Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ hầm lò bể than Quảng Ninh. Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam.
Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển đứng trên 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.
luan an 7 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1. Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò 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 và kích thích sự dịch chuyển đất đá theo định luật hấp dẫn [62]. Ban đầu, các lớp đá vách bị uốn võng kéo theo sự tách lớp và đổ sập xuống lấp vào không gian vùng trống.
Với độ sâu khai thác nhỏ, sự uốn võng có đổ vỡ này có thể lan đến mặt đất. Khi độ sâu khai thác càng lớn, sự uốn võng của các lớp chỉ xảy ra ở một số lớp đất đá vách sau đó tách lớp rồi tạo nên vùng đổ vỡ với các khối đá chèn lấp tự nhiên khiến các lớp đá phía trên có thể tựa lên và giữ được thế ổn định. Ngoài ra, trên lò chợ xuất hiện vùng áp lực tựa lên các thành lò. Đá chèn tự nhiên và vùng áp lực tựa đã tạo nên lực cản lại ứng lực trong đất đá và làm suy yếu dần sự uốn võng với sự đổ sập các lớp đá phía trên, thay vào đó xuất hiện sự uốn võng và giữ được tính liên tục ở các lớp đất đá nằm phía trên và mặt đất.
Biểu hiện tiêu biểu của ảnh hưởng khai thác hầm lò lên bề mặt là hình thành bồn dịch chuyển. Bồn dịch chuyển Quá trình vận động đất đá do ảnh hưởng của khai thác hầm lò lan truyền lên mặt đất tạo ra vùng trũng liên tục trên bề mặt được gọi là bồn dịch chuyển (hình 1. Trong nghiên cứu các phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò, các nhà khoa học chủ yếu tập trung cho các biến cố xảy ra trong phạm vi bồn dịch chuyển. Ranh giới của bồn dịch chuyển là đường nối các điểm có giá trị biến dạng ngang và biến dạng đứng i không vượt quá 0,5x10-3 và có giá trị dịch chuyển đứng bằng 1520 mm [2].
Tùy thuộc vào đặc điểm địa chất kiến tạo cũng như chiều dày lớp đất bồi mà trong phạm vi bồn dịch chuyển trên mặt đất phân biệt thành các vùng khác nhau (hình 1. luan an 8 Hình 1. Bồn dịch chuyển do khai thác hầm lò Vùng dịch chuyển nguy hiểm - vùng bề mặt đất xuất hiện biến dạng làm các công trình và các đối tượng tự nhiên ảnh hưởng nghiêm trọng, gây nguy hiểm. Ranh giới của vùng dịch chuyển nguy hiểm là đường nối các điểm có các giá trị biến dạng giới hạn sau: biến dạng đứng i = 4.10-3, biến dạng ngang = 2.10-3; trong phạm vi vùng này có thể xuất hiện các vùng: sụp đổ, rạn nứt và một phần vùng uốn dẻo.
Vùng sụp đổ - một phần trong bồn dịch chuyển có xuất hiện hố sụt lở, hào rãnh sâu, khe nứt, tầng bậc. Ranh giới của vùng này là đường nối các kẽ nứt có độ rộng lớn hơn 25 cm. Vùng rạn nứt - vùng có các kẽ nứt chia cắt bề mặt đất và tạo thành các kẽ nứt nhìn thấy được. Các đối tượng chứa nước nằm trong vùng sụp đổ và rạn nứt sẽ bị hư hại, gây mất nước và ngập lụt đường lò Vùng dịch chuyển dẻo, êm dịu - vùng mặt đất chuyển dịch lún xuống êm dịu, giữ được tính nguyên vẹn của các lớp đá do không có các kẽ nứt chia cắt.
Vùng đáy bồn phẳng - vùng khi có độ lún đều, không có biến dạng đứng.2 là đáy bồn lõm với độ lớn dịch chuyển đứng là ηmax và có góc lún cực đại . luan an 9 Hình 1. Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển Hình dạng của bồn dịch chuyển, giá trị cường độ dịch chuyển và biến dạng trong bồn, đơn cử như giá trị dịch chuyển đứng η, phụ thuộc chủ yếu vào kích thước khoảng trống khai thác. Diện tích khai thác càng lớn thì những giá trị này càng tăng.
Tuy nhiên, khi kích thước khai thác tăng đến một giá trị nhất định nào đó thì các giá trị dịch chuyển và biến dạng bề mặt đất không tăng lên nữa. Thời điểm khai thác đạt đến mức độ này được gọi là khai thác hoàn toàn. Ở thời điểm này, đáy bồn dịch chuyển trên bề mặt đất xuất hiện dịch chuyển đứng đạt giá trị lớn nhất và sau đó không tăng lên nữa khi kích thước khoảng trống tiếp tục mở rộng. Sau thời điểm đạt mức khai thác hoàn toàn, đáy bồn dịch chuyển sẽ có dạng phẳng.
Tại thời điểm đạt mức khai thác hoàn toàn đáy bồn chỉ có một điểm có giá trị lún cực đại ηmax. Mặt cắt chính - là mặt cắt theo dốc hoặc theo phương của vỉa và đi qua đáy bồn dịch chuyển. Hầu hết các nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ thường được tiến hành chủ yếu trên các mặt cắt này. Bán bồn dịch chuyển - trên các mặt cắt chính theo phương hoặc theo dốc vỉa, bán bồn là khoảng cách nằm ngang từ biên giới bồn dịch chuyển đến đến ranh giới đáy bồn dịch chuyển (khi khai thác dưới toàn phần) hoặc đến đáy bồn (nơi có giá trị dịch chuyển đứng cực đại, khi khai thác dưới không toàn phần).
Các bán bồn dịch chuyển được phân biệt như sau: theo hướng xuôi dốc - L1; theo hướng ngược dốc - luan an 10 L2; theo phương vỉa - L3 (hình 1. Các thông số chính của bồn dịch chuyển [2] Trên một lò chợ khai thác thì kích thước của lò chợ theo hướng dốc L phụ thuộc vào điều kiện địa chất mỏ, thiết bị và công nghệ khai thác nên ít biến động, kích thước theo hướng đường phương W liên tục thay đổi theo tiến độ gương lò chợ. Do vậy khi nghiên cứu DCBD tại các điểm trên các bán bồn dịch chuyển phải lưu ý đến các đặc điểm này. Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển a) Các góc biên (góc ranh giới bồn dịch chuyển) Các góc biên 0, 0, 0, (hình 1.3) dùng đề xác định ranh giới vùng dịch chuyển trên mặt đất.
Trên các mặt cắt chính của bồn dịch chuyển, các góc này được tạo bởi đường nối ranh giới vùng trống khai thác đến các điểm ranh giới của bồn dịch chuyển trên mặt đất với các đường thẳng nằm ngang. Trên mặt cắt chính theo dốc và theo phương của vỉa, vùng dịch chuyển được giới hạn bởi các góc biên 0, 0, 0, như sau: - 0 - góc biên ở ranh giới dưới dốc của lò chợ, về phía vách vỉa; - 0 - góc biên ở ranh giới trên dốc của lò chợ; - 0 - góc biên ở ranh giới lò chợ theo hướng đường phương của lò chợ. b) Góc lún cực đại Góc lún cực đại là góc hướng theo phía dốc vỉa. Góc lún cực đại 𝜃 được coi là cố định với tất cả các lớp đất đá.
Thông qua góc lún cực đại cho phép dự báo được luan an 11 điểm có giá trị dịch chuyển đứng cực đại trong bồn dịch chuyển (hình 1. Trường hợp đáy bồn phẳng thì các độ lún cực đại ηmax tại đây có giá trị bằng nhau, hay nói một cách khác khi các độ lún bằng nhau sẽ tạo ra đáy bồn phẳng. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng Tính chất phân bố các đại lượng dịch chuyển biến dạng trong bồn dịch chuyển khi khai thác vỉa bằng phẳng với khoảng trống khai thác đủ lớn được mô tả như trên hình 1. Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất [2] trong đó: 1- đường cong dịch chuyển đứng; 2- đường cong dịch chuyển ngang; 3- đường cong độ nghiêng; 4- đường cong độ cong; 5- đường 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. Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt a) Tính chất cơ - lý đất đá Các đại lượng dịch chuyển đất đá và sự phân bố của chúng trên bề mặt và trong lòng đất phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá trong khu vực. Đất đá được hình thành từ các niên đại với các điều kiện địa chất - kiến tạo khác nhau nên sự phân bố, hiện trạng về thế nằm, các thông số của các lớp và đặc tính cơ lý đất đá cũng khác nhau. Theo tính chất cơ lý, đất đá được chia làm 3 loại: đất đá rắn, bở rời và dẻo [73].
Tính luan an 12 chất cơ lý của đất đá được đặc trưng bởi thông số độ bền và sức chống đỡ của nó trong điều kiện bị biến dạng và phá hoại, được đại diện bằng hệ số kiên cố Protodiaconov. Trong điều kiện như nhau thì dịch chuyển xảy ra trong đá yếu như sét, đá phiến sét, v. êm hơn và nhanh hơn so với trong đất đá cứng. Độ kiên cố trung bình của đất đá, địa tầng và vị trí của các lớp đá cứng so với vỉa khoáng sàng khai thác quyết định quy mô biến dạng và quá trình của nó [2].
Độ kiên cố đất đá ảnh hưởng tới đại lượng dịch chuyển đứng cực đại theo đặc điểm: trong những điều kiện như nhau, dịch chuyển đứng trong đất đá có độ kiên cố nhỏ hơn trong đất đá yếu. Cần lưu ý rằng: tính chất cơ lý của đất đá không ổn định và như nhau ở các vùng khác nhau và thậm chí trong cùng một mỏ. Sự biến thiên của đại lượng lún khi khai thác các vỉa có cùng điều kiện như chiều dày, góc dốc và nằm trên cùng độ sâu khai thác là khác nhau khi môi trường đất đá nằm phía trên có độ cứng khác nhau. b) Độ dốc vỉa Mặt cắt chính bồn dịch chuyển có tính đối xứng so với ruộng khấu trong trường khai thác vỉa bằng, và trở nên không đối xứng trong trường hợp vỉa khai thác nghiêng và dốc.
Trong trường hợp vỉa dốc, tâm bồn dịch chuyển bị xê dịch về phía dốc vỉa một khoảng [36].