Áp dụng phần mềm “Massip” tính toán các tham số dịch chuyển, biến dạng khối đá mỏ và bề mặt địa hình khi khai thác các vỉa than nằm dưới công trình cần bảo vệ tại mỏ than Núi Béo

20

 

Tóm tắt:

Hiện nay, Công ty than Núi Béo đang khai thác than bằng phương pháp hầm lò, với tổng trữ lượng địa chất huy động là 53,1 triệu tấn, trong đó có tới 22,5 triệu tấn (chiếm 42,4%) nằm dưới các công trình, đối tượng tự nhiên cần bảo vệ trên bề mặt. Để khai thác hiệu quả phần trữ lượng trên trong khi vẫn đảm bảo an toàn cho các công trình trên bề mặt, việc nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số sơ đồ công nghệ (SĐCN) khai thác đến quá trình dịch chuyển, biến dạng bề mặt là cần thiết. Bài báo luận giải lựa chọn hương pháp tính toán các tham số dịch động, từ đó đề xuất công nghệ khai thác hợp lý cho phần trữ lượng nằm dưới các đối tượng cần bảo vệ trên bề mặt tại mỏ than Núi Béo.

Dự án mỏ hầm lò Núi Béo dự kiến huy động vào khai thác 5 vỉa than (V11, V10, V9, V7, V6) từ mức -350 ÷ Lộ vỉa, với tổng trữ lượng địa chất huy động khoảng 53,1 triệu tấn [4]. Trong đó có đến 22,5 triệu tấn (chiếm 42,4% tổng trữ lượng địa chất huy động) nằm dưới phường Hà Lầm, Hà Trung, Hà Tu và thành phố Hạ Long. Để khai thác hiệu quả phần trữ lượng nằm dưới các công trình trên bề mặt, trong khi vẫn đảm bảo an toàn cho các đối tượng cần bảo vệ, việc nghiên cứu và đánh giá sự ảnh hưởng của các tham số SĐCN khai thác đến quá trình dịch chuyển, biến dạng bề mặt là cần thiết. Hiện nay, có nhiều phương pháp để xác định các tham số dịch chuyển và biến dạng bề mặt dưới sự ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò, các phương pháp có thể thực hiện bằng quan trắc ngoài thực địa; nghiên cứu trên mô hình vật liệu tương đương trong phòng thí nghiệm hoặc sử dụng những phần mềm để mô phỏng và tính toán các giá trị cần thiết… Trong đó, Viện VNIMI – Liên Bang Nga đã đưa ra phương pháp tính toán, xác định các tham số dịch chuyển đất đá bề mặt và được tổng hợp trong “Quy tắc bảo vệ các công trình xây dựng và đối tượng tự nhiên từ sự ảnh hưởng có hại của khai thác mỏ hầm lò trong các mỏ than” [9]. Quy tắc này được nghiên cứu và phát triển trên cơ sở kết quả quan trắc ngoài thực địa; tổng quan kinh nghiệm khai thác dưới các khu vực dân cư, công trình xây dựng và đối tượng tự nhiên; nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và phân tích quá trình dịch chuyển đất đá mỏ, bề mặt địa hình. Từ đó đưa ra phương pháp xây dựng trụ bảo vệ trong điều kiện những lớp đất đá bị phá hủy và không bị phá hủy, luận giải phương pháp xác định các chỉ số biến dạng giới hạn và cho phép trong bán kính ảnh hưởng của các công trình dân dụng và công nghiệp, đề xuất những phương pháp tính toán các tham số dịch chuyển và biến dạng bề mặt dưới sự ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò và những giải pháp bảo vệ các đối tượng trên bề mặt trong các giai đoạn khai thác khác nhau theo thiết kế quy hoạch mỏ.

Trên cơ sở phương pháp luận [9], các nhà lập trình tin học trong lĩnh vực khai khoáng của Trường Đại học Mỏ – St.Petersburg – Liên Bang Nga đã đưa ra phương pháp tính toán các tham số dịch chuyển đất đá bề mặt dưới sự ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò bằng tổ hợp phần mềm “Massip”. Tổ hợp phần mềm này đưa ra giải thuật để đánh giá, xác định các tham số dịch chuyển của khối đá và bề mặt khi thay đổi các tham số của SĐCN khai thác. Tuy nhiên, trong tổ hợp phần mềm “Massip” người ta đã thiết lập những hệ số thực nghiệm để tính toán các tham số dịch chuyển, biến dạng bề mặt cho từng vùng và khoáng sàng riêng biệt tại Liên Bang Nga. Do  vậy, để có thể sử dụng phương pháp tính toán trên cho điều kiện mỏ than Núi Béo, cần thiết phải luận giải và xác định điều kiện địa chất của một khoáng sàng than tại Liên Bang Nga có tính chất tương đồng với mỏ than Núi Béo.

Đối với Việt Nam, trong những năm qua đã có nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề khai thác dưới các công trình cần bảo vệ trên bề mặt, nhằm có thể sớm huy động phần trữ lượng đó vào khai thác. Trong đó, giai đoạn 2004 – 2011 Viện KHCN Mỏ – Vinacomin đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hợp lý để khai thác than ở các khu vực có di tích lịch sử văn hóa, công trình công nghiệp và dân dụng” [3] do PGS-TS. Phùng Mạnh Đắc làm chủ nhiệm. Đề tài đã đánh giá và tổng hợp trữ lượng các vỉa than nằm dưới những công trình, đối tượng tự nhiên cần bảo vệ trên bề mặt tại vùng Quảng Ninh, xác định các tham số góc dịch chuyển đất đá của vùng Mao Khê, Uông Bí, Hòn Gai, Cẩm Phả và Mông Dương bằng phương pháp quan trắc ngoài thực địa, từ đó đề xuất các loại hình công nghệ khai thác cho từng điều kiện vỉa than và đối tượng công trình cần bảo vệ trên bề mặt. Theo đó, tại vùng Hòn Gai, đề tài [3] đã xây dựng các tuyến quan trắc dịch động trên bề mặt tại mỏ than Hà Lầm (có điều kiện đặc trưng cho vùng Hòn Gai) để xác định các tham số góc dịch chuyển khối đá mỏ của vùng Hòn Gai dưới sự ảnh hưởng của quá trình khai thác than bằng phương pháp hầm lò. Trên cơ sở kết quả nghiên cứu của đề tài [3], nhóm tác giả sử dụng các tham số góc dịch chuyển đất đá bề mặt của vùng Hòn Gai để so sánh với các tham số góc dịch chuyển của các vùng và khoáng sàng riêng biệt của Liên Bang Nga, từ đó luận giải, xác định khoáng sàng than cụ thể tại Liên Bang Nga có điều kiện địa chất tương đồng với mỏ than Núi Béo. Phương pháp, kết quả so sánh được thể hiện chi tiết tại bảng 1.

Theo phương pháp so sánh tại bảng 1, khi tổng giá trị bình phương của hiệu (phương sai) giữa các góc dịch chuyển đất đá của vùng Hòn Gai với các khoáng sàng than của Liên Bang Nga (ký hiệu  Σ∆2) nhỏ, tương ứng với độ lệch giữa các tham số góc dịch chuyển đất đá của hai khoáng sàng nhỏ và ngược lại. Theo đó, giá trị Σ∆2 giữa vùng Hòn Gai và khoáng sàng Bulanashky – Liên Bang Nga là nhỏ nhất Σ∆2 = 714.32, với độ lệch giữa các giá trị góc dịch chuyển đất đá của hai khoáng sàng không vượt quá 20%, các khoáng sàng khác có độ lệch lớn hơn tương ứng với Σ∆2 lớn. Như vậy, có thể kết luận, điều kiện địa chất của vùng than Hòn Gai (Núi Béo) tương đồng với khoáng sàng Bulanashky – Liên Bang Nga. Khi đó để tính toán các tham số dịch chuyển và biến dạng đất đá bề mặt cho điều kiện mỏ than Núi Béo dưới sự ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò bằng tổ hợp phần mềm “Massip” cho phép sử dụng những hệ số thực nghiệm của khoáng sàng than Bulanashky – Liên Bang Nga.

Việc sử dụng những phương pháp số để tính toán ứng suất và biến dạng khi giải quyết các vấn đề về địa cơ mỏ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng. Sự phát triển vũ bão của công nghệ máy tính là nguyên nhân chuyển đổi hướng nghiên cứu sang cấp độ, chất lượng mới bao gồm cả mô hình hóa bằng máy tính để đánh giá giá trị gia tăng và mức độ biến dạng của khối đá mỏ. Nghiên cứu được thực hiện đối với vỉa 11 mỏ than Núi Béo, vỉa có chiều dày trung bình 5,6m, góc dốc 18o, chiều sâu khai thác từ 100 – 152m. Chiều dài lò chợ theo hướng dốc 100m, theo phương 405m. Trong điều kiện như trên, mỏ dự kiến áp dụng công nghệ khai thác cột dài theo phương, khấu than bằng máy combai, chống giữ lò chợ bằng giàn chống tự hành, khấu lớp trụ hạ trần than nóc, điều khiển đá vách bằng phương pháp phá hỏa toàn phần. Với SĐCN khai thác như trên, để xác định các tham số dịch chuyển đất đá trên bề mặt, nhóm tác giả sử dụng tổ hợp phần mềm “Massip” bằng cách nhập các tham số góc dịch chuyển đo đạc tại vùng than Hòn Gai (bảng 1) và sử dụng các hệ số thực nghiệm của khoáng sàng Bulanashky – Liên Bang Nga. Kết quả tính toán chi tiết xem hình 1.

Kết quả tính toán tại hình 1 cho thấy, khi khai thác vỉa 11 bằng công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng phá hỏa toàn phần đã hình thành vùng ảnh hưởng trên bề mặt địa hình với bán kính khoảng 300m (hình 1.a), giá trị sụt lún cực đại η = 2,25m (hình 1.b), giá trị độ nghiêng cực đại i = 17,28.10-3 (hình 1.c), độ cong cực đại k = 1,64.10-3 (hình 1.d) và biến dạng ngang cực đại £ = 10,54.10-3 (hình 1.f). Các giá trị trên đã vượt quá giá trị nguy hiểm cho phép của các tham số dịch chuyển đất đá bề mặt như: độ nghiêng i = 4.10-3, độ cong k = 1,2.10-3, biến dạng ngang £ = 2.10-3 (những giá trị giới hạn này được xác lập trong [9]). Do vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn công nghệ khai thác khác, sao cho giá trị của các tham số dịch chuyển đất đá bề mặt nhỏ hơn giá trị giới hạn cho phép là cần thiết đối với mỏ than Núi Béo.

Hiện nay, để khai thác phần trữ lượng dưới những công trình dân dụng, công nghiệp, đối tượng chứa nước (sông, suối, hồ)…, các nước trên thế giới đã và đang áp dụng công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò toàn phần hoặc từng phần. Kết quả áp dụng không những đảm bảo an toàn cho các công trình trên bề mặt mà còn đạt hiệu quả về mặt kinh tế và giảm tổn thất tài nguyên. Ví dụ, để bảo vệ khu vực dân cư trên bề mặt địa hình, mỏ Wujeck thuộc thành phố Katowice của Ba Lan đã khai thác những vỉa than ở độ sâu 360m, áp dụng phương pháp điều khiển đá vách bằng chèn lò toàn phần, thi công khối chèn bằng thủy lực, khấu than bằng đồng bộ thiết bị cơ giới hóa, sản lượng trung bình của lò chợ đạt 400.000 T/năm. Tại những mỏ than ở vùng Donbass – Liên Bang Nga, để bảo vệ những công trình trên bề mặt, các mỏ đã áp dụng SĐCN khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò toàn phần, phương pháp thi công khối chèn bằng tự chảy [1]. Đối với công nghệ khai thác bằng chèn lò, mức độ chèn lấp không gian khai thác phía sau lò chợ phụ thuộc vào vật liệu và phương pháp thi công khối chèn; điều kiện địa chất của khu vực áp dụng… Trong đó, yếu tố vật liệu thi công khối chèn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ chèn trong công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò, cụ thể: 1 – Kích thước cỡ hạt lớn nhất của vật liệu chèn để vận chuyển được các công trình trên bề mặt. Theo tuyển tập các SĐCN khai thác năm 1997 [10] đã đưa ra những tiêu chí lựa chọn vật liệu thi công khối bằng đường ống không vượt quá 2/3 đường kính đường ống; 2 – Hàm lượng chất dễ cháy trong vật liệu chèn không được vượt quá 20%; 3 – Giới hạn độ bền nén của đất đá không nhỏ hơn 25 MPa; 4 – Thành phần cơ hạt của vật liệu cần phải đảm bảo yêu cầu độ co ngót và lấp đầy không gian khai thác; 5 – Độ ẩm của vật liệu chèn không được vượt quá 5 – 8%.

Trên cở sở kinh nghiệm khai thác các vỉa than dưới những công trình cần bảo vệ trên bề mặt trên thế giới, nhóm tác giả đề xuất công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò để khai thác phần trữ lượng nằm dưới những công trình cần bảo vệ tại mỏ than Núi Béo, với vật liệu thi công khối chèn sử dụng đất đá thải từ các mỏ than hầm lò, lộ thiên hoặc chất thải sau sàng tuyển than. Phụ gia đông kết cho hỗn hợp vật liệu chèn để đảm bảo độ co ngót nhỏ nhất sử dụng tro bay và tro đáy của Nhà máy nhiệt điện trong vùng hoặc xi măng.

Nhằm nâng cao mức độ tin cậy của vật liệu thi công khối chèn lựa chọn, tiến hành nghiên cứu ứng suất biến dạng trạng thái của đất đá mỏ và dịch chuyển bề mặt khi tiến hành khai thác vỉa 11 mỏ than Núi Béo bằng công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò toàn phần. Thức chất của vấn đề là xác định các tham số của SĐCN khai thác, sao cho các giá trị dịch chuyển, biên dạng đất đá bề mặt nhỏ hơn những giá trị giới hạn nguy hiểm. Cụ thể tại Trường Đại học Mỏ – St.Petersburg – Liên Bang Nga đã giới thiệu phần mềm PC “NEDRA” để giải quyết vấn đề trên bằng thực hiện phương pháp phần tử hữu hạn [5, 8]. Phần mềm PC “NEDRA” [8] thể hiện chi tiết quá trình biến dạng của đất đá trong giai đoạn giới hạn chất tải, quá trình đó được mô ta trên cơ sở mô hình cơ học của đường biến dạng tuyến tính, trong đó giải đáp phương trình của thuyết đàn hồi. Trạng thái đất đá vượt quá giới hạn độ bền của chúng được đánh giá bằng sử dụng lý thuyết biến dạng của độ bền hoặc mô hình cơ học của khối đá biến dạng. Để thực hiện thuật toán trên, sử dụng công nghệ máy tính chuyên ngành (PC “NEDRA”) làm mô hình khối đá mỏ và trạng thái ứng suất biến dạng [8].

Khi mô hình hóa theo SĐCN trên bằng phần mềm PC “NEDRA”, thông thường các giá trị đặc tính đất đá sau đây được sử dụng: Mô đun đàn hồi của đất đá E (MPa); số lớp đất đá từ 3 – 5, lớp than 1 (Ey); hệ số Poisson cho tất cả đất đá áp dụng bằng 0,3; dung trọng của đất đá từ 1,7 – 2,2 T/m3; lực dính kết của đất đá C (MPa); góc nội ma sát trong thông thường 30o; độ bền kéo của đất đá không vượt quá 1/3C. Vật liệu chèn lò đã được mô hình hóa bằng khối đá với mô đun đà n hồi (E3) nhỏ hơn than. Trong trường hợp này mô hình hóa 5 phương án: khi E3 = 0,01; 0,0333; 0,1; 0,25 và 0,75Ey. Kích thước của mô hình được thiết kế với chiều dài 600m, chiều cao 240m, vỉa nằm ở độ sâu 152m, chiều dày vỉa khi mô hình hóa áp dụng bằng 5,6m. Những điều kiện giới hạn biên ở bên trái và bên phải trong hướng không có sự dịch chuyển theo đường nằm ngang, ở bên dưới theo phương thẳng đứng, ở bên trên giới hạn không hạn chế. Chi tiết kết quả chạy mô hình xem từ hình 2a – hình 2e.

Kết quả trên mô hình (từ hình 2a – hình 2e) cho thấy, khi khai thác vỉa 11 bằng công nghệ khai thác điều khiển đá vách bằng chèn lò, với vật liệu chèn là đất đá thải từ các mỏ lộ thiên hoặc hầm lò, mô đun biến dạng của khôi chèn cần phải lớn hơn 30 MPa. Khi giá trị E3 < 30 MPa, giá trị biến dạng ngang của đất đá bề mặt địa hình sẽ vượt quá trị giới hạn cho phép (0,5.10-3) [6], khi đó có thể dẫn đến sự phá hủy các công trình, đối tượng tự nhiên trên bề mặt. Như vậy, việc sử dụng vật liệu đất đá thải từ các mỏ làm vật liệu chèn, cho phép hình thành khối chèn với mô đun biến dạng đến 600 MPa (xem bảng 2), đảm bảo yêu cầu bảo vệ các công trình trên bề mặt khi khai thác các vỉa than phía dưới.

TS. Lê Văn Hậu – Viện Khoa học Công nghệ Mỏ – Vinacomin
ThS. Trần Đức Dậu – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh
Biên tập: TS. Lê Đức Nguyên
(Bài đăng trên Tạp chí Thông tin Khoa học công nghệ mỏ, số 1/2020)
Để lại một trả lời

Địa chỉ email của bạn sẽ không được công bố.