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

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích cơ bản của luận án này là 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 hóa khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIẾN ĐỘNG ĐỊA CƠ KHU VỰC LÒ CHỢ CƠ GIỚI KHAI THÁC VỈA DÀY Ở MỘT SỐ MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT PHẠM VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH BIẾN ĐỘNG ĐỊA CƠ KHU VỰC LÒ CHỢ CƠ GIỚI KHAI THÁC VỈA DÀY Ở MỘT SỐ MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. PHÙNG MẠNH ĐẮC 2. TS. VƯƠNG TRỌNG KHA Hà Nội - 2018
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Phạm Văn Chung
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC .........................................................................................................................7 1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới ............................................................................................................7 1.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh .......................14 1.3 Kết luận chương 1 ...............................................................................................20 CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH ĐỊA CƠ TRONG NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC . 22 2.1 Quan niệm về mô hình ........................................................................................22 2.1.1. Định nghĩa về mô hình ....................................................................................22 2.1.2. Các đặc trưng của mô hình .............................................................................22 2.1.3. Phân loại mô hình ...........................................................................................23 2.1.4. Ưu nhược điểm của các mô hình ....................................................................23 2.2 Nghiên cứu trên mô hình .....................................................................................24 2.2.1. Xây dựng mô hình ............................................................................................24 2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình .................................................................................25 2.2.3. Kiểm chứng mô hình .......................................................................................26 2.2.4. Điều chỉnh các tham số của mô hình ..............................................................26 2.3 Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá ..............27 2.3.1. Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ .........................................................27 2.3.2. Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ ......................................31 2.3.3. Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ ...........................................................33 2.3.4. Các thông số trên mô hình địa cơ ...................................................................36 2.3.5. Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ ............................................42 2.3.6. Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ ....................................................43 2.3.7. Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng ...............................44 2.4 Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh ............49
2.5 Kết luận chương 2 ...............................................................................................49 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC HÀM ĐƯỜNG CONG TIÊU CHUẨN TỪ SỐ LIỆU QUAN TRẮC Ở CÁC MỎ THAN HẦM LÒ QUẢNG NINH ................. 50 3.1 Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu ..............................................................50 3.2 Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn ............................51 3.3 Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển ................................................55 3.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động đá mỏ .........................................................................................................................55 3.3.2. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển............................................63 3.4 Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh.............................67 3.5 Kết luận chương 3 ...............................................................................................68 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ LÚN CỰC ĐẠI XÁC ĐỊNH TỪ KẾT QUẢ QUAN TRẮC THỰC ĐỊA VỚI MÔ ĐUN ĐÀN HỒI KHỐI ĐÁ MỎ ......................................................................................................................69 4.1 Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh ..........................69 4.1.1 Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu ............................................69 4.1.2 Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh ............72 4.1.3 Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata .........................................75 4.2. Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất ........................78 4.2.1 Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada) ..78 4.2.2. Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán ..............................................79 4.2.3 Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ ...............................80 4.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi .........................87 4.3.1 Phương pháp phân tích thống kê .....................................................................87 4.3.2 Phương pháp hồi quy tuyến tính ......................................................................87 4.3.3 Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi ......................89 4.4 Kết luận chương 4 ...............................................................................................92
CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ĐỊA CƠ NGHIÊN CỨU QUY LUẬT DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC LÒ CHỢ VỈA V7 MỎ THAN NAM MẪU QUẢNG NINH................... 93 5.1 Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu .....................................................93 5.2 Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than .......................................................................................................95 5.3 Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu ....................97 5.4 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng dốc trên mô hình địa cơ .............................................................................................98 5.5 Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường phương.....................................................................................................................104 5.6 Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa………………….112 5.7 Kết luận chương 5 .............................................................................................115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS................................................................................................................118 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................121
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các góc dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh ..................................19 Bảng 2.1: Thông số hình học vùng biến dạng trong đối với các khoáng sàng Ural và Cadacxtan ..................................................................................................................40 Bảng 2.2: Thông số hình học vùng biến dạng ngoài đối với các khoáng sàng Ural và Caracxtan [74] ...........................................................................................................41 Bảng 3.1: Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá ..................................................57 Bảng 3.2: Xác định góc dịch chuyển  theo nhóm mỏ và góc dốc vỉa .....................58 Bảng 3.3: Xác định góc dịch chuyển 1 theo nhóm mỏ ............................................58 Bảng 3.4: Xác định góc dịch chuyển  , C> 50% theo nhóm mỏ .............................59 Bảng 3.5: Xác định góc dịch chuyển  trong lớp đất phủ ........................................59 Bảng 3.6: Xác định góc giới hạn o, o (độ) ..............................................................59 Bảng 3.7: Xác định góc giới hạn 0 (độ) ...................................................................60 Bảng 3.8: Xác định hệ số K1 .....................................................................................60 Bảng 3.9: Xác định góc 3 (độ) ................................................................................61 Bảng 3.10: Giá trị góc 1 ở tử số, 2 ở mẫu số (độ) .................................................61 Bảng 3.11: Độ lún cực đại tương đối q0 ....................................................................62 Bảng 3.12: Dịch chuyển ngang cực đại tương đối a0 ................................................62 Bảng 3.13: Hệ số N1, N2 ...........................................................................................63 Bảng 3.14: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết .......................................................65 Bảng 3.15: So sánh kết quả đo đạc và lý thuyết .......................................................66 Bảng 3.16: Hàm đường cong tiêu chuẩn ...................................................................67 Bảng 3.17: Hàm đường cong tiêu chuẩn ...................................................................68 Bảng 4.1: Kết quả thí nghiệm nén đơn trục các loại đá ............................................71 Bảng 4.2: Một số kết quả phân tích mức độ ổn định các lớp đá ở Quảng Ninh .......72 Bảng 4.3: Dữ liệu về tham số cơ học cho các lớp đá, xác định dựa theo RMR .......73 Bảng 4.4: Điều kiện địa cơ học khối đá ở một số đường lò ở các mỏ than Quảng Ninh .............................................................................................. 74
Bảng 4.5: Dữ liệu đầu vào của RocData ...................................................................76 Bảng 4.6: Kết quả tính mô đun đàn hồi E theo tiêu chuẩn Hoek - Brown ...............78 Bảng 4.7: Giá trị độ lún cực đại và mô đun đàn hồi .................................................80 Bảng 4.8: Kết quả tính mô đun đàn hồi các loại đá .................................................. 91 Bảng 5.1: Tọa độ giới hạn khu vực trạm quan trắc ...................................................93 Bảng 5.2: Điều kiện địa chất vỉa 7 ............................................................................94 Bảng 5.3: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu theo Rockdata ...................98 Bảng 5.4: Kết quả xác định E, C, φ mỏ than Nam Mẫu ...........................................98 Bảng 5.5: Kết quả so sánh các giá trị dịch chuyển ................................................. 114
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ ...........................................8 Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau.....................................................................................................................9 Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ .....10 Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b) ...............................................................................11 Hình 1.5: Sơ đồ phân bố vùng dịch chuyển biến dạng đất đá ...................................16 Hình 1.6: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Nam Mẫu ...................17 Hình 1.7: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Mạo Khê ....................18 Hình 1.8: Các góc dịch chuyển biến dạng khu vực mỏ than Hà Lầm ......................18 Hình 2.1: Mô hình hóa vật thể địa chất trong các lĩnh vực khác nhau .....................25 Hình 2.2: Nghiên cứu thực thể thông qua mô hình ...................................................25 Hình 2.3: Mô hình địa cơ đơn giản với véc tơ ứng lực khối đá nguyên thủy ở độ sâu H ..........28 Hình 2.4: Sơ đồ xuất hiện áp lực tựa .........................................................................28 Hình 2.5: Phạm vi và vùng chịu ảnh hưởng xung quanh lò chợ ...............................29 Hình 2.6: Sơ đồ phân bố ứng lực đất đá vùng lò chợ................................................30 Hình 2.7: Vùng sập đổ, uốn võng của khối đá mỏ…………………………………31 Hình 2.8: Mô hình vật lý đá mỏ……………………………………………………32 Hình 2.9: Phân loại mô hình địa cơ………………………………………………...33 Hình 2.10: Các thành phần chính của mô hình địa cơ ..............................................35 Hình 2.11: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trường hợp khai thác lộ thiên vỉa dốc dày .37 Hình 2.12: Sơ đồ mô hình dịch chuyển trong trường hợp khai thác hầm lò vỉa dày 37 Hình 2.13: Mô hình địa cơ tổng quát khoáng sàng đang khai thác, phục vụ việc quan trắc kiểm tra quá trình dịch chuyển [75] ...................................................................44 Hình 2.14: Các phương pháp số trong địa kỹ thuật [10] ...........................................45 Hình 3.1: Đường cong lún thực tế và đường cong lún không thứ nguyên ...............53 Hình 4.1: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá cát kết ...............................................76
Hình 4.2: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá bột kết ...............................................77 Hình 4.3: Xác định mô đun đàn hồi E cho đá sét kết ................................................77 Hình 4.4: Xác định mô đun đàn hồi E cho than ........................................................78 Hình 4.5: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 1 ....................................81 Hình 4.6: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 1 ..........................................81 Hình 4.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 2 ....................................82 Hình 4.8: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 2 ..........................................82 Hình 4.9: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 3 ....................................83 Hình 4.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 3…………………………81 Hình 4.11: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 4 ..................................84 Hình 4.12: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 4 ........................................84 Hình 4.13: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 5 ..................................85 Hình 4.14: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 5 ........................................85 Hình 4.15: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá trong trường hợp 6 ..................................86 Hình 4.16: Biểu đồ độ lún bề mặt đất trong trường hợp 6 ........................................86 Hình 4.17: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá cát kết ..............90 Hình 4.18: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá bột kết ..............90 Hình 4.19: Biểu đồ tương quan độ lún với mô đun đàn hồi của đá sét kết ...............91 Hình 5.1: Mặt cắt tuyến địa chất V ...........................................................................94 Hình 5.2: Bản đồ khu vực khai thác mỏ than Nam Mẫu .......................................... 95 Hình 5.3: Sơ đồ công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ trụ hạ trần thu hồi than nóc .................................................................................................. 97 Hình 5.4: Sơ đồ tính toán ..........................................................................................99 Hình 5.5: Nhập các thông số cho mô hình ..............................................................100 Hình 5.6: Quá trình chạy vòng lặp tính dịch chuyển biến dạng .............................100 Hình 5.7: Biểu đồ độ lún các lớp đất đá do ảnh hưởng khai thác hầm lò ...............100 Hình 5.8: Biểu đồ mô tả biến dạng ngang ...............................................................101 Hình 5.9: Biểu đồ xác định góc dịch chuyển theo hướng dốc ................................101 Hình 5.10: Biểu đồ độ lún bề mặt đất và góc dịch chuyển .....................................102
Hình 5.11: Biểu đồ dịch chuyển biến dạng của các lớp đất đá ...............................102 Hình 5.12: Biểu đồ biểu diễn véc tơ dịch chuyển theo thời gian ............................103 Hình 5.13: Biểu đồ phân bố các phần tử hữu hạn trong mô hình ...........................103 Hình 5.14: Biểu đồ phân bố các vùng phá hủy .......................................................103 Hình 5.15: Sự phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ khai thác ............................104 Hình 5.16: Mô hình tính toán lò chợ cơ giới hóa theo đường phương ...................105 Hình 5.17: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại lò chợ ban đầu .............................106 Hình 5.18: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 2 ...............................106 Hình 5.19: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 5 ...............................106 Hình 5.20: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 6 ...............................107 Hình 5.21: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 7 ...............................107 Hình 5.22: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 8 ...............................107 Hình 5.23: Biểu đồ mô tả ứng suất chính 1 tại khẩu độ thứ 10 .............................108 Hình 5.24: Quy luật phân bố ứng suất chính σ1 tại các khẩu độ………………….105 Hình 5.25: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khi khai thác lò chợ ban đầu ....109 Hình 5.26: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 2 ......................109 Hình 5.27: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 5 ...........................110 Hình 5.28: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 6 ...........................110 Hình 5.29: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 7 ...........................110 Hình 5.30: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 8 ...........................111 Hình 5.31: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá tại khẩu độ thứ 9 ......................111 Hình 5.32: Dịch chuyển biến dạng các lớp đất đá khẩu độ thứ 10 .........................111 Hình 5.33: Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất và lớp đá vách cơ bản.............112 Hình 5.34: Giá trị độ lún trên bề mặt đất ................................................................112 Hình 5.35: Giá trị độ lún trên nóc lò chợ ................................................................112 Hình 5.36: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo hướng dốc ............................... 114 Hình 5.37: Giá trị độ lún và góc dịch chuyển theo đường phương......................... 114
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Để đáp ứng nhu cầu than cho nền kinh tế quốc dân, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định 403/QĐ-TTg ngày 14/03/2017 về Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, theo đó toàn ngành phải cung cấp cho nền kinh tế quốc dân 47 - 50 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2020 và 55 - 57 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2030, trong đó chủ yếu sản lượng được khai thác từ các mỏ than hầm lò [9]. Nhằm nâng cao sản lượng và mức độ an toàn trong khai thác, tăng năng xuất lao động với giá thành cạnh tranh trong cơ chế thị trường, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam đang triển khai tích cực chương trình cơ giới hoá khấu than lò chợ với việc áp dụng thử nghiệm hàng loạt các lò chợ cơ giới hoá ở các mỏ Khe Chàm, Dương Huy, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu… và bước đầu đã có những kết quả rất đáng khích lệ, mở ra triển vọng lớn về phát triển công nghệ cơ giới hoá khai thác các mỏ than hầm lò Quảng Ninh. Hiệu quả áp dụng công nghệ cơ giới hoá nói chung, và đặc biệt khi khai thác các vỉa dày phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ, sản trạng các vỉa than, tính chất và quy luật phát triển áp lực mỏ xung quanh khu vực lò chợ cũng như quá trình biến dạng, sập đổ của khối đá trong địa tầng nằm trên trên khu vực lò chợ. Thực tế hoạt động của các lò chợ cơ giới hoá khai thác các vỉa dày với sơ đồ công nghệ khấu than lò chợ lớp trụ, hạ trần thu hồi than nóc như hiện nay ở các công ty than Khe Chàm, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu v.v… đã tạo ra những khoảng không gian khai thác lớn do các vỉa than rất dày, thường dao động 7 - 20m. Hậu quả là sự biến dạng, phá huỷ và sập đổ của khối than nóc và đá vách trong quá trình khai thác xảy ra mạnh mẽ hơn nhiều so với trường hợp khai thác các vỉa có chiều dày trung bình và mỏng, thường xuyên xảy ra các hiện tượng như lở gương, rỗng nóc lò chợ, sụt lún bề mặt đất, dẫn đến nước chảy vào lò với lưu lượng lớn, đặc biệt vào mùa mưa, gây ách tắc quá trình sản xuất, giảm mức độ an toàn lao
2 động và hiệu quả làm việc của đồng bộ thiết bị cơ giới hoá. Các thông số như chiều cao vùng sập đổ, vùng phá huỷ tách lớp, vùng biến dạng uốn võng cũng như quy luật sập đổ và bước gẫy của đá vách trực tiếp và cơ bản, độ lún và kích thước bồn dịch chuyển trên bề mặt v.v… là những thông số quan trọng phục vụ cho tính toán điều khiển khối đá mỏ, nhưng trong thực tế khai thác các vỉa dày ở mỏ hầm lò Quảng Ninh còn chưa được nghiên cứu. Đặc điểm cơ bản của mô hình địa cơ là: (i) việc mô phỏng 3 chiều của khối đá trong môi trường liên tục đồng nhất, hoặc không đồng nhất thông qua các tính chất biến dạng trong môi trường, mô hình có thể giả định các tính chất của khối đá mỏ tự nhiên và đặc tính biến dạng của chúng. (ii) Nhận trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá mỏ làm điều kiện biên để tính toán mô hình địa cơ. (iii) Nguồn kích hoạt trạng thái ứng suất là khoảng trống khai thác được đặc trưng bằng các thông số hình học trong không gian 3 chiều. Hiện nay, các nghiên cứu lý thuyết dựa trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn để xác định trạng thái ứng suất biến dạng trên mô hình địa cơ khối đá mỏ, đặc biệt khi kết hợp phương pháp này với phương pháp nghiên cứu bằng quan trắc thực địa có thể xác định được các thông số dịch chuyển, biến dạng và sập đổ của khối đá mỏ như nêu ra ở trên trong vùng ảnh hưởng của lò chợ với độ tin cậy và chính xác cần thiết, phục vụ cho việc đề ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý. Với sự hỗ trợ của phương pháp số, ứng dụng mô hình địa cơ cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi nghiên cứu quy luật và tính chất dịch chuyển đất đá mỏ trong khu vực lò chợ cơ giới hóa. Với phương pháp luận giải trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh” đã được lựa chọn là xuất phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa thực tiễn. Ý tưởng khoa học của đề tài luận án là: Xác định mô hình địa cơ khối đá mỏ tiệm cận gần đúng với môi trường địa chất khối đá tự nhiên thông qua nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của khối đá mỏ với độ lún cực đại bề mặt đất theo kết quả quan trắc thực địa.
3 2. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu 2.1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa cơ để xác định các quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của lò chợ cơ giới hoá khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh. 2.2. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan về mô hình địa cơ khối đá mỏ; - Nghiên cứu điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá vùng than Quảng Ninh; - Nghiên cứu phương pháp luận khoa học xây dựng mô hình biến động địa cơ; - Nghiên cứu xác định các điều kiện biên cho mô hình biến động địa cơ thông qua việc xử lý các số liệu quan trắc thực địa; - Ứng dụng mô hình biến động địa cơ xác định quy luật dịch chuyển, biến dạng phá hủy bề mặt và đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới, áp dụng cho mỏ Nam Mẫu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các quy luật dịch chuyển, biến dạng, phá hủy bề mặt đất và của đá vách trong quá trình khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hạ trần thu hồi than nóc. 3.2. Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi của khối đá thông qua ứng dụng mô hình địa cơ để tính toán dự báo dịch chuyển, biến dạng và phá hủy bề mặt của khối đá mỏ trong điều kiện cụ thể ở Quảng Ninh. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thực địa: Đo đạc trên các trạm quan trắc dịch động vùng than Quảng Ninh nhằm tạo điều kiện biên và kiểm chứng độ chính xác mô hình địa cơ, xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh; - Phương pháp lý thuyết: Dựa trên nền tảng phương pháp số, sử dụng phương
4 pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán trên mô hình địa cơ - Phương pháp thu thập phân tích và tổng hợp: Phục vụ cho phần tổng quan luận án; - Phương pháp hồi quy thống kê: Xác định các mối quan hệ giữa các biến thông số đàn hồi và độ lún cực đại; 5. Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Hàm đường cong tiêu chuẩn được xây dựng theo kết quả quan trắc thực địa tại một số mỏ than hầm lò cho phép xác định kích thước vùng ảnh hưởng trên bề mặt, tính toán xác định các đại lượng dịch chuyển, đồng thời phục vụ dự báo độ sâu khai thác an toàn các mỏ than hầm lò Quảng Ninh. Luận điểm 2: Mô hình địa cơ được xây dựng trên cơ sở mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi và độ lún cực đại của mặt đất theo kết quả quan trắc thực địa cho phép đồng thời nghiên cứu xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy của khối đá trong địa tầng và bề mặt đất. 6. Những điểm mới của luận án - Lần đầu tiên ở Việt Nam luận án đã xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F’(z) phục vụ cho công tác dự báo dịch chuyển biến dạng vùng than Quảng Ninh. - Luận án xác định mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ và độ lún cực đại theo kết quả quan trắc thực địa. - Luận án đã xác định hệ số giảm bền K = 1,24 để xây dựng mô hình địa cơ khu vực Quảng Ninh nhằm dự báo dịch chuyển biến dạng và phá hủy khối đá và bề mặt đất. - Luận án đã xác định được quy luật dịch chuyển biến dạng và phá hủy đá vách lò chợ cơ giới hóa khai thác hạ trần thu hồi than nóc vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7.1. Ý nghĩa khoa học: Thiết lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa cơ với môi trường đồng nhất hoặc không đồng nhất của khối đá để dự báo các thông số dịch chuyển biến dạng đất đá khi khai thác vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa.
5 7.2. Ý nghĩa thực tiễn: - Ứng dụng mô hình biến động địa cơ cho phép khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố địa chất như tính chất cơ lý đất đá, chiều dày vỉa than, độ sâu khai thác đến quy luật dịch chuyển, biến dạng và sập đổ đá vách. - Sử dụng mô hình cho phép dự báo các thông số dịch chuyển và biến dạng đối với các vùng mỏ chưa được nghiên cứu kỹ về dịch chuyển biến dạng. 8. Cơ sở tài liệu Luận án được thực hiện trên cơ sở các nguồn tài liệu đo đạc thực địa phong phú từ các trạm quan trắc ở các mỏ than Quảng Ninh. Đồng thời, luận án cũng tham khảo rất nhiều đề tài, dự án, báo cáo khoa học về dịch chuyển biến dạng đất đá, mô hình địa cơ của các tác giả trong và ngoài nước 9. Cấu trúc của luận án Luận án bao gồm 5 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 128 trang đánh máy A4. Dưới đây là tiêu đề các chương: Chương 1: Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng khai thác Chương 2: Mô hình địa cơ trong nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng khai thác Chương 3: Nghiên cứu xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn từ số liệu quan trắc ở các mỏ than hầm lò Quảng Ninh Chương 4: Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại xác định từ kết quả quan trắc thực địa với mô đun đàn hồi khối đá mỏ Chương 5: Ứng dụng mô hình địa cơ nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt do ảnh hưởng khai thác lò chợ vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu Quảng Ninh Kết luận và kiến nghị Các công trình khoa học đã công bố liên quan đến luận án Tài liệu tham khảo
6 10. Lời cảm ơn Lời đầu tiên cho phép tác giả được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc và GVC.TS Vương Trọng Kha, là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn về khoa học và luôn động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Đặc biệt là sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa mỏ. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai nhà khoa học NGƯT.PGS.TS Nguyễn Đình Bé, GS.TS Võ Chí Mỹ đã tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS Nguyễn Quang Phích đã giúp đỡ tôi rất nhiều, cũng như tạo điều kiện cho tác giả tham gia đề tài cấp Nhà nước để có thêm điều kiện hỗ trợ hoàn thành luận án. Tác giả cũng xin cảm ơn chân thành cảm ơn đến TS. Phạm Quốc Tuấn đại diện miền Bắc cho các sản phẩm của Rocscience Inc (Canada) - VCTeck Co. Ltd, đã hỗ trợ tác giả bản quyền của phần mềm chạy chương trình RS2 dùng trong luận án này. Xin trân trọng cảm ơn!
7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ VÀ BỀ MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG KHAI THÁC 1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác hầm lò có lịch sử phát triển lâu dài và cho đến ngày nay vẫn là vấn đề quan tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Đặc biệt ở nước ngoài số lượng các công trình đã công bố rất nhiều. Chính vì vậy, trong phần tổng quan này, chỉ giới hạn giới thiệu những kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất bằng phương pháp mô hình. Trong hướng nghiên cứu lý thuyết đã sử dụng nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau như phương pháp giải tích, phương pháp số v.v….để tính toán cho một mô hình địa cơ có môi trường đàn hồi, liên tục, đặc điểm phi tuyến, môi trường khối đá rời rạc với các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác động theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng khai thác. Để giải các bài toán cơ học môi trường liên tục, các nhà nghiên cứu như: V.N Boris-Komponees, M.V Kurlen, A.B Fadeev, V.G Zoteev, Vitke, Yu. A. Kashnikov, S. G Ashikhmin đã sử dụng các lý thuyết dựa trên phương pháp số. Phương pháp số cũng được sử dụng để giải quyết các bài toán mô hình môi trường đàn hồi, liên tục trong các công trình của các nhà nghiên cứu như: A. D. Xashurin, B. A. Khramtsov, V. E. Bolicov, V. A. Kvochin, A. B. Makarov, A. I. Ilyn. Các lý thuyết này cho phép xác định các thành phần trong không gian ba chiều của ten sơ biến dạng ở bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ nằm trên khu vực khai thác và cho phép đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mỏ và dự báo sự phát triển của quá trình dịch chuyển theo các phương án khai thác khác nhau [23, 27, 52, 56, 57]
8 2 y x 1 z z z xy yz yx  yz xz x xy y x y xy yx x x yx xy y y Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ Trong đó: σ1, σ2: ứng suất pháp theo trục x, y εx, εy: Biến dạng dọc tương đối theo trục x, y γxy, γyx: Biến dạng trượt theo trục x, y Ten sơ biến dạng được tính toán ngoài việc mô tả thành phần trên có thể mô tả ở dạng đường đẳng trị đối với hàng loạt các mặt cắt ngang hay mặt cắt đứng. Trên thực tế thông dụng nhất là mô tả các ten sơ biến dạng theo biểu đồ cực, biểu thị trong mặt cắt tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay các trục chính của ten sơ biến dạng.
9 2=1 2=1 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.