Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên

14

Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên

                                                                                   PGS.TS. Kiều Kim Trúc

                                                                Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam.

 

(Mã số: 2409)

Tóm tắt: Phân tích, tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên là công việc phức tạp và tốn nhiều thời gian, như xây dựng cấu trúc địa chất, xác định các thông số địa cơ mỏ, áp dụng các phương pháp tính toán địa kỹ thuật, thay đổi phương án, nhất là với cấu trúc địa chất đất đá bất đồng nhất. Bài báo giới thiệu phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin với các phần mềm xây dựng mô hình địa chất, thành lập mặt cắt địa chất, tính toán ổn định bờ mỏ và thực hiện cho một số khu vực bờ mỏ lộ thiên Quảng Ninh, với kết quả nhanh chóng và chính xác.

 

1. Tổng quan về phân tích, tính toán độ ổn định bờ mỏ lộ thiên

Công tác nghiên cứu, thiết kế và phân tích tính toán độ ổn định bờ mỏ bắt đầu theo các bước sau: 1. Phân vùng khu vực bờ mỏ theo tính đồng nhất tương đối về cấu trúc địa chất. 2. Xây dựng mặt cắt địa chất với việc xác định cấu trúc địa chất và hình dạng bờ mỏ; 2. Xác định tính chất cơ lý và biến dạng đất đá; 4. Xác định điều kiện thủy văn từng khu vực; 5. Phân tích, tính toán (hay đánh giá) ổn định bờ tầng, nhóm tầng và toàn bộ bờ mỏ theo các mặt trượt tiềm năng; 6. Đưa ra các biện pháp đảm bảo ổn định bờ mỏ hợp lý, kể cả điều chỉnh hình dạng bờ tầng, bờ mỏ và lặp lại các tính toán trên cho đến khi đảm bảo ổn định theo yêu cầu. Thiết kế bờ mỏ là quá trình xây dựng hình học và tính toán ổn định liên tục với nhiều phép thử và lựa chọn, có khối lượng công việc lớn.

Theo quan điểm đơn giản về cơ học, Ổn định bờ mỏ là tỉ số giữa sức bền đất đá trước ứng suất trong bờ mỏ, được phân tích, tính toán thông qua việc xác định hệ số ổn định n (hay hệ số dự trữ n, hệ số an toàn F – Factor of Safety) của các khối trượt dự đoán.

Lý thuyết đầu tiên về trạng thái cân bằng giới hạn môi trường rời đẳng hướng được Colomb đưa ra từ thế kỷ 18 (theory of general limit equilibrium), lúc đó coi mặt trượt là mặt phẳng. Các tác giả khác sau đó phát triển đối với các mặt yếu dạng cong, dạng gấp khúc trong môi trường không liên tục, bất đồng nhất, môi trường liên kết có ma sát như môi trường đất đá với nhiều phương pháp tính toán khác nhau. Bên cạnh đó, do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật tính toán, hướng nghiên cứu dựa trên lý thuyết Phần tử hữu hạn (The Finite element Method) cũng được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể.

Tuy nhiên với tính dị hướng của môi trường không liên tục như đất đá mỏ thì hướng nghiên cứu theo Lý thuyết Cân bằng giới hạn vẫn có nhiều ứng dụng thực tế hơn.

Điều kiện cơ bản cân bằng giới hạn theo một diện tích bất kỳ trong mái dốc đất đá mỏ có dạng:

t = F(sN),                                                                    (1)

Trong đó:  t và sn  –  ứng suất tiếp tuyến và pháp tuyến theo diện tích đã cho.

Trong mái dốc đồng nhất diện tích mặt trượt đơn vị xuất hiện từ chiều sâu:

,                                                 (2)

Trong mái dốc không đồng nhất chúng xuất hiện với ứng suất:

,                                                  (3)

Trong đó: s0 –  Độ bền nén đất đá đơn trục; ẹ –  Lực dính kết đát đá; j – Góc ma sát trong của đất đá;  g – Trọng lượng đơn vị khối lượng đất đá (trọng lượng thể tích).

Độ bền và điều kiện thể nằm của đất đá, hướng mặt yếu tự nhiên lớn trong khối đát đá tương đối với đường phương mái dốc quyết định đặc điểm biến dạng bờ mỏ lộ thiên, hình dạng mặt trượt dự kiến và việc lựa chọn sơ đồ tính toán độ ổn định của chúng.

Các phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn được phân biệt phụ thuộc vào hướng cạnh ranh giới của các khối (bloc) tính toán các lực và phương pháp tổng hợp lực của chúng. Người ta thường phân biệt hai phương pháp chính sau đây [9]:

  1. Phương pháp đại số tuyến tính (cộng đại số) dựa trên tổng đại số các lực giữ và lực trượt theo mặt trượt yếu nhất (Xem hình 1).

Khi đó những lực sau được đưa vào tính toán:

Ni, Ti – tương ứng thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lượng bloc được tính:

Ni = Pi cos ji; Ti = Pi sin ji;

Di – Áp lực thuỷ tĩnh, hướng của nó vuông góc với đáy bloc tính toán và bằng tích giá trị trung bình áp lực thuỷ tĩnh  gõÍủð   với chiều dài phần bloc ngập nước :

,                                                                      (4)

Trong đó:

,                                                           (5)

FTi  – lực chống cắt (trượt) theo đáy bloc:

FTi  = Nitgji + Cili,                                                                  (6)

Trong đó:  ji, Ci  – các chỉ tiêu tính toán độ bền đất đá.

Phương pháp cân bằng chung được xác định là hiệu số các lực giữ và các lực trượt theo mặt trượt yếu nhất, theo phương pháp cộng đại số các lực có dạng:

,                                            (7)

Nếu như theo mặt trượt yếu nhất hiệu số các lực giữ và lực trượt DТ bằng không, thì khối bờ mỏ ở trạng thái cân bằng giới hạn.

Hệ số dự trữ ổn định sườn dốc n theo phương pháp cộng đại số các lực được xác định cho mặt trượt yếu nhất theo công thức :

,                                                     (8)

Phương pháp cộng đại số có thể được sử dụng, nếu như mặt trượt yếu nhất có dạng mặt cong trơn đều. Phương pháp này không tính phản lực giữa các bloc và coi rằng, lăng trụ trượt biến dạng như là một khối đồng nhất. Điều này chứng tỏ rằng hệ số an toàn được tính bằng phương pháp cộng đại số nhỏ hơn thực tế, mức độ không phù hợp này phụ thuộc vào chiều cao sườn dốc, góc dốc của nó và góc ma sát trong của đất đá, và sai số có thể từ 3 đén 20%. Khi chiều cao sườn đốc không lớn (dưới 100m) và giá trị góc nội ma sát không lớn (j < 200 ) phương pháp này cho kết quả đủ tin cậy.

  1. Phương pháp tổng hợp hơn để đánh giá độ ổn định bờ mỏ, mái dốc trong điều kiện địa chất mỏ thực tế là phương pháp đại số véc tơ lực (phương pháp đa giác lực), có tính đến phản lực giữa các bloc, mà các bloc này được phân chia trong lăng trụ trượt theo dấu hiệu địa chất kĩ thuật cụ thể. Khi tính toán bằng phương pháp đa giác lực, độ chính xác tính toán phụ thuộc vào vị trí ranh giới giữa các bloc và hướng các phản lực giữa chúng. Độ chính xác đầy đủ của các tính toán đạt được khi mà biên giới giữa các bloc tương tự vị trí họ mặt trượt thứ hai, trong tính toán bằng phương pháp trạng thái ứng suất giới hạn, nghĩa là với góc (900 – j) so với họ mặt trượt đầu tiên (Xem hình 2).

Trên cơ sở các nguyên tắc này, các tác giả khác nhau phát triển các phương pháp tính toán phong phú, như phương pháp Bishop cho mặt trượt cong, phương pháp Spencer-Wright cho mặt trượt đa dạng, phương pháp Sarma cho mặt trượt đa giác với các khối tính không chia theo lớp đứng và phức hợp…[5, 6, 7].

Qua các trình bầy trên đây cho thấy công tác thiết kế, phân tích ổn định bờ mỏ là công việc phức tạp với khối lượng hình vẽ và tính toán lớn. Do đó việc ứng dụng công nghệ thông tin với các phần mềm chuyên dụng để giải quyết là lựa chọn hợp lý và hiệu quả, trong đó ứng dụng cần khắc phục khâu quan trọng và khó khăn nhất là xây dựng mặt cắt địa chất và tính toán ổn định bờ mỏ.

  1. Tổng quan về các phần mềm Địa kỹ thuật

Các phần mềm ứng dụng trong lĩnh vực Địa kỹ thuật có thể được chia ra làm nhiều loại. Nếu xét về tính độc lập của chúng thì có 2 nhóm chính: các phần mềm chuyên sâu một lĩnh vực chuyên môn hoặc các phần mềm tích hợp đa chức năng của nhiều lĩnh vực chuyên môn. Xét về tính chuyên môn của chúng thì có các phần mềm khảo sát địa chất, phần mềm tính toán ổn định mái dốc, phần mềm môi trường, phần mềm mô hình hóa, phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu…

Hiện nay đã có nhiều phần mềm ứng dụng trên thế giới như TECHBASE, ROCKWARE, MAPINFO, SURFER (Mỹ), PAMAP (Canađa), MINEMAP (Australia)… liên quan đến Địa kỹ thuật. Chúng có những chức năng giống và khác nhau, và cũng thể hiện những điểm mạnh yếu khác nhau, kể cả giá cả.

Phần mềm TECHBASE có nhiều chức năng như lập mô hình 3 chiều, vẽ các loại đồ thị, phân tích , thống kê, thiết kế mỏ, với cơ sở dữ liệu lớn hàng tỉ điểm, có tốc độ xử lí nhanh, đồng thời cho phép tính ổn định bờ mỏ theo phương pháp lực nằm ngang Log Angeles County. TECHBASE là phần mềm tích hợp đa chức năng nên có giá thương mại trong phạm vi rộng; Phần mềm ROCKWORK rất phù hợp với công tác khảo sát địa chất, trắc địa vì được thiết kế chuyên dụng cho lĩnh vực này. Trong nhiều chức năng của nó phải kể đến truy nhập dữ liệu khảo sát trắc địa, tính tọa độ điểm đo, lập mô hình vẽ các đường đồng mức, lập cơ sở dữ liệu địa chất và vẽ cấu trúc địa chất; Phần mềm SURFER có chức năng tiện lợi trong lập mô hình dữ liệu 2-3 chiều, vẽ hiển thị các đường đẳng trị, tính khối lượng và đặc biệt rất linh hoạt và có giao diện thân thiện với người dùng; Phần mềm ARCINFO, MAPINFO, ARCGIS là hệ quản trị thông tin địa lý GIS cho phép quản lý, phân tích, xử lý thông tin không gian và phi không gian (số liệu, tính chất, thóng kê…), lập cơ sở dữ liệu cho nhiều lớp thông tin và hiển thị linh hoạt. Chúng có thể được tích hợp và hỗ trợ số hóa xây dựng mặt cắt trong chuyển đổi đồ họa giữa các phần mềm tính toán. Các phần mềm tính toán ổn định mái dốc riêng biệt còn có GEOSLOPE của Canađa, SLIDE của Mỹ, GALENA của Australia… với nhiều phương pháp tính toán phong phú.

Trong khuôn khổ bài báo, dưới đây là trình bầy nguyên tắc, phương pháp và một số kết quả xử lý dữ liệu về xây dựng mặt cắt, hiển thị mô hình 3D, tính toán ổn định bờ mỏ với việc ứng dụng các phần mềm Surpac, GeoLynx, Mapinfo và Galena.

  1. Xây dựng mặt cắt địa chất

Các phần mềm tính toán ổn định bờ mỏ hiện nay sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn trên cơ sở hình học 2 chiều trên các mặt cắt địa chất tại khu vực có độ bền yếu nhất.

Các phần mềm Địa kỹ thuật hiện đại cho phép xây dựng mặt cắt địa chất nhanh chóng, tự động với vài thao tác. Tuy nhiên công tác chuẩn bị trước đó phải đầy đủ và chính xác. Tức là phải có được các cơ sở và công cụ như: cập nhật kết quả khảo sát thăm dò, xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất, mô hình hóa cấu trúc địa chất và tất cả được lưu giữ và truy cập thuận tiện.

– Xử lí số đo thăm dò khảo sát: Máy tính tiếp nhận các số liệu hiện trường từ  sổ đo điện tử, bàn phím, tính tọa độ, vẽ bản đồ, xây dựng các tài liệu địa chất…

– Xây dựng cơ sở dữ liệu (CSDL): Xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất quan hệ (relational geological database) là nội dung quan trọng và có ý nghĩa thiết thực. Nhập 1 lần và sử dụng nhiều lần, xây dựng từ các phần mềm tích hợp, trong đó dữ liệu sắp xếp thành các trường và bản ghi, liên kết chặt chẽ với nhau qua các bảng và trường khóa (key field). Chữ “quan hệ” (relational) ở đây thể hiện tính liên quan logic và không gian trong cơ sở dữ liệu, ví dụ như nếu có dữ liệu 1 lỗ khoan mới thì các mặt cắt qua đó sẽ tự thay đổi, không thể có lỗ khoan trùng tên nhau, hay các đoạn chiều sâu khoan trùng nhau trong 1 lỗ khoan …

– Mô hình hóa cấu trúc khoáng sàng: Đây là khâu khó khăn và quan trọng nhất trong ứng dụng tin học, bởi khối lượng tính toán lớn và tiện ích phong phú. Đồng thời đây cũng là cơ sở cho việc phát triển các ứng dụng khác như thiết kế mỏ, tính hiệu quả kinh tế… trên máy tính một cách liên hoàn và tích hợp. Mô hình hóa dữ liệu bằng máy tính điện tử là quá trình biến đổi từ tập hợp mẫu rời rạc thành một tập hợp giá trị bằng số liên tục. Mảng  giá trị số này (array of values) có thể hiển thị bằng hình ảnh, bản đồ, mặt cắt [3].

Trên cơ sở xây dựng mô hình cấu trúc, phần mềm cho phép lập các mặt cắt bất kỳ theo giới hạn và phương vị yêu cầu. Ví dụ được minh họa trong trường hợp mỏ Đèo Nai, khi đã đầy đủ CSDL với  các lỗ khoan thăm dò (hình 3), thông số địa kỹ thuật, mô hình địa hình, biên giới kết thúc, vỉa than, đứt gẫy… Mặt cắt địa chất được xây dựng đơn giản bằng cách kẻ 1 nét tuyến trên bản đồ và khai báo các thông số cần hiển thị:

Thực hiện lệnh vẽ mặt cắt địa chất “COMPUTE > CROSS SECTION” và chọn tuyến bất kỳ (ví dụ tuyến Eb ngoài cùng bên trái, hình 4), chọn phạm vi ảnh hưởng, mầu sắc, góc dốc và hiển thị trên đó các thông số, lỗ khoan như độ sâu trụ lớp đá, độ tro mẫu than, phân bố các vỉa than, địa hình và đứt gẫy kiến tạo…(hình 5). Sản phẩm nhận được là mặt cắt tuyến Eb sau một số biên tập tiếng Việt như trên hình 6 với các cấu trúc đứt gẫy kiến tạo, vỉa than, địa hình các năm, Kết thúc Pa2 và Kết thúc khai thác Vỉa Dầy (Khác với các mặt cắt truyền thống, trên mặt cắt do máy tính lập ra ban đầu các lớp đất đá chỉ thể hiện là nằm ngang như trục lỗ khoan).

Hình 3. Địa hình 3D bờ mỏ Đèo Nai cùng các lỗ khoan thăm dò [2].

Hình 4. Lập tuyến mặt cắt trên địa hình bờ mỏ Đèo Nai với các lỗ khoan [2].

Hình 5. Đưa thông tin cần thiết vào mặt cắt (địa hình, đứt gẫy, vỉa than, lỗ khoan…).

Hình 6. Kết quả xây dựng mặt cắt địa chất bờ mỏ (Tuyến Eb, Đèo Nai)[2].

Trên mặt cắt trong ví dụ này tiến hành phân tích ổn định bờ công tác theo 3 giai đoạn: 1 là thời gian hiện trạng năm 1988 với khối trượt lớn xuất hiện, 2 là Kết thúc theo Phương án 2 (Pa2, độ sâu 75 m), 3 là Kết thúc khai thác Vỉa Dầy (độ sâu -285 m).

  1. Tính toán ổn định bờ mỏ

Các phần mềm Geoslope, Slide, Galena hay Rockwork… là các phần mềm chuyên nghiệp  phân tích tính toán ổn định mái dốc đáp ứng yêu cầu của nhiều chuyên gia Địa kỹ thuật, trong đó Geoslope có nhiều chức năng phong phú, kể cả phương pháp Phần tử hữu hạn. Slide sử dụng dễ dàng, Galena thuận tiện xây dựng mô hình đất đá bất đồng nhất… Các bước thực hiện chính khi xây dựng mô hình tính toán bao gồm:

Hình 7. Giao diện và các bước thực hiện lập mô hình, tính toán ổn định bờ mỏ [5].

–  Khai báo giới hạn tọa độ mô hình mặt cắt (Axis Limits): Phụ thuộc vào quy mô độ lớn của mặt cắt mà xác định tọa độ XY phù hợp. Đối với mặt cắt Eb như trên thì chọn 1500 và 2000 m.

– Khai báo tên dự án (Project Title), ví dụ “On dinh Bo mo”, tên nội dung tính toán (Analysis Title), ví dụ “Eb tk” (bờ mỏ thiết kế kết thúc tại -285 m) – xem hình 7, 9, 10.

– Xác định tính chất cơ lý đá và địa chất thủy văn (Materrial and Water Properties): Bao gồm Lực dính kết C (Cohesion), Góc ma sát trong (Phi), Trọng lượng thể tích (Weight), Chỉ số Đàn hồi (P.I), Hệ số Ru… Mục Description có thể mô tả các đới địa chất liên quan đến tính chất cơ lý của chúng, ví dụ như đới đứt gẫy Anfa, đứt gẫy A4, lớp than, đất đá chung (Rock general)… Nên chọn hệ đơn vị đo lường quốc tế SI thống nhất (chiều dài là mét, góc là độ, lực tính là kPa – kiloPascal), dù hệ đo lường của Mỹ, Anh (inch, radiant…) cũng chấp nhận (hình 8, 9, 10).

Hình 8. Khai báo các chỉ tiêu độ bền cơ lý đá (Tuyến Eb).

– Xác định cấu trúc đất đá (Material Profile): Nhập các cấu trúc địa chất như các đứt gẫy, lớp đá khác nhau từ mặt cắt hình 6. Có thể sử dụng chức năng chuyển đổi file đồ họa (Graphic Interchange) để xuất và nhập đồ họa, hoặc trích điểm tọa độ các bề mặt cần thiết.

– Xác định bề mặt địa hình (Slope Surface): Bề mặt địa hình của các phương án khác nhau (3 phương án) từ hình 6 cần được nhập vào mô hình tính toán, tuy nhiên do mặt cắt lập kéo dài cho cả bờ trụ và bờ vách, mà phần mềm chỉ tính độ ổn định cho từng bờ nên cần nhập từng đường địa hình của bờ vách, chú ý hướng mặt cắt giữa các phần mềm.

– Xác định mức nước ngầm (Phreatic Surface, Piezometric Surface): Vẽ đường đẳng áp hay bề mặt thủy tĩnh trong khối đá bờ mỏ, với các điều kiện tháo khô khác nhau.

– Xác định lực tác động (Load&Forces): Đưa giá trị vào nếu có tải trọng của đường ôtô, nhà xưởng, động đất… tác động lên bờ mỏ.

– Xác định mặt trượt tiềm năng (Failure Surface): Dựa vào cấu trúc địa chất xác định mặt trượt tiềm năng, hoặc chỉ định để phần mềm xác định theo các điều kiện cung trụ tròn.

– Xác định các lớp chia khối Sarma, khe nứt (Sarma Slice, Tension Crack).

– Xác định các ứng suất tương hỗ nếu có (Multiple Analysis Strain).

– Chọn phương pháp tính toán ổn định (Analysis Method): chọn một trong các phương pháp Bishop, Spencer-Wright hoặc Sarma cho các dạng mặt trượt khác nhau.

– Tính ngược tìm các thông số cơ lý đá như C, Phi (Back Analysis): Sử dụng lệnh này trong trường hợp tính ngược xác định tính chất cơ lý đá trong trạng thái cân bằng giới hạn.

– Chọn cửa sổ thể hiện khi lưu hình vẽ (Image Windows).

– Ghi chú biên tập (Anotation): Biên tập, soạn thảo các ghi chú cần thiết.

– Thực hiện các tính toán mới (New Analysis): Chỉ định các nội dung tính toán mới, hoặc có thay đổi khai báo.

– Thông báo hoàn thiện lập mô hình (Model Definition Complete): Kết thúc phần lập mô hình tính toán.

– Thực hiện tính toán (Proccess): Tính toán xác định hệ số ổn định n.

– Hiển thị kết quả (Result): Xem kết quả tính toán tổng hợp hoặc chi tiết (hình 9, 10).

Hình 9. Kết quả tính ổn định bờ tây bắc Đèo Nai, tuyến Eb, Kêt thúc mức –285m.

Hình 10. Kết quả tính ổn định bờ tây bắc Đèo Nai, tuyến Eb mức 75m và 150 m.

Kết quả tính toán cho thấy bờ mỏ thiết kế Kết thúc khai thác vỉa Dầy mức -285 m không ổn định (n = 0,97),  bờ mỏ thiết kế Kết thúc khai thác vỉa G mức 75 m ổn định (n = 1,38), và bờ mỏ hiện trạng mức 150 m biến dạng ở mức độ cân bằng giới hạn (n = 1).

Kết quả trên đây chỉ là một trong số rất nhiều phép chọn tính toán khác nhau nhưng có giá trị ổn định bé nhất. Đây chính là tính ưu viêt của công nghệ thông tin khi dễ dàng thay đổi các lựa chọn và phân tích kết quả. Trên cơ sở đó tiếp tục điều chỉnh thiết kế hình dạng và các biện pháp đảm bảo ổn định bờ mỏ tối ưu.

PGS.TS. Kiều Kim Trúc

Để lại một trả lời

Địa chỉ email của bạn sẽ không được công bố.