Luận án tiến sĩ về mô hình biến động địa cơ trong khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý

• Tác giả: Phạm Văn Chung
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc
• Trường học: Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Trắc Địa - Bản Đồ
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Biến Động Địa Cơ Trong Khai Thác Than Hầm Lò Tại Quảng Ninh
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. 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
• 1.1. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới
• 1.2. Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng vùng Quảng Ninh
• 1.3. Kết luận chương 1
• 2. 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
• 2.1. Quan niệm về mô hình
• 2.1.1. Định nghĩa về mô hình
• 2.1.2. Các đặc trưng của mô hình
• 2.1.3. Phân loại mô hình
• 2.1.4. Ưu nhược điểm của các mô hình
• 2.2. Nghiên cứu trên mô hình
• 2.2.1. Xây dựng mô hình
• 2.2.2. Nghiên cứu trên mô hình
• 2.2.3. Kiểm chứng mô hình
• 2.2.4. Điều chỉnh các tham số của mô hình
• 2.3. Mô hình địa cơ mỏ phục vụ nghiên cứu dịch chuyển biến dạng đất đá
• 2.3.1. Lịch sử nghiên cứu trên mô hình địa cơ
• 2.3.2. Hệ thống hóa các mô hình cơ học đá và khối đá mỏ
• 2.3.3. Quan niệm hiện đại về mô hình địa cơ
• 2.3.4. Các thông số trên mô hình địa cơ
• 2.3.5. Tính chất biến dạng và cấu trúc mô hình địa cơ
• 2.3.6. Điều kiện biên trong môi trường địa cơ mỏ
• 2.3.7. Các dạng mô hình địa cơ dự báo dịch chuyển biến dạng
• 2.4. Lựa chọn mô hình địa cơ ứng dụng cho điều kiện bể than Quảng Ninh
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. 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
• 3.1. Phương pháp quan trắc và xử lý số liệu
• 3.2. Phương pháp luận xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn
• 3.3. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển
• 3.3.1. Cơ sở lý thuyết xác định các tham số cho vùng ít được nghiên cứu dịch động đá mỏ
• 3.3.2. Xác định các thông số và đại lượng dịch chuyển
• 3.4. Xác định các hàm đường cong tiêu chuẩn vùng Quảng Ninh
• 3.5. Kết luận chương 3
• 4. 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
• 4.1. Xây dựng mô hình địa cơ cho khối đá tại bể than Quảng Ninh
• 4.1.1. Khái quát đặc điểm địa chất khu vực nghiên cứu
• 4.1.2. Xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh
• 4.2. Kết quả xác định mô đun đàn hồi E theo Rockdata
• 4.3. Tính toán dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất
• 4.3.1. Khái quát bộ phần mềm RS2 (Phase2) của hãng Rocscience Inc. Thông số đầu vào và các trường hợp tính toán
• 4.3.2. Kết quả tính toán cho trường hợp theo hướng dốc lò chợ
• 4.4. Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi
• 4.4.1. Phương pháp phân tích thống kê
• 4.4.2. Phương pháp hồi quy tuyến tính
• 4.4.3. Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi
• 4.5. Kết luận chương 4
• 5. 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
• 5.1. Vị trí địa lý và ranh giới khu vực nghiên cứu
• 5.2. Khái quát về công nghệ cơ giới hóa khai thác cột dài theo phương, lò chợ hạ trần thu hồi than
• 5.3. Kiến nghị mô đun đàn hồi cho mô hình địa cơ mỏ than Nam Mẫu
• 5.4. Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo hướng dốc trên mô hình địa cơ
• 5.5. Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa theo đường phương
• 5.6. Kiểm chứng mô hình địa cơ với kết quả quan trắc thực địa
• 5.7. Kết luận chương 5
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NCS
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình biến động địa cơ

Mô hình biến động địa cơ là một công cụ quan trọng trong việc nghiên cứu và dự đoán các hiện tượng dịch chuyển và biến dạng của đất đá trong quá trình khai thác than hầm lò. Tại Quảng Ninh, nơi có nhiều mỏ than, việc áp dụng mô hình này giúp hiểu rõ hơn về các tác động của khai thác đến môi trường địa chất. Mô hình địa cơ không chỉ giúp xác định các thông số như độ lún, mà còn dự đoán các hiện tượng như sập đổ và biến dạng của khối đá. Theo nghiên cứu, việc xây dựng mô hình địa cơ cần dựa trên các điều kiện địa chất cụ thể của từng khu vực, từ đó đưa ra các giải pháp kỹ thuật hợp lý nhằm đảm bảo an toàn trong khai thác. Việc áp dụng mô hình này đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc nâng cao năng suất và an toàn lao động trong ngành khai thác than.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nhu cầu than cho nền kinh tế quốc dân ngày càng tăng, dẫn đến việc khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh trở nên cấp thiết. Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đã đặt ra mục tiêu cung cấp hàng triệu tấn than thương phẩm mỗi năm. Tuy nhiên, việc khai thác than hầm lò cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động và môi trường. Do đó, việc nghiên cứu và xây dựng mô hình biến động địa cơ là cần thiết để dự đoán và quản lý các tác động này. Mô hình giúp xác định các thông số quan trọng như độ lún, vùng sập đổ, và quy luật dịch chuyển của khối đá, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

II. Phân tích mô hình địa cơ trong khai thác than

Mô hình địa cơ được xây dựng dựa trên các đặc điểm địa chất của khu vực khai thác. Các thông số như mô đun đàn hồi, độ lún cực đại và các điều kiện biên là những yếu tố quan trọng trong việc xác định tính chính xác của mô hình. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc áp dụng mô hình địa cơ không chỉ giúp dự đoán các hiện tượng dịch chuyển mà còn hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên và an toàn lao động. Các phương pháp như phương pháp phần tử hữu hạn đã được sử dụng để tính toán và mô phỏng các hiện tượng địa chất trong quá trình khai thác. Điều này cho phép các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về tình hình khai thác và đưa ra các quyết định kịp thời nhằm giảm thiểu rủi ro.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình

Các yếu tố như tính chất cơ lý của đất đá, chiều dày vỉa than và độ sâu khai thác đều có ảnh hưởng lớn đến mô hình địa cơ. Nghiên cứu cho thấy rằng, các vỉa than dày thường dẫn đến sự biến dạng mạnh mẽ hơn so với các vỉa mỏng. Điều này đòi hỏi các nhà khai thác phải có những biện pháp an toàn và kỹ thuật phù hợp để đảm bảo an toàn trong quá trình khai thác. Việc xác định các thông số này thông qua quan trắc thực địa là rất quan trọng, giúp cải thiện độ chính xác của mô hình và dự đoán các hiện tượng có thể xảy ra trong tương lai.

III. Ứng dụng mô hình địa cơ trong thực tiễn

Mô hình địa cơ đã được ứng dụng rộng rãi trong việc nghiên cứu quy luật dịch chuyển và biến dạng của đất đá trong quá trình khai thác than. Tại Quảng Ninh, mô hình này đã giúp các nhà quản lý dự đoán được các hiện tượng như độ lún, sập đổ và biến dạng của khối đá. Việc áp dụng mô hình không chỉ giúp nâng cao hiệu quả khai thác mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động. Các kết quả từ mô hình đã được kiểm chứng qua các số liệu quan trắc thực địa, cho thấy tính chính xác và độ tin cậy cao. Điều này mở ra triển vọng lớn cho việc phát triển công nghệ khai thác than hầm lò trong tương lai.

3.1. Kết quả đạt được từ mô hình

Kết quả từ mô hình địa cơ cho thấy sự tương quan giữa mô đun đàn hồi của khối đá và độ lún cực đại. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định được quy luật dịch chuyển và biến dạng của khối đá trong quá trình khai thác. Các thông số như chiều cao vùng sập đổ và vùng biến dạng cũng được xác định rõ ràng, giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về tình hình khai thác. Việc ứng dụng mô hình địa cơ đã chứng minh được giá trị thực tiễn trong việc nâng cao an toàn lao động và hiệu quả khai thác tại các mỏ than hầm lò.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 1.1 Tổng quan về các kết quả nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bằng mô hình địa cơ trên thế giới Nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác hầm lò có lịch sử phát triển lâu dài và cho đến ngày nay vẫn là vấn đề quan tâm lớn của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Đặc biệt ở nước ngoài số lượng các công trình đã công bố rất nhiều. Chính vì vậy, trong phần tổng quan này, chỉ giới hạn giới thiệu những kết quả nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất bằng phương pháp mô hình. Trong hướng nghiên cứu lý thuyết đã sử dụng nhiều phương pháp tiếp cận khác nhau như phương pháp giải tích, phương pháp số v.để tính toán cho một mô hình địa cơ có môi trường đàn hồi, liên tục, đặc điểm phi tuyến, môi trường khối đá rời rạc với các điều kiện biên của mô hình bao gồm hệ thống các lực và biến dạng tác động theo các mặt phẳng giới hạn các vùng trong khối đá mỏ bị ảnh hưởng khai thác.

Để giải các bài toán cơ học môi trường liên tục, các nhà nghiên cứu như: V.G Zoteev, Vitke, Yu. G Ashikhmin đã sử dụng các lý thuyết dựa trên phương pháp số. Phương pháp số cũng được sử dụng để giải quyết các bài toán mô hình môi trường đàn hồi, liên tục trong các công trình của các nhà nghiên cứu như: A. Các lý thuyết này cho phép xác định các thành phần trong không gian ba chiều của ten sơ biến dạng ở bất kỳ điểm nào trong khối đá mỏ nằm trên khu vực khai thác và cho phép đánh giá trạng thái địa cơ học của khối đá mỏ và dự báo sự phát triển của quá trình dịch chuyển theo các phương án khai thác khác nhau [23, 27, 52, 56, 57] Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 8  x  yx  yz yz xz x xy y y xy yx x x yx xy y Hình 1.1: Trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá mỏ Trong đó: σ1, σ2: ứng suất pháp theo trục x, y εx, εy: Biến dạng dọc tương đối theo trục x, y γxy, γyx: Biến dạng trượt theo trục x, y Ten sơ biến dạng được tính toán ngoài việc mô tả thành phần trên có thể mô tả ở dạng đường đẳng trị đối với hàng loạt các mặt cắt ngang hay mặt cắt đứng.

Trên thực tế thông dụng nhất là mô tả các ten sơ biến dạng theo biểu đồ cực, biểu thị trong mặt cắt tương quan giữa các biến dạng cực đại và góc quay các trục chính của ten sơ biến dạng. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 9 2=1 2=1 1=1 1=2 2=0 2 =-1 1 =1 1=1 2 =-2 2 =-1 1=2 1 =1 Hình 1.2: Biểu đồ cực của ten sơ biến dạng trong các trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau Các phương pháp lý thuyết tính toán các thông số dịch chuyển hiện nay đều dựa trên cơ sở một mô hình địa cơ nào đó của môi trường địa chất. Xashurin [63] đã nghiên cứu quá trình biến dạng khối đá mỏ và bề mặt đất đối với trường hợp mỏ quặng có chiều dày lớn trong điều kiện có sự tác động của trường ứng suất kiến tạo bất đẳng hướng và đề xuất phương pháp tính toán dịch chuyển bề mặt đất gần vùng sập đổ. Các mô hình lý thuyết tương tự dựa trên vật liệu tương đương cũng được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển đá mỏ trong khai thác lộ thiên cũng như khai thác hầm lò [49, 51].

Mô hình địa cơ phân tích quá trình dịch chuyển khối đá mỏ trong trường hợp khai thác hầm lò mỏ quặng theo A. Xashurin được mô phỏng như một phần nửa khối vật thể đàn hồi đồng nhất, đẳng hướng cùng với khoảng trống khai thác được lấp đầy bởi đất đá sập đổ thể hiện hình 1. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 10 1 2 3  T2 T1 5 4 Hình 1.3: Mô hình địa cơ của Xashurin phân tích quá trình dịch chuyển đá mỏ Trong đó: 1. Các tuyến quan trắc trên bề mặt đất 2.

Bồn dịch chuyển biến dạng trên bề mặt đất 3. Vùng dịch chuyển nguy hiểm 4, 5. Các mặt phẳng vuông góc thể hiện dịch chuyển thẳng đứng Khi nghiên cứu mô hình này trong trạng thái ứng suất dưới tác động của trường ứng suất kiến tạo, Xashurin xác định được các công thức tính toán dịch chuyển bề mặt đất xung quanh vùng sập đổ có hình dạng tròn và elip, và đi đến kết luận rằng với một tương quan nhất định giữa các giá trị ứng suất tác động chính thì các vecto dịch chuyển không chỉ có hướng vào vùng khai thác phá hủy mà còn hướng vào sâu trong khối đá mỏ, tương tự như các kết quả quan trắc thực tế đã chứng minh. Theo Xashurin khi biết các thông số vùng sập đổ (kích thước nửa trục hình Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 11 chiếu lên mặt đất của vùng sập đổ), và sự phát triển của chúng trong mặt phẳng ngang, cũng như các thông số trường ứng suất kiến tạo ban đầu và tính chất biến dạng của môi trường khối đá, có thể xác định được ten sơ biến dạng trong không gian ba chiều và quỹ đạo của các véc tơ dịch chuyển mà trong trường hợp bất đẳng hướng của trường ứng suất ban đầu, các véc tơ dịch chuyển này không trùng với hướng xuyên tâm từ ngoại biên vào tâm vùng sập đổ và thể hiện trên hình 1.

 = − 1 a I II  = -1  = -1 2 2 b  = − 1 I II  = -3  = -3 2 2 Hình 1.4: Quỹ đạo các véc tơ dịch chuyển trong trường ứng suất kiến tạo đẳng hướng (a) và bất đẳng hướng (b) Có thể nhận thấy rằng, các phương pháp số giải các bài toán cơ học môi trường liên tục - phương pháp phần tử hữu hạn hiện nay được sử dụng phổ biến để giải các bài toán cơ học đối với môi trường khối đá mỏ. Một trong những ưu việt của các phương pháp số là tính đa năng. Bằng phương pháp số và sử dụng bất kỳ mô hình địa cơ nào mô phỏng môi trường khối đá mỏ với những đặc điểm không đồng nhất của các tính chất đàn hồi và độ bền, cũng như cấu trúc khác nhau và điều kiện biên bất kỳ có thể xác định được trạng thái ứng suất biến dạng của khối đá xung quanh một đường lò với hình dáng thiết diện bất kỳ. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 12 Các phương pháp số có thể sử dụng một cách hiệu quả để tính toán dịch chuyển đá mỏ và bề mặt đất trong khai thác hầm lò và khai thác lộ thiên.

Lần đầu tiên phương pháp số được Kratch [48] sử dụng để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏ trong trường hợp khai thác vỉa than độ dốc thoải với mô hình môi trường đàn hồi. Boris - Komponees đã sử dụng phương pháp số để tính toán các thông số quá trình dịch chuyển khi khai thác các vỉa than và thân quặng có chiều dày không lớn. Mặc dù trong các nghiên cứu trên đã không tính đến tính chất biến dạng dẻo của khối đá mỏ nhưng các kết quả tính toán tương đối phù hợp với các kết quả đo đạc trên thực tế. Trong trường hợp khai thác các vỉa than, thân quặng dày và dốc bằng phương pháp hầm lò, trên bề mặt đất tạo thành các vùng sụt lún và nứt nẻ lớn, hoặc khi khai thác lộ thiên tạo thành các vùng trượt lở, sập đổ, thì việc áp dụng mô hình đàn hồi không còn phù hợp, mà cần thiết sử dụng mô hình đàn hồi phi tuyến, mô hình đàn hồi nhớt vv… Các nhà bác học M.

Zoteev và những nhà khoa học khác [37, 42, 72] đã có đóng góp quan trọng phát triển các mô hình biến dạng phi tuyến của khối đá mỏ. Đặc điểm cấu tạo khối, phân lớp và nứt nẻ của môi trường khối đá mỏ được đề cập trong các mô hình địa cơ của V. Zoteev và trong các tính toán đã tính đến mối quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và trị số dịch chuyển trượt theo mặt tiếp xúc. Từ các kết quả tính toán đã xác định được đặc tính và trị số biến dạng đàn hồi dẻo liên quan đến dịch chuyển của khối đá theo mặt tiếp xúc giữa các khối cấu trúc.

Cũng cần nhấn mạnh rằng, mặc dù tồn tại nhiều phương pháp số để xác định dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ, nhưng chỉ có một số ít phương pháp được sử dụng trong thực tế, mà điển hình nhất là các mô hình mô phỏng tính chất biến dạng đàn hồi nhớt. Trong số các mô hình này, đáng chú ý nhất là mô hình đồng nhất của Vitke [61]. Bản chất của mô hình này là các tính toán được thực hiện cho khối đá mỏ đồng nhất, tiêu chuẩn phá hủy trong mô hình này là giả định rằng ở bất kỳ một điểm nào trong khối đá mỏ đều có thể tách ra một phần tử diện tích có độ bền giảm và diện tích phần tử này tương ứng với một mặt phẳng giảm yếu. Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 13 Dựa vào ý tưởng của Vitke về một mô hình đàn hồi nhớt dẻo đồng nhất, Yu.

Ashikhmin đã giải quyết hàng loạt các bài toán mô hình dự báo dịch chuyển và biến dạng khối đá nứt nẻ khi khai thác các mỏ quặng bằng phương pháp hầm lò và lộ thiên [28, 32, 33] và đã chỉ ra rằng đối với khối đá nứt nẻ ở giai đoạn trước giới hạn phá hủy thì trị số dịch chuyển phụ thuộc vào sự tồn tại của hệ thống kẽ nứt và khoảng cách giữa các kẽ nứt. Mặc dù có những ưu việt so với các phương pháp khác khi tính toán dịch chuyển và biến dạng khối đá mỏ do ảnh hưởng của khai thác, nhưng phương pháp số vẫn có những hạn chế nhất định, đó là cách tiếp cận chủ quan khi phân chia khối đá thành các phần tử hữu hạn, sự quân bình hóa tính chất cơ lý khối đá, số lượng hạn chế các phần tử, để mô phỏng môi trường đàn hồi không liên tục gần thực tế thì mô hình trở nên cồng kềnh và phức tạp.