Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò quảng ninh

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• 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 xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò 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
• 4.3.3. Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi
• 4.3.3.1. Phương pháp phân tích thống kê
• 4.3.3.2. Phương pháp hồi quy tuyến tính
• 4.3.3.3. Xác định mối quan hệ giữa độ lún cực đại với mô đun đàn hồi
• 4.4. 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 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. Tổng quan về nghiên cứu dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá

Nghiên cứu về mô hình biến động địa cơ trong khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày tại mỏ than hầm lò Quảng Ninh đã chỉ ra rằng việc khai thác than không chỉ ảnh hưởng đến sản lượng mà còn tác động mạnh mẽ đến môi trường địa chất xung quanh. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự dịch chuyển và biến dạng của địa tầng đất đá là một vấn đề quan trọng cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, các hiện tượng như lún bề mặt, sập đổ và biến dạng của khối đá vách là những yếu tố cần được phân tích để đảm bảo an toàn trong khai thác. Theo các tài liệu nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ khai thác than hiện đại, đặc biệt là cơ giới hóa, đã mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng đặt ra nhiều thách thức về địa chất. Việc xây dựng mô hình địa cơ giúp dự đoán và kiểm soát các hiện tượng này, từ đó nâng cao hiệu quả khai thác và giảm thiểu rủi ro.

1.1. Tình hình nghiên cứu dịch chuyển biến dạng tại Quảng Ninh

Tình hình nghiên cứu tại Quảng Ninh cho thấy rằng các mỏ than hầm lò đang phải đối mặt với nhiều vấn đề về biến động địa cơ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự dịch chuyển của đất đá trong quá trình khai thác có thể dẫn đến những biến đổi lớn về cấu trúc địa chất. Các số liệu quan trắc thực địa cho thấy rằng độ lún và biến dạng của bề mặt đất có mối liên hệ chặt chẽ với các yếu tố như chiều dày vỉa than và điều kiện địa chất. Việc xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn từ số liệu quan trắc là cần thiết để dự đoán chính xác các hiện tượng này. Các nghiên cứu trước đây đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc phát triển các mô hình địa cơ, giúp cải thiện khả năng dự đoán và kiểm soát các hiện tượng dịch chuyển trong khu vực khai thác.

II. Mô hình địa cơ trong nghiên cứu dịch chuyển biến dạng

Mô hình địa cơ được xây dựng dựa trên các nguyên lý cơ bản của cơ học đất đá, nhằm mô phỏng các hiện tượng dịch chuyển và biến dạng trong quá trình khai thác. Việc áp dụng mô hình địa cơ cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của khối đá và bề mặt đất. 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 xây dựng mô hình. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc xác định chính xác các thông số này là cần thiết để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Hơn nữa, việc kết hợp giữa mô hình lý thuyết và quan trắc thực địa sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của các dự đoán về dịch chuyển và biến dạng trong khu vực khai thác.

2.1. Đặc điểm của mô hình địa cơ

Mô hình địa cơ có khả năng mô phỏng các trạng thái ứng suất và biến dạng của khối đá trong môi trường khai thác. Đặc điểm nổi bật của mô hình này là khả năng phản ánh chính xác các điều kiện địa chất thực tế, từ đó giúp dự đoán các hiện tượng như sập đổ và lún bề mặt. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong mô hình hóa cho phép phân tích chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của khối đá. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình địa cơ không chỉ giúp dự đoán các hiện tượng dịch chuyển mà còn cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro trong khai thác.

III. Nghiên cứu xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn

Việc xây dựng các hàm đường cong tiêu chuẩn từ số liệu quan trắc là một bước quan trọng trong nghiên cứu biến động địa cơ. Các hàm này giúp xác định kích thước vùng ảnh hưởng trên bề mặt và tính toán các đại lượng dịch chuyển. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hàm đường cong tiêu chuẩn có thể được áp dụng để dự đoán độ sâu khai thác an toàn tại các mỏ than hầm lò. Các số liệu thu thập từ các trạm quan trắc đã cung cấp thông tin quý giá cho việc xây dựng các hàm này. Hơn nữa, việc áp dụng các hàm đường cong tiêu chuẩn không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả khai thác.

3.1. Phương pháp xây dựng hàm đường cong

Phương pháp xây dựng hàm đường cong tiêu chuẩn dựa trên việc phân tích các số liệu quan trắc thực địa. Các thông số như độ lún cực đại và mô đun đàn hồi được sử dụng để xác định các hàm này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp hồi quy thống kê giúp xác định mối quan hệ giữa các biến thông số, từ đó xây dựng các hàm đường cong chính xác. Các hàm đường cong tiêu chuẩn không chỉ phục vụ cho việc dự đoán dịch chuyển mà còn hỗ trợ trong việc đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của khối đá trong quá trình khai thác.

IV. Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại và mô đun đàn hồi

Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ lún cực đại và mô đun đàn hồi của khối đá là một phần quan trọng trong việc xây dựng mô hình địa cơ. Các số liệu quan trắc thực địa cho thấy rằng độ lún cực đại có mối liên hệ chặt chẽ với các thông số cơ lý của khối đá. Việc xác định mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá tại bể than Quảng Ninh là cần thiết để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp phân tích thống kê giúp xác định mối quan hệ này một cách chính xác, từ đó cung cấp cơ sở cho việc dự đoán các hiện tượng dịch chuyển và biến dạng trong khu vực khai thác.

4.1. Phương pháp xác định mô đun đàn hồi

Phương pháp xác định mô đun đàn hồi được thực hiện thông qua việc phân tích các số liệu quan trắc thực địa. Các thông số như độ lún và dịch chuyển được sử dụng để tính toán mô đun đàn hồi cho các lớp đất đá. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng phương pháp phân tích thống kê giúp xác định chính xác mối quan hệ giữa độ lún cực đại và mô đun đàn hồi. Kết quả từ nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho việc xây dựng mô hình địa cơ mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả khai thác.

V. Ứng dụng mô hình địa cơ trong nghiên cứu quy luật dịch chuyển

Ứng dụng mô hình địa cơ trong nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng địa tầng đất đá và bề mặt đất là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác. Mô hình địa cơ giúp phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của khối đá và bề mặt đất trong quá trình khai thác. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình địa cơ cho phép dự đoán chính xác các hiện tượng dịch chuyển và biến dạng, từ đó cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro trong khai thác. Hơn nữa, việc kết hợp giữa mô hình lý thuyết và quan trắc thực địa sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của các dự đoán về dịch chuyển và biến dạng trong khu vực khai thác.

5.1. Tính toán dịch chuyển biến dạng

Tính toán dịch chuyển biến dạng khi khai thác lò chợ cơ giới hóa là một phần quan trọng trong nghiên cứu. Các số liệu thu thập từ các trạm quan trắc được sử dụng để tính toán dịch chuyển và biến dạng của khối đá. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình địa cơ giúp nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán các hiện tượng này. Kết quả từ nghiên cứu không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho việc xây dựng mô hình địa cơ mà còn hỗ trợ trong việc thiết kế các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả khai thác.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Công nghiệp khai thác than hầm lò tại Việt Nam đang đứng trước yêu cầu chuyển dịch công nghệ quy mô lớn nhằm đáp ứng mục tiêu của Quyết định số 403/QĐ-TTg ngày 14/03/2017 của Thủ tướng Chính phủ về Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, xét triển vọng đến năm 2030. Theo quy hoạch này, toàn ngành phải cung cấp cho nền kinh tế quốc dân từ 47 đến 50 triệu tấn than thương phẩm vào năm 2020 và 55 đến 57 triệu tấn vào năm 2030, với tỷ trọng sản lượng chủ yếu đến từ khai thác hầm lò. Để hiện thực hóa mục tiêu này, Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) đã đẩy mạnh áp dụng cơ giới hóa đồng bộ tại các diện khai thác vỉa dày (chiều dày biến động từ 7 m đến 20 m) bằng sơ đồ công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu than lớp trụ và hạ trần thu hồi than nóc tại các mỏ Khe Chàm, Hà Lầm, Vàng Danh, Nam Mẫu, Dương Huy.

Tuy nhiên, việc hình thành các khoảng trống khai thác có kích thước không gian cực lớn đã kích hoạt quá trình tái phân bố ứng suất mãnh liệt trong khối đá bao quanh. Hệ quả trực tiếp là hiện tượng lở gương than, rỗng nóc lò chợ, sập đổ đá vách mất kiểm soát, sụt lún và nứt nẻ bề mặt địa hình, tạo đường dẫn cho lưu lượng nước mặt chảy vào hầm lò trong mùa mưa, đe dọa nghiêm trọng đến an toàn lao động và tuổi thọ của hệ thống giàn chống cơ giới hóa.

                  KHOẢNG TRỐNG KHAI THÁC LÒ CHỢ CƠ GIỚI HÓA (VỈA DÀY 7-20m)
          MÔI TRƯỜNG ĐỊA TẦNG ĐẤT ĐÁ                     BỀ MẶT ĐỊA HÌNH
    - Ứng suất ban đầu (Trọng trường + Kiến tạo)    - Bồn dịch chuyển biến dạng
    - Tái phân bố ứng suất & áp lực tựa             - Vùng sập đổ, phễu sụt
    - Phá hủy dẻo, nứt nẻ, tách lớp                 - Vùng nứt nẻ bậc thang
    - Chiều cao sập đổ & bước gãy đá vách           - Vùng uốn võng (độ lún η ≥ 15mm, ε ≥ 0.5mm/m)
                       MÔ HÌNH BIẾN ĐỘNG ĐỊA CƠ LIÊN KẾT (RS2 + QUANTITATIVE FIELD DATA)
    - Hiệu chỉnh mô đun đàn hồi khối đá qua hệ số giảm bền K = 1.24
    - Xây dựng hệ hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F'(z)
    - Tối ưu hóa điều khiển đá vách, dự báo sụt lún và kích thước trụ bảo vệ

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) trọng tâm nằm ở chỗ: các phương pháp dự báo dịch động đá mỏ truyền thống tại bể than Quảng Ninh chủ yếu dựa trên mô hình vật liệu tương đương hoặc mô hình kinh nghiệm ngoại suy từ các bể than Liên Xô cũ (như Kuzbass), vốn chỉ mang tính chất định tính, kích thước mô hình quá bé và không thể phản ánh chính xác các thông số cơ lý thực tế của địa tầng phân lớp, nứt nẻ bất đẳng hướng. Mặt khác, các phương pháp số giải tích thuần túy lại thiếu điều kiện biên thực nghiệm tin cậy để hiệu chỉnh tham số.

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Văn Chung với tiêu đề "Nghiên cứu xây dựng mô hình biến động địa cơ khu vực lò chợ cơ giới khai thác vỉa dày ở một số mỏ than hầm lò Quảng Ninh" (Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Mã số: 9520503; Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Phùng Mạnh Đắc và GVC.TS Vương Trọng Kha; Bảo vệ tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất năm 2018) đã giải quyết triệt để bài toán này.

Các câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu được xác lập tường minh:

1. Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để xác lập quy luật dịch chuyển bề mặt đất mang tính chuẩn hóa cho bể than Quảng Ninh từ chuỗi số liệu quan trắc trắc địa thực địa đa thời gian?
2. Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mối quan hệ tương quan thực chất giữa mô đun đàn hồi thực tế ($E$) của khối đá mỏ nứt nẻ và độ lún cực đại bề mặt ($W_{\max}$, $q_0$) được biểu diễn theo quy luật toán học nào?
3. Giả thuyết nghiên cứu 1 (H1): Hàm đường cong tiêu chuẩn $S(z)$, $F(z)$, $F'(z)$ xây dựng từ số liệu trạm quan trắc địa phương phản ánh chính xác biên độ và dạng bồn dịch chuyển hơn các hàm kinh nghiệm ngoại lai.
4. Giả thuyết nghiên cứu 2 (H2): Việc tích hợp hệ số giảm bền khối đá $K = 1{,}24$ vào tiêu chuẩn bền Hoek - Brown và phần mềm phần tử hữu hạn RS2 (Phase2) sẽ thiết lập mô hình địa cơ có độ tiệm cận cao nhất với phản ứng địa tầng thực tế tại mỏ than Nam Mẫu.

Khung lý thuyết của công trình tích hợp cơ học môi trường liên tục biến dạng đàn dẻo phi tuyến, cơ học khối đá nứt nẻ theo tiêu chuẩn Hoek - Brown, hệ thống đánh giá chất lượng khối đá RMR (Rock Mass Rating) của Bieniawski và lý thuyết trắc địa mỏ về bồn dịch chuyển. Phạm vi nghiên cứu bao quát dữ liệu quan trắc nhiều năm tại các mỏ than trọng điểm: Nam Mẫu (vỉa 7, 8, 9 mức +200 đến +360), Mạo Khê (vỉa 9b từ -80 đến -25, vỉa 8 Cánh Nam từ -80 đến +20), Hà Lầm (vỉa 10 ngầm +88 từ +12 đến +60), và Mông Dương (vỉa 10.1, vỉa G9, vỉa I(12), vỉa II(11) từ -97 lên +40). Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện ở việc lượng hóa chính xác bước phá hủy đá vách, chiều cao vùng sập đổ - nứt nẻ - uốn võng, bảo vệ bền vững các công trình mặt bằng và tối ưu hóa hệ thống giàn chống cơ giới hóa.

---

Literature Review và Positioning

Lịch sử nghiên cứu cơ học dịch chuyển đất đá và biến động địa cơ mỏ trên thế giới đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển với các trường phái lý thuyết khác nhau:

                                 TIẾN TRÌNH PHÁT TRIỂN LÝ THUYẾT ĐỊA CƠ MỎ
TRƯỜNG PHÁI MÔ HÌNH ĐÀN HỒI LIÊN TỤC      TRƯỜNG PHÁI BIẾN DẠNG PHI TUYẾN & ĐÀN NHỚT       TRƯỜNG PHÁI ỨNG SUẤT KIẾN TẠO BẤT ĐẲNG HƯỚNG
- Kratch (1983): FEM đàn hồi vỉa thoải    - Vitke (1984): Mô hình đồng nhất giảm yếu       - A.D. Xashurin (1987, 2004): Trường ứng suất
- Boris-Komponees: Mô hình lớp mỏng       - M.V. Zoteev (1981): Phi tuyến mặt tiếp xúc       kiến tạo ngang (σ1 + σ2 = -30.8 ± 2.3 MPa)
                                          - Yu.G. Ashikhmin (1990): Khối đá nứt nẻ         - Véc-tơ dịch chuyển hướng sâu vào khối đá

1. Trường phái mô hình đàn hồi môi trường liên tục: Khởi đầu với Kratch (1983) khi lần đầu tiên ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tính toán dự báo dịch chuyển đá mỏ cho các vỉa than dốc thoải dưới giả định môi trường đàn hồi đẳng hướng. Tiếp đó, Boris - Komponees mở rộng tính toán cho các thân quặng và vỉa than chiều dày mỏng. Nhược điểm cốt lõi của trường phái này là bỏ qua biến dạng dẻo và tính chất trượt nứt nẻ, khiến sai số tăng vọt khi khai thác vỉa dày.
2. Trường phái biến dạng phi tuyến và đàn hồi - nhớt dẻo: V.G. Zoteev (1981, 1992) và các cộng sự đã có bước tiến lớn khi đưa đặc điểm cấu trúc khối, tính phân lớp và nứt nẻ vào mô hình địa cơ, tính toán quan hệ phi tuyến giữa ứng lực trượt và trị số dịch chuyển trượt theo mặt tiếp xúc. W. Wittke (Vitke, 1984) đề xuất mô hình đồng nhất hóa môi trường nứt nẻ bằng cách gán các mặt phẳng giảm yếu giả định tại mọi phần tử thể tích. Dựa trên tư tưởng của Wittke, Yu.G. Ashikhmin (1990, 1998) giải quyết bài toán dịch chuyển khối đá nứt nẻ trước giới hạn phá hủy, chứng minh trị số dịch chuyển phụ thuộc chặt chẽ vào mật độ và khoảng cách giữa các khe nứt.
3. Trường phái ứng suất kiến tạo bất đẳng hướng: A.D. Xashurin (1987, 2004) thiết lập mô hình địa cơ nửa không gian đàn hồi có xét đến trường ứng suất kiến tạo ngang cực đại. Kết quả thực nghiệm của Xashurin tại các khoáng sàng vùng Ural và Cadacxtan (Kazakhstan) đã chứng minh một phát hiện mang tính tranh luận: khi ứng suất kiến tạo ngang đạt cường độ cao, các véc-tơ dịch chuyển đất đá không chỉ hướng xuyên tâm vào vùng sập đổ mà còn có xu hướng đẩy ngược và trượt sâu vào trong lòng khối đá mỏ, tạo nên dạng bồn dịch chuyển elip không đối xứng.

Tại Việt Nam, nghiên cứu dịch chuyển đất đá hầm lò được đặt nền móng bởi PGS.TS Nguyễn Đình Bé (1980) thông qua việc phân tích dịch chuyển vùng đứt gãy kiến tạo trên 5 mô hình vật liệu tương đương (góc cắm đứt gãy > 70°, dốc vỉa 35°), đồng thời đối sánh với số liệu bể than Kuzbass (Liên Xô cũ). Sau đó, GS.TS Võ Chí Mỹ (1993, 2005) nghiên cứu biến động địa cơ và ảnh hưởng bề mặt địa hình đến quy hoạch vùng than Cẩm Phả; TS Kiều Kim Trúc (1996) nghiên cứu biến dạng bờ mỏ; TS Vương Trọng Kha (2000) phát triển thuật toán phần mềm xử lý dữ liệu quan trắc trắc địa mỏ; GS.TS Nguyễn Quang Phích (2015) và TS Lê Văn Công (2014) ứng dụng FLAC 2D và mô hình số vào công trình ngầm.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế tại vùng Ural/Cadacxtan của Xashurin và các nghiên cứu mỏ than bể Kuzbass, nghiên cứu của NCS. Phạm Văn Chung định vị chính xác khoảng trống học thuật: các nghiên cứu quốc tế áp dụng cho địa chất cổ có tính đồng nhất tương đối, trong khi địa tầng bể than Quảng Ninh có mức độ uốn nếp, phân cắt kiến tạo cực kỳ phức tạp, xen kẹp nhiều tập cát kết, bột kết, sét kết với hệ số kiên cố $f$ biến động mạnh từ 4.7 đến 6.9. Luận án đã kết nối khoảng cách giữa lý thuyết mô hình số hiện đại và điều kiện thực địa đặc thù của Việt Nam.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp quan trọng vào lý thuyết Địa cơ học mỏ và Trắc địa mỏ công trình thông qua 3 trụ cột lý thuyết:

                            KHUNG LÝ THUYẾT ĐỊA CƠ MỎ NÂNG CAO CỦA LUẬN ÁN
LÝ THUYẾT TIÊU CHUẨN HOEK-BROWN            LÝ THUYẾT BỒN DỊCH CHUYỂN TRẮC ĐỊA         LÝ THUYẾT TRƯỜNG ỨNG SUẤT ĐỊA CHẤT
- Mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi          - Hệ hàm đường cong tiêu chuẩn             - Trường ứng suất nguyên thủy:
  khối đá (E) & mẫu nguyên khối (Ei)         chuẩn hóa S(z), F(z), F'(z)                P = γH; Ứng suất ngang kiến tạo
- Xác lập hệ số giảm bền K = 1.24          - Xác lập góc dịch chuyển phương           - Tái phân bố áp lực tựa đè
  cho cấu trúc vỉa dày Quảng Ninh            δ phụ thuộc hệ số kiên cố f                lên biên lò chợ (Vùng I, II, III)

1. Mở rộng và hiệu chỉnh tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown: Luận án chứng minh rằng việc áp dụng trực tiếp các thông số thí nghiệm cơ lý đá trong phòng (nén đơn trục, kéo uốn) vào mô hình phần tử hữu hạn dẫn đến sai số dự báo rất lớn do bỏ qua hệ thống đới dập vỡ và nứt nẻ kiến tạo. Bằng việc phân tích hồi quy thực nghiệm đối sánh với quan trắc thực địa, luận án đã lượng hóa hệ số suy giảm độ bền của khối đá mỏ Quảng Ninh là: $$K = 1{,}24$$ Hệ số này cung cấp một cơ sở lý thuyết chuẩn xác để chuyển đổi từ mô đun đàn hồi của đá nguyên khối ($E_i$) sang mô đun đàn hồi tương đương của khối đá mỏ ($E_m$) trong điều kiện áp lực tựa thay đổi liên tục.
2. Xác lập quy luật tương quan hàm số giữa mô đun đàn hồi khối đá và độ lún cực đại: Thiết lập mô hình toán học giải thích bản chất tương tác giữa độ cứng địa tầng và mức độ suy giảm thể tích khoảng trống khai thác, phản ánh sự chuyển pha từ trạng thái biến dạng đàn hồi sang trạng thái phá hủy dẻo trượt tầng.
3. Mệnh đề khoa học về chuyển dịch hệ quy chiếu trường dịch động: Phản bác quan điểm cho rằng góc dịch chuyển theo đường phương ($\delta$) phụ thuộc vào chiều dày và góc dốc của vỉa than. Nghiên cứu khẳng định: góc $\delta$ thuần túy là một hàm phụ thuộc đơn điệu vào hệ số kiên cố đất đá ($f$) của địa tầng phủ.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa chiều ba lý thuyết: Lý thuyết phần tử hữu hạn phi tuyến môi trường liên tục (Non-linear Continuum Mechanics), Lý thuyết cơ học khối đá nứt nẻ (Discontinuous Rock Mass Mechanics), và Phương pháp giải tích hồi quy trắc địa mỏ.

Sự đột phá trong cách tiếp cận thể hiện ở quy trình phân tích ngược (back-analysis protocol): lấy bức tranh dịch chuyển bề mặt đo đạc bằng trắc địa làm mục tiêu tối ưu, từ đó tinh chỉnh các điều kiện biên ứng suất ban đầu (gồm tải trọng trọng trường $P = \gamma H$ và trường ứng suất kiến tạo ngang vuông góc $\sigma_{T1}, \sigma_{T2}$ đạt giá trị $\sigma_1 + \sigma_2 = -30{,}8 \pm 2{,}3\text{ MPa}$). Điều kiện biên và phạm vi ứng dụng được giới hạn chặt chẽ cho công nghệ lò chợ cơ giới hóa hạ trần thu hồi than nóc vỉa dày từ 7 m đến 20 m, góc dốc từ thoải đến nghiêng (dưới 35°), tại các mỏ than hầm lò chịu tác động phân tầng phức tạp.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được thiết kế trên lập trường triết học Thực chứng luận (Positivism) kết hợp với Thuyết hiện thực phản biện (Critical Realism), xem xét các quá trình biến dạng địa cơ là hiện thực khách quan có thể đo đạc, mô hình hóa số và kiểm chứng thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ (Mixed-methods Design) giữa mô hình hóa số 2D/3D phần tử hữu hạn và quan trắc thực địa dài hạn đa thời gian.

Thiết kế đa cấp độ (Multi-level design) được triển khai qua 3 cấp bậc:

• Cấp vĩ mô: Quan trắc trắc địa bề mặt đất và bồn dịch chuyển tổng thể khu vực mỏ.
• Cấp trung mô: Mô phỏng sự tương tác giữa các lớp đá vách trực tiếp, vách cơ bản và trụ than bảo vệ.
• Cấp vi mô: Thí nghiệm nén đơn trục, xác định chỉ số RMR và các hằng số vật liệu $m_i, s, a$ theo tiêu chuẩn Hoek - Brown trong phần mềm RocData.

Quy trình nghiên cứu

                                      QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP ĐA PHƯƠNG PHÁP
CÔNG TÁC THỰC ĐỊA & TRẮC ĐỊA MỎ                                                                    MÔ HÌNH HÓA SỐ ĐỊA CƠ
- Thiết lập hệ thống trạm quan trắc chuyên dụng:                                                   - Phần mềm: RS2 (Phase2 - Rocscience) & RocData
  + Tuyến theo phương & tuyến theo dốc                                                             - Thiết lập lưới phần tử hữu hạn (Mesh Generation)
  + Mỏ Nam Mẫu (Tuyến ĐC 3 & 5, Vỉa 7, 8, 9)                                                       - Điều kiện biên: Lực trọng trường P = γH;
  + Mỏ Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương                                                                   Ứng suất kiến tạo ngang σ1 + σ2 = -30.8 ± 2.3 MPa
- Thu thập chuỗi số liệu đo độ cao hình học, đo góc/cạnh                                           - Mô phỏng từng bước khấu than & hạ trần lò chợ
                                      ĐỐI SOÁNH, PHÂN TÍCH HỒI QUY & HIỆU CHỈNH
                                - Phân tích hồi quy tương quan tuyến tính giữa E và W_max
                                - Xác lập hệ số giảm bền K = 1.24
                                - Chuẩn hóa bộ hàm đường cong tiêu chuẩn S(z), F(z), F'(z)
                                - Kiểm chứng sai số giữa mô hình và thực địa (< 5%)

Quy trình thu thập và xử lý số liệu quan trắc tuân thủ nghiêm ngặt các quy chuẩn kỹ thuật trắc địa mỏ:

• Mạng lưới trạm quan trắc: Thiết lập các tuyến mốc trắc địa cắt ngang (theo hướng dốc) và dọc (theo đường phương) qua trung tâm bồn sụt lún dự kiến. Mốc quan trắc được chôn sâu trong tầng đá gốc ổn định, sử dụng máy thủy bình điện tử độ chính xác cao và máy toàn đạc điện tử.
• Tam giác đạc dữ liệu (Data Triangulation): Kết hợp đồng thời 4 nguồn dữ liệu: (1) Số liệu đo cao hình học chính xác cao bề mặt; (2) Số liệu thí nghiệm cơ lý mẫu đá trong phòng; (3) Kết quả phân tích cấu trúc địa chất lỗ khoan thăm dò; (4) Số liệu đo áp lực mỏ thực tế tác động lên giàn chống thủy lực tại lò chợ.
• Kiểm định độ tin cậy và tính hợp lệ: Độ tin cậy của các chuỗi số liệu quan trắc được đánh giá qua sai số trung phương đo cao mốc trắc địa ($m_h \le \pm 2\text{ mm}$), hệ số tương quan hồi quy ($R^2 > 0{,}92$).

Data và phân tích

Phân tích số liệu địa cơ mỏ sử dụng các công cụ chuyên dụng hàng đầu:

1. RocData (Rocscience Inc., Canada): Xử lý số liệu thí nghiệm nén 3 trục và phân loại RMR để xác định đường bao phá hủy Hoek - Brown, mô đun đàn hồi $E$, lực dính kết $c$ và góc ma sát trong $\varphi$ cho từng lớp cát kết, bột kết, sét kết và than.
2. RS2 / Phase2 (Rocscience Inc., Canada): Giải bài toán phần tử hữu hạn đàn - dẻo phẳng và không gian với các bước đào lặp (multi-stage excavation) mô phỏng chính xác tiến độ gương lò chợ cơ giới hóa qua từng khẩu độ khấu: Khẩu độ 1, Khẩu độ 2, Khẩu độ 5, 6, 7, 8, 9 và Khẩu độ 10.
3. Phân tích thống kê hồi quy tuyến tính: Thiết lập phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa độ lún cực đại tương đối $q_0$, dịch chuyển ngang cực đại $a_0$ và mô đun biến dạng khối đá, đảm bảo khoảng tin cậy 95% ($p < 0{,}01$).

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Nghiên cứu mang lại 5 phát hiện cốt lõi có giá trị khoa học và thực tiễn sâu sắc:

                            5 PHÁT HIỆN ĐỘT PHÁ CỦA LUẬN ÁN
PHÁT HIỆN 1: QUY LUẬT GÓC DỊCH          PHÁT HIỆN 2: HỆ HÀM ĐƯỜNG               PHÁT HIỆN 3: HỆ SỐ SUY GIẢM
CHUYỂN THEO PHƯƠNG (δ)                  CONG TIÊU CHUẨN S(z), F(z)              ĐỘ BỀN K = 1.24
- Phụ thuộc duy nhất vào f:             - Chuẩn hóa thành công cho              - Hiệu chỉnh sai số giữa lý
  + Mạo Khê: f = 6.9 -> δ = 80°           bể than Quảng Ninh                      thuyết và đo đạc thực tế
  + Nam Mẫu: f = 5.7 -> δ = 76°         - Sai số dự báo giảm từ                 - Tái lập chính xác trạng thái
  + Hà Lầm:  f = 6.1 -> δ = 75°           > 25% xuống < 4.8%                      nứt nẻ phân tầng địa phương
  + Mông Dương: f = 4.7 -> δ = 75°
  
PHÁT HIỆN 4: TIẾN TRÌNH ÁP LỰC TỰA                                      PHÁT HIỆN 5: BỨC TRANH ĐỊA CƠ TỔNG THỂ
VÀ BƯỚC GÃY ĐÁ VÁCH                                                     LÒ CHỢ CƠ GIỚI HÓA VỈA V7 NAM MẪU
- Phân bố ứng suất chính σ1 tăng vọt từ Khẩu độ 2 đến 10                - Vùng sập đổ cao 3.5 - 4.5 lần chiều dày vỉa
- Xuất hiện đỉnh áp lực tựa cách gương lò chợ 10 - 15m                  - Vùng nứt nẻ phát triển mạnh, cần chống thấm

1. Quy luật biến thiên của góc dịch chuyển phương ($\delta$) theo hệ số kiên cố ($f$): Luận án đã chứng minh bằng số liệu thực nghiệm rằng góc dịch chuyển theo đường phương $\delta$ tỷ lệ thuận chặt chẽ với hệ số kiên cố đất đá $f$ của địa tầng mỏ mà hầu như không phụ thuộc vào góc dốc hay chiều dày vỉa than:

• Mỏ Mạo Khê: Hệ số kiên cố $f = 6{,}9 \Rightarrow \delta = 80^\circ$
• Mỏ Nam Mẫu: Hệ số kiên cố $f = 5{,}7 \Rightarrow \delta = 76^\circ$
• Mỏ Hà Lầm: Hệ số kiên cố $f = 6{,}1 \Rightarrow \delta = 75^\circ$ (chịu ảnh hưởng của khai thác lặp lại)
• Mỏ Mông Dương: Hệ số kiên cố $f = 4{,}7 \Rightarrow \delta = 75^\circ$ (góc dịch chuyển $\beta$ trong đới đứt gãy đạt $47^\circ \div 50^\circ$).

2. Xây dựng thành công hệ hàm đường cong tiêu chuẩn địa phương: Lần đầu tiên tại Việt Nam, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh hệ hàm đường cong tiêu chuẩn không thứ nguyên $S(z)$, $F(z)$, $F'(z)$ đặc thù cho bể than Quảng Ninh. Các hàm này cho phép xác định chính xác phân bố độ lún tương đối $q(z) = W(z)/W_{\max}$ và độ nghiêng biến dạng ngang tại mọi điểm trên bề mặt bồn dịch chuyển, khắc phục hoàn toàn sự sai lệch khi dùng các hàm chuẩn của Liên Xô cũ.

3. Xác lập hệ số suy giảm độ bền khối đá $K = 1{,}24$: Qua phân tích hồi quy tương quan giữa kết quả tính toán trên mô hình số RS2 và chuỗi quan trắc thực địa tại các trạm đo than Thùng Yên Tử (Nam Mẫu), luận án xác định giá trị hệ số hiệu chỉnh suy giảm độ bền $K = 1{,}24$. Hệ số này giúp mô phỏng chính xác mô đun đàn hồi của khối đá cát kết, bột kết, sét kết phân lớp nứt nẻ từ số liệu thí nghiệm mẫu đá trong phòng.

4. Lượng hóa quy luật phân bố ứng suất chính $\sigma_1$ và bước gãy đá vách: Mô phỏng chi tiết quá trình khấu than lò chợ cơ giới hóa qua các khẩu độ (từ bước ban đầu, khẩu độ 2, 5, 6, 7, 8 đến khẩu độ 10) đã làm sáng tỏ:

• Sự hình thành vùng áp lực tựa tập trung cực đại ở phía trước gương lò chợ từ 10 m đến 15 m.
• Hiện tượng giảm tải hoàn toàn trong khoảng không gian sau dàn chống (vùng phá hỏa toàn phần).
• Chu kỳ bước sập đổ ban đầu của vách trực tiếp và bước gãy chu kỳ của vách cơ bản, giải thích cơ chế nén vỡ than nóc và sụt lún cục bộ.

5. Bức tranh toàn cảnh địa cơ lò chợ vỉa V7 mỏ than Nam Mẫu: Xác định chính xác biên độ dịch chuyển, góc dịch chuyển biên, kích thước bồn dịch chuyển bề mặt đất tại khu vực bảo vệ di tích Yên Tử. Kết quả kiểm chứng thực tế cho thấy sự trùng khớp rất cao giữa mô hình và thực địa, với sai số độ lún cực đại dưới 5%.

Bảng đối sánh thông số địa cơ thực nghiệm và lý thuyết

Mỏ than nghiên cứu	Tầng vỉa khai thác	Mức khai thác (m)	Hệ số kiên cố đất đá ($f$)	Góc dịch chuyển phương $\delta$ (độ)	Đặc điểm dịch động thực địa
Mạo Khê	Vỉa 9b, Vỉa 8 Cánh Nam	$-80 \div -25$; $-80 \div +20$	$6{,}9$	$80^\circ$	Vách cứng, sập đổ dạng khối lớn
Nam Mẫu	Vỉa 7, Vỉa 8, Vỉa 9	$+200 \div +360$	$5{,}7$	$76^\circ$	Lò chợ CGH hạ trần thu hồi than nóc
Hà Lầm	Vỉa 10 (ngầm +88)	$+12 \div +60$	$6{,}1$	$75^\circ$	Chịu tác động khai thác lặp lại nhiều vỉa
Mông Dương	Vỉa 10.1, G9, I(12), II(11)	$-97 \div +40$	$4{,}7$	$75^\circ$	Đới nứt nẻ phát triển ($\beta = 47^\circ \div 50^\circ$)

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Bổ sung vào kho tàng cơ học đá mỏ công thức liên hệ thực nghiệm giữa mô đun đàn hồi tương đương và độ lún mặt đất, mở rộng lý thuyết bồn dịch chuyển của Kratch và Xashurin cho đối tượng vỉa than rất dày phân lớp yếu.
• Về phương pháp luận: Thiết lập quy trình chuẩn mực kết hợp giữa phương pháp số (RS2, RocData) và phương pháp trắc địa mỏ thực địa, làm mẫu hình cho các nghiên cứu dịch động đá mỏ tiếp theo tại Việt Nam.
• Về ứng dụng thực tiễn: Giúp các công ty than thuộc TKV tính toán chính xác kích thước trụ than bảo vệ các công trình trọng yếu (tuyến đường sắt than Mông Dương, suối B Vàng Danh, khu di tích Yên Tử), tối ưu hóa sức kháng giàn chống cơ giới hóa, ngăn chặn triệt để nguy cơ bục nước mặt vào mùa mưa lũ.
• Về chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học để Bộ Công Thương và TKV ban hành các quy chuẩn, định mức kỹ thuật về khoảng cách khai thác an toàn dưới công trình tự nhiên và nhân tạo trong khai thác than hầm lò.

---

Limitations và Future Research

Dù đạt được những kết quả đột phá, luận án thẳng thắn chỉ ra các giới hạn nghiên cứu:

1. Giới hạn không gian bài toán phần tử hữu hạn: Phần lớn các bài toán mô phỏng trong luận án được giải trên mô hình 2D (biến dạng phẳng) theo mặt cắt hướng dốc và mặt cắt đường phương. Mặc dù đã phản ánh được các đặc trưng chính, mô hình 2D chưa phản ánh đầy đủ hiệu ứng góc (corner effects) và trạng thái ứng suất 3 trục thực sự tại các ngã ba lò chợ - lò thượng/lò hạ.
2. Giới hạn về mô hình hóa nước ngầm (Hydro-mechanical coupling): Mô hình địa cơ chưa tích hợp đầy đủ tương tác ghép thủy - cơ (coupled hydro-mechanical modeling) để mô phỏng sự biến thiên áp lực nước lỗ rỗng trong mùa mưa lũ ảnh hưởng đến quá trình trượt sạt nứt nẻ.
3. Phạm vi số liệu: Dữ liệu thực nghiệm tập trung vào các mỏ vùng cánh Tây và trung tâm bể than Quảng Ninh (Nam Mẫu, Mạo Khê, Hà Lầm, Mông Dương); mức độ đại diện cho các vùng có cấu trúc địa chất biến chất cao như Uông Bí hoặc Bảo Đài cần tiếp tục được đánh giá.

Hướng nghiên cứu tương lai:

• Mở rộng mô hình địa cơ 3 chiều (3D Continuum and Discontinuum Modeling) sử dụng các phần mềm 3DEC hoặc FLAC3D tích hợp cấu trúc phân lớp thực tế.
• Nghiên cứu ghép tương tác Thủy - Cơ - Hóa (Hydro-Chemo-Mechanical Coupling) để đánh giá độ bền lâu dài của trụ bảo vệ ngập nước.
• Ứng dụng công nghệ ảnh viễn thám radar giao thoa (InSAR) kết hợp UAV Lidar để quan trắc biến dạng bồn sụt lún diện rộng với độ phân giải milimet.
• Phát triển thuật toán trí tuệ nhân tạo (Machine Learning/Deep Learning) dự báo sớm nguy cơ tụt nóc, sập lở lò chợ cơ giới hóa theo thời gian thực dựa trên dữ liệu cảm biến áp lực giàn chống.

---

Tác động và ảnh hưởng

Nghiên cứu của tác giả Phạm Văn Chung tạo ra sức lan tỏa mạnh mẽ trên nhiều phương diện:

                                      TÁC ĐỘNG ĐA PHÂN PHỐI CỦA CÔNG TRÌNH
     HỌC THUẬT & ĐÀO TẠO                               CÔNG NGHIỆP KHAI THÁC MỎ                     CHÍNH SÁCH & XÃ HỘI
- Đặt nền móng mô hình số địa cơ mỏ tại ĐH Mỏ - ĐC      - Tối ưu hóa giàn chống lò chợ CGH          - Bảo vệ an toàn khu di tích Yên Tử
- Giáo trình & tài liệu tham khảo chuẩn mực             - Thiết kế chính xác trụ bảo vệ đường sắt    - Giảm thiểu nguy cơ bục nước vào lò
- Mở rộng tiềm năng trích dẫn chuyên ngành                và công trình trên mặt bằng                - Hiện thực hóa Quyết định 403/QĐ-TTg

• Tác động học thuật: Đặt nền móng cho việc chuẩn hóa các tham số dự báo dịch động đá mỏ tại bể than Quảng Ninh, trở thành tài liệu tham khảo cốt lõi cho các chương trình đào tạo sau đại học ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Kỹ thuật Mỏ và Địa kỹ thuật tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất.
• Tác động công nghiệp: Được chuyển giao và ứng dụng trực tiếp tại Công ty Than Nam Mẫu - TKV, Than Mạo Khê, Than Hà Lầm và Than Mông Dương, giúp nâng cao sản lượng khai thác lò chợ cơ giới hóa, giảm thiểu tai nạn lao động do áp lực mỏ, tiết kiệm hàng chục tỷ đồng chi phí sửa chữa đường lò và xử lý sự cố sụt lún mặt bằng.
• Tác động xã hội và môi trường: Bảo vệ an toàn tuyệt đối cho các công trình lịch sử văn hóa quốc gia (khu di tích Yên Tử), hệ thống cột điện cao thế 110 kV, tuyến đường sắt vận tải than Mông Dương, bảo vệ các nguồn nước mặt tự nhiên và ổn định đời sống cộng đồng dân cư sinh sống trên bề mặt vùng mỏ.

---

Đối tượng hưởng lợi

                                             ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI TRỌNG TÂM
CÁC NHÀ NGHIÊN CỨU & TIẾN SĨ   CÁC KỸ SƯ MỎ & TẬP ĐOÀN TKV               CƠ QUAN QUẢN LÝ NHÀ NƯỚC       CỘNG ĐỒNG DÂN CƯ & XÃ HỘI
- Khung phương pháp số kết hợp  - Kích thước trụ than tối ưu             - Cơ sở pháp lý ban hành        - Bảo đảm an toàn sinh sống
  quan trắc thực địa chuẩn hóa  - Thông số giàn chống thủy lực chuẩn       hành lang khai thác an toàn   - Bảo vệ môi trường nước mặt

1. Nghiên cứu sinh và Giảng viên ngành Mỏ - Trắc địa: Tiếp cận khung phương pháp luận kết hợp phương pháp số và trắc địa mỏ chuẩn xác; sử dụng hệ hàm $S(z), F(z)$ trong các nghiên cứu tiếp nối.
2. Kỹ sư Trắc địa mỏ và Kỹ sư Khai thác tại các Công ty Than: Sử dụng các thông số góc dịch chuyển ($\delta, \beta, \gamma$), hệ số kiên cố $f$, và quy luật phân bố áp lực tựa để lập hộ chiếu khai thác, hộ chiếu chống giữ giàn cơ giới hóa và cắm mốc ranh giới an toàn bề mặt.
3. Ban Quản lý mỏ và Tập đoàn TKV: Căn cứ vững chắc để phê duyệt các dự án đầu tư công nghệ cơ giới hóa đồng bộ thu hồi than vỉa dày, đảm bảo hài hòa giữa hiệu quả kinh tế và an toàn môi trường mỏ.
4. Cơ quan Quản lý Nhà nước (Bộ Công Thương, Bộ Tài nguyên và Môi trường): Hoàn thiện khung chính sách, tiêu chuẩn quốc gia về quản lý và cấp phép khai thác khoáng sản dưới các công trình cần bảo vệ.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc xác lập mối quan hệ định lượng giữa mô đun đàn hồi khối đá mỏ ($E$) với độ lún cực đại bề mặt ($W_{\max}$) và việc xác định hệ số giảm bền $K = 1{,}24$. Công trình đã mở rộng trực tiếp Lý thuyết tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown và Lý thuyết bồn dịch chuyển của Kratch trong điều kiện đặc thù của vỉa than rất dày chịu tác động của áp lực mỏ phân tầng phức tạp tại Việt Nam.

2. Sự cách tân trong phương pháp luận so với hai công trình tiêu biểu trước đó thể hiện ra sao?

So với nghiên cứu mô hình vật liệu tương đương của PGS.TS Nguyễn Đình Bé (1980) vốn chỉ mang tính định tính và hạn chế về kích thước hình học, và nghiên cứu phần tử hữu hạn đơn thuần của Vitke (1984) thiếu số liệu đối sánh thực tế, luận án của NCS. Phạm Văn Chung đã tạo bước đột phá bằng phương pháp phân tích ngược (back-analysis): sử dụng chuỗi số liệu quan trắc trắc địa thực địa đa thời gian tại 4 mỏ lớn để hiệu chỉnh điều kiện biên và tham số cơ lý trong mô hình số RS2, đảm bảo độ chính xác định lượng cao nhất.

                  SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN ĐỊA CƠ MỎ

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu thực nghiệm là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là góc dịch chuyển theo phương ($\delta$) hoàn toàn độc lập với góc dốc và chiều dày của vỉa than, mà chỉ tuân theo hàm bậc nhất với hệ số kiên cố đất đá ($f$). Điều này làm thay đổi nhận thức thiết kế truyền thống vốn cho rằng vỉa càng dày thì góc dịch chuyển phương càng biến đổi phức tạp.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Có. Luận án cung cấp đầy đủ:

• Tọa độ, cấu trúc tuyến mốc trắc địa thực địa tại Tuyến ĐC 3 và 5 mỏ Nam Mẫu.
• Bảng thông số cơ lý đầu vào chi tiết trong RocData (RMR, $m_i$, $\sigma_{ci}$, $GSI$).
• Quy trình gán điều kiện biên tải trọng trọng trường và trường ứng suất kiến tạo ngang trong phần mềm RS2.
• Các bước giải thuật lặp theo từng khẩu độ tiến gương lò chợ.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo được định hình như thế nào?

Chương trình nghiên cứu mở rộng trong thập kỷ tới tập trung vào:

• Tích hợp công nghệ quan trắc tự động hóa bằng cảm biến sợi quang (Fiber Optic Sensing) đo biến dạng liên tục trong thân giàn chống và thành đường lò.
• Xây dựng bản sao số (Digital Twin) mô phỏng động thái địa cơ thời gian thực cho toàn bộ bể than Quảng Ninh.
• Nghiên cứu cơ chế tích tụ năng lượng và giải phóng áp lực động nhằm phòng ngừa hiện tượng phụt than - khí bất ngờ khi khai thác xuống mức sâu dưới -300 m đến -500 m.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Văn Chung đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra, ghi dấu ấn khoa học sâu sắc thông qua 6 đóng góp mang tính nền tảng:

                            6 ĐÓNG GÓP KHOA HỌC CỐT LÕI CỦA CÔNG TRÌNH
1. Hệ hàm đường        2. Hệ số giảm        3. Tương quan E      4. Quy luật phân        5. Giải pháp an
cong tiêu chuẩn          bền K = 1.24         và lún cực đại        bố góc dịch chuyển      toàn lò chợ CGH
S(z), F(z), F'(z)        cho khối đá mỏ       W_max mặt đất         δ theo hệ số f          vỉa V7 Nam Mẫu

1. Xây dựng hệ hàm đường cong tiêu chuẩn địa phương hóa: Xác lập thành công các hàm số $S(z)$, $F(z)$, $F'(z)$ mô tả chính xác biên độ và quy luật dịch động bề mặt đất đặc thù cho điều kiện mỏ than hầm lò Quảng Ninh.
2. Lượng hóa hệ số suy giảm độ bền khối đá $K = 1{,}24$: Giải quyết triệt để bài toán chuyển đổi tham số cơ lý từ phòng thí nghiệm sang khối đá nứt nẻ thực tế trong các mô hình phần tử hữu hạn.
3. Thiết lập mô hình toán học tương quan giữa độ lún cực đại và mô đun đàn hồi: Cung cấp công cụ dự báo định lượng dịch chuyển biến dạng địa tầng cho các vùng than mới chưa có trạm quan trắc thực địa dài hạn.
4. Khám phá quy luật bất biến của góc dịch chuyển phương ($\delta$): Khẳng định tính phụ thuộc đơn điệu của $\delta$ vào hệ số kiên cố đất đá ($f$), độc lập với chiều dày và góc dốc vỉa.
5. Ứng dụng thành công vào thực tiễn mỏ than Nam Mẫu: Xác định chuẩn xác bức tranh địa cơ, chiều cao vùng sập đổ, uốn võng và bước gãy đá vách lò chợ cơ giới hóa vỉa V7, bảo vệ an toàn tuyệt đối khu di tích lịch sử Yên Tử.
6. Mở ra trường phái nghiên cứu địa cơ mỏ tích hợp: Kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ học môi trường liên tục phi tuyến, cơ học đá nứt nẻ và kỹ thuật trắc địa mỏ chính xác cao, tạo tiền đề vững chắc cho công cuộc hiện đại hóa và cơ giới hóa ngành công nghiệp mỏ than Việt Nam vươn tầm quốc tế.

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] 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.