2.3.1. Khái quát chung về chương trình Phase2
Phase2 là phần mềm đƣợc xây dựng trên cơ sở phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM - Finite Element Method) để phân tích ứng suất và biến dạng cho công trình ngầm, bờ dốc...v.v, đƣợc thi công trong khối đất hoặc đá. Phần mềm Phase2 có thể mô hình đƣợc nhiều loại đất đá khác nhau theo các tiêu chuẩn bền Mohr-Coulomb hoặc Hoek-Brown. Ngoài ra, chƣơng trình Phase2 có thể sử dụng để tính toán ổn định cho công trình ngầm hoặc nền móng các công trình trên bề mặt.
Phần mềm Phase2 chia môi trƣờng nghiên cứu thành một mạng các phần tử có kích thƣớc hữu hạn, tiếp x c với nhau bởi các n t. Bằng phƣơng pháp đó, việc giải một hệ các phƣơng trình vi phân đƣợc đƣa về dạng giải một hệ các phƣơng trình đại số, liên kết các lực tại các n t với các chuyển vị n t qua "ma trận độ cứng". Các hàm số "hình dạng" và nội suy đƣợc áp dụng để diễn tả các biểu hiện ứng suất, biến dạng của từng phần tử. Vì vậy, phần mềm Phase2 xử lý dữ liệu rất nhanh và cho kết quả tin cậy.
Về mặt lý thuyết, khi tiến hành đào một đƣờng hầm, đƣờng lò trong không gian ngầm sẽ tạo ra những khoảng trống giống nhƣ khoảng trống trong quá trình UCG. Phần mềm Phase2 đƣợc sử dụng hiệu quả để mô hình hóa các công trình ngầm trong môi trƣờng đá. Các vỉa than vùng Khoái Châu, tỉnh Hƣng Yên nằm trong địa tầng đá trầm tích tƣơng đối đơn giản.
Mô hình Phase2 đƣợc xây dựng theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn, của hãng Rocscience. Các bài toán biên 2 chiều đƣợc thiết lập cho các trƣờng hợp: đƣờng lò đào trong than, đƣờng hầm đào trong đá có một hệ khe nứt, đƣờng hầm đào gần đới phá hủy, đƣờng hầm đào gần hang hốc chứa nƣớc (t i nƣớc) và lò chợ khai thác than hầm lò [3].
Trong thiết kế, thi công các đƣờng lò khai thác than mới tại mỏ than Khe Chàm và mỏ than Thống Nhất, phần mềm Phase2 đƣợc áp dụng để dự báo dịch động, biến dạng mặt đất và mức độ ảnh hƣởng tới các đƣờng lò khai thác khác. Cùng với phƣơng pháp quan trắc dịch động bằng hệ thống mạng lƣới các điểm quan trắc, phần mềm Phase2 góp phần tích cực vào việc dự báo quy mô và mức độ tác
động của tác tai biến địa chất trong khai thác than hầm lò nhƣ l n, dịch chyển ngang của các đƣờng lò.
Dịch động và l n trong khai thác than là vấn đề đang đƣợc ch ý nhiều, khi ch ng ta chuẩn bị khai thác than vùng đông bằng Sông Hồng. Có khá nhiều công thức kinh nghiệm đã đƣợc xây dựng, nhằm dự báo mức độ l n sụt trên mặt đất. Nói chung l n sụt trên mặt đất là hàm số của nhiều yếu tố tác động khác nhau. Do vậy không phải bao giờ cũng có thể sử dụng các công thức kinh nghiệm thu đƣợc cho vùng nào đó để áp dụng ngay cho vùng khác, nhất là khi điều kiện địa chất có dấu hiệu khác nhau. Các phƣơng pháp số khác nhau cho phép ch ý đƣợc các điều kiện địa chất nhất định, việc lựa chọn và sử dụng hợp lý phƣơng pháp số sẽ cho phép có đƣợc nhận định, dự báo gần đ ng hơn [3].
Theo phân tích ở trên, luận văn đã sử dụng phần mềm Phase2 để dự báo sụt l n cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên.
2.3.2. Điều kiện và cơ sở lựa chọn mô hình Phase2
Mô hình Phase2 đƣợc sử dụng để phân tích, đánh giá, dự báo biến dạng và sụt l n mặt đất khi thi công các công trình ngầm trong môi trƣờng đất, đá. Phần mềm Phase2 sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán dịch chuyển và biến dạng trong môi trƣờng đàn hồi. Giả thiết ban đầu của phần mềm Phase2 là thiết lập lƣới các phần tử trong môi trƣờng đàn hồi. Đất đá, địa tầng khu vực nghiên cứu là môi trƣờng đàn hồi. Sự phát triển của khoang khí hóa trong lòng đất đƣợc nhận định nhƣ sự mở rộng của các đƣờng lò khai thác than ngầm khi chƣa đƣợc gia cố, chống giữ. Đó là giả thiết và điều kiện để luận văn áp dụng mô hình Phase2 phục vụ tính toán, dự báo l n cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên.
Dự án thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên đƣợc thiết kế khi khu vực nghiên cứu chƣa có kết quả thăm dò địa chất chi tiết. Đặc tính địa chất thủy văn, địa chất công trình chi tiết của địa tầng chứa than từ mức -120m trở xuống chƣa đƣợc xác minh làm rõ.
Trên cơ sở kết quả thăm dò sơ bộ, kết quả nghiên cứu địa chất hiện có, luận văn đã lựa chọn các thông số đặc trƣng về địa chất mỏ, tính chất cơ lý của địa tầng
đất, đá để phục vụ tính toán, dự báo sụt l n mặt đất. Các phƣơng pháp kinh nghiệm đƣợc áp dụng tính toán, dự báo sụt l n mặt đất khi thi công các công trình ngầm trong môi trƣờng đá ở độ sâu lớn (dƣới -450m) sẽ có độ tin cậy thấp. Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, các phƣơng pháp kinh nghiệm chƣa quan tâm đến các thông số điều kiện khai thác mỏ nhƣ cƣờng độ kháng nén, lực dích kết, môđul đàn hồi của khối đá, đất mỏ. Các thông số liên quan đến hình thái công trình ngầm trong khai thác than thƣờng đƣợc sử dụng là các hệ số kinh nghiệm hoặc áp dụng, sử dụng các thông số cho các khu vực có điều kiện và đặc điểm địa chất cơ bản tƣơng đồng với nhau. Phần mềm Phase2 đã quan tâm đến cả hình thái và tính chất cơ lý của địa tầng chứa công trình ngầm khi dự báo sụt l n.
Thực tế, quá trình sập đổ tự nhiên của các lớp đất đá phía trên vỉa than trƣớc và sau khi kết th c khai thác hầm lò cũng đƣợc dự báo bằng phần mềm Phase2. Phần mềm Phase2 đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc thiết kế, thi công các công trình ngầm (đƣờng hầm, hầm mỏ, …) trong môi trƣờng đá. Khả năng ứng dụng tốt nhất của phần mềm Phase2 là tính toán, dự báo sụt l n và biến dạng theo các phƣơng khác nhau trong quá trình thi công công trình ngầm trong môi trƣờng đất, đá tƣơng đối đồng nhất.
Đặc tính địa chất công trình, địa kỹ thuật của vùng Khoái Châu là tƣơng đối đồng nhất theo cả diện tích và chiều sâu nghiên cứu. Trong phạm vi, quy mô của dự án thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm, luận văn đã tổng hợp kết quả nghiên cứu địa chất đã có để phân chia địa tầng trên và địa tầng chứa khoang khí hóa thành 2 lớp địa tầng tƣơng đối đồng nhất. Lớp trên: Địa tầng trầm tích Đệ tứ từ mặt đất đến mức -120 có thành phần chủ yếu là cát, sét, sạn, sét pha cát, sét dẻo mềm, cuội, sạn bở rời có chứa nƣớc. Lớp dƣới: Địa tầng Neogen chứa than có thành phần chủ yếu là cát kết, bột kết, sét kết, bột sét kết, sét bột kết, sét than và các vỉa than nâu.
Phần mềm Phase2 sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn trên cơ sở nội suy, liên kết chuỗi quan hệ các lực đàn hồi, dích kết của rất nhiều phần từ qua hệ thống lƣới đồng nhất. Phần mềm Phase2 sẽ nội suy, tính toán dự báo dịch chuyển, biến dạng, sụt l n mặt đất của khoang khí hóa trong môi trƣờng đá đàn hồi.
Những phân tích ở trên là cơ sở để luận văn lựa chọn, áp dụng mô hình mô hình Phase2 phục vụ tính toán, dự báo sụt l n mặt đất cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên.
2.3.3. Dữ liệu đầu vào của phần mềm Phase2
Dữ liệu đầu vào của phần mềm Phase2 bao gồm: - Hình dạng, chiều sâu khoang trống ngầm;
- Đặc tính cơ lý của môi trƣờng đất đá xung quanh khoang trống ngầm: + Cƣờng độ kháng nén + Cƣờng độ kháng kéo + Lực dích kết + Modul đàn hồi + Modul tổng biến dạng + Hệ số poisson + Góc nội ma sát + Chiều sâu mực nƣớc ngầm + Trọng lƣợng riêng của đất đá + Hệ số thấm + Độ nứt nẻ
Nhƣ vậy, phần mềm Phase2 tính toán lún cho các công trình ngầm trên cơ sở các đặc tính cơ lý và điều kiện thực tế của môi trƣờng đất đá bao quanh khoảng trống ngầm.
2.3.4. Trình tự tính toán và luận giải kết quả
Trên cơ sở dữ liệu đầu vào, ngƣời sử dụng sẽ lựa chọn các mô hình dựng sẵn phù hợp với điều kiện áp dụng. Sau đó, phần phềm sẽ tự động tính toán lập mô hình hai chiều và cho kết quả tùy chọn theo mục đích sử dụng.
Qua một số kết quả nghiên cứu, sử dụng phƣơng pháp số để phân tích các tai biến địa chất trong xây dựng công trình ngầm và khai thác than ở Việt Nam cho thấy: Với mô hình xây dựng hợp lý hoàn toàn có thể ch ý đƣợc các đặc điểm địa
đá, cho phép dự báo đƣợc các tai biến địa chất cũng nhƣ lựa chọn các giải pháp kỹ thuật hợp lý, khi tiến hành phân tích tham số; Các kết quả nhận đƣợc cho thấy, các dạng tai biến rất phức tạp và đa dạng, không thể mô phỏng, đánh giá đƣợc bằng các phƣơng pháp giải tích, hoặc chỉ dựa vào các kết quả thực nghiệm; Phƣơng pháp số cho phép tiến hành phân tích tham số (thay đổi các tham số đầu vào), do vậy cho phép nhận đƣợc các kết luận về tính quy luật của các yếu tố tác động nhất định, từ đó cho phép dự báo đƣợc các tai biến có thể xảy ra, trƣớc khi thi công, xây dựng hoặc khai thác [3].
Tuy nhiên, việc áp dụng phƣơng pháp số cũng có những hạn chế nhất định, cụ thể: Muốn có kết quả phù hợp, đòi hỏi phải có các thông số đầu vào phù hợp. Vấn đề này hiện nay còn gặp hạn chế trong khâu thăm dò, khảo sát và thí nghiệm; Việc phân tích tham số đòi hỏi nhiều thời gian và nhiều thử nghiệm trong quá trình tính toán, một mặt để ch ý đến phạm vi biến động của các tham số, mặt khác cũng phải ch ý để có đƣợc sơ đồ, mô hình tính ổn định trong quá trình tính; Các chƣơng trình số thƣơng mại có giá thành cao, nhƣng lại đòi hỏi phải tập trung nghiên cứu khai thác mới có thể phát huy hiệu quả tƣơng xứng [3].
Phƣơng pháp số (trong đó có mô hình Phase2), dù có nhiều ƣu điểm và khả năng mô phỏng tốt, song chắc chắn cũng không thể ch ý đƣợc hết các biến động địa chất, do vậy đo đạc, quan trắc vẫn sẽ là công cụ bổ trợ đắc lực trong quá trình thi công. Sử dụng các phƣơng pháp khác nhau trong nghiên cứu và giải quyết các bài toán thực tế đòi hỏi sự hợp tác chặt chẽ đa ngành đồng thời đòi hỏi mỗi ngành chuyên môn đều phải phát triển, hoàn thiện các thủ thuật nghiên cứu riêng.
Phƣơng pháp và kết quả tính toán dự báo lún mặt đất cho dự án khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên đƣợc trình bày trong chƣơng 3 của luận văn.
CHƢƠNG 3. DỰ BÁO TÁC ĐỘNG MÔI TRƢỜNG CHO DỰ ÁN KHÍ HÓA THAN NGẦM TẠI VÙNG THAN KHOÁI CHÂU TỈNH HƢNG YÊN
Hoạt động của dự án UCG tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên có ảnh hƣởng tới môi trƣờng hay không và mức độ tác động nhƣ thế nào sẽ đƣợc trình bày cụ thể trong chƣơng này. Các tác động môi trƣờng chính do dự án UCG gây ra sẽ đƣợc nhận dạng, phân tích, dự báo bao gồm: sụt lún, ô nhiễm và cháy nổ. Trong giới hạn nghiên cứu, luận văn đi sâu phân tích, đánh giá, dự báo tác động sụt lún mặt đất bằng cả phƣơng pháp kinh nghiệm và phƣơng pháp mô hình số. Thực tế, kiểm soát lún là một trong các nội dung mang tính quyết định đến sự thành công của dự án UCG. Nhƣ vậy, nghiên cứu tác động của lún trong dự án khí hóa than ngầm ở ĐBSH là rất có ý nghĩa về khoa học cũng nhƣ thực tiễn.
3.1. Nội dung cơ bản của dự án thử nghiệm khí hóa than ngầm
Dự án thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm tại vùng than Khoái Châu tỉnh Hƣng Yên của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam với diện tích 6,06ha thuộc Thị trấn Khoái Châu, huyện Khoái Châu, tỉnh Hƣng Yên. Hiện trạng sử dụng đất khu vực dự án là đất nông nghiệp. Khu vực Dự án cách thị trấn Khoái Châu khoảng 1,5km và cách các khu dân cƣ khoảng 1km [8].
Tính chất, quy mô và đối tƣợng của dự án: Thử nghiệm công nghệ khí hóa than ngầm đối với vỉa than số 4, chiều dày trung bình khoảng 4,5 đến 5,5m tại mức cao - 420 đến - 450m [8]. Hình 3.2. Sơ đồ mặt bằng khu vực dự án [8] UCG 1 UCG 2 UCG 3 Lỗ khoan lõi
Data well: Lỗ khoan quan trắc
Mục tiêu của Dự án: Đánh giá tính khả thi của công nghệ UCG tại bể than ĐBSH. Thu thập các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cần thiết có liên quan (khả năng khí hóa của các vỉa than, thành phần lý - hóa của khí tổng hợp thu đƣợc, các thông số về mỏ - địa chất và mỏ - kỹ thuật, …), nghiên cứu các tác động đối với môi trƣờng để làm căn cứ cho việc quyết định triển khai các giai đoạn tiếp theo [8].
Dự kiến công suất và thời gian tồn tại của dự án thử nghiệm: Tổng thời gian thực hiện dự án là 24 tháng, thời gian vận hành khí hóa khoảng 60 ngày, lƣợng than đƣợc khí hóa khoảng 2520 tấn trong bƣớc 1 và 6300 tấn trong bƣớc bƣớc 2 [8].
Hình thức thực hiện dự án: Dự án đƣợc thực hiện thông qua Hợp đồng hợp tác kinh doanh của 3 thành viên là Tập đoàn Công nghiệp Than Khoáng sản Việt Nam, Công ty TNHH Linc Energy (Úc) và Tập đoàn Marubeni (Nhật Bản) [8].
3.2. Đặc điểm địa hình, địa chất mỏ vùng than Khoái Châu
Vùng than Khoái Châu thuộc địa phận huyện Khoái Châu, tỉnh Hƣng Yên, cách Hà Nội 30 km về phía Đông Nam. Địa hình khu vực là đồng bằng, có độ cao từ 2,5- 6m.
Trong khu vực có Sông Hồng lớn nhất miền Bắc, chiều sâu 67m chảy trong tầng trầm tích Đệ tứ (Q). Mùa khô có lƣu lƣợng 80100m3/s, tốc độ dòng chảy 24m/s. Mùa mƣa có lƣu lƣợng lớn, chảy xiết, mực nƣớc dâng cao 1013m, lƣu lƣợng 8001000 m3/s, tốc độ dòng chảy 68m/s [5].
Về đặc điểm nƣớc ngầm, vùng Khoái Châu có hai phức hệ chứa nƣớc, xem bảng 3.1.
Bảng 3.1. Đặc điểm các phức hệ chứa nƣớc vùng Khoái Châu [5]
Thông số Phức hệ Đệ tứ (Q) Phức hệ Neogen (N)
Tầng trên Tầng dƣới
Diện phân bố Liên tục, khắp nơi
Liên tục, khắp nơi Liên tục, khắp nơi Độ sâu phân bố 40 50 m 50 120m Từ 100 150m trở xuống Bề dày chứa
nƣớc
Thông số Phức hệ Đệ tứ (Q) Phức hệ Neogen (N) Tầng trên Tầng dƣới Mực nƣớc ngầm sâu 0,69 m 1,75 m 2,75m Dao động mực nƣớc ngầm cách mặt đất 1 3m, theo mùa
>3m, theo mùa <2m, theo mùa
Hệ số thấm K (m/ngày) 5,58 29,6 0,01 1,07 Tính chất áp lực của nƣớc ngầm Có áp lực yếu 116,54 m Có áp lực
Địa tầng vùng than Khoái Châu là trầm tích Đệ tứ (Q) dày 100-150m, phân bố rộng khắp khu vực và phủ trên địa tầng Neogen (N) có chứa các vỉa than. Thành phần trầm tích Q chủ yếu là bột, sét, cát, sét pha, cát pha, cuội, sạn bở rời. Địa tầng N là các thành tạo bột kết, cát kết, sét kết, sét than và than. Đất đá trong Neogen có mức độ gắn kết trung bình [5].
Theo kết quả đã nghiên cứu cho thấy các lớp đá vách và trụ vỉa than phần lớn là sét kết, bột kết và cát kết có khả năng chứa nƣớc, độ gắn kết yếu, mềm bở, dễ sập đổ, trƣơng nở và có thể gây ra dịch chuyển mạnh trong quá trình khai thác.