Dự báo mức độ dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ than Bình Minh, Khoái Châu khi khai thác ở các độ sâu khác nhau

Mỏ Bình Minh, Khoái Châu có trữ lượng than nâu lớn, đang được nghiên cứu lập các phương án khai thác. Địa hình khu vực mỏ là đồng bằng sông Hồng với nhiều công trình dân dụng và công nghiệp, có mật độ dân số cao, là vựa lúa chính của miền Bắc. Các kết quả nghiên cứu thăm dò ở các giai đoạn khác nhau cho thấy, điều kiện địa chất thuỷ văn, địa chất công trình mỏ rất phức tạp: đất đá vách và trụ vỉa mềm yếu, bao gồm các loại sét kết, bột kết, sa thạch có tính chất cơ lý thay đổi. Lượng nước chảy vào mỏ rất lớn. Quá trình khai thác mỏ Bình Minh, Khoái Châu dự kiến trong tương lai sẽ gây ra sự dịch chuyển đất đá làm biến dạng, hư hỏng các công trình tự nhiên và nhân tạo trên bề mặt có thể làm đình trệ sản xuát, tốn kém tiền của, thậm chí gây nguy hiểm tính mạng con người. Do vậy, trước khi quyết định khai thác, cần có nghiên cứu dự báo mức độ dịch chuyển và biến dạng bề mặt nhằm đảm bảo quá trình khai thác hiệu quả hợp lý và an toàn.

1. Cơ sở lý thuyết vùng tương tự D. A. Kazacovski

Bảng 1. Kết quả tính các thông số dịch chuyển và biến dạng trong đá gốc

Bảng 2. Kết quả tính các góc dịch chuyển trong tầng đệ tứ

- Đặc điểm địa chất cấu tạo - kiến tạo của mỏ;

- Các tính chất cơ lý đất đá;

- Các trị số trung bình góc dịch chuyển theo phương.

Khi cần thiết xác định các tham số dịch chuyển và biến dạng cho mỏ mới sẽ dựa vào ba dấu hiệu trên để lựa chọn nhóm mỏ và xác định các tham số góc cho mỏ mới.

2. Tính toán dự báo mức độ dịch chuyển biến dạng bề mặt khi khai thác than ở các mức khác nhau

2.1 Xác định các tham số dịch chuyển về góc

Qua tính toán, xử lý số liệu cột địa tầng ở các lỗ khoan cho thấy độ cứng trung bình của đất đá mỏ Bình Minh là f = 0,6. Mỏ Bình Minh được xếp vào nhóm II và tương tự với một số mỏ than ở vùng Potmoscovie của CHLB Nga. Do đó các thông số góc dịch chuyển của mỏ Bình Minh, Khoái Châu, Hưng Yên được tính theo các mỏ khu vực Potmoscovie.

Góc đứt tách phụ thuộc vào lớp phủ đệ tứ nhưng không lớn hơn gócd;d” =g^”= 45 ⁰;b” = (d^”– 0.5a),b^”= 45 ⁰.

2.2 Ước tính các thông số dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ

Dựa theo phương án thiết kế khai thác, quá trình ước tính sẽ tiến hành cho hai vỉa 3 và 4. Với phương pháp khai thác chèn lấp toàn phần, vật liệu chèn là cát, phương pháp chèn lò thuỷ lực thì chiều dày hiệu quả được xác định theo công thức:

m _HQ= (H _K+ h _n). (1 – B ₁) + B ₁.m                     (1)

Trong đó: h _k- Hệ số chuyển dịch vách, trụ vỉa trong vùng áp lực tựa; h _K= (0,15.m ₁); m ₁- Chiều dày vỉa, m; h _N- Hệ số chèn, được xác định theo kinh nghiệm; m - Chiều dày khấu than; m = 3 m; B ₁= 0,05 ÷ 0,15 - Hệ số co ngót vật liệu chèn được xác định bằng thực nghiệm.

Nếu chọn B ₁= 0,01 thì:

m _HQ= (0,15 x 3) . (1 – 0,01) + 0,01 x 3 = 0,475 m.

Việc ước tính các đại lượng dịch chuyển được thực hiện trên hai tuyến mặt cắt chính theo dốc là T ₀và T ₆.

Dự kiến khai thác theo thứ tự vỉa 4 trước, vỉa 3 sau; chiều dài lò chợ từ 180 đến 200 mét; để lại trụ bảo vệ giữa các lò khoảng 20 mét. Khai thác bắt đầu từ mức – 150 đến -300 với 9 lò chợ hoạt động.

2.2.1 Dự báo độ lún cực đại

Bảng 3. Xác định các hệ số N1, N2

h_max= q ₀.m _HQ.cosaco ₁.N­ ₂                  (2)

Trong đó: q ₀- Độ lún cực đại tương đối,a- góc dốc của vỉa; N _1,

Bảng 4. Giá trị các hàm chuẩn S(z); S’(z); F(z); F’(z)

2.2.2 Dự báo độ lún các điểm trong bán bồn dịch chuyển

Độ lún các điểm trong bán bồn dịch chuyển được xác định theo công thức:

h_x=h_max.s(z)

Trong đó s(z) là hàm đường cong lún chuẩn được xác định theo Bảng 4.

Tại Bảng 4: z _x= (x/l ₃) cho các điểm trên bán bồn theo phương. Z _y1= (x/l ₁) cho các điểm trên bán bồn theo hướng xuôi dốc. z _y2= (x/l ₂) cho các điểm trên bán bồn theo hướng ngược dốc. Trong đó: x - khoảng cách từ điểm lún cực đại (gốc toạ độ) đến các điểm tương ứng trong các bán bồn dịch chuyển L1, L2, L3.

2.2.3 Dự báo độ nghiêng trong bồn dịch chuyển

- Nửa bồn theo phương: i _x= (h_m/L ₃).F(z _x);

- Nửa bồn theo hướng dốc xuống: i _y1= (h_m/L ₁).F(z _y1);

- Nửa bồn theo hướng dốc lên: i _y2= (h_m/L ₂).F(z _y2);

Giá trị hàm F(z) được xác định theo Bảng 4.

2.2.4 Dự báo độ cong trong bồn dịch chuyển

- Nửa bồn theo phương: K _x= [h_m/(L ₃) ²].F ^’(z _x);

- Nửa bồn theo hướng xuôi dốc: K _y1= [h_m/(L ₁) ²].F ^’(z _y1);

- Nửa bồn theo hướng ngược dốc: K _y2= [h_m/(L ₂) ²].F ^’(z _y2);

Giá trị hàm F ^’(z) được xác định theo Bảng 4; chiều dài trung bình L _tb= 0,5 (L ₁+ L ₂).

2.2.5 Dự báo dịch chuyển ngang trong bồn dịch chuyển

- Nửa bồn theo phương:e_x= [0,5.a ₀.h_m.F(z _x)];

- Nửa bồn theo hướng dốc xuống:e_y1= [0,5.a ₀.h_m.F(z _y1)];

- Nửa bồn theo hướng dốc lên:e_y2= [0,5.a ₀.h_m.F(z _y2)];

Giá trị của hàm F(z) được xác định từ Bảng 4.

2.2.6 Dự báo biến dạng ngang (nén – kéo) trong bồn dịch chuyển

- Nửa bồn theo phương:e_x= [0,5.a ₀.(h_m/L ₃)F ^’(z _x)];

- Nửa bồn theo hướng dốc xuống:e_y1= [0,5.a ₀.(h_m/L ₁)F ^’(z _y1)];

- Nửa bồn theo hướng dốc lên:e_y2= [0,5.a ₀.(h_m/L ₂)F ^’(z _y2)];

3. Kết luận

- Khu mỏ Bình Minh có địa tầng chứa than thuộc trầm tích Neogen, có cấu tạo phân lớp, đất đá bao quanh các vỉa than rất mềm yếu. Lớp Đệ tứ có chiều dày từ 80 – 150 m, là tầng chứa nước gây trở ngại lớn khi khai thác phía dưới.

- Cơ sở khoa học phương pháp xác định sụt lún, biến dạng bề mặt được lựa chọn là lý thuyết vùng tương tự Kazacovski D. A. Thông qua phân tích địa tầng lỗ khoan khu vực mỏ Bình Minh để tính hệ số cứng đất đá và xếp chúng vào nhóm mỏ đã được nghiên cứu để xác định các thông số về góc dịch chuyển. Sử dụng đường cong chuẩn phi tỷ lệ vùng Kuzbass, để xây dựng các biểu đồ dịch chuyển.

- Kết quả ước tính dịch chuyển biến dạng đất đá theo các mức khác nhau ở hai tuyến T ₀và T ₆cho thấy: khi khai thác các vỉa 3, 4 với 9 lò chợ có chiều dài gương lò từ 180 - 200m, ở mức độ sâu khai thác trung bình từ 200 – 400 m, độ lún sẽ giảm dần theo chiều sâu khai thác, bồn dịch chuyển có đáy tương đối bằng phẳng. Trên tuyến T ₀độ lún trung bình bề mặt đạt từ 1 – 1,312 m. Ở tuyến T ₆do vỉa nằm sâu hơn nên có độ lún từ 0,5 = 0,6 m. Các giá trị biến dạng ngang có thể gây ảnh hưởng đến các công trình tự nhiên và nhân tạo trên bề mặt mỏ.

Tài liệu tham khảo

1. Vũ Văn Tiến. Kết quả khảo sát, tìm kiếm, thăm dò than đồng bằng sông Hồng vùng Bình Minh, Khoái Châu, Hưng Yên. Công ty Địa chất và khảo sát. 2003.

2. Nguyễn Đình Bé, Vương Trọng Kha. Dịch chuyển và biến dạng đất đá trong khai thác mỏ, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 2000.