intTypePromotion=3

Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên

Chia sẻ: Thi Thi | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:9

0
3
lượt xem
0
download

Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phân tích, tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên là công việc phức tạp và tốn nhiều thời gian, như xây dựng cấu trúc địa chất, xác định các thông số địa cơ mỏ, áp dụng các phương pháp tính toán địa kỹ thuật, thay đổi phương án, nhất là với cấu trúc địa chất đất đá bất đồng nhất. Bài báo giới thiệu phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin với các phần mềm xây dựng mô hình địa chất, thành lập mặt cắt địa chất, tính toán ổn định bờ mỏ và thực hiện cho một số khu vực bờ mỏ lộ thiên Quảng Ninh, với kết quả nhanh chóng và chính xác.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên

  1. Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên                                                                                     PGS.TS. Kiều Kim Trúc                                                                  Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam. (Mã số: 2409) Tóm tắt: Phân tích, tính toán  ổn định bờ  mỏ  lộ  thiên là công việc phức tạp và tốn nhiều   thời gian, như  xây dựng cấu trúc địa chất, xác định các thông số  địa cơ  mỏ, áp dụng các   phương pháp tính toán địa kỹ thuật, thay đổi phương án, nhất là với cấu trúc địa chất đất   đá bất đồng nhất. Bài báo giới thiệu phương pháp  ứng dụng công nghệ  thông tin với các   phần mềm xây dựng mô hình địa chất, thành lập mặt cắt địa chất, tính toán ổn định bờ  mỏ   và thực hiện cho một số khu vực bờ mỏ lộ thiên Quảng Ninh, với kết quả  nhanh chóng và   chính xác.  1. Tổng quan về phân tích, tính toán độ ổn định bờ mỏ lộ thiên Công tác nghiên cứu, thiết kế  và phân tích tính toán độ   ổn định bờ  mỏ  bắt đầu theo các   bước sau: 1. Phân vùng khu vực bờ mỏ theo tính đồng nhất tương đối về cấu trúc địa chất.   2. Xây dựng mặt cắt địa chất với việc xác định cấu trúc địa chất và hình dạng bờ  mỏ; 2.   Xác định tính chất cơ lý và biến dạng đất đá; 4. Xác định điều kiện thủy văn từng khu vực;   5. Phân tích, tính toán (hay đánh giá) ổn định bờ tầng, nhóm tầng và toàn bộ bờ mỏ theo các   mặt trượt tiềm năng; 6. Đưa ra các biện pháp đảm bảo ổn định bờ  mỏ  hợp lý, kể  cả  điều   chỉnh hình dạng bờ tầng, bờ mỏ và lặp lại các tính toán trên cho đến khi đảm bảo ổn định  theo yêu cầu. Thiết kế bờ mỏ là quá trình xây dựng hình học và tính toán ổn định liên tục   với nhiều phép thử và lựa chọn, có khối lượng công việc lớn.  Theo quan điểm đơn giản về cơ học, Ổn định bờ mỏ là tỉ số giữa sức bền đất đá trước ứng   suất trong bờ mỏ, được phân tích, tính toán thông qua việc xác định hệ số ổn định n (hay hệ  số dự trữ n, hệ số an toàn F ­ Factor of Safety) của các khối trượt dự đoán.   Lý thuyết đầu tiên về  trạng thái cân bằng giới hạn môi trường rời đẳng hướng được   Colomb đưa ra từ thế kỷ 18 (theory of general limit equilibrium), lúc đó coi mặt trượt là mặt   phẳng. Các tác giả  khác sau đó phát triển đối với các mặt yếu dạng cong, dạng gấp khúc   trong môi trường không liên tục, bất đồng nhất, môi trường liên kết có ma sát như  môi  trường đất đá với nhiều phương pháp tính toán khác nhau. Bên cạnh đó, do sự  phát triển   nhanh chóng của kỹ thuật tính toán, hướng nghiên cứu dựa trên lý thuyết Phần tử hữu hạn   (The Finite element Method) cũng được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp Phần tử hữu hạn   thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục)  để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể.  Tuy nhiên với tính dị hướng của môi trường không liên tục như đất đá mỏ thì hướng nghiên  cứu theo Lý thuyết Cân bằng giới hạn vẫn có nhiều ứng dụng thực tế hơn.  Điều kiện cơ bản cân bằng giới hạn theo một diện tích bất kỳ trong mái dốc đất đá mỏ  có   dạng:   = F( N),                                                        (1) Trong đó:    và  n  ­  ứng suất tiếp tuyến và pháp tuyến theo diện tích đã cho. Trong mái dốc đồng nhất diện tích mặt trượt đơn vị xuất hiện từ chiều sâu: 2C H 90 0 ctg  45 ,                                                 (2) 2 Trong mái dốc không đồng nhất chúng xuất hiện với ứng suất: 1
  2. 1 0 2C ctg  45 ,                                                  (3) 2 Trong đó:  0 ­  Độ bền nén đất đá đơn trục; ẹ  ­  Lực dính kết đát đá;   ­ Góc ma sát trong  của đất đá;    ­ Trọng lượng đơn vị khối lượng đất đá (trọng lượng thể tích). Độ  bền và điều kiện thể  nằm của đất đá, hướng mặt yếu tự  nhiên lớn trong khối đát đá   tương đối với đường phương mái dốc quyết định đặc điểm biến dạng bờ mỏ lộ thiên, hình   dạng mặt trượt dự kiến và việc lựa chọn sơ đồ tính toán độ ổn định của chúng. Các phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn được phân biệt phụ thuộc   vào hướng cạnh ranh giới của các khối (bloc) tính toán các lực và phương pháp tổng hợp   lực của chúng. Người ta thường phân biệt hai phương pháp chính sau đây [9]: 1. Phương pháp đại số  tuyến tính (cộng đại số) dựa trên tổng đại số  các lực giữ  và lực   trượt theo mặt trượt yếu nhất (Xem hình 1). Hình 1. Tổng đại số các lực giữ  Hình 2. Sơ đồ đa giác lực. và lực trượt theo a. Lực tác dụng lên khối đất đá; b. Đa giác lực. Khi đó những lực sau được đưa vào tính toán: Ni, Ti – tương ứng thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lượng bloc được tính: Ni = Pi cos ji; Ti = Pi sin ji; Di ­ Áp lực thuỷ  tĩnh, hướng của nó vuông góc với đáy bloc tính toán và bằng tích giá trị  trung bình áp lực thuỷ tĩnh   õÍủð   với chiều dài phần bloc ngập nước  i : Di в H с р i i ,                                                      (4) Trong đó:                H i,i H i,i в H с р i в 1 1 ,                                              (5) 2  FTi  ­ lực chống cắt (trượt) theo đáy bloc: FTi  = Nitg i + Cili,                                                         (6) Trong đó:   i, Ci  ­ các chỉ tiêu tính toán độ bền đất đá. Phương pháp cân bằng chung được xác định là hiệu số các lực giữ và các lực trượt theo mặt   trượt yếu nhất, theo phương pháp cộng đại số các lực có dạng:  T Ni Di tg i C i l i Ti ,                                            (7) i Nếu như theo mặt trượt yếu nhất hiệu số các lực giữ và lực trượt  Т bằng không, thì khối  bờ mỏ ở trạng thái cân bằng giới hạn. 2
  3. Hệ số dự trữ ổn định sườn dốc n theo phương pháp cộng đại số các lực được xác định cho   mặt trượt yếu nhất theo công thức : Ni Di tg i Ci l i n i ,                                                     (8) Ti i Phương pháp cộng đại số có thể  được sử dụng, nếu như mặt trượt yếu nhất có dạng mặt   cong trơn đều. Phương pháp này không tính phản lực giữa các bloc và coi rằng, lăng trụ  trượt biến dạng như  là một khối đồng nhất. Điều này chứng tỏ  rằng hệ  số  an toàn được  tính bằng phương pháp cộng đại số nhỏ hơn thực tế, mức độ không phù hợp này phụ thuộc   vào chiều cao sườn dốc, góc dốc của nó và góc ma sát trong của đất đá, và sai số có thể từ 3   đén 20%. Khi chiều cao sườn đốc không lớn (dưới 100m) và giá trị góc nội ma sát không lớn   (  
  4. tiện lợi trong lập mô hình dữ liệu 2­3 chiều, vẽ hiển thị các đường đẳng trị, tính khối lượng   và đặc biệt rất linh hoạt và có giao diện thân thiện với người dùng; Phần mềm ARCINFO,   MAPINFO, ARCGIS là hệ  quản trị  thông tin địa lý GIS cho phép quản lý, phân tích, xử  lý  thông tin không gian và phi không gian (số liệu, tính chất, thóng kê...), lập cơ sở dữ liệu cho   nhiều lớp thông tin và hiển thị linh hoạt. Chúng có thể được tích hợp và hỗ trợ  số hóa xây  dựng mặt cắt trong chuyển đổi đồ  họa giữa các phần mềm tính toán. Các phần mềm tính   toán ổn định mái dốc riêng biệt còn có GEOSLOPE của Canađa, SLIDE của Mỹ, GALENA   của Australia… với nhiều phương pháp tính toán phong phú. Trong khuôn khổ bài báo, dưới đây là trình bầy nguyên tắc, phương pháp và một số kết quả  xử lý dữ liệu về xây dựng mặt cắt, hiển thị mô hình 3D, tính toán ổn định bờ  mỏ  với việc   ứng dụng các phần mềm Surpac, GeoLynx, Mapinfo và Galena. 3. Xây dựng mặt cắt địa chất   Các phần mềm tính toán ổn định bờ mỏ hiện nay sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn   trên cơ sở hình học 2 chiều trên các mặt cắt địa chất tại khu vực có độ bền yếu nhất. Các phần mềm Địa kỹ thuật hiện đại cho phép xây dựng mặt cắt địa chất nhanh chóng, tự  động với vài thao tác. Tuy nhiên công tác chuẩn bị trước đó phải đầy đủ  và chính xác. Tức  là phải có được các cơ sở và công cụ như: cập nhật kết quả khảo sát thăm dò, xây dựng cơ  sở dữ liệu địa chất, mô hình hóa cấu trúc địa chất và tất cả được lưu giữ và truy cập thuận   tiện.  ­ Xử lí số đo thăm dò khảo sát: Máy tính tiếp nhận các số liệu hiện trường từ  sổ đo điện  tử, bàn phím, tính tọa độ, vẽ bản đồ, xây dựng các tài liệu địa chất... ­ Xây dựng cơ  sở  dữ  liệu (CSDL): Xây dựng cơ  sở  dữ  liệu địa chất quan hệ  (relational   geological database) là nội dung quan trọng và có ý nghĩa thiết thực. Nhập 1 lần và sử dụng   nhiều lần, xây dựng từ các phần mềm tích hợp, trong đó dữ  liệu sắp xếp thành các trường  và bản ghi, liên kết chặt chẽ với nhau qua các bảng và trường khóa (key field). Chữ  “quan  hệ” (relational) ở đây thể hiện tính liên quan logic và không gian trong cơ sở dữ liệu, ví dụ  như nếu có dữ  liệu 1 lỗ khoan mới thì các mặt cắt qua đó sẽ  tự  thay đổi, không thể  có lỗ  khoan trùng tên nhau, hay các đoạn chiều sâu khoan trùng nhau trong 1 lỗ khoan ... ­ Mô hình hóa cấu trúc khoáng sàng: Đây là khâu khó khăn và quan trọng nhất trong  ứng   dụng tin học, bởi khối lượng tính toán lớn và tiện ích phong phú. Đồng thời đây cũng là cơ  sở cho việc phát triển các ứng dụng khác như thiết kế mỏ, tính hiệu quả kinh tế… trên máy  tính một cách liên hoàn và tích hợp. Mô hình hóa dữ liệu bằng máy tính điện tử là quá trình   biến đổi từ tập hợp mẫu rời rạc thành một tập hợp giá trị bằng số liên tục. Mảng  giá trị số  này (array of values) có thể hiển thị bằng hình ảnh, bản đồ, mặt cắt [3]. Trên cơ sở xây dựng mô hình cấu trúc, phần mềm cho phép lập các mặt cắt bất kỳ theo giới   hạn và phương vị yêu cầu. Ví dụ được minh họa trong trường hợp mỏ Đèo Nai, khi đã đầy   đủ CSDL với  các lỗ khoan thăm dò (hình 3), thông số địa kỹ  thuật, mô hình địa hình, biên   giới kết thúc, vỉa than, đứt gẫy… Mặt cắt địa chất được xây dựng đơn giản bằng cách kẻ 1   nét tuyến trên bản đồ và khai báo các thông số cần hiển thị:  Thực hiện lệnh vẽ mặt cắt địa chất “COMPUTE > CROSS SECTION” và chọn tuyến bất   kỳ (ví dụ tuyến Eb ngoài cùng bên trái, hình 4), chọn phạm vi ảnh hưởng, mầu sắc, góc dốc   và hiển thị trên đó các thông số, lỗ khoan như độ  sâu trụ lớp đá, độ  tro mẫu than, phân bố  các vỉa than, địa hình và đứt gẫy kiến tạo...(hình 5). Sản phẩm nhận được là mặt cắt tuyến   Eb sau một số  biên tập tiếng Việt như  trên hình 6 với các cấu trúc đứt gẫy kiến tạo, vỉa   than, địa hình các năm, Kết thúc Pa2 và Kết thúc khai thác Vỉa Dầy (Khác với các mặt cắt   truyền thống, trên mặt cắt do máy tính lập ra ban đầu các lớp đất đá chỉ  thể  hiện là nằm  ngang như trục lỗ khoan). 4
  5. Hình 3. Địa hình 3D bờ mỏ Đèo Nai cùng các lỗ khoan thăm dò [2]. Hình 4. Lập tuyến mặt cắt trên địa hình bờ mỏ Đèo Nai với các lỗ khoan [2]. Hình 5. Đưa thông tin cần thiết vào mặt cắt (địa hình, đứt gẫy, vỉa than, lỗ khoan...). 5
  6. 400m 400m 400m Mèc dÞch ®éng 1074 K33 § Þa h×nh 1988 Lç khoan td 300m 300m 300m Biª § Þa h×nh 2003 n gií Anf i kÕ t th K173 V Ðc t¬ dÞch chuyÓn a2 óc K174 K168 1988 200m 200m G II 200m K160 2003 MÆ t tr- î t K293 2000 2001 2004 g oon G1-2 A4 G1 G1m 100m 100m § é tro than 100m G1moon KÕt thóc Pa2 g A3 A2 0m 0m § øt gÉy kiÕn t¹ o -100m -100m VØa DÇy -200m -200m 74 LK10 -300m -300m Hình 6. Kết quả xây dựng mặt cắt địa chất bờ mỏ (Tuyến Eb, Đèo Nai)[2]. Trên mặt cắt trong ví dụ này tiến hành phân tích ổn định bờ công tác theo 3 giai đoạn: 1 là  thời gian hiện trạng năm 1988 với khối trượt lớn xuất hiện, 2 là Kết thúc theo Phương án 2   (Pa2, độ sâu 75 m), 3 là Kết thúc khai thác Vỉa Dầy (độ sâu ­285 m). 2. Tính toán ổn định bờ mỏ Các phần mềm Geoslope, Slide, Galena hay Rockwork… là các phần mềm chuyên nghiệp   phân tích tính toán  ổn định mái dốc đáp  ứng yêu cầu của nhiều chuyên gia Địa kỹ  thuật,  trong đó Geoslope có nhiều chức năng phong phú, kể  cả  phương pháp Phần tử  hữu hạn.   Slide sử  dụng dễ  dàng, Galena thuận tiện xây dựng mô hình đất đá bất đồng nhất… Các   bước thực hiện chính khi xây dựng mô hình tính toán bao gồm: Hình 7. Giao diện và các bước thực hiện lập mô hình, tính toán ổn định bờ mỏ [5]. ­  Khai báo giới hạn tọa độ  mô hình mặt cắt (Axis Limits): Phụ  thuộc vào quy mô độ  lớn   của mặt cắt mà xác định tọa độ XY phù hợp. Đối với mặt cắt Eb như trên thì chọn 1500 và   2000 m. 6
  7. ­ Khai báo tên dự án (Project Title), ví dụ “On dinh Bo mo”, tên nội dung tính toán (Analysis  Title), ví dụ “Eb tk” (bờ mỏ thiết kế kết thúc tại ­285 m) ­ xem hình 7, 9, 10. ­ Xác định tính chất cơ lý đá và địa chất thủy văn (Materrial and Water Properties): Bao gồm   Lực dính kết C (Cohesion), Góc ma sát trong (Phi), Trọng lượng thể  tích (Weight), Chỉ  số  Đàn hồi (P.I), Hệ số Ru… Mục Description có thể mô tả các đới địa chất liên quan đến tính   chất cơ lý của chúng, ví dụ như đới đứt gẫy Anfa, đứt gẫy A4, lớp than, đất đá chung (Rock  general)… Nên chọn hệ đơn vị đo lường quốc tế SI thống nhất (chiều dài là mét, góc là độ,  lực tính là kPa ­ kiloPascal), dù hệ đo lường của Mỹ, Anh (inch, radiant…) cũng chấp nhận  (hình 8, 9, 10). Hình 8. Khai báo các chỉ tiêu độ bền cơ lý đá (Tuyến Eb). ­ Xác định cấu trúc đất đá (Material Profile): Nhập các cấu trúc địa chất như  các đứt   gẫy, lớp đá khác nhau từ mặt cắt hình 6. Có thể sử dụng chức năng chuyển đổi file đồ  họa (Graphic Interchange) để xuất và nhập đồ  họa, hoặc trích điểm tọa độ  các bề  mặt  cần thiết. ­ Xác định bề  mặt địa hình (Slope Surface): Bề  mặt địa hình của các phương án khác  nhau (3 phương án) từ hình 6 cần được nhập vào mô hình tính toán, tuy nhiên do mặt cắt   lập kéo dài cho cả bờ trụ và bờ vách, mà phần mềm chỉ tính độ ổn định cho từng bờ nên   cần nhập từng đường địa hình của bờ vách, chú ý hướng mặt cắt giữa các phần mềm. ­ Xác định mức nước ngầm (Phreatic Surface, Piezometric Surface): Vẽ đường đẳng áp  hay bề mặt thủy tĩnh trong khối đá bờ mỏ, với các điều kiện tháo khô khác nhau. ­ Xác định lực tác động (Load&Forces): Đưa giá trị vào nếu có tải trọng của đường ôtô,   nhà xưởng, động đất… tác động lên bờ mỏ. ­ Xác định mặt trượt tiềm năng (Failure Surface): Dựa vào cấu trúc địa chất xác định mặt   trượt tiềm năng, hoặc chỉ định để phần mềm xác định theo các điều kiện cung trụ tròn. ­ Xác định các lớp chia khối Sarma, khe nứt (Sarma Slice, Tension Crack). ­ Xác định các ứng suất tương hỗ nếu có (Multiple Analysis Strain).  ­ Chọn phương pháp tính toán  ổn định (Analysis Method): chọn một trong các phương   pháp Bishop, Spencer­Wright hoặc Sarma cho các dạng mặt trượt khác nhau. ­ Tính ngược tìm các thông số  cơ  lý đá như  C, Phi (Back Analysis): Sử  dụng lệnh này  trong trường hợp tính ngược xác định tính chất cơ  lý đá trong trạng thái cân bằng giới  hạn. ­ Chọn cửa sổ thể hiện khi lưu hình vẽ (Image Windows). ­ Ghi chú biên tập (Anotation): Biên tập, soạn thảo các ghi chú cần thiết.  ­ Thực hiện các tính toán mới (New Analysis): Chỉ định các nội dung tính toán mới, hoặc  có thay đổi khai báo. 7
  8. ­ Thông báo hoàn thiện lập mô hình (Model Definition Complete): Kết thúc phần lập mô  hình tính toán. ­ Thực hiện tính toán (Proccess): Tính toán xác định hệ số ổn định n. ­ Hiển thị kết quả (Result): Xem kết quả tính toán tổng hợp hoặc chi tiết (hình 9, 10). Hình 9. Kết quả tính ổn định bờ tây bắc Đèo Nai, tuyến Eb, Kêt thúc mức –285m.   Hình 10. Kết quả tính ổn định bờ tây bắc Đèo Nai, tuyến Eb mức 75m và 150 m. Kết quả tính toán cho thấy bờ mỏ thiết kế Kết thúc khai thác vỉa Dầy mức ­285 m không ổn  định (n = 0,97),  bờ mỏ thiết kế Kết thúc khai thác vỉa G mức 75 m ổn định (n = 1,38), và bờ  mỏ hiện trạng mức 150 m biến dạng ở mức độ cân bằng giới hạn (n = 1).  Kết quả trên đây chỉ là một trong số rất nhiều phép chọn tính toán khác nhau nhưng có giá  trị   ổn định bé nhất. Đây chính là tính  ưu viêt của công nghệ  thông tin khi dễ  dàng thay đổi  các lựa chọn và phân tích kết quả. Trên cơ sở đó tiếp tục điều chỉnh thiết kế hình dạng và   các biện pháp đảm bảo ổn định bờ mỏ tối ưu. TÀI LIỆU THAM KHẢO 8
  9. 1. Đoàn Văn Kiển, Nguyễn Chí Quang, Kiều Kim Trúc và nnk. Xây dựng Cơ sở dữ liệu địa   chất khoáng sàng than Tổng Cty TVN. Báo cáo Dự án TVN. Công ty ITE. Hà Nội. 2001. 2. Kiều Kim Trúc và nnk. Xây dựng cơ  sở  dữ  liệu điều kiện địa chất mỏ  phục vụ  điều  khiển  ổn định bờ  mỏ  lộ  thiên. Báo cáo đề  tài Bộ  Công nghiệp. Viện KHCN Mỏ. Hà   Nội. 2000. 3. Kiều Kim Trúc.  Ứng dụng máy tính với chức năng mô hình hóa địa   chất và mỏ. TCí   Công nghiệp Mỏ, ISSN 0868­7052, số 5/2005, tr. 29­33, Hội KHCN M ỏ Việt Nam, Hà   Nội. 2005. 4. Pustovoitova T.K., Kiều Kim Trúc và nnk. Nghiên cứu biến dạng bờ  mỏ  và các biện   pháp đảm bảo ổn định bờ mỏ lộ thiên ở các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu, Cao Sơn, Hà Tu, Núi   Béo và Na Dương. Báo cáo đề  tài TVN. Viện KHCN Mỏ­Viện VNIMI. Hà Nội­St.  Peterrsburg. 2003. 5. Galena   3.1   for   Windows.   Clover   Technonogy   Associates   Pty.   Ltd.   Robertson,   NSW.  Australia. 2001. 6. RockWorks TM. Instruction Manual. RockWare Inc. Golden, Colorado. USA. 2010. 7. Slide 5.0 for Windows. Limit equilibrium analysis of slope stability. Rocksciences  Inc.  Toronto, Ontario. Canada. 2011. 8. Smith   M.   L.   Geologic   and   Mine   Modelling   using   Techbase   and   Lynx.   AA.   Balkema.  Rotterdam. Netherland. 1999. 9. Фисенко Г. Л. Устойчивость бортов карьеров и отвалов. – М.: Недра, 1965. – 378 c. 10. Правила обеспечения устойчивости откосов на угольных разрезах. – СПб.: ВНИМИ,  1998. – 205 с. Application of computer in analysing openpit slope stability Resume:  Analysing   pit   slope   stability   is   complicated   and   time­cause   work,   as   it   includes   defining geological and geotechnical model, selecting methods of analysis, giving variants,   especially   in   discontinous   media   like   rock   mass.   The   paper   introduces   application   of   professional softwares to model the geology, creating geological section, analysing pit slope   stability for coal pit in Quangninh, with the results as rapid and right  answers. 9

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản