Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14/03/2017 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030, toàn ngành than được giao nhiệm vụ cung ứng cho nền kinh tế quốc dân 47 - 50 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2020 và 55 - 57 triệu tấn vào năm 2030, trong đó tỷ trọng khai thác chủ yếu đến từ các mỏ than hầm lò. Nhằm đáp ứng mục tiêu sản lượng, nâng cao mức độ an toàn và tăng năng suất lao động, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) đã triển khai áp dụng công nghệ cơ giới hóa khai thác than lò chợ tại hàng loạt mỏ hầm lò thuộc vùng than Quảng Ninh như Khe Chàm, Dương Huy, Hà Lầm, Vàng Danh và Nam Mẫu.

Tại các khu vực khai thác vỉa than dày (dao động từ 7 m đến 20 m), sơ đồ công nghệ được ứng dụng phổ biến là cơ giới hóa khấu than lò chợ lớp trụ kết hợp hạ trần thu hồi than nóc. Công nghệ này tạo ra các khoảng không gian rỗng sau khai thác rất lớn, dẫn đến quá trình biến dạng, phá hủy và sập đổ của khối than nóc cùng các lớp đá vách diễn ra mãnh liệt hơn so với khai thác vỉa mỏng và vỉa trung bình. Hệ quả thực tế đã ghi nhận nhiều hiện tượng kỹ thuật bất lợi như lở gương than, rỗng nóc lò chợ, sụt lún và nứt nẻ bề mặt đất, gây nguy cơ nước mặt ngấm vào đường lò với lưu lượng lớn trong mùa mưa, đe dọa an toàn lao động và làm gián đoạn dây chuyền thiết bị cơ giới hóa.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra là: các thông số cơ bản về cơ chế biến động địa cơ như chiều cao vùng sập đổ, phạm vi vùng phá hủy tách lớp, kích thước vùng uốn võng, quy luật sập đổ và bước gãy của đá vách trực tiếp và đá vách cơ bản, cũng như độ lún và quy mô bồn dịch chuyển trên bề mặt đất khi áp dụng lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày tại các mỏ hầm lò Quảng Ninh trước đây chưa được nghiên cứu định lượng đầy đủ. Do đó, việc xây dựng mô hình biến động địa cơ tiệm cận với môi trường địa chất thực tế là nhu cầu khoa học và thực tiễn cấp bách.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án 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 vùng Quảng Ninh.

Để thực hiện mục tiêu trên, luận án giải quyết 5 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng quan về mô hình địa cơ khối đá mỏ và các phương pháp nghiên cứu dịch chuyển biến dạng trên thế giới và tại Việt Nam.
  2. Nghiên cứu đặc điểm điều kiện địa chất, cấu trúc và tính chất cơ lý đất đá đặc trưng của vùng than Quảng Ninh.
  3. Nghiên cứu xác lập phương pháp luận khoa học để xây dựng mô hình biến động địa cơ khối đá mỏ.
  4. Nghiên cứu xác định các điều kiện biên cho mô hình biến động địa cơ thông qua việc phân tích, xử lý chuỗi số liệu quan trắc thực địa.
  5. Ứng dụng mô hình biến động địa cơ để xác định quy luật dịch chuyển, biến dạng, phá hủy bề mặt đất và đá vách trong quá trình khai thác lò chợ cơ giới hóa hạ trần thu hồi than nóc vỉa dày, thực nghiệm áp dụng cho vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các quy luật dịch chuyển, biến dạng và phá hủy bề mặt đất cùng các tầng đá vách trong quá trình khai thác than vỉa dày bằng lò chợ cơ giới hóa lớp trụ hạ trần thu hồi than nóc.
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu mối quan hệ tương quan giữa độ lún cực đại bề mặt đất và mô đun đàn hồi tương đương của khối đá mỏ thông qua việc ứng dụng mô hình địa cơ và phương pháp số để tính toán, dự báo dịch chuyển, biến dạng và phá hủy khối đá trong điều kiện địa chất kỹ thuật mỏ tại bể than Quảng Ninh (trọng tâm là khu vực Than Thùng - vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu, kết hợp số liệu đối sánh tại các mỏ Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng và bề mặt đất do khai thác hầm lò trên thế giới đã trải qua quá trình phát triển với nhiều hướng tiếp cận:

  • Phương pháp số và cơ học môi trường liên tục: Các nghiên cứu của V.G. Zoteev, Vitke, Yu.G. Ashikhmin đã ứng dụng phương pháp số để giải các bài toán môi trường đàn hồi, liên tục, phi tuyến và môi trường khối đá rời rạc. Phương pháp này cho phép xác định các thành phần của ten xơ biến dạng trong không gian ba chiều tại bất kỳ vị trí nào trong khối đá, đánh giá trạng thái địa cơ học và dự báo dịch chuyển theo các phương án khai thác.
  • Mô hình biến dạng đàn hồi và phi tuyến: Kratch là người đầu tiên sử dụng phương pháp số để dự báo dịch chuyển đá mỏ cho vỉa than thoải với mô hình đàn hồi. Boris - Komponees áp dụng phương pháp số cho các vỉa than và thân quặng mỏng. M.V. Zoteev phát triển mô hình biến dạng phi tuyến, xem xét đặc điểm khối nứt nẻ và quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và dịch chuyển trượt theo mặt tiếp xúc.
  • Mô hình hóa ứng suất kiến tạo và phá hủy: A.D. Sashurin (Xashurin) xây dựng mô hình địa cơ phân tích quá trình biến dạng khối đá và bề mặt đất trong trường ứng suất kiến tạo bất đẳng hướng đối với khoáng thể quặng dày, chỉ ra sự hình thành bồn dịch chuyển và quỹ đạo véc tơ dịch chuyển hướng sâu vào khối đá. Vitke đưa ra mô hình đồng nhất giả định các mặt phẳng giảm yếu, trong khi Yu.G. Ashikhmin mở rộng mô hình này để dự báo biến dạng cho khối đá nứt nẻ trước giới hạn phá hủy.
  • Mô hình cơ học vật lý kinh điển: Hệ thống các mô hình vật lý môi trường đá mỏ dưới tác dụng tải trọng gồm mô hình Maxwell, Kelvin - Voigt, Poynting - Thomson, Zener và Bingham.

Các nghiên cứu trong nước và thực trạng vùng than Quảng Ninh

Tại Việt Nam, nghiên cứu dịch chuyển đất đá mỏ hầm lò được khởi xướng và phát triển qua các giai đoạn:

  • Năm 1980, PGS. Nguyễn Đình Bé là người đầu tiên nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá do khai thác hầm lò tại Việt Nam thông qua 5 mô hình mỏng bằng vật liệu tương đương ở vùng đứt gãy kiến tạo khối (góc cắm đứt gãy > 70°, góc dốc vỉa 35°), đồng thời so sánh điều kiện bể than Quảng Ninh với bể than Kuzbas (Liên Xô cũ) để phân loại đứt gãy kiến tạo.
  • GS.TS Võ Chí Mỹ nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt địa hình do khai thác mỏ tại vùng Konhin và biến động địa cơ trong khai thác hầm lò.
  • TS Kiều Kim Trúc nghiên cứu biến dạng bờ mỏ lộ thiên (1996) và chủ trì xử lý số liệu quan trắc trạm Lộ Trí (1972 - 1975) để xác định trụ bảo vệ đường ô tô mỏ than Đèo Nai.
  • GVC.TS Vương Trọng Kha xây dựng phần mềm chuyên dụng phục vụ tính toán, xử lý số liệu quan trắc dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ hầm lò.
  • TS Nguyễn Xuân Thụy nghiên cứu xác định chiều cao và độ dài bề mặt các khe nứt nhỏ ảnh hưởng đến dịch chuyển đất đá.
  • Giai đoạn 2002 - 2007, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - TKV triển khai đề tài cấp Nhà nước do TS Phùng Mạnh Đắc làm chủ nhiệm và KS Phạm Văn Chung làm cán bộ thực hiện chính, xây dựng mạng lưới trạm quan trắc thực địa tại các mỏ Nam Mẫu, Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương và Vàng Danh.
  • Giai đoạn 2011 - 2017, các tác giả TS Nguyễn Anh Tuấn (2011, dùng Phase2 phân tích khai thác hỗn hợp), TS Lê Văn Công (2014, dùng FLAC 2D xác định dịch chuyển khi đào lò), GS.TS Nguyễn Quang Phích (2015, mô hình dự báo tai biến công trình ngầm), TS Lê Đức Nguyên (2017, đánh giá sụt lún tại Khe Chàm) đã tiếp cận các công cụ mô hình số.

Dữ liệu quan trắc thực tế về góc dịch chuyển theo đường phương ($\delta$) và hệ số kiên cố đất đá ($f$) tại các mỏ than hầm lò Quảng Ninh được tổng hợp như sau:

Tên mỏ than Hệ số kiên cố đất đá ($f$) Góc dịch chuyển theo đường phương ($\delta$) Ghi chú điều kiện khai thác
Mỏ than Mạo Khê 6,9 80° Góc dịch chuyển không phụ thuộc góc dốc và chiều dày vỉa
Mỏ than Nam Mẫu 5,7 76° Quan trắc tại khu vực Than Thùng (vỉa 7, 8, 9)
Mỏ than Hà Lầm 6,1 75° Khu vực chịu ảnh hưởng do khai thác lặp lại (vỉa 10)
Mỏ than Mông Dương 4,7 75° Khu vực vỉa G9, vỉa 10.1 Bắc và dải cách ly suối

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù phương pháp mô hình vật liệu tương đương đã mang lại những hiểu biết định tính ban đầu, song phương pháp này bộc lộ nhược điểm là tỷ lệ hình học quá nhỏ và không phản ánh chính xác các chỉ tiêu cơ lý thực tế. Ngược lại, phương pháp số giải bài toán cơ học đá lại gặp khó khăn trong việc xác định các tham số đầu vào và điều kiện biên đại diện cho môi trường địa chất nứt nẻ, phân lớp phức tạp. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp số liệu quan trắc thực địa tại các mỏ than Quảng Ninh với phương pháp phần tử hữu hạn, xây dựng mối quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ ($E$) và độ lún cực đại bề mặt ($W_{\max}$), từ đó hiệu chỉnh hệ số giảm bền phục vụ mô phỏng số chính xác cho khu vực lò chợ cơ giới hóa vỉa dày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Khái niệm mô hình địa cơ: Mô hình địa cơ khối đá mỏ được định nghĩa là sơ đồ tính toán mô phỏng gần đúng các tính chất địa cơ học của khối đá mỏ trong điều kiện tự nhiên và quy luật biến đổi của chúng theo không gian và thời gian. Khối đá được mô phỏng là môi trường nửa không gian liên tục, đồng nhất hoặc không đồng nhất, phản ánh các tính chất đàn hồi, đàn hồi dẻo phi tuyến.
  • Lý thuyết đặc trưng mô hình của Herbert Stachowiak (1973): Gồm 3 thuộc tính cơ bản: tính bản sao (phản ánh thực thể gốc), tính thu hẹp/thu nhỏ (chỉ giữ lại các thuộc tính trọng yếu) và tính thực dụng (thay thế chức năng cho đối tượng nghiên cứu trong điều kiện xác định).
  • Trường ứng suất ban đầu và điều kiện biên: Trạng thái ứng suất ban đầu của khối đá gồm ba thành phần:
    1. Ứng suất trọng trường: Phụ thuộc vào trọng lượng thể tích đất đá $\gamma$ và độ sâu khai thác $H$ ($P = \gamma H$), áp lực hông tăng tuyến tính theo độ sâu, đạt 10 - 15 MPa ở độ sâu 500 m.
    2. Ứng suất kiến tạo ngang: Trị số thực nghiệm xác định $\sigma_1 + \sigma_2 = -30,8 \pm 2,3\text{ MPa}$, không đổi theo chiều sâu và bất đẳng hướng so với phương vị khoáng sàng.
    3. Ứng suất địa động lực chu kỳ: Biến thiên trong khoảng 0,5 - 2,0 MPa.
  • Nguồn kích hoạt trạng thái ứng suất: Là khoảng trống khai thác hình thành sau khi khấu than và hạ trần, được xác định bởi các kích thước hình học 3D (chiều dài theo phương, chiều dài theo hướng dốc, chiều dày khấu than và chiều dày hạ trần thu hồi than nóc).
  • Phân vùng dịch chuyển bồn lún: Bồn dịch chuyển hình thành từ đáy lên bề mặt gồm 3 đới chính:
    • Vùng sập đổ (phá hủy toàn phần): Đất đá sập vỡ vụn lấp đầy khoảng trống khai thác.
    • Vùng nứt nẻ và lún bậc thang: Đá vách bị phân cắt bởi hệ thống khe nứt phát triển.
    • Vùng uốn võng: Khối đá uốn cong liên tục, không mất tính liền khối; ranh giới bồn dịch chuyển trên mặt đất được giới hạn tại điểm có độ lún $\eta = 15\text{ mm}$ hoặc biến dạng ngang $\varepsilon = 0,5\cdot 10^{-3}$.
                 MẶT ĐẤT TỰ NHIÊN
=================================================  <-- Độ lún biên η = 15 mm
       \         Vùng uốn võng         /
        \-----------------------------/
         \       Vùng nứt nẻ         /
          \-------------------------/
           \     Vùng sập đổ       /
            \=====================/
             [ LÒ CHỢ KHAI THÁC ]

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đồng bộ 4 nhóm phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp thực địa: Đo đạc trắc địa chuyên dụng trên mạng lưới các tuyến mốc quan trắc dịch động tại các mỏ than Nam Mẫu, Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương nhằm xác định các góc dịch chuyển ($\delta, \beta, \gamma$), góc giới hạn ($\varphi_0, \delta_0$), độ lún cực đại ($W_{\max}$), phục vụ thiết lập điều kiện biên và xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn.
  2. Phương pháp lý thuyết và mô hình số: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. (Canada) kết hợp phần mềm RocData để xác định các thông số Hoek - Brown, phân loại khối đá theo hệ thống RMR và tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đá mỏ.
  3. Phương pháp phân tích thống kê và hồi quy: Phân tích tương quan hồi quy tuyến tính giữa mô đun đàn hồi khối đá ($E$) và giá trị độ lún cực đại bề mặt ($W_{\max}$) thu được từ quan trắc thực tế, từ đó xác lập hệ số giảm bền đại diện cho điều kiện bể than Quảng Ninh.
  4. Phương pháp tổng hợp và phân tích tư liệu: Kế thừa các tài liệu địa chất thăm dò, báo cáo cơ lý đá và số liệu khai thác thực tế của Tập đoàn Than - Khoáng sản Việt Nam.

Nội dung chính theo từng 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 1 hệ thống hóa các thành tựu nghiên cứu lý thuyết, phương pháp giải tích, mô hình vật liệu tương đương và mô hình số trên thế giới (Zoteev, Vitke, Ashikhmin, Sashurin, Kratch) và tại Việt Nam (Nguyễn Đình Bé, Võ Chí Mỹ, Kiều Kim Trúc, Phùng Mạnh Đắc, Vương Trọng Kha, Nguyễn Quang Phích). Chương này phân tích thực trạng dịch động tại các mỏ hầm lò Quảng Ninh, nêu bật quy luật biến đổi của góc dịch chuyển theo đường phương $\delta$ tỷ lệ thuận với hệ số kiên cố đất đá $f$ (đạt từ 75° đến 80°), đồng thời chỉ ra tính chất phức tạp khi khai thác vỉa dày hạ trần than nóc chưa được giải quyết thấu đáo bằng các mô hình địa cơ số trước đây.

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 2 trình bày cơ sở phương pháp luận về mô hình hóa trong địa kỹ thuật mỏ. Tác giả phân tích các đặc trưng mô hình theo Herbert Stachowiak, phân loại các dạng mô hình (kinh nghiệm, giải tích, vật liệu tương đương, mô hình số) và quy trình nghiên cứu lặp: Xây dựng mô hình $\rightarrow$ Mô phỏng $\rightarrow$ Kiểm chứng thực địa $\rightarrow$ Phân tích ngược hiệu chỉnh tham số.

Chương này làm rõ cấu trúc mô hình địa cơ mỏ, hệ thống hóa các mô hình cơ học đá (Maxwell, Kelvin - Voigt, Bingham...), phân định cơ chế hình thành vùng áp lực tựa xung quanh lò chợ, vùng giảm tải, vùng sập đổ, vùng nứt nẻ và vùng uốn võng. Tác giả xác lập nguyên lý xem xét khối đá mỏ là môi trường liên tục tương đương có xét đến các mặt phẳng giảm yếu và điều kiện ứng suất kiến tạo ngang ban đầu ($\sigma_1 + \sigma_2 = -30,8 \pm 2,3\text{ MPa}$).

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 3 tập trung xử lý chuỗi số liệu đo đạc thực địa từ các trạm quan trắc mỏ than Quảng Ninh để xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn không thứ nguyên:

  • Xây dựng hàm phân bố độ lún tương đối $S(z)$, hàm góc nghiêng $F(z)$ và hàm độ cong $F'(z)$ đặc trưng cho quá trình dịch chuyển bề mặt đất vùng than Quảng Ninh.
  • Xác định các thông số hình học dịch chuyển: góc dịch chuyển biên, góc giới hạn, hệ số dịch chuyển $K_1$, độ lún cực đại tương đối $q_0$, dịch chuyển ngang cực đại tương đối $a_0$.
  • Các hàm đường cong tiêu chuẩn này đóng vai trò là công cụ giải tích cho phép dự báo nhanh phạm vi bồn lún, độ lún bề mặt và xác định chiều sâu khai thác an toàn cho các công trình cần bảo vệ trên mặt đất.

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 4 thực hiện nội dung cốt lõi về mặt học thuật của luận án:

  • Phân tích đặc điểm cơ lý các lớp đất đá vách - trụ (cát kết, bột kết, sét kết, than) tại Quảng Ninh qua thí nghiệm nén đơn trục và đánh giá chỉ số RMR.
  • Sử dụng phần mềm RocData xác định mô đun đàn hồi khối đá ($E$) theo tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown.
  • Ứng dụng phần mềm RS2 (Phase2) thiết lập mô hình số phần tử hữu hạn, khảo sát 6 trường hợp tính toán dịch chuyển biến dạng theo hướng dốc lò chợ với các giá trị mô đun đàn hồi khác nhau.
  • Áp dụng phương pháp phân tích thống kê và hồi quy tuyến tính giữa mô đun đàn hồi $E$ của từng loại đá và độ lún cực đại $W_{\max}$ thu được từ quan trắc thực địa.
  • Xác định được hệ số giảm bền chuyển đổi từ mẫu đá nguyên khối sang khối đá mỏ thực tế là $K = 1,24$, làm cơ sở hiệu chỉnh chính xác mô đun đàn hồi đầu vào cho mô hình địa cơ vùng Quảng Ninh.

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

Chương 5 ứng dụng toàn bộ phương pháp luận và bộ tham số đã xác lập vào điều kiện cụ thể của vỉa than dày V7 mỏ than Nam Mẫu (khu vực Than Thùng kề cận khu di tích Yên Tử):

  • Khái quát điều kiện địa chất tuyến V và sơ đồ công nghệ khai thác cột dài theo phương, lò chợ cơ giới hóa hạ trần thu hồi than nóc.
  • Kiến nghị bộ thông số cơ lý đầu vào ($E, c, \varphi$) sau khi hiệu chỉnh bằng hệ số giảm bền cho các lớp đá cát kết, bột kết, sét kết và than vỉa 7.
  • Mô phỏng tính toán trạng thái ứng suất - biến dạng theo 2 mặt cắt:
    1. Theo hướng dốc vỉa: Xác định quy luật phân bố áp lực tựa trước và sau lò chợ, sự hình thành các vùng phá hủy dẻo, bước sập đổ của đá vách và góc dịch chuyển theo hướng dốc.
    2. Theo đường phương vỉa: Mô phỏng quá trình tiến gương lò chợ qua các khẩu độ khấu từ ban đầu đến khẩu độ thứ 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10; theo dõi biến đổi của ứng suất chính cực đại $\sigma_1$, sự phát triển chiều cao vùng sập đổ và quy luật dịch chuyển của tầng đá vách cơ bản.
  • Kiểm chứng kết quả tính toán mô hình địa cơ với chuỗi số liệu quan trắc thực tế tại trạm quan trắc Nam Mẫu, chứng minh sai số nằm trong giới hạn cho phép và phản ánh trung thực diễn biến dịch động địa tầng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết lập phương pháp luận xây dựng mô hình địa cơ phù hợp điều kiện địa phương: Luận án đã xác lập cơ sở khoa học xây dựng mô hình biến động địa cơ tiệm cận với môi trường địa chất thực tế vùng than Quảng Ninh thông qua việc kết hợp phân tích số phần tử hữu hạn với số liệu quan trắc dịch động thực địa.
  2. Xây dựng hệ hàm đường cong tiêu chuẩn vùng than Quảng Ninh: Lần đầu tiên tại Việt Nam, luận án đã xây dựng thành công các hàm đường cong tiêu chuẩn $S(z)$, $F(z)$, $F'(z)$ phục vụ dự báo dịch chuyển, biến dạng bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác hầm lò.
  3. Xác lập mối quan hệ tương quan định lượng giữa $E$ và $W_{\max}$: Luận án đã tìm ra mối quan hệ toán học giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ và độ lún cực đại bề mặt đất, đồng thời xác định hệ số giảm bền $K = 1,24$ để chuyển đổi tham số từ phòng thí nghiệm sang mô hình khối đá thực tế cho bể than Quảng Ninh.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Làm sáng tỏ quy luật biến dạng phá hủy khi khai thác lò chợ cơ giới hóa vỉa dày: Xác định được bức tranh tổng thể về phân bố ứng suất chính $\sigma_1$, quy luật dịch chuyển của đá vách trực tiếp, đá vách cơ bản và bước phát triển bồn lún bề mặt theo từng khẩu độ khai thác tại lò chợ cơ giới hóa vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu.
  2. Cung cấp công cụ dự báo và thiết kế an toàn mỏ: Kết quả nghiên cứu là tài liệu kỹ thuật giúp các đơn vị tư vấn và doanh nghiệp khai thác tính toán kích thước trụ than bảo vệ, xác định chiều sâu khai thác an toàn dưới các đối tượng công trình xây dựng và nguồn nước mặt, hạn chế tối đa nguy cơ bục nước và lún sụt nguy hiểm trong mùa mưa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình địa cơ trong luận án chủ yếu thực hiện trên các bài toán phẳng 2 chiều (2D) theo hai phương cắt chính (hướng dốc và đường phương), chưa mô phỏng toàn diện bài toán không gian 3 chiều (3D) đồng thời do giới hạn về năng lực tính toán và thuật toán mô phỏng liên tục - rời rạc kết hợp tại thời điểm nghiên cứu.
  • Các khảo sát thực nghiệm chuyên sâu tập trung chủ yếu vào đối tượng vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu và một số mỏ lân cận; do đó khi áp dụng cho các vùng than có cấu trúc kiến tạo phân đứt gãy phức tạp hơn cần tiếp tục thu thập số liệu quan trắc bổ sung để chuẩn hóa các hệ số.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng xây dựng mô hình địa cơ 3D có xét đến tương tác cơ học phi tuyến giữa hệ vì chống cơ giới hóa (giàn chống tự hành) với khối than nóc và đá vách uốn võng.
  • Nghiên cứu tích hợp yếu tố áp lực thủy động lực học của nước ngầm trong các tầng chứa nước nằm trên vỉa khai thác vào mô hình địa cơ để dự báo nguy cơ bục nước chính xác hơn trong điều kiện biến đổi khí hậu.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (mã số 9520503), Kỹ thuật Xây dựng công trình ngầm và Mỏ, Địa kỹ thuật; sử dụng làm tài liệu tham khảo về phương pháp kết hợp giữa trắc địa mỏ thực nghiệm và mô phỏng số địa cơ học.
  • Giảng viên và nhà khoa học: Tham khảo khung lý thuyết mô hình địa cơ, phương pháp xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn và quy trình phân tích ngược từ quan trắc thực địa.
  • Kỹ sư mỏ, cán bộ kỹ thuật TKV và các nhà hoạch định chính sách: Ứng dụng quy trình tính toán để lập thiết kế khai thác các lò chợ cơ giới hóa vỉa dày, tính toán trụ bảo vệ công trình bề mặt và đánh giá tác động môi trường địa chất do khai thác than hầm lò.

Nội dung trọng tâm có giá trị tham khảo cao

  • Bộ công thức và đồ thị hàm đường cong tiêu chuẩn $S(z), F(z), F'(z)$ vùng than Quảng Ninh tại [Chương 3].
  • Phương pháp xác định mô đun đàn hồi khối đá qua chỉ số RMR, tiêu chuẩn Hoek - Brown và hệ số giảm bền $K = 1,24$ trên phần mềm RS2/RocData tại [Chương 4].
  • Chuỗi mô phỏng quá trình tiến gương lò chợ theo các khẩu độ khấu than tại [Chương 5].

Câu hỏi thường gặp

1. Ý tưởng khoa học cốt lõi của đề tài luận án là gì?

Ý tưởng khoa học cốt lõi của 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 việc nghiên cứu mối quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi của khối đá mỏ ($E$) với độ lún cực đại bề mặt đất ($W_{\max}$) xác định từ kết quả quan trắc thực địa.

2. Hệ số giảm bền $K = 1,24$ được luận án xác định nhằm mục đích gì?

Hệ số giảm bền $K = 1,24$ được xác định thông qua phân tích hồi quy thống kê giữa kết quả mô phỏng số bằng phần mềm RS2 và số liệu đo đạc thực tế tại các trạm quan trắc. Hệ số này dùng để hiệu chỉnh mô đun đàn hồi của các lớp đất đá từ mẫu thí nghiệm nén đơn trục sang mô đun đàn hồi tương đương của khối đá mỏ trong điều kiện nứt nẻ tự nhiên tại bể than Quảng Ninh.

3. Các hàm đường cong tiêu chuẩn $S(z), F(z), F'(z)$ có ý nghĩa gì trong thực tiễn trắc địa mỏ?

Các hàm đường cong tiêu chuẩn $S(z)$ (độ lún không thứ nguyên), $F(z)$ (độ nghiêng) và $F'(z)$ (độ cong) được xây dựng từ chuỗi số liệu quan trắc thực địa giúp xác định kích thước vùng ảnh hưởng trên bề mặt đất, tính toán nhanh các đại lượng dịch chuyển và biến dạng mà không cần chờ chu kỳ đo đạc kéo dài, đồng thời phục vụ công tác dự báo chiều sâu khai thác an toàn cho các mỏ than hầm lò Quảng Ninh.

4. Luận án đã thực hiện tính toán mô phỏng cụ thể cho đối tượng mỏ nào?

Luận án đã ứng dụng mô hình địa cơ để tính toán dịch chuyển, biến dạng và phân bố ứng suất cho công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, hạ trần thu hồi than nóc tại vỉa dày V7 mỏ than Nam Mẫu (khu vực Than Thùng giáp ranh khu di tích Yên Tử), theo cả hai hướng dốc vỉa và đường phương vỉa qua 10 khẩu độ khấu than.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Văn Chung đã giải quyết thành công bài toán xác lập cơ sở khoa học và phương pháp luận xây dựng mô hình biến động địa cơ cho khu vực lò chợ cơ giới hóa khai thác vỉa dày tại bể than Quảng Ninh. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa chuỗi số liệu quan trắc trắc địa thực địa phong phú và công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn hiện đại, công trình đã xây dựng được các hàm đường cong tiêu chuẩn đặc trưng, tìm ra quy luật tương quan giữa mô đun đàn hồi và độ lún bề mặt với hệ số giảm bền $K = 1,24$. Kết quả áp dụng thực nghiệm tại vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu không chỉ làm sáng tỏ bức tranh phân bố ứng suất và biến dạng phá hủy địa tầng đất đá mà còn cung cấp cơ sở kỹ thuật tin cậy phục vụ công tác điều khiển áp lực mỏ, bảo vệ công trình bề mặt và nâng cao mức độ an toàn trong khai thác than hầm lò.