Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở Việt Nam

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận mới tại Việt Nam trong dự báo dịch chuyển đứng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò phù hợp với điều kiện thực tế 4 tại Quảng Ninh, phục vụ quá trình khai thác mỏ hầm lò an toàn, hiệu quả và bền vững.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOt TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN QUỐC LONG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO CÁC ĐẠI LƯỢNG DỊCH CHUYỂN ĐẤT ĐÁ VÀ BIẾN DẠNG BỀ MẶT PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHAI THÁC HẦM LÒ Ở VIỆT NAM Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa mỏ, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Võ Chí Mỹ 2. TS Vương Trọng Kha Phản biện 1: 3*6767UҫQ ĈuQK7{ Phản biện 2: 3*676.LӅX.LP7U~F Phản biện 3: 3*6761JX\ӉQ;XkQ7Kө\ Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi …. giờ …. ngày .… tháng …. năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Một hệ quả của công tác khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò là đất đá phía trên có xu hướng chuyển dịch lấp đầy khoảng trống sau khai thác để tạo lập trạng thái cân bằng mớ, dẫn đến quá trình dịch chuyển đất đá lan truyền từ vách qua các lớp đất đá lên đến bề mặt đất gây ra sự biến dạng khối đá và bề mặt địa hình [14, 58, 72], tạo ra mối đe dọa nguy hiểm đối với các công trình nằm trong địa tầng đất đá bao quanh khoảng trống khai thác và các công trình tự nhiên, nhân tạo trên bề mặt đất. Những tác động tiêu cực tới môi trường tự nhiên và các công trình trong lòng đất cũng như trên bề mặt, gây nhiều tổn thất nặng nề về người và của cải do khai thác than hầm lò đẫ được ghi nhận trên thế giới, ngay từ đầu thế kỷ 18, tại một số nước Châu Âu như Đức, Bỉ, Pháp [73], và tại Việt Nam trong mấy thập niên qua. Hậu quả tiêu cực này càng tang theo sự gia tăng quy mô và sản lượng khai thác. Theo Quyết định 403/QĐ-TTg về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020 xét đến năm 2030 [27], các phương pháp khai thác hầm lò ngày càng chiếm ưu thế cả về số lượng mỏ và sản lượng. Bể than Đồng bằng Sông Hồng đang bước vào giai đoạn nghiên cứu khai thác thử nghiệm [15], theo dự báo, sẽ được đưa vào kế hoạch khai thác trong tương lai gần [4]. Dù công nghệ khai thác bể than Đồng Bằng Sông Hồng bằng các phương pháp nào thì ảnh hưởng của nó đối với quá trình sụt lún bề mặt sẽ xảy ra và kèm theo đó là những tác động tiêu cực tới hiện trạng bề mặt. Do vậy, nhu cầu dự báo quy luật sụt lún bề mặt nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu các tác động tiêu cực chắc chắn đã, đang và sẽ là vấn đề rất cấp thiết. Quy luật, đặc điểm và cường độ dịch chuyển, biến dạng bề mặt được đặc trưng bởi các các đại lượng, bao gồm: dịch chuyển đứng (lún), dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng, độ cong địa hình. Các đại lượng này là các chỉ số thể hiện mức độ dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trong các điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đá, kỹ thuật và công nghệ khai thác cụ thể. Do đó, đối với từng vùng mỏ khác nhau cần xây dựng các phương pháp dự báo riêng. Khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam có những đặc điểm riêng về điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá, độ sâu khai thác, điều kiện thành phần thế nằm của vỉa, công nghệ khai thác, phương pháp điều khiển áp lực, ... Bên cạnh đó,
2 dữ liệu quan trắc không đầy đủ về số lượng, không đồng bộ về công nghệ quan trắc và lưu trữ rời rạc. Do đó, cần có một nghiên cứu lựa chọn và hoàn thiện phương pháp phù hợp để dự báo quy luật và đặc tính dịch chuyển, biến dạng bề mặt trong bối cảnh các điều kiện địa chất- khai thác cụ thể của Việt Nam. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác, công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo cũng đã có những bước tiến lớn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tiếp cận và ứng dụng các loại hình công nghệ mới này trong công tác dự báo biến dạng bề mặt mỏ là hướng nghiên cứu nhằm đóng góp cơ sở khoa học và phương pháp luận cho ngành khai thác mỏ Việt Nam hiệu quả và an toàn. Xuất phát từ các luận giải trên đây, đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở Việt Nam” được lựa chọn là xuất phát từ nhu cầu thực tế, đáp ứng yêu cầu thực tiễn sản xuất của ngành khai thác mỏ Việt Nam. 2. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận mới tại Việt Nam trong dự báo dịch chuyển đứng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò phù hợp với điều kiện thực tế tại Quảng Ninh, phục vụ quá trình khai thác mỏ hầm lò an toàn, hiệu quả và bền vững. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án đã tiến hành thực hiện các nội dung chính sau đây: - Nghiên cứu tổng quan, khảo sát đánh giá các phương pháp nghiên cứu dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng trên thế giới và ở Việt Nam. - Tổng hợp và phân tích các đặc điểm điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá, công nghệ khai thác trong điều kiện khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam. - Lựa chọn mô hình dự báo và xác định các hệ số cho mô hình phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam. - Ứng dụng công nghệ nơ-ron nhân tạo trong tính toán xây dựng mô hình dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng theo thời gian. - Thực nghiệm kiểm chứng mô hình dự báo đã lựa chọn để xác định các đại lượng dịch chuyển, biến dạng ở mỏ than hầm lò Việt Nam. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung trọng tâm nghiên cứu và góp phần hoàn thiện phương pháp
3 dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò nói chung và trong điều kiện địa chất-khai thác ở Việt Nam nói riêng. Khái niệm “dự báo” ở đây được hiểu hoặc là dự báo theo thời gian - sử dụng dữ liệu quan trắc hiện tại để dự báo tình trạng sẽ xảy ra trong tương lai, hay dự báo theo không gian - dựa trên hiện trạng quan trắc được tại một khu vực để dự báo dịch chuyển xảy ra tại khu vực khác chưa có dữ liệu quan trắc, hoặc là cả hai. Luận án sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng chính là đại lượng dịch chuyển đứng trên hai mặt cắt chính của bồn dịch chuyển được tạo thành trên khoảng trống khai thác. 4.2. Phạm vi nghiên cứu Ở Việt Nam, phương pháp khai thác hầm lò chủ yếu được tiến hành với các mỏ than, do đó, phạm vi không gian của luận án được giới hạn trong một số mỏ than hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh. 5. Phương pháp nghiên cứu Các nội dung của luận án đã được nghiên cứu bằng các phương pháp sau đây: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp phân tích thống kê; Phương pháp địa cơ học; Phương pháp nơ-ron nhân tạo; Phương pháp so sánh và phương pháp thực nghiệm. 6. Những điểm mới của luận án - Đã xác lập cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện mô hình dự báo dịch chuyển trên mặt cắt chính của bồn dịch chuyển thiết lập theo kết quả quan trắc, cho phép tính toán dự báo dịch chuyển đứng sát với điều kiện khai thác mỏ của Việt Nam. - Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu ứng dụng thành công lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo trong công tác dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò theo thời gian. 7. Các luận điểm Luận điểm 1: Trong trường hợp vỉa dốc, mô hình Asadi với các hệ số f, g, p, q tính từ số liệu quan trắc thực địa cho phép dự báo đại lượng dịch chuyển đứng bề mặt tại các khu vực khai thác có điều kiện tương tự. Luận điểm 2: Mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng một lớp ẩn áp dụng phương pháp huấn luyện có giám sát và thuật toán lan truyền ngược cho phép dự báo chính xác đại lượng dịch chuyển đứng theo thời gian khi số lượng dữ liệu quan trắc t8 chu kỳ. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học Đã xác lập được cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo
4 đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt mỏ do ảnh hưởng của khai thác hầm lò khi khai thác vỉa dốc - là thế nằm phổ biến của các vỉa than Việt Nam. Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu thành công ứng dụng mạng nơ- ron nhân tạo trong dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong công tác dự báo các đại lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt cho các mỏ mới đang lập dự án kinh tế - kỹ thuật khai thác hoặc các khu vực mở rộng khai thác của các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh. 9. Cơ sở tài liệu - Dữ liệu về điều kiện địa chất, địa cơ mỏ một số mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh. - Số liệu quan trắc dịch chuyển đứng, sơ đồ bố trí các tuyến quan trắc tại các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh. - Các kết quả nghiên cứu xác định các đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt ở một số mỏ than hầm lò bể than Quảng Ninh. 10. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 4 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 151 trang đánh máy, có sử dụng 39 bảng, 80 hình vẽ và biểu đồ. Dưới đây là cấu trúc của luận án: Mở đầu Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò. Chương 2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ hầm lò bể than Quảng Ninh. Chương 3. Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam. Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian. Kết luận và kiến nghị. Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS. Tài liệu tham khảo. Phục lục.
5 CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1.1. Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò 1.1.1. Bản chất bài toán dịch chuyển đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò Việc đào lò chuẩn bị và khai thác khoáng sản đã tạo ra vùng trống làm mất thế cân bằng của ứng suất trong lòng đất, đất đá xung quanh có xu hướng dịch chuyển lấp đấy khoảng trống để lấy lại trạng thái cân bằng ban đầu. Sự dịch chuyển này lan từ vách vỉa dần lên bề mặt đất, hình thành nên một vùng trũng gọi là bồn dịch chuyển. 1.1.2. Bồn dịch chuyển Bồn dịch chuyển được mô tả thông qua các mặt cắt chính của bồn trên bề mặt và các vùng ảnh hưởng trong lòng đất (hình 1.2). Hình 1.2. Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển 1.1.3. Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển 1.1.4. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng Các đại lượng dịch chuyển biến dạng bao gồm: dịch chuyển đứng; dịch chuyển ngang; độ nghiêng; độ cong; biến dạng ngang. Các đại lượng này có ý nghĩa thực tế rất lớn trong việc nghiên cứu các biện pháp xây dựng và kết cấu công trình để bảo vệ chúng khỏi những tác hại do ảnh hưởng quá trình dịch chuyển gây nên. 1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt Dịch chuyển biến dạng trên bề mặt do khai thác hầm lò chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó có các yếu tố chính sau: Tính chất cơ - lý đất đá, độ dốc vỉa, độ sâu khai thác, chiều dày lớp khấu, hình dáng và kích thước lò chợ,
6 tiến độ khai thác, vị trí của điểm trên bề mặt, tham số thời gian. 1.2. Tổng quan về các công trình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ 1.2.1. Phân nhóm các phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ Nghiên cứu dự báo dịch chuyển và biến dạng đá khối và bề mặt - suy cho cùng là dựa trên nguồn dữ liệu về đặc điểm địa chất, tính chất cơ lý của các lớp đất đá và công nghệ khai thác mỏ và sử dụng công cụ thích hợp để ước tính giá trị các đại lượng dịch chuyển và biến dạng. Tùy thuộc vào bản chất của cách lựa chọn công cụ và cách giải bài toán đặt ra mà các phương pháp dự báo được phân ra các nhóm: Phương pháp các quan hệ thực nghiệm, phương pháp hàm mặt cắt, phương pháp hàm ảnh hưởng, phương pháp mô hình vật liệu tương đương, phương pháp mô hình giải tích, và phương pháp dự báo lún theo thời gian. 1.2.2. Các kết quả nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới Dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt là mối quan tâm của nhiều nước, nhiều trung tâm khoa học và các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt tập trung ở các nước có ngành công nghiệp mỏ phát triển. Các nhà khoa học mỏ Liên Xô (trước đây) và Nga (hiện nay) đi tiên phong trong công tác nghiên cứu dịch chuyển biến dạng mỏ bằng các phương pháp khác nhau nhưng chủ yếu bằng phương pháp hàm thực nghiệm. Những tên tuổi lớn đã được nhắc tới như Akimov A., Aviersyn S., Kazakovski A., Kobielkov B., Korotkov M., Miediansev S. Các nhà khoa học Đức là những người đầu tiên đặt nền móng cho khoa học dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt mỏ. Nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng mỏ chắc chắn không thể bỏ qua các công trình nghiên cứu hoặc các giáo khoa kinh viện về lĩnh vực này của các nhà khoa học Keinhorst, Bals, ... Là một trong những quốc gia có sản lượng khai thác mỏ lớn nhất thế giới, vấn đề dịch chuyển đất đá và biến dạng mỏ luôn được các nhà khoa học Mỹ quan tâm. Trung Quốc đứng thứ hai thế giới về sản lượng khai thác than. Mặt khác, điều kiện khai thác các mỏ than ở đây khá phức tạp cả về địa chất cấu tạo, địa chất kiến tạo, địa chất thủy văn và công trình, điều đó làm cho đặc tính và quá trình dịch chuyển đất đá do ảnh hưởng của khai thác mỏ trở nên phức tạp hơn. Nhiều nhà khoa học Trung Quốc đã tập trung nhiên cứu dự báo dịch
7 chuyển biến dạng mỏ, tiêu biểu có Ximin Cuia, Jiachen Wanga và Yisheng Liub, Lei Nie, Hong Fei Wang, Yan Xu, Ze Chuang Li Khai thác mỏ là công nghiệp truyền thống của Ba Lan, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân của quốc gia này. Các công trình nhiên cứu của Ba Lan gắn liền với tên tuổi của các nhà khoa học Knothe Stanistaw, Kochmański Tadeusz, Kowalczyk Zygmunt, Batkiewicz Władysław, Skinderowicz Bronisław, Szpetkowski Stanisław, Trojanowski Jan, Budryk, ...Lý thuyết dự báo cuae Knothe S. được nghiên cứu ứng dụng tại rất nhiều nước. Trong những năm gần đây, một số tác giả đã nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong công tác dự báo biến dạng mỏ. Các nghiên cứu trên chủ yếu đề cập tới các đại lượng dịch chuyển biến dạng ở giai đoạn cuối của quá trình dịch chuyển tức là bồn dịch chuyển ở giai đoạn tĩnh. Tuy nhiên, quá trình dịch chuyển ở chu trình động kể từ khi hình thành và phát triển bồn dịch chuyển sẽ cho thấy bức tranh động rõ nét hơn. Nghiên cứu dự báo biến dạng theo theo gian có các tác giả tiểu biểu như Knothe, Sroka, Schober, Xinrong Liu. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước Năm 1983, các tác giả Nguyễn Đình Bé đã lựa chọn và đề xuất ứng dụng các thông số dịch chuyển của vùng mỏ Cu-zơ-bát (Ukraina) theo nguyên lý “vùng tương tự” của Kazakovski để xây dựng trụ bảo vệ cho công trình trên mặt đất mỏ than Mông Dương. Tác giả Võ Chí Mỹ [15] đã công bố kết quả về dự báo các tham số dịch chuyển biến dạng cho khu mỏ Bình Minh (Khoái Châu) thuộc bể than Đồng bằng Sông Hồng. Năm 2003 tác giả Vương Trọng Kha đã nghiên cứu tính chất quá trình dịch chuyển biến dạng đất đá do khai thác hầm lò trong các điều kiện địa chất phức tạp của bể than Quảng Ninh [6]. Tác giả Kiều Kim Trúc cùng nhóm nghiên cứu lần đầu tiên đã xác định một số thông số dịch động cơ bản thông qua kết quả quan trắc dịch động thực tế tại khu vực Tràng Khê, mỏ Mạo Khê năm 1985 [23] và khu Lộ Trí mỏ Thống Nhất. Năm 2010, tác giả Vương Trọng Kha và Nguyễn Quốc Long đã nghiên cứu phương pháp dự báo của VNIMI, xây dựng phần mềm dựa trên phương pháp này và áp dụng dự báo các thông số và đại lượng dịch chuyển tại mỏ than
8 Thống Nhất [7]. Viện Khoa học công nghệ mỏ (Vinacomin) dựa trên các kết quả quan trắc nhiều tuyến, tổng hợp và xử lý số liệu, kết quả của nghiên cứu đã đề xuất hàm lún mẫu chuẩn tính cho Quảng Ninh [29]. Nghiên cứu dự báo dịch chuyển đứng bề mặt theo thời gian được tác giả Nguyễn Quốc Long và tác giả Phạm Quốc Khánh đề cập trong các công trình [64, 8]. Đặc điểm chung của các nghiên cứu dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian này là chỉ dự báo tại các điểm chứ không dự báo đường cong lún bồn dịch chuyển. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo được các tác giả Võ Chí Mỹ và Nguyễn Quốc Long bước đầu tiếp cận nghiên cứu áp dụng trong dự báo trạng thái tĩnh của bồn dịch chuyển trong điều kiện Việt Nam [10]. Có thể nhận thấy cho đến gần đây tại Việt Nam, phương pháp dự báo phổ biến nhất là phương pháp vùng tương tự; Việc phát triển hàm độ lún mẫu chuẩn cũng đã được phát triển cho khu vực Quảng Ninh. Tuy vậy, chưa có công trình kiểm chứng toàn bộ đường cong dự báo so với số liệu quan trắc. Bên cạnh đó, vấn đề dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian ở Việt Nam mới chỉ dừng lại ở việc lập mô hình lún của từng điểm theo phương pháp của Knothe và phương pháp lọc Kalman. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo mới được nghiên cứu trong dự báo bồn dịch chuyển ở trạng thái tĩnh (static). Chưa có mô hình dự báo dịch chuyển đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG BỀ MẶT MỎ HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH 2.1. Đặc điểm địa chất-mỏ bể than Quảng Ninh 2.1.1. Đặc điểm tính chất cơ lý đất đá Các nghiên cứu [4, 22] đã xác định được độ kiên cố của đất đá các mỏ hầm lò khu vực Quảng Ninh như Mạo Khê, Nam Mẫu, Hà Lầm, Mông Dương, nằm trong khoảng từ 5y7 theo thang độ cứng của Protodiaconov, hầu hết nằm trong phân loại nhóm mỏ V và IV trong bảng phân loại nhóm mỏ của Kazakovski. 2.1.2. Đặc điểm cấu tạo vỉa than Các vỉa than tại Quảng Ninh có thế nằm nghiêng hoặc dốc, được minh
9 họa trên Hình 2.1 thể hiện mặt cắt địa chất một số vỉa than có độ dốc lớn tại mỏ Mông Dương [25] và Biểu đồ phân bố trữ lượng tại 12 mỏ hầm lò lớn thuộc Vinacmin (Hình 2.2) Hình 2.1. Đặc điểm độ dốc một số vỉa than mỏ Mông Dương [25] Hình 2.2. Biểu đồ phân bố trữ lượng 2.1.3. Đặc điểm công nghệ khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh 2.1.4. Đặc điểm các lò chợ Do đặc điểm khai thác vỉa nghiêng và dốc với độ sâu khác nhau nên kích thước lò chợ ở các mỏ cũng biến đổi tùy vào đặc điểm cụ thể của từng vỉa. Tuy nhiên, kích thước theo hướng dốc vỉa thường ngắn hơn nhiều so với hướng đường phương. Kích thước thông thường của các lò chợ theo hướng dốc từ 80y200 m. Trong khi đó, kích thước lò chợ theo hướng đường phương lại cho sự biến đổi lớn hơn nhiều, thường lớn hơn 100 m, có những lò chợ kéo dài tới 500 m. 2.2. Đặc điểm dữ liệu quan trắc dịch chuyển biến dạng Đặc điểm dữ liệu quan trắc tại vùng mỏ là các điểm quan trắc được bố trí dạng tuyến, thông thường được bố trí dọc theo hướng đường phương, và
10 theo hướng dốc vỉa. Chiều dài các tuyến phụ thuộc vào kích thước lò chợ dự kiến khai thác. Khoảng cách giữa các mốc thông thường được bố trí từ 10 y 30 m. Chu kỳ quan trắc thường lặp lại sau 2 đến 3 tháng, số chu kỳ quan trắc được thiết kế tùy theo mục đích, thông thường lớn hơn 6 chu kỳ. 2.3. Lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp với điều kiện khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam 2.3.1. Tiêu chuẩn lựa chọn phương pháp dự báo Việc lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển đứng cho vùng than Quảng Ninh sẽ dựa trên các tiêu chuẩn sau: - Phù hợp với đặc điểm hệ thống khai thác (cột dài theo phương, phá hỏa hoàn toàn, …); - Vỉa khai thác nghiêng và dốc có chiều dày từ trung bình đến lớn phù hợp với điều kiện thế nằm phổ biến của các vỉa than Việt Nam; - Cho phép sử dụng tối đa các nguồn dữ liệu quan trắc hiện có. 2.3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp Nhóm phương pháp hàm mặt cắt cho phép xác định dịch chuyển đứng tại các điểm nằm trên mặt cắt chính của vỉa bằng cách dựa vào các phương trình toán học hoặc bảng mô tả mặt cắt bồn dịch chuyển. Do đặc điểm các vỉa than ở Việt Nam hầu hết là vỉa dốc, nên việc lựa chọn phương pháp dự báo cho vỉa dốc sẽ phù hợp và mang tính phổ quát hơn cả. Hơn thế nữa, các trạm quan trắc đã xây dựng ở các mỏ Việt Nam đều có dạng tuyến nên việc sử dụng các dữ liệu đo để xây dựng mô hình và kiểm chứng độ chính xác dự báo sẽ rất thuận lợi. Trong số các phương pháp dự báo của nhóm này, phương pháp do Asadi đề xuất cho phép dự báo dịch chuyển đứng trong bồn liên tục ở trường hợp vỉa dốc. Asadi đề xuất mô hình xác định mặt cắt bồn lún trong trường hợp khai thác vỉa dốc bằng cách kết hợp hai hàm mặt cắt dạng mũ như công thức (2.1) [34]. Ưu điểm của phương pháp dự báo này không chỉ là được phát triển trên cơ sở lý thuyết Knothe được công nhận rộng khắp mà trước hết ở tính chặt chẽ về lý thuyết mà lại đơn giản trong tính toán, ngoài ra, yêu cầu về dữ liệu quan trắc không cần nhiều nên đề tài sẽ lựa chọn để triển khai vào thực tế trong điều kiện Việt Nam. Trong trường hợp cần dự báo dịch chuyển theo cả không gian và thời gian thì mạng nơ-ron nhân tạo có thể được cân nhắc như một phương pháp mới, vì mạng nơ-ron nhân tạo dễ dàng thiết lập được mối quan hệ giữa vị trí các điểm
11 quan trắc với kích thước khoảng trống đào lò theo thời gian và giá trị đại lượng dịch chuyển trong khu vực khai thác. Mạng nơ-ron nhân tạo gần đây cũng đã được ứng dụng cho bài toán dự báo dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt. Với ưu điểm là yêu cầu dữ liệu đầu vào dễ thu thập hơn nhiều so với các phương pháp dự báo truyền thống. Phương pháp này cũng là một lựa chọn khi dự báo bồn dịch chuyển theo thời gian cho điều kiện khai thác mỏ ở Quảng Ninh. Từ kết quả phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng, đặc điểm tính chất cơ lý đất đá, địa chất, công nghệ khai thác và số liệu quan trắc ở vùng mỏ Quảng Ninh đã cho phép lựa chọn phương pháp dự báo của Asadi làm cơ sở xây dựng mô hình dự báo dịch động tĩnh và mạng nơ-ron nhân tạo để dự báo lún theo thời gian trong điều kiện thực tế Việt Nam. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH ASADI DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN ĐỨNG DO KHAI THÁC HẦM LÒ VỈA DỐC TẠI VIỆT NAM 3.1. Bồn dịch chuyển trong trường hợp khai thác vỉa dốc Trong trường hợp khai thác vỉa bằng, bồn dịch chuyển hình thành trên mặt đất là một đường cong liên tục đối xứng qua trục đứng đi qua tâm điểm của khoảng trống khai thác. Trong trường hợp vỉa dốc, quá trình khai thác dưới sẽ tạo ra bồn dịch chuyển bất đối xứng và cùng với nó các các tham số bồn dịch chuyển cũng có những khác biệt so với trường hợp vỉa bằng (hình 3.3). 3.2. Mô hình dự báo dịch chuyển đứng cho vỉa nghiêng Asadi đề xuất hai hàm mặt cắt riêng biệt để dự báo dịch chuyển đứng cho hai nửa mặt cắt phía xuôi dốc và ngược dốc. Hai mặt cắt được kết hợp lại với nhau thành một hàm thống nhất dự báo đường cong dịch chuyển qua mặt cắt chính theo biểu thức (3.2) [34], các tham số đầu vào của mô hình Asadi minh hoạ trên hình 3.3 [34]. ି௦ ೒ ௦ ೜ ି௙ቀ ቁ ି௣ቀ ቁ ߟ ௣ ሺ௦ ሻ ൌ ߟ௠௔௫ Ǥ ቈܿǤ ݁ ௅భ ൅ ݀Ǥ ݁ ௅మ ቉ (3.2) ೔ trong đó: - ߟ ௣ ሺ௦ ሻ là giá trị dịch chuyển đứng của điểm cần tính trên mặt cắt chính ೔ bồn dịch chuyển; - ߟ௠௔௫ là dịch chuyển đứng cực đại của bồn dịch chuyển;
12 - s là khoảng cách từ điểm dịch chuyển đứng cực đại (tâm bồn dịch chuyển) tới điểm cần tính, s mang giá trị âm (-) tại các điểm ở phía ngược dốc và dương (+) đối với các điểm ở phía xuôi dốc của bồn dịch chuyển; - L1 và L2 lần lượt là bán bồn dịch chuyển theo hướng ngược và xuôi dốc; - f, g, p, q là các hệ số của mô hình nhận được từ khảo sát thực địa; - h - độ sâu khai thác ở ranh giới trên của lò chợ; - L - kích thước vùng khai thác theo hướng dốc; Cần lưu ý rằng khi áp dụng mô hình dự báo Asadi theo hướng đường phương thì kích thước vùng trống khai thác được kí hiệu là W. - E, J, - lần lượt là góc dịch chuyển theo hướng xuôi dốc, ngược dốc và góc lún cực đại của bồn; Khi dự báo theo hướng đường phương ta sử dụng góc δ. - c, d là các hệ số điều kiện được xác định phụ thuộc vào vị trí của điểm có giá trị lún cực đại [72]: Hình 3.3. Các tham số của mô hình dự báo dịch chuyển [34] 3.3. Triển khai mô hình dự báo Asadi vào thực tiễn Việt nam 3.3.1. Xác định dịch chuyển đứng cực đại 3.3.2. Xác định góc biên 3.3.3. Xác định góc lún cực đại 3.3.4. Bán bồn dịch chuyển 3.3.5. Xác định các hệ số f, g, p, q từ số liệu quan trắc Trong mô hình dự báo Asadi, giá trị dịch chuyển đứng dự báo được tính theo công thức (3.2). Để xác định được giá trị các hệ số ݂, ݃, ‫݌‬, ‫ ݍ‬chúng ta dựa trên số liệu quan trắc. Theo nguyên lý số bình phương nhỏ nhất ta có: షೞ ೒ ೞ ೜ (3.11) ି௙ቀ ቁ ି௣ቀ ቁ ߟሺ௦೔ሻ + ܸሺ௦೔ ሻ = ߟ௠௔௫ Ǥ ቈܿǤ ݁ ಽభ ൅ ݀Ǥ ݁ ಽమ ቉ với ߟሺ௦೔ሻ là giá trị quan trắc, ܸሺ௦೔ሻ là trị hiệu chỉnh.
13 Khi áp dụng nguyên lý số bình phương nhỏ nhất, giải pháp thông dụng là đưa (3.11) này về dạng tuyến tính. Nhằm mục đích này, trước hết, biểu diễn các hệ số ݂, ݃, ‫݌‬, ‫ ݍ‬qua trị gần đúng ݂ ଴,݃଴ ,‫݌‬଴ ,‫ ݍ‬଴ . Tiếp đến khai triển các hàm theo chuỗi Taylor và chỉ giữ lại các số hạng bậc nhất của δf, δg, δp, δq, ta có phương trình dạng tuyến tính và có thể mô tả tổng quát dưới dạng ma trận như sau: V = A.X+L (3.23) Trong đó A là ma trận hệ số, V là véc tơ số hiệu chỉnh, L là véc tơ số hạng tự do, X là véc tơ ẩn số với: ܽଵǡଵ ܽଵǡଶ ܽଵǡଷ ܽଵǡସ ܸଵ κଵ G௙ ‫ې ۍ‬ ܽଶǡଵ ܽଶǡଶ ܽଶǡଷ ܽଶǡସ ܸଶ κଶ ‫ێ‬G௚ ‫ۑ‬ ‫ۯ‬ൌ൦ ǥ ǥ ǥ ǥ ൪; V= ൦ ൪; L= ൦ ൪; X= ‫ێ‬G௣ ‫ۑ‬ ǥ ǥ ܽ௡ǡଵ ܽ௡ǡଶ ܽ௡ǡଷ ܽ௡ǡସ ‫ۑ ێ‬ ܸ௡ κସ ‫ۏ‬G௤ ‫ے‬ Từ các phương trình số hiệu chỉnh (3.23) ta lập được hệ phương trình chuẩn (3.24). Nghiệm của hệ phương trình (3.24) là véc tơ số hiệu chỉnh của ẩn số cần xác định (3.25). (‫)ۯ ܂ۯ‬X + (‫ = )ۺ ܂ۯ‬0 (3.24) X=-(‫)ۯ ܂ۯ‬-1.(‫)ۺ ܂ۯ‬ (3.25) Thay các giá trị X (δf, δg, δp, δq) nhận được từ (3.25) và các giá trị gần đúng của các hệ số tương ứng nhận từ các công thức (3.15), (3.16), (3.17) và (3.18), giá trị sau bình sai của bốn hệ số của mô hình dự báo Asadi được tính theo (3.12). 3.3.6. Đánh giá độ chính xác kết quả dự báo Độ chính xác của kết quả dự báo được xác định thông qua các giá trị độ lệch (') (sai số thực); sai số trung bình (MAE); sai số trung phương (RMS) và tương quan (r) giữa giá trị dịch chuyển đứng quan trắc và dự báo như các công thức (3.26), (3.27), (3.28) và (3.29). '௜ =ߟ ௣ ሺ௦ ሻ െ ߟሺ௦೔ሻ (3.26) ೔ ଵ ௣ RMS = ට σ௡௜ୀଵሺߟ௜ െ ߟ௜ ሻଶ (3.27) ௡ ௣ MAE = σ௡௜ୀଵหߟ௜ െ ߟ௜ หȀ݊ (3.28) തതത σ௡ ሺߟ െ ߟഥ ሻ ቀߟ ௣ െ ߟ ௣ ቁ ௜ୀଵ ௜ ప ௜ ప ൌ (3.29) ଶ ටσ௡௜ୀଵሺߟ௜ െ ௣ ߟഥప ሻଶ ‫ כ‬σ௡௜ୀଵ ቀߟ௜ തതത െߟ ௣ ቁ ప
14 3.4. Xây dựng chương trình xác định các hệ số của mô hình Dựa trên cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên, chương trình tính các hệ số f, g, p, q của mô hình dự báo (3.2) đã được xây dựng và sử dụng để dự báo dịch chuyển đứng với dữ liệu đầu vào là giá trị các thông số địa chất - mỏ và số liệu quan trắc như đã mô tả ở trên. Giao diện chương trình tính các hệ số của mô hình như trên hình 3.5 Hình 3.5. Chương trình tính các hệ số của mô hình dự báo 3.5. Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng do khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh, Việt Nam 3.5.1. Khu vực nghiên cứu 1 (mỏ Thống Nhất) 3.5.2. Khu vực nghiên cứu 2 (mỏ Mông Dương) 3.5.3. Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng trên cơ sở dữ liệu quan trắc và điều kiện địa chất - khai thác của mỏ Thống Nhất a) Xây dựng mô hình dự báo theo hướng dốc vỉa khai thác Bảng 3.9. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác Thông số địa chất - khai thác m L H (độ) (độ) (độ) (độ) (m) (m) (m) (m) 22 60 75 72 2.5 80 140 1.386 Từ các dữ liệu quan trắc và các thông địa chất - khai thác, đã xác định giá trị bốn hệ số như trong bảng 3.10. Bảng 3.10. Các hệ số mô hình dự báo lún theo hướng dốc vỉa Hệ số mô hình dự báo f g p q 6,46 2,75 4,50 1,82
15 Thay giá trị của các hệ số này trong bảng 3.10 vào biểu thức (3.2) ta có được mô hình dự báo dịch chuyển đứng theo hướng dốc vỉa khai thác bề mặt mỏ Thống Nhất dưới dạng hàm mũ, cụ thể: ିୱ మǡళఱ ୱ భǡఴమ ି଺ǡସ଺ቀ ቁ ିସǡହ଴ቀ ቁ Ʉሺୱሻ ൌ Ʉ୫ୟ୶ Ǥ ቈǤ ୐భ ൅ Ǥ ୐మ ቉ (3.30) b) Xây dựng mô hình dự báo theo hướng đường phương Bảng 3.13. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác Thông số địa chất - khai thác Góc dịch động Chiều dày vỉa Kích thước lò chợ Độ sâu khai thác (độ) m (m) W (m) H (m) 75 2,5 230 140 Từ các dữ liệu quan trắc và các thông địa chất - khai thác, đã xác định giá trị bốn hệ số như trong bảng 3.14. Bảng 3.14. Các hệ số mô hình dự báo Hệ số mô hình dự báo f g p q 5,35 1,94 3,67 2,74 Thay giá trị của các hệ số này vào biểu thức (3.2) ta có được mô hình dự báo dịch chuyển đứng bề mặt mỏ Thống Nhất theo hướng đường phương do khai thác vỉa dốc phía dưới dạng mũ, cụ thể: ିୱ భǡవర ୱ మǡళర ିଷǡହଷቀ ቁ ିଷǡ଺଻ቀ ቁ Ʉሺୱሻ ൌ Ʉ୫ୟ୶ Ǥ ቈǤ ୐భ ൅ Ǥ ୐మ ቉ (3.31) 3.5.4. Áp dụng mô hình dự báo trong điều kiện mỏ than Mông Dương Sử dụng mô hình dự báo (3.30) và (3.31) được xây dựng ở trên để dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do khác hầm lò tại mỏ Mông Dương. Kết quả dự báo này được so sánh với kết quả tương ứng tính theo hàm mẫu độ lún chuẩn do Viện VNIMI đề xuất [22, 84] cũng như hàm mẫu độ lún chuẩn do viện Khoa học công nghệ mỏ (Viancomin) đề xuấtcũng như so sánh với số liệu quan trắc để đánh giá độ chính xác dự báo. Dựa vào kết quả đánh giá độ chính xác cho phép khẳng định mô hình (3.30) và (3.31) có thể được áp dụng cho các vỉa than có điều kiện địa chất, khai thác tương tự.
16 a) Dự báo dịch chuyển đứng theo hướng dốc vỉa khai thác Bảng 3.17. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến D Thông số địa chất - khai thác D m L H L1 L2 (độ) (độ) (độ) (độ) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 25 45 65 60 2,5 190 110 204 261 0,816 Sử dụng mô hình (3.30) để dự báo dịch chuyển đứng của tất cả các điểm trùng với các điểm quan trắc trên tuyến D mỏ Mông Dương. Kết quả cho thấy sai số tính từ mô hình dự báo và kết quả quan trắc là nhỏ. Với sai số RMS = 0,081 m, MAE = 0,055 m lần lượt tương đương 9,9% và 6,7% dịch chuyển đứng cực đại của bồn dịch chuyển. Biểu đồ so sánh giữa giá trị dịch chuyển đứng thực tế và tính từ mô hình (3.30) như hình 3.16. Luận án cũng đã cung cấp Biểu đồ so sánh giữa giá trị dịch chuyển đứng thực tế tuyến D mỏ Mông Dương và tính bằng phương pháp VNIMI cũng như hình biểu đồ so sánh giữa giá trị dịch chuyển đứng thực tế và tính từ mô hình KHCNM. Khoảng cách tới tâm bồn dịch chuyển (m) -210 -110 -10 90 190 290 0 -0.1 -0.2 Độ lún (m) -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 Đường cong lún thực tế Đường cong lún dự báo theo mô hình Hình 3.16. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D Từ các kết quả trên các bảng 3.18, 3.19 và 3.20 có thể nhận thấy mô hình dự báo (3.30) và hàm mẫu độ lún mẫu chuẩn VNIMI cho kết quả khá tương đồng. Hàm độ lún mẫu chuẩn Viện KHCNM đề xuất cho kết quả kém hơn hai phương pháp kể trên, cụ thể RMS bằng 0,101 m so với 0,081 m và 0,080 m. MAE bằng 0,076 m so với 0,055 m và 0,059 m.
17 b) Dự báo dịch chuyển đứng theo hướng đường phương vỉa than Sử dụng mô hình dự báo (3.31) được xây dựng ở trên để dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do khác hầm lò theo hướng đường phương (tuyến P) tại mỏ Mông Dương. Bảng 3.21. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến P Thông số dịch động - địa chất - khai thác M W H L3 trái L3 phải (độ) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 70 2,5 180 120 0,814 194 180 Kết quả cho thấy sai số tính từ mô hình dự báo (3.31) và kết quả quan trắc là nhỏ. Với sai số RMS = 0,064 m, MAE = 0,046 m lần lượt tương đương 7,8% và 5,7% dịch chuyển đứng cực đại của bồn dịch chuyển. Biểu đồ so sánh giữa giá trị dịch chuyển đứng thực tế và tính từ mô hình như hình 3.19. Biểu đồ so sánh giữa giá trị dịch chuyển đứng thực tế và tính bằng phương pháp VNIMI cũng như phương pháp KHCNM như hình 3.20 và hình 3.21. Khoảng cách tới tâm bồn dịch chuyển (m) -210 -160 -110 -60 -10 40 90 140 190 240 0 -0.1 -0.2 Độ lún (m) -0.3 -0.4 -0.5 -0.6 -0.7 -0.8 -0.9 Đường cong lún thực tế Đường cong lún dự báo theo mô hình Hình 3.19. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P Với kết quả độ lệch giữa giá trị dịch chuyển đứng tính từ mô hình dự báo (3.30) và (3.31) với kết quả quan trắc rất nhỏ như trên có thể cho phép đánh giá các mô hình này có tính phù hợp với kết quả quan trắc tại mỏ than Mông Dương. Dựa vào kết quả đánh giá độ chính xác cho phép khẳng định các mô hình này có thể được áp dụng cho các vỉa than có điều kiện địa chất, khai thác tương tự.
18 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO TRONG DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG BỀ MẶT MỎ THEO THỜI GIAN 4.1. Lý do sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo 4.2. Thông tin cơ bản về mạng nơ-ron nhân tạo 4.2.1. Nơ-ron sinh học 4.2.2. Nơ-ron nhân tạo 4.2.3. Hàm xử lý a) Hàm kết hợp ௡ ܽ௝ ൌ ෍ ‫ݓ‬௝௜ ‫ݔ‬௜ ൅ ܾ௝ (4.1) ௜ୀଵ b) Hàm truyền Trong bài toán dự báo, hàm sigmoid như biểu thức (4.2) là hàm được sử dụng phổ biến nhất [33, 80]. ଵ ሺሻ ൌ (4.2) ଵାୣష౮ 4.2.4. Mô hình mạng nơ-ron 4.2.5. Huấn luyện mạng 4.3. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp Mô hình mạng nơron được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình mạng truyền thẳng nhiều lớp (Multilayer Feedforward Networks). Mạng tổng quát là mạng có n lớp (n≥2), trong đó gồm một lớp đầu ra (lớp thứ n) và (n-1) lớp ẩn. 4.4. Thuật toán lan truyền ngược (Back-Propagation) Quá trình huấn luyện mạng sử dụng thuật toán lan truyền ngược bao gồm ba bước: truyền xuôi đầu vào qua mạng, tính toán và lan truyền ngược sai số, và hiệu chỉnh các trọng số. Trong mạng truyền thẳng đa lớp, đầu ra của một lớp trở thành đầu vào của lớp kế tiếp. Phương trình thể hiện hoạt động này như sau: ሺ௟ሻ ே ሺ ሻ ሺ௟ିଵሻ ‫ݕ‬௜ ൌ ݂ ቂσ௝ୀଵ ೗షభ ߱௜௝௟ǡ௟ିଵ ‫ݕ‬௝ ቃ, l=1,…, L, i=1,…, ܰ௟ (4.4) trong đó: ሺ௟ሻ - ‫ݕ‬௜ giá trị đầu ra của nơ-ron thứ i trong lớp l; ሺ ሻ - ߱௜௝௟ǡ௟ିଵ trọng số liên kết nơ-ron thứ j của lớp l-1 với nơ-ron thứ i của lớp l;