 1

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

Trang 2

quả trong luận án là trung thực và các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Quốc Long

Trang 3

về khoa học và luôn động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án này Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, khoa Mỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất Đặc biệt là sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa mỏ

Tác giả xin gửi lời cảm ơn PGS.TS Nguyễn Quang Minh đã tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án này

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban Khoa học, Công nghệ thông tin và Chiến lược phát triển (Vinacomin), Ban Giám đốc, các Phòng kỹ thuật, Trắc địa, Địa chất của Công ty Cổ phần than Mông Dương, Công ty Than Thống Nhất, Viện Khoa học

và Công nghệ mỏ, Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư mỏ và Công nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả tiếp cận nguồn tư liệu, số liệu để có thể hoàn thành luận án

Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2019

Tác giả luận án

Trang 4

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 1

Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò 7

1.1 Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò 7

1.1.1 Bản chất bài toán dịch chuyển đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò 7

1.1.2 Bồn dịch chuyển 7

1.1.3 Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển 10

1.1.4 Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng 11

1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt 11

1.2 Tổng quan về các công trình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ 16 1.2.1 Phân nhóm các phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ 16

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới 20

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

1.3 Nhận xét chương 1 30

Chương 2 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 cơ lý đất đá 32

2.1.2 Đặc điểm cấu tạo vỉa than 34

2.1.3 Đặc điểm công nghệ khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh 38

2.1.4 Đặc điểm các lò chợ 40

2.2 Đặc điểm dữ liệu quan trắc dịch chuyển biến dạng 40

Trang 5

2.3 Lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp với điều kiện khai thác mỏ hầm lò ở

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

Chương 3 Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam 46

3.1 Bồn dịch chuyển trong trường hợp khai thác vỉa dốc 46

3.2 Mô hình dự báo dịch chuyển đứng cho vỉa nghiêng 47

3.3 Triển khai mô 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 các hệ số f, g, p, q từ số liệu quan trắc 53

3.3.6 Đánh giá độ chính xác kết quả dự báo 56

3.4 Xây dựng chương trình xác định các hệ số của mô hình 57

3.5 Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng do khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh, Việt Nam 58

3.5.1 Khu vực nghiên cứu 1 (mỏ Thống Nhất) 58

3.5.2 Khu vực nghiên cứu 2 (mỏ Mông Dương) 62

3.5.3 Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng trên cơ sở dữ liệu quan trắc và điều kiện địa chất - khai thác của mỏ Thống Nhất 66

3.5.4 Áp dụng mô hình dự báo trong điều kiện mỏ than Mông Dương 75

Chương 4 Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian 89

4.1 Lý do sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo 89

4.2 Thông tin cơ bản về mạng nơ-ron nhân tạo 89

4.2.1 Nơ-ron sinh học 89

4.2.2 Nơ-ron nhân tạo 90

Trang 6

4.2.3 Hàm xử lý 92

4.2.4 Mô 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 các yếu tố đầu vào cho mạng nơ-ron trong dự báo dịch chuyển đứng bề mặt theo thời gian 98

4.6 Dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian bằng 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 quả dự báo và đánh giá độ chính xác 108

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐLIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH 140

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 152

Trang 7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN Artificial Neutral Network - Mạng nơ-ron nhân tạo

BP Back-Propagation - Thuật toán lan truyền ngược

DCBD Dịch chuyển biến dạng

DT Dynamic Trough - Bồn động

DCĐ Dịch chuyển đứng (độ lún)

ĐTM Đánh giá tác động môi trường

FA Feedback architecture - Cấu trúc phản hồi, mạng phản hồi

FC Feedback connections - Kết nối ngược

FW Feed-forward - Truyền thẳng, mạng truyền thẳng

KHCNM Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (Vinacomin)

LMS Least mean square - Nguyên lý bình phương tối thiểu

MAE Mean Absolute Error - Sai số tuyệt đối trung bình

MSE Mean Square Error - Sai số trung bình

MFN Multilayer Feedforward Networks - Mạng truyền thẳng đa lớp RMS Root Mean Square Error - Sai số trung phương

ST Static Trough - Bồn tĩnh

SW Synaptic weight - Trọng số liên kết

TNMT Tài nguyên và Môi trường

TDKT Thăm dò khai thác

VINACOMIN Tập đoàn công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

VNIMI Viện nghiên cứu Trắc địa mỏ và Địa cơ mỏ Liên bang (Nga)

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Hàm độ lún mẫu chuẩn 29

Bảng 2.1 Tổng hợp tính chất cơ lý đá một số mỏ hầm lò 33

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Nam Mẫu 35

Bảng 2.3 Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Hà Lầm 36

Bảng 2.4 Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Mông Dương 36

Bảng 2.5 Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Thống Nhất 36

Bảng 2.6 Đặc điểm của các 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 và hướng ngược dốc 52

Bảng 3.3 Góc biên theo hướng xuôi 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 mô hình dự báo lún theo hướng dốc vỉa 66

Bảng 3.11 Đánh giá độ chính xác giữa kết quả quan trắc và dự báo 67

Bảng 3.12 Độ chính xác dự báo 68

Bảng 3.13 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác 71

Bảng 3.14 Các hệ số mô hình dự báo 71

Bảng 3.15 Độ chính xác của mô hình dự báo 72

Bảng 3.16 Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất 73

Trang 9

Bảng 3.17 Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến D mỏ Mông Dương 75

Bảng 3.18 Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương 76

Bảng 3.19 Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) 78

Bảng 3.20 Kết quả dự báo và độ chính 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 quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương 82

Bảng 3.23 Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) 84

Bảng 3.24 Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp Viện KHCNM) 86

Bảng 4.1 Khả năng biểu diễn của mạng có số lớp ẩn khác nhau 100

Bảng 4.2 Số liệu tập huấn mạng và kiểm tra kết quả dự báo 103

Bảng 4.3 So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 1 108

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bồn dịch chuyển do khai thác hầm lò 8

Hình 1.2 Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển 9

Hình 1.3 Các thông số chính của bồn dịch chuyển 10

Hình 1.4 Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất 11

Hình 1.5 Sự phân bố biến dạng khi khai thác vỉa có độ dốc khác nhau 12

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng 13

Hình 1.7 Ảnh hưởng của chiều rộng lò chợ đối với đại lượng dịch chuyển đứng 14

Hình 1.8 Quan hệ giữa dịch chuyển đứng trên bề mặt và tiến độ khai thác 15

Hình 1.9 Các giai đoạn của quá trình dịch chuyển đứng theo thời gian 16

Hình 1.10 Hàm mặt cắt dịch chuyển đứng cơ bản 17

Hình 1.11 Mô hình vật lý làm từ cát khô 18

Hình 2.1 Đặc điểm độ dốc một số vỉa than mỏ Mông Dương 35

Hình 2.2 Biểu đồ phân bố trữ lượng các dự án mỏ hầm lò 38

Hình 2.3 Hệ thống khai thác cột dài theo phương 39

Hình 2.4 Công nghệ chống giữ bằng cột thủy lực đơn 39

Hình 2.5 Tuyến quan trắc V2 chu kỳ 4 tại mỏ than Mạo Khê 42

Hình 3.1 Bồn dịch chuyển trường hợp khai thác vỉa bằng 46

Hình 3.2 Độ lệch tâm bồn dịch chuyển khi khai thác vỉa nghiêng 47

Hình 3.3 Các tham số của mô hình dự báo dịch chuyển 48

Hình 3.4 Sơ đồ thuật giải tính hệ số của mô hình dự báo 57

Hình 3.5 Chương trình tính các hệ số của mô 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

Trang 11

Hình 3.9 Mặt cắt tuyến quan trắc P mỏ Mông Dương 65

Hình 3.10 Biểu đồ so sánh đánh giá độ chính xác hệ số mô hình dự báo tuyến D 68

Hình 3.11 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo của tuyến D mỏ Thống Nhất 69

Hình 3.12 Tương quan giữa kết quả quan trắc và dự báo của tuyến D mỏ Thống Nhất 70

Hình 3.13 Biểu đồ so sánh đường cong lún đánh giá độ chính xác hệ số mô hình dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất 72

Hình 3.14 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất 74

Hình 3.15 Tương quan giữa độ lún quan trắc và dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất 74

Hình 3.16 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương 77

Hình 3.17 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) 79

Hình 3.18 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp KHCNM) 81

Hình 3.19 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Mông Dương 83

Hình 3.20 So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) 85

Hình 3.21 So sánh đường cong dịch chuyển đứng thực tế và kết quả dự báo tính từ phương pháp KHCNM 87

Hình 4.1 Mô hình Nơ-ron sinh học 90

Hình 4.2 Nơ-ron nhân tạo 91

Hình 4.3 Đồ thị hàm Sigmoid 93

Hình 4.4 Kiến trúc mạng nơ-ron truyền thẳng 94

Hình 4.5 Kiến trúc mạng nơ-ron phản hồi 94

Hình 4.6 Quy tình huấn luyện mạng có giám sát 95

Hình 4.7: Mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp tổng quát 96

Hình 4.8 Các yếu số đầu vào của mạng nơ-ron 99

Hình 4.9 Mô hình mạng nơ-ron trong dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian 102

Trang 12

Hình 4.10: Định dạng tệp huấn luyện mạng 106

Hình 4.11 Đường cong lỗi huấn luyện mạng 106

Hình 4.12 Biểu đồ sai số huấn luyện mạng 107

Hình 4.13 Biểu đồ tương quan huấn luyện mạng 107

Hình 4.14 So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 1) 110

Hình 4.15 Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 1) 110

Hình 4.16 So sánh đường cong lún dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 2) 112

Hình 4.18 So sánh đường cong lún dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 2) 113

Trang 13

Trang 14

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết quả của công tác khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò là lấy đi một khối lượng lớn đất đá và khoáng sản ra khỏi lòng đất, tạo ra các khoảng trống lớn làm mất trạng thái cân bằng ứng suất nguyên thủy trong lòng đất Dưới tác động của trọng lực, đất đá phía trên có xu hướng chuyển dịch lấp đầy khoảng trống để tạo lập trạng thái cân bằng mới Quá trình dịch chuyển lan truyền từ vách qua các lớp đất

đá lên đến bề mặt đất gây ra sự biến dạng khối đá và bề mặt địa hình [14, 59, 73] là mối đe dọa nguy hiểm đối với các công trình nằm trong địa tầng đất đá bao quanh khoảng trống khai thác và các công trình tự nhiên, nhân tạo trên bề mặt đất Đặc biệt, khi khai thác tiến hành dưới các đối tượng chứa nước tự nhiên và nhân tạo, có thể gây

ra sự cố bục nước nghiêm trọng làm đình trệ sản xuất, gây thiệt hại về tài sản và nguy hiểm đến tính mạng con người

Trên thế giới, ngay từ đầu thế kỷ 18, tại một số nước Châu Âu như Đức, Bỉ, Pháp, việc khai thác than hầm lò đã gây ra những tác động tiêu cực tới môi trường

tự nhiên và các công trình trong lòng đất cũng như trên bề mặt, gây nhiều tổn thất nặng nề về người và của cải [74] Tại Việt Nam, những thiệt hại do dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ đã xảy ra khá phổ biến trong quá khứ cũng như hiện tại Dưới đấy là một số ví dụ điển hình:

- Ở mỏ Mạo Khê trạm quạt ở mức 142 m bị hỏng, phải sửa chữa nhiều lần rất tốn kém, bị bục nước vào lò vỉa 9 qua giếng khoan VIa, lò xuyên vỉa 56 bị biến dạng, bục cát và nước vào lò qua phay A (năm 1995) gây tai nạn chết người;

- Mỏ Mông Dương có khu trung tâm vỉa G9 bị bục nước từ lò khai thác cũ với lưu lượng có lúc 200m3/giờ, dịch chuyển đất đá mỏ làm nghiêng cột điện cao thế 110

Kv, gây biến dạng giếng đứng, nứt tường nhà dân [64];

- Hiện tượng sụt lún gây xuống cấp nghiêm trọng đường ô tô lên mỏ Đèo Nai [21];

- Dịch chuyển bề mặt làm hư hại hệ thống đường ray ở khu vực Công ty Than Dương Huy; Mỏ Tây Khe Sim bị bục nước vào tháng 8 năm 2008,

Cùng với việc gia tăng quy mô và sản lượng khai thác, hậu quả của quá trình

Trang 15

dịch chuyển biến dạng mỏ tác động ngày càng lớn với phạm vi rộng hơn, tần suất thường xuyên hơn và theo đó mức độ thiệt hại về người và của cũng lớn hơn

Theo Quyết định 403/QĐ-TTg về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020 xét đến năm 2030 [28], các phương pháp khai thác hầm lò ngày càng chiếm ưu thế cả về số lượng mỏ và sản lượng Bể than Đồng bằng Sông Hồng đang bước vào giai đoạn nghiên cứu khai thác thử nghiệm [15], theo dự báo, sẽ được đưa vào kế hoạch khai thác trong tương lai gần [4] Dù công nghệ khai thác bể than Đồng Bằng Sông Hồng bằng các phương pháp nào thì ảnh hưởng của nó đối với quá trình sụt lún bề mặt sẽ xảy ra và kèm theo đó là những tác động tiêu cực tới hiện trạng bề mặt Do vậy, nhu cầu dự báo quy luật sụt lún bề mặt nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu các tác động tiêu cực chắc chắn đã, đang và sẽ là vấn đề rất cấp thiết

Quy luật, đặc điểm và cường độ dịch chuyển, biến dạng bề mặt được đặc trưng bởi các các đại lượng, bao gồm: dịch chuyển đứng (lún), dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng, độ cong địa hình Các đại lượng này là các chỉ số thể hiện mức độ dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trong các điều kiện kỹ thuật và công nghệ khai thác khác nhau Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng trên có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau như quan trắc thực địa, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc trên các mô hình toán học, vật lý và địa cơ học Quy luật, cường độ và quá trình dịch chuyển đất đá và bề mặt chịu sự chi phối của đặc điểm địa hình, địa chất, thế nằm và tính chất cơ lý của các lớp địa tầng và công nghệ khai thác khoáng sản Do đó, đối với từng vùng mỏ khác nhau, hoặc từng khu vực của một

mỏ, cần xây dựng các phương pháp dự báo thích hợp, qua đó cho phép xác định sớm các quy luật, đặc điểm định tính và định lượng của các đại lượng biến dạng làm cơ

sở cho việc lựa chọn các phương pháp công nghệ và kỹ thuật khai thác phù hợp, các phương pháp xây dựng, gia cố công trình bề mặt thích ứng, … nhằm mục đích ngăn ngừa và giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của quá trình khai thác mỏ đối với các công trình Bên cạnh đó, các kết quả dự báo sớm trị số các đại lượng dịch chuyển, biến dạng theo thời gian sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy các kết quả đánh giá tác động

Trang 16

môi trường (ĐTM) của các dự án khai thác mỏ, chương trình cải tạo, phục hồi môi trường sau khai thác mỏ

Hiện nay, đã có nhiều phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ khác nhau, có thể phân chia thành 6 nhóm chính bao gồm: nhóm phương pháp hàm ảnh hưởng, nhóm phương pháp hàm mặt cắt, nhóm phương pháp quan hệ thực nghiệm, nhóm phương pháp mô hình vật lý, nhóm phương pháp mô hình giải tích và nhóm phương pháp dự báo theo thời gian Mỗi phương pháp đều có

ưu, nhược điểm và điều kiện ứng dụng thích hợp Tuy nhiên, do điều kiện địa chất- khai thác ở các mỏ luôn khác nhau nên vẫn chưa có phương pháp dự báo nào toàn năng thích ứng cho mọi trường hợp Khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam có những đặc điểm riêng về điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá, độ sâu khai thác, điều kiện thành phần thế nằm của vỉa, công nghệ khai thác, phương pháp điều khiển áp lực, Bên cạnh đó, dữ liệu quan trắc không đầy đủ về số lượng, không đồng bộ về công nghệ quan trắc và lưu trữ rời rạc Do đó, cần có một nghiên cứu lựa chọn và hoàn thiện phương pháp phù hợp để dự báo quy luật và đặc tính dịch chuyển, biến dạng bề mặt trong bối cảnh các điều kiện địa chất- khai thác cụ thể của Việt Nam

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác, công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo cũng đã có những bước tiến lớn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Tiếp cận và ứng dụng các loại hình công nghệ mới này trong công tác dự báo biến dạng bề mặt mỏ là hướng nghiên cứu nhằm đóng góp

cơ sở khoa học và phương pháp luận cho ngành khai thác mỏ Việt Nam hiệu quả và

an toàn

Xuất phát từ các luận giải trên đây, đề tài luận án tiến sĩ “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” được lựa chọn là xuất phát từ nhu cầu thực tế, đáp

ứng yêu cầu thực tiễn sản xuất của ngành khai thác mỏ Việt Nam

2 Mục tiêu

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận mới tại Việt Nam trong

dự báo dịch chuyển đứng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò phù hợp với điều kiện thực tế

Trang 17

tại Quảng Ninh, phục vụ quá trình khai thác mỏ hầm lò an toàn, hiệu quả và bền vững

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án đã tiến hành thực hiện các nội dung

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Luận án tập trung trọng tâm nghiên cứu và góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò nói chung và trong điều kiện địa chất-khai thác ở Việt Nam nói riêng Khái niệm “dự báo”

ở đây được hiểu hoặc là dự báo theo thời gian - sử dụng dữ liệu quan trắc hiện tại để

dự báo tình trạng sẽ xảy ra trong tương lai, hay dự báo theo không gian - dựa trên hiện trạng quan trắc được tại một khu vực để dự báo dịch chuyển xảy ra tại khu vực khác chưa có dữ liệu quan trắc, hoặc là cả hai Trong 5 đại lượng biến dạng bao gồm: dịch chuyển đứng, dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng và độ cong địa hình đã

có 2 đại lượng thứ cấp được gián tiếp tính ra từ đại lượng dịch chuyển đứng (lún) Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng chính là đại lượng dịch chuyển đứng trên hai mặt cắt chính của bồn dịch chuyển được tạo thành trên khoảng trống khai thác

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Ở Việt Nam, phương pháp khai thác hầm lò chủ yếu được tiến hành với các mỏ

Trang 18

than, do đó, phạm vi không gian của luận án được giới hạn trong một số mỏ than hầm

lò thuộc bể than Quảng Ninh

5 Phương pháp nghiên cứu

Các nội dung của luận án đã được nghiên cứu bằng các phương pháp sau đây:

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;

- Phương pháp phân tích thống kê;

- Phương pháp so sánh;

- Phương pháp nơ-ron nhân tạo;

- Phương pháp thực nghiệm

6 Những điểm mới của luận án

- Đã xác lập cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện mô hình dự báo dịch chuyển trên mặt cắt chính của bồn dịch chuyển thiết lập theo kết quả quan trắc, cho phép tính toán dự báo dịch chuyển đứng sát với điều kiện khai thác mỏ của Việt Nam

- Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu ứng dụng thành công lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo trong công tác dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò theo thời gian

7 Các luận điểm

Luận điểm 1: Trong trường hợp vỉa dốc, mô hình Asadi với các hệ số f, g, p, q

tính từ số liệu quan trắc cho phép dự báo đại lượng dịch chuyển đứng bề mặt tại các khu vực khai thác có điều kiện tương tự

Luận điểm 2: Mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng một lớp ẩn áp dụng phương

pháp huấn luyện có giám sát và thuật toán lan truyền ngược cho phép dự báo chính xác đại lượng dịch chuyển đứng theo thời gian khi số lượng dữ liệu quan trắc 8 chu kỳ

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học

- Đã xác lập được cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt mỏ do ảnh hưởng của khai thác hầm

lò khi khai thác vỉa dốc - là thế nằm phổ biến của các vỉa than Việt Nam

- Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu thành công ứng dụng mạng nơ-ron

Trang 19

nhân tạo trong dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian

b Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong công tác dự báo các đại lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt cho các mỏ mới đang lập dự án kinh tế - kỹ thuật khai thác hoặc các khu vực mở rộng khai thác của các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh

9 Cơ sở tài liệu

- Dữ liệu về điều kiện địa chất, địa cơ mỏ một số mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh

- Số liệu quan trắc dịch chuyển đứng, sơ đồ bố trí các tuyến quan trắc tại các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh

- Các kết quả nghiên cứu xác định các đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt ở một số mỏ than hầm lò bể than Quảng Ninh

10 Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm 4 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 151 trang đánh máy, có sử dụng 39 bảng, 80 hình vẽ và biểu đồ Dưới đây là cấu trúc của luận án:

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh

hưởng của khai thác mỏ hầm lò

Chương 2 Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển và biến

dạng bề mặt mỏ hầm lò bể than Quảng Ninh

Chương 3 Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác

hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam

Chương 4 Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch

chuyển đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS Tài liệu tham khảo

Phục lục

Trang 20

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG

DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ

1.1 Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò

1.1.1 Bản chất bài toán dịch chuyển đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò

Việc đào lò chuẩn bị và khai thác khoáng sản đã tạo ra vùng trống và kích thích

sự dịch chuyển đất đá theo định luật hấp dẫn [62] Ban đầu, các lớp đá vách bị uốn võng kéo theo sự tách lớp và đổ sập xuống lấp vào không gian vùng trống Với độ sâu khai thác nhỏ, sự uốn võng có đổ vỡ này có thể lan đến mặt đất Khi độ sâu khai thác càng lớn, sự uốn võng của các lớp chỉ xảy ra ở một số lớp đất đá vách sau đó tách lớp rồi tạo nên vùng đổ vỡ với các khối đá chèn lấp tự nhiên khiến các lớp đá phía trên có thể tựa lên và giữ được thế ổn định Ngoài ra, trên lò chợ xuất hiện vùng

áp lực tựa lên các thành lò Đá chèn tự nhiên và vùng áp lực tựa đã tạo nên lực cản lại ứng lực trong đất đá và làm suy yếu dần sự uốn võng với sự đổ sập các lớp đá phía trên, thay vào đó xuất hiện sự uốn võng và giữ được tính liên tục ở các lớp đất đá nằm phía trên và mặt đất Biểu hiện tiêu biểu của ảnh hưởng khai thác hầm lò lên bề mặt

là hình thành bồn dịch chuyển

1.1.2 Bồn dịch chuyển

Quá trình vận động đất đá do ảnh hưởng của khai thác hầm lò lan truyền lên mặt đất tạo ra vùng trũng liên tục trên bề mặt được gọi là bồn dịch chuyển (hình 1.1) Trong nghiên cứu các phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò, các nhà khoa học chủ yếu tập trung cho các biến cố xảy ra trong phạm vi bồn dịch chuyển Ranh giới của bồn dịch chuyển là đường nối các điểm có giá trị biến dạng ngang  và biến dạng đứng i không vượt quá 0,5x10-3

và có giá trị dịch chuyển đứng bằng 1520 mm [2]

Tùy thuộc vào đặc điểm địa chất kiến tạo cũng như chiều dày lớp đất bồi mà trong phạm vi bồn dịch chuyển trên mặt đất phân biệt thành các vùng khác nhau (hình 1.2)

Trang 21

Hình 1.1 Bồn dịch chuyển do khai thác hầm lò Vùng dịch chuyển nguy hiểm - vùng bề mặt đất xuất hiện biến dạng làm các

công trình và các đối tượng tự nhiên ảnh hưởng nghiêm trọng, gây nguy hiểm Ranh giới của vùng dịch chuyển nguy hiểm là đường nối các điểm có các giá trị biến dạng giới hạn sau: biến dạng đứng i = 4.10-3, độ cong k = 0,2.10-3, biến dạng ngang = 2.10-3; trong phạm vi vùng này có thể xuất hiện các vùng: sụp đổ, rạn nứt và một phần vùng uốn dẻo

Vùng sụp đổ - một phần trong bồn dịch chuyển có xuất hiện hố sụt lở, hào rãnh

sâu, khe nứt, tầng bậc Ranh giới của vùng này là đường nối các kẽ nứt có độ rộng lớn hơn 25 cm

Vùng rạn nứt - vùng có các kẽ nứt chia cắt bề mặt đất và tạo thành các kẽ nứt

nhìn thấy được Các đối tượng chứa nước nằm trong vùng sụp đổ và rạn nứt sẽ bị hư hại, gây mất nước và ngập lụt đường lò

Vùng dịch chuyển dẻo, êm dịu - vùng mặt đất chuyển dịch lún xuống êm dịu,

giữ được tính nguyên vẹn của các lớp đá do không có các kẽ nứt chia cắt

Vùng đáy bồn phẳng - vùng khi có độ lún đều, không có biến dạng đứng Trên

hình 1.2 là đáy bồn lõm với độ lớn dịch chuyển đứng là ηmax và có góc lún cực đại 

Trang 22

Hình 1.2 Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển

Hình dạng của bồn dịch chuyển, giá trị cường độ dịch chuyển và biến dạng trong bồn, đơn cử như giá trị dịch chuyển đứng η, phụ thuộc chủ yếu vào kích thước khoảng trống khai thác Diện tích khai thác càng lớn thì những giá trị này càng tăng Tuy nhiên, khi kích thước khai thác tăng đến một giá trị nhất định nào đó thì các giá trị dịch chuyển và biến dạng bề mặt đất không tăng lên nữa Thời điểm khai thác đạt đến mức độ này được gọi là khai thác hoàn toàn Ở thời điểm này, đáy bồn dịch chuyển trên bề mặt đất xuất hiện dịch chuyển đứng đạt giá trị lớn nhất và sau đó không tăng lên nữa khi kích thước khoảng trống tiếp tục mở rộng Sau thời điểm đạt mức khai thác hoàn toàn, đáy bồn dịch chuyển sẽ có dạng phẳng Tại thời điểm đạt mức khai thác hoàn toàn đáy bồn chỉ có một điểm có giá trị lún cực đại ηmax

Mặt cắt chính - là mặt cắt theo dốc hoặc theo phương của vỉa và đi qua đáy bồn

dịch chuyển Hầu hết các nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ thường được tiến hành chủ yếu trên các mặt cắt này

Bán bồn dịch chuyển - trên các mặt cắt chính theo phương hoặc theo dốc vỉa,

bán bồn là khoảng cách nằm ngang từ biên giới bồn dịch chuyển đến đến ranh giới đáy bồn dịch chuyển (khi khai thác dưới toàn phần) hoặc đến đáy bồn (nơi có giá trị dịch chuyển đứng cực đại, khi khai thác dưới không toàn phần) Các bán bồn dịch chuyển được phân biệt như sau: theo hướng xuôi dốc - L1; theo hướng ngược dốc -

Trang 23

L2; theo phương vỉa - L3 (hình 1.3)

Hình 1.3 Các thông số chính của bồn dịch chuyển [2]

Trên một lò chợ khai thác thì kích thước của lò chợ theo hướng dốc L phụ thuộc vào điều kiện địa chất mỏ, thiết bị và công nghệ khai thác nên ít biến động, kích thước theo hướng đường phương W liên tục thay đổi theo tiến độ gương lò chợ Do vậy khi nghiên cứu DCBD tại các điểm trên các bán bồn dịch chuyển phải lưu ý đến các đặc điểm này

1.1.3 Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển

a) Các góc biên (góc ranh giới bồn dịch chuyển)

Các góc biên 0, 0, 0, (hình 1.3) dùng đề xác định ranh giới vùng dịch chuyển trên mặt đất Trên các mặt cắt chính của bồn dịch chuyển, các góc này được tạo bởi đường nối ranh giới vùng trống khai thác đến các điểm ranh giới của bồn dịch chuyển trên mặt đất với các đường thẳng nằm ngang Trên mặt cắt chính theo dốc và theo phương của vỉa, vùng dịch chuyển được giới hạn bởi các góc biên 0, 0, 0, như sau:

- 0 - góc biên ở ranh giới dưới dốc của lò chợ, về phía vách vỉa;

- 0 - góc biên ở ranh giới trên dốc của lò chợ;

- 0 - góc biên ở ranh giới lò chợ theo hướng đường phương của lò chợ

b) Góc lún cực đại

Góc lún cực đại là góc hướng theo phía dốc vỉa Góc lún cực đại 𝜃 được coi là

cố định với tất cả các lớp đất đá Thông qua góc lún cực đại cho phép dự báo được

Trang 24

điểm có giá trị dịch chuyển đứng cực đại trong bồn dịch chuyển (hình 1.3)

Trường hợp đáy bồn phẳng thì các độ lún cực đại ηmax tại đây có giá trị bằng nhau, hay nói một cách khác khi các độ lún bằng nhau sẽ tạo ra đáy bồn phẳng

1.1.4 Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng

Tính chất phân bố các đại lượng dịch chuyển biến dạng trong bồn dịch chuyển khi khai thác vỉa bằng phẳng với khoảng trống khai thác đủ lớn được mô tả như trên hình 1.4 (khi góc dốc vỉa =0 )

Hình 1.4 Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất [2]

trong đó: 1- đường cong dịch chuyển đứng; 2- đường cong dịch chuyển ngang; 3- đường cong độ nghiêng; 4- đường cong độ cong; 5- đường cong biến dạng ngang

Các đại lượng này có ý nghĩa thực tế rất lớn trong việc nghiên cứu các biện pháp xây dựng và kết cấu công trình để bảo vệ chúng khỏi những tác hại do ảnh hưởng quá trình dịch chuyển gây nên

1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt

Trang 25

chất cơ lý của đất đá được đặc trưng bởi thông số độ bền và sức chống đỡ của nó trong điều kiện bị biến dạng và phá hoại, được đại diện bằng hệ số kiên cố Protodiaconov Trong điều kiện như nhau thì dịch chuyển xảy ra trong đá yếu như sét, đá phiến sét, v.v êm hơn và nhanh hơn so với trong đất đá cứng Độ kiên cố trung bình của đất đá, địa tầng và vị trí của các lớp đá cứng so với vỉa khoáng sàng khai thác quyết định quy mô biến dạng và quá trình của nó [2]

Độ kiên cố đất đá ảnh hưởng tới đại lượng dịch chuyển đứng cực đại theo đặc điểm: trong những điều kiện như nhau, dịch chuyển đứng trong đất đá có độ kiên cố nhỏ hơn trong đất đá yếu Cần lưu ý rằng: tính chất cơ lý của đất đá không ổn định và như nhau ở các vùng khác nhau và thậm chí trong cùng một mỏ Sự biến thiên của đại lượng lún khi khai thác các vỉa có cùng điều kiện như chiều dày, góc dốc và nằm trên cùng độ sâu khai thác là khác nhau khi môi trường đất đá nằm phía trên có độ cứng khác nhau

Hình 1.5 Sự phân bố biến dạng khi khai thác vỉa có độ dốc khác nhau

trong đó: 1) vỉa có độ dốc α=40o; 2) vỉa có độ dốc α=60o

Trang 26

c) Độ sâu khai thác

Khi khai thác các vỉa có độ sâu không lớn, trên bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng biến dạng không liên tục, biểu hiện qua dịch chuyển với cường độ lớn, tạo nên những khe nứt, phễu và các hố sụt lớn Mặt đất đổ sụp từng khối có kích thước phù hợp với bước phá hỏa trong quá trình khai thác Tại vùng ranh giới của khối xuất hiện các kẽ nứt và tạo thành các bậc [2]

Khi khai thác các vỉa có độ sâu lớn, quá trình khai thác tạo ra hiện tượng biến dạng dịu dàng theo thời gian và không gian Lúc này, xuất hiện biến dạng liên tục Loại biến dạng này có thể được mô tả bằng những hàm số liên tục và chúng là đối tượng và là nội dung của các lý thuyết dự báo dịch chuyển bề mặt và đất đá [60] Mối quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng được thể hiện trên hình 1.6

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng [73]

d) Chiều dày lớp khấu

Đại lượng dịch chuyển và biến dạng bề mặt tỷ lệ thuận với chiều dày của lớp khấu bởi lẽ chiều dày của vỉa không phải đồng nhất trong một lớp khoáng sản mà thường biến đổi ít nhất ở mức dm, vì vậy trong quá trình dự báo dịch chuyển thường xác định giá trị trung bình lớp khấu của vỉa than Điều quan trọng là các giá trị trung bình ấy phải được xác định với độ tin cậy lớn thông qua các kết quả thăm dò xác định chiều dày vỉa

Trang 27

e) Hình dáng và kích thước lò chợ

Hình dáng và kích thước lò chợ dưới mặt đất sẽ quyết định hình dạng và phạm

vi bồn dịch chuyển trên mặt đất Bồn dịch chuyển sẽ hình thành ở dạng toàn phần hoặc không toàn phần phụ thuộc vào kích thước khai thác dưới [74] Hình 1.7 minh họa mối quan hệ giữa hình dáng và kích thước lò chợ với đại lượng dịch chuyển đứng

Hình 1.7 Ảnh hưởng của chiều rộng lò chợ đối với đại lượng dịch chuyển đứng [73]

Khi khai thác ở độ sâu và tính chất cơ lý đất đá nhất định, nếu chiều rộng dải khấu (S) khá nhỏ, nghĩa là S<Smin, lúc đó ảnh hưởng của khoảng trống lên bề mặt hầu như không đáng kể Kích thước lò chợ ngày càng tăng cho tới khi S>Smin, lúc

đó trên mặt đất sẽ hình thành bồn dịch chuyển không toàn phần Quá trình khai thác

sẽ tiếp tục cho đến khi chiều rộng lò chợ đạt tới giá trị giới hạn (Sgh), bồn dịch chuyển trên bề mặt sẽ chuyển thành dạng bồn dịch chuyển toàn phần Đến giới hạn này, việc tăng kích thước chiều rộng lớp khấu, đại lượng dịch chuyển đứng sẽ không tăng và luôn giữ giá trị dịch chuyển đứng cực đại

f) Tiến độ khai thác

Hình 1.8 cho thấy quá trình động tạo thành bồn dịch chuyển trên bề mặt tương ứng với các giai đoạn 1, 2, 3, của tiến độ khai thác Dễ dàng nhận thấy rằng: đại lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt bắt đầu xuất hiện sau một thời gian khai thác với kích thước khoảng trống vừa đủ để gây ra dịch chuyển và lan truyền dịch chuyển lên mặt đất Ban đầu, bồn dịch chuyển hình thành dưới dạng một phần (không toàn phần) với các đại lượng dịch chuyển biến dạng nhỏ Cùng với thời gian và tiến độ khai thác

Trang 28

ranh gới bồn dịch chuyển phát triển rộng dần và được gọi là bồn dịch chuyển động

Hình 1.8 Quan hệ giữa dịch chuyển đứng trên bề mặt và tiến độ khai thác

g) Vị trí của điểm trên bề mặt

Các điểm trên bề mặt càng nằm xa trung tâm vùng khai thác thì tác động của quá trình khai thác tới nó càng nhỏ Càng gần về tâm bồn thì mức độ sụt lún của chúng càng tăng Khi khai thác chưa hoàn toàn thì điểm lún cực đại là vị trí ở chính tâm bồn Khi bồn dịch chuyển ở trạng thái lún toàn phần vì đáy bồn sẽ phẳng và tại đây xuất hiện dịch chuyển đứng cực đại [2, 74]

h) Tham số thời gian

Các đại lượng dịch chuyển đất đá đầu tiên trên bề mặt quan trắc được sau một thời gian bắt đầu khai thác dưới Thời gian này vừa đủ để quá trình dịch chuyển đất

đá từ trên khoảng trống lan truyền dần lên mặt đất Cùng với thời gian, quá trình dịch chuyển đất đá tăng dần Sau khi đạt đến giá trị cực đại, các trị số dịch chuyển giảm dần cho tới khi đất đá trở lại thế cân bằng và hoàn hoàn ổn định Như vậy, từ quá trình dịch chuyển bắt đầu cho đến khi kết thúc cần có một khoảng thời gian Thực chất, đây là một quá trình động và quá trình dịch chuyển biến dạng bao giờ cũng bắt đầu xuất hiện chậm hơn so với tiến độ của khoảng trống

Nhiều kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: ảnh hưởng của khai thác dưới lên bề mặt bắt đầu xuất hiện khi khoảng trống đạt phía dưới đạt kích thước 0,20,25.H Quá trình dịch chuyển đứng một điểm trên bề mặt sẽ trải qua 4 giai đoạn (hình 1.9): (1) giai đoan chuẩn bị; (2) giai đoạn bắt đầu; (3) giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ; (4) giai đoạn kết thúc

Trang 29

Hình 1.9 Các giai đoạn của quá trình dịch chuyển đứng theo thời gian [59]

1.2 Tổng quan về các công trình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ

1.2.1 Phân nhóm các phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ

Nghiên cứu dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt - suy cho cùng là dựa trên nguồn dữ liệu về đặc điểm địa chất, tính chất cơ lý của các lớp đất đá và công nghệ khai thác mỏ và sử dụng công cụ thích hợp để ước tính giá trị các đại lượng dịch chuyển và biến dạng cũng như các góc dịch chuyển Tùy thuộc vào bản chất của cách lựa chọn công cụ và cách giải bài toán đặt ra mà các phương pháp dự báo được phân ra các nhóm

a) Nhóm phương pháp các quan hệ thực nghiệm

Đặc điểm chung của nhóm phương pháp này là dựa trên các quan hệ thực nghiệm xác định được trên cơ sở số liệu đo đạc thực tế tại một vùng cụ thể để dự báo biến dạng bề mặt cho vùng này Ngân hàng số liệu quan trắc càng nhiều và chính xác thì độ chính xác dự báo càng cao Số liệu quan trắc càng trải rộng thì khả năng áp dụng của nhóm phương pháp quan hệ thực nghiệm để dự báo biến dạng bề mặt càng rộng Các công thức thực nghiệm được phát triển và áp dụng rộng rãi nhất ở các nước thuộc Liên Xô và Liên hiệp Anh

b) Nhóm phương pháp hàm mặt cắt

Nhóm phương pháp hàm mặt cắt cho phép xác định dịch chuyển đứng tại các điểm nằm trên mặt cắt vuông góc với phương của vỉa dựa vào các phương trình toán

Trang 30

học hoặc bảng mô tả mặt cắt bồn dịch chuyển Cách tiếp cận nghiên cứu này được phát triển tại nhiều quốc gia vì nó sử dụng tương đối dễ dàng trong dự báo và có thể nghiên cứu áp dụng cho những điều kiện địa chất-mỏ mới

Các hệ số trong các phương trình hay biểu đồ được xác định thực nghiệm từ số liệu quan trắc thực địa Mức độ phức tạp của mỗi phương pháp trong nhóm phụ thuộc vào số lượng các yếu tố trong điều kiện địa chất-mỏ được tính tới như là nhân tố quan trọng Hàm mặt cắt lún cơ bản có dạng như công thức (1.1) và có hình dáng như trên hình 1.10

Trang 31

Những giả thiết và phương pháp quy nạp khoa học của Keihorst đã được các nhà nghiên cứu về sau áp dụng và hoàn thiện trong đó có Bals

Ưu điểm của nhóm phương pháp hàm ảnh hưởng là chúng cho phép ước tính dịch chuyển đứng tại bất cứ điểm mặt đất nào nằm trong vùng ảnh hưởng của khoảng khấu có hình dạng bất kỳ Việc áp dụng có phần phức tạp và khó kiểm định độ sát thực Hơn nữa việc vẽ các vòng tròn ảnh hưởng chỉ đúng trong trường hợp khai thác vỉa bằng nên nhóm phương pháp này thường chỉ được áp dụng khi khai thác các vỉa bằng và dốc thoải

d) Nhóm phương pháp mô hình vật lý (mô hình vật liệu tương đương)

Tại nhiều nước, các mô hình vật liệu quy mô nhỏ đại diện các trường hợp khai thác mỏ khác nhau đã được sử dụng nhằm mục đích quan trắc quá trình dịch chuyển đứng và đã thu được các kết quả với mức độ thành công khác nhau Bằng cách kết hợp một số vật liệu như cát, gelatin, một mô hình vỉa khai thác giống như thật nhưng

có tỉ lệ nhỏ hơn được xây dựng (Hình 1.11)

Hình 1.11 Mô hình vật lý làm từ cát khô [77]

Ưu điểm của nhóm phương pháp dự báo này là có thể quan trắc được cơ chế biến dạng và đổ vỡ đất đá đang xảy ra Nó cho phép quan sát một số đặc điểm mà mô hình lý thuyết khó có thể biểu diễn Đặc biệt, phương pháp này có thể được áp dụng cho mọi điều kiện địa chất và khai thác mỏ, bởi vậy nó đóng vai trò quan trọng trong

dự báo sự hình thành bồn dịch chuyển, đặc biệt thích hợp để nghiên cứu những khu vực mỏ mới Nó cũng được sử dụng mang tính hỗ trợ bên cạnh các phương pháp khác

Trang 32

trong dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt Hạn chế của nhóm này khó xây dựng được một mô hình giống như cấu trúc thực tế nên chỉ cho được các kết quả tương đối mang ý nghĩa định tính là chủ yếu Ngày nay, nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghệ tin học nên nhóm phương pháp này đã được cải tiến đem lại hiệu quả tốt, tăng

độ tin cậy đáng kể cả về định tính và định lượng Phương pháp này được ứng dụng tại một số nước tiêu biểu như Ba Lan, Liên Xô (cũ), Đức, Mỹ, Ấn Độ, Australia, Anh [74] Các tác giả tiêu biểu trong nhóm nghiên cứu này có thể kể đến như Litwiniszyn [62], Knothe [59], King và Whetton [58]

e) Nhóm phương pháp mô hình giải tích (analytical model)

Các mô hình này dựa trên việc xem xét dịch chuyển mặt đất theo các quy luật của môi trường ngẫu nhiên, môi trường đàn hồi, môi trường dẻo hay môi trường đàn hồi-nhớt, Các lời giải từ các mô hình thông thường dưới dạng tập hợp các phương trình để dự báo dịch chuyển đứng, chủ yếu trong không gian 2 chiều Phương pháp phần tử hữu hạn với các biến thể của nó được ứng dụng khá rộng rãi trong việc mô hình hóa Giải tích phi tuyến cũng được sử dụng để mô phỏng trạng thái mất cân bằng của đất đá và chuyển dịch mặt đất

Tiêu biểu cho mô hình ngẫu nhiên là nghiên cứu của Litwiniszyn [62] Tác giả khảo sát sự chuyển động của một môi trường ngẫu nhiên để giải thích quá trình chuyển dịch mặt đất do khai thác hầm lò Kết quả thu được là biểu thức toán học được công nhận khác với biểu thức được dẫn dắt dựa trên cơ học môi trường liên tục Có thể nhận thấy do môi trường ngẫu nhiên chứa nhiều yếu tố có bậc tự do khác nhau, nên không thể tìm ra lời giải trong cơ học kinh điển, song lại có thể tìm ra lời giải bằng các phương pháp khác Những nghiên cứu tiếp theo của tác giả sử dụng mô hình thực nghiệm từ cát khô đã xác nhận rằng có thể sử dụng mô hình ngẫu nhiên để nghiên cứu quá trình dịch chuyển mặt đất Berry [74] khi bàn luận môi trường ngẫu nhiên trong quan hệ với chuyển động mặt đất đã cho rằng một thuyết dự báo để được áp dụng vào thực tế cần thỏa mãn 3 điều kiện sau: tính chất của môi trường lý thuyết phải tương tự như mặt đất tự nhiên; quá trình khảo sát dịch chuyển phải gắn kết với thực tế; kết quả dự báo lý thuyết phải phản ánh giá trị trung bình xác định từ các tác động

Trang 33

f) Phương pháp dự báo lún theo thời gian

Tiêu biểu cho phương pháp dự báo lún bề mặt do khai thác mỏ hầm lò là phương pháp Knothe, theo Knothe [51], mối quan hệ giữa tham số thời gian và giá trị dịch chuyển đứng có thể được mô tả bằng hàm số mũ 2 tham số [3, 59] Trong đó một tham số ảnh hưởng bởi các yếu tố địa chất - khai thác, thu nhận được từ số liệu quan trắc; tham số còn lại là dịch chuyển đứng cực đại Công thức do Knothe đề xuất cho phép dự báo đại lượng mặt dịch chuyển đứng đất tại một thời điểm 𝑡 nhất định Tuy nhiên nhiều nghiên cứu sau này chỉ ra rằng công thức do ông đề xuất không mô tả đầy đủ quá trình dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò, vì quá trình dịch chuyển đứng một điểm trên bề mặt sẽ trải qua 4 giai đoạn, bao gồm giai đoan chuẩn bị; giai đoạn bắt đầu dịch chuyển; giai đoạn chuyển dịch mạnh mẽ và giai đoạn kết thúc [59] Do vậy công thức gốc của Knothe được thêm vào một tham số để sao cho dáng của đồ thị biểu diễn được toàn bộ quá trình dịch chuyển đứng của bề mặt Một số phương pháp khác cũng được áp dụng vào trong dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian như phương pháp lọc Kalman [8], mạng nơ-ron nhân tạo [52, 66]

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới

Dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt là mối quan tâm của nhiều nước, nhiều trung tâm khoa học và các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt tập trung ở các nước có ngành công nghiệp mỏ phát triển như Nga, Đức, Trung Quốc,

Ba Lan, Mỹ, …

Các nhà khoa học Liên Xô đi tiên phong trong công tác nghiên cứu dịch chuyển biến dạng mỏ Tên tuổi các giáo sư Trắc địa mỏ như Akimov A., Aviersyn S., Kazakovski A., Kobielkov B., Korotkov M., Miediansev S., … gắn liền với các công trình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng mỏ nói chung và dự báo các đại lượng dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ nói riêng trong những thập niên năm mươi của thế kỷ

20 Zemisev B.H có nhiều công trình nghiên cứu về dịch chuyển và biến dạng mỏ Ông đã có 15 năm dành thời gian và công sức nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng mỏ [84] Năm 1970, Akimov A.G và cộng sự [83] đã công bố công trình nghiên cứu dịch chuyển đất đá trong các mỏ than, các công thức của ông dựa trên cơ sở các

Trang 34

kết quả quan trắc nhiều năm tại các mỏ than trên lãnh thổ Liên Xô (cũ) Trong điều kiện khai thác xuống sâu, phương pháp khai thác lộ thiên trở nên kém hiệu quả, các công ty mỏ trên thế giới (kể cả Việt Nam) đang chuyển dần từ khai thác lộ thiên sang khai thác hầm lò Khai thác hầm lò trên nền moong khai thác lộ thiên, nơi mà đất đá

đã từng bị đào xẻ, chuyển dời, vò nát, các hiện tượng dịch chuyển đất đá và biến dạng

bề mặt luôn luôn hiện hữu là lý do thúc đẩy các nhà khoa học Nga nghiên cứu và công bố các công trình Năm 2008, Baryshnikov V.D., Gachova L.N., Cherevnov A.N đã công bố kết quả dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trong trường hợp chuyển từ khai thác lộ thiên sang khai thác hầm lò Cũng vào năm 2008, các tác giả Voskoboev F.N., Buchatsky V.M., Guselnikov L.M., Semennov Y.A và một số cộng sự khác đã công bố kết quả nghiên cứu tại Hội nghị khoa học Mỏ thế giới Theo

đó, các vấn đề về biến động địa cơ được tập trung nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu được tập trung chính cho vùng Saint Peterburg Viện nghiên cứu Trắc địa mỏ và Địa

cơ mỏ (VNIMI), thuộc trường đại học mỏ Saint Perterburg là trung tâm khoa học lớn chuyên nghiên cứu các vấn đề về dịch chuyển và biến dạng mỏ, định hướng chủ đạo của VNIMI là xây dựng các công thức và mô hình thực nghiệm trên cơ sở các kết quả quan trắc thực địa nhiều vùng mỏ khác nhau Hàm dự báo giá trị các đại lượng dịch chuyển biến dạng BTY [85] của VNIMI xây dựng và phát hành đã và đang được sử dụng ở Nga và một số nước trên thế giới trong đó có Việt Nam [7]

Ngành mỏ của Đức có truyền thống rất lâu đời Các nhà khoa học Đức là những người đầu tiên đặt nền móng cho khoa học dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng

bề mặt mỏ Nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng mỏ chắc chắn không thể bỏ qua các công trình nghiên cứu hoặc các giáo khoa kinh viện về lĩnh vực này của các nhà khoa học Keinhorst, Bals, Lý thuyết của Keihorst [55] dựa trên nguyên lý hình học, hàm ảnh hưởng được xác định bởi các góc dịch chuyển giới hạn khác nhau Trong trường hợp vỉa bằng, diện tích vùng ảnh hưởng được giả định bằng hai đường tròn đồng tâm gọi là vùng trong và vùng ngoài Vùng trong chiếm 2/3 cường độ ảnh hưởng, vùng ngoài chỉ chiếm 1/3 cường độ ảnh hưởng Phát triển lý thuyết của Keihorst, Bals cho rằng chỉ có khai thác trong phạm vi hình nón có điểm A là đỉnh

Trang 35

hình nón và góc nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang chính là góc dịch chuyển giới hạn mới tạo ra dịch chuyển biến dạng của điểm A [73] Từng phần tử của vỉa tương ứng với một đơn vị diện tích giới hạn bởi góc dịch chuyển Sau Keihorst và Bals, trong các thập kỷ tiếp theo, các nhà khoa học Đức đã có nhiều công bố mới về tính toán và dự báo dịch chuyển biến dạng mỏ Năm 1998, Kratzsch H [60] đã đi sâu phân tích tốc độ khấu than và đánh giá vai trò của tác nhân này đối với quá trình dịch chuyển biến dạng Năm 1998, trong một chương trình bảo vệ các công trình văn hoá, tín ngưỡng ở Trung và Đông Âu, Kawulok M [54] đã công bố kết quả tính toán các đại lượng biến dạng mỏ nhằm mục đích bảo vệ các công trình tín ngưỡng tôn giáo hàng ngàn năm đang tồn tại trên khu vực khai thác mỏ Gần đây nhất, năm 2014, Gruchlik P., Rajwa S [46] đã công bố kết quả dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng và so sánh chúng với các kết quả quan trắc bằng các phương pháp trắc địa Gruchlik P và Rajwa S cho rằng: song song với các phương pháp dự báo trên các loại mô hình, công thức, … các đại lượng dịch chuyển cần được kiểm chứng bằng các kết quả quan trắc thực địa

Là một trong những quốc gia có sản lượng khai thác mỏ lớn nhất thế giới, vấn

đề dịch chuyển đất đá và biến dạng mỏ luôn được các nhà khoa học Mỹ quan tâm Nhiều kết quả nghiên cứu đã được công bố Năm 2008, tại Hội nghị khoa học quốc

tế lần thứ 27 về bảo vệ bề mặt mỏ tại West Virginia (Mỹ), Michael Karmis, Zach Agioutantis, Kevin Andrews [53] đã công bố phương pháp tích hợp các dữ liệu trong

“hệ thống dự báo biến dạng bề mặt” SDPS (Surface Deformation Prediction

System) nhằm nâng cao độ chính xác dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng

bề mặt mỏ Năm 2014, Zach G Agioutantis và các cộng sự [33] đã công bố công trình nghiên cứu nâng cao hiệu quả dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ trên khu vực khai thác cột dài theo phương trên bể than Illinois Các tác giả này cũng khuyến cáo ứng dụng hệ thống SDPS trong công tác dự báo cho các khu vực khai thác cột dài Năm

1989, Whitaker B.N và Redish D.J [74] đã xuất bản tài liệu giáo khoa về các phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng Sách đã được phát hành rộng rãi tại các nước Mỹ, Hà Lan, Anh, Nhật Bản, …

Trang 36

Trung Quốc đứng thứ hai thế giới về sản lượng khai thác than Mặt khác, điều kiện khai thác các mỏ than ở đây khá phức tạp cả về địa chất cấu tạo, địa chất kiến tạo, địa chất thủy văn và công trình, điều đó làm cho đặc tính và quá trình dịch chuyển đất đá do ảnh hưởng của khai thác mỏ trở nên phức tạp hơn Vấn đề dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng cũng trở nên bức thiết hơn Nhiều nhà khoa học Trung Quốc đã tập trung nhiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng mỏ Ximin Cuia, Jiachen Wanga và Yisheng Liub [42] đã công bố kết quả và kinh nghiệm dự báo dịch chuyển biến dạng khu vực khai thác cột dài theo phương mỏ than Qiajayaing (Đông Bắc Trung Quốc) Phương pháp dự báo dựa vào hàm Knothe S có sử dụng kết hợp phương pháp phân tích thống kê và tham số thời gian Năm 2000, trên tạp chí Cơ học

mỏ, Cui X.M, Miao X.X và Wang J A [41] đã đề xuất phương pháp ứng dụng lý thuyết hình học phi tuyến nhằm nâng cao độ tin cậy trong dự báo dịch chuyển đất đá

và biến dạng bề mặt mỏ Trong báo cáo này, các tác giả cũng cho rằng: đặc điểm ứng suất đất đá là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất và quy luật phân bố các đại lượng dịch chuyển, biến dạng Năm 2015, Lei Nie, Hong Fei Wang, Yan Xu, Ze Chuang Li đã công bố một mô hình mới ứng dụng hàm số đảo của tang để ước tính dịch chuyển và biến dạng mỏ [71] Tháng 5 năm 2018 vừa qua, tại Hội nghị khoa học của ISPRS, tổ chức tại Bắc Kinh, các tác giả Lei Chen, Liguo Zhang, Yixian Tang, Hong Zhang đã báo cáo kết quả nghiên cứu thành công việc ứng dụng hàm Knothe kết hợp với dữ liệu Insar và đo độ cao để dự báo [38]

Khai thác mỏ là công nghiệp truyền thống của Ba Lan, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân của quốc gia này Một đặc điểm của các mỏ than Ba Lan

là hầu hết các tài nguyên than có trữ lượng công nghiệp lớn đều nằm dưới các thành phố lớn, các khu xây dựng dày đặc với các công trình công nghiệp, dân dụng, văn hóa và tôn giáo Song song với khai thác tài nguyên than, Ba Lan luôn phải đối mặt với các vấn đề bảo vệ các công trình trên bề mặt mỏ Vì vậy, có thể nói vấn đề dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt luôn luôn đã, đang và sẽ rất cấp thiết đối với ngành

mỏ Ba Lan, trong đó, khoa học dự báo được coi là một hướng nghiên cứu chính Vấn

đề dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt mỏ luôn mang tính thời sự và được quan

Trang 37

tâm đặc biệt của Nhà nước Tổng cục Mỏ quốc gia, Viện Nghiên cứu mỏ, các trường Đại học mỏ ở Ba Lan luôn tập trung một đội ngũ cán bộ khoa học trình độ cao, một nguồn kinh phí lớn phục vụ cho các chương trình nghiên cứu Ba Lan trở thành một trong những nước có nhiều công trình nghiên cứu nhất về dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ Các công trình nhiên cứu của Ba Lan gắn liền với tên tuổi của các nhà khoa học Knothe Stanistaw, Kochmański Tadeusz, Kowalczyk Zygmunt, Batkiewicz Władysław, Skinderowicz Bronisław, Szpetkowski Stanisław, Trojanowski Jan, Budryk, Witold, Các nhà khoa học này đã đặt nền móng, đã xây dựng các lý thuyết cơ bản về nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng mỏ nói chung và các phương pháp dự báo nói riêng

Nghiên cứu quan trọng và thành công nhất là của Knothe Stanisław thuộc Học

viện Mỏ-Luyện kim Cracốp Phương pháp dự báo mang tên ông hiện nay đang được

sử dụng rộng rãi ở Ba Lan và nhiều nước trên thế giới Bản chất của phương pháp Knothe cũng dựa trên nguyên lý hình học Tuy vậy, giả thiết của ông là hàm ảnh hưởng tuân theo quy luật phân bố chuẩn và trùng với lý thuyết phân bố chuẩn của Gauss Năm 1993, Zych J., Drzężla B và Strzakowski P [82] công bố kết quả nghiên cứu về lý thuyết dự báo dịch chuyển biến dạng Nhóm tác giả này lần đầu tiên đề xuất việc ứng dụng máy tính điện tử và các phần mềm để xử lý và tính toán các đại lượng

dịch chuyển biến dạng Năm 1996, Kwinta A., Hejmanowski R và Sroka A đã công

bố kết quả nghiên cứu tham số thời gian trong công thức tính biến dạng của Knothe

S Năm 2000, Popiolek E., Ostrowski J và Mazur J [72] đã đề xuất các tiêu chuẩn

để phân loại các yếu tố ảnh hưởng phục vụ cho quá trình dự báo

Trong số các công trình đã công bố trên thế giới trong suốt thời gian dài qua, công trình của giáo sư Stanislaw Knothe có một vị trí đặc biệt Nó không những được ứng dụng rộng rãi trong ngành khai thác hầm lò tại nhiều quốc gia mà quan trọng hơn nữa là nó đã và đang tạo cơ sở khoa học cho hàng loạt nghiên cứu của nhiều thế hệ

để vận dụng nó thích hợp trong các điều kiện địa chất và khai thác khác nhau Trong

số những công trình theo hướng này, phải kể đến những nghiên cứu của Asadi, đề xuất mô hình dự báo lún trong trường hợp khai thác dưới các vỉa khoáng sản nghiêng

Trang 38

và dốc Như đã biết, trên cơ sở hàm ảnh hưởng dạng hình học của Stanislaw Knothe, Stanislaw Szpetkowski đã đề xuất mô hình mô tả mặt cắt bồn lún phi đối xứng Để triển khai vào thực tế một cách dễ dàng hơn - cả phương diện tính toán cũng như ứng dụng ý tưởng của Szpetkowski, Asadi đã nghiên cứu đề xuất mô hình dự báo mặt cắt bồn dịch chuyển phi đối xứng

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, nhiều lý thuyết mới, thuật toán mới được ứng dụng trong dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng mỏ Các nhà khoa học Ba Lan cũng đi đầu trong lĩnh vực này, tiêu biểu là Paulus, Grusynski và Witkowski Trên tạp chí Công nghiệp mỏ bền vững năm 2015, Hejmanowski và Witkowski đã công bố công trình nghiên cứu ứng dụng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ, các tác giả chỉ rõ nguyên nhân là do thoát nước làm khô khoáng sản [50] Năm 2003, Ambrozic T và Turk G [34] lần đầu tiên công bố kết quả ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo biến dạng do khai thác than tại mỏ Velenje, Slovenia bằng mạng nơ-ron truyền thẳng 2 lớp Năm 2011, Kang Zhao và Si-ni Chen [81] công bố ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo biến dạng tại các mỏ khai thác kim loại Trung Quốc, hay nghiên cứu của Yang và Xia, 2013 [22] về dự báo mức độ sụt lún đối với các mỏ có lớp đá mỏng phía dưới và lớp đất mượn dày Bên cạnh đó, Hàn Quốc cũng là một quốc gia có nhiều nghiên cứu về dịch chuyển và biến dạng do ảnh hưởng khai thác mỏ hầm lò Ki-Dong Kim và cộng sự nghiên cứu dự báo mức độ sụt lún của thành phố Samcheok do ảnh hưởng của mỏ than đã khai thác [56] Nghiên cứu của Saro Lee [16] sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo để dự báo ảnh hưởng sụt lún tại khu mỏ bỏ hoang ở Jeong-am Năm 2017, tác giả Kim Yangkyun và đồng nghiệp

đã phát triển mô hình ANN để dự báo sụt lún ở mỏ đã dừng khai thác Các tác giả đã

sử dụng kết quả khảo sát 247 vùng sụt lún của 27 mỏ gây ra để kiểm chứng mô hình [57] Trong nghiên cứu [61], để xây dựng bản đồ dự báo mức độ tác động của sụt lún

bề mặt trên khu vực khai thác hầm lò, các tác giả đã sử dụng 7 yếu tố đầu vào cho ANN như yếu tố địa hình, địa chất, hệ thống đường lò, dữ liệu quan trắc mặt đất bằng công nghệ định vị GPS, dữ liệu lỗ khoan, mô hình số độ cao (DEM), và hiện trạng sử

Trang 39

dụng đất Trong nghiên cứu này, độ chính xác dự báo được nâng lên thông qua việc

sử dụng phương pháp ANN xác định trọng số cho các yếu tố đầu vào Có thể thấy rằng việc cung cấp các thông tin như địa chất và sử dụng đất đã giúp nâng cao đáng

kể độ chính xác của phương pháp dự báo lún bằng mạng nơ ron nhân tạo Điều này một lần nữa được khẳng định trong một nghiên cứu thực hiện bởi Lee Saro và cộng

sự [61] Năm 2017, tác giả Satar Mahdevari và cộng sự đã sử dụng mạng nơ-ron truyền thẳng với cấu trúc 9-7-6-1 để dự báo độ ổn định các đường lò vận tải và thông gió của mỏ Tabas, Iran [67]

Các nghiên cứu trên chủ yếu đề cập tới các đại lượng dịch chuyển biến dạng ở giai đoạn cuối của quá trình dịch chuyển tức là bồn dịch chuyển ở giai đoạn tĩnh Tuy nhiên, quá trình dịch chuyển ở chu trình động kể từ khi hình thành và phát triển bồn dịch chuyển sẽ cho thấy bức tranh động rõ nét hơn Trong nghiên cứu [45], các tác giả đã dựa trên hàm dự báo của Knothe - Sroka-Schober để phát triển hàm dự báo mới, kết quả thực nghiệm tại bể Central Asturian cho kết quả dự báo sát với quan trắc Nghiên cứu của nhóm Xinrong Liu (2013) đã phát triển hàm dự báo theo thời gian trên cơ sở hàm dự báo của Harris và cho kết quả chính xác hơn [63], Trong số các hàm dự báo lún theo thời gian thì hàm số mũ do Knothe đề xuất được ứng dụng rộng rãi nhất, cả trong cả trắc địa công trình và trắc địa mỏ Ưu điểm của hàm Knothe cho phép dự báo lún của điểm trên bề mặt theo thời gian [51, 78, 80] Tuy nhiên, sụt lún bề mặt mỏ do khai thác hầm lò là một quá trình phức tạp mà hàm Knothe không thể diễn tả được hết quả trình lún, do vậy độ chính xác dự báo có kết quả không tốt trong một số trường hợp [78] Vì vậy, một vài biến thể của hàm này được đề xuất [43, 80], ví dụ đưa thêm một tham số vào hàm để mô tả quá trình lún sát thực tế hơn [3], các hàm biến thể từ hàm Knothe cho kết quả dự báo tốt hơn [3, 43, 47, 78]

1.2.3 Tình hình nghiên cứu trong nước

Người đầu tiên đặt nền móng nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá do khai thác hầm lò ở Việt Nam là tác giả Nguyễn Đình Bé, các kết quả nghiên cứu đã xác định bể than Quảng Ninh có các điều kiện tương tự với vùng than Kuzơbas, từ

đó xác lập các thông số dịch chuyển cho các mỏ ở bể than Quảng Ninh [1] Các thông

Trang 40

số do ông xác định có ý nghĩa quan trọng đặc biệt trong những năm trước đây, thậm chí chúng vẫn còn được sử dụng tại một số mỏ cho tới tận ngày nay

Tác giả Võ Chí Mỹ đã công bố một số công trình nghiên cứu dịch chuyển đất

đá và biến dạng bề mặt mỏ Năm 1987, ông công bố kết quả nghiên cứu đặc điểm biến dạng bề mặt do ảnh hưởng của khai thác mỏ Konin và ảnh hưởng đến quy hoạch không gian thành phố Konin bằng tư liệu viễn thám [68] Năm 1992, từ kết quả nghiên cứu tính chất và quy luật dịch chuyển các mỏ than hầm lò Việt Nam, tác giả Võ Chí

Mỹ [69] đãđề xuất việc xác định hợp lý kích thước trụ bảo vệ nhằm bảo vệ các công trình trên bề mặt mỏ thuộc bể than Quảng Ninh Năm 1993, ông công bố kết quả nghiên cứu về biến động địa cơ do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò [13] đã khẳng định cơ chế và quy luật biến động địa cơ trong các khoảng trống khai thác dưới Năm

2007, các tác giả Võ Chí Mỹ, Vương Trọng Kha, Nguyễn Quốc Long [15] đã công

bố kết quả về dự báo các tham số dịch chuyển biến dạng cho khu mỏ Bình Minh (Khoái Châu) thuộc bể than Đồng bằng Sông Hồng Năm 2009, các tác giả Võ Chí

Mỹ, Vương Trọng Kha, Phạm Văn Chung, Trần Xuân Thủy [16] công bố kết quả nghiên cứu dự báo mức độ dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ than Bình Minh khi khai thác ở các độ sâu khác nhau Hai kết quả dự báo trên đây cho mỏ than Bình Minh

là các thông tin quan trọng phục vụ cho việc lựa chọn các phương pháp, công nghệ khai thác mỏ than đồng bằng Sông Hồng nhằm bảo vệ các công trình dưới và trên mặt đất của bể than này vốn rất đa dạng và phức tạp Tuy vậy, việc sử dụng phương pháp truyền thống và độ tin cậy của các dữ liệu đầu vào không cao, kết quả nghiên cứu trên đây cần được tiếp tục bổ sung và hoàn thiện

Trong bối cảnh chưa có các kết quả nghiên cứu đầy đủ, việc phải ứng dụng các thông số tương đương, phù hợp cho vùng Quảng Ninh là giải pháp cần thiết Năm

1983, các tác giả Nguyễn Đình Bé và Vương Trọng Kha đã lựa chọn và đề xuất ứng dụng các thông số dịch chuyển của vùng mỏ Cu-zơ-bát (Ukraina) theo nguyên lý

“vùng tương tự” của Kazakovski để xây dựng trụ bảo vệ cho công trình trên mặt đất

mỏ than Mông Dương Năm 2003 tác giả Vương Trọng Kha đã thành công trong nghiên cứu tính chất quá trình dịch chuyển biến dạng đất đá do khai thác hầm lò trong

Định dạng
Số trang	185
Dung lượng	5,99 MB