Tài liệu Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở việt nam

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và các kết quả nghiên cứu chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Quốc Long LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép tác giả được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. NGƯT Võ Chí Mỹ và GVC.TS. Vương Trọng Kha, là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn về khoa học và luôn động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp trong khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, khoa Mỏ Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Đặc biệt là sự giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi của các thầy, cô giáo trong Bộ môn Trắc địa mỏ. Tác giả xin gửi lời cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Quang Minh đã tận tình giúp đỡ nghiên cứu sinh để hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Ban Khoa học, Công nghệ thông tin và Chiến lược phát triển (Vinacomin), Ban Giám đốc, các Phòng kỹ thuật, Trắc địa, Địa chất của Công ty Cổ phần than Mông Dương, Công ty Than Thống Nhất, Viện Khoa học và Công nghệ mỏ, Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư mỏ và Công nghiệp đã tạo điều kiện cho tác giả tiếp cận nguồn tư liệu, số liệu để có thể hoàn thành luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2019 Tác giả luận án i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC ....................................................................................... I DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... IV DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. VII MỞ ĐẦU .......................................................................................1 Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò ...............................................................................7 1.1. Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò................................ 7 1.1.1. Bản chất bài toán dịch chuyển đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò ..... 7 1.1.2. Bồn dịch chuyển ...................................................................................... 7 1.1.3. Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển .................................... 10 1.1.4. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng............................................... 11 1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt...................... 11 1.2. Tổng quan về các công trình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng bề mặt mỏ . 16 1.2.1. Phân nhóm các phương pháp dự báo dịch chuyển, biến dạng mỏ ........ 16 1.2.2. Các kết quả nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới ...................................... 20 1.2.3. Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................... 26 1.3. Nhận xét chương 1 ........................................................................................... 30 Chương 2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh ............................................................ 32 2.1. Đặc điểm địa chất-mỏ bể than Quảng Ninh ..................................................... 32 2.1.1. Đặc điểm tính chất cơ lý đất đá ............................................................. 32 2.1.2. Đặc điểm cấu tạo vỉa than ..................................................................... 34 2.1.3. Đặc điểm công nghệ khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh ..................... 38 2.1.4. Đặc điểm các lò chợ .............................................................................. 40 2.2. Đặc điểm dữ liệu quan trắc dịch chuyển biến dạng ......................................... 40 ii 2.3. Lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp với điều kiện khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam ................................................................................................................... 42 2.3.1. Tiêu chuẩn lựa chọn phương pháp dự báo ............................................ 42 2.3.2. Phân tích lựa chọn phương pháp dự báo phù hợp ................................. 42 2.4. Nhận xét chương 2 ........................................................................................... 45 Chương 3. Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam ................................................................................... 46 3.1. Bồn dịch chuyển trong trường hợp khai thác vỉa dốc ...................................... 46 3.2. Mô hình dự báo dịch chuyển đứng cho vỉa nghiêng ........................................ 47 3.3. Triển khai mô hình dự báo Asadi vào thực tiễn Việt nam ............................... 49 3.3.1. Xác định dịch chuyển đứng cực đại ...................................................... 49 3.3.2. Xác định góc biên .................................................................................. 50 3.3.3. Xác định góc lún cực đại ....................................................................... 52 3.3.4. Bán bồn dịch chuyển ............................................................................. 53 3.3.5. Xác định các hệ số f, g, p, q từ số liệu quan trắc ................................... 53 3.3.6. Đánh giá độ chính xác kết quả dự báo .................................................. 56 3.4. Xây dựng chương trình xác định các hệ số của mô hình ................................. 57 3.5. Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng do khai thác than hầm lò tại Quảng Ninh, Việt Nam ............................................................................................. 58 3.5.1. Khu vực nghiên cứu 1 (mỏ Thống Nhất) .............................................. 58 3.5.2. Khu vực nghiên cứu 2 (mỏ Mông Dương) ............................................ 62 3.5.3. Xây dựng mô hình dự báo dịch chuyển đứng trên cơ sở dữ liệu quan trắc và điều kiện địa chất - khai thác của mỏ Thống Nhất ............................... 66 3.5.4. Áp dụng mô hình dự báo trong điều kiện mỏ than Mông Dương ......... 75 3.6. Nhận xét chương 3 ........................................................................................... 88 Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ theo thời gian ......................................................... 89 4.1. Lý do sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo .............................................................. 89 4.2. Thông tin cơ bản về mạng nơ-ron nhân tạo ..................................................... 89 4.2.1. Nơ-ron sinh học ..................................................................................... 89 4.2.2. Nơ-ron nhân tạo ..................................................................................... 90 iii 4.2.3. Hàm xử lý .............................................................................................. 92 4.2.4. Mô hình mạng nơ-ron ............................................................................ 93 4.2.5. Huấn luyện mạng ................................................................................... 94 4.3. Mạng nơ-ron truyền thẳng nhiều lớp................................................................ 95 4.4. Thuật toán lan truyền ngược (Back-Propagation) ............................................ 97 4.5. Lựa chọn các yếu tố đầu vào cho mạng nơ-ron trong dự báo dịch chuyển đứng bề mặt theo thời gian ................................................................................................. 98 4.6. Dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian bằng mạng nơ-ron nhân tạo .......... 100 4.6.1. Lựa chọn cấu hình mạng ..................................................................... 100 4.6.2. Huấn luyện mạng ................................................................................. 102 4.6.3. Kết quả dự báo và đánh giá độ chính xác ............................................ 108 4.7. Nhận xét chương 4 ......................................................................................... 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................138 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH ...................................................................................140 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................143 PHỤ LỤC ...................................................................................152 iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN Artificial Neutral Network - Mạng nơ-ron nhân tạo BP Back-Propagation - Thuật toán lan truyền ngược DCBD Dịch chuyển biến dạng DT Dynamic Trough - Bồn động DCĐ Dịch chuyển đứng (độ lún) ĐTM Đánh giá tác động môi trường FA Feedback architecture - Cấu trúc phản hồi, mạng phản hồi FC Feedback connections - Kết nối ngược FW Feed-forward - Truyền thẳng, mạng truyền thẳng KHCNM Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (Vinacomin) LMS Least mean square - Nguyên lý bình phương tối thiểu MAE Mean Absolute Error - Sai số tuyệt đối trung bình MSE Mean Square Error - Sai số trung bình MFN Multilayer Feedforward Networks - Mạng truyền thẳng đa lớp RMS Root Mean Square Error - Sai số trung phương ST Static Trough - Bồn tĩnh SW Synaptic weight - Trọng số liên kết TNMT Tài nguyên và Môi trường TDKT Thăm dò khai thác. VINACOMIN Tập đoàn công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam VNIMI Viện nghiên cứu Trắc địa mỏ và Địa cơ mỏ Liên bang (Nga) v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Hàm độ lún mẫu chuẩn ........................................................................................ 29 Bảng 2.1. Tổng hợp tính chất cơ lý đá một số mỏ hầm lò ................................................... 33 Bảng 2.2. Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Nam Mẫu .......................................... 35 Bảng 2.3. Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Hà Lầm.............................................. 36 Bảng 2.4. Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Mông Dương ..................................... 36 Bảng 2.5. Bảng tổng hợp đặc điểm các vỉa than mỏ Thống Nhất ....................................... 36 Bảng 2.6. Đặc điểm của các lò chợ khai thác ...................................................................... 40 Bảng 2.7: Đặc điểm tuyến quan trắc mỏ .............................................................................. 41 Bảng 3.1 Phân loại nhóm mỏ theo độ cứng đất đá .............................................................. 51 Bảng 3.2 Góc biên theo hướng đường phương và hướng ngược dốc .................................. 52 Bảng 3.3 Góc biên theo hướng xuôi dốc ............................................................................. 52 Bảng 3.4 Xác định hệ số K1 ................................................................................................. 52 Bảng 3.5. Số liệu quan trắc tuyến D mỏ Thống Nhất .......................................................... 59 Bảng 3.6. Số liệu quan trắc tuyến P mỏ Thống Nhất........................................................... 60 Bảng 3.7. Số liệu quan trắc tuyến D mỏ Mông Dương ....................................................... 63 Bảng 3.8. Số liệu quan trắc tuyến P mỏ Mông Dương ........................................................ 64 Bảng 3.9. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác....................................................... 66 Bảng 3.10. Các hệ số mô hình dự báo lún theo hướng dốc vỉa ........................................... 66 Bảng 3.11. Đánh giá độ chính xác giữa kết quả quan trắc và dự báo .................................. 67 Bảng 3.12. Độ chính xác dự báo .......................................................................................... 68 Bảng 3.13. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác..................................................... 71 Bảng 3.14. Các hệ số mô hình dự báo ................................................................................. 71 Bảng 3.15. Độ chính xác của mô hình dự báo ..................................................................... 72 Bảng 3.16. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất ..................... 73 vi Bảng 3.17. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến D mỏ Mông Dương .......... 75 Bảng 3.18. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương .................. 76 Bảng 3.19. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) ....................................................................................................................... 78 Bảng 3.20. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp KHCNM) .................................................................................................................... 79 Bảng 3.21. Các tham số dịch động - địa chất - khai thác tuyến P mỏ Mông Dương........... 82 Bảng 3.22. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương .................. 82 Bảng 3.23. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) ................................................................................................................................ 84 Bảng 3.24. Kết quả dự báo và độ chính xác dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp Viện KHCNM) .................................................................................................................... 86 Bảng 4.1. Khả năng biểu diễn của mạng có số lớp ẩn khác nhau ...................................... 100 Bảng 4.2. Số liệu tập huấn mạng và kiểm tra kết quả dự báo ............................................ 103 Bảng 4.3. So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 1 ................... 108 Bảng 4.4. So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 2 ................... 111 Bảng 4.5. So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 3 ................... 114 Bảng 4.6. So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 4 ................... 120 Bảng 4.7. So sánh kết quả dự báo bởi mạng nơ-ron và thực tế trường hợp 5 ................... 128 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bồn dịch chuyển do khai thác hầm lò ................................................................... 8 Hình 1.2. Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển ......................................................... 9 Hình 1.3. Các thông số chính của bồn dịch chuyển ............................................................ 10 Hình 1.4. Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất ......................................... 11 Hình 1.5. Sự phân bố biến dạng khi khai thác vỉa có độ dốc khác nhau ............................ 12 Hình 1.6. Mối quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng ................................... 13 Hình 1.7. Ảnh hưởng của chiều rộng lò chợ đối với đại lượng dịch chuyển đứng ............... 14 Hình 1.8. Quan hệ giữa dịch chuyển đứng trên bề mặt và tiến độ khai thác ....................... 15 Hình 1.9. Các giai đoạn của quá trình dịch chuyển đứng theo thời gian ............................ 16 Hình 1.10. Hàm mặt cắt dịch chuyển đứng cơ bản ............................................................. 17 Hình 1.11. Mô hình vật lý làm từ cát khô ........................................................................... 18 Hình 2.1. Đặc điểm độ dốc một số vỉa than mỏ Mông Dương ........................................... 35 Hình 2.2. Biểu đồ phân bố trữ lượng các dự án mỏ hầm lò ................................................ 38 Hình 2.3. Hệ thống khai thác cột dài theo phương .............................................................. 39 Hình 2.4. Công nghệ chống giữ bằng cột thủy lực đơn ....................................................... 39 Hình 2.5. Tuyến quan trắc V2 chu kỳ 4 tại mỏ than Mạo Khê ........................................... 42 Hình 3.1. Bồn dịch chuyển trường hợp khai thác vỉa bằng ................................................. 46 Hình 3.2. Độ lệch tâm bồn dịch chuyển khi khai thác vỉa nghiêng .................................... 47 Hình 3.3. Các tham số của mô hình dự báo dịch chuyển .................................................... 48 Hình 3.4. Sơ đồ thuật giải tính hệ số của mô hình dự báo ................................................... 57 Hình 3.5. Chương trình tính các hệ số của mô hình dự báo ................................................ 58 Hình 3.6. Mặt cắt tuyến quan trắc D mỏ Thống Nhất ......................................................... 60 Hình 3.7. Mặt cắt tuyến quan trắc P mỏ Thống Nhất .......................................................... 61 Hình 3.8. Mặt cắt tuyến quan trắc D mỏ Mông Dương ....................................................... 64 viii Hình 3.9. Mặt cắt tuyến quan trắc P mỏ Mông Dương........................................................ 65 Hình 3.10. Biểu đồ so sánh đánh giá độ chính xác hệ số mô hình dự báo tuyến D............. 68 Hình 3.11. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo của tuyến D mỏ Thống Nhất ......... 69 Hình 3.12. Tương quan giữa kết quả quan trắc và dự báo của tuyến D mỏ Thống Nhất ......... 70 Hình 3.13. Biểu đồ so sánh đường cong lún đánh giá độ chính xác hệ số mô hình dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất ....................................................................................................... 72 Hình 3.14. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất................. 74 Hình 3.15. Tương quan giữa độ lún quan trắc và dự báo tuyến P mỏ Thống Nhất ............. 74 Hình 3.16. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương ............. 77 Hình 3.17. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) ....................................................................................................................... 79 Hình 3.18. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến D mỏ Mông Dương (phương pháp KHCNM) .................................................................................................................... 81 Hình 3.19. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Mông Dương .............. 83 Hình 3.20. So sánh đường cong lún thực tế và dự báo tuyến P mỏ Mông Dương (phương pháp VNIMI) ....................................................................................................................... 85 Hình 3.21. So sánh đường cong dịch chuyển đứng thực tế và kết quả dự báo tính từ phương pháp KHCNM ...................................................................................................................... 87 Hình 4.1. Mô hình Nơ-ron sinh học ..................................................................................... 90 Hình 4.2. Nơ-ron nhân tạo ................................................................................................... 91 Hình 4.3. Đồ thị hàm Sigmoid ............................................................................................. 93 Hình 4.4. Kiến trúc mạng nơ-ron truyền thẳng .................................................................... 94 Hình 4.5. Kiến trúc mạng nơ-ron phản hồi .......................................................................... 94 Hình 4.6. Quy tình huấn luyện mạng có giám sát................................................................ 95 Hình 4.7: Mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp tổng quát ........................................................ 96 Hình 4.8. Các yếu số đầu vào của mạng nơ-ron .................................................................. 99 Hình 4.9. Mô hình mạng nơ-ron trong dự báo dịch chuyển đứng theo thời gian .............. 102 ix Hình 4.10: Định dạng tệp huấn luyện mạng ...................................................................... 106 Hình 4.11. Đường cong lỗi huấn luyện mạng .................................................................... 106 Hình 4.12. Biểu đồ sai số huấn luyện mạng ...................................................................... 107 Hình 4.13. Biểu đồ tương quan huấn luyện mạng ............................................................. 107 Hình 4.14. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 1) ................... 110 Hình 4.15. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 1)...................... 110 Hình 4.16. So sánh đường cong lún dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 2) ............. 112 Hình 4.17. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 2)...................... 113 Hình 4.18. So sánh đường cong lún dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 2) ............. 113 Hình 4.19. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 2)...................... 114 Hình 4.20. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 3) ................... 117 Hình 4.21. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 3)...................... 118 Hình 4.22. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 3) ................... 118 Hình 4.23. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 3)...................... 119 Hình 4.24. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 3) ................... 119 Hình 4.25. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 3)...................... 120 Hình 4.26. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 9 (trường hợp 4) ..................... 124 Hình 4.27. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 9 (trường hợp 4)........................ 124 Hình 4.28. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 4) ................... 125 Hình 4.29. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 4)...................... 125 Hình 4.30. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 4) ................... 126 Hình 4.31. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 4)...................... 126 Hình 4.32. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 4) ................... 127 Hình 4.33. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 4)...................... 127 Hình 4.34. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 8 (trường hợp 5) ..................... 132 x Hình 4.35. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 8 (trường hợp 5)........................ 132 Hình 4.36. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 9 (trường hợp 5) ..................... 133 Hình 4.37. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 9 (trường hợp 5)........................ 133 Hình 4.38. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 5) ................... 134 Hình 4.39. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 10 (trường hợp 5)...................... 134 Hình 4.40. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 5) ................... 135 Hình 4.41. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 11 (trường hợp 5)...................... 135 Hình 4.42. So sánh đường cong dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 5) ................... 136 Hình 4.43. Tương quan giá trị dự báo và thực tế chu kỳ 12 (trường hợp 5)...................... 136 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Kết quả của công tác khai thác khoáng sản bằng phương pháp hầm lò là lấy đi một khối lượng lớn đất đá và khoáng sản ra khỏi lòng đất, tạo ra các khoảng trống lớn làm mất trạng thái cân bằng ứng suất nguyên thủy trong lòng đất. Dưới tác động của trọng lực, đất đá phía trên có xu hướng chuyển dịch lấp đầy khoảng trống để tạo lập trạng thái cân bằng mới. Quá trình dịch chuyển lan truyền từ vách qua các lớp đất đá lên đến bề mặt đất gây ra sự biến dạng khối đá và bề mặt địa hình [14, 59, 73] là mối đe dọa nguy hiểm đối với các công trình nằm trong địa tầng đất đá bao quanh khoảng trống khai thác và các công trình tự nhiên, nhân tạo trên bề mặt đất. Đặc biệt, khi khai thác tiến hành dưới các đối tượng chứa nước tự nhiên và nhân tạo, có thể gây ra sự cố bục nước nghiêm trọng làm đình trệ sản xuất, gây thiệt hại về tài sản và nguy hiểm đến tính mạng con người. Trên thế giới, ngay từ đầu thế kỷ 18, tại một số nước Châu Âu như Đức, Bỉ, Pháp, ... việc khai thác than hầm lò đã gây ra những tác động tiêu cực tới môi trường tự nhiên và các công trình trong lòng đất cũng như trên bề mặt, gây nhiều tổn thất nặng nề về người và của cải [74]. Tại Việt Nam, những thiệt hại do dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ đã xảy ra khá phổ biến trong quá khứ cũng như hiện tại. Dưới đấy là một số ví dụ điển hình: - Ở mỏ Mạo Khê trạm quạt ở mức 142 m bị hỏng, phải sửa chữa nhiều lần rất tốn kém, bị bục nước vào lò vỉa 9 qua giếng khoan VIa, lò xuyên vỉa 56 bị biến dạng, bục cát và nước vào lò qua phay A (năm 1995) gây tai nạn chết người; - Mỏ Mông Dương có khu trung tâm vỉa G9 bị bục nước từ lò khai thác cũ với lưu lượng có lúc 200m3/giờ, dịch chuyển đất đá mỏ làm nghiêng cột điện cao thế 110 Kv, gây biến dạng giếng đứng, nứt tường nhà dân [64]; - Hiện tượng sụt lún gây xuống cấp nghiêm trọng đường ô tô lên mỏ Đèo Nai [21]; - Dịch chuyển bề mặt làm hư hại hệ thống đường ray ở khu vực Công ty Than Dương Huy; Mỏ Tây Khe Sim bị bục nước vào tháng 8 năm 2008, ... Cùng với việc gia tăng quy mô và sản lượng khai thác, hậu quả của quá trình 2 dịch chuyển biến dạng mỏ tác động ngày càng lớn với phạm vi rộng hơn, tần suất thường xuyên hơn và theo đó mức độ thiệt hại về người và của cũng lớn hơn. Theo Quyết định 403/QĐ-TTg về việc phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển ngành than Việt Nam đến năm 2020 xét đến năm 2030 [28], các phương pháp khai thác hầm lò ngày càng chiếm ưu thế cả về số lượng mỏ và sản lượng. Bể than Đồng bằng Sông Hồng đang bước vào giai đoạn nghiên cứu khai thác thử nghiệm [15], theo dự báo, sẽ được đưa vào kế hoạch khai thác trong tương lai gần [4]. Dù công nghệ khai thác bể than Đồng Bằng Sông Hồng bằng các phương pháp nào thì ảnh hưởng của nó đối với quá trình sụt lún bề mặt sẽ xảy ra và kèm theo đó là những tác động tiêu cực tới hiện trạng bề mặt. Do vậy, nhu cầu dự báo quy luật sụt lún bề mặt nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu các tác động tiêu cực chắc chắn đã, đang và sẽ là vấn đề rất cấp thiết. Quy luật, đặc điểm và cường độ dịch chuyển, biến dạng bề mặt được đặc trưng bởi các các đại lượng, bao gồm: dịch chuyển đứng (lún), dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng, độ cong địa hình. Các đại lượng này là các chỉ số thể hiện mức độ dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt trong các điều kiện kỹ thuật và công nghệ khai thác khác nhau. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng trên có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác nhau như quan trắc thực địa, nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc trên các mô hình toán học, vật lý và địa cơ học. Quy luật, cường độ và quá trình dịch chuyển đất đá và bề mặt chịu sự chi phối của đặc điểm địa hình, địa chất, thế nằm và tính chất cơ lý của các lớp địa tầng và công nghệ khai thác khoáng sản. Do đó, đối với từng vùng mỏ khác nhau, hoặc từng khu vực của một mỏ, cần xây dựng các phương pháp dự báo thích hợp, qua đó cho phép xác định sớm các quy luật, đặc điểm định tính và định lượng của các đại lượng biến dạng làm cơ sở cho việc lựa chọn các phương pháp công nghệ và kỹ thuật khai thác phù hợp, các phương pháp xây dựng, gia cố công trình bề mặt thích ứng, … nhằm mục đích ngăn ngừa và giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của quá trình khai thác mỏ đối với các công trình. Bên cạnh đó, các kết quả dự báo sớm trị số các đại lượng dịch chuyển, biến dạng theo thời gian sẽ góp phần nâng cao độ tin cậy các kết quả đánh giá tác động 3 môi trường (ĐTM) của các dự án khai thác mỏ, chương trình cải tạo, phục hồi môi trường sau khai thác mỏ. Hiện nay, đã có nhiều phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ khác nhau, có thể phân chia thành 6 nhóm chính bao gồm: nhóm phương pháp hàm ảnh hưởng, nhóm phương pháp hàm mặt cắt, nhóm phương pháp quan hệ thực nghiệm, nhóm phương pháp mô hình vật lý, nhóm phương pháp mô hình giải tích và nhóm phương pháp dự báo theo thời gian. Mỗi phương pháp đều có ưu, nhược điểm và điều kiện ứng dụng thích hợp. Tuy nhiên, do điều kiện địa chấtkhai thác ở các mỏ luôn khác nhau nên vẫn chưa có phương pháp dự báo nào toàn năng thích ứng cho mọi trường hợp. Khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam có những đặc điểm riêng về điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá, độ sâu khai thác, điều kiện thành phần thế nằm của vỉa, công nghệ khai thác, phương pháp điều khiển áp lực, ... Bên cạnh đó, dữ liệu quan trắc không đầy đủ về số lượng, không đồng bộ về công nghệ quan trắc và lưu trữ rời rạc. Do đó, cần có một nghiên cứu lựa chọn và hoàn thiện phương pháp phù hợp để dự báo quy luật và đặc tính dịch chuyển, biến dạng bề mặt trong bối cảnh các điều kiện địa chất- khai thác cụ thể của Việt Nam. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác, công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo cũng đã có những bước tiến lớn được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tiếp cận và ứng dụng các loại hình công nghệ mới này trong công tác dự báo biến dạng bề mặt mỏ là hướng nghiên cứu nhằm đóng góp cơ sở khoa học và phương pháp luận cho ngành khai thác mỏ Việt Nam hiệu quả và an toàn. Xuất phát từ các luận giải trên đây, đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên cứu phương pháp dự báo các đại lượng dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt phù hợp với điều kiện khai thác hầm lò ở Việt Nam” được lựa chọn là xuất phát từ nhu cầu thực tế, đáp ứng yêu cầu thực tiễn sản xuất của ngành khai thác mỏ Việt Nam. 2. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu áp dụng cách tiếp cận mới tại Việt Nam trong dự báo dịch chuyển đứng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò phù hợp với điều kiện thực tế 4 tại Quảng Ninh, phục vụ quá trình khai thác mỏ hầm lò an toàn, hiệu quả và bền vững. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu của đề tài, luận án đã tiến hành thực hiện các nội dung chính sau đây: - Nghiên cứu tổng quan, khảo sát đánh giá các phương pháp nghiên cứu dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng trên thế giới và ở Việt Nam. - Tổng hợp và phân tích các đặc điểm điều kiện địa chất, tính chất cơ lý đất đá, công nghệ khai thác, … trong điều kiện khai thác mỏ hầm lò ở Việt Nam. - Lựa chọn mô hình dự báo và xác định các hệ số cho mô hình phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam. - Ứng dụng công nghệ nơ-ron nhân tạo trong tính toán xây dựng mô hình dự báo các đại lượng dịch chuyển biến dạng theo thời gian. - Thực nghiệm kiểm chứng mô hình dự báo đã lựa chọn để xác định các đại lượng dịch chuyển, biến dạng ở mỏ than hầm lò Việt Nam. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4.1. Đối tượng nghiên cứu Luận án tập trung trọng tâm nghiên cứu và góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo dịch chuyển đứng bề mặt do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò nói chung và trong điều kiện địa chất-khai thác ở Việt Nam nói riêng. Khái niệm “dự báo” ở đây được hiểu hoặc là dự báo theo thời gian - sử dụng dữ liệu quan trắc hiện tại để dự báo tình trạng sẽ xảy ra trong tương lai, hay dự báo theo không gian - dựa trên hiện trạng quan trắc được tại một khu vực để dự báo dịch chuyển xảy ra tại khu vực khác chưa có dữ liệu quan trắc, hoặc là cả hai. Trong 5 đại lượng biến dạng bao gồm: dịch chuyển đứng, dịch chuyển ngang, biến dạng ngang, độ nghiêng và độ cong địa hình đã có 2 đại lượng thứ cấp được gián tiếp tính ra từ đại lượng dịch chuyển đứng (lún). Vì vậy, luận án sẽ tập trung nghiên cứu đối tượng chính là đại lượng dịch chuyển đứng trên hai mặt cắt chính của bồn dịch chuyển được tạo thành trên khoảng trống khai thác. 4.2. Phạm vi nghiên cứu Ở Việt Nam, phương pháp khai thác hầm lò chủ yếu được tiến hành với các mỏ 5 than, do đó, phạm vi không gian của luận án được giới hạn trong một số mỏ than hầm lò thuộc bể than Quảng Ninh. 5. Phương pháp nghiên cứu Các nội dung của luận án đã được nghiên cứu bằng các phương pháp sau đây: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết; - Phương pháp phân tích thống kê; - Phương pháp so sánh; - Phương pháp nơ-ron nhân tạo; - Phương pháp thực nghiệm. 6. Những điểm mới của luận án - Đã xác lập cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện mô hình dự báo dịch chuyển trên mặt cắt chính của bồn dịch chuyển thiết lập theo kết quả quan trắc, cho phép tính toán dự báo dịch chuyển đứng sát với điều kiện khai thác mỏ của Việt Nam. - Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu ứng dụng thành công lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo trong công tác dự báo dịch chuyển biến dạng bề mặt do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò theo thời gian. 7. Các luận điểm Luận điểm 1: Trong trường hợp vỉa dốc, mô hình Asadi với các hệ số f, g, p, q tính từ số liệu quan trắc cho phép dự báo đại lượng dịch chuyển đứng bề mặt tại các khu vực khai thác có điều kiện tương tự. Luận điểm 2: Mạng nơ-ron nhân tạo truyền thẳng một lớp ẩn áp dụng phương pháp huấn luyện có giám sát và thuật toán lan truyền ngược cho phép dự báo chính xác đại lượng dịch chuyển đứng theo thời gian khi số lượng dữ liệu quan trắc 8 chu kỳ. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a. Ý nghĩa khoa học - Đã xác lập được cơ sở khoa học góp phần hoàn thiện phương pháp dự báo đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt mỏ do ảnh hưởng của khai thác hầm lò khi khai thác vỉa dốc - là thế nằm phổ biến của các vỉa than Việt Nam. - Lần đầu tiên ở Việt Nam, đã nghiên cứu thành công ứng dụng mạng nơ-ron 6 nhân tạo trong dự báo các đại lượng dịch chuyển và biến dạng đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian. b. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong công tác dự báo các đại lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt cho các mỏ mới đang lập dự án kinh tế - kỹ thuật khai thác hoặc các khu vực mở rộng khai thác của các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh. 9. Cơ sở tài liệu - Dữ liệu về điều kiện địa chất, địa cơ mỏ một số mỏ than hầm lò tại Quảng Ninh. - Số liệu quan trắc dịch chuyển đứng, sơ đồ bố trí các tuyến quan trắc tại các mỏ hầm lò trên bể than Quảng Ninh. - Các kết quả nghiên cứu xác định các đại lượng dịch chuyển biến dạng đứng trên bề mặt ở một số mỏ than hầm lò bể than Quảng Ninh. 10. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 4 chương cùng với phần mở đầu và kết luận, tài liệu tham khảo được trình bày trong 151 trang đánh máy, có sử dụng 39 bảng, 80 hình vẽ và biểu đồ. Dưới đây là cấu trúc của luận án: Mở đầu Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của khai thác mỏ hầm lò. Chương 2. Cơ sở khoa học lựa chọn phương pháp dự báo dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ hầm lò bể than Quảng Ninh. Chương 3. Nghiên cứu mô hình Asadi dự báo dịch chuyển đứng do khai thác hầm lò vỉa dốc tại Việt Nam. Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo trong dự báo dịch chuyển đứng trên bề mặt mỏ theo thời gian. Kết luận và kiến nghị. Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS. Tài liệu tham khảo. Phục lục. 7 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO DỊCH CHUYỂN BIẾN DẠNG DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1.1. Dịch chuyển và biến dạng bề mặt mỏ do khai thác hầm lò 1.1.1. Bản chất bài toán dịch chuyển đất đá và bề mặt do khai thác hầm lò Việc đào lò chuẩn bị và khai thác khoáng sản đã tạo ra vùng trống và kích thích sự dịch chuyển đất đá theo định luật hấp dẫn [62]. Ban đầu, các lớp đá vách bị uốn võng kéo theo sự tách lớp và đổ sập xuống lấp vào không gian vùng trống. Với độ sâu khai thác nhỏ, sự uốn võng có đổ vỡ này có thể lan đến mặt đất. Khi độ sâu khai thác càng lớn, sự uốn võng của các lớp chỉ xảy ra ở một số lớp đất đá vách sau đó tách lớp rồi tạo nên vùng đổ vỡ với các khối đá chèn lấp tự nhiên khiến các lớp đá phía trên có thể tựa lên và giữ được thế ổn định. Ngoài ra, trên lò chợ xuất hiện vùng áp lực tựa lên các thành lò. Đá chèn tự nhiên và vùng áp lực tựa đã tạo nên lực cản lại ứng lực trong đất đá và làm suy yếu dần sự uốn võng với sự đổ sập các lớp đá phía trên, thay vào đó xuất hiện sự uốn võng và giữ được tính liên tục ở các lớp đất đá nằm phía trên và mặt đất. Biểu hiện tiêu biểu của ảnh hưởng khai thác hầm lò lên bề mặt là hình thành bồn dịch chuyển. 1.1.2. Bồn dịch chuyển Quá trình vận động đất đá do ảnh hưởng của khai thác hầm lò lan truyền lên mặt đất tạo ra vùng trũng liên tục trên bề mặt được gọi là bồn dịch chuyển (hình 1.1). Trong nghiên cứu các phương pháp dự báo dịch chuyển biến dạng do ảnh hưởng của quá trình khai thác mỏ hầm lò, các nhà khoa học chủ yếu tập trung cho các biến cố xảy ra trong phạm vi bồn dịch chuyển. Ranh giới của bồn dịch chuyển là đường nối các điểm có giá trị biến dạng ngang  và biến dạng đứng i không vượt quá 0,5x10-3 và có giá trị dịch chuyển đứng bằng 1520 mm [2]. Tùy thuộc vào đặc điểm địa chất kiến tạo cũng như chiều dày lớp đất bồi mà trong phạm vi bồn dịch chuyển trên mặt đất phân biệt thành các vùng khác nhau (hình 1.2). 8 Hình 1.1. Bồn dịch chuyển do khai thác hầm lò Vùng dịch chuyển nguy hiểm - vùng bề mặt đất xuất hiện biến dạng làm các công trình và các đối tượng tự nhiên ảnh hưởng nghiêm trọng, gây nguy hiểm. Ranh giới của vùng dịch chuyển nguy hiểm là đường nối các điểm có các giá trị biến dạng giới hạn sau: biến dạng đứng i = 4.10-3, độ cong k = 0,2.10-3, biến dạng ngang = 2.10-3; trong phạm vi vùng này có thể xuất hiện các vùng: sụp đổ, rạn nứt và một phần vùng uốn dẻo. Vùng sụp đổ - một phần trong bồn dịch chuyển có xuất hiện hố sụt lở, hào rãnh sâu, khe nứt, tầng bậc. Ranh giới của vùng này là đường nối các kẽ nứt có độ rộng lớn hơn 25 cm. Vùng rạn nứt - vùng có các kẽ nứt chia cắt bề mặt đất và tạo thành các kẽ nứt nhìn thấy được. Các đối tượng chứa nước nằm trong vùng sụp đổ và rạn nứt sẽ bị hư hại, gây mất nước và ngập lụt đường lò Vùng dịch chuyển dẻo, êm dịu - vùng mặt đất chuyển dịch lún xuống êm dịu, giữ được tính nguyên vẹn của các lớp đá do không có các kẽ nứt chia cắt. Vùng đáy bồn phẳng - vùng khi có độ lún đều, không có biến dạng đứng. Trên hình 1.2 là đáy bồn lõm với độ lớn dịch chuyển đứng là ηmax và có góc lún cực đại .