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] 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.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 1.3: 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 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. 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. 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.
Các lý thuyết hiện đại ngày nay về dịch chuyển biến dạng khối đá và bề mặt đất do ảnh hưởng của khai thác mỏ cho phép xác định được ten sơ ứng suất trong không gian ba chiều tại bất kỳ điểm nào của khối đá mỏ, tuy nhiên cần phải lựa chọn đúng đắn các điều kiện biên cho mô hình địa cơ và các tính chất cơ lý môi trường khối đá.