nghiÊn cỨu xÂy dỰng mÔ hÌnh biẾn ĐỘng ĐỊa cƠ khu...

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

PHẠM VĂN CHUNG

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 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 MÔ 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:

1. PGS.TS. PHÙNG MẠNH ĐẮC

2. TS. VƯƠNG TRỌNG KHA

Hà Nội - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công

trình nào khác.

Tác giả luận án

Phạm Văn Chung

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1

CHƯƠNG 1 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 ......................................................................................................................... 7

1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa

cơ trên thế giới ............................................................................................................ 7

1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh ....................... 14

1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 20

CHƯƠNG 2 MÔ 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 về mô hình ........................................................................................ 22

2.1.1. Định nghĩa về mô hình .................................................................................... 22

2.1.2. Các đặc trưng của mô hình ............................................................................. 22

2.1.3. Phân loại mô hình ........................................................................................... 23

2.1.4. Ưu nhược điểm của các mô hình .................................................................... 23

2.2 Nghiên cứu trên mô hình ..................................................................................... 24

2.2.1. Xây dựng mô hình ............................................................................................ 24

2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình ................................................................................. 25

2.2.3. Kiểm chứng mô hình ....................................................................................... 26

2.2.4. Điều chỉnh các tham số của mô hình .............................................................. 26

2.3 Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá .............. 27

2.3.1. Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ ......................................................... 27

2.3.2. Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ ...................................... 31

2.3.3. Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ ........................................................... 33

2.3.4. Các thông số trên mô hình địa cơ ................................................................... 36

2.3.5. Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ ............................................ 42

2.3.6. Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ .................................................... 43

2.3.7. Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng ............................... 44

2.4 Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh ............ 49

2.5 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 49

CHƯƠNG 3 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 và xử lý số liệu .............................................................. 50

3.2 Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn ............................ 51

3.3 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển ................................................ 55

3.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động

đá mỏ ......................................................................................................................... 55

3.3.2. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển............................................ 63

3.4 Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh............................. 67

3.5 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 68

CHƯƠNG 4 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 mô hình địa cơ cho khối đá tại 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 các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh ............ 72

4.1.3 Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata ......................................... 75

4.2. Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất ........................ 78

4.2.1 Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada) .. 78

4.2.2. Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán .............................................. 79

4.2.3 Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ ............................... 80

4.3 Xác định mối quan hệ giữa 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 giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi ...................... 89

4.4 Kết luận chương 4 ............................................................................................... 92

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG MÔ 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 và ranh giới khu vực nghiên cứu ..................................................... 93

5.2 Khái quát về công nghệ cơ 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 mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu .................... 97

5.4 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng

dốc trên mô hình địa cơ ............................................................................................. 98

5.5 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường

phương ..................................................................................................................... 104

5.6 Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa………………….112

5.7 Kết luận chương 5 ............................................................................................. 115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 116

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG 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: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với các khoáng sàng Ural và

Cadacxtan .................................................................................................................. 40

Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với các khoáng sàng Ural và

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 và 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 trong 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 ở tử số, 2 ở 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 quả đo đạc và lý thuyết ....................................................... 65

Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và 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 quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá ............................................ 71

Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh ....... 72

Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR ....... 73

Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò ở các mỏ than

Quảng Ninh .............................................................................................. 74

Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào của RocData ................................................................... 76

Bảng 4.6: Kết quả tính mô đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown ............... 78

Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi ................................................. 80

Bảng 4.8: Kết quả tính mô đun đàn hồi các loại đá .................................................. 91

Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc ................................................... 93

Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa 7 ............................................................................ 94

Bảng 5.3: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata ................... 98

Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu ........................................... 98

Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển ................................................. 114

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ ........................................... 8

Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các trạng thái ứng suất biến dạng

khác nhau..................................................................................................................... 9

Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ ..... 10

Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng

hướng (a) và 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: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau ..................... 25

Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình ................................................... 25

Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá nguyên thủy ở độ sâu H .......... 28

Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa ......................................................................... 28

Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò 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 của khối đá mỏ…………………………………31

Hình 2.8: Mô hình vật lý đá mỏ……………………………………………………32

Hình 2.9: Phân loại mô hình địa cơ………………………………………………...33

Hình 2.10: Các thành phần chính của mô hình địa cơ .............................................. 35

Hình 2.11: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trường hợp khai thác lộ thiên vỉa dốc dày . 37

Hình 2.12: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trong trường hợp khai thác hầm lò vỉa dày 37

Hình 2.13: Mô hình địa cơ tổng quát khoáng sàng đang khai thác, phục vụ việc quan

trắc kiểm tra quá trình dịch chuyển [75] ................................................................... 44

Hình 2.14: Các phương pháp số trong địa kỹ thuật [10] ........................................... 45

Hình 3.1: Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên ............... 53

Hình 4.1: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá cát kết ............................................... 76

Hình 4.2: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá bột kết ............................................... 77

Hình 4.3: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá sét kết ................................................ 77

Hình 4.4: Xác định mô đun đàn hồi E cho than ........................................................ 78

Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 1 .................................... 81

Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 1 .......................................... 81


Hình 4.8: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 2 .......................................... 82


Hình 4.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 3…………………………81

Hình 4.11: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 4 .................................. 84

Hình 4.12: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 4 ........................................ 84





Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết .............. 90

Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết .............. 90

Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của 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 công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ trụ hạ

trần thu hồi than nóc .................................................................................................. 97

Hình 5.4: Sơ đồ tính toán .......................................................................................... 99

Hình 5.5: Nhập các thông số cho mô hình .............................................................. 100

Hình 5.6: Quá trình chạy vòng lặp tính dịch chuyển biến dạng ............................. 100

Hình 5.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò ............... 100

Hình 5.8: Biểu đồ mô 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 và góc dịch chuyển ..................................... 102

Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá ............................... 102

Hình 5.12: Biểu đồ biểu diễn véc tơ dịch chuyển theo thời gian ............................ 103

Hình 5.13: Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình ........................... 103

Hình 5.14: Biểu đồ phân bố các vùng phá hủy ....................................................... 103

Hình 5.15: Sự phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ khai thác ............................ 104

Hình 5.16: Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương ................... 105

Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu ............................. 106

Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2 ............................... 106





Hình 5.23: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 10 ............................. 108

Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ………………….105

Hình 5.25: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khi khai thác lò chợ ban đầu .... 109

Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 2 ...................... 109

Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 5 ........................... 110




Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 9 ...................... 111

Hình 5.32: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 10 ......................... 111

Hình 5.33: Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất và lớp đá vách cơ bản ............. 112

Hình 5.34: Giá trị độ lún trên bề mặt đất ................................................................ 112

Hình 5.35: Giá trị độ lún trên nóc lò chợ ................................................................ 112

Hình 5.36: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo hướng dốc ............................... 114

Hình 5.37: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo đường phương ......................... 114

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Để đáp ứng nhu cầu than cho nền kinh tế quốc dân, Thủ tướng Chính phủ đã có

Quyết định 403/QĐ-TTg ngày 14/03/2017 về Quy hoạch phát triển ngành Than

Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, theo đó toàn ngành phải

cung cấp cho nền kinh tế quốc dân 47 - 50 triệu tấn than thương phẩm vào năm

2020 và 55 - 57 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2030, trong đó chủ yếu sản

lượng được khai thác từ các mỏ than hầm lò [9]. Nhằm nâng cao sản lượng và mức

độ an toàn trong khai thác, tăng năng xuất lao động với giá thành cạnh tranh trong

cơ chế thị trường, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam đang triển

khai tích cực chương trình cơ giới hoá khấu than lò chợ với việc áp dụng thử

nghiệm hàng loạt các lò chợ cơ giới hoá ở các mỏ Khe Chàm, Dương Huy, Hà Lầm,

Vàng Danh, Nam Mẫu… và bước đầu đã có những kết quả rất đáng khích lệ, mở ra

triển vọng lớn về phát triển công nghệ cơ giới hoá khai thác các mỏ than hầm lò

Quảng Ninh.

Hiệu quả áp dụng công nghệ cơ giới hoá nói chung, và đặc biệt khi khai thác

các vỉa dày phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ, sản trạng

các vỉa than, tính chất và quy luật phát triển áp lực mỏ xung quanh khu vực lò chợ

cũng như quá trình biến dạng, sập đổ của khối đá trong địa tầng nằm trên trên khu

vực lò chợ.

Thực tế hoạt động của các lò chợ cơ giới hoá khai thác các vỉa dày với sơ đồ

công nghệ khấu than lò chợ lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc như hiện nay ở các

công ty than Khe Chàm, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu v.v… đã tạo ra những

khoảng không gian khai thác lớn do các vỉa than rất dày, thường dao động 7 - 20m.

Hậu quả là sự biến dạng, phá huỷ và sập đổ của khối than nóc và đá vách trong quá

trình khai thác xảy ra mạnh mẽ hơn nhiều so với trường hợp khai thác các vỉa có

chiều dày trung bình và mỏng, thường xuyên xảy ra các hiện tượng như lở gương,

rỗng nóc lò chợ, sụt lún bề mặt đất, dẫn đến nước chảy vào lò với lưu lượng lớn,

đặc biệt vào mùa mưa, gây ách tắc quá trình sản xuất, giảm mức độ an toàn lao

2

động và hiệu quả làm việc của đồng bộ thiết bị cơ giới hoá. Các thông số như chiều

cao vùng sập đổ, vùng phá huỷ tách lớp, vùng biến dạng uốn võng cũng như quy

luật sập đổ và bước gẫy của đá vách trực tiếp và cơ bản, độ lún và kích thước bồn

dịch chuyển trên bề mặt v.v… là những thông số quan trọng phục vụ cho tính toán

điều khiển khối đá mỏ, nhưng trong thực tế khai thác các vỉa dày ở mỏ hầm lò

Quảng Ninh còn chưa được nghiên cứu.

Đặc điểm cơ bản của mô hình địa cơ là: (i) việc mô phỏng 3 chiều của khối đá

trong môi trường liên tục đồng nhất, hoặc không đồng nhất thông qua các tính chất

biến dạng trong môi trường, mô hình có thể giả định các tính chất của khối đá mỏ tự

nhiên và đặc tính biến dạng của chúng. (ii) Nhận trạng thái ứng suất ban đầu của

khối đá mỏ làm điều kiện biên để tính toán mô hình địa cơ. (iii) Nguồn kích hoạt

trạng thái ứng suất là khoảng trống khai thác được đặc trưng bằng các thông số hình

học trong không gian 3 chiều.

Hiện nay, các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng phương pháp phần tử hữu

hạn để xác định trạng thái ứng suất biến dạng trên mô hình địa cơ khối đá mỏ, đặc

biệt khi kết hợp phương pháp này với phương pháp nghiên cứu bằng quan trắc thực

địa có thể xác định được các thông số dịch chuyển, biến dạng và sập đổ của khối đá

mỏ như nêu ra ở trên trong vùng ảnh hưởng của lò chợ với độ tin cậy và chính xác

cần thiết, phục vụ cho việc đề ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý.

Với sự hỗ trợ của phương pháp số, ứng dụng mô hình địa cơ cho phép nâng cao

độ chính xác, độ tin cậy khi nghiên cứu quy luật và tính chất dịch chuyển đất đá mỏ

trong khu vực lò chợ cơ giới hóa. Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến

sĩ: “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 Quảng Ninh” đã được lựa chọn là xuất

phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa thực tiễn.

Ý tưởng khoa học của đề tài luận án là: Xác định mô hình địa cơ khối đá mỏ

tiệm cận gần đúng với môi trường địa chất khối đá tự nhiên thông qua nghiên cứu

mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của khối đá mỏ với độ lún cực đại bề mặt đất theo

kết quả quan trắc thực địa.

3

2. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu

2.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

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.

2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về mô hình địa cơ khối đá mỏ;

- Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá vùng than Quảng Ninh;

- Nghiên cứu phương pháp luận khoa học xây dựng mô hình biến động địa cơ;

- Nghiên cứu xác định các điều kiện biên cho mô hình biến động địa cơ thông

qua việc xử lý các số liệu quan trắc thực địa;

- Ứng dụng mô hình biến động địa cơ xác định quy luật dịch chuyển, biến dạng

phá hủy bề mặt và đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới, áp

dụng cho mỏ Nam Mẫu.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các quy luật dịch chuyển, biến dạng, phá hủy bề mặt

đất và của đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hạ trần thu

hồi than nóc.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

Luận án nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi của

khối đá thông qua ứng dụng mô hình địa cơ để tính toán dự báo dịch chuyển, biến

dạng và phá hủy bề mặt của khối đá mỏ trong điều kiện cụ thể ở Quảng Ninh.

4. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thực địa: Đo đạc trên các trạm quan trắc dịch động vùng than

Quảng Ninh nhằm tạo điều kiện biên và kiểm chứng độ chính xác mô hình địa cơ,

xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh;

- Phương pháp lý thuyết: Dựa trên nền tảng phương pháp số, sử dụng phương

4

pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán trên mô hình địa cơ

- Phương pháp thu thập phân tích và tổng hợp: Phục vụ cho phần tổng quan luận án;

- Phương pháp hồi quy thống kê: Xác định các mối quan hệ giữa các biến thông

số đàn hồi và độ lún cực đại;

5. Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Hàm đường cong tiêu chuẩn được xây dựng theo kết quả quan

trắc thực địa tại một số mỏ than hầm lò cho phép xác định kích thước vùng ảnh

hưởng trên bề mặt, tính toán xác định các đại lượng dịch chuyển, đồng thời phục vụ

dự báo độ sâu khai thác an toàn các mỏ than hầm lò Quảng Ninh.

Luận điểm 2: Mô hình địa cơ được xây dựng trên cơ sở mối quan hệ giữa mô

đun đàn hồi và độ lún cực đại của mặt đất theo kết quả quan trắc thực địa cho phép

đồng thời nghiên cứu xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy của

khối đá trong địa tầng và bề mặt đất.

6. Những điểm mới của luận án

- Lần đầu tiên ở Việt Nam luận án đã xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn

S(z), F(z), F’(z) phục vụ cho công tác dự báo dịch chuyển biến dạng vùng than

Quảng Ninh.

- Luận án xác định mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ và độ lún cực

đại theo kết quả quan trắc thực địa.

- Luận án đã xác định hệ số giảm bền K = 1,24 để xây dựng mô hình địa cơ khu

vực Quảng Ninh nhằm dự báo dịch chuyển biến dạng và phá hủy khối đá và bề mặt

đất.

- Luận án đã xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy đá vách

lò chợ cơ giới hóa khai thác hạ trần thu hồi than nóc vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

7.1. Ý nghĩa khoa học:

Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa

cơ với môi trường đồng nhất hoặc không đồng nhất của khối đá để dự báo các thông

số dịch chuyển biến dạng đất đá khi khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa.

5

7.2. Ý nghĩa thực tiễn:

- Ứng dụng mô hình biến động địa cơ cho phép khảo sát ảnh hưởng của các yếu

tố địa chất như tính chất cơ lý đất đá, chiều dày vỉa than, độ sâu khai thác đến quy

luật dịch chuyển, biến dạng và sập đổ đá vách.

- Sử dụng mô hình cho phép dự báo các thông số dịch chuyển và biến dạng đối

với các vùng mỏ chưa được nghiên cứu kỹ về dịch chuyển biến dạng.

8. Cơ sở tài liệu

Luận án được thực hiện trên cơ sở các nguồn tài liệu đo đạc thực địa phong phú

từ các trạm quan trắc ở các mỏ than Quảng Ninh.

Đồng thời, luận án cũng tham khảo rất nhiều đề tài, dự án, báo cáo khoa học về

dịch chuyển biến dạng đất đá, mô hình địa cơ của các tác giả trong và ngoài nước

9. Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 5 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham

khảo được trình bày trong 128 trang đánh máy A4. Dưới đây là tiêu đề các chương:

Chương 1: 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

Chương 2: Mô hình địa cơ trong nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất

đá và bề mặt đất do ảnh hưởng khai thác

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn từ số liệu

quan trắc ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh

Chương 4: 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

Chương 5: Ứng dụng mô hình địa cơ nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến

dạng địa tầng đất đá và bề mặt do ảnh hưởng khai thác lò chợ vỉa V7 mỏ than Nam

Mẫu Quảng Ninh

Kết luận và kiến nghị

Các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án

Tài liệu tham khảo

6

10. Lời cảm ơn

Lời đầu tiên cho phép tác giả được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy

hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc và GVC.TS Vương Trọng Kha, là

hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn 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, 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 sâu sắc tới hai nhà khoa học NGƯT.PGS.TS Nguyễn

Đình Bé, GS.TS Võ Chí Mỹ đã tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận

án này.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Quang Phích đã giúp đỡ tôi

rất nhiều, cũng như tạo điều kiện cho tác giả tham gia đề tài cấp Nhà nước để có

thêm điều kiện hỗ trợ hoàn thành luận án.

Tác giả cũng xin cảm ơn chân thành cảm ơn đến TS. Phạm Quốc Tuấn đại diện

miền Bắc cho các sản phẩm của Rocscience Inc (Canada) - VCTeck Co. Ltd, đã hỗ

trợ tác giả bản quyền của phần mềm chạy chương trình RS2 dùng trong luận án này.

Xin trân trọng cảm ơn!

7

CHƯƠNG 1

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 về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình

địa cơ trên thế giới

Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của

khai thác hầm lò có lịch sử phát triển lâu dài và cho đến ngày nay vẫn là vấn đề quan

tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Đặc biệt ở nước ngoài số lượng các

công trình đã công bố rất nhiều. Chính vì vậy, trong phần tổng quan này, chỉ giới hạn

giới thiệu những kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt

đất bằng phương pháp mô hình.

Trong hướng nghiên cứu lý thuyết đã sử dụng nhiều phương pháp tiếp cận khác

nhau như phương pháp giải tích, phương pháp số v.v….để tính toán cho một mô hình

địa cơ có môi trường đàn hồi, liên tục, đặc điểm phi tuyến, môi trường khối đá rời rạc

với các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác động

theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng khai thác.

Để giải các bài toán cơ học môi trường liên tục, các nhà nghiên cứu như: V.N

Boris-Komponees, M.V Kurlen, A.B Fadeev, V.G Zoteev, Vitke, Yu. A.

Kashnikov, S. G Ashikhmin đã sử dụng các lý thuyết dựa trên phương pháp số.

Phương pháp số cũng được sử dụng để giải quyết các bài toán mô hình môi trường

đàn hồi, liên tục trong các công trình của các nhà nghiên cứu như: A. D. Xashurin,

B. A. Khramtsov, V. E. Bolicov, V. A. Kvochin, A. B. Makarov, A. I. Ilyn. Các lý

thuyết này cho phép xác định các thành phần trong không gian ba chiều của ten sơ

biến dạng ở bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ nằm trên khu vực khai thác và cho

phép đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mỏ và dự báo sự phát triển của quá

trình dịch chuyển theo các phương án khai thác khác nhau [23, 27, 52, 56, 57]

8

x

y

z

z

2

1

x

y

z

xy yz

yx yz

xz

xy

x

y

y

x

y

xy

xy

yx

yx

x

Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ

Trong đó: σ1, σ2: ứng suất pháp theo trục x, y

εx, εy: Biến dạng dọc tương đối theo trục x, y

γxy, γyx: Biến dạng trượt theo trục x, y

Ten sơ biến dạng được tính toán ngoài việc mô tả thành phần trên có thể mô tả

ở dạng đường đẳng trị đối với hàng loạt các mặt cắt ngang hay mặt cắt đứng. Trên

thực tế thông dụng nhất là mô tả các ten sơ biến dạng theo biểu đồ cực, biểu thị

trong mặt cắt tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay các trục chính của

ten sơ biến dạng.

9

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

=1

=1

=1

=2

=1=0

=1=2

=-2

=1=-1

=-1

Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các

trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau

Các phương pháp lý thuyết tính toán các thông số dịch chuyển hiện nay đều

dựa trên cơ sở một mô hình địa cơ nào đó của môi trường địa chất. A.D. Xashurin

[63] đã nghiên cứu quá trình biến dạng khối đá mỏ và bề mặt đất đối với trường hợp

mỏ quặng có chiều dày lớn trong điều kiện có sự tác động của trường ứng suất kiến

tạo bất đẳng hướng và đề xuất phương pháp tính toán dịch chuyển bề mặt đất gần

vùng sập đổ. Các mô hình lý thuyết tương tự dựa trên vật liệu tương đương cũng

được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển

đá mỏ trong khai thác lộ thiên cũng như khai thác hầm lò [49, 51].

Mô hình địa cơ phân tích quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong trường hợp

khai thác hầm lò mỏ quặng theo A.D. Xashurin được mô phỏng như một phần nửa

khối vật thể đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng cùng với khoảng trống khai thác được

lấp đầy bởi đất đá sập đổ thể hiện hình 1.3.

10

1 2 3

45

T1

T2

Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ

Trong đó: 1. Các tuyến quan trắc trên bề mặt đất

2. Bồn dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất

3. Vùng dịch chuyển nguy hiểm

4, 5. Các mặt phẳng vuông góc thể hiện dịch chuyển thẳng đứng

Khi nghiên cứu mô hình này trong trạng thái ứng suất dưới tác động của

trường ứng suất kiến tạo, Xashurin xác định được các công thức tính toán dịch

chuyển bề mặt đất xung quanh vùng sập đổ có hình dạng tròn và elip, và đi đến kết

luận rằng với một tương quan nhất định giữa các giá trị ứng suất tác động chính thì

các vecto dịch chuyển không chỉ có hướng vào vùng khai thác phá hủy mà còn

hướng vào sâu trong khối đá mỏ, tương tự như các kết quả quan trắc thực tế đã

chứng minh.

Theo Xashurin khi biết các thông số vùng sập đổ (kích thước nửa trục hình

11

chiếu lên mặt đất của vùng sập đổ), và sự phát triển của chúng trong mặt phẳng

ngang, cũng như các thông số trường ứng suất kiến tạo ban đầu và tính chất biến

dạng của môi trường khối đá, có thể xác định được ten sơ biến dạng trong không

gian ba chiều và quỹ đạo của các véc tơ dịch chuyển mà trong trường hợp bất đẳng

hướng của trường ứng suất ban đầu, các véc tơ dịch chuyển này không trùng với

hướng xuyên tâm từ ngoại biên vào tâm vùng sập đổ và thể hiện trên hình 1.4.

a

III

III

1 = −

1 = −

2=

-1

2=

-1

2=

-3

2=

-3

b

Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo

đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b)

Có thể nhận thấy rằng, các phương pháp số giải các bài toán cơ học môi trường

liên tục - phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay được sử dụng phổ biến để giải các

bài toán cơ học đối với môi trường khối đá mỏ. Một trong những ưu việt của các

phương pháp số là tính đa năng. Bằng phương pháp số và sử dụng bất kỳ mô hình

địa cơ nào mô phỏng môi trường khối đá mỏ với những đặc điểm không đồng nhất

của các tính chất đàn hồi và độ bền, cũng như cấu trúc khác nhau và điều kiện biên

bất kỳ có thể xác định được trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá xung quanh

một đường lò với hình dáng thiết diện bất kỳ.

12

Các phương pháp số có thể sử dụng một cách hiệu quả để tính toán dịch chuyển

đá mỏ và bề mặt đất trong khai thác hầm lò và khai thác lộ thiên. Lần đầu tiên

phương pháp số được Kratch [48] sử dụng để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏ

trong trường hợp khai thác vỉa than độ dốc thoải với mô hình môi trường đàn hồi.

Tiếp theo, A.S. Yagunov, A.B. Makarov, V.N. Boris - Komponees đã sử dụng

phương pháp số để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển khi khai thác các

vỉa than và thân quặng có chiều dày không lớn. Mặc dù trong các nghiên cứu trên

đã không tính đến tính chất biến dạng dẻo của khối đá mỏ nhưng các kết quả tính

toán tương đối phù hợp với các kết quả đo đạc trên thực tế. Trong trường hợp khai

thác các vỉa than, thân quặng dày và dốc bằng phương pháp hầm lò, trên bề mặt đất

tạo thành các vùng sụt lún và nứt nẻ lớn, hoặc khi khai thác lộ thiên tạo thành các

vùng trượt lở, sập đổ, thì việc áp dụng mô hình đàn hồi không còn phù hợp, mà cần

thiết sử dụng mô hình đàn hồi phi tuyến, mô hình đàn hồi nhớt vv… Các nhà bác

học M.V. Kurlen, A.B. Fadeev, V.G. Zoteev và những nhà khoa học khác [37, 42,

72] đã có đóng góp quan trọng phát triển các mô hình biến dạng phi tuyến của khối

đá mỏ. Đặc điểm cấu tạo khối, phân lớp và nứt nẻ của môi trường khối đá mỏ được

đề cập trong các mô hình địa cơ của V.G. Zoteev và trong các tính toán đã tính đến

mối quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và trị số dịch chuyển trượt theo mặt tiếp

xúc. Từ các kết quả tính toán đã xác định được đặc tính và trị số biến dạng đàn hồi

dẻo liên quan đến dịch chuyển của khối đá theo mặt tiếp xúc giữa các khối cấu trúc.

Cũng cần nhấn mạnh rằng, mặc dù tồn tại nhiều phương pháp số để xác định

dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ, nhưng chỉ có một số ít phương pháp được sử

dụng trong thực tế, mà điển hình nhất là các mô hình mô phỏng tính chất biến dạng

đàn hồi nhớt.

Trong số các mô hình này, đáng chú ý nhất là mô hình đồng nhất của Vitke

[61]. Bản chất của mô hình này là các tính toán được thực hiện cho khối đá mỏ

đồng nhất, tiêu chuẩn phá hủy trong mô hình này là giả định rằng ở bất kỳ một điểm

nào trong khối đá mỏ đều có thể tách ra một phần tử diện tích có độ bền giảm và

diện tích phần tử này tương ứng với một mặt phẳng giảm yếu.

13

Dựa vào ý tưởng của Vitke về một mô hình đàn hồi nhớt dẻo đồng nhất, Yu. A.

Kalashnikov, S.G. Ashikhmin đã giải quyết hàng loạt các bài toán mô hình dự báo

dịch chuyển và biến dạng khối đá nứt nẻ khi khai thác các mỏ quặng bằng phương

pháp hầm lò và lộ thiên [28, 32, 33] và đã chỉ ra rằng đối với khối đá nứt nẻ ở giai

đoạn trước giới hạn phá hủy thì trị số dịch chuyển phụ thuộc vào sự tồn tại của hệ

thống kẽ nứt và khoảng cách giữa các kẽ nứt.

Mặc dù có những ưu việt so với các phương pháp khác khi tính toán dịch

chuyển và biến dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của khai thác, nhưng phương pháp

số vẫn có những hạn chế nhất định, đó là cách tiếp cận chủ quan khi phân chia khối

đá thành các phần tử hữu hạn, sự quân bình hóa tính chất cơ lý khối đá, số lượng

hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi không liên tục gần thực tế thì

mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp. Các lý thuyết hiện đại ngày nay về dịch

chuyển biến dạng khối đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác mỏ cho phép

xác định được ten sơ ứng suất trong không gian ba chiều tại bất kỳ điểm nào của

khối đá mỏ, tuy nhiên cần phải lựa chọn đúng đắn các điều kiện biên cho mô hình

địa cơ và các tính chất cơ lý môi trường khối đá. Trong các mô hình địa cơ hiện đại

ngày nay, khối đá mỏ được xem như là một môi trường rời rạc, không liên tục, vì

vậy vấn đề nghiên cứu tính chất thực tế của môi trường khối đá cũng như trạng thái

ứng suất biến dạng ban đầu của khối đá là rất quan trọng.

Các kết quả quan trắc hiện trường cho phép xác định tương đối chính xác các

thông số để dự báo quá trình dịch chuyển của khối đá mỏ. Hiện nay đã có các

phương pháp đo đạc ứng suất và biến dạng khối đá mỏ [62, 67], trên cơ sở sử dụng

các kết quả quan trắc quá trình dịch chuyển khối đá mỏ và bề mặt đất trong quá

trình khai thác mỏ.

Các phương pháp quan trắc hiện trường quá trình dịch chuyển đá mỏ và bề mặt

đất là công cụ chủ yếu để kiểm soát và chuẩn xác hóa các thông số quá trình dịch

chuyển đá mỏ được xác định từ nghiên cứu lý thuyết trên các mô hình địa cơ với giả

định rằng các lực chuyển động trong mô hình là lực trọng trường, tức trọng lực của

khối đá sập đổ và khối đá mỏ là một môi trường đẳng hướng. Chính vì vậy trong

14

các tài liệu quy chuẩn [23, 56, 57, 65, 66] đều quy định đến việc kiểm soát quá trình

dịch chuyển bằng việc đo đạc các biến dạng đứng và biến dạng ngang theo các

tuyến quan trắc tại các mặt cắt chính.

Như vậy, việc áp dụng rộng rãi các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng

phương pháp số với giả định khối đá là môi trường biến dạng đàn hồi, bất đẳng

hướng và có cấu tạo theo khối bậc đòi hỏi sự cần thiết phải lựa chọn đúng đắn các

điều kiện biên cho các mô hình địa cơ thông qua phương pháp đo đạc tại hiện

trường [26, 50]. Trong các nghiên cứu lý thuyết, mô hình môi trường địa chất khối

đá mỏ luôn được lý tưởng hóa với hàng loạt các điều kiện đơn giản, vì vậy các quy

chuẩn kỹ thuật luôn yêu cầu bắt buộc tiến hành các đo đạc kiểm tra quá trình dịch

chuyển để kịp thời chuẩn xác hóa các giải pháp bảo vệ các công trình.

1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh

Ở Việt Nam, những năm trước đây xuất phát từ nhiều yếu tố khách quan mà

vấn đề dịch chuyển đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò ở nước ta chưa được đề

cập, quan tâm và nghiên cứu đúng mức. Vì vậy, bể than Quảng Ninh được xếp vào

loại chưa được nghiên cứu về các đặc điểm dịch chuyển ảnh hưởng do khai thác,

năm 1980, PGS.TS. Nguyễn Đình Bé [1] là người đầu tiên đặt nền móng cho việc

nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá do khai thác hầm lò ở Việt Nam. Tác

giả đã nghiên cứu dịch chuyển đất đá ở vùng đứt gãy kiến tạo khối trên 5 mô hình

mỏng bằng vật liệu tương đương với khoảng cách giữa các đứt gãy nhỏ, chiều dày

đới huỷ hoại lớn, góc cắm của đứt gãy > 70o, góc dốc của vỉa bằng 35o và sử dụng

số liệu của các trạm quan trắc thực địa ở các bể than của các nước SNG (Liên Xô

cũ) để xác định các tính chất và đặc điểm của quá trình dịch chuyển do ảnh hưởng

khai thác mỏ. Các kết quả nghiên cứu đã làm sáng tỏ những quy luật (định tính)

chung nhất về dịch chuyển biến dạng ở vùng đứt gãy tạo khối.

PGS.TS. Nguyễn Đình Bé đã xác định bể than Kuzơbas tương tự với bể than

Quảng Ninh để xác định các thông số dịch chuyển cho tất cả các mỏ, lần đầu tiên

xây dựng hệ thống phân loại các đứt gãy kiến tạo theo loại hình đứt gãy, chiều rộng

đới huỷ hoại đất đá, hướng dịch chuyển tương đối của các cánh nâng và cánh hạ,

15

tương quan thế nằm giữa các mặt trượt ở dạng đứt gãy tạo khối để làm cơ sở định

hướng cho công tác nghiên cứu dịch chuyển đất đá.

Năm 1987, PGS.TS. Võ Chí Mỹ nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt địa hình do khai

thác mỏ đối với công tác qui hoạch vùng Konhin. PGS.TS. Võ Chí Mỹ, nghiên cứu

biến động địa cơ do ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò [14].

Năm 1988, TS. Nguyễn Xuân Thụy đã nghiên cứu xác định chiều cao h, độ dài

L của bề mặt các kẽ nứt nhỏ và ảnh hưởng của chúng tới dịch chuyển đất đá [20].

Năm 1996, TS Kiều Kim Trúc nghiên cứu biến dạng bờ mỏ và các biện pháp

điều khiển hợp lý [21].

Năm 2003, TS. Vương Trọng Kha đã xây dựng chương trình phần mềm phục

vụ hiệu quả cho việc xử lý số liệu quan trắc dịch chuyển và biến dạng trên khu vực

khai thác hầm lò [13].

Từ năm 1982 - 1992, Viện nghiên cứu Than kết hợp với Viện VNIMI của Liên

Xô cũ đã triển khai đề tài nghiên cứu theo các hướng [22]:

- Nghiên cứu quá trình biến dạng bờ mỏ bằng quan trắc dịch chuyển.

- Nghiên cứu xác định tính chất cơ lý đá.

- Xác định cấu trúc địa chất.

- Xác định điều kiện địa chất thuỷ văn.

- Đánh giá độ ổn định, đưa ra các biện pháp nâng cao độ ổn định bờ mỏ cho các

mỏ lộ thiên lớn của Việt Nam.

Các kết quả nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển biến dạng, vùng kẽ

nứt, vùng sập đổ, vùng biến dạng mang định tính chưa mô phỏng được chính xác

tổng thể bức tranh quá trình dịch chuyển biến dạng thể hiện hình 1.5

16

Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá

Trong đó: 1: Vỉa than

2: là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải)

3B, 3H: là vùng uốn võng

4B, 4H: là vùng đất đá bị nén (áp lực tựa)

5: là đường biểu diễn độ lún bề mặt đất

Năm 1972, Công ty Than Hòn Gai kết hợp với mỏ than Thống Nhất đã thành

lập trạm quan trắc gồm 4 tuyến (3 tuyến theo dốc, 1 tuyến theo phương) ở khu khai

thác Lộ Trí để thu thập các thông số dịch chuyển sơ bộ cho mỏ. Công tác quan trắc

được tiến hành từ năm 1972 đến năm 1975.

Năm 1991, TS. Kiều Kim Trúc và nhóm nghiên cứu thuộc Viện Khoa học

Công nghệ Mỏ đã xử lý số liệu quan trắc và rút ra các thông số dịch chuyển để tính

toán lại trụ bảo vệ đường ô tô lên mỏ Đèo Nai [22].

Năm 2001, để tìm hiểu nguyên nhân xuất hiện kẽ nứt trên bề mặt đất ở mỏ than

Mông Dương và xác định yếu tố ảnh hưởng nguy hiểm có thể xảy ra cho khu dân

cư, cột điện cao thế 110KV và xác định các điểm rò rỉ nước vào khu vực mỏ đang

khai thác, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ đã thành lập 4 tuyến quan trắc ngắn hạn

trong khu vực có kẽ nứt. Công tác quan trắc hiện trường được tiến hành và kết quả

thu được góc dịch chuyển β nằm trong khoảng 47o÷50o [3, 4].

17

Kết quả nghiên cứu cho thấy đứt gãy có ảnh hưởng lớn tới sự lún sụt mặt đất,

gây biến dạng nguy hiểm cho các công trình nằm trong bồn dịch chuyển.

Từ năm 2002 đến 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV tiến hành xây

dựng các trạm quan trắc để xác định các thông số dịch chuyển, các đại lượng dịch

chuyển nhằm tính toán lại trụ bảo vệ than cho các công tình trên bề mặt đất phục vụ

đề tài cấp nhà nước do TS. Phùng Mạnh Đắc chủ nhiệm, thực hiện chính KS. Phạm

Văn Chung [7] cụ thể các mỏ:

- Vùng Than Thùng Yên Tử mỏ than Nam Mẫu, trạm quan trắc nghiên cứu cho

tập vỉa: vỉa 7, vỉa 8, vỉa 9 khai thác từ mức +200 lên +360, và trạm quan trắc nằm

trong tuyến địa chất 3 và 5 khu vực kề cận vùng hạn chế khai thác khu di tích lịch

sử Yên Tử. Sau nhiều chu kỳ quan trắc xác định các góc dịch chuyển và một số

thông số dịch chuyển thể hiện trên hình 1.6

24.506

-89.0

10V

14.664

185.437

0.00

§é lón 1-3

Tªn ®iÓm 1V

0.0

Kho¶ng c¸ch

K/c céng dån

310

290

350

330

370

390

210

250

270

4.0

5V

99.256

24.884

1.5

2.50

2V

3V

20.595

39.333

39.333

59.928

1.0

4V

14.444

74.372

-38.0

-4.0

7.0

5.0

15.341

7V

6V

14.208

16.931

130.395

116.187

9V

8V

23.815

15.886

161.622

145.736

410

430

490

510

530

550

470

450

570

590

-1190.0

19V

371.331

-484.0

15V

285.187

-195.0

-423.5

-298.0

12V

14V

13V

20.818

224.287

18.756

21.326

263.861

245.105

-141.5

11V

24.186

200.101

-837.5

-699.0

-598.5

23.622

17V

16V

18.771

17.666

321.623

303.958

18V

26.085

345.246

19.521

-1647.5

-1765.5

-1696.0

-1714.0

20V

21V

22V

23V

25.572

20.861

19.753

391.084

411.945

19.308

437.517

456.825

-1013.0

-810.5

26V

27V

24.164

522.943

547.107

-1307.0

-1437.0

25V

24V

22.296

476.346

498.642

24.301

-347.5

-670.0

-232.5

29V

28V

30V

28.050

24.563

596.176

571.613

34.053

624.226

-22.5

-126.0

34.619

32V

24.356

682.635

33V

33.718

717.254

-180.0

31V

658.279

-1.5

0.0

34V

35V

23.406

750.972

774.378

0.0

-104.0

0.0

1.0

-1.0

0.0

0.0

-42.5

-7.5

1.0

0.0

-588

-382.5

-197.5

-366.5

-280.5

-147.0

-433

-489.5

-439.5

-927.0

-958.5

-904

-935.0

-564.0

-447.0

-720.0

-816.0

-175.0

-347.5

-106.0

-8.0

-46.5

-76.0

0.5§é lón 1-2

-1700

-1600

-1500

-1400

-1300

-1200

-1100

-1000

900

-800

-700

-600

-500

-400

-300

100

-200

-100

0

"=

=

=

VØa 9

=

VØa 7

VØa 8

=

(m) (mm)

230

-1800

=

=

"=

Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu

- Vùng Mạo Khê lập trạm quan trắc nghiên cứu vỉa 9b khai thác từ -80 lên -25,

vỉa 8 Cánh Nam khai thác từ mức -80 lên +20. Các thông số về góc được thể hiện

hình 1.7

18

D33

67

7.6

14

29

4.2

76

Chªnh lÖch kho¶ng c¸ch

-20

Tªn ®iÓm

Kho¶ng c¸ch céng dån

§é cao

-80

-60

-40

+120

+20

00

+40

+80

+60

+100

+180

+140

+160

+220

+200

+240

+320

+280

+260

+300

+360

+340

+380

+420

+400

+440

22

.51

7

20

.03

7

20

.32

2

25

.53

1

25

.48

3

21

.07

8

D1

D2

D3

D4

D5

46

.56

1

21

.07

8

92

.41

4

72

.09

2

29

3.8

83

30

8.2

01

29

9.7

75

31

6.8

02

31

5.6

42

20

.63

6

20

.08

9

21

.47

1

16

.29

22

.23

2

20

.24

8

22

.75

2

19

.85

4

21

.94

7

Din

h1

99

.48

3

D6

D7

D9

D8

13

4.3

98

11

2.4

51

17

7.0

04

15

4.2

52

D12

D11

D10

D13

D14

24

1.7

09

22

0.2

38

20

1.7

15

28

2.4

34

26

1.7

98

33

5.9

12

32

1.9

64

31

8.9

12

32

8.6

29

32

5.3

33

33

7.1

71

33

5.3

47

33

7.0

25

34

5.2

80

34

2.2

59

25

.73

1

12

.14

4

14

.46

7

22

.36

1

20

.62

2

20

.83

4

18

.93

9

20

.89

5

19

.10

2

18

.77

4

D17

D15

D16

D18

D19

34

2.8

27

32

3.7

25

30

4.9

51

38

2.6

61

36

3.7

22

D20

D21

D23

D22

D24

42

4.1

18

40

3.4

94

47

3.0

90

46

0.9

46

44

6.4

79

38

2.2

31

36

1.6

73

35

3.6

33

34

7.8

62

37

2.9

91

39

9.9

43

39

2.1

58

40

1.5

45

40

8.0

07

40

7.8

73

18

.87

4

24

.60

6

20

.93

9

25

.82

8

27

.88

0

20

.05

6

17

.50

2

23

.10

9

D25

D26

D28

D27

51

2.9

29

49

8.8

20

55

9.4

88

53

9.4

31

D29

D30

D31

D32

61

3.1

96

58

7.3

68

65

8.7

41

63

4.1

35

37

6.8

02

38

9.5

86

34

8.2

43

36

4.3

29

32

5.2

16

33

3.0

59

30

5.6

94

31

5.2

68

D40

81

7.9

58

20

0.8

36

23

.37

2

23

.38

4

20

.94

2

15

.17

0

20

.24

0

21

.63

0

23

.90

9

22

.77

6

22

.92

1

D36'

76

8.8

51

D35

D34

D36

72

3.3

12

70

0.5

36

74

7.2

21

D37

D38

D38'

D39

80

4.2

61

78

9.0

91

84

8.5

86

82

5.2

03

24

4.5

32

27

1.2

51

28

1.1

75

25

6.3

18

22

9.1

42

23

7.1

38

20

6.7

72

21

7.0

83

25

.25

5

D41

89

7.2

12

19

1.3

89

TuyÕn D60°

-80

-25

66°

70°

"

75° 72°

66°

"

Vïng khai th¸c lÆp l¹i

Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê

- Vùng Hạ Long xây dựng trạm quan trắc tại mỏ Hà Lầm nghiên cứu vỉa 10

khai thác từ mức +12 lên +60 khu vực ngầm +88. Các thông số dịch chuyển biến

dạng thể hiện hình 1.8

TUY? N VI

Kho?ng cách c?ng d?n

M? T C? T Ð?A HÌNH TUY? N NGHIÊN C? U D?CH CHUY? N BI? N D? NG V?A 10

M? THAN HÀ L? M

Ð? cao

Tên di?m

Kho?ng cách(m)

Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm

- Vùng Cẩm Phả - Mông Dương đặt các trạm quan trắc:

+ Phía đông mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho các vỉa G9,

khai thác từ mức -97 lên +40, vỉa I (12) khai thác từ mức -97 lên +40.

19

+ Về phía tây mỏ than Mông Dương xây dựng trạm quan trắc cho 2 vỉa khai

thác là vỉa I (12), vỉa G9 từ mức -97 lên +20 khu vực giáp ranh suối Mông Dương.

Năm 2006, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV đã tiến hành xây dựng trạm

quan trắc mỏ than Mông Dương do KS. Phạm Văn Chung đã chủ trì đề tài: “Xây

dựng trạm quan trắc và quan trắc sụt lún bề mặt khu vực khai thác hầm lò vỉa 10.1

Bắc Mông Dương, tuyến đường sắt chạy qua vỉa I (12) và II (11) khu vực mỏ Mông

Dương và vỉa G9 Vũ Môn - Công ty than Mông Dương” [5].

Năm 2009, KS. Phạm Văn Chung đã nghiên cứu xác định các thông số dịch

chuyển và biến dạng đất đá khi khai thác hầm lò dưới suối B Vàng Danh [6].

Kết quả nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá tại bể than Quảng Ninh thể

hiện bảng 1.1

Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh

Tên mỏ Hệ số kiên

cố ( f )

Góc dịch

chuyển δ

Ghi chú

Mỏ Mạo Khê 6.5 - 6.9 800 Không phụ thuộc vào góc dốc và

chiều dày vỉa

Mỏ Nam Mẫu 5.7 760

Mỏ Hà Lầm 6.1 750 Ảnh hưởng do khai thác lặp lại

Mỏ Mông Dương 4.7 75o

Các kết quả quan trắc trình bày ở trên, sau khi phân tích, xử lý số liệu cho thấy

góc dịch chuyển theo đường phương (δ) có chiều hướng biến đổi theo qui luật phụ

thuộc vào hệ số kiên cố đất đá (f)

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng trong khu vực khai thác tăng thì góc dịch chuyển δ

theo đường phương tăng.

+ Khi hệ số kiên cố địa tầng đất đá giảm thì góc dịch chuyển δ theo đường

phương giảm. Các yếu tố khác như góc dốc vỉa, chiều dày vỉa, tiến độ gương lò chợ

hầu như không ảnh hưởng đến giá trị góc dịch chuyển theo phương (δ). Các góc

dịch chuyển khác biến động tuỳ thuộc vào góc dịch chuyển theo đường phương và

20

các yếu tố như chiều dày vỉa, góc dốc vỉa, độ sâu khai thác lò chợ.

Năm 2011, TS Nguyễn Anh Tuấn và nhóm nghiên cứu đã sử dụng chương trình

Phase 2 phân tích sụt lún và quá trình biến đổi cơ học khi khai thác hỗn hợp hầm lò

và lộ thiên.

Năm 2014, TS Lê Văn Công nghiên cứu áp dụng mô hình số xác định các

thông số dịch chuyển, biến dạng đất đá trong quá trình đào lò và khai thác tại các

mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh sử dụng phần mềm FLAC 2D

Năm 2015, GS.TS Nguyễn Quang Phích nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô

hình phân tích, dự báo tai biến địa chất - kỹ thuật đối với công trình ngầm, công

trình khai thác mỏ ở Việt Nam

Năm 2017, TS Lê Đức Nguyên nghiên cứu cứu đánh giá nguyên nhân gây sụt

lún mặt bằng và đề xuất phương án chống sụt lún mặt bằng nhà máy sàng tuyển

than Khe Chàm

1.3 Kết luận chương 1

1. Mô hình địa cơ với những ưu điểm vượt trội (khả năng tạo ra các mô hình từ

đơn giản đến phức tạp về cấu trúc cũng như linh hoạt trong các lựa chọn các tham

số mô hình mà các phương pháp nghiên cứu khác không có được) cùng với sự phát

triển nhanh của phương pháp số và công cụ tính toán số đang được ưu tiên lựa chọn

để giải quyết các bài toán liên quan đến dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt do

khai thác hầm lò.

2. Ở Việt Nam, cho đến nay có một số công trình nghiên cứu dự báo dịch chuyển

và biến dạng mặt đất do ảnh hưởng khai thác hầm lò bằng phương pháp mô hình vật

liệu tương đương của PGS.TS Nguyễn Đình Bé, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV

và Bộ môn Trắc địa mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Đây là những kết quả ban đầu

rất quý giá, nhưng vẫn còn những hạn chế, chẳng hạn như: không thể tạo được sự

giống nhau về các chỉ số cơ lý giữa mô hình và thực tế, tỷ lệ mô hình quá bé so với

phạm vi thực tế và các kết quả nhận được chỉ có ý nghĩa về mặt định tính, không thể có

được về mặt định lượng. Thực tế đã có một vài kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến

dạng bằng mô hình địa cơ của các tác giả như: GS.TS Nguyễn Quang Phích và TS

21

Lê Văn Công, tuy nhiên các kết quả này ứng dụng trong xây dựng ngầm và đường

lò. Rõ ràng vấn đề nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt do

ảnh hưởng của khai thác là một đề tài mở trong bối cảnh của Việt Nam.

3. Kết quả quan trắc thực địa cho phép xác định chính xác thông số và đại lượng

dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất của một khu vực nào đó do ảnh hưởng của khai

thác hầm lò, nhưng cũng có những hạn chế nhất định đó là không thể mô tả được tổng

thể bức tranh của quá trình dịch chuyển biến dạng khối đá mỏ. Chính vì vậy, cần

nghiên cứu kết hợp hai phương pháp: phương pháp lý thuyết dựa trên nền tảng của

phương pháp số và phương pháp quan trắc hiện trường để bổ trợ lẫn nhau cho phép

nghiên cứu được bức tranh tổng thể quá trình dịch chuyển biến dạng của khối đá cũng

như điều khiển áp lực mỏ để có các giải pháp khai thác an toàn, hiệu quả.

22

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN

BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT

DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC

Thực tế cho thấy, không phải lúc nào cũng có thể nghiên cứu các biểu hiện thật

của vật thể thực trên chính bản thân chúng, đặc biệt là khối đá, vì khó có thể tiếp

cận được vị trí cần nghiên cứu, đánh giá. Mặt khác nghiên cứu trực tiếp trên vật

thể thật đòi hỏi chi phí cao, thậm chí rất cao và nhiều trường hợp cũng không

khả thi. Ngoài ra, bài toán hay gặp trong thực tế nhiều khi đòi hỏi phải dự báo trước

được các hiện tượng có thể xảy ra trong vật thể (khối đá), với các phương án kỹ

thuật, công nghệ dự kiến khác nhau, để từ đó có thể lựa chọn được giải pháp hợp lý

hay tối ưu.

Cũng vì các lý do trên, trong mọi lĩnh vực chuyên môn, con người đã nghiên

cứu xây dựng các mô hình cho các đối tượng được nghiên cứu. Sau đó tiến hành

các công việc thử nghiệm, thí nghiệm trên các mô hình đó, hay còn gọi là mô

hình mô phỏng, với hy vọng sẽ có thể nhận được các quy luật về mối tương

quan giữa các tác động lên vật thể và các biểu hiện của vật thể. Sau đó tổng hợp

các hiện tượng xảy ra nhằm mục đích tìm hiểu về tính chất của vật thể. Công tác

xây dựng mô hình hay còn được gọi là mô hình hóa.

2.1 Quan niệm về mô hình

2.1.1. Định nghĩa về mô hình

Trước hết có thể hiểu đơn giản: một mô hình là một bức tranh rất hạn chế về

thực tế hay thực thể. Bức tranh này có thể được xây dựng lên bằng vật chất hay

hoàn toàn trừu tượng bằng lý thuyết.

2.1.2. Các đặc trưng của mô hình

Theo Herbert Stachowiak, một mô hình được đặc trưng bởi ít nhất ba đặc điểm

[46]:

1. Bản sao lại - Một mô hình là bản sao của một đối tượng nào đó, cụ thể là

hình ảnh sao lại, đại diện hay phản ánh cho một thực thể thiên nhiên hay nhân tạo

23

(bản gốc), mà chính bản thân chúng cũng có thể cũng lại là các mô hình.

2. Thu hẹp, thu nhỏ - Một mô hình thường không bao hàm tất cả các thuộc

tính của thực thể, mà chỉ chứa đựng được các yếu tố mà những người lập mô hình

và những người sử dụng mô hình cho là quan trọng.

3. Tính thực dụng - Mô hình không phản ánh rõ ràng thực thể. Nhưng mô

hình cần phản ánh được các chức năng thay thế cho vật thể: a) cho các đối tượng

nhất định, b) trong khoảng thời gian nhất định, c) với điều kiện riêng biệt về lý

thuyết hay thực tế.

2.1.3. Phân loại mô hình

Các mô hình cơ bản được chia ra làm loại [16]:

Mô hình kinh nghiệm: Mô hình này thường tổng hợp phân tích các hiện tượng

của sự vật đã xảy ra, từ đó đưa ra các quy luật và biểu thức mang tính thống kê.

Mô hình giải tích: Được thể hiện qua mô hình hình học - địa kỹ thuật hoặc mô

hình cơ học. Mô hình này là dùng các lời giải bằng toán học giải tích, để phân tích,

xem xét quy luật phân bố ứng suất biến dạng, vùng phá huỷ, vùng biến dạng uốn

võng xung quanh khoảng trống khai thác. Mô hình này được xây dựng trên cơ sở

các quy luật của hiện tượng sự vật, có tính đến các yếu tố hình học, địa cơ học và

các điều kiện kỹ thuật.

Mô hình số là mô hình được xây dựng dựa trên công cụ máy tính đặc biệt tính

đến các yếu tố hình học của đất đá, điều kiện địa chất, chiều dày vỉa than, góc dốc

vỉa, môi trường khối đá và đảm bảo sự mô phỏng được càng nhiều các yếu tố của

đất đá gần giống như môi trường đất đá trong thực tế thì càng tốt.

2.1.4. Ưu nhược điểm của các mô hình

Như chúng ta đã biết, với mô hình kinh nghiệm các yếu tố ảnh hưởng như điều

kiện địa chất, địa chất thủy văn, địa cơ học thường được đơn giản hóa rất nhiều. Do

vậy kết quả nhận được mang tính định tính, tuy nhiên mô hình lại đơn giản nhưng

đòi hỏi nhiều công sức và thời gian đồng thời khá tốn kém khi xây dựng mô hình

vật liệu tương đương.

24

Với mô hình giải tích: Các kết quả thu được trong lời giải đại số thường là các

nghiệm kín, các kết quả chính xác và rất dễ dàng cho người sử dụng. Tuy nhiên, mô

hình này cũng có những hạn chế nhất định là thông thường nó chỉ giải được trên các

giả thiết rất đơn giản, như hình dạng công trình thường có dạng tròn hoặc gần tròn,

đất đá là đàn hồi đồng nhất và đẳng hướng mà chưa chú ý được nhiều đến các yếu

tố bất thường của điều kiện địa chất cũng như sự thay đổi điều kiện bề mặt địa hình

tự nhiên, trường ứng suất, đặc tính không liên tục của đất đá,...v.v [16]. Không

những vậy, các lời giải đại số hiện nay thì còn ít quan tâm được đến sự thay đổi của

các tham số cơ học đá. Sau lời giải giải tích chúng ta sẽ thu được phương trình cụ

thể của ứng suất biến dạng. Trên cơ sở các lời giải đó có thể thu được quy luật biến

đổi cơ học trong khối đất đá xung quanh khoảng trống khai thác.

Đối với mô hình số: Việc mô phỏng được nhiều đặc tính của đất đá thì mô hình

càng gần với thực tế. Do vậy, lời giải càng phức tạp và cần thiết phải có các thiết bị

máy tính với tốc độ tính toán, xử lý cao mới đảm nhận được. Mặt khác, môi trường

đất đá trong lòng đất thì thay đổi liên tục không giống nhau tại mọi vị trí nên việc

mô phỏng cũng rất khó khăn. Nhiều mô hình số hiện nay có thể cho phép mô phỏng

khá đầy đủ các đặc tính của đất đá, không những vậy nó còn cho phép chúng ta thay

đổi các tham số đầu vào một cách nhanh chóng để cho ra kết quả phù hợp với điều

kiện đất đá thực tế. Các kết quả phân tích cho kết quả định lượng thông qua các giá

trị của các lời giải. Mô hình số được sử dụng để xác định các giá trị biến dạng, ứng

suất trong đất đá xung quanh khoảng khai thác.

2.2 Nghiên cứu trên mô hình

2.2.1. Xây dựng mô hình

Để xây dựng một mô hình trước hết xem xét đến mức độ đơn giản hóa, gần

đúng hóa thực thể cũng như các đặc điểm, các biểu hiện, tính chất của chúng, phụ

thuộc vào khả năng và nhận thức của con người, sự phát triển và tiến bộ của khoa

học, kỹ thuật. Trên hình 2.1 cho thấy sự khác nhau giữa các cách đánh giá, mô tả

các “vật thể địa chất” là đá và khối đá trong thực tế, của các chuyên gia địa chất,

địa kỹ thuật và các chuyên gia kỹ thuật hay cơ học thuần túy, theo Schweikardt

25

(2008) [59]:

a) Địa chất b) Địa kỹ thuật c) Kỹ thuật

Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau

2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình

Nghiên cứu trên mô hình nghĩa là tìm cách mô phỏng lại những gì có thể tác

động lên vật thể thực, để thu nhận các tín hiệu hay thông tin theo cách mong muốn

của người nghiên cứu. Việc phân tích các mối tương quan giữa các dữ liệu vào

và ra sẽ cho phép có được dự báo về biểu hiện của thực thể trên mô hình. Nghiên

cứu trên mô hình được thể hiện trên hình 2.2

Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình

Các tác động lên mô hình lại được mô hình hóa tương ứng với các điều kiện có

thể có trong thực tế, phụ thuộc vào nhận thức của con người và các tín hiệu về

những biến đổi trên mô hình cũng chỉ là hệ quả của các dữ liệu đầu vào mô hình

mô tả về vật thể. Bằng cách thay đổi các phương thức tác động, theo các sơ đồ hay

chương trình đã được thiết lập (được mô hình hóa), thay đổi các tham số đầu vào về

26

mô hình có thể xây dựng mối quan hệ giữa các tín hiệu thu nhận được về biểu hiện

trên mô hình với các tác động, chú ý đến tính biến động hay không chắc chắn của

các yếu tố đó. Từ đó có thể có được các nhận định lô-gíc, mang tính khoa học, có ý

nghĩa kỹ thuật cho các quá trình đã diễn ra trên mô hình. Phương pháp nghiên cứu

này được gọi là phương pháp phân tích tham số. Các giải pháp kỹ thuật hợp lý

hay tối ưu sẽ được rút ra từ các kết quả nghiên cứu như vậy [16].

Đa phần công tác nghiên cứu được thực hiện trên mô hình gần đúng, nên công

tác nghiên cứu này được gọi là nghiên cứu mô phỏng và không phải kết quả mô

phỏng nào cũng cho phép mang tính định lượng chính xác cho các vấn đề thực

tế. Nhưng các quy luật thu nhận được chắc chắn sẽ phản ánh được tính chất định

tính các quá trình thực tế, tương đương với các điều kiện tác động và các yếu tố có

trên mô hình. Nói cách khác, các kết quả nhận được sẽ đúng cho các mô hình

với các tác động lên mô hình, tương ứng với phương pháp xây dựng mô hình và

phương pháp mô phỏng.

2.2.3. Kiểm chứng mô hình

Kết quả nghiên cứu trên mô hình, hay kết quả mô phỏng, sẽ có ý nghĩa thực tế, khi

các kết quả đó được thử nghiệm để minh chứng trên vật thể thực, trong trường hợp này

là khối đá xung quanh không gian khai thác. Sự sai lệch (kể cả định lượng và định tính)

giữa kết quả mô phỏng và các biểu hiện nhận được trong thực tế phản ánh chất lượng

của mô hình và phương pháp nghiên cứu, nhưng cũng phụ thuộc vào sự biến động của

điều kiện thực tế, hay “tính không chắc chắn” của số liệu đầu vào, qua các khâu khảo

sát, thăm dò, thí nghiệm. Do vậy, kiểm chứng trên mô hình thì số liệu quan trắc thực

địa đóng vai trò quan trọng không thể thiếu.

2.2.4. Điều chỉnh các tham số của mô hình

Khi có sự sai lệch, công việc tiếp theo là xác định lại các tham số đầu vào

thông qua bài toán phân tích ngược đối với các mô hình được thiết lập bằng lý

thuyết (mô hình lý thuyết), hoặc điều chỉnh hệ số của các hàm thực nghiệm, các

tham số hay hệ số kinh nghiệm đối với các mô hình toán học (hay mô hình bán thực

nghiệm). Các mô hình gần hoàn chỉnh này sẽ được áp dụng cho các giai đoạn của

27

một dự án, hoặc trong vùng có các điều kiện, hay các đặc điểm tương đương.

Trong thực tế khai thác mỏ hầm lò, các loại đá trong khối đá là rất đa dạng,

biến động phức tạp. Do vậy mọi mô hình cũng chỉ có thể cho các kết quả phản ánh

được biểu hiện của khối đá ở các mức độ chính xác nhất định [16].

Chính vì vậy, công tác theo dõi, quan trắc đo đạc hiện trường, vẫn phải được sử

dụng để thu nhận các tín hiệu về biểu hiện thực tế của khối đá nguyên trạng trong

trường hợp cụ thể. Công tác quan trắc thực địa, kết hợp với các kết quả phân

tích mang tính định tính từ nghiên cứu trên mô hình giải tích, mô hình số sẽ cho

phép dự báo được dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất có thể bị xảy

ra hay không. Trong trường hợp có những biến động về điều kiện địa chất, thì

nhất thiết phải triển khai mô phỏng với những thông tin mới thu nhận được.

Nói tóm lại, nghiên cứu trên mô hình không chỉ dừng lại ở giai đoạn quy

hoạch hay thiết kế, mà cần thiết phải triển khai cả trong giai đoạn hoạt động xây

dựng công trình ngầm và khai thác mỏ (phân tích ngược để điều chỉnh mô hình;

phân tích, mô phỏng khi điều kiện địa chất biến động) [16].

2.3 Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá

2.3.1. Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ

Để nghiên cứu và giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng đất đá do đào

lò chuẩn bị cũng như khai thác than ở lò chợ người ta đưa ra mô hình địa cơ đơn

giản cho một khối đá nguyên thủy hình lập phương có thể tích khối đá bằng đơn vị

nằm ở độ sâu H thể hiện trên hình 2.3. Điều kiện biên của mô hình này là chịu các

thành phần ứng lực pháp tuyến σ1 và các ứng lực hông σ2, σ3 với các giá trị xác định

như sau [2]:

P = 1 = H (2.1)

2 = 3 = k1. (2.2)

28

Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá

nguyên thủy ở độ sâu H

Dựa vào mô hình trên người ta giải thích các quy luật dịch chuyển biến dạng

khi đào lò chuẩn bị (hình 2.4) và khi khai thác than ở lò chợ (hình 2.5)

Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa

Trong đó: P1 là tải trọng của cột đá, P2 áp lực tựa hông

1 là đường phân bố áp lực ban đầu

2 là đường phân bố áp lực khi có tải trọng

Trước khi đào lò, trường lực trong khối đá nguyên thuỷ được đặc trưng bởi các

đường sức 1, 2 = 3. Sau khi đào lò, giá trị ứng lực gần lò chợ thay đổi, dẫn đến

tăng tải trọng vùng tựa của khối đá gần thành lò, làm xuất hiện vùng áp lực tựa và

σ1

σ2

σ3

σ1

σ2

2

2

σ3

29

vùng giảm tải nằm trên vùng trống khai thác. Ngoài phạm vi trên thì tải trọng có giá

trị như ban đầu. Sau khi đào lò, trọng lượng cột đá (an’’fb) ở trên đè lên gối tựa khu

vực mép là (at, bk) làm tăng tải trọng ở các khu vực ấy của vỉa. Sự phân phối áp lực

cho các khu vực ấy biểu diễn bằng đường cong 1, sau khi bị nén vỡ biểu thị bằng

đường cong 2. Bản chất của áp lực tựa được giải thích hình 2.5 dưới đây

Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ

Trong đó: Vùng I là vùng dịch chuyển hoàn toàn (giảm tải)

Vùng IIa, IIb: Vùng uốn võng

Vùng IIIa, IIIb: Vùng đất đá bị nén (áp lực tựa)

Ưu điểm của mô hình này là rất đơn giản, dựa vào đó có thể giải thích một số

quy luật dịch chuyển biến dạng cơ bản xung quanh lò chuẩn bị cũng như lò chợ.

Tuy nhiên, mô hình có nhược điểm là chưa xét đến các thành phần môi trường đất

đá, điều kiện địa chất, khai thác và sự biến động theo không gian và thời gian của

các thành phần ứng suất 1, 2, 3

Kratch [48] đã khắc phục một số nhược điểm của mô hình trên bằng cách đưa

ra các mô hình biến động địa cơ (hình 2.6)

IIIa

II a II b

III b

30

Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ

Trong đó: I là vỉa than

II là khu vực đặt vì chống khai thác than

III là khu vực đất đá bị nén

Trên mô hình này đã tính đến sự biến động của ứng lực và sự biến dạng khối đá

trước, trên và sau gương lò chợ thuộc vùng phá hỏa toàn phần.

Quá trình khai thác than ở các lò chợ cơ giới gây ra dịch chuyển biến dạng lớn,

tốc độ dịch chuyển lan lên trên bề mặt đất nhanh, tạo ra các vùng sập đổ, vùng kẽ

nứt, uốn võng của khối đá mỏ thể hiện hình 2.7

Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng của khối đá mỏ [74]

Trong đó: 2. Bước sập đổ, 3. Khối đất đá sập đổ

31

Tuy vậy, mô hình này vẫn còn nhược điểm là không thể hiện được sự biến động

theo không gian và thời gian vùng kích hoạt khai thác

Để khắc phục các nhược điểm trên, cần thiết phải nghiên cứu một mô hình địa

cơ có tính đến sự biến động không gian và thời gian do ảnh hưởng khai thác.

2.3.2. Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ

Trong điều kiện tự nhiên, khối đá mỏ là một môi trường vật lý rời rạc, không

đồng nhất, bất đẳng hướng. Các quá trình biến dạng cơ học xảy ra trong khối đá có

tính chất phi tuyến [68, 69].

Thực tế nghiên cứu địa cơ học mỏ đã xác định được các đặc điểm biến dạng

của đá mỏ trong phòng thí nghiệm với rất nhiều mô hình biến dạng khác nhau và

cho phép tổng hợp, hệ thống hoá để làm rõ hơn về khái niệm mô hình địa cơ trong

nghiên cứu của tác giả.

a. Các mô hình vật lý của đá mỏ

Môi trường đá mỏ có thể mô phỏng bằng phương pháp mô hình để nghiên cứu

tính chất biến dạng của đá mỏ dưới tác động của tải trọng. Đó là các mô hình vật lý

đá mỏ. Trong các mô hình này, đá mỏ dưới tác động của tải trọng được mô phỏng

bằng lực tác động lên thanh lò xo được đặt trong môi trường chất lỏng dính nhớt.

Phụ thuộc vào sơ đồ bố trí lực, số lượng thanh lò so, môi trường làm việc của hệ

thống (lò so đặt trong điều kiện chất lỏng dính nhớt hay trong điều kiện bình

thường, hoặc tổng hợp cả hai điều kiện) các mô hình vật lý đá mỏ bao gồm: (1) Mô

hình Maxwell; (2) Mô hình Kelvin - Voigt; (3) Mô hình Poynting-Thomson; (4) Mô

hình Zener; (5) Mô hình Bingham v.v [10, 11]

32

Hình 2.8: Mô hình vật lý đá mỏ

Các mô hình vật lý của đá mỏ nêu trên là mô hình đơn giản nhất với các mối

quan hệ khác nhau giữa các thành phần ứng suất và biến dạng. Trên thực tế không

thể xây dựng được một mô hình vật lý vạn năng mô phỏng tính chất biến dạng của

các loại đá mỏ.

b. Mô hình địa cơ học khối đá mỏ

Trong điều kiện tự nhiên, khối đá mỏ là một môi trường bao gồm các loại đá

mỏ, các lỗ rỗng, kẽ nứt, xi măng gắn kết giữa các loại nham thạch, các loại khí,

nước v.v…Như vậy mô hình địa cơ khối đá mỏ không chỉ bao gồm mô hình biến

dạng của các loại đá khác nhau trong khối đá mà còn bao gồm cả sự tương tác giữa

chúng với nhau.

Khái niệm mô hình địa cơ trong nghiên cứu của tác giả: Mô hình địa cơ khối đá

mỏ được hiểu là một sơ đồ tính toán, mô phỏng với sự gần đúng nhất định các tính

chất địa cơ học của khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên và các quy luật thay đổi của

chúng trong không gian và thời gian.

Theo khái niệm như trình bày ở trên cần lưu ý đến hai khía cạnh quan trọng

[68]: (1) Khi chuyển từ môi trường tự nhiên của khối đá mỏ sang mô hình địa cơ

khối đá mỏ, một số đặc điểm cấu trúc cơ học của khối đá được tính đến một cách

gián tiếp trong sơ đồ tính toán. Ví dụ, khối đá mỏ với hệ thống các khe nứt có thể

được mô phỏng bằng mô hình môi trường liên tục, không nứt nẻ, bất đẳng hướng

33

với các đặc tính tương tự; (2) Trong điều kiện địa chất và kỹ thuật mỏ cụ thể, một số

yếu tố về cấu trúc cơ học của khối đá mỏ không được tính đến trong mô hình địa cơ

cũng không làm thay đổi về định tính và định lượng kết quả đánh giá các quá trình

địa cơ xảy ra trong khối đá mỏ. Chính vì vậy không nhất thiết phải xây dựng một

mô hình địa cơ vạn năng cho khối đá mỏ, mà là tập hợp các mô hình địa cơ khác

nhau, trong đó mỗi một mô hình tương đương với một môi trường tự nhiên của khối

đá mỏ theo một dấu hiệu phân loại cơ bản nào đó đối với từng loại khối đá mỏ.

Có thể hệ thống hoá các mô hình địa cơ được nghiên cứu hiện nay theo các dấu

hiệu phân loại khối đá mỏ thể hiện hình 2.9

Hình 2.9: Phân loại mô hình địa cơ

Trên cơ sở phân loại các mô hình địa cơ như trên có thể xây dựng các sơ đồ

tính toán cho phép nghiên cứu các quy luật biến dạng và phá huỷ của khối đá mỏ do

ảnh hưởng của công tác khai thác mỏ.

2.3.3. Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ

Trên cơ sở phân tích các nghiên cứu lý thuyết về quá trình dịch chuyển và biến

dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của công tác khai thác, thấy rằng các mô hình địa cơ

34

và phương pháp số giải bài toán mô hình địa cơ hiện nay cho phép làm sáng tỏ quy

luật chung quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong vùng ảnh hưởng của khai thác

hầm lò hoặc lộ thiên. Các mô hình địa cơ phục vụ tính toán sự biến dạng khối đá mỏ

trong nghiên cứu lý thuyết đều dựa trên các cơ sở:

1. Khối đá mỏ trong không gian ba chiều được mô phỏng là phần nửa dưới của

khối không gian vật chất có môi trường liên tục đồng nhất, đẳng hướng với các tính

chất đàn hồi, đàn hồi dẻo hoặc các tính chất cơ học khác. Thông qua các tính chất

biến dạng trong môi trường mô hình có thể xác định được các tính chất của khối đá

mỏ tự nhiên và các tính chất biến dạng của nó. Một số nhà nghiên cứu đã xây dựng

các mô hình địa cơ với các yếu tố cấu trúc, các mặt phẳng yếu hoặc sự không đồng

nhất tính chất cơ lý v.v… [25, 26, 29, 30] để mô phỏng môi trường mô hình gần

đúng nhất với tính chất cấu tạo phân lớp của khối đá mỏ tự nhiên.

2. Trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá mỏ được sử dụng làm điều kiện biên

để tính toán trên các mô hình địa cơ gồm: các lực trọng trường, các ứng suất kiến

tạo ngang và ứng suất ngẫu nhiên do các hoạt động địa động lực. Các lực trọng

trường phụ thuộc vào trọng lượng khối đá mỏ và áp lực hông (hình 2.10) có giá trị

thay đổi theo độ sâu, đạt 10÷15MPa khi ở độ sâu 500m. Ứng suất kiến tạo ngang là

trị số không đổi theo độ sâu và đặc trưng bằng trị số ứng suất vuông góc chính có

giá trị khoảng 30.8MPa [63, 74, 75] và có phương trùng với hướng tác động. Thông

thường hướng của ứng suất ngang không trùng với hướng đường phương khoáng

sàng và có giá trị rất khác nhau, tạo nên tính bất đẳng hướng ở trạng thái ứng suất

ban đầu. Cấu tạo phân lớp của khối đá mỏ tự nhiên tạo nên sự không đồng nhất của

trạng thái ứng suất vì vậy trong mô hình tính toán thường sử dụng các tính chất tổng

quát của môi trường mô hình. Các ứng suất ngẫu nhiên biến đổi theo thời gian do

hoạt động địa động lực có tính chất chu kỳ và đạt 0.5÷2MPa [76, 77, 78, 79]

35

Hình 2.10: Các thành phần chính của mô hình địa cơ

Trong đó: 1. Là khối đá mỏ

2. Là vùng ứng suất kiến tạo

3. Dịch chuyển biến dạng hình elip

Như vậy, ứng suất nằm ngang ban đầu tác động lên các đường biên ngoài bao

gồm các thành phần (hình 2.10):

- Áp lực hông (lực ép hông Ϭ2)

- Ứng suất kiến tạo đặc trưng bởi trị số ứng suất chính vuông góc ϬT1, ϬT2 và

hướng tác động của chúng. Áp lực hông thay đổi tỉ lệ với độ sâu. Lực kiến tạo

ngang không đổi theo độ sâu, theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm và có giá trị Ϭ1

+ Ϭ2 = -30,8 ± 2,3MPa [75]

3. Nguồn kích hoạt biến đổi trạng thái ứng suất là khoảng trống đã khai thác hầm

lò và được đặc trưng bởi các thông số hình học trong không gian ba chiều, độ sâu

khai thác trong khối đá mỏ, chiều dài lò chợ đường phương và hướng dốc của vỉa

khai thác có hướng tác động của các ứng suất chính. Trong quá trình khai thác mỏ,

phụ thuộc vào công nghệ khai thác, các thông số hình học của nguồn kích hoạt và

hướng các trục chính của nguồn kích hoạt luôn thay đổi, vì vậy sẽ xảy ra tình trạng

phân bố lại trường ứng suất trong khối đá mỏ theo thời gian [23, 38, 44, 45]

Sử dụng mô hình địa cơ trong nghiên cứu lý thuyết về quá trình dịch chuyển

biến dạng địa tâng đất đá và bề mặt đất cho phép xác định quy luật chung sự biến

dạng khối đá mỏ và bề mặt đất trên cơ sở giải các bài toán giải tích, mô hình số

36

hoặc các phương pháp lý thuyết khác. Tuy nhiên, do quá trình dịch chuyển đá mỏ bị

ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố tự nhiên về điều kiện mỏ - địa chất, nên đã tạo ra

hàng loạt sự bất định trong kết quả giải các bài toán lý thuyết. Ảnh hưởng của các

yếu tố đó thể hiện qua các đặc điểm tính chất sau:

- Sự khác nhau về các tính chất biến dạng khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên

có cấu tạo theo khối, lớp so với môi trường mô hình có các tính chất biến dạng tổng

hợp. Hậu quả là các quy luật dịch chuyển biến dạng thực tế của khối đá mỏ và bề

mặt đất có những sự khác nhau rất lớn trong ranh giới của bồn dịch chuyển.

- Sự phức tạp khi xác định các thông số trạng thái ứng suất biến dạng thực tế

trong khối đá mỏ tự nhiên ở từng thời điểm khai thác để sử dụng làm điều kiện biên

trong các mô hình tính toán. Vì vậy, khi tính toán thường sử dụng các giá trị ứng

suất trung bình, mà thiếu đi các luận cứ chắc chắn [31, 39, 40, 41].

- Sự khái quát hóa hình dạng thực tế của vùng kích hoạt biến đổi trạng thái ứng

suất (khoảng không gian lòng moong hoặc vùng sập đổ) khi được mô phỏng bằng

các hình elip hoặc hình tròn dẫn đến những sai số nhất định so với hình dạng thực tế

của vùng kích hoạt [36].

Do có những sai số giữa các thông số tính toán lý thuyết và thông số đo đạc

thực tế quá trình dịch chuyển và biến dạng nên trong các tài liệu quy phạm [66]

luôn yêu cầu phải đo đạc kiểm chứng quá trình dịch chuyển biến dạng đá mỏ và bề

mặt đất, làm cơ sở cho việc điều chỉnh các thông số dịch chuyển trong khu vực ảnh

hưởng khai thác, và đề ra các giải pháp để đảm bảo an toàn cho các công trình [34,

35, 48].

2.3.4. Các thông số trên mô hình địa cơ

a) Các vùng dịch chuyển biến dạng

Quá trình dịch chuyển và biến dạng đá mỏ được bắt đầu ngay tại vị trí khai thác

hầm lò là khoảng trống khai thác sau khi khấu than trong vỉa và đất đá vách sập đổ

xuống. Sự khác biệt về công nghệ khai thác làm ảnh hưởng lớn đến quá trình dịch

chuyển và biến dạng, còn các thông số cơ bản của mô hình địa cơ không thay đổi.

Phụ thuộc vào kích thước khu vực khai thác quá trình dịch chuyển đá mỏ có thể

37

xảy ra trong tập lớp khối đá mỏ hoặc phát triển lên tận bề mặt đất. Trường hợp dịch

chuyển xảy ra trong tập lớp khối đá mỏ là khi khai thác ở những độ sâu tương đối

lớn, trên thực tế trong đa số trường hợp, quá trình dịch chuyển đá mỏ phát triển lên

tới bề mặt đất tạo thành vùng bồn dịch chuyển.

Mô hình địa cơ được mô phỏng theo sơ đồ hình 2.11 trường hợp khai thác lộ

thiên, 2.12 trường hợp khai thác hầm lò. Bồn dịch chuyển bao gồm 3 vùng chính:

vùng sập đổ, vùng nứt nẻ và vùng biến dạng uốn võng.

Hình 2.11: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trường hợp khai thác lộ thiên vỉa dốc dày

1. Vỉa than; 2. Khoảng trống khai thác; 3. Vùng sập đổ; 4. Vùng lún, sụt lở

5. Vùng lún bậc thang và nứt nẻ; 6. Vùng biến dạng uốn võng

Hình 2.12: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trong trường hợp khai thác hầm lò vỉa dày

Trong đó: H là độ sau khai thác, P=γH là tải trọng khối đá, ψ góc dịch chuyển

hoàn toàn, β, γ là góc dịch chuyển biên theo hướng dốc lên và dốc xuống

38

Khu vực bề mặt dịch chuyển do ảnh hưởng của khai thác gọi là bồn dịch

chuyển, được xác định bởi các góc dịch chuyển giới hạn.

Vùng sập đổ hình thành trực tiếp ngay trên khoảng trống đã khai thác, và đặc

trưng bởi hiện tượng xuất hiện hố phễu sụt lở trên mặt đất, liền kề trực tiếp với vùng

sập đổ là vùng nứt nẻ, đặc trưng bởi các kẽ nứt và sụt lún theo bậc thang trong khối

đá mỏ.

Vùng biến dạng nguy hiểm - khu vực bồn trên bề mặt đất có các biến dạng

nguy hiểm cho công trình trên mặt đất, giới hạn vùng này được xác định phụ thuộc

vào giá trị biến dạng cho phép theo góc dịch chuyển.

Vùng biến dạng uốn võng - khu vực bề mặt bị dịch chuyển nhưng không bị phá

hủy tính liên tục và đặc trưng bởi các hiện tượng trượt uốn, giản nở hoặc co ép.

Trong vùng biến dạng uốn võng, các công trình bị hư hại có thể được bảo dưỡng,

sửa chữa và vẫn đảm bảo an toàn theo chức năng công trình. Vùng biến dạng võng

nằm liền kề với vùng kẽ nứt, hình dạng và kích thước được xác định theo góc dịch

chuyển [53, 55].

Trong vùng sập đổ, vùng lún sụt và vùng nứt nẻ, các công trình đều bị phá hủy

trong quá trình khai thác và các quy chuẩn kỹ thuật đều không cho phép bảo vệ các

công trình tại các vùng biến dạng này. Vì vậy cần đo đạc kiểm soát vùng này, hoặc

tiến hành quan trắc quy luật phát triển của quá trình dịch chuyển, các ten sơ biến

dạng trong vùng này không có ý nghĩa thực tế và khoa học bởi sự biến dạng của

khối đá mỏ trong vùng này không thể mô phỏng theo quan điểm lý thuyết đàn hồi.

Trong trường hợp này chỉ cần biết được độ lún, các kẽ nứt cũng như vị trí giới hạn

của vùng sập đổ trên mặt đất, chính giới hạn này xác định hình dạng và kích thước

vùng kích hoạt biến đổi trạng thái ứng suất.

Vùng biến dạng uốn võng là đối tượng nghiên cứu và có ý nghĩa khoa học thực

tế bởi các công trình có thể được bảo vệ trong giới hạn của vùng này trên mặt đất,

hoặc nếu khai thác dưới vùng này đảm bảo an toàn khi có đối tượng chứa nước trên

bề mặt.

Trong các tài liệu quy chuẩn kỹ thuật [2, 23, 66] vùng biến dạng uốn võng nằm

39

giữa biên giới vùng nứt nẻ và vùng dịch chuyển có độ lún = 15mm, hoặc theo tiêu

chuẩn biến dạng giãn nở - nén ép trên bề mặt của các điểm có biến dạng ngang ε =

0,5.10-3. Đường giới hạn theo các tiêu chuẩn này chính là giới hạn của bồn dịch

chuyển trên bề mặt.

Vùng được giới hạn bởi biên giới vùng nứt nẻ và đường biên của bồn dịch

chuyển (trên bề mặt đất cũng như trong khối đá) có liên quan đến sự hình thành

trạng thái ứng suất biến dạng thứ cấp xung quanh khu vực nguồn kích hoạt biến đổi

trạng thái ứng suất.

Để giải bài toán bảo vệ công trình nằm trên và dưới vùng biến dạng uốn

võng có thể chỉ cần quan trắc dịch chuyển biến dạng trong phạm vi vùng biến

dạng uốn này.

Tuy nhiên ngoài vùng uốn võng, trong khối đá mỏ và trên bề mặt còn hình

thành một vùng biến dạng tương đối rộng lớn có khi lên tới hàng kilomet. Tại vùng

ngoài này các biến dạng và dịch chuyển có giá trị nhỏ và tuy không ảnh hưởng lớn

đến các công trình bảo vệ nhưng cũng đóng vai trò như là yếu tố kích thích phá hủy

sự cân bằng tự nhiên trong khối đá mỏ, vì vậy vùng này trên thực tế cũng được đo

đạc và kiểm soát [23, 54, 67].

Như vậy, khi khai thác khoáng sàng trong khối đá mỏ và trên bề mặt hình thành

2 vùng biến dạng: vùng bên trong và vùng bên ngoài. Vùng bên trong được hình

thành do có sự phân bố tại ứng suất trong khối đá xung quanh khu vực khai thác

(vùng kích hoạt) dưới tác động của lực trọng trường để cân bằng hệ thống ứng suất

trong khối và tạo thành trạng thái ứng suất biến dạng thứ cấp trong khối đá mỏ.

Vùng bên ngoài được hình thành do sự phá hủy trạng thái ứng suất tĩnh do khai thác

mỏ gây ra.

b) Các thông số hình học của mô hình địa cơ

Kích thước hình học vùng bên trong được xác định bằng kích thước hình dạng

khoáng thể (vỉa, thân quặng), các tính chất cơ lý đá, đặc điểm cấu trúc khối đá mỏ,

độ sâu vỉa. Ở các độ sâu khác nhau từ khu vực khai thác đến bề mặt đất, kích thước

vùng bên trong được xác định trên các mặt cắt chính theo phương và theo dốc vỉa

40

khoảng trống đã khai thác bởi các góc dịch chuyển. Ở các mức dưới cùng liền kề

với khu vực khai thác, mặt cắt ngang vùng biến dạng trong gần giống với hình dạng

khu vực khai thác ở các mức cao hơn, xa dần so với vị trí khai thác hình dạng vùng

biến dạng trong cũng có hình dạng chung gần giống như hình dạng giới hạn khu

vực khai thác. Giới hạn vùng nứt nẻ được xác định theo các góc cắt.

Trong bảng số 2.1 trình bày tỷ lệ giữa bán kính vùng biến dạng uốn võng với

bán kính trung bình vùng sập đổ, tỷ lệ này dao động trong khoảng 1.9 ÷ 2.5. Có thể

kết luận rằng kích thước thực tế vùng biến dạng uốn võng lớn hơn một chút so với

kích thước vùng này được xác định theo góc dịch chuyển giới hạn.

Bảng 2.1: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với các

khoáng sàng Ural và Cadacxtan

Khoáng sàng

khu vực

Độ

sâu

(m)

Kích thước vùng

kích hoạt, (m)

Kích thước vùng biến

dạng trong, (m) Tỉ số

R/r A B R A B R

Phía bắc 600 310 215 263 1178 258 657 2.5

Phía đông bắc 700 370 180 275 1036 288 605 2.2

Gorovla 500 370 180 275 1100 216 578 2.1

Molodedz 500 305 315 310 549 583 573 1.9

Như vậy, vùng biến dạng phía trong đòi hỏi cần có nghiên cứu sâu về dịch

chuyển và biến dạng có kích thước hình học như sau:

- Kích thước theo đường phương xác định theo góc dịch chuyển giới hạn

1100÷2360m, xác định theo nguyên lý Kenvil là 2500m

- Kích thước theo hướng vuông góc với đường phương xác định theo góc dịch

chuyển giới hạn: 430÷1200m, xác định theo nguyên lý Kenvil là 1300m

- Kích thước trung bình vùng biến dạng trong của munda dịch chuyển dao động

1.9÷3.0 lần bán kính vùng kích hoạt

Vùng biến dạng ngoài như đã trình bày ở trên được tạo thành do sự phá vỡ

trạng thái tĩnh của khối đá do khai thác gây nên như: suy giảm các tầng chứa nước

(trong trường hợp tháo khô mỏ) hoặc do làm chất tải lên bề mặt bằng đổ đất đá thải

của khai thác, tuyển …vv.

Theo lời giải bài toán cơ học của Businesk [60, 64], hệ thống lực không cân

41

bằng tác động lên phần nửa không gian đàn hồi vô hạn có vùng ảnh hưởng không

giới hạn và độ suy giảm của biến dạng tỷ lệ với khoảng cách tính từ điểm lực tác

động. Trong bảng số 2.2 trình bày kết quả tính toán các thông số hình học của vùng

biến dạng bên ngoài cho điều kiện khoáng sàng Ural, Cadacxtan.

Để xác định bán kính vùng biến dạng bên ngoài cần thiết đưa ra tiêu chuẩn

đánh giá vùng ảnh hưởng của biến dạng. Trong bảng số 2.2, bán kính vùng ảnh

hưởng được đánh giá theo 2 tiêu chuẩn: 5% trị số biến dạng trên đường biên của

vùng kích hoạt và theo tiêu chuẩn độ chính xác của các phép đo mà các thiết bị trắc

địa có thể xác định các trị số biến dạng.

Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với các

khoáng sàng Ural và Caracxtan [64]

Khoáng

sàng khu

vực

Bán kính

vùng kích

hoạt r, (m)

Bán kính

vùng theo

nghiên cứu

hiện trường

Bán kính vùng ảnh

hưởng R, (m)

Tỉ lệ R/r

Tiêu

chuẩn 5%

biến dạng

Tiêu chuẩn

theo độ

chính xác

Theo tiêu

chuẩn 5%

Theo tiêu

chuẩn độ

chính xác

Mỏ chính 1000 1000-8000 20000 12000 20.0 12.0

Mỏ 40 500 750-3000 10000 5000 20.0 10.0

Gorovla 750 750-3000 15000 8000 20.0 10.7

Phía bắc 260 750-3000 5000 2000 19.2 7.7

Đông bắc 275 500-3000 5000 2000 18.1 7.3

Như vậy, nếu giới hạn vùng biến dạng bên ngoài được xác định bằng 5% trị số

biến dạng trên đường biên vùng kích hoạt thì kích thước vùng này dao động

5.000m÷20.000m hoặc bằng 18.1÷20.0 lần kích thước vùng kích hoạt.

Theo tiêu chuẩn độ chính xác của các phép đo đạc thì vùng biến dạng bên ngoài

sẽ nhỏ hơn, dao động 2.000m÷12.000m, tức là bằng 7.3÷12.0 lần kích thước vùng

kích hoạt. Như vậy, các thông số hình học của mô hình địa cơ với yêu cầu cần được

nghiên cứu chi tiết độ dịch chuyển và biến dạng là:

- Vùng biến dạng bên trong bằng 1.9÷3.0 lần bán kính vùng kích hoạt

- Vùng biến dạng bên ngoài bằng 7.3÷12.0 lần bán kính vùng kích hoạt

42

2.3.5. Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ

Mô hình địa cơ như mô phỏng ở trên không hạn chế các tính chất môi trường

khối đá, tức là có thể mô tả mô hình địa cơ như một môi trường đàn hồi, đàn hồi

dẻo, hoặc các tính chất khác.

Khoa học mỏ hiện đại ngày nay với lượng tri thức sâu rộng về các tính chất cơ

lý đá mỏ cho phép giải quyết các vấn đề kỹ thuật mỏ một cách có cơ sở. Đi đầu

trong trường phái này là viện sĩ B.B. Rydepski [23, 44]. Tuy nhiên việc nghiên cứu

tính chất khối đá mỏ trong điều kiện thực tế tự nhiên còn rất nhiều hạn chế, chính vì

vậy việc lựa chọn tính chất biến dạng cho mô hình địa cơ là rất khó khăn bởi không

có các nghiên cứu đầy đủ về sự dịch chuyển và biến dạng của khối đá mỏ. Vì vậy

việc mô phỏng toán học các quá trình biến dạng của khối đá mỏ với tất cả các tính

chất tự nhiên là rất phức tạp, cho nên khi phân tích các quá trình cơ học và giải

quyết các bài toán thực tế, người ta sử dụng mô hình môi trường khối đá với các

tính chất cơ lý và các thông số hình học của môi trường tự nhiên, mà có ảnh hưởng

quyết định đến lời giải của bài toán đặt ra với độ chính xác nào đó.

Trong trường hợp chung, các mô hình biến dạng của khối đá có thể phân thành

hai nhóm: rời rạc và liên tục. Các mô hình môi trường rời tương đối tương thích với

điều kiện tự nhiên hơn do các mô hình này mô phỏng tính rời rạc và không đồng

nhất của môi trường khối đá. Tuy nhiên đây là bài toán rất phức tạp, vì vậy hiện nay

thông dụng nhất là các mô hình liên tục được xây dựng trên nguyên tắc liên tục toán

học đối với một môi trường biến dạng rời rạc. Khái niệm nguyên tắc liên tục toán

học đòi hỏi tính liên tục của môi trường ứng suất và biến dạng. Cơ sở của nguyên

tắc này là khái niệm về thể tích tối giản, tức là phần thể tích của môi trường vừa đáp

ứng yêu cầu có tất cả các đặc tính biến dạng của môi trường vừa có kích thước đủ

nhỏ so với môi trường biến dạng để trạng thái ứng suất biến dạng của nó có thể

được xem như là tại một điểm.

Thể tích tối giản có thể ở dạng phần tử nhỏ dạng hạt hoặc phần tử nhỏ dạng

viên cấu tạo nên toàn bộ khối đá mỏ tự nhiên: các ứng suất và biến dạng trung bình

của một thể tích nào đó của môi trường đủ lớn so với thể tích tối giản có thể xem

43

như tương đương với ứng suất và biến dạng của chính thể tích này trong mô hình

môi trường liên tục lý tưởng.

2.3.6. Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ

Các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác

động theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng của khai

thác, trị số và hướng tác động của các lực và biến dạng này được xác định trực tiếp

bằng các thông số của trạng thái ứng suất của khối đá mỏ ở trạng thái tự nhiên. Khi

chưa có đo đạc thực nghiệm về ứng suất, khái niệm về trạng thái ứng suất của khối

đá mỏ dựa trên các giả thuyết của A. Geim và A.N. Dinic cho rằng ứng suất thẳng

đứng được xác định bởi trọng lượng khối đá mỏ nằm bên trên và ứng suất ngang -

lực ép hông của khối đá bị biến dạng. Các đo đạc thực tế đã chứng minh sự hợp lý

của các giả thuyết này, đồng thời cũng chứng minh được rằng ngoài lực trọng

trường còn có tập hợp các lực khác tạo nên bởi các yếu tố khác nhau mà nổi bật

nhất là các lực kiến tạo.

Tóm lại, các điều kiện biên như sau:

- Lực trọng trường, lực kiến tạo không đổi và biến đổi theo thời gian

- Sự không đồng nhất của các điều kiện biên

- Sự bất đẳng hướng của các lực kiến tạo ngang

- Sự không trùng khớp giữa các hướng của trạng thái ứng suất biến dạng ban đầu với

các trục chính của hình dạng mô phỏng khoảng trống khai thác và vùng phá hủy

Như vậy, mô hình địa cơ của khoáng sàng đang khai thác và triển khai các đo

đạc dịch động bề mặt, đảm bảo công trình có thể biểu diễn theo dạng hình 2.13.

Môi trường của mô hình là khối đá mỏ - đồng nhất liên tục và đẳng hướng, là nửa

không gian dưới với tất cả các tính chất đàn hồi, đàn hồi dẻo và các tính chất khác.

Các tính chất biến dạng của môi trường mô hình xác định bởi các giá trị trung

bình tích hợp của khối đá mỏ.

Trạng thái ban đầu của môi trường mô hình địa cơ hay là trạng thái ứng suất

biến dạng bao gồm các lực trọng trường, ứng suất kiến tạo và các ứng suất biến đổi

khác. Lực trọng trường biến đổi tỉ lệ theo độ sâu, các lực kiến tạo nằm ngang, cố

44

định theo độ sâu và có tính bất đẳng hướng, đồng thời hướng tác động của các ứng

suất chính không trùng khớp với các thông số của khoáng vật [70, 71]

Trong mô hình tạo thành khoảng trống khai thác là vùng kích hoạt công nghệ,

kích thước khoảng trống khai thác thay đổi theo thời gian và không gian được xác

định bởi phương pháp và trình tự công nghệ khai thác. Sự tạo thành khoảng trống

khai thác trong khối đá mỏ làm phá vỡ cân bằng tự nhiên của các lực trọng trường

và lực kiến tạo, tạo ra trường ứng suất biến dạng thứ sinh (thứ cấp) cùng với biến

dạng tương ứng. Xung quanh vùng kích hoạt công nghệ tạo thành vùng ảnh hưởng

bao gồm vùng biến dạng trong và vùng biến dạng ngoài, đặc trưng bởi các đặc điểm

phát triển dịch động bề mặt và khối đá mỏ khác nhau.

Vùng biến dạng trong tạo thành dưới tác động của hệ thống cân bằng lực do có

sự phân bố lại ứng suất xung quanh vùng kích hoạt công nghệ. Vùng biến dạng

ngoài tạo thành do tác động của việc mất cân bằng hệ thống lực do phá vỡ trạng thái

ban đầu

Hình 2.13: Mô hình địa cơ tổng quát khoáng sàng đang khai thác,

phục vụ việc quan trắc kiểm tra quá trình dịch chuyển [75]

1. Khoảng trống khai thác 2. Vùng biến dạng trong

3. Vùng biến dạng ngoài 4. Khối đá mỏ

2.3.7. Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng

Tổng hợp từ các nguồn tài liệu có thể tiếp cận được, cho thấy hiện tại có một

số mô hình được áp dụng để dự báo dịch chuyển và biến dạng. Theo phương

45

pháp nghiên cứu và cơ sở lập luận được sử dụng có thể phân các mô hình địa cơ

dự báo ra ba nhóm như trên sơ đồ hình 2.14 [10]

Hình 2.14. Các phương pháp số trong địa kỹ thuật [10]

a) Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Trong phương pháp này thì khối đá được mô phỏng là liên tục. Đặc điểm không

liên tục cũng có thể được mô phỏng riêng. Các phần tử được rời rạc và được kết nối

với nhau tại các nút. Mỗi một phần tử có kích thước là hữu hạn [43]. Mối quan hệ

ứng suất - biến dạng được định nghĩa bằng một quy luật tương ứng. Ứng suất, biến

dạng và dịch chuyển phân tích được là nguyên nhân do sự thay đổi điều kiện biên.

Ứng suất, biến dạng và dịch chuyển được thể hiện trong sự biểu hiện của các phần

tử bên cạnh phần tử đó. Sự phân tích được thực hiện bằng việc giải quyết các hệ

phương trình ma trận.

Phương pháp phần tử hữu hạn có nhiều ưu điểm đó là: giải quyết các vấn đề bài

toán mô phỏng khối đá có tính dị hướng hay các biểu hiện của vật liệu không đàn

hồi, từ các mô hình của mỗi phần tử với các hàm đặc tính của vật liệu. Với những

Mô hình địa cơ

Mô hình

liên tục

Mô hình không

liên tục

Mô hình tương

tác

Phương pháp

phần tử hữu

hạn

Phương pháp

phần tử biên

Phương pháp

phần tử rời

rạc

Phương pháp

phần tử

thanh

Phương pháp sai

phân hữu hạn

46

lợi ích trong công nghệ máy tính tốc độ cao hiện nay việc tính toán trên cơ sở

phương pháp phần tử hữu hạn đã trở nên rất hữu dụng. Một trong những chương

trình đại diện cho phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay đang được sử dụng rộng

rãi có thể kể đến là Phase, Plaxis [81].

b) Phương pháp sai phân hữu hạn (FDM)

Phương pháp này cũng gần giống với phương pháp phần tử hữu hạn, trong đó

đất đá cũng được mô hình như là một vật thể liên tục và nó được chia thành các

phần tử nhỏ, giữa chúng có sự liên kết với nhau tại các nút. Sự khác nhau ban đầu

nằm ở sự gần đúng được sử dụng để giải quyết các tham số chưa biết. Phương pháp

sai phân hữu hạn dựa trên cơ sở của sự gần đúng các hàm toán học. Phương pháp

gần đúng xây dựng trên ý tưởng cho một thời gian đủ nhỏ trên một bề mặt tại các

điểm lưới với các phần tử trung gian bên cạnh nó. Việc tính toán của phương pháp

sai phân hữu hạn có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề lời giải động lực học

chứa nước hay chất lỏng di chuyển.

Ưu điểm của phương pháp sai phân hữu hạn là không có các ma trận toán học

vì thế chu trình tính toán nhanh và cần thiết bộ nhớ của máy tính nhỏ. Lời giải

không sử dụng ma trận cũng cho phép phân tích các dịch chuyển, biến dạng với các

giá trị lớn hơn. Đại diện cho nhóm phương pháp sai phân hữu hạn đang được sử

dụng hiện nay có thể kể đến là FLAC2D và FLAC3D [80].

c) Phương pháp phần tử biên (BEM)

Trong phương pháp này khối đá được xem là liên tục và giả thiết với các biến

dạng là vô cùng nhỏ. Phương pháp phần tử biên (BEM) mô phỏng những vấn đề

ảnh hưởng cần thiết trên biên công trình khai đào. Với các yêu cầu mô phỏng các

vấn đề thường được giảm bớt đi so với phương pháp phần tử hữu hạn nơi toàn bộ

phạm vi nghiên cứu được miêu tả. Ảnh hưởng của khối đất đá rất lớn, vô hạn

thường được tự động xem xét trong phân tích. Phương pháp phần tử biên rất có hiệu

quả khi định nghĩa các biên có ảnh hưởng lớn.

Việc tính toán được xác định với các phần tử biên, môi trường bên trong các

biên đó thường được miêu tả và giả thiết bằng các công thức khác nhau. Những

47

công thức này thường là tuyến tính. Phương pháp phần tử biên có hiệu quả trong

việc giải quyết các vấn đề vật liệu có biểu hiện đàn hồi đẳng hướng. Một chương

trình đại diện cho phương pháp phần tử biên BEM ngày nay cũng được sử dụng

trong phân tích ứng suất biến dạng là Examine.

d) Phương pháp phần tử rời rạc (DEM)

Trái ngược với phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn và phương

pháp phần tử biên, khối đất đá trong phương pháp này không được mô phỏng là liên

tục, mà được mô phỏng bằng các khối riêng có chú ý đến trọng lượng bản thân của

nó. Phương pháp này có khả năng áp dụng nếu các dịch chuyển biến dạng dọc trên

khe nứt lớn hơn biến dạng nội tại bên trong các khối nứt. Trong trường hợp này,

biến dạng của khối đất đá được bao bọc bởi sự dịch chuyển dọc theo các khe nứt

giữa các khối. Các khối có thể tự do xoay và dịch chuyển.

Lời giải chính xác thì cho phép xác định biến dạng lớn hơn, cho phép từng

bước, từng bước xác định giá trị biến dạng tương đương. Chương trình điển hình

hiện nay đang được sử dụng rộng rãi cho phương pháp này là UDEC [80].

e) Phương pháp phần tử thanh

Phương pháp này có khả năng đặc biệt để giả thiết cho các vỏ chống trong các

gian hầm ngầm khai thác. Vỏ chống được giả thiết bởi các phần tử thanh. Đất đá

xung quanh ôm lấy vỏ chống, được giả thiết như các phần tử lò xo đàn hồi ở trên

biên phía sau các phần tử thanh [58].

Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích, tính toán cho các đường

hầm có vỏ chống. Để tính toán phân tích, máy tính chỉ cần có dung lượng bộ nhớ

vừa không cần quá lớn. Tuy nhiên, mô hình được sử dụng cho phương pháp phần tử

thanh dầm với kết cấu đàn hồi có những giả thiết đơn giản hay nó chỉ xem xét được

các điều kiện địa chất đơn giản.

f) Khả năng kết hợp các phương pháp số

Hiện nay có nhiều phương pháp số hay mô hình số, mỗi phương pháp số đều

có ưu nhược điểm trong một phạm vi nhất định. Do vậy, kết hợp các phương pháp

số với nhau thì điểm mạnh của mỗi phương pháp được duy trì và phát huy, các

nhược điểm sẽ hạn chế, khắc phục. Sự kết hợp của các phương pháp số với các mô

48

hình khác nhau sẽ tạo ra một mô hình có thể biểu hiện tốt nhất cho các bài toán

chúng ta cần phân tích. Ví dụ mô hình liên tục có thể được kết hợp với mô hình

không liên tục, hoặc là sự kết hợp của phương pháp phần tử biên và phương pháp

phần tử hữu hạn. Mục đích của lưới phần tử hữu hạn xung quanh với các phần tử

biên thì được giới hạn cần thiết cho sự thay đổi tuỳ ý và các điều kiện biên bất kỳ.

Do đó, kích thước của lưới phần tử hữu hạn có khả năng được giảm bớt.

Trong thực tế thì khả năng sử dụng và áp dụng của mỗi phương pháp số cần

phải được xác định, nghiên cứu cụ thể. Nếu khối đá bị nứt nẻ ít, thưa thớt hoặc

khoảng cách giữa các khe nứt nhỏ [16]. Việc khai thác hầm lò là nguyên nhân gây

ra biến dạng trong khối đất đá thì khi đó bài toán có thể được mô phỏng là liên tục.

Trong trường hợp này phương pháp phần tử hữu hạn hay phương pháp sai phân hữu

hạn đều có thể được sử dụng để giải quyết bài toán. Đối với trường hợp khối đá bị

nứt nẻ và khoảng cách giữa các khe nứt là trung bình thì mô hình phân tích không

liên tục sẽ phù hợp hơn, khi đó phương pháp phần tử rời rạc sẽ có ích hơn trong

phân tích bài toán.

Tuy nhiên các phương pháp số có những ưu việt so với các phương pháp khác

khi tính toán dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của khai thác,

nhưng phương pháp số vẫn có những hạn chế nhất định, đó là cách tiếp cận chủ

quan khi phân chia khối đá thành các phần tử hữu hạn, sự quân bình hóa tính chất

cơ lý khối đá, số lượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi

không liên tục hoặc liên tục gần thực tế thì mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp.

Phương pháp quan trắc hiện trường cho phép xác định các kết quả quan trắc

dịch chuyển biến dạng bề mặt tương đối chính xác của khối đá mỏ, nhưng chưa thể

hiện được bức tranh tổng thể của quá trình dịch chuyển. Phương pháp này khó có

thể xác định được vùng uốn võng, vùng sập đổ, vùng kẽ nứt ngay trên nóc lò chợ.

Nghiên cứu lý thuyết về mô hình địa cơ cho phép thể hiện bức tranh tổng thể của

quá trình dịch chuyển nhưng lại mang tính định tính. Vì vậy, tác giả đề xuất nghiên

cứu mô hình biến động địa cơ dựa vào điều kiện biên là các kết quả quan trắc thực

địa cho bức tranh tổng thể quá trình dịch chuyển nhưng mang tính định lượng cụ thể

cho từng khu vực khai thác.

49

2.4 Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của phương pháp số hay mô hình số, với

kết quả quan trắc thực địa tại các mỏ than hầm lò Quảng Ninh. Đề tài luận án lựa

chọn mô hình địa cơ cho bể than Quảng Ninh là mô hình số kết hợp với phương

pháp quan trắc hiện trường để điều chỉnh mô hình số sát với thực tế hơn trong đó:

- Mô hình với điều kiện môi trường đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng.

- Mô hình này được giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn

- Dữ liệu đầu vào của mô hình là các tham số cơ học, kích thước hình học,

chiều dày vỉa như: Độ bền nén σ của các loại đất đá, chỉ số bền địa chất (GSI), chỉ

số phá hoại do nổ mìn (D), hằng số vật liệu (mi) để xác định thông số đàn hồi E.

Kích thước hình học như chiều sâu khai thác, chiều dài lò chợ theo phương và theo

hướng dốc.

- Các kết quả quan trắc thực địa xác định hàm đường cong tiêu chuẩn cho bể

than Quảng Ninh phục vụ công tác dự báo dịch chuyển biến dạng

- Phần mền chuyên dụng để giải bài toán đó là: Rockdata, R và Rocscience 2.0.


1. Trên cơ sở phân tích các dạng mô hình địa cơ và các phương pháp số khác

nhau, nghiên cứu sinh lựa chọn mô hình đàn hồi đẳng hướng và phương pháp phần

tử hữu hạn (FEM). Sự lựa chọn này dựa trên cơ sở những kết quả nghiên cứu đã

được công bố và hoàn cảnh cụ thể về điều kiện nghiên cứu (dữ liệu thực tế, công

cụ tính toán và kinh nghiệm nghiên cứu).

2. Khi áp dụng mô hình địa cơ này vào thực tế, để tránh những hạn chế (cách tiếp

cận chủ quan khi phân chia khối đá thành các phần tử hữu hạn, sự quân bình hóa tính

chất cơ lý khối đá, số lượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi

không liên tục hoặc liên tục gần thực tế thì mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp),

điều quan trọng là phải nghiên cứu điều chỉnh mô hình địa cơ cho phù hợp với điều

kiện khu vực nghiên cứu được đặc trưng bởi các dữ liệu quan trắc thực địa.

50

CHƯƠNG 3

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC HÀM ĐƯỜNG CONG TIÊU CHUẨN

TỪ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH

Như đã trình bày ở chương 2, mô hình địa cơ trong đề tài nghiên cứu luận án,

tác giả nghiên cứu tổng hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng

phương pháp số và phương pháp quan trắc hiện trường để nghiên cứu bức tranh

tổng thể quá trình dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất. Do vậy, ở

chương này tác giả đi nghiên cứu xây dựng hàm số đường cong mẫu từ số liệu thực

tế mà tác giả đã quan trắc từ nhiều năm về trước, đây là kho dữ liệu vô cùng phong

phú, có cơ sở khoa học, thực tế phù hợp với điều kiện địa chất - kỹ thuật của bể than

Quảng Ninh.

3.1 Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu

Như chúng ta đã biết, quan trắc dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt đất là

một trong những nhiệm vụ quan trọng khi khai thác mỏ, xây dựng các công trình

ngầm. Hiện nay, kỹ thuật và phương pháp quan trắc dịch chuyển và biến dạng đất

đá đi từ hướng truyền thống đến hiện đại, có rất nhiều phương pháp quan trắc khác

nhau như: phương pháp quan trắc mặt đất độ chính xác cao, phương pháp đo ảnh và

hệ thống quan trắc GPS [12]

Phương pháp trắc địa ảnh mặt đất là phương pháp xác định bồn dịch chuyển

thông qua tính chất cơ lý đất đá vùng tương tự, xây dựng các mốc có chiều cao nhất

định tại các biên dịch chuyển, trên bề mặt đất chọn các điểm ổn định xung quanh

bồn dịch chuyển, đặt máy ảnh trên các điểm đó, tiến hành chụp ảnh các mốc, sau đó

xử lý số liệu nội nghiệp. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như giảm thiểu được

công tác ngoại nghiệp.

Phương pháp quan trắc mặt đất là dùng máy trắc địa độ chính cao đo các giá trị

biến đổi như chiều dài các cạnh, các góc, độ cao để xác định dịch chuyển và biến

dạng bề mặt đất. Phương pháp này có các ưu điểm:

- Có thể cho biết dịch chuyển biến dạng tại khu vực hiện trường trên phạm

vi rộng

51

- Tính toán và kiểm tra độ chính xác các giá trị đo bằng việc thành lập lưới

khống chế

Trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp quan trắc, tác giả lựa

chọn phương pháp quan trắc mặt đất để đo các trị đo quan trắc biến dạng phục vụ

kiểm chứng, điều chỉnh, xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn phục vụ cho mô hình

biến động địa cơ khai thác vỉa dầy bằng lò chợ cơ giới hóa.

3.2 Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn

Tính toán dịch chuyển biến dạng đá mỏ nhằm mục đích xác định mức độ phá

hủy, hư hại các công trình nhà cửa và các đối tượng tự nhiên khác trên mặt đất do

ảnh hưởng khai thác mỏ.

Trên cơ sở phân tích, xử lý các số liệu quan trắc cho phép xác định khả năng

khai thác dưới các công trình công nghiệp dân dụng, di tích lịch sử văn hóa cần bảo

vệ. Các phương pháp tính toán được chia thành các nhóm:

- Phương pháp lý thuyết

- Phương pháp thực nghiệm

- Phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm (bán thực nghiệm)

Phương pháp lý thuyết dựa trên cơ sở các phương trình toán cơ học môi trường

liên tục với giả định rằng khối đá mỏ là một môi trường đàn hồi, dẻo, nhớt hoặc môi

trường rời vv…

Phương pháp thực nghiệm dựa trên các mối tương quan xác định được từ các

kết quả quan trắc, đo đạc hiện trường.

Phương pháp bán thực nghiệm dựa trên cơ sở các mối tương quan được khái

quát hóa từ kết quả đo đạc, từ các mô phỏng lý thuyết và tương tự toán học với các

hệ số được xác định thông qua đo đạc thực tế.

Trong các phương pháp thực nghiệm thường sử dụng các tương quan đơn giản

như [23]:

mqm .= (3.1)

H

mCI im .=

(3.2)

52

2

.H

mCK km =

(3.3)

mm a .0= (3.4)

H

mCm . =

(3.5)

Trong đó:

- mmmmm KI ,,,, : là giá trị cực đại của độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch

chuyển ngang, biến dạng ngang.

- m, H: chiều dày vỉa và độ sâu khai thác

- CaCCq ki ,,,, 0 : Các hệ số thực nghiệm được xác định bằng quan trắc đo đạc

thực tế. Thường hệ số q dao động từ 0.6 ÷ 0.9 (đất đá càng bền vững thì q càng

nhỏ). Ck dao động từ 2÷4 (càng sâu thì Ck càng lớn). Các hệ số Ci, a0, Cε; xác định

từ các biểu thức:

−= 6.1iC

cos)9.06.0( +=C

8.03.00 +=a H

htg −=

: góc dốc vỉa, là radian

H, h: Độ sâu khai thác và chiều dày lớp phủ

Các phương pháp bán thực nghiệm được phân chia thành các phương pháp giản

đồ, phương pháp giải tích, phương pháp đồ thị phân tích.

- Phương pháp giản đồ được sử dụng rộng rãi là phương pháp lưới vi phân.

- Phương pháp giải tích dựa trên cơ sở lựa chọn các phương trình biểu thị

đường cong của độ lún. Hiện nay các phương pháp giải tích phần lớn dựa trên các

hàm vi phân xác xuất để mô phỏng đường cong độ lún. Ví dụ ở Ba Lan thường sử

dụng phương pháp Litwiniszyn với giả định có mối tương quan giữa dịch động đá

mỏ và độ dẫn nhiệt. Còn phương pháp Knothe với giả định rằng sự ảnh hưởng của

từng phần tử khối tính của đường lò có thể mô tả bằng đường cong phân bố xác suất

53

(đường cong Gauss) [15]. Theo các phương pháp này thì trị số dịch động tại một

điểm của bồn dịch chuyển xác định bằng công thức:

dser

r

S

MAX

−

=2

2

(3.6)

max: độ lún tương ứng với khai thác hoàn toàn, r =tg

H bán kính vùng ảnh

hưởng chính, H độ sâu khai thác, là góc dịch chuyển giới hạn, S là khoảng cách

đến điểm tính dịch động.

Phương pháp giải tích cũng được R.A. Muller đưa ra dựa trên cơ sở xem khối

đá mỏ như một môi trường liên kết yếu, có khả năng kháng lại các lực nén và lực

trượt là chính, còn khả năng kháng lại lực kéo là rất nhỏ, từ đó giải phương trình vi

phân của khối đá đàn hồi và đưa ra các công thức tính toán dịch chuyển biến dạng.

Phương pháp đồ thị giải tích dựa trên việc sử dụng các đường cong tiêu chuẩn

phân bố độ lún và biến dạng trong bồn dịch chuyển. Trường hợp này độ lún tại từng

điểm được biểu thị bằng tỷ lệ giữa độ lún tại điểm đó với độ lún cực đại, còn vị trí

điểm này xác định bằng tỷ lệ khoảng cách từ tâm bồn dịch chuyển đến điểm đó với

kích thước bán bồn dịch chuyển. Điểm gốc của toạ độ thường lấy điểm có độ lún

cực đại (hình 3.1).

o A

Lx

o1

1

m

o A

1

x

y

x

y

xL

a =1

x

max

1

a) b)

a, Đường cong lún thực tế b, Đường cong lún không thứ nguyên

Hình 3.1: Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên

54

Trên cơ sở xác định phân bố độ lún và biến dạng xây dựng các đồ thị - biểu đồ

hoặc các bảng tính.

Ở Liên Xô (trước đây) và các nước SNG ngày nay phương pháp đường cong

tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi trong các quy chuẩn bảo vệ công trình trên bề mặt

đất.

Trên hình 3.1 điểm gốc tọa độ được chọn là điểm O - điểm có độ lún lớn nhất.

Trục X nằm ngang trên bề mặt, trục Y thẳng xuống dưới. Trên đồ thị biểu diễn

đường cong độ lún theo thực tế )(xfX = của một nửa bồn dịch chuyển. Do điều

kiện địa chất các khoáng sàng và điều kiện khai thác mỏ rất khác nhau nên các

đường cong độ lún rất khác nhau và khó có thể so sánh được với nhau. Để có thể so

sánh được, người ta đưa ra các đường cong độ lún thực tế về dạng đường cong độ

lún không có thứ nguyên bằng cách theo trục hoành đặt tỷ lệ (L

X) và trục tung

(max

x ) từ đó ta có công thức [23]:

)()(max

x

x zSL

x==

(3.7)

hoặc )(.max xx zS = (3.8)

Trong đó: x là độ lún tại điểm x, max là độ lún cực đại, L là nửa chiều dài bồn

dịch chuyển.

Như vây, nếu biết độ lún cực đại max và hàm không thứ nguyên S(zx) sẽ xác

định được độ lún x tại một điểm bất kỳ. Hàm phân bố độ lún S(zx) có thể đưa ra ở

dạng hàm mũ, hàm lượng giác, hàm Gauss hoặc hàm biểu thức giải tích khác,

nhưng thường được áp dụng đưa ra ở dạng bảng [23].

- Độ lún cực đại xác định theo công thức:

cos.... 210 NNmqm = (3.9)

Trong đó: q0 độ lún cực đại tương đối

55

: là góc dốc vỉa

11 nN = và 22 nN = , n1 và n2 là hệ số khai thác dưới mặt đất.

- Độ nghiêng xi tại điểm bất kỳ ở mặt cắt chính bồn dịch chuyển xác định theo

công thức:

𝐼𝑥 =ƞ𝑚

𝐿𝑆′(𝑍𝑥)

(3.10)

- Độ cong Kx xác định theo công thức:

𝑘𝑥 =ƞ𝑚

𝐿2𝑆′′ (𝑍𝑥)

(3.11)

- Dịch chuyển ngang ξx được xác định theo công thức:

)(..5.0 0 xmx zFa = (3.12)

Trong đó: a0 là dịch chuyển ngang tương đối

- Biến dạng ngang εx được xác định theo công thức:

)(..5.0 '

0 x

m

x zFL

a

= (3.13)

Trên cơ sở lý thuyết xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn, các giá trị của hàm

cong tiêu chuẩn S(zx), F(zx), F’(zx) được xác định cho vùng Quảng Ninh.

3.3 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển

3.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch

động đá mỏ

a. Xác định hệ số kiên cố địa tầng

Xác định hệ số kiên cố của đất đá mỏ theo trình tự [3, 4, 7, 23]:

+ Tính hệ số kiên cố trung bình của các lớp đá cứng như: cát kết, sạn kết và các

loại tương đương:

210. −

=ci

cici

cm

fmf

(3.14)

+ Tính hệ số kiên cố trung bình của các lớp đá mềm như: bột kết, sét kết, á sét,

than và các loại tương đương:

56

210. −

=mi

mimi

mm

fmf

(3.15)

+ Tính hệ số kiên cố địa tầng chứa than:

100

7030 mC fff

+=

(3.16)

+ Xác định hệ số A:

C

m

f

fA =

(3.17)

+ Xác định hệ số C:

+=

MmMc

McC% (3.18)

+ Xác định hệ số D:

+=

MmMc

MmD% (3.19)

Trong đó:

30, 70 – tỷ lệ thành phần (theo %) các loại đá cứng “c”, và đá mềm “m” có

trong địa tầng.

Mci – là chiều dày các lớp đá cứng.

Mmi – là chiều dày các lớp đá mềm.

ci – hệ số kiên cố của các lớp đá cứng.

mi – hệ số kiên cố của các lớp đá mềm.

hệ số kiên cố của địa tầng, ci = nén/100, mi = nén/100.

A là hệ số xác định tỷ lệ gữa độ cứng đất đá mềm và đất đá cứng.

C là hệ số (%) của tổng đất đá cứng trên tổng chiều dày địa tầng.

D là hệ số (%) của tổng đất đá mềm trên tổng chiều dày địa tầng.

Mc là tổng chiều dày đá cứng trong địa tầng.

Mm là tổng chiều dày đá mềm trong địa tầng.

57

b. Lựa chọn nhóm mỏ theo hệ số kiên cố địa tầng f.

Nếu 5,0=Cf

fmA thì nhóm mỏ được chọn theo bảng 3.1. Nếu A 0,5 thì phải

tính đến tỷ lệ thành phần các loại đá cứng (C) có trong địa tầng: nếu C 30% thì

nhóm mỏ chọn theo hệ số kiên cố f; nếu C 30% thì nhóm mỏ chọn tăng lên 1

nhóm. Trong đó C xác định theo công thức 3.18 [23]

Góc phụ thuộc vào nhóm mỏ và xác định theo bảng 3.1 và góc = .

Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá

Hệ số kiên cố đất đá f

TB (độ) Nhóm mỏ

Trung bình Khoảng dao chuyển

0,1 0,1 - 0,3 45 I

0,5 0,3 – 0,7 55 II

1,0 0,8 – 1,2 60 III

1,5 1,3 – 2,0 65 IV

2,5 2,1 – 3,5 70 V

4,0 3,6 – 4,5 75 VI

5,0 4,6 – 6,0 80 VII

8,0 6,1 – 12,0 85 VIII

Góc được xác định theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa , thể hiện bảng 3.2 hoặc

bảng 3.3. Các mỏ thuộc nhóm VII và VIII, trong trường hợp có tổng chiều dày các

lớp cát kết, đá vôi lớn hơn 50% (C 50%) độ sâu khai thác trung bình, đồng thời

chiều dày của các lớp đá cát kết, đá vôi 30m thì góc dịch chuyển xác định theo

bảng 3.4. Góc 1 phụ thuộc vào nhóm mỏ, chiều dày, góc dốc của vỉa xác định theo

bảng 3.3.

58

Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa

Nhóm mỏ

Góc dốc vỉa (độ)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90

II 55 51 47 44 42 40 39 38 37 37 35 34 33 32 32 30 30

III 60 56 52 49 46 44 42 40 38 37 36 35 34 33 32 30 30

IV 65 60 56 53 50 48 46 42 40 38 36 34 33 33 32 30 30

V 70 65 61 58 54 51 48 46 43 40 38 36 33 31 30 30 30

VI 75 70 66 62 58 54 50 48 46 42 38 34 31 30 30 30 35

VII 80 75 70 66 62 58 53 49 46 42 38 34 30 30 30 30 35

VIII 85 80 75 70 65 61 57 52 47 42 38 34 30 30 30 30 35

Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ

Nhóm mỏ Chiều dày vỉa

(m)


50 55 60 65 70 75 80 85 90

II-V

< 4 45 45 45 40 40 40 40 30

4 45 35 35 35 35 35 35 35 30

VI

< 4 - - 55 55 55 55 50 40 35

4 - 50 50 47 47 45 40 35 35

VII

< 4 - - 55 55 50 45 45 40 35

4 - - 50 45 45 40 40 35 35

VIII

< 4 - - - 60 55 50 45 40 35

4 - - - 55 50 45 35 35 35

59

Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển , C> 50% theo nhóm mỏ

Nhóm mỏ


0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 80 90

VII 80 75 71 67 63 60 57 54 52 49 47 44 40 37 35 35 40

VIII 85 80 76 72 68 64 61 58 55 52 49 46 43 40 40 40 40

Góc dịch chuyển trong lớp đất phủ () xác định theo bảng 3.5 cho các mỏ thuộc

nhóm III - VIII. Các nhóm mỏ I, II góc = 450 lấy bằng góc dịch chuyển trong các

lớp đá gốc.

Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển trong lớp đất phủ

Chiều dày lớp đất phủ

h (mét)

Tình trạng lớp đất phủ

Khô ráo Ngậm nước

< 40 50 45

40-60 55 50

> 60 60 55

- Góc giới hạn o, o, o đối với vùng chưa khai thác được xác định trong bảng

3.6, 3.7.

Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ)

Nhóm khoáng

sàng I II III IV V VI VII VII

o, o 40 45 50 55 60 65 70 75

60

Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ)

0

Góc gốc vỉa (độ)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

45 45 41 38 36 34 32 32 31 31 30

50 50 45 43 40 38 36 35 33 32 31

55 55 50 47 44 42 40 39 35 34 32

60 60 55 32 49 46 43 41 39 37 34

- Góc lún cực đại xác định theo công thức:

= 90 – K1 (3.20)

- Giá trị K1 xác định theo bảng 3.8 tuỳ thuộc vào nhóm khoàng sàng và tỷ số

tổng chiều dày đất phủ h và lớp hm (mêzodoi) với chiều sâu khai thác trung bình H.

Bảng 3.8: Xác định hệ số K1

Nhóm

khoáng

sàng

(h + hm)/ H

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.9 và

lớn

hơn

I – II 0.68 0.61 0.54 0.47 0.40 0.34 0.27 0.20 0.14 0

III – IV 0.72 0.65 0.58 0.50 0.43 0.36 0.29 0.22 0.14 0

V 0.78 0.71 0.63 0.55 0.47 0.39 0.31 0.24 0.16 0

- Góc dịch chuyển hoàn toàn xác định như sau:

+ Góc dịch chuyển theo phương phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và chiều sâu

khai thác trung bình của lò chợ, xác định theo bảng 3.9

61

Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ)

Nhóm

khoáng

sang

H (mét)

Đến 100 101 – 200 201 – 400 401 – 600 601 – 800 801 – 900 Lớn

hơn 900

I – II 64 64 65 65 65 65 65

III – IV 62 63 63 64 64 65 65

V 60 61 62 63 64 64 65

+ Xác định góc dịch chuyển hoàn toàn theo hướng dốc 1, 2 phụ thuộc vào

góc dịch chuyển hoàn toàn theo phương 3, góc lún cực đại và góc dốc vỉa . Và

thể hiện bảng 3.10

Bảng 3.10: Giá trị góc 1 ở tử số, 2 ở mẫu số (độ)

,

Độ

3 = 550 3 = 600 3 = 650

, Độ , Độ , Độ

40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70

90

–85

60

60

53

68

46

76

39

85

65

65

57

73

49

82

42

92

84

–75

36

78

60

60

53

68

46

76

39

85

65

65

57

74

50

83

42

93

74

–65

43

71

37

80

62

62

54

69

47

78

40

87

66

66

58

75

50

84

43

94

64

–55

52

66

45

74

38

83

63

63

56

72

48

80

41

90

68

68

60

77

52

86

44

96

54

–45

62

52

54

70

47

78

40

88

66

66

58

75

50

84

42

94

70

70

62

79

53

89

45

99

44

–35

66

66

58

74

50

83

70

70

61

79

53

88

73

73

64

83

56

92

34

–25

71

71

62

80

74

74

65

83

77

77

66

86

62

- Độ lún cực đại tương đối q0 phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng, độ sâu khai

thác trung bình, và tỷ số H

hh m5.0+, giá trị q0 thể hiện bảng 3.11

Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0

Nhóm

khoáng

sàng

H (mét) H

hh m5.0+

Nhỏ hơn

0,20

0,20 –

0,40

0,41 -

0,60

0,61 -

0,70

0,71 -

0,80

Lớn hơn

0,80

I

< 200

0.95 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95

II 0.85 0.95 0.95 0.95 0.95 0.95

III 85 85 90 90 0.95 0.95

IV – V 75 80 85 90 95 0.95

VI – VIII Đến 200 0.75 0.75 0.80 0.90 0.90 0.95

200 và lớn hơn 0.75 0.80 0.85 0.95 0.95 0.95

- Dịch chuyển ngang cực đại tương đối ao phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và

tỷ số H

hh m5.0+, giá trị của ao thể hiện bảng 3.12

Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0

Nhóm

khoáng sàng H

hh m5.0+

Nhỏ hơn 0,10 0,11 – 0,20 0,21 –0,30 0,31 –0,40 Lớn hơn 0,40

I 0.45 0.45 0.45 0.45 0.45

II 0.40 0.40 0.45 0.45 0.45

III 0.35 0.35 0.40 0.45 0.45

IV-V 0.30 0.35 0.40 0.45 0.45

VI – VII 0.30 0.30 0.35 40 0.45

VIII 0.30 0.30 0.30 35 40

Hệ số N1, N2 là tỷ số kích thước lò chợ theo đường phương và hướng dốc (D)

với chiều sâu khai thác trung bình H, được xác định theo bảng 3.13.

63

Bảng 3.13: Hệ số N1, N2

Nhóm

khoáng

sang

H

D

2

và

lớn

hơ

n

1,6 1,2 1,0 0,8 0,7 0,6 0.5 0.4 0.3 0.25 0.2

0.15

và

nhỏ

hơn

I – II 1 1 1 0.95 0.85 0.75 0.70 0.60 0.45 0.35 0.25 0.20 0.10

III – IV 1 1 1 0.95 0.80 0.75 0.65 0.55 0.45 0.30 0.25 0.15 0.10

V – VI 1 1 0.95 0.85 0.70 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.20 0.15 0.10

VII –

VIII 1 1 0.95 0.80 0.65 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.15 0.10 0.10

3.3.2. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển

Trị số các đại lượng dịch chuyển được xác định theo các công thức sau [2]:

- Trị số độ lún

ƞ = H (i-1) – H (i) (3.21)

- Trị số độ nghiêng

𝑖 =𝜂 𝑖 − 𝜂(𝑖−1)

𝑙𝑡𝑏

(3.22)

- Trị số độ cong khúc độ K

(3.23)

- Trị số biến dạng ngang

(3.24)

- Trị số dịch chuyển ngang:

+ Trị số dịch chuyển theo trục x

l

ddε 12 −

=

tb

1ii

l

iiK −−

=

64

x = Xi-1 – Xi (3.25)

+ Tị số dịch chuyển theo trục y

y = Yi-1 – Yi (3.26)

+ Trị số dịch chuyển ngang

(3.27)

- Véc tơ dịch chuyển:

+ Trị số

(3.28)

+ Phương dịch chuyển: được xác định theo các trị số x và y

Trong đó:

- Hi-1, Hi – độ cao các mốc quan trắc tương ứng với lần quan trắc trước và tiếp

sau đó

- i, i-1 – các đại lượng lún trước (theo hướng tính) và sau của một đoạn (đoạn

giữa hia mốc gần nhau).

- l : chiều dài của đoạn

- ii, ii-1 – giá trị độ nghiêng của đoạn sau và đoạn trước

- ltb – trung bình cộng của các đoạn sau và trước:

- d1, d2 - hình chiếu bằng của chính đoạn ấy của 2 lần đo trước và sau

Đơn vị của các đại lượng và thể hiện là mét và milimét, K là 1/m; i và

không thứ nguyên, mặc dù trong thực tế vẫn thể hiện mm/m

Véctơ dịch chuyển, góc nghiên của chúng và phương vị tính theo thành phần

của những vectơ ấy (- là thành phần thẳng đứng, - là thành phần nằm ngang)

Xử lý các kết quả đo đạc thực địa khu vực Quảng Ninh

22 σyσxξ +=

22 ηξb +=

)2

lll ( 1ii

tb−−

=

65

a. Mỏ than Mạo Khê

Trên cơ sở các số liệu đo đạc ngoài thực địa từ năm 2004 đến 2005 và sau 3 lần

quan trắc, xác định độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang, dịch chuyển

ngang, các đại lượng dịch chuyển thể hiện bảng 3.14 [7]

Bảng 3.14: So sánh kết quả đo đạc và ước tính

Độ cứng địa

tầng khu vực

f = 6.9

Góc dốc vỉa

=250- 270

Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được

Tên góc Độ Tên góc Độ

0 70 0 Chưa

0 70 0 60

0 43 0 63

80 Chưa

80 67

58 65

” 85 ” Chưa

” 85 ” 75

” 62 ” 72

0 45 0 45

1 50 1 Chưa

2 58 2 Chưa

3 52 3 Chưa

60 82

q0 07 q0 Chưa

a0 03 a0 Chưa

Ƞmax 1080 (m)

66

b. Mỏ than Mông Dương

Trên cơ sở các số liệu đo đạc ngoài thực địa từ năm 2005 đến năm 2007 và sau 7

lần quan trắc, xác định độ lún, độ nghiêng, độ cong, biến dạng ngang, dịch chuyển

ngang, các đại lượng dịch chuyển và các thông số dịch chuyển thể hiện bảng 3.15 [7]

Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và ước tính

Độ cứng

địa tầng

khu vực

f = 4.7

Góc dốc

vỉa

=400

Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được

Tên góc Độ Tên góc Độ

0 65 0 65

0 65 0 65

0 39 0 36

75 75

75 75

46 43

” 80 ” 80

” 80 ” 80

” 55 ” 52

0 45 0 đất phủ mỏng 2m

1 52 1 Chưa

2 56 2 Chưa

3 57 3 54

60 57

q0 0.7 q0 Chưa

a0 03 a0 Chưa

Hs 100 Hs 100

Độ lún Ƞmax 2432 (m)

Thời gian

dịch

chuyển

Hcp=100-

150

Tốc độ lò

chợ từ 15-

20m/ tháng

Thời gian bắt đầu dịch

chuyển lên mặt đất

3-4

tháng

Thời gian bắt đầu

dịch chuyển lên mặt

đất

3-4 tháng

Thời gian dịch chuyển

nguy hiểm

4-6

tháng

Thời gian dịch

chuyển nguy hiểm

5-7 tháng

Thời gian dịch chuyển

cực mạnh

4-6

tháng

Thời gian dịch

chuyển cực mạnh

4 tháng

Thời gian chung quá

trình dịch chuyển

13

tháng

Thời gian chung

quá trình dịch

chuyển

13-16 tháng

67

3.4 Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh

Bán bồn dịch chuyển thực tế được phân chia ra làm 10 phần, tại mỗi điểm đã

chia, cần tính các giá trị độ lún i, độ nghiêng ii, độ cong ki. Dịch chuyển ngang i

và biến dạng ngang i. Hàm số phân bố độ lún, độ nghiêng, độ cong, dịch chuyển

ngang và biến dạng ngang được xác định như các đạo hàm tương ứng sau [23]:

𝑆 𝑍 =ƞ𝑖

ƞ𝑚, 𝑆′ 𝑍 =

𝑖𝑖ƞ𝑚

𝐿

, 𝑆′′ 𝑍 =𝑘𝑖

ƞ𝑚

𝐿2

L

azF

azF

m

i

m

i

0

'

05,0

)(;5,0

)( == (3.29)

Các hàm số trên được sử dụng để dự báo dịch chuyển và biến dạng từ các lò

đang thiết kế. Trên cơ sở nghiên cứu, tổng hợp các số liệu quan trắc thực địa ở các

mỏ than Mạo Khê, Nam Mẫu, Hà Lầm, Mông Dương, xác định các hàm đường

cong tiêu chuẩn, các kết quả tính toán thể hiện dạng bảng. Với các hàm xác định

được trong điều kiện khai thác ở Việt Nam hiện nay, chỉ cho ta áp dụng với N≤ 0.7.

Vùng Uông Bí các hàm đường cong tiêu chuẩn thể hiện bảng 3.16, vùng Cẩm Phả

thể hiện bảng 3.17

Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn

STT S(z) S’(z) S” (z) F(z) F’ (z)

0 -1,00 0,12 3,19 4,59 -2,40

1 -0,90 0,88 -0,68 4,29 6,87

2 -0,76 0,06 1,70 3,47 0,83

3 -0,51 2,39 -9,83 2,55 6,80

4 -0,30 0,33 14,08 2,71 5,53

5 -0,20 0,88 2,08 1,91 2,54

6 -0,13 0,59 2,64 1,14 1,78

7 -0,09 0,42 0,74 0,97 0,61

8 -0,06 0,19 1,11 0,80 0,61

9 -0,04 0,78 -6,33 0,89 0,86

10 0,00 0,04 1,40 0,02 -0,12

68

Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn

STT S(z) S’(z) S” (z) F(z) F’ (z)

0 -1,00 3,11 -62,69 6,75 -14,34

1 -0,61 4,10 -15,80 4,15 -13,28

2 -0,37 2,78 25,53 2,92 -12,96

3 -0,27 0,89 24,87 1,69 -13,53

4 -0,23 0,06 -21,68 1,60 -5,01

5 -0,22 -0,05 6,57 1,95 -2,63

6 -0,20 0,15 14,17 2,17 -0,11

7 -0,19 0,16 -0,59 1,90 -6,67

8 -0,14 -0,01 1,35 1,26 5,88

9 -0,08 0,54 -1,61 0,65 2,41

10 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00


1. Các phương pháp được áp dụng tính toán xác định các thông số dịch chuyển

biến dạng và các hàm đường cong chuẩn là tin cậy và đã được ứng dụng phổ biến ở

nhiều nước trên thế giới. Do vậy, từ các kết quả trên đã xác định kích thước hình

học của mô hình địa cơ, góc dịch chuyển của mô hình, xác định độ lún cực đại một

mặt cho phép dự báo dịch chuyển biến dạng đá mỏ cho Việt Nam, mặt khác xác lập

điều kiện biên cho mô hình địa cơ.

2. Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa của mỏ than Mạo Khê,

Mông Dương đã xác định được các hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), S’(z), S”(z)

F(z), F’(z) phù hợp với các điều kiện địa chất - khai thác của bể than Quảng Ninh để

phục vụ cho công tác tính toán dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt

mỏ nhằm bảo vệ các công trình và đảm bảo an toàn quá trình khai thác than hầm lò.

69

CHƯƠNG 4

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

Để tính toán, xây dựng mô hình biến động địa cơ hoặc thiết kế các công trình

ngầm và công tác khai thác mỏ, cần thiết phải có các chỉ tiêu tính chất cơ lý cho

khối đá. Tuy nhiên, trong thực tế có rất nhiều phương pháp để xác định các chỉ tiêu

đó, có một số phương pháp điển hình và hay áp dụng ở các vùng khác nhau như:

phương pháp phân loại khối đá theo RMR, phương pháp hệ số giảm bền do cấu trúc

khối đá của Nga và phương pháp tính do Hoek và Brown đề xuất, liên quan với tiêu

chuẩn bền của Hoek - Brown cho đá và khối đá và có chú ý đến các chỉ số GSI

(Geological Strength Index - chỉ số độ bền địa chất), chỉ số D (Disturbance due to

blast damage - phá hoại do nổ mìn) [47].

Hiện nay, có nhiều biểu thức xác định các chỉ tiêu cơ học như: mô đun biến

dạng, độ bền nén, độ bền kéo cũng như góc ma sát, lực dính kết đã được xác định,

liên quan với các chỉ số RMR, GSI và D.

Sự xuất hiện của các phương pháp này thể hiện thành quả nghiên cứu khoa học

to lớn trong lĩnh vực Cơ học đá, Địa kỹ thuật trên thế giới, song cũng phản ảnh tính

phức tạp về biểu hiện cơ học của khối đá liên quan với các điều kiện địa chất cũng

như công nghệ.

Do các phương pháp xác định dựa theo các tiêu chí khác nhau, vì vậy cần thiết

phải phân tích, so sánh để có thể lựa chọn phương pháp “hợp lý”, cũng như phát

triển phương pháp trong điều kiện Việt Nam.

4.1 Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh

4.1.1. Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu

Bể than Quảng Ninh gồm ba khu vực [8]: Uông Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả với các

điều kiện địa chất khác nhau:

a) Vùng than Uông Bí gồm 2 đới chứa than: Bảo Đài và Mạo Khê. Hai đới này

ngăn cách nhau bởi đứt gãy Trung Lương.

70

- Dải Bảo Đài là một hướng tà lớn ở hai cánh chứa các vỉa than có giá trị công

nghiệp thuộc các khoáng sàng: Đồn Rì, Đồng Vông - Uông Thượng, Vàng Danh,

Cánh Gà, Than Thùng Yên Tử, Khe Chuối - Hồ Thiên.

- Dải Uông Bí kéo dài từ Phả Lại đến Đồng Đăng Đại Đán gồm khu Mỏ Mạo

Khê - Đông Triều - Phả Lại bao gồm các khoáng sàng: Mạo Khê, Tràng Bạch -

Đông Tràng Bạch, Quảng La.

Địa tầng chứa than của bể than Quảng Ninh nói chung và vùng than Uông Bí

nói riêng có tuổi Nori - Reti các nhà địa chất xếp địa tầng này vào điệp Hòn Gai

(T3n-rhg)

Đặc điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lò

đặc trưng khu vực Uông Bí đó là: Mạo Khê và Nam Mẫu

b) Vùng than Hòn Gai nằm ở trung tâm bể than Quảng Ninh kéo dài từ vịnh

Cuốc Bê (ở phía Tây) đến núi Khánh (ở phía Đông), với chiều dài gần 20km, bề

rộng từ 8-10km. Tổng diện tích chứa than gần 150 km2. Các khoáng sàng và mỏ

than trong khu vực Hòn Gai có các điều kiện về địa lý tự nhiên, địa lý kinh tế khá

thuận lợi cho việc phát triển công nghiệp khai thác và xuất khẩu than.

Cấu trúc địa chất cơ bản của bể than là một địa hào dạng bậc được phát sinh và

phát triển trong đới kiến trúc chồng Caledoni. Địa hào chứa than Quảng Ninh được

tạo bởi cơ chế kiến tạo hoạt hóa trên vỏ lục địa đã bắt đầu được cố kết.

Địa tầng chứa than có tuổi T3 (Nori-Reeti), bao gồm các thành tạo trầm tích

điệp Hòn Gai (T3n-rhg) với bề dày trên 2000m, trong đó phụ điệp Hòn Gai dưới dày

1500m và phụ điệp Hòn Gai trên mỏng hơn (dày từ 300-500m). Các trầm tích chứa

than điệp Hòn Gai nằm không khớp đều lên trên các thành tạo trầm tích thuộc phức

hệ uốn nếp mỏng Caledoni và Epi caledoni. Các vỉa than có giá trị công nghiệp

trong các khoáng sang than khu vực Hòn Gai nói riêng và bể than Quảng Ninh nói

chung, phân bố chủ yếu trong tướng lục địa.


đặc trưng khu vực Hòn Gai đó là: Hà Lầm và Hà Tu

71

c) Vùng than Cẩm Phả nằm ở phía Đông bể than Quảng Ninh kéo dài từ sông

Diễn Vọng (ở phía Tây) đến đảo Cái Bầu (ở phía Đông), với chiều dài trên 25 km,

bề rộng từ 6 đến 8km. Tổng diện tích chứa than trên 120km2. Khu vực Cẩm Phả có

mức độ tập trung tài nguyên cao nhất bể than Quảng Ninh và cả nước. Các khoáng

sàng và mỏ than trong khu vực Cẩm Phả có các điều kiện về địa lý tự nhiên, địa lý

kinh tế rất thuận lợi cho việc phát triển công nghiệp khai thác và xuất khẩu than.

Cấu trúc địa chất cơ bản của vùng than Cẩm Phả là một địa hào dạng bậc được

phát sinh và phát triển trong đới kiến trúc chồng Caledoni. Địa hào chứa than Cẩm

Phả được tạo bởi cơ chế kiến tạo hoạt hóa trên vỏ lục địa đã bắt đầu được cố kết

Địa tầng chứa than có tuổi T3 (Nori- Rêti), bao gồm các thành tạo trầm tích điệp

Hòn Gai (T3n - rhg) với bề dày trên 2000 mét, trong đó phụ điệp Hòn Gai dưới dày

1500m và phụ điệp Hòn Gai trên mỏng hơn (dày từ 300-500m).


đặc trưng khu vực Hòn Gai đó là: Mông Dương và Khe Chàm

Từ các kết quả nghiên cứu trên cho thấy điều kiện địa chất phức tạp trong khai

thác than ở các mỏ than hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh điển hình là do các uốn

nếp và đứt gãy kiến tạo. Các yếu tố trên có ảnh hưởng lớn đến mức độ biến dạng tập

trung, tăng cường làm thay đổi kích thước và các bán bồn dịch chuyển. Trong

khuôn khổ của luận án này đối tượng chính tập chung nghiên cứu mỏ Mạo Khê,

Nam Mẫu và Mông Dương.

Kết quả thí nghiệm các mẫu đá bằng phương pháp nén đơn trục tại vùng bể

than Quảng Ninh được ghi ở bảng 4.1 [8]

Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá

STT Loại đá Độ bền nén σ (MPa) Ghi chú

1 Cát kết 114

2 Bột kết 42

3 Sét kết 31

4 Than 17.1

72

Ở Việt Nam, Nguyễn Quang Phích và nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành xây

dựng các mô hình cho khối đá bằng mô hình địa cơ. Nguyễn Quang Phích đã tiến

hành thu thập các thông số cơ học từ các nguồn dữ liệu khác nhau và rút ra nhận

xét: “các phương pháp xác định tham số cơ học cho khối đá phục vụ công tác thiết

kế, tính dịch chuyển biến dạng đất đá và mô phỏng hiện tại trên thế giới không có

quan điểm thống nhất, tính theo các phương pháp khác nhau cho các kết quả khác

xa nhau, thậm chí theo các qui luật trái ngược nhau. Với những đặc trưng nứt nẻ của

khối đá, Ông cho rằng do các điều kiện nghiên cứu và những quan niệm không

thống nhất nên tồn tại phương pháp khác nhau và luôn được hoàn chỉnh [16].

4.1.2. Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh

Theo kết quả nghiên của của chuyên gia Ngô Văn Sỹ và nhóm nghiên cứu đề

tài [17], các lớp đá điển hình ở Quảng Ninh với các đặc điểm địa chất, cơ học được

phân loại theo RQD, RMR và Q như trên bảng 4.2

Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh

Loại đá Chiều

dày

phân

lớp

(cm)

Độ bền nén đơn trục

mẫu đá (MPa)

Hệ

số

kiên

cố f

Chất lượng khối đá (lớp đá) Nhóm

khối

đá

theo

RMR

max min Trung

bình

RQD RMR Q

max min max min max min

Sạn kết 30-50 164.0 70.0 153.9 15 76 55 70 48 3-4 1,52 III-II

Cát kết 18-55 125,9 99,6 114,2 11 75 58 68 47 3,35 1,72 III-II

Bột kết 11-35 100,0 38,1 85,0 8 55 43 49 38 1,46 0,84 IV-III

Sét kết 2-3 18,5 11.0 17.1 2 38 12 29 11 0,15 0,09 V-IV

Trong bảng 4.3 liệt kê độ bền nén của các lớp đá cùng với nhóm khối đá, từ đó

cho phép xác định được các tham số cơ học cho khối đá (các lớp đá)

73

Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR

Loại đá Độ bến nén mẫu đá

Nđ (MPa)

Nhóm

khối đá

Lực dính kết

ckđ (MPa)

Góc ma

sát trong

kđ (độ)

Mô đun biến

dạng

Ekđ (GPa) min max tb

Sạn kết 164.0 70.0 153.9 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60

Cát kết 125,9 99,6 114,2 III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 5,6-20-22-60

Bột kết 100,0 38,1 85,0 IV-III 0,1-0,2-0,3 15-25-35 1,778-5,6-20

Sét kết 18,5 11.0 17.1 V-IV <0,1-0,1-0,2 <15-15-25 <1,778-5,6

Nhóm

khối

đá

Lực dính kết

ckđ

(MPa)

Góc ma sát

trong kđ

(độ)

Độ bền nén

Nkđ

(MPa)

Độ bền kéo

Kkđ

(MPa)

Mô đun biến

dạng E

(GPa)

III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 1,52-1,93 0,254-0,332 5,6-20-22-60

III-II 0,2-0,3-0,4 25-35-45 1,52-1,93 0,254-0,332 5,6-20-22-60

IV-III 0,1-0,2-0,3 15-25-35 0,261-1,52 0,153-0,313 1,778-5,6-20

V-IV <0,1-0,1-0,2 <15-15-25 <0,261-0,628 <0,153-0,254 <1,778-5,6

Nhóm

khối

đá

Lực dính kết

ckđ

(MPa)

Góc ma sát

trong kđ

(độ)

Độ bền nén

Nkđ

(MPa)

Độ bền kéo

Kkđ

(MPa)

Mô đun biến

dạng E

(GPa)

II 0,3-0,4 35-45 1,52-1,93 0,254-0,332 22-60

III 0,2-0,3 25-35 1,52-1,93 0,254-0,332 5,6-20-22

IV 0,1-0,2 15-25 0,261-1,52 0,153-0,313 1,778-5,6

V <0,1 <15 <0,261-0,628 <0,153-0,254 <1,778

Tổng hợp một số điều kiện địa cơ học các khối đá vùng Quảng Ninh, thông qua

các kết quả nghiên cứu của Viện khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin cho thấy các

tham số cơ học điều kiện địa chất (mức độ nứt nẻ của khối đá) khá phân tán, do vậy

mức độ ổn định đánh giá qua các chỉ số RQD và RMR cũng biến động, thể hiện trên

bảng 4.4.

Từ các dữ liệu đó cho thấy mức độ phân tán mạnh về độ ổn định của khối đá.

Cũng vì vậy khi phân tích tai biến địa chất kỹ thuật cho một trường hợp nào đó, cần

74

thiết phải tiến hành phân tích tham số, trên cơ sở các tài liệu đánh giá từ kết quả

khảo sát, thăm dò và kết quả cập nhật thực tế khi thi công.

Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò

ở các mỏ than Quảng Ninh

Loại

đá

Mật độ

đ

(g/cm3

Nđ

(MPa)

Kđ

(MPa)

cđ

(MPa) đ

(độ)

Eđ

(GPa)

Số

khn/

m

RQD RMR

Cuội

kết

2,54-2,60 78,8-

92,5

6,56-

11,20

7,6-15,5 25-33 11,2-19,0 2-6 75-85 55-78

2,58-2,60 68,5-

93,2

5,32-

9,40

5,6-12,2 26-32 8,2-9,7 5-12 40-55 35-42

2,56-2,62 78,7-

93,5

6,56-

11,20

7,7-15,6 25-33 11,2-19,0 2-5 70-80 60-75

2,59-2,62 82,2-

97,8

5,89-

9,72

9,0-11,7 29-33 4,0-6,0 2-3 62-85 55-70

2,58-2,61 77,7-

112,6

6,78-

10,5

22,2-

38,6

28-30 9,9-20 2-5 55-85 60-78

2,60-2,61 82,3-

106,8

6,65-

8,89

14,5-

31,5

28-32 9,8-19,8 3-7 60-85 50-70

2,60-2,63 63,8-

93,3

5,79-

9,32

12,1-

32,6

29-32 11,2-15,4 11-

15

30-45 25-58

2,58-2,62 78,9-

98,9

7,34-

11,3

8,8-22,2 30-33 11,2-20,1 3-6 68-82 50-75

Cát

kết

2,59-2,59 82,2-

108,9

5,20-

7,36

9,6-23,4 27-31 7,0-8,3 4-6 60-75 55-70

2,58-2,62 67,3-

83,2

5,54-

7,46

13,7-

14,3

26-32 6,7-7,9 3-7 65-80 46-75

Bột kết 2,58-2,60 41,6-

54,5

4,61-

5,45

8-12,7 25-29 4.2-6.8 7-9 35-45 30-60

2,57-2,59 37,4-

46,5

3,23-

3,98

5,3-8,9 26-30 3,7-6,0 13-

16

30-45 20-35

2,57-2,62 52,5-

64,8

4,25-

6,13

6,2-29,1 26-30 3,8-6,2 5-10 55-70 40-65

75

2,60-2,61 43,7-

56,2

3,55-

6,12

7,2-8,12 27-31 4,2-5,3 16-

20

30-50 24-30

2,59-2,63 41,6-

46,0

3,68-

5,97

8,2-10,5 27-32 5,3-6,0 5-13 55=65 38-68

2,60-2,63 43,0-

55,5

4,26-

6,67

8,6-14,5 25-32 4,8-7,3 4-8 65-80 55-65

2,60-2,61 37,2-

45,6

3,91-

5,72

5,7-12,2 26-30 3,9-7,2 12-

16

30-45 25-45

Sét kết 2,56-2,59 32,2-

51,2

3,57-

5,23

6,1-9,3 26-30 3,7-7,2 9-14 35-40 20-45

2,59-2,65 31,2-

55,5

4,21-

6,32

7,1-8,3 27-32 3,4-6,5 14-

18

25-50 20-40

2,58-2,62 42,1-

61,2

5,32-

9,12

6,8-11,1 29-30 5,3-7,6 12-

16

25-45 15-45

Xây dựng mô hình cơ học cho khối đá hiện tại vẫn được các nhà khoa học trên

thế giới quan tâm. Tuy nhiên do đặc điểm phức tạp của khối đá, do các điều kiện

nghiên cứu, cách tiếp cận có những quan niệm không thống nhất, nên tồn tại

phương pháp khác nhau và luôn được hoàn chỉnh.

Kết quả cho thấy, với các loại đá trầm tích vùng Quảng Ninh có độ bền nén

trong khoảng 20 đến 160 MPa, thì độ bền nén của các lớp đá giảm từ 2,5 ÷ 2,85 lần

khi các lớp chỉ có các khe nứt vuông góc với các mặt lớp, còn giảm từ 4 ÷5 lần, khi

có các hệ khe nứt vuông góc và xiên chéo với các lớp.

Riêng với các vỉa than với độ bền nén từ các mẫu thí nghiệm thường trong vòng

20MPa, thì độ bền nén của vỉa giảm 3,33 lần khi than có cấu tạo tốt với các hệ khe

nứt vuông góc và xiên chéo; còn sẽ giảm đến 10 lần khi ở trạng thái rời.

4.1.3. Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rocdata

Để tính mô đun đàn hồi E theo Rocdata, cần có thông số đầu vào như độ bền

nén một trục (σ), chỉ số bền địa chất (GSI), chỉ số phá hoại do nổ mìn (D) của bể

than Quảng Ninh, các chỉ số GSI, D lấy theo kinh nghiệm của chuyên gia Ngô Văn

76

Sỹ. Các số liệu đầu vào ghi bảng 4.5, kết quả tính mô đun đàn hồi E thể hiện bảng

4.6

Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào của RocData

STT Loại đá Độ bền nén σ

MPa

Chỉ số bền

địa chất GSI

Chỉ số phá hoại

do nổ mìn (D)

Hằng số vật

liệu (mi)

1 Cát kết 114 45 0.8 17

2 Bột kết 42 37 0.8 7

3 Sét kết 31 11 0.8 4

4 Than 17.1 8 0.8 4

Kết quả xác định mô đun đàn hồi E cho các loại đá cát kết, bột kết, sét kết,

than theo Rocdata thể hiện trên hình 4.1, 4.2, 4.3, 4.4.

Hình 4.1: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá cát kết

77

Hình 4.2: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá bột kết

Hình 4.3: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá sét kết

78

Hình 4.4: Xác định mô đun đàn hồi E cho than

Bảng 4.6: Kết quả tính mô đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown

TT Loại

đá

Độ bền nén

σ (MPa)

Chỉ số bền

địa chất (GSI)

Chỉ số phá hoại

do nổ mìn (D)

Hằng số vật

liệu (mi)

Mô đun đàn

hồi E (MPa)

1 Cát kết 114 45 0.8 17 2115

2 Bột kết 42 37 0.8 7 691.36

3 Sét kết 31 11 0.8 4 244.03

4 Than 17.1 8 0.8 4 93.01

4.2 Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất

4.2.1. Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada)

RS2 (Phase2) là phần mềm phần tử hữu hạn 2 chiều dùng để giải quyết các bài

toán trong đất và đá. RS2 có thể giải quyết hầu hết các vấn đề địa kỹ thuật như đào

hố móng sâu, đào hầm, ổn định mái dốc, dòng thấm trong công trình và đất đá, dịch

chuyển bề mặt theo thời gian, tính toán bài toán động (do máy hoặc động đất) và

RS2 cũng hỗ trợ tình toán rủi ro trong công trình địa kỹ thuật.

Chương trình hỗ trợ cho việc mô phỏng theo từng giai đoạn thi công, hỗ trợ mô

phỏng các kết cấu chống đỡ một cách dễ dàng và nhanh chóng. Các kết cấu thường

gặp trong thi công hầm ngầm (neo, vỏ hầm, …), hầm gian máy thuộc nhà máy thủy

điện, đường lò, mái dốc, kè, tường chắn đất đều được hỗ trợ trong chương trình.

RS2 hỗ trợ hầu hết các dạng dạng kết cầu chống đỡ phổ biến hiện nay như vỏ

79

hầm phun bê tông, vòm hầm bằng thép, tường chắn đất, cọc, vỏ hầm thi công theo

từng giai đoạn, vải địa kỹ thuật. Chương trình cũng hỗ trợ thiết kế vỏ hầm bao gồm

biểu đồ bao sức chịu tải của vỏ hầm, giúp xác định hệ số an toàn của kết cấu vỏ

hầm. Các loại neo bao gồm neo, neo đất, neo đá, neo vữa...

Một trong những tính năng mạnh khác của RS2 là khả năng tính toán ổn định

mái dốc bằng phương giản dần sức chống cắt của đất. Chức năng này được tự động

hóa hoàn toàn và có thể sử dụng với nhiều loại mô hình đất. Mái dốc có thể xuất ra

và nhập vào từ chương trình Slide giúp cho việc so sánh giữa 2 phương pháp cân

bằng tới hạn và phần tử hữu hạn được tiến hành dễ dàng và nhanh chóng.

Tính toán dòng thấm trong RS2 được tích hợp trực tiếp vào RS2 mà không cần

phải thêm bất cứ mô đun nào. Áp lực nước lỗ rỗng, dòng chảy và độ dốc thủy lực sẽ

được tính toán và sẽ được tự động kể đến khi tính toán ứng suất.

Các mô hình đất và đá tiên tiến nhất hiện nay cũng được hỗ trợ trong RS2 ví dụ

như mô hình Morh Coulomb, Generalize Hoek-Brown, Cam Clay, đẳng hướng một

mặt phẳng. Kết cấu hệ khe nứt trong đá có thể mô phỏng bằng 2 phương pháp: sử

dụng mô hình đất đá có kể đến vết nứt hoặc tiến hành mô phỏng lưới khe nứt bằng

khả năng đồ họa mạnh của chương trình. RS2 cũng sử dụng bộ vi xử lý 64bit và

tính toán song song giúp cho tốc độ tính toán được tăng lên rất nhiều [19].

4.2.2. Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán

Sau khi xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá bể than Quảng Ninh, tiến

hành xây dựng các mô hình địa cơ để tìm điều kiện biên sát với thực tế nhất. Các

kết quả tính toán trên mô hình xác định độ lún cực đại, biến dạng ngang, biến dạng

cong, độ nghiêng ….vv. Các đại lượng về góc, từ đó xác định mối tương quan giữa

độ lún và mô đun đàn hồi E. Để xác định mối tương quan giữa độ lún cực đại và mô

đun đàn hồi xác định từ Rocdata, luận án đưa ra 6 mô hình trong đó có một mô hình

xác định tương quan giữa độ lún với mô đun đàn hồi tính được từ Rockdata và 5 mô

hình với hệ số đàn hồi thay đổi 70%, 50%, 125%, 30%, 10%. Trong phần này, luận

án sử dụng phần mềm Rocscience 2.0 xác định độ lún cho các trường hợp cụ thể:

TH1: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E

= 2115 MPa, bột kết có E = 691.36 MPa, sét kết có E = 244.03 MPa tính được từ

Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi

80

TH2: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có

E=1480.5 MPa, bột kết có E = 483.95 MPa, sét kết có E = 170.82 MPa bằng 70%

hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi








E=634.5 MPa, bột kết có E = 207.41 MPa, sét kết có E = 73.21 MPa bằng 30% hệ

số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi


E=211.50 MPa, bột kết có E = 69.14 MPa, sét kết có E = 24.24 MPa bằng 10% hệ

số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi.

4.2.3. Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ

Từ bảng 4.7 rút ra nhận xét mô đun đàn hồi càng lớn độ lún càng giảm, như vậy

có mối quan hệ tương quan rất chặt chẽ

Kết quả xác định độ lún cho các trường hợp thể hiện hình 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9,

4.10…, 4.16. Giá trị định độ lún cực đại và mô đun đàn hồi thể hiện ở bảng 4.7

Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi

TT Loại đá Giá trị Kết quả xác định độ lún cực đại và mô đun đàn hồi

TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6

1 Cát kết E (MPa) 2115.00 1480.50 1057.50 2643.75 634.50 211.50

2 Bột kết E (MPa) 691.36 483.95 345.68 864.20 207.41 69.14

3 Sét kết E (MPa) 244.03 170.82 122.02 305.04 73.21 24.40

4 Than E (MPa) 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01 93.01

5 Ƞ(m) 1.906 1.500 1.918 0.944 2.658 5.095

81

Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 1

Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 1

82



83



84



85



86



Với các loại đá tự nhiên hệ số poisson dao động từ 0.1 đến 0.3, do đó ngoài sáu

mô hình địa cơ, luận án đưa ra đưa ra hai mô hình địa cơ với hệ số poisson thay đổi

là 0.1 và 0.3 hệ số đàn hồi giữ nguyên giá trị tính được từ Rockdata. Kết quả nhận

được giá trị độ lún thay đổi không đáng kể so với giá trị poisson lấy bằng 0.2

87

4.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi

4.3.1. Phương pháp phân tích thống kê

Quá trình phân tích tương quan gồm các công việc cụ thể sau:

- Phân tích định tính về bản chất của mối quan hệ, đồng thời dùng phương pháp

đồ thị để xác định tính chất và xu thế của mối quan hệ đó.

- Biểu hiện cụ thể mối quan hệ tương quan bằng phương trình hồi quy tuyến

tính hoặc phi tuyến tính và tính các tham số của các phương trình.

- Đánh giá mức độ chặt chẽ của mối quan hệ tương quan bằng các hệ số tương

quan hoặc tỉ số tương quan.

4.3.2. Phương pháp hồi quy tuyến tính

a) Khái niệm hồi quy

Phân tích hồi quy là nghiên cứu mối quan hệ phụ thuộc của một biến (gọi là

biến phụ thuộc) vào một hay nhiều biến khác (gọi là các biến độc lập) với ý tưởng

ước lượng hoặc dự đoán giá trị trung bình của biến phụ thuộc trên cơ sở các giá trị

biết trước (trong mẫu) của các biến độc lập.

Hồi quy còn có thể được hiểu là cách thức qui các điểm dữ liệu quan sát về một

đường lý thuyết đã biết phương trình biểu diễn để có thể dễ dàng tính toán (nội suy

hay ngoại suy) hay nói theo cách khác là dùng một đường lý thuyết để mô tả luật

biến thiên của các điểm dữ liệu quan sát, giúp nhìn thấy mối liên hệ giữa các biến

nghiên cứu diễn ra theo một quy luật nào đó.

Hồi quy tuyến tính là tuyến tính theo các hệ số hồi quy, do đó dạng của mối

quan hệ giữa hai biến có thể là tuyến tính và cũng có thể là phi tuyến nhưng hình

thức của các hệ số trong mô hình hồi quy tuyến tính luôn là tuyến tính.

b) Mô hình hồi quy tuyến tính đơn

Bản chất của mối quan hệ giữa hai biến số (X và Y) có thể được thể hiện ở

nhiều dạng, từ dạng đơn giản nhất là dạng đường thẳng có thể mô hình hóa bằng

phương trình tuyến tính bậc nhất cho đến những dạng đường cong có hàm số phức

tạp. Mối quan hệ đơn giản nhất giữa một biến phụ thuộc và một biến độc lập là mối

quan hệ tuyến tính, mô hình được xây dựng từ dữ liệu mẫu có dạng như sau:

88

Y= βo + β1*X + e (4.1)

Trong đó: - Xi là trị quan sát thứ i của biến độc lập

- Yi là trị quan sát thứ i của biến phụ thuộc

- βo là hệ số tung độ gốc (hệ số chặn)

- β1 là hệ số độ dốc (hệ số góc)

c) Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến

Bản chất của hồi quy đa biến là không chỉ có một biến mà có nhiều biến tham

gia để dự đoán giá trị của biến phụ thuộc.

Phương trình hồi quy đa biến tổng thể với k biến độc lập có dạng như sau:

Yi = βo + β1X1i + β2X2i + β3X3i + β4X4i +...+ βkXki + εi (4.2)

Trong đó:

βo là hệ số tung độ gốc

β1 là hệ số độ dốc của Y theo biến X1 giữ các biến X2, X3,..,Xk không đổi

β2 là hệ số độ dốc của Y theo biến X2 giữ các biến X1, X3,..,Xk không đổi

βk là hệ số độ dốc của Y theo biến Xk giữ các biến X1, X2, X3,..,Xk không đổi

εi là thành phần ngẫu nhiên

Như vậy điểm khác biệt cần chú ý trong mô hình hồi quy tuyến tính đơn biến,

hệ số độ dốc β1 mô tả thay đổi trong giá trị trung bình của Y trên mỗi đơn vị thay

đổi của X. Còn trong mô hình hồi quy tuyến tính đa biến thì hệ số độ dốc β1 thể

hiện thay đổi trong giá trị trung bình của Y trên mỗi đơn vị thay đổi của X1 không

kể đến ảnh hưởng của X2, X3,..., Xk vì thế β1 được gọi là hệ số hồi quy riêng phần.

Một trong những yêu cầu của mô hình hồi quy đa biến là các biến độc lập

không được có tương quan chặt chẽ với nhau. Nếu các biến có tương quan tuyến

tính chặt chẽ với nhau sẽ không thể xác định được ảnh hưởng riêng biệt của từng

biến độc lập lên biến phụ thuộc.

d) Quan hệ phi tuyến

Trong thực tế có rất nhiều tình huống quan hệ giữa Y và X không phải là tuyến

tính mà là một dạng đường cong nào đó. Một trong những kiểu quan hệ phi tuyến

89

phổ biến là mối liên hệ bậc 2 giữa hai biến, mối quan hệ này giữa X và Y có thể

được phân tích bằng mô hình hồi quy bậc 2 có công thức chung như sau:

Yi = βo + β1*Xi + β2*X2i + εi (4.3)

Trong đó:

βo là hệ số tung độ gốc

β1 là hệ số của ảnh hưởng tuyến tính của X lên Y

β2 là hệ số của ảnh hưởng bậc 2 của X lên Y

εi là thành phần sai số ngẫu nhiên tương ứng với mỗi quan sát

4.3.3. Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi

Như chúng ta đã biết, thống kê là bộ môn khoa học về dữ liệu. Dữ liệu có thể

được thu thập từ những nghiên cứu khoa học, nhưng cũng có thể bắt nguồn từ

những thí nghiệm tự nhiên. Do vậy, khoa học thống kê đóng vai trò quan trọng

không thể thiếu được trong việc hoán chuyển dữ liệu thành thông tin và tri thức. Để

chuyển đổi cơ sở dữ liệu đó, một phần mềm đã, đang và sẽ làm cuộc cách mạng

thông kê là R. Phần mềm R do hai nhà khoa học Ross Ihakha và Robert Gentleman,

sử dụng ngôn ngữ phân tích thống kê học và đồ thị, là ngôn ngữ máy tính đa năng,

có thể sử dụng cho nhiều mục tiêu khác nhau, từ tính toán đơn giản, tính toán ma

trận, đến các phân tích thống kê phức tạp [18].

Để đánh giá tầm quan trọng của các biến số ảnh hưởng với nhau, sử dụng ngôn

ngữ phân tích thông kê và đồ thị (phần mềm R) xác định biểu đồ tương quan và

phương trình của các biến độc lập

Cơ sở dữ liệu được lấy từ bảng 4.7, kết quả phân tích như sau:

Đối với đá cát kết, bột kết, sét kết ta có biểu đồ tương quan thể hiện hình 4.17,

4.18, 4.19

90

1

2

3

4

5

1000 2000

E

neta

Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết

1

2

3

4

5

250 500 750

E

neta

Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết

91

1

2

3

4

5

100 200 300

E

neta

Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá sét kết

Phương trình biểu thị mối tương quan giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi

của các loại đá:

ƞ= a+ EX+EX2+ EX3

Trên cơ sở đó xác định mối tương quan giữa đá cát kết với mô đun đàn hồi của

nó xác định được phương trình 4.4

Ƞ= 7.01 - 1.04.10-2. E + 6.50.10-6. (E)2- 1.30.10-9. (E)3 (4.4)

Đát bột kết xác định phương trình 4.5

Ƞ= 7.01 - 3.17.10-2. E + 6.08.10-5. (E)2 - 3.72.10-8. (E)3 (4.5)

Đát sét kết xác định phương trình 4.6

Ƞ= 7.01 - 8.99.10-2. E+ 4.88.10-4. (E)2 - 8.46.10-7. (E)3 (4.6)

Như vậy, giải các phương trình (4.4), (4.5), (4.6) xác định được mô đun đàn hồi

EC kết quả ghi ở bảng 4.8

Bảng 4.8: Kết quả tính mô đun đàn hồi các loại đá

TT Hệ số Cát kết Bột kết Sét kết Ghi chú

1 ER 2115 691.36 244.03

2 EC 2628.788 860.368 303.637

92

Từ kết quả của bảng 4.8 thấy rằng nếu sử dụng mô đun đàn hồi tính được trên

phần mềm Rocdata (ER) đưa vào mô hình địa cơ cho bất kỳ vùng nào thì ta có thể

dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt, xác định các thông số dịch chuyển từ đó có

cơ sở đưa ra giải pháp khai thác an toàn, hiệu quả. Trong quá trình xử lý số liệu Tuy

nhiên, khi sử dụng mô hình địa cơ cho bể than Quảng Ninh theo tác giả nghiên cứu

và xác định được hệ số phụ thuộc giảm bền theo công thức 4.7.

KC = EC/ER=1,24 (4.7)


1. Trên thế giới có nhiều mô hình địa cơ phân tích, dự báo dịch chuyển và

biến dạng bề mặt đất, phát triển ở các dạng khác nhau. Kết quả tổng hợp và phân

tích cho thấy, các mô hình đều có những tồn tại, hạn chế nhất định và thường mang

tính địa phương, liên quan với các điều kiện địa chất cụ thể của từng khu vực,

từng nước. Các mô hình địa cơ sử dụng phương pháp số có tính định lượng rất

cao. Độ chính xác các mô hình tùy thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố thí

nghiệm độ bền nén một trục rất quan trọng

2. Trong thực tế nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt đất do ảnh hưởng

của khai thác hầm lò, luận án sử dụng mô hình địa cơ với nguồn dữ liệu đầu của bể

than Quảng Ninh đã xác định được mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ với điều

kiện biên mô hình là độ lún cực đại đã xác định được do quan trắc thực địa, đã điều

chỉnh mô hình địa cơ về sát thực tế hơn. Tác giả xây dựng được mô hình địa cơ

phục vụ cho công tác phân tích, dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt có cơ sở

khoa học. Đối với mô hình địa cơ áp dụng cho bể than Quảng Ninh thì hệ số giảm

bền KC =1,24.

93

CHƯƠNG 5

ỨNG DỤNG MÔ 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

5.1 Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu

Mỏ than Nam Mẫu thuộc Tập đoàn Công nghiêp Than - Khoáng sản Việt Nam

có vị trí địa lý cách đường quốc lộ 18 vào khoảng 25 km, cách thị Xã Uông Bí về

phía tây khoảng 25 km. Phía tây cách chùa Yên Tử khoảng 4 km. Phía đông giáp

mỏ than Vàng Danh.

Là khu vực không có dân cư, có tiềm năng phát triển về các mặt kinh tế, xã hội,

hỗ trợ phát triển Lâm nghiệp như trồng rừng.

Hiện nay mỏ Nam Mẫu tập trung khai thác tập vỉa gồm vỉa 4, 5, 6, 7 trụ, 7, 8,

và vỉa 9. Mở vỉa theo phương pháp lò bằng kết hợp với lò bằng vào các vỉa vào giữa

ruộng than, lò dọc vỉa theo vỉa vào 2 cánh phân chia ruộng than thành từng khu vực

theo các hệ thống đứt gẫy. Sử dụng công nghệ khai thác cột dài theo phương, chống

lò bằng gỗ hoặc bằng giá thuỷ lực. Điều khiển đá vách bằng phá hoả toàn phần.

Than được vận tải từ lò chợ bằng hệ thống tự chảy hoặc máng trượt, tại các đường

lò đá vận tải bằng xe goòng. Mấy năm trước mỏ than Nam Mẫu khai thác lò chợ cơ

giới hóa cho vỉa 7 ở các mức khác nhau [24].

Khu vực nghiên cứu đặt trạm quan trắc dịch chuyển biến dạng đất đá và bề mặt

có các điểm toạ độ ghi ở bảng 5.1 [7].

Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc

Điểm X Y

A 40400 368900

B 40400 370300

C 39100 368900

D 39100 370300

94

Các điều kiện địa chất thế nằm vỉa 7 thể hiện bảng 5.2. Tuyến địa chất V đi qua

khu vực nghiên cứu thể hiện trên hình 5.1.

Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa 7

STT Các thông số của lò chợ Đơn vị Vỉa than

Vỉa 7

1 Mức khai thác m -80 -25

2 Chiều dày vỉa m 8

3 Góc dốc vỉa độ 30-45

4 Chiều dày đất phủ m 10

5 Chiều dài lò chợ theo hướng dốc m 110

6 Chiều dài lò chợ theo phương m 600

7 Chiều sâu trung bình của lò chợ m 380 - 400

Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V [24]

95

Mỏ than Nam Mẫu hiện tại đang khai thác tập vỉa 6, 7 trụ, 7, 8 và vỉa 9. Khu

vực khai thác thể hiện trên hình 5.2

Hình 5.2: Bản đồ khu vực khai thác mỏ than Nam Mẫu

5.2 Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ

hạ trần thu hồi than

Sơ đồ công nghệ này đề xuất áp dụng cho điều kiện vỉa dày, thoải đến nghiêng

thể hiện hình 5.3 [9]. Đặc điểm của công nghệ khai thác vỉa dày là tỷ lệ tổn thất than

sẽ tăng theo chiều dày lớp than hạ trần. Kinh nghiệm áp dụng công nghệ khai thác

hạ trần than nóc tại các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh những năm qua cho thấy công

nghệ này áp dụng phù hợp cho các vỉa có chiều dày dưới 10m.Và thực tế trong khai

thác vỉa dày bằng phương pháp hạ trần, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản

Việt Nam cũng quy định (theo Hướng dẫn thực hiện công tác phá hỏa ban đầu và

chia lớp khai thác lò chợ ban hành tại văn bản số 1617/QĐ-VINACOMIN ngày

96

20/7/2012) chiều dày lớp than hạ trần không lớn hơn 3 lần chiều cao khấu gương là

2,5m. Trên cơ sở đó, sơ đồ công nghệ cơ giới hóa chia lớp nghiêng được đề xuất để

áp dụng cho điều kiện vỉa dày, thoải đến nghiêng theo ba nhóm chiều dày như sau

[9]:

+ Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa cột dài theo phương, lò chợ khấu bám trụ hạ trần

thu hồi than nóc áp dụng cho điều kiện vỉa dày đến 10m thỏa mãn yêu cầu cơ giới

hóa (ký hiệu: CGH-HT). Theo sơ đồ công nghệ này, lò chợ được khấu bám trụ với

chiều cao khấu gương khoảng 2,5m, phần than còn lại được thu hồi qua các cửa

tháo của giàn chống. Giàn chống được sử dụng có thể là một trong hai loại (giàn thu

hồi một máng cào hoặc giàn thu hồi hai máng cào). Chiều dài lò chợ được đề xuất

nằm trong khoảng từ 80 ÷ 150m. Tùy thuộc vào điều kiện của từng khoáng sàng,

chiều dài lò chợ sẽ được lựa chọn phù hợp sao cho mức độ ổn định của vỉa than

trong phạm vi lò chợ là tốt nhất và mang tính phổ quát cho tất cả các khu vực vỉa

được huy động áp dụng công nghệ, đồng thời chiều dài lò chợ phải ổn định để tránh

phải đầu tư nhiều giàn chống dự phòng (làm tăng chi phí đầu tư, trong khi đó thiết

bị không được sử dụng hết hiệu suất gây lãng phí năng lực thiết bị). Chi tiết sơ đồ

công nghệ đề xuất xem hình 5.3.

+ Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác chia lớp nghiêng, lò chợ lớp vách khấu

bám vách, lò chợ trụ khấu bám trụ hạ trần thu hồi than lớp giữa cho miền chiều dày

vỉa từ 10 - 12m (ký hiệu: CGH-CLN-VBV-THT). Ngoài ra, tại các khu vực vỉa có

chiều dày như trên, đá vách thuộc loại khó sập đổ, sơ đồ này cũng có thể được áp

dụng để điều khiển cưỡng bức đá vách thông qua lò chợ vách, qua đó giảm tải và

nâng cao mức độ an toàn khi khấu hạ trần lò chợ trụ.

+ Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác chia lớp nghiêng, các lớp đều hạ trần

thu hồi than nóc áp dụng cho các khu vực vỉa dày trên 12m (ký hiệu: CGH-CLN-

HT). Theo sơ đồ này, theo chiều dày vỉa than được chia thành các lớp khấu, sao cho

mỗi lớp khấu có chiều dày trong phạm vi từ trên 6 ÷ 10m. Trình tự khai thác các lớp

từ lớp trên xuống lớp dưới theo hướng từ vách về trụ vỉa, tại các lớp đều tiến hành

thu hồi than nóc.

97

G¸nh t¨ng cêng cét TL§ + xµ thÐp

3800

3800

Cét TL§ + xµ thÐp

MÆt c¾t d - d

MÆt c¾t c - c

200

0

30

00

MÆt c¾t A - A

MÆt c¾t b - b

15001500

M¸y chuyÓn t¶i

Lß däc vØa vËn t¶i

Lß däc vØa th«ng giã

80.000 -:- 150.0001500

1500

G¸nh t¨ng cêng

cét TL§ + xµ thÐp

B

C

d

Dµn chèng

G¸nh t¨ng cêng

cét TL§ + xµ thÐp

M¸ng cµo sau

M¸ng cµo tríc

Lß däc vØa vËn t¶i

380

0

M¸y

chu

yÓn

t¶i

150

0

80

.00

0 -

:- 1

50.0

00

A

C

d

150

001

0000

Dµn chèng

10.000

1

0.0

00

A

B

700

700

700

700 700

150

0

380

0

700 700Lß däc vØa th«ng giã

100-:-200

2610

sö dông dµn thu håi kiÓu 01 m¸ng cµo

MÆt c¾t d - d

MÆt c¾t c - c

MÆt c¾t b - b

sö dông dµn thu håi kiÓu 02 m¸ng cµo

26501330 1330

250

250

1330

1330

26501330

26501330

2610

1

0.0

00

200

0

30

00

1

0.0

00

200

0

30

00

1

0.0

00

200

0

30

00

1

0.0

00

200

0

30

00

1

0.0

00

200

0

30

00

2610

Hình 5.3: Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương,

lò chợ trụ hạ trần thu hồi than nóc [9]

5.3 Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu

Trong quá trình thi công địa chất công trình ngoài việc lấy mẫu thí nghiệm tại

các tuyến V còn lấy thêm các lỗ khoan LK-24, LK-NM20, LK-NM51 tuyến VA,

LK-36, LK-38A, LK-82 tuyến VI, LK-CG16, LK-NM27, LK-CG17, LK-NM28

tuyến III cho thấy độ bền nén (σ) của cát kết dao động trong khoảng 99.6 ÷125.9

MPa lấy trung bình 114 MPa, bột kết dao động từ 30 ÷56.9 MPa lấy trrung bình 42

MPa, sét kết dao động từ 17.1 ÷ 42 MPa lấy trung bình 31 MPa và độ bền của than

17.1 MPa. Sử dụng chương trình Rockdata xác định mô đun đàn hồi (E), lực dích

kết (C) và góc nội ma sát trong (φ) ghi ở bảng 5.3

98

Bảng 5.3: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata

TT Loại

đá

Độ

bền

nén σ

(MPa)

Chỉ số

bền địa

chất

(GSI)

Chỉ số

phá hoại

do nổ

mìn (D)

Hằng

số vật

liệu

(mi)

Mô

đun

đàn hồi

E

(MPa)

Lực

dính

kết C

(MPa)

Góc nội

ma sát

trong φ

(độ)

1 Cát kết 114 45 0.8 17 2115 0.807 42.358

2 Bột kết 42 37 0.8 7 691.36 0.324 23.276

3 Sét kết 31 11 0.8 4 244.03 0.41 12.281

4 Than 17.1 8 0.8 4 93.01 0.059 3.5

Theo kết quả của chương 4, để tính toán dịch chuyển biến dạng cho mỏ than

Nam Mẫu Quảng Ninh, cần nghiên cứu xây dựng mô hình địa cơ tác giả đã đề xuất

mô đun đàn hồi EC = KC.ER (trong đó ER mô đun đàn hồi tính ra từ Rockdata,

KC=1,24), các chỉ số khác như lực dính kết, góc nội ma sát trong giữ nguyên. Kết

quả chạy trên RS2 với sự thay đổi lực dính kết, góc nội ma sát cho kết quả biến dạng

không thay đổi đáng kể trên mô hình. Như vậy, kết quả xác định các thông số E, C,

φ đầu vào để chạy cho mô hình địa cơ và tính toán với trạng thái đàn hồi dẻo mỏ

than Nam Mẫu Quảng Ninh ghi ở bảng 5.4.

Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu

TT Hệ số Cát kết Bột kết Sét kết Than Ghi chú

1 EC 2628.788 860.368 303.637 93.01

2 C 42.358 23.276 12.281 3.50

3 φ 0.807 0.324 0.41 0.059

5.4 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo

hướng dốc trên mô hình địa cơ

Mô hình địa cơ đã được xây dựng ở chương 4, các tham số đầu vào trong quá

trình tính toán là các giá trị E, C, φ được đưa phần mềm thương mại Rocscience 2.0,

tác giả lấy một mặt cắt đại diện để tính toán cụ thể là mặt cắt tuyến V và xem các

99

lớp đất đá của nó song song với nhau. Địa tầng của đất đá bao gồm: cát kết, bột kết,

sét kết và than với các tham số cơ học ở bảng 5.4. Miền tính toán của mô hình lấy

chiều rộng và chiều cao là 700x300m so với chiều rộng thực tế mặt cắt 1400x450m,

tuy nhiên khu vực đặt trạm quan trắc dịch động vỉa 7 giới hạn từ lỗ khoan LK7 đến

biên giới ngoài là 500m, mức khai thác vỉa 7 từ -80 đến mặt đất là 250m, nghĩa là

chiều cao khoảng 330m. Do vậy, tác giả nghiên cứu mô hình là 700x300 là hợp lý

so thực thế. Hệ thống khai thác cột dài theo phương, chống lò bằng giá thuỷ lực.

Điều khiển đá vách bằng phá hoả toàn phần, chiều dầy vỉa than 8m, chiều dài lò chợ

80m. Sơ đồ tính toán gán thông số cho các lớp đất đá thể hiện trên hình 5.4, nhập

các thông số cát kết, bột kết, sét kết và than cho mô hình thể hiện hình 5.5. Sau khi

nhập xong các thông số, phần mền tự động chạy vòng lặp tính toán dịch chuyển

biến dạng thể hiện hình 5.6. Kết quả tính toán xác định độ lún, biến dạng ngang thể

hiện hình 5.7, 5.8. Xác định độ lún và góc dịch chuyển thể hiện hình 5.9. Biểu đồ

mô tả quá trình dịch chuyển của từng lớp đất đa thể hiện hình 5.10. Véc tơ dịch

chuyển theo thời gian thể hiện hình 5.11. Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn

trong mô hình thể hiện hình 5.12. Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô

hình thể hiện 5.13. Biểu đồ phân bố vùng phá hủy thể hiện hình 5.14

Hình 5.4: Sơ đồ tính toán

100

Hình 5.5: Nhập các thông số cho mô hình

Hình 5.6: Quá trình chạy vòng lặp tính dịch chuyển biến dạng

Hình 5.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò

101

Ở hình 5.7 độ lún trên mặt đất thể hiện đường màu đỏ có giá trị lớn nhất, đường

màu xanh có giá trị nhỏ nhất, và kết quả tính toán xác định độ lún cực đại ƞ =

1.150m, góc dịch chuyển biên 0 = 470 thể hiện hình 5.9

Hình 5.8: Biểu đồ mô tả biến dạng ngang

Hình 5.9: Biểu đồ xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc

Trên hình 5.9, 5.10 là tập hợp các kết quả phân tích độ lún trên mặt đất, thể

hiện qua sự biến hình của lưới phần tử hữu hạn, cho thấy khi khai thác ở độ sâu nhất

định, vùng sụt lún rộng thêm trên mặt đất, nhưng độ cong giảm dần, cũng có nghĩa

là khi khai thác càng sâu thì khả năng gây phá hủy làm trượt, đổ các công trình kiến

trúc có thể càng giảm. Điều này chứng tỏ rằng càng khai thác xuống sâu và đến một

độ sâu khai thác an toàn thì dịch chuyển biến dạng không lan truyền lên đến bề mặt

đất.

102

Trên hình 5.10 thể hiện dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá cho thấy rằng

có ba vùng rõ rệt: vùng dịch chuyển hoàn toàn ở gần nóc lò tạo ra như hình chữ

V, phía trên nữa là vùng uốn võng và vùng đất đá chịu nén

Hình 5.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất và góc dịch chuyển

Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá

Trên hình 5.12 được thể hiện thông qua chiều véc tơ dịch chuyển, giá trị độ

lớn véc tơ tăng dần đi từ mặt đất xuống nóc lò chợ và đạt giá trị cực đại tại vị trí

nóc lò chợ. Càng xa vị trí trung tâm lò chợ véc tơ dịch chuyển có giá tr ị càng bé

thể hiện vùng đất đá chịu nén.

103

Hình 5.12: Biểu đồ biểu diễn véc tơ dịch chuyển theo thời gian

Hình 5.13: Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình

Hình 5.14: Biểu đồ phân bố các vùng phá hủy

104

Trên hình 5.13, 5.14 cho thấy các phần tử hữu hạn trên mô hình phân bố đồng

nhất, sắp xếp theo quy luật nhất định, vùng phá hủy phát triển chủ yếu phía trên nóc

khu vực khai thác, với chiều cao và hình thái phụ thuộc vào thế nằm và khoảng cách

tương đối của khu vực khai thác đến mặt đất. Cũng nhận thấy là, khi tiến hành khai

thác, trên mặt đất có thể xuất hiện các vùng phá hủy ở lân cận do quá trình lún, biến

dạng tổng thể, gây phá hủy kéo, xuất hiện trên biên trên của miền nghiên cứu.

5.5 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo

đường phương

Tính toán trạng thái ứng suất biến dạng cho chu kỳ khai thác ở lò chợ cơ giới

hóa dọc theo đường phương chính là bài toán xác định quy luật dịch chuyển của lớp

than nóc và các địa tầng đất đá ở trên đường lò. Sự dịch chuyển của các lớp đất đá

do khai thác than có nguyên nhân phát sinh từ biểu hiện áp lực mỏ, áp lực tựa trong

khai thác lò chợ. Bước dịch chuyển của lò chợ, và sự phân bố áp lực tựa trước và

sau lò chợ thể hiện như trong hình 5.15

Hình 5.15: Sự phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ khai thác

Theo hướng khai thác của lò chợ, phá hủy địa tầng trên nóc dần phát triển về

phía trước. Quá trình tái phân bố lại ứng suất - biến dạng trong các địa tầng đất đá

trên lò chợ được liên tục xảy ra [73]. Thông qua việc phân tích ứng suất - biến dạng

của các khối đất đá và than trên nóc lò chợ, sẽ cho chúng ta một bức tranh về sự phá

hủy (biến dạng dẻo) của các địa tầng đất đá trên nóc lò chợ, qua đó có thể tính toán

105

được chiều cao sập lở (nghĩa là có thể đó là chiều cao mà địa tầng đất đá đã bị dẻo -

cường độ kháng cắt đã đến biến dạng dư).

Lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày 8m theo đường phương: khu vực chuẩn bị lắp

đặt giàn chống là đường lò có chiều rộng khoảng 6m, mỗi bước tiến gương trong

mỗi luồng khấu than là 0.63m, chiều cao khấu than 2.4m sau đó hạ trần than nóc

bằng phá hỏa toàn phần.

Sơ đồ tính toán được thể hiện trong hình 5.16 với các lớp đất đá được lấy theo

chỉ tiêu cơ lý ở bảng 4.6. Khoảng cách tiến gương ban đầu là 12.3m (bao gồm 10

bước tiến gương lò chợ và khoảng cách chuẩn bị lắp giàn chống); để thể hiện rõ

vùng ứng suất biến dạng tác giả giải quyết bài toán 10 bước tiến gương lò chợ 6.3m

là một khẩu độ trên mô hình với 10 khẩu độ tiến gương lò chợ để tìm quy luật phân

bố vùng dịch chuyển biến dạng xung quanh lò chợ khai thác và trên bề mặt đất. Áp

dụng phương pháp phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng bộ phần mềm RS2 (Phase 2)

của hãng Rocscience Inc. (Canada). Với các vùng vật liệu đại diện cho các địa tầng

có các chỉ tiêu cơ lý được lấy ở bảng 4.6.

Hình 5.16: Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương

Kết quả tính toán giá trị ứng suất chính lớn nhất trong các bước tiến gương khai

thác lò chợ được thể hiện ở các hình 5.17, 5.18, 5.19, 5.20, 5.21, 5.22, 5.23.

106

Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.75

1.50

2.25

3.00

3.75

4.50

5.25

6.00

6.75

7.50

8.25

9.00

9.75

10.50

11.25

12.00

12.75

13.50

14.25

15.00

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu

Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.75

1.50

2.25

3.00

3.75

4.50

5.25

6.00

6.75

7.50

8.25

9.00

9.75

10.50

11.25

12.00

12.75

13.50

14.25

15.00

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2

Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.75

1.50

2.25

3.00

3.75

4.50

5.25

6.00

6.75

7.50

8.25

9.00

9.75

10.50

11.25

12.00

12.75

13.50

14.25

15.00

10

08

06

04

02

00

-20

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420


107

Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.75

1.50

2.25

3.00

3.75

4.50

5.25

6.00

6.75

7.50

8.25

9.00

9.75

10.50

11.25

12.00

12.75

13.50

14.25

15.00

10

08

06

04

02

00

-20

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420


Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.80

1.60

2.40

3.20

4.00

4.80

5.60

6.40

7.20

8.00

8.80

9.60

10.40

11.20

12.00

12.80

13.60

14.40

15.20

16.00

10

08

06

04

02

00

-20

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420


Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.80

1.60

2.40

3.20

4.00

4.80

5.60

6.40

7.20

8.00

8.80

9.60

10.40

11.20

12.00

12.80

13.60

14.40

15.20

16.00

10

08

06

04

02

00

-20

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420


108

Shear

Tension

Sigma 1

MPa

0.00

0.80

1.60

2.40

3.20

4.00

4.80

5.60

6.40

7.20

8.00

8.80

9.60

10.40

11.20

12.00

12.80

13.60

14.40

15.20

16.00

10

08

06

04

02

00

-20

160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420


Thông qua số liệu của các hình trên ta thấy sau hướng tiến gương là sự phá hủy

(đặc trưng là các điểm vòng tròn) mô tả sự sập lở của các lớp đất đá trên nóc lò chợ.

Qua các hình trên ta tính toán được chiều cao sập lở (vùng phân bố của các điểm

vòng tròn) là H=12m. Như vậy đến khẩu độ thứ 10 thì bước sập đổ lập lại, nghĩa là

chiều dài lò chợ khai thác theo đường phương đi được 69m thì lập lại bước sập đổ

và chiều cao vùng sập đổ.

Tổng hợp các bước tiến gương với 10 khẩu độ ta thấy tại khẩu độ thứ 10 quy

luật phân bố ứng chính σ1 trở về trạng thái ban đầu thể hiện hình 5.2

Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ

109

Các kết quả tính toán dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá trên bề mặt đất

và trên nó lò chợ được thể hiện trong các hình 5.25, 5.26, 5.27, 5.28 đến 5.33

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-9.00e-001

-6.00e-001

-3.00e-001

1.11e-016

3.00e-001

6.00e-001

9.00e-001

1.20e+000

1.50e+000

1.80e+000

2.10e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Hình 5.25: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khi khai thác lò chợ ban đầu

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

1.95e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 2

110

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

1.95e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 5

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.20e+000

-9.00e-001

-6.00e-001

-3.00e-001

0.00e+000

3.00e-001

6.00e-001

9.00e-001

1.20e+000

1.50e+000

1.80e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000


Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.20e+000

-9.00e-001

-6.00e-001

-3.00e-001

0.00e+000

3.00e-001

6.00e-001

9.00e-001

1.20e+000

1.50e+000

1.80e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000


111

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.35e+000

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000


Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.35e+000

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 9

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.35e+000

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000


112

0.0

0e

+0

00

-3.3

0e

-00

2

-1.2

6e

-00

1

-2.5

9e

-00

1

-4.2

7e

-00

1

-6.1

3e

-00

1

-7.9

7e

-00

1

-9.4

2e

-00

1

-1.0

2e

+0

00

-1.0

1e

+0

00

-9.2

2e

-00

1

-7.7

8e

-00

1

-6.1

0e

-00

1

-4.4

9e

-00

1

-3.1

4e

-00

1

-2.0

9e

-00

1

-1.3

6e

-00

1

-8.3

4e

-00

2

-4.5

1e

-00

2

-1.8

5e

-00

2

-3.6

8e

-00

3

-4.5

5e

-01

8

1

4.4

9e

-01

8

-7.3

0e

-00

2

-1.0

1e

-00

1

-1.5

7e

-00

1

-2.7

1e

-00

1

-4.3

4e

-00

1

-7.1

3e

-00

1

-1.0

8e

+0

00

-1.2

3e

+0

00

-1.2

9e

+0

00

-1.2

4e

+0

00

-8.3

8e

-00

1

-4.8

6e

-00

1

-3.2

1e

-00

1

-2.1

0e

-00

1

-1.3

1e

-00

1

-7.7

9e

-00

2

-4.5

2e

-00

2

-2.0

0e

-00

2

-3.0

9e

-00

2

-5.0

2e

-00

2

1.1

4e

-01

5

Shear

Tension

Vertical

Displacement

m

-1.35e+000

-1.05e+000

-7.50e-001

-4.50e-001

-1.50e-001

1.50e-001

4.50e-001

7.50e-001

1.05e+000

1.35e+000

1.65e+000

40

03

50

30

02

50

20

01

50

10

05

00

-50

-10

0

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050

Hình 5.33: Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất và lớp đá vách cơ bản

Kết quả tính toán dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất thể hiện hình 5.34

Hình 5.34: Giá trị độ lún trên bề mặt đất

Kết quả tính toán dịch chuyển của bề mặt đất phía trên nóc lò chợ thể hiện trên

hình 5.35

Hình 5.35: Giá trị độ lún trên nóc lò chợ

113

Thông qua các dữ liệu trên mô hình biến động địa cơ ta thấy dịch chuyển biến

dạng bề mặt đất lớn nhất là 1,186m và dịch chuyển lớn nhất của địa tầng ngay trên

nóc lò chợ là 13,367m.

5.6 Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa

Như chúng ta đã biết, để dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng khai thác

hầm lò của khu vực nào đó chưa có quan trắc dịch động chúng ta cần phải xác định

độ lún cực đại. Có nhiều cách để xác định độ lún cực đại đó là:

- Thông qua quy phạm bảo vệ công trình và các đối tượng tự nhiên từ ảnh

hưởng có hại khi khai thác hầm lò dưới khoáng sàng than Xanh Peterbua VNIMI

1998 xác định công thức tính độ lún theo công thức (3.9) ở chương 3 [23]:

cos.... 210 NNmqm =

- Thông qua mô hình địa cơ xác định độ lún cực đại

Trên cơ sở đó áp dụng công thức (3.29) ở chương 3 để tính các đại lượng dịch

chuyển [23]:

𝑆 𝑍 =ƞ𝑖

ƞ𝑚, 𝑆′ 𝑍 =

𝑖𝑖ƞ𝑚

𝐿

, 𝑆′′ 𝑍 =𝑘𝑖

ƞ𝑚

𝐿2

L

azF

azF

m

i

m

i

0

'

05,0

)(;5,0

)( ==

Như vậy, đề tài luận án tác giả lựa chọn xác định độ lún cực đại thông qua mô

hình địa cơ để kiểm chứng kết quả quan trắc dịch động tại mỏ than Nam Mẫu được

thể hiện bảng 5.5. Kết quả quan trắc thực địa mỏ than Nam Mẫu thể hiện hình mặt

cắt 5.36, 5.37. Trên hình 5.36, 5.37 thể hiện tuyến quan trắc D theo hướng dốc và

tuyến P theo đường phương của vỉa, kết quả xác định độ lún cực đại do ảnh hưởng

khai thác vỉa 7 thể hiện đường màu xanh. Độ lún cực đại theo hướng dốc xác định

được ƞ = -1,082m, theo đường phương ƞ = -1,185m. Góc dịch chuyển β0 = 450

114

Hình 5.36: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo hướng dốc

Hình 5.37: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo đường phương

Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển

Giá trị Mô hình địa cơ Quan trắc thực địa Ghi chú

ƞ -1,150m -1,082m Theo hướng dốc

ƞ -1,186m -1,185m Theo đường phương

β0 470 450

Với kết quả kiểm chứng trên mô hình cho thấy các thông số và đại lượng dịch

chuyển trên mô hình địa cơ gần sát với thực tế

115


Kết quả phân tích cho thấy:

1. Mô hình địa cơ luận án sử dụng cho Quảng Ninh xác định quy luật phân bố

ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ của lò chợ và quy luật sập đổ lặp lại trạng thái ban

đầu khi khai thác tiến gương đến khẩu độ thứ 10 trên mô hình tương đương 69m,

chiều cao vùng sập đổ phá hủy H=12m

2. Mô hình địa cơ xác định được các thông số dịch chuyển biến dạng cho mỏ

than Mam Mẫu có độ tin cậy cao nhờ so sánh kết quả thông số và đại lượng dịch

chuyển quan trắc thực địa về cơ bản giá trị như nhau

3. Mô hình địa cơ tính toán cho lò chợ theo hướng dốc đã xác định được biến

động các lớp đất đá xung quanh lò chợ cũng như địa tầng đất đá và bề mặt đất. Xác

định được chiều cao vùng sập đổ, bước sập đổ của đá vách khi khai thác vỉa dày

bằng lò chợ cơ giới hóa. Xác định vùng uốn võng liên tục, vùng uốn võng có kẽ nứt

và bồn dịch chuyển trên bề mặt đất. Như vậy, mô hình địa cơ cho phép nghiên cứu

dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất một bức tranh tổng thể quá

trình dịch chuyển biến dạng.

116

KKẾẾTT LLUUẬẬNN VVÀÀ KKIIẾẾNN NNGGHHỊỊ

Kết quả nghiên cứu của luận án đã khẳng định rằng: các luận điểm khoa học

của luận án đã được chứng minh và rút ra một số kết luận và kiến nghị sau đây:

1. Kết luận

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã thu được có thể rút ra một số kết luận sau:

1. Các phương pháp quan trắc hiện trường xác định thông số dịch chuyển đá

mỏ và bề mặt đất là công cụ chủ yếu để chuẩn xác hóa các thông số dịch chuyển

đá mỏ được xác định từ nghiên cứu lý thuyết trên các mô hình địa cơ với giả định

rằng các lực chuyển động trong mô hình là lực trọng trường, tức trọng lực của

khối đá sập đổ và khối đá mỏ là một môi trường đẳng hướng. Như vậy, việc áp

dụng rộng rãi các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng phương pháp số với giả

định khối đá là môi trường biến dạng đàn hồi, bất đẳng hướng đòi hỏi sự cần thiết

phải lựa chọn các điều kiện biên cho các mô hình địa cơ thông qua phương pháp

đo đạc tại hiện trường

2. Phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu quan trắc thực địa của mỏ than Mạo Khê,

Mông Dương đã xác định được các hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F’(z)

phù hợp với các điều kiện địa chất - khai thác của bể than Quảng Ninh để phục vụ

cho công tác tính toán dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ nhằm

bảo vệ các công trình và đảm bảo an toàn quá trình khai thác than hầm lò. Xác định

các thông số và đại lượng dịch chuyển đá mỏ cung cấp điều kiện biên cho bài toán

mô hình địa cơ như: kích thước vùng biến dạng, góc dịch chuyển giới hạn, góc dịch

chuyển biên, vv. Đồng thời độ lún cực đại là đại lượng để nghiên cứu mối tương

quan với thông số đàn hồi.

3. Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác

hầm lò, luận án xây dựng mô hình địa cơ với nguồn dữ liệu đầu là các tham số cơ

học của khối đá của bể than Quảng Ninh. Từ đó xác định được hệ số đàn hồi cho

mô hình địa cơ với điều kiện biên mô hình là độ lún cực đại đã xác định được do

quan trắc thực địa. Thiết lập phương trình mối tương quan giữa độ lún cực đại với

thông số đàn hồi. Tác giả xây dựng được mô hình địa cơ phục vụ cho công tác phân

tích, dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt. Đối với mô hình địa cơ áp dụng cho

bể than Quảng Ninh thì hệ số giảm bền KC =1,24.

4. Mô hình địa cơ lựa chọn cho bể than Quảng Ninh nghiên cứu bức tranh tổng

thể quá trình dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất. Xác định chiều

117

cao vùng sập đổ, bước sập đổ khi khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa, đồng

thời xác định độ lún cực đại tại khu vực nghiên cứu kết hợp với hàm đường cong

tiêu chuẩn đưa ra dự báo chính xác dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt

đất cho bể than Quảng Ninh. Qua kiểm định mô hình với giá trị quan trắc thực địa

có thể tin tưởng rằng mô hình địa cơ cho kết quả sát thực với thực tế.

2. Kiến nghị

1. Việc nghiên cứu tích hợp mô hình địa cơ sử dụng phương pháp số cho phép

luận án đưa ra các dự báo dịch chuyển biến dạng có độ tin cậy cao. Tuy nhiên cần

khảo sát nghiên cứu thêm thay đổi hệ số Poisson xem quá trình dịch chuyển biến

dạng có thay đổi lớn hay không

2. Để có mô hình địa cơ chính xác thì các thông số đầu vào như độ bền nén một

trục, chỉ số vật liệu, chỉ số bền địa chất cần có kết quả thí nghiệm nhiều hơn nữa và

người làm phải có kinh nghiệm, vì các thông sô đầu vào ta đang quân bình hóa, và

lấy theo kinh nghiệm

118

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS

Các đề tài nghiên cứu:

1. Chủ nhiệm đề tài cấp Bộ Công Thương (2010), “Nghiên cứu xác định các thông

số dịch chuyển và biến dạng bề mặt đất trong điều kiện địa chất đặc biệt khi

khai thác than hầm lò bể than Quảng Ninh”

2. Chủ nhiệm đề tài cấp Bộ Công Thương (2011) “Nghiên cứu xử lý, tổng hợp các

kết quả quan trắc thực địa xác định các thông số dịch chuyển và biến dạng đất

đá cho một số mỏ vùng than Quảng Ninh”

Các bài báo đăng trên các tạp chí

Tiếng Việt

1. Phạm Văn Chung, Lê Văn Cảnh, Vương Trọng Kha (2012), “Xác định các thông

số dịch chuyển và biến dạng đất đá mặt mỏ than Mạo Khê do khai thác hầm

lò”. Tạp chí Công nghiệp mỏ số 2 năm 2012

2. Vương Trọng Kha, Phùng Mạnh Đắc, Phạm Văn Chung (2012), “Nghiên cứu các

quy luật dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trong điều kiện địa chất đặc

biệt bể than Quảng Ninh”. Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, số 39 năm 2012

3. Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2013), “Nghiên cứu xây dựng mô hình

địa cơ dự báo hiện tượng phá hủy, dịch chuyển và biến dạng trong khai thác

than vùng Quảng Ninh”. TT Khoa học Công nghệ mỏ, Tạp chí KHKT Mỏ-Địa

chất, Số 7 năm 2013, số 43 năm 2013

4. Phạm Văn Chung, Vương Trọng Kha (2013), “Nghiên cứu xác định các thông số

dịch chuyển và biến dạng đất đá ở mỏ than Mông Dương”. Tạp chí Công

nghiệp mỏ, Số 2B năm 2013

5. Phạm Văn Chung, Nguyễn Viết Nghĩa (2013), “Nghiên cứu xử lý các kết quả

quan trắc thực địa để xác định các thông số dịch chuyển, biến dạng cho một số

mỏ hầm lò Quảng Ninh”. Tạp chí Công nghiệp mỏ, Số 6 năm 2013

6. Nguyễn Quang Phich, Nguyễn Tiến Mạnh, Phạm Văn Chung, An Xuân Trường,

Ngô Văn Giáp (2014), “Mô phỏng biến đổi cơ học khi khai thác vỉa dày, dốc

119

bằng hệ thống khai thác chia lớp ngang sử dụng chương trình UDEC”. TT

Khoa học Công nghệ mỏ, Số 8 năm 2014

7. Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2014), “Phân tích tai biến sụt lún, sụt lở

đất đá trong khai thác và xây dựng công trình ngầm”. TT Khoa học Công nghệ

mỏ, Số 12 năm 2014

8. Nguyễn Quang Phích, Phạm Văn Chung (2015), “Về khả năng phân tích, dự báo

bồn dịch chuyển (sụt lún) trong khai thác mỏ bằng mô hình số”. TT Khoa học

Công nghệ mỏ, Số 6 năm 2015

9. Phạm Văn Chung, Vương Trọng Kha (2016), “Phân tích, dự báo dịch chuyển và

biến dạng do khai thác mỏ hầm lò trên mô hình địa cơ”. Hội nghị Khoa học Kỹ

thuật mỏ toàn quốc lần thứ XXV, năm 2016

10. Phạm Văn Chung, Nguyễn Quốc Long, Vương Trọng Kha, Nguyễn Quang

Phích (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng của góc dốc vỉa và độ sâu khai thác đến

dịch chuyển biến dạng bề mặt trên mô hình địa cơ”. Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa

chất, Số 58 năm 2017

11. Phạm Văn Chung, Phùng Mạnh Đắc, Vương Trọng Kha (2018), “Xây dựng mô

hình địa cơ xác định mô đun đàn hồi cho bể than Quảng Ninh do ảnh hưởng

của lò chợ khai thác vỉa dày”. Tạp chí Công nghiệp mỏ, Số 3 năm 2018

12. Phạm Văn Chung, Phùng Mạnh Đắc, Vương Trọng Kha (2018), “Xây dựng

hàm số đường cong mẫu cho bể than Quảng Ninh từ các số liệu quan trắc thực

địa”. Tạp chí Khoa học Mỏ - Địa chất, Số 59 kỳ 1 năm 2018

Tiếng Anh

13. PHAM Van Chung, LE Van Canh, LE Thi Thu Ha (2014), “Processing the

observation data to determine the movement parameters and building non-scale

curve form for Mong Duong coal mine”. The 3rd International Conference on

Advances in Mining and Tunneling, Vung Tau, Viet Nam, năm 2014

14. Pham Van Chung, Nguyen Viet Nghia, Nguyen Quang Phich (2015), “The

application of digital model to analyze and forecast sinking field (subsidence)

120

in underground mining”. The 2nd International Conference Scientific Research

Cooperation between Vietnam and Poland in Earth Sciences, năm 2015

15. Pham Van Chung, Cao Xuan Cuong, Nguyen Quoc Long, Phạm Ngoc Huy

(2017), “Initial assessment of impact of underground coal mining on the

Khe Cham screening plant”. Geo-Spatial Technologies and Earth

Resources (GTER 2017)

121

TTÀÀII LLIIỆỆUU TTHHAAMM KKHHẢẢOO

TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT

[1]. Nguyễn Đình Bé (1977), “ Nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng đất đá mỏ trong

điều kiện có các đứt gẫy kiến tạo dạng cấu tạo khối áp dụng cho bể than Quảng

Ninh - Việt Nam” , Luận án Tiến sỹ Đại học mỏ Leningrad, Liên Xô

[2]. PGS. TS. Nguyễn Đình Bé, GVC.TS. Vương Trọng Kha (2010), “Dịch chuyển và

biến dạng đất đá trong khai thác mỏ”, NXB Giao thông vận tải, Hà nội

[3]. Phạm Văn Chung (2010), “Nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển và biến

dạng bề mặt đất trong điều kiện địa chất đặc biệt khi khai thác than hầm lò bể than

Quảng Ninh”, Bộ Công thương, Hà Nội.

[4]. Phạm Văn Chung (2011), “Nghiên cứu xử lý, tổng hợp các kết quả quan trắc thực

địa xác định các thông số dịch chuyển và biến dạng đất đá cho một số mỏ vùng than

Quảng Ninh”, Bộ Công thương, Hà Nội

[5]. Phạm Văn Chung (2006), “Xây dựng trạm quan trắc và quan trắc sụt lún bề mặt khu

vực khai thác hầm lò vỉa 10.1 Bắc Mông Dương, tuyến đường sắt chạy qua vỉa I

(12) và II (11) khu vực mỏ Mông Dương và vỉa G9 Vũ Môn - Công ty than Mông

Dương”, Đề tài cấp Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam.

[6]. Phạm Văn Chung (2009), “Nghiên cứu xác định các thông số dịch chuyển và biến

dạng đất đá khi khai thác hầm lò dưới suối B Vàng Danh”, Đề tài cấp Tập đoàn

Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam

[7]. TS. Phùng Mạnh Đắc (2004-2006), Nghiên cứu lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và

công nghệ hợp lý để khai thác than ở các khu vực có di tích lịch sử, văn hóa, công

trình công nghiệp và dân dụng. Phần "Xây dựng trạm quan trắc và quan trắc sụt lún

bề mặt khu vực khai thác hầm lò vỉa 9b mỏ than Mạo Khê, Nam Mẫu, Hà Lầm,

Mông Dương", Đề tài cấp nhà nước, Việt Nam

[8]. Phạm Đại Hải (2011-2013), “Nghiên cứu xây dựng cơ sở dữ liệu địa cơ mỏ phục vụ

nhu cầu phát triển cơ giới hóa, hiện đại hóa khai thác than ở Việt Nam”, Đề tài

trọng điểm cấp Bộ Công Thương

122

[9]. ThS Đặng Thanh Hải (2016), “Phát triển áp dụng cơ giới hóa đào lò và khai thác tại

các mỏ hầm lò vùng than Quảng Ninh giai đoạn 2013 – 2015, lộ trình đến năm

2020” Mã số: KC.01.Đ.01-13/08-10-15, Đề tài cấp tập đoàn Công nghiệp Than -

Khoáng sản Việt Nam.

[10]. Nghiêm Hữu Hạnh (2001), “Cơ học đá”, Nhà xuất bản Giáo dục

[11]. Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc (2005), “Cơ học đá ứng dụng trong xây dựng

công trình ngầm và khai thác mỏ”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

[12]. Huang Sheng Xiang, Yin Hui, Jiang Zheng, biên dịch Phan Văn Hiến, Phạm Quốc

Khánh, ‘‘Xử lý số liệu quan trắc biến dạng’’, NXB Khoa học và Kỹ thuật.

[13]. Vương Trọng Kha (2003), “Nghiên cứu tính chất quá trình dịch chuyển biến dạng

đất đá do khai thác hầm lò trong điều kiện địa chất phức tạp bể than Quảng Ninh”,

Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

[14]. Võ Chí Mỹ (1993), “Biến động địa cơ do ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm

lò”, Tuyển tập các công trình khoa học (19), tr. 41-46.

[15]. Võ Chí Mỹ (2016), “Trắc địa mỏ”, Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ

[16]. GS.TS Nguyễn Quang Phích, 2015, “Nghiên cứu ứng dụng và phát triển mô hình

phân tích, dự báo tai biến địa chất - địa kỹ thuật đối với công trình ngầm, công trình

khai thác mỏ ở Việt Nam”, đề tài KHCN cấp nhà nước mã số: ĐT. NCCB-

ĐHƯD.2011-G/13

[17]. Ngô Văn Sỹ và nnc 2002, “Nghiên cứu bổ sung và tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá

cho các mỏ lộ thiên, hầm lò vùng Quảng Ninh phục vụ công tác khoan nổ mìn, điều

khiển áp lực mỏ, bờ mỏ”, Hà Nội 2002

[18]. GS.TS Nguyễn Văn Tuấn (2014), “Phân tích dữ liệu với R”

[19]. Phạm Quốc Tuấn (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng của dị hướng của đá phân lớp,

phân phiến, nứt nẻ đến sự ổn định của công ngầm thủy công”, luận án tiến sỹ kỹ

thuật năm 2017

[20]. Nguyễn Xuân Thụy (1988), “Xác định mức độ ảnh hưởng của hệ thống kẽ nứt đến

độ ổn định bờ mỏ”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Mỏ Lêningrát, Liên Xô.

123

[21]. Kiều Kim Trúc (1996), “Nghiên cứu sự biến dạng bờ mỏ và các biện pháp điều

khiển hợp lí”, Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Mỏ- Địa chất, Hà Nội.

[22]. Kiều Kim Trúc (1991), “Xác định các thông số dịch chuyển mặt đất khu Lộ Trí mỏ

Thống Nhất và hiệu chỉnh trụ bảo vệ đường ô tô lên mỏ than Đèo Nai”. Viện Khoa

học Công nghệ Mỏ -TKV, Hà Nội.

[23]. Quy phạm bảo vệ công trình và các đối tượng tự nhiên từ ảnh hưởng có hại khi

khai thác hầm lò dưới khoáng sàng than. Xanh Peterbua VNIMI 1998

[24]. Báo cáo địa chất mỏ than Nam Mẫu

TÀI LIỆU TIẾNG NƯỚC NGOÀI

[25]. Акимов А.Г.и др. (1970), Cдвижениже горных пород при подземной

pазработке угольных и сланцевых месторождений, Изд. “Недра”, Москва.

[26]. Авершин С. Г (1941), Обработка и использование результатов наблюдений за

сдвижением поверхности [Текст]/С. Г. Авершин- М.: Гостоптехиздат, 1941-

225 с.

[27]. Авершин С. Г (1960), Расчет деформаций массива горных пород под

влиянием подземных разработок [Текст] / С.Г. Авершин. -Л.: ВНИМИ, 1960. -

87 с.

[28]. Ашихмин С.Г (1995), Разработка методики расчета сдвижений и деформаций

подарбатываемых слаьных массивов рудных месторождений методом

конечных злементов [Текст]: дис......канд.техн.наук/С.Г. Ашихмин; ГоИ УрО

РАН. - Пермь, 1995.- 145 с.

[29]. Барон Л.И. и др. (1962), Определение свойств горных пород. Гостехизд. по

горному делу, Москва.

[30]. Барановский В.И. (1963), Влияние природных факторов на выбор способов

разработки угольных пластов на глубоких горизонтах, Госгортехиздат,

Москва

[31]. Казакоский Д. А. (1953), Сдвижение земной поверхности под влиянием

горных разработок, Углетехиздат, Москва.

124

[32]. Кашников Ю. А (1982), Сдвижение горных пород при подемной разработке

мощных крутопадающих тел сложной формы [Текст]: автореф.

дис......канд.техн.наук /Ю. А. Кашников; СГИ. - Свердловск, 1982. -18 с.

[33]. Кашников Ю. А (1992), Деформирование скального массива по системам

трещин [Текст] / Ю. А. Кашников, М.Н. Якушина, С. Г. Ашихмин // Изв.

вузов. Горный журнал. -1992. N02- С.75-80.

[34]. Кузнецов Г.И. и другие (1958), Исследование на моделях из эквивалентных

материалов механизма и границ влияния защитных пластов, Изд. ВНИМИ,

Ленинград.

[35]. Кузнецов Г.И. и другие (1968), Моделирование проявлений горного давления,

Изд “Недра”, Ленинград.

[36]. Колесников Н.В. (1970), Влияние тектонических нарушений на

устойчивость кровли, Изд. ВНИМИ, Ленинград

[37]. Курленя М.В (1986). Методы подземных сооружений [Текст] / М.В. Курленя,

В.Е. Миренков. - Новосибирск: Наука, 1986. - 211 с.

[38]. Заброзин А.С. (1973), Методические указания по геометризации и прогнозу

разрывных нарушений в пределах выёмочных участков для шахты Кузбасса,

Изд. ВНИМИ, Ленинград.

[39]. Земисев В.Н. (1961), Расчет максимальных горизонтальных сдвижений в

подработанноЙ толще пород и на земной поверхности, Изд. ВНИМИ,

Ленинград.

[40]. Земисев В.Н. (1966), Расчет деформаций подработанной слоистой толщи

при разработке пологих пластов, Автореферат канд.диссерт, Ленинград.

[41]. Земисев В.Н. (1973), Расчеты деформаций горного массива, Изд. “Недра”,

Москва.

[42]. Зотеев В.Г (1981), Tеоретические основы обеспечения устойчивости и

формирования скальных откосов глубоких карьеров [Текст] :дис.....д-ра техн.

наук / В. Г. Зотеев; ИГДМЧМ СССР. - Свердловск, 1981. -395 с.

[43]. Desai.C.S. (1972), Introduction to the finite element method, New York

125

[44]. Егорова Г.Г. (1975), Влияние геологических нарушений на сдвижения горных

пород при разработке крутых пластов, Новосибирск.

[45]. Ержанов Л.С. (1971), О Разрушении слоистой среды при складко-

образовании, Изд.АН Каз.ССР.

[46]. Herbert Stachowiak (1983): Modelle - Konstruktion der Wirklichkeit. Wilhelm

Fink Verlag, München 1983, S. 17–86. Herbert Stachowiak: Allgemeine

Modelltheorie. Wien 1973, ISBN 3-211-81106-0

[47]. Hoek, E., Marinos, P. and Benissi, M. 1998. Applicability of the Geological

Strength Index (GSI) classification for very weak and sheared rock masses. The

case of the Athens Schist Formation. Bull. Engg. Geol. Env. 57(2), 151-160.

[48]. Кратч Г (1978), Сдвижение горных пород и защита подрабатываемых

сооружений [Текст] / Г. Кратч. - М.: Недра, 1978. - 494 с.

[49]. Квочин В. А (2000), Управление сдвижением и удароопасностью горного

массива при разработке железорудных месторождений Сибири на основе

изучения их геодинамики [Текст]: дис.....д-ра техн. наук / В. А. Квочин. -

Новокузнецк, 2000. - 78 с.

[50]. Маркшейдерское дело [Текст]: учебник для вузов: в 2-х ч./ под ред. И. Н.

Ушакова. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1989.

[51]. Макаров А. Б. Управление сдвижением и горным давлением при повторной

разработке пологих рудных залежей [Текст]: автореф. дис....д-ра техн. наук /

А. Б. Макаров; МГОУ. -М., 1994. - 25 с.

[52]. Методические указания по определению процесса сдвижения горных пород,

охране сооружений и горных выработок на месторождениях цветных

металлов [Текст]. Л.: ВНИМИ, 1971. - 66 с

[53]. МУП СССР (1966), Указания по охране сооружений и природных объектов

от вредного влияния подземных разработок на шахтах комбината

“Сахалинуголь”, Москва.

126

[54]. МУП СССР (1981), Правила охраны сооружений и природных объектов от

вредного влияния подземных горных разработок в Донецком угольном

бассейне, Москва.

[55]. Мирошниченко В. Т. (1974), Влияние тектоничеких нарушений массива

горных пород на процесс обрушения с образованием провалов и террас на

земной поверхности. Автореферат канд. Диссерт, Ленинград.

[56]. Правила охраны сооружений и природных обьектов от вредного влияния

подземнях разработок на месторождениях руд черных метллов Урала и

Казахстана [Текст]: утв. Минметом СССР 02.08.90. - Свердловск: ИГД

Минмета СССР, 1990. -64 с.

[57]. Правила охраны сооружений и природных обьектов от вредного влияния

подземных горных работ при разработке меднорудных месторождений Урала

[Текст]: утв. Минцветметом СССР 28.02.77. - М.: МЦМ, 1978. - 43 с.

[58]. Richard E. Goodman (1989), Introduction to rock mechanics, University of

California at Berkeley, volum 2.

[59]. Steffen Schweikardt (2008). Dreidimensionale Finite-Elemente Simulation der

Standsicherheit von Auslaugungshohlräumen und deren geologische Bewertung

(Gipskeuper-Formation, Stuttgart-Bad Cannstatt). Institut fur Planetologie der

Universitat Stuttgart 2008.

[60]. Терстепанян Г.И. (1972), Геодезические методы изучения динамики оползней,

Изд. “Недра”, Москва.

[61]. Виттке В. Механика скальных пород [Текст]/ В. Виттке. - М.: Недра, 1988.-

439 с.

[62]. Сашупин А. Д. Результаты применения метода измерения напряжений

массива крепких горных пород на больших базах [Текст] / А. Д. Сашупин, Б.

А. Храмцов// Измерение напряжений в массиве горных пород: материалы

Всесоюз. семинара: в 3 ч.: ч.П.- Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1976. С.66-

70.

127

[63]. Сашурин А. Д (1995), Геомеханические модели и методы расчета сдвижения

горных пород при разработке месторождений в скальных массивах [Текст]:

дис.....д-ра техн. наук / А. Д. Сашурин; ИГД УрО РАН. - Екатеринбург, 1995. -

357 с.

[64]. Стройиздат (1967), Рекомендация по проектированию мероприятий для

защиты эксплуатируемых зданий и сооружений от влияния горных

выработок в основных угольных бассейнах, Москва.

[65]. Инструкция по наблюдениям за деформациями бортов, откосов уступов и

отвалов на карьерах и разработке мероприятий по обеспечению их

устойчивости [Текст] - Л.: ВНИМИ, 1971. - 187 с

[66]. Инструкция по наблюдениям за сдвижением горных пород и земной

поверхности при поземной разработке рудных мецторождений [Текст]/ утв.

Госгортехнадзором СССР 03.07.86. -М.: Недре, 1988. - 111 с.

[67]. Исследование характера деформаций обводненной толщи пород и разработка

мероприятий по обеспечению сохранности стволов и сооружений подьемного

комплекса Соколовского подземного рудника [Текст]: отьет о НИР /

ИГДМЧМ СССР; рук. Беркутов В. А. - Свердловск, 1981. - 111 с.

[68]. И.B.БAKAШOB (2004), Геомеханика. Том 1, Том 2 – Издательство MГГУ

2004

[69]. Г.В.ОРЛОВ (2010), Сдвижение горных пород и земной поверхности под

влиянием подземной разработки. Издательство MГГУ 2010

[70]. Фисенко Г.Л. (1954), “К вопросу о направлениях в исследовании деформации

горных пород”, Уголь, (7), Москва.

[71]. Фисенко Г.Л. (1976), Предельные состояния горных пород вокруг выработок,

Изд. “Недра”, Москва.

[72]. Фадеев А. Б. Метод конечных злементов в геомеханике [Текст] / А. Б.

Фадеев. -М.: Недра, 1987. -221 с.

[73]. ФУНГ МАНЬ ДАK (1989), Совершенствование технологии выемки мощных

наклонных угольных пластов в сложных горно-геологических условиях

128

Куангниньского месторождения. Диссертация ученной степени кандидата

технических наук. Ленинградский Горный Институт 1989г.

[74]. ВНИМИ (1967), Исследование сдвижения и деформации горных пород и

земной поверхности в Кузбассе, Прокопьевск.

[75]. ВНИМИ (1968), Правила охраны сооружений от вредного влияния

подземных горных разработок в Кузнецком угольном бассейне, Ленинград.

[76]. ВНИМИ (1969), Руководство по вопросам сдвижения горных пород в

кизеловском бассейне, Ленинград.

[77]. ВНИМИ (1971), Разработать методы расчета деформаций горных пород и

земной поверхности для установления оптимальных условий выёмки угольных

пластов под сооружениями и водными объектами и совершенствование мер

охраны сооружений и природных объектов, Донецк.

[78]. ВНИМИ (1973), Расчет сдвижения и деформации земной поверхности в

угольных бассейнах СССР, Москва.

[79]. ВНИМИ (1974), Разработать методы прогнозирования сдвижений и

деформаций при крутом и нарушенном залегании угольных пластов и

определения местоположения и размеров уступов на земной поверхности,

Донецк- Прокорьевск.

[80]. Flac User’guide

[81]. www.rocscience.com

http://www.rocscience.com/

nghiÊn cỨu xÂy dỰng mÔ hÌnh biẾn ĐỘng ĐỊa cƠ khu...

Documents