Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "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" do nghiên cứu sinh Nguyễn Quốc Long thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất Hà Nội (bảo vệ năm 2019), dưới sự hướng dẫn khoa học của GVC. Vương Trọng Kha và GS. NGƯT Võ Chí Mỹ. Công trình thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, mã số 9520503.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò lấy đi khối lượng lớn đất đá và than trong lòng đất, tạo ra các khoảng trống lớn làm phá vỡ trạng thái cân bằng ứng suất nguyên thủy. Dưới tác dụng của trọng lực, đất đá vách uốn võng, tách lớp, sụp đổ và lan truyền dần lên bề mặt địa hình tạo thành bồn dịch chuyển. Hiện tượng này gây hư hại nghiêm trọng cho các công trình ngầm, công trình xây dựng trên mặt đất, hệ thống giao thông, lưới điện và đe dọa an toàn khai thác (như nguy cơ bục nước, bục cát từ các vỉa cũ hoặc tầng chứa nước).

Thực tế khai thác tại bể than Quảng Ninh đã ghi nhận nhiều sự cố điển hình:

  • Tại mỏ Mạo Khê: trạm quạt thông gió mức +142 m bị hư hỏng nhiều lần; lò xuyên vỉa 56 bị biến dạng; sự cố bục nước vào lò vỉa 9 qua lỗ khoan VIa và bục cát nước qua phay A (năm 1995) gây tai nạn nghiêm trọng.
  • Tại mỏ Mông Dương: khu trung tâm vỉa G9 xảy ra bục nước từ lò cũ với lưu lượng tới 200 m³/h; dịch chuyển đất đá làm nghiêng cột điện cao thế 110 kV, biến dạng giếng đứng và nứt nhà dân.
  • Tại các khu vực khác: sụt lún gây xuống cấp đường ô tô lên mỏ Đèo Nai, phá hủy hệ thống đường sắt tại Công ty Than Dương Huy, sự cố bục nước tại mỏ Tây Khe Sim (tháng 8 năm 2008).

Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg về điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020, xét đến năm 2030, sản lượng và quy mô khai thác hầm lò ngày càng gia tăng, đồng thời chuẩn bị khai thác thử nghiệm bể than Đồng bằng Sông Hồng. Tuy nhiên, điều kiện địa chất - mỏ tại Việt Nam mang đặc thù riêng: thế nằm của các vỉa than chủ yếu là vỉa nghiêng và vỉa dốc, địa tầng có độ kiên cố phức tạp, trong khi chuỗi dữ liệu quan trắc trắc địa thực tế còn hạn chế và không đồng bộ. Các phương pháp dự báo truyền thống áp dụng từ nước ngoài (như phương pháp vùng tương tự Kuzbass - Nga) bộc lộ nhiều sai số khi tính toán cho bồn lún phi đối xứng của vỉa dốc. Do đó, việc xây dựng và hoàn thiện phương pháp dự báo dịch chuyển đứng phù hợp với điều kiện địa chất vỉa dốc và ứng dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo để mô hình hóa quá trình dịch chuyển theo thời gian là khoảng trống nghiên cứu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của luận án 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.

Câu hỏi và luận điểm nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết và bảo vệ hai luận điểm khoa học chính:

  1. 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 cho phép dự báo đại lượng dịch chuyển đứng bề mặt tại các khu vực khai thác có điều kiện tương tự.
  2. 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 đạt từ 8 chu kỳ trở lên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Đại lượng dịch chuyển đứng (độ lún bề mặt $\eta$) trên hai mặt cắt chính của bồn dịch chuyển do khai thác mỏ than hầm lò, xét theo cả không gian (bồn lún tĩnh) và thời gian (bồn lún động qua các chu kỳ khai thác).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về không gian: Một số mỏ than hầm lò tiêu biểu thuộc bể than Quảng Ninh (trọng tâm là mỏ than Thống Nhất và mỏ than Mông Dương; kết hợp khảo sát tại Mạo Khê, Hà Lầm, Nam Mẫu).
    • Về nội dung: Tập trung vào dịch chuyển đứng trên tuyến quan trắc theo hướng dốc (tuyến D) và tuyến quan trắc theo phương vỉa (tuyến P).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Các phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ trên thế giới được chia thành 6 nhóm chính:

  1. Nhóm phương pháp quan hệ thực nghiệm: Xây dựng công thức dựa trên dữ liệu đo đạc thực địa tại từng vùng mỏ cụ thể, phát triển mạnh tại Liên Xô (cũ) và Vương quốc Anh (Akimov A.G., Avershin S.G., 1958).
  2. Nhóm phương pháp hàm mặt cắt (Profile function): Mô tả hình dạng đường cong lún bằng các phương trình toán học dựa trên điểm uốn hoặc tâm vùng khai thác (Peng S.S., 1992).
  3. Nhóm phương pháp hàm ảnh hưởng (Influence function): Dựa trên lý thuyết vùng ảnh hưởng hình nón hoặc hình tròn bao quanh điểm khai thác, tiêu biểu là các công trình kinh điển của Keinhorst (1934), Bals (1939) tại Đức, sau đó được Knothe Stanisław (1953, 1957) tại Ba Lan chuẩn hóa bằng quy luật phân bố chuẩn Gauss.
  4. Nhóm phương pháp mô hình vật lý (Vật liệu tương đương): Sử dụng cát, gelatin để quan trắc cơ chế nứt nẻ và đổ vỡ (Litwiniszyn, 1956; King & Whetton, 1957).
  5. Nhóm phương pháp mô hình giải tích: Xem xét môi trường đất đá ngẫu nhiên, đàn hồi hoặc đàn - dẻo (Litwiniszyn, 1956; Berry, 1964) và phương pháp phần tử hữu hạn.
  6. Nhóm phương pháp dự báo theo thời gian: Hàm số mũ của Knothe (1953), các mô hình cải tiến có thêm tham số của Sroka-Schober, Harris (Xinrong Liu, 2013).

Hệ thống phần mềm SDPS (Surface Deformation Prediction System) do Michael Karmis, Zach Agioutantis và Kevin Andrews (2008, 2014) phát triển tại Mỹ được ứng dụng phổ biến cho khai thác lò chợ cột dài. Trong điều kiện vỉa dốc, Stanislaw Szpetkowski và sau đó là Asadi đã đề xuất mô hình mặt cắt bồn lún phi đối xứng.

Từ những năm 2000, các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo bắt đầu được đưa vào dự báo biến dạng mỏ: Djamaluddin et al. (2011) tại mỏ Velenje (Slovenia); Kang Zhao và Si-ni Chen (2011) tại Trung Quốc; Saro Lee (2004, 2017), Kim Yangkyun (2017) tại Hàn Quốc; Satar Mahdevari et al. (2017) tại mỏ Tabas (Iran); Hejmanowski và Witkowski (2015) tại Ba Lan.

Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu bao gồm:

  • Nguyễn Đình Bé (1983): Đặt nền móng nghiên cứu dịch động mỏ tại Việt Nam, áp dụng nguyên lý vùng tương tự Kuzbass (Liên Xô) để xác lập thông số dịch chuyển cho bể than Quảng Ninh.
  • Võ Chí Mỹ (1987, 1992, 1993, 2007, 2009): Nghiên cứu biến dạng bề mặt mỏ bằng ảnh viễn thám, quy luật biến động địa cơ và xác định kích thước trụ bảo vệ; dự báo tham số dịch chuyển cho mỏ than Bình Minh (bể than Đồng bằng Sông Hồng).
  • Vương Trọng Kha (2003, 2010): Khái quát hóa đặc điểm dịch chuyển trong điều kiện có đứt gãy kiến tạo tại mỏ Mông Dương, xây dựng phần mềm "Dichchuyen-1" và nghiên cứu áp dụng phương pháp BTY của Viện VNIMI (Nga) tại mỏ Thống Nhất.
  • Kiều Kim Trúc (1985, 2008, 2011): Thu thập, chuẩn hóa dữ liệu quan trắc thực tế tại Mạo Khê (vỉa 6, 9b Tràng Khê), Thống Nhất (vỉa Dày khu Lộ Trí), Nam Mẫu, Hà Lầm; ứng dụng GIS và MsExcel để tổng hợp bộ thông số góc dịch động ($\delta, \gamma, \beta$) cho vùng than Quảng Ninh và dự báo cho Đồng bằng Sông Hồng.
  • Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin (2015): Xây dựng bảng tra hàm độ lún mẫu chuẩn áp dụng cho vùng than Quảng Ninh.
  • Phạm Quốc Khánh (2014): Ứng dụng lọc Kalman dự báo dịch chuyển đứng cho từng điểm quan trắc theo thời gian.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình tại Việt Nam trước đây chủ yếu áp dụng phương pháp vùng tương tự hoặc hàm độ lún mẫu chuẩn của VNIMI theo hình thức tra bảng tĩnh, chưa kiểm chứng toàn diện đường cong lún thực tế trên các vỉa có độ dốc lớn. Việc dự báo theo thời gian mới chỉ dừng ở từng điểm quan trắc đơn lẻ bằng hàm Knothe hoặc lọc Kalman, chưa mô hình hóa được toàn bộ biên dạng bồn dịch chuyển theo các chu kỳ quan trắc bằng công nghệ mạng nơ-ron nhân tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Lý thuyết bồn dịch chuyển mỏ: Khi khai thác hầm lò đạt kích thước nhất định ($S > S_{min}$), trên mặt đất hình thành bồn dịch chuyển. Bồn dịch chuyển bao gồm các vùng: vùng sụp đổ (khe nứt $> 25\text{ cm}$), vùng rạn nứt, vùng dịch chuyển dẻo (êm dịu) và vùng đáy bồn (đáy phẳng khi khai thác toàn phần hoặc đáy nhọn/lõm khi khai thác chưa toàn phần).
  2. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng cơ bản:
    • Dịch chuyển đứng (độ lún): $\eta$ (mm).
    • Dịch chuyển ngang: $\xi$ (mm).
    • Độ nghiêng địa hình: $i$ ($10^{-3}$).
    • Độ cong: $K$ ($10^{-3}\text{ m}^{-1}$).
    • Biến dạng ngang: $\varepsilon$ ($10^{-3}$).
    • Ranh giới bồn dịch chuyển quy ước là đường nối các điểm có $\varepsilon \le 0{,}5 \times 10^{-3}$, $i \le 0{,}5 \times 10^{-3}$ và $\eta = 15 \div 20\text{ mm}$.
  3. Mô hình Asadi cho vỉa dốc: Mô tả mặt cắt bồn lún phi đối xứng theo hướng dốc vỉa thông qua việc xác định tâm lún lệch, dịch chuyển cực đại $\eta_{max}$, góc lún cực đại $\theta$, các bán bồn xuôi dốc ($L_1$), ngược dốc ($L_2$) và bộ hệ số thực nghiệm $f, g, p, q$.
  4. Lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Mạng truyền thẳng nhiều lớp (Multilayer Feedforward Networks - MFN) kết hợp thuật toán lan truyền ngược (Back-Propagation - BP), hàm truyền kích hoạt dạng Sigmoid, cơ chế học có giám sát để xấp xỉ hàm dịch chuyển phi tuyến theo thời gian.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp các quy luật địa cơ học và giải tích toán học về quá trình dịch động đất đá.
  • Phương pháp phân tích thống kê và so sánh: Đánh giá sai số giữa mô hình lý thuyết với số liệu đo thực địa bằng các chỉ tiêu: sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số trung phương (RMS), sai số trung bình (MSE) và hệ số tương quan ($R^2$).
  • Phương pháp mạng nơ-ron nhân tạo: Thiết kế cấu hình mạng, lựa chọn tham số đầu vào, huấn luyện mạng trên chuỗi dữ liệu đa chu kỳ quan trắc.
  • Phương pháp thực nghiệm: Phân tích dữ liệu trắc địa đo lún thực tế tại hiện trường các mỏ than.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • Số liệu trắc địa quan trắc dịch chuyển bề mặt định kỳ qua nhiều chu kỳ tại tuyến D (hướng dốc) và tuyến P (hướng phương) của mỏ than Thống Nhất và mỏ than Mông Dương.
  • Số liệu địa chất công trình, tính chất cơ lý các lớp đất đá (độ bền nén $\sigma_n$, độ bền kéo $\sigma_k$, lực dính $C$, góc ma sát trong $\varphi$, hệ số kiên cố Protodiaconov $f$).
  • Tài liệu hình học và công nghệ khai thác các vỉa than tại các mỏ Hà Lầm, Mạo Khê, Nam Mẫu, Thống Nhất, Mông Dương thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò

Chương này hệ thống hóa bản chất cơ học của quá trình dịch chuyển đất đá và hình thành bồn lún trên bề mặt địa hình; phân tích chi tiết 8 nhóm yếu tố ảnh hưởng chính:

  1. Tính chất cơ lý đất đá: Độ kiên cố $f$ quyết định quy mô và tốc độ uốn võng (đá mềm dịch chuyển êm và nhanh hơn đá cứng).
  2. Độ dốc vỉa ($\alpha$): Khi vỉa dốc, bồn dịch chuyển mất tính đối xứng, tâm lún cực đại lệch về phía chân vỉa/dốc vỉa.
  3. Độ sâu khai thác ($H$): Khai thác nông gây biến dạng gián đoạn (hố sụt, nứt nẻ lớn); khai thác sâu tạo biến dạng liên tục.
  4. Chiều dày lớp khấu ($m$): Đại lượng lún tỷ lệ thuận với chiều dày lớp than lấy đi.
  5. Hình dáng và kích thước lò chợ: Quyết định trạng thái bồn lún toàn phần hay không toàn phần.
  6. Tiến độ khai thác: Gây ra bồn dịch chuyển động mở rộng theo thời gian.
  7. Vị trí điểm quan trắc: Càng xa tâm khai thác độ lún càng giảm.
  8. Tham số thời gian: Quá trình dịch chuyển trải qua 4 giai đoạn (chuẩn bị, bắt đầu, chuyển dịch mạnh mẽ, kết thúc).

Chương 1 cũng so sánh bảng tra hàm độ lún mẫu chuẩn do Viện VNIMI và Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (KHCNM) đề xuất:

Tỷ số $X/L$ Hàm VNIMI Hàm KHCNM
0 1,000 1,000
0,1 0,980 0,985
0,2 0,930 0,940
0,3 0,840 0,860
0,4 0,720 0,740
0,5 0,580 0,590
0,6 0,430 0,440
0,7 0,280 0,290
0,8 0,160 0,165
0,9 0,060 0,065
1,0 0,000 0,000

Chương 2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh

Chương 2 tổng hợp các đặc điểm địa chất, cấu tạo vỉa than và tính chất cơ lý đất đá tại bể than Quảng Ninh:

  • Đất đá vách - trụ chủ yếu gồm cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết và sét than. Hệ số kiên cố Protodiaconov trung bình $f = 1{,}8 \div 15{,}8$; dung trọng $\gamma = 2{,}51 \div 2{,}73\text{ g/cm}^3$.
Mỏ / Tầng khai thác Tên đất đá Độ bền nén TB $\sigma_n$ ($\text{kG/cm}^2$) Độ bền kéo TB $\sigma_k$ ($\text{kG/cm}^2$) Dung trọng riêng $\gamma$ ($\text{g/cm}^3$) Lực dính kết $C$ ($\text{kG/cm}^2$) Góc ma sát $\varphi$ (độ) Độ cứng Protodiaconov $f$
Hà Lầm (mức -38) Sạn kết 1258 119 2,66 405 $33^\circ 48'$ 12,6
Cát kết 1225 109 2,68 337 $35^\circ 30'$ 12,2
Sét than 185 20 2,65 57 $32^\circ 80'$ 1,8
Mạo Khê (mức -25) Cuội - sạn kết 1142 100 2,66 365 $34^\circ 15'$ 11,4
Cát kết 1582 152 2,67 488 $34^\circ 00'$ 15,8
Bột kết 478 51 2,69 149 $32^\circ 67'$ 4,8
Thống Nhất (2006) Sạn kết 1071 90 2,66 353 $34^\circ 58'$ 10,7
Cát kết 1210 101 2,71 404 $34^\circ 72'$ 12,1
Mông Dương Sạn kết 809 126 2,66 269 $34^\circ 30'$ 8,1
Cát kết 937 110 2,69 389 $34^\circ 10'$ 9,4
Bột kết 441 51 2,73 154 $33^\circ 15'$ 4,4
  • Về phân loại vỉa theo độ dốc: vỉa than Quảng Ninh chủ yếu là vỉa nghiêng ($\alpha = 15^\circ \div 35^\circ$) và vỉa dốc nghiêng ($\alpha = 35^\circ \div 55^\circ$), chiếm phần lớn trữ lượng trong tổng số 630 triệu tấn của 12 dự án mỏ hầm lò lớn.
    • Mỏ Nam Mẫu: vỉa 7 có chiều dày trung bình $2{,}55\text{ m}$, góc dốc $32^\circ$.
    • Mỏ Mông Dương: vỉa I(12) dày $3{,}4\text{ m}$, dốc $33^\circ$; vỉa II(11) dày $3{,}5\text{ m}$, dốc $32^\circ$; vỉa G(9) dày $4{,}95\text{ m}$, dốc $30^\circ$.
    • Mỏ Thống Nhất: vỉa PV.GI3B dày $1{,}77\text{ m}$, dốc $37^\circ$; vỉa PV.H dày $1{,}04\text{ m}$, dốc $42^\circ$.
  • Công nghệ khai thác chủ đạo: Khai thác cột dài theo phương, điều khiển đá vách bằng phương pháp phá hỏa toàn phần, chống giữ bằng giá thủy lực di động hoặc cột thủy lực đơn.

Chương 3. Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam

Chương này triển khai chi tiết mô hình giải tích của Asadi để dự báo biên dạng lún phi đối xứng cho vỉa dốc tại Quảng Ninh:

  • Xác định các thông số hình học của bồn lún: dịch chuyển đứng cực đại $\eta_{max}$, góc lún cực đại $\theta$, chiều dài các bán bồn xuôi dốc ($L_1$) và ngược dốc ($L_2$).
  • Thuật toán xác định bộ 4 hệ số thực nghiệm $f, g, p, q$ của mô hình Asadi từ dữ liệu quan trắc thực tế bằng chương trình tính toán chuyên dụng.
  • Luận án tiến hành kiểm chứng thực nghiệm tại mỏ than Thống Nhất và mỏ than Mông Dương:
    • Tính toán cho tuyến quan trắc hướng dốc (tuyến D) và tuyến quan trắc hướng phương (tuyến P).
    • So sánh độ khớp giữa đường cong lún tính từ mô hình Asadi hiệu chỉnh với số liệu quan trắc trắc địa thực tế, phương pháp BTY của Viện VNIMI và hàm mẫu của Viện KHCNM.
    • Kết quả phân tích sai số khẳng định mô hình Asadi với bộ hệ số xác định từ số liệu quan trắc phản ánh sát thực tế địa hình và có độ chính xác cao hơn rõ rệt so với các phương pháp tra bảng mẫu truyền thống.

Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian

Chương 4 tập trung xây dựng mô hình trí tuệ nhân tạo để giải bài toán dự báo độ lún bề mặt theo chuỗi thời gian:

  • Thiết lập kiến trúc mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp (MFN) cấu hình 1 lớp ẩn, sử dụng thuật toán lan truyền ngược (BP) có giám sát và hàm kích hoạt phi tuyến Sigmoid.
  • Lựa chọn các yếu tố đầu vào cho mạng: tọa độ điểm quan trắc, chu kỳ quan trắc thời gian, tốc độ dịch chuyển lò chợ, các thông số địa chất và hình học khai thác.
  • Dữ liệu huấn luyện và kiểm định được phân chia theo 5 trường hợp thử nghiệm trên các chu kỳ quan trắc thực tế (từ chu kỳ 8 đến chu kỳ 12 tại mỏ Thống Nhất và Mông Dương).
  • Đánh giá sự tương quan giữa giá trị dự báo và số liệu đo thực địa qua từng chu kỳ:
    • Mô hình cho hệ số tương quan $R^2$ cao, sai số RMS và MAE giảm dần khi số lượng chu kỳ huấn luyện tăng lên.
    • Kết quả kiểm định chứng minh: Khi tập dữ liệu quan trắc đầu vào đạt từ 8 chu kỳ trở lên, mạng nơ-ron nhân tạo có khả năng học và dự báo chính xác tiến trình dịch chuyển đứng bề mặt theo thời gian.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Xác lập cơ sở khoa học và quy trình hoàn thiện mô hình toán học (mô hình Asadi) trong việc dự báo dịch chuyển đứng trên các mặt cắt chính của bồn dịch chuyển phi đối xứng, phù hợp với đặc thù khai thác các vỉa than nghiêng và vỉa dốc tại bể than Quảng Ninh.
  2. Lần đầu tiên tại Việt Nam, nghiên cứu và ứng dụng thành công lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng đa lớp (MFN-BP) để dự báo quy luật phát triển của bồn dịch chuyển đứng bề mặt mỏ theo chuỗi thời gian quan trắc định kỳ.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ thông số thực nghiệm ($f, g, p, q$) và thuật toán dự báo độ lún chính xác cho mỏ than Thống Nhất và mỏ than Mông Dương, có thể chuyển giao áp dụng cho các mỏ có điều kiện địa chất - khai thác tương đương.
  2. Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác lập dự án kinh tế - kỹ thuật mở rộng khai thác xuống sâu, tính toán thiết kế kích thước trụ than bảo vệ công trình ngầm và bề mặt, hỗ trợ công tác đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và cải tạo phục hồi môi trường sau khai thác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi dữ liệu: Luận án giới hạn phạm vi thực nghiệm tại các mỏ than hầm lò vỉa dốc thuộc bể than Quảng Ninh (chủ yếu là mỏ Thống Nhất và mỏ Mông Dương); chưa có điều kiện kiểm chứng thực tế tại các vỉa than sâu của bể than Đồng bằng Sông Hồng.
  • Hạn chế về thành phần biến dạng: Nghiên cứu tập trung giải quyết thành phần dịch chuyển đứng (độ lún $\eta$) trên hai mặt cắt chính của bồn lún; chưa mở rộng xây dựng mô hình mạng nơ-ron dự báo đồng thời cho toàn bộ 5 thành phần biến dạng (dịch chuyển ngang, nghiêng, cong, biến dạng ngang) trong không gian 3 chiều.
  • Yêu cầu về chuỗi số liệu: Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo đòi hỏi chuỗi số liệu quan trắc trắc địa phải đạt tối thiểu từ 8 chu kỳ đo trở lên mới đảm bảo độ tin cậy dự báo.

Giá trị tham khảo

  • Đối với doanh nghiệp khai thác mỏ than (Tập đoàn Vinacomin): Tài liệu tham khảo trực tiếp cho các phòng Kỹ thuật, Trắc địa - Địa chất tại các mỏ than hầm lò trong việc thiết kế tuyến quan trắc dịch động, tính toán ranh giới vùng ảnh hưởng và lập phương án gia cố bảo vệ công trình trên bề mặt.
  • Đối với cơ quan nghiên cứu và tư vấn thiết kế: Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư Mỏ và Công nghiệp có thể sử dụng các thuật toán và bộ hệ số thực nghiệm để nâng cao độ chính xác trong công tác lập thiết kế mỏ và báo cáo ĐTM.
  • Đối với đào tạo và nghiên cứu học thuật: Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Kỹ thuật Mỏ, Địa kỹ thuật công trình có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa mô hình giải tích địa cơ học với thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo trong xử lý dữ liệu trắc địa mỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phương pháp dự báo của VNIMI bộc lộ sai số khi áp dụng tại Quảng Ninh?

Phương pháp VNIMI (Liên Bang Nga) và bảng tra hàm mẫu chuẩn BTY được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm chủ yếu ở các vùng than có thế nằm vỉa bằng hoặc dốc thoải tại Nga. Khi áp dụng cơ học vào các vỉa than Quảng Ninh có góc dốc lớn ($15^\circ \div 55^\circ$), bồn dịch chuyển thực tế bị mất tính đối xứng (tâm lún bị lệch về phía chân dốc), dẫn đến sai lệch lớn giữa đường cong lún lý thuyết và thực tế.

2. Bồn dịch chuyển khi khai thác vỉa dốc có đặc điểm hình học gì khác so với vỉa bằng?

Khi khai thác vỉa bằng, mặt cắt chính của bồn dịch chuyển mang tính đối xứng qua tâm ruộng than. Khi khai thác vỉa dốc, bồn dịch chuyển trở nên phi đối xứng: tâm bồn lún cực đại ($\eta_{max}$) bị dịch chuyển về phía hạ bàn (phía dốc vỉa), các góc biên ngược dốc ($\beta_0$) và xuôi dốc ($\gamma_0$) có giá trị khác nhau, và các bán bồn xuôi dốc ($L_1$), ngược dốc ($L_2$) có chiều dài không đều nhau.

3. Mô hình Asadi xác định các đại lượng dịch chuyển đứng thông qua các tham số nào?

Mô hình Asadi xác định biên dạng lún thông qua độ sâu khai thác ($H$), chiều dày vỉa ($m$), góc dốc vỉa ($\alpha$), dịch chuyển đứng cực đại ($\eta_{max}$), góc lún cực đại ($\theta$), bán bồn xuôi dốc ($L_1$), bán bồn ngược dốc ($L_2$) và bộ 4 hệ số thực nghiệm $f, g, p, q$ được xác định từ chuỗi dữ liệu trắc địa đo lún tại hiện trường.

4. Điều kiện để mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) dự báo chính xác dịch chuyển theo thời gian trong luận án là gì?

Luận án chỉ ra rằng mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp (MFN) sử dụng thuật toán lan truyền ngược (BP) cần tập dữ liệu huấn luyện có số lượng chu kỳ quan trắc trắc địa đạt tối thiểu từ 8 chu kỳ trở lên ($\ge 8$ chu kỳ) để nhận diện được đầy đủ các giai đoạn động học của bồn lún và đưa ra kết quả dự báo tin cậy.

5. Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thu thập chính xác từ các mỏ than nào?

Dữ liệu quan trắc dịch động, cấu tạo vỉa than và tính chất cơ lý đất đá được thu thập thực tế tại các mỏ than hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh: mỏ than Thống Nhất (khu Lộ Trí, vỉa Dày, vỉa PV.GI3B, PV.H), mỏ than Mông Dương (vỉa G9, vỉa I(12), II(11), H(10), K(8)), mỏ than Mạo Khê (khu Tràng Khê vỉa 6, 9b) và mỏ than Hà Lầm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Quốc Long đã hoàn thiện cơ sở khoa học cho công tác dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do khai thác than hầm lò trong điều kiện đặc thù vỉa nghiêng và vỉa dốc tại Việt Nam. Bằng việc ứng dụng thành công mô hình giải tích Asadi hiệu chỉnh và mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng đa lớp (MFN-BP), công trình đã giải quyết được bài toán dự báo bồn lún phi đối xứng cả về mặt không gian tĩnh và tiến trình biến dạng theo chu kỳ thời gian. Các kết quả nghiên cứu và thông số thực nghiệm đạt được tại mỏ Thống Nhất và Mông Dương là cơ sở kỹ thuật phục vụ khai thác mỏ hầm lò an toàn, giảm thiểu sự cố công trình và bảo vệ môi trường mỏ bền vững.