MỞ ĐẦU

Bản ghi

1 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

2 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: LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHÙNG MẠNH ĐẮC 2. TS. VƯƠNG TRỌNG KHA Hà Nội

3 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

4 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 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh Kết luận chương 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 Quan niệm về mô hình Định nghĩa về mô hình Các đặc trưng của mô hình Phân loại mô hình Ưu nhược điểm của các mô hình Nghiên cứu trên mô hình Xây dựng mô hình Nghiên cứu trên mô hình Kiểm chứng mô hình Điều chỉnh các tham số của mô hình Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ Các thông số trên mô hình địa cơ Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh... 49

5 2.5 Kết luận chương 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 Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động đá mỏ Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh Kết luận chương 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 Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada) Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi Phương pháp phân tích thống kê Phương pháp hồi quy tuyến tính Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi Kết luận chương

6 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 Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng dốc trên mô hình địa cơ Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường phương Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS TÀI LIỆU THAM KHẢO

7 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh Bảng 2.1: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với các khoáng sàng Ural và Cadacxtan Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với các khoáng sàng Ural và Caracxtan [74] Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển, C> 50% theo nhóm mỏ Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển trong lớp đất phủ Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ) Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ) Bảng 3.8: Xác định hệ số K Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ) Bảng 3.10: Giá trị góc 1 ở tử số, 2 ở mẫu số (độ) Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a Bảng 3.13: Hệ số N1, N Bảng 3.14: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò ở các mỏ than Quảng Ninh... 74

8 Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào của RocData Bảng 4.6: Kết quả tính mô đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi Bảng 4.8: Kết quả tính mô đun đàn hồi các loại đá Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa Bảng 5.3: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển

9 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 Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b) Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá nguyên thủy ở độ sâu H Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ 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 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] Hình 2.14: Các phương pháp số trong địa kỹ thuật [10] Hình 3.1: Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên Hình 4.1: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá cát kết... 76

10 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 Hình 4.4: Xác định mô đun đàn hồi E cho than Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp Hình 4.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp Hình 4.8: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp Hình 4.9: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 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 Hình 4.12: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp Hình 4.13: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp Hình 4.14: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp Hình 4.15: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp Hình 4.16: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá sét kết Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V Hình 5.2: Bản đồ khu vực khai thác mỏ than Nam Mẫu 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 Hình 5.4: Sơ đồ tính toán 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 Hình 5.8: Biểu đồ mô tả biến dạng ngang Hình 5.9: Biểu đồ xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc Hình 5.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất và góc dịch chuyển

11 Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá 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 Hình 5.15: Sự phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ khai thác Hình 5.16: Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ Hình 5.19: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ Hình 5.20: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ Hình 5.21: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ Hình 5.22: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ Hình 5.23: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 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 Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ Hình 5.28: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ Hình 5.29: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ Hình 5.30: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ Hình 5.32: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ Hình 5.33: Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất và lớp đá vách cơ bản Hình 5.34: Giá trị độ lún trên bề mặt đất Hình 5.35: Giá trị độ lún trên nóc lò chợ 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

12 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 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2020 và 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

13 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.

14 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 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 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

15 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.

16 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

17 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 RS 2 dùng trong luận án này. Xin trân trọng cảm ơn!

18 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]

19 8 2 y x 1 z z z xy yx yz yz xz xy x y x y xy x yx yx xy x y Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ Trong đó: σ 1, σ 2: ứng suất pháp theo trục x, y ε x, ε y: 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. y

20 9 2 =1 2 =1 1 =1 1 =2 2 =0 2 =-1 1 =1 1 =1 2 =-2 2 =-1 1 =2 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.

21 10 T T1 5 4 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

22 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 1 = I II 2 = -1 2 = -1 b 1 = I II 2 = -3 2 = -3 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.

23 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.

24 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

25 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 > 70 o, góc dốc của vỉa bằng 35 o 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,

26 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 , 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

27 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 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 47 o 50 o [3, 4].

28 2V 3V 4V 6V 7V 8V 9V 10V 11V 12V 13V 14V 16V 17V 18V V V 21V 22V 23V 24V 25V 26V 27V 28V 29V 30V 32V 33V 34V 35V 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 (m) (mm) = = "= = "= = = = VØa 9 VØa 8 VØa é lón 1-2 é lón 1-3 Kho ng c ch K/c céng dån Tªn ióm 1V 0.0 5V V V 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 9 b 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

29 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 D16 D17 D18 D19 D20 D21 D22 D23 D24 D25 D26 D27 D28 D29 D30 D31 D32 D34 D35 D36 D37 D38 D38' D TuyÕn D é cao Chªnh löch kho ng c ch Kho ng c ch céng dån Tªn ióm Dinh " D " 72 Vïng khai th c læp l¹i 66 D36' D D 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 M? T C? T Ð?A HÌNH TUY? N NGHIÊN C? U D?CH CHUY? N BI? N D? NG V?A 10 dạng thể hiện hình 1.8 M? THAN HÀ L? M TUY? N VI Ð? cao Kho?ng cách(m) Kho?ng cách c?ng d?n Tên di?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.

30 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 Góc dịch Ghi chú cố ( f ) chuyển δ Mỏ Mạo Khê Không phụ thuộc vào góc dốc và chiều dày vỉa Mỏ Nam Mẫu Mỏ Hà Lầm Ảnh hưởng do khai thác lặp lại Mỏ Mông Dương o 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

31 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

32 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.

33 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 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 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

34 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 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 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.

35 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 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

36 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 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

37 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 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 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

38 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 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 = k 1. (2.2)

39 28 σ3 σ1 σ2 σ2 σ1 σ3 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

40 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 II a II b IIIa III b 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)

41 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

42 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 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]

43 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

44 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 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

45 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]

46 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

47 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] 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

48 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

49 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

50 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, 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

51 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 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 Độ Kích thước vùng Kích thước vùng biến Khoáng sàng Tỉ số sâu kích hoạt, (m) dạng trong, (m) khu vực R/r (m) A B R A B R Phía bắc Phía đông bắc Gorovla Molodedz 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 m, 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: m, xác định theo nguyên lý Kenvil là 1300m - Kích thước trung bình vùng biến dạng trong của munda dịch chuyển dao động 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

52 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. Khoáng sàng khu vực Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với các Bán kính vùng kích hoạt r, (m) khoáng sàng Ural và Caracxtan [64] Bán kính vùng theo nghiên cứu hiện trường Bán kính vùng ảnh hưởng R, (m) Tiêu chuẩn theo độ chính xác Tiêu chuẩn 5% biến dạng Theo tiêu chuẩn 5% Tỉ lệ R/r Theo tiêu chuẩn độ chính xác Mỏ chính Mỏ Gorovla Phía bắc Đông bắc 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 m hoặc bằng 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 m, tức là bằng 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 lần bán kính vùng kích hoạt - Vùng biến dạng bên ngoài bằng lần bán kính vùng kích hoạt

53 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

54 43 như tương đương với ứng suất và biến dạng của chính thể tích này trong mô hình môi trường liên tục lý tưởng 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 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

55 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 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

56 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] 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 Hình 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

57 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

58 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

59 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.

60 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 Kết luận chương 2 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.

61 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

62 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]: = q m (3.1) m. I m = Ci. m H (3.2)

63 52 Trong đó: I, K,, - m m m m m K = (3.3) m Ck. H m2 m a0. m = (3.4) m = C. m H (3.5), : 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 - q Ci, Ck, a, C, 0 : Các hệ số thực nghiệm được xác định bằng quan trắc đo đạc thực tế. Thường hệ số q dao động từ (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: C i = 1. 6 C = ( ) cos a 0 = = tg h H : 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

64 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: S 2 MAX 2 r = e ds r (3.6) max: độ lún tương ứng với khai thác hoàn toàn, r = H tg 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). a) L b) x o A x o x a L =1 1 A x 1 m 1 o 1 y y x max 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

65 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 f (x) của một nửa bồn dịch chuyển. Do điều X = 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 X lún không có thứ nguyên bằng cách theo trục hoành đặt tỷ lệ ( ) và trục tung L ( x ) từ đó ta có công thức [23]: max x max x = ( ) = S( z L x ) (3.7) hoặc. S( z ) = (3.8) x max x 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: q m. N.. cos 0. 1 N2 Trong đó: q0 độ lún cực đại tương đối m = (3.9)

66 55 : là góc dốc vỉa N = và N 2 = n2, n1 và n2 là hệ số khai thác dưới mặt đất. 1 n 1 - Độ nghiêng i x tại điểm bất kỳ ở mặt cắt chính bồn dịch chuyển xác định theo công thức: I x = ƞ m L S (Z x ) - Độ cong Kx xác định theo công thức: (3.10) k x = ƞ m L 2 S (Z x ) - Dịch chuyển ngang ξx được xác định theo công thức: (3.11) =.5a.. F( z ) (3.12) x 0 0 m x Trong đó: a0 là dịch chuyển ngang tương đối - Biến dạng ngang εx được xác định theo công thức: m ' x = 0.5. a0. F ( z x ) (3.13) L 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 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: f c = m ci m f ci ci.10 2 (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:

67 56 f m = m mi m f mi mi.10 + Tính hệ số kiên cố địa tầng chứa than: 30 f C + 70 f m f = Xác định hệ số A: A = + Xác định hệ số C: + Xác định hệ số D: Trong đó: f f m C 2 (3.15) (3.16) (3.17) Mc C% = (3.18) Mc + Mm Mm D% = (3.19) Mc + Mm 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.

68 57 b. Lựa chọn nhóm mỏ theo hệ số kiên cố địa tầng f. fm Nếu A = 0, 5 thì nhóm mỏ được chọn theo bảng 3.1. Nếu A 0,5 thì phải f C 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 Trung bình Hệ số kiên cố đất đá f Khoảng dao chuyển TB (độ) Nhóm mỏ 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.

69 58 Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa Nhóm mỏ Góc dốc vỉa (độ) II III IV V VI VII VIII Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ Nhóm mỏ Chiều dày vỉa (m) Góc dốc vỉa (độ) II-V VI VII VIII < < < <

70 59 Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển, C> 50% theo nhóm mỏ Nhóm mỏ Góc dốc vỉa (độ) VII VIII 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 = 45 0 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 < > , Góc giới hạn o, o, o đối với vùng chưa khai thác được xác định trong bảng Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ) Nhóm khoáng sàng I II III IV V VI VII VII o, o

71 60 Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ) 0 Góc gốc vỉa (độ) 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 và lớn hơn I II III IV V 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

72 61 Nhóm khoáng sang Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ) H (mét) Đến Lớn hơn 900 I II III IV V 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) 3 = = = 65 0, Độ, Độ, Độ, Độ

73 62 - Độ lún cực đại tương đối q0 phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng, độ sâu khai thác trung bình, và tỷ số Nhóm khoáng sàng I H (mét) h + 0.5h H m, giá trị q0 thể hiện bảng 3.11 Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0 Nhỏ hơn 0,20 0,20 0,40 h + 0.5h 0,41-0,60 H m 0,61-0,70 0,71-0,80 Lớn hơn 0, II < 200 III IV V VI VIII tỷ số Đến và lớn hơn Dịch chuyển ngang cực đại tương đối ao phụ thuộc vào nhóm khoáng sàng và h + 0.5h H m, giá trị của ao thể hiện bảng 3.12 Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0 Nhóm khoáng sàng h + 0.5h H Nhỏ hơn 0,10 0,11 0,20 0,21 0,30 0,31 0,40 Lớn hơn 0,40 m I II III IV-V VI VII VIII 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.

74 63 Bảng 3.13: Hệ số N1, N2 D H Nhóm khoáng sang 2 và lớn hơ n 1,6 1,2 1,0 0,8 0,7 0, và nhỏ hơn I II III IV V VI VII VIII 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 - Trị số độ nghiêng ƞ = H (i-1) H (i) (3.21) i = η i η (i 1) l tb (3.22) - Trị số độ cong khúc độ K ii i K = l tb - Trị số biến dạng ngang d ε = l 2 i 1 d 1 (3.23) (3.24) - Trị số dịch chuyển ngang: + Trị số dịch chuyển theo trục x

75 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 2 ξ = σx + - Véc tơ dịch chuyển: + Trị số 2 b = ξ + η σy 2 2 (3.27) (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: li li 1 ( l tb = ) 2 - 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

76 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 Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được Tên góc Độ Tên góc Độ Chưa Chưa Độ cứng địa tầng khu vực f = 6.9 Góc dốc vỉa = Chưa Chưa Chưa Chưa q0 07 q0 Chưa a0 03 a0 Chưa Ƞmax 1080 (m)

77 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 Góc dịch chuyển ước tính Góc dịch chuyển đo được Tên góc Độ Tên góc Độ Độ cứng địa tầng khu vực f = Góc dốc vỉa = đất phủ mỏng 2m Chưa Chưa q0 0.7 q0 Chưa a0 03 a0 Chưa Hs 100 Hs 100 Độ lún Ƞmax 2432 (m) Thời gian Thời gian bắt đầu Thời gian bắt đầu dịch tháng dịch dịch chuyển lên mặt chuyển lên mặt đất tháng chuyển đất Hcp=100- Thời gian dịch chuyển 4-6 Thời gian dịch 5-7 tháng 150 nguy hiểm tháng chuyển nguy hiểm Tốc độ lò Thời gian dịch chợ từ 15- Thời gian dịch chuyển tháng chuyển cực mạnh 20m/ tháng cực mạnh tháng Thời gian chung quá trình dịch chuyển 13 tháng Thời gian chung quá trình dịch chuyển tháng

78 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 = ƞ i ƞ m, S Z = i i ƞ ml, S Z = k i ƞ m L 2 i ' i F( z) = ; F ( z) = 0,5a 0, 5a 0 m 0 m (3.29) L 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, ,00 0,04 1,40 0,02-0,12

79 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, ,00 0,00 0,00 0,00 0, Kết luận chương 3 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.

80 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 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.

81 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 km 2. 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 m). 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 điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lò đặc trưng khu vực Hòn Gai đó là: Hà Lầm và Hà Tu

82 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 120km 2. 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 m). Đặc điểm cấu trúc địa chất một số khoáng sàng tiêu biểu khai thác than hầm lò 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 Bột kết 42 3 Sét kết 31 4 Than 17.1

83 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] 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 Độ bền nén đơn trục Hệ Chất lượng khối đá (lớp đá) Nhóm dày số khối mẫu đá (MPa) phân kiên đá lớp max min Trung cố f RQD RMR Q theo (cm) bình RMR max min max min max min Sạn kết ,52 III-II Cát kết ,9 99,6 114, ,35 1,72 III-II Bột kết ,0 38,1 85, ,46 0,84 IV-III Sét kết , ,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)

84 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) min max tb Nhóm khối đá Lực dính kết ckđ (MPa) Góc ma sát trong kđ (độ) Mô đun biến dạng Ekđ (GPa) Sạn kết III-II 0,2-0,3-0, , Cát kết 125,9 99,6 114,2 III-II 0,2-0,3-0, , Bột kết 100,0 38,1 85,0 IV-III 0,1-0,2-0, ,778-5,6-20 Sét kết 18, V-IV <0,1-0,1-0,2 < <1,778-5,6 Nhóm khối đá Lực dính kết ckđ Góc ma sát trong kđ (độ) Độ bền nén Nkđ Độ bền kéo Kkđ Mô đun biến dạng E (GPa) (MPa) (MPa) (MPa) III-II 0,2-0,3-0, ,52-1,93 0,254-0,332 5, III-II 0,2-0,3-0, ,52-1,93 0,254-0,332 5, IV-III 0,1-0,2-0, ,261-1,52 0,153-0,313 1,778-5,6-20 V-IV <0,1-0,1-0,2 < <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, ,52-1,93 0,254-0, III 0,2-0, ,52-1,93 0,254-0,332 5, IV 0,1-0, ,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

85 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. Loại đá Cuội kết Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò Mật độ Nđ đ (MPa) (g/cm3 2,54-2,60 78,8-92,5 ở các mỏ than Quảng Ninh Kđ (MPa) 6,56-11,20 cđ (MPa) đ (độ) Eđ (GPa) Số khn/ m RQD RMR 7,6-15, ,2-19, ,58-2,60 68,5-93,2 2,56-2,62 78,7-93,5 2,59-2,62 82,2-97,8 5,32-9,40 6,56-11,20 5,89-9,72 5,6-12, ,2-9, ,7-15, ,2-19, ,0-11, ,0-6, ,58-2,61 77,7-112,6 6,78-10,5 22,2-38, , ,60-2,61 82,3-106,8 6,65-8,89 14,5-31, ,8-19, ,60-2,63 63,8-93,3 5,79-9,32 12,1-32, ,2-15, ,58-2,62 78,9-98,9 7,34-11,3 8,8-22, ,2-20, Cát kết 2,59-2,59 82,2-108,9 5,20-7,36 9,6-23, ,0-8, ,58-2,62 67,3-83,2 5,54-7,46 13,7-14, ,7-7, Bột kết 2,58-2,60 41,6-54,5 4,61-5, , ,57-2,59 37,4-46,5 3,23-3,98 5,3-8, ,7-6, ,57-2,62 52,5-64,8 4,25-6,13 6,2-29, ,8-6,

86 75 2,60-2,61 43,7-56,2 3,55-6,12 7,2-8, ,2-5, ,59-2,63 41,6-46,0 2,60-2,63 43,0-55,5 3,68-5,97 4,26-6,67 8,2-10, ,3-6, = ,6-14, ,8-7, ,60-2,61 37,2-45,6 3,91-5,72 5,7-12, ,9-7, Sét kết 2,56-2,59 32,2-51,2 3,57-5,23 6,1-9, ,7-7, ,59-2,65 31,2-55,5 4,21-6,32 7,1-8, ,4-6, ,58-2,62 42,1-61,2 5,32-9,12 6,8-11, ,3-7, 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 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

87 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 Bột kết Sét kết Than 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

88 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

89 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 Bột kết Sét kết Than Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất 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

90 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] 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 = MPa, sét kết có E = MPa tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi

91 80 TH2: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E= MPa, bột kết có E = MPa, sét kết có E = MPa bằng 70% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH3: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E= MPa, bột kết có E = MPa, sét kết có E = MPa bằng 50% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH4: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E= MPa, bột kết có E = MPa, sét kết có E = MPa bằng 125% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH5: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E=634.5 MPa, bột kết có E = MPa, sét kết có E = MPa bằng 30% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi TH6: Xây dựng mô hình địa cơ với mô đun đàn hồi của các loại đá cát kết có E= MPa, bột kết có E = MPa, sét kết có E = MPa bằng 10% hệ số đàn hồi tính được từ Rocdata, hệ số Poisson ʋ không đổi 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, 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 Kết quả xác định độ lún cực đại và mô đun đàn hồi TT Loại đá Giá trị TH1 TH2 TH3 TH4 TH5 TH6 1 Cát kết E (MPa) Bột kết E (MPa) Sét kết E (MPa) Than E (MPa) Ƞ(m)

92 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

93 82 Hình 4.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 2 Hình 4.8: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 2

94 83 Hình 4.9: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 3 Hình 4.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 3

95 84 Hình 4.11: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 4 Hình 4.12: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 4

96 85 Hình 4.13: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 5 Hình 4.14: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 5

97 86 Hình 4.15: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 6 Hình 4.16: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 6 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

98 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi 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 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:

99 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

100 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*x 2 i + 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 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

101 neta neta E Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết E Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết

102 neta E 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+EX 2 + EX 3 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= E (E) (E) 3 (4.4) Đát bột kết xác định phương trình 4.5 Ƞ= E (E) (E) 3 (4.5) Đát sét kết xác định phương trình 4.6 Ƞ= E (E) (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 EC

103 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) 4.4 Kết luận chương 4 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.

104 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 B C D

105 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 Vỉa than STT Các thông số của lò chợ Đơn vị Vỉa 7 1 Mức khai thác m Chiều dày vỉa m 8 3 Góc dốc vỉa độ Chiều dày đất phủ m 10 5 Chiều dài lò chợ theo hướng dốc m Chiều dài lò chợ theo phương m Chiều sâu trung bình của lò chợ m Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V [24]

106 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

107 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 m. 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 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.

108 3800 M y chuyón t i : Lß däc vøa th«ng giã A G nh t ng c êng cét TL + xµ thðp G nh t ng c êng cét TL + xµ thðp MÆt c¾t A - A Lß däc vøa th«ng giã Dµn chèng Cét TL + xµ thðp Lß däc vøa vën t i B B : C C M ng cµo tr íc 3800 M y chuyón t i M ng cµo sau Dµn chèng d d sö dông dµn thu håi kióu 02 m ng cµo sö dông dµn thu håi kióu 01 m ng cµo MÆt c¾t b - b MÆt c¾t b - b : MÆt c¾t c - c MÆt c¾t c - c MÆt c¾t d - d MÆt c¾t d - d Lß däc vøa vën t i A G nh t ng c êng cét TL + xµ thðp 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 MPa lấy trung bình 114 MPa, bột kết dao động từ MPa lấy trrung bình 42 MPa, sét kết dao động từ 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

109 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 Lực dính kết C (MPa) Góc nội ma sát trong φ (độ) (MPa) 1 Cát kết Bột kết Sét kết Than 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 RS 2 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 C φ 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

110 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 Véc tơ dịch chuyển theo thời gian thể hiện hình Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình thể hiện hình Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình thể hiện Biểu đồ phân bố vùng phá hủy thể hiện hình 5.14 Hình 5.4: Sơ đồ tính toán

111 100 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

112 101 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 = 47 0 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.

113 102 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 trị càng bé thể hiện vùng đất đá chịu nén.

114 103 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

115 104 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

116 105 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.

117 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.19: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 5

118 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.20: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 6 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.21: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 7 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.22: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 8

119 Sigma 1 MPa Shear Tension Hình 5.23: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 10 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

120 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 Vertical Displacement m -9.00e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.25: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khi khai thác lò chợ ban đầu Vertical Displacement m -1.05e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 2

121 Vertical Displacement m -1.05e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 5 Vertical Displacement m -1.20e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.28: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 6 Vertical Displacement m -1.20e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.29: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 7

122 Vertical Displacement m -1.35e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.30: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 8 Vertical Displacement m -1.35e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 9 Vertical Displacement m -1.35e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension Hình 5.32: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 10

123 e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e e Vertical Displacement m -1.35e e e e e e e e e e e+000 Shear Tension 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