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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN QUỐC LONG
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

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số: 9520503
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1.GS.TS. VÕ CHÍ MỸ
2. GVC.TS. VƯƠNG TRỌNG KHA

Hà Nội - 2019


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 .


9

Hình 1.2. Các vùng ảnh hường trong bồn dịch chuyển
Hình dạng của bồn dịch chuyển, giá trị cường độ dịch chuyển và biến dạng trong
bồn, đơn cử như giá trị dịch chuyển đứng η, phụ thuộc chủ yếu vào kích thước khoảng
trống khai thác. Diện tích khai thác càng lớn thì những giá trị này càng tăng. Tuy
nhiên, khi kích thước khai thác tăng đến một giá trị nhất định nào đó thì các giá trị
dịch chuyển và biến dạng bề mặt đất không tăng lên nữa. Thời điểm khai thác đạt đến
mức độ này được gọi là khai thác hoàn toàn. Ở thời điểm này, đáy bồn dịch chuyển
trên bề mặt đất xuất hiện dịch chuyển đứng đạt giá trị lớn nhất và sau đó không tăng
lên nữa khi kích thước khoảng trống tiếp tục mở rộng. Sau thời điểm đạt mức khai
thác hoàn toàn, đáy bồn dịch chuyển sẽ có dạng phẳng. Tại thời điểm đạt mức khai
thác hoàn toàn đáy bồn chỉ có một điểm có giá trị lún cực đại ηmax.
Mặt cắt chính - là mặt cắt theo dốc hoặc theo phương của vỉa và đi qua đáy bồn
dịch chuyển. Hầu hết các nghiên cứu quy luật dịch chuyển biến dạng bề mặt mỏ
thường được tiến hành chủ yếu trên các mặt cắt này.
Bán bồn dịch chuyển - trên các mặt cắt chính theo phương hoặc theo dốc vỉa,
bán bồn là khoảng cách nằm ngang từ biên giới bồn dịch chuyển đến đến ranh giới
đáy bồn dịch chuyển (khi khai thác dưới toàn phần) hoặc đến đáy bồn (nơi có giá trị
dịch chuyển đứng cực đại, khi khai thác dưới không toàn phần). Các bán bồn dịch

chuyển được phân biệt như sau: theo hướng xuôi dốc - L1; theo hướng ngược dốc -


10

L2; theo phương vỉa - L3 (hình 1.3).

Hình 1.3. Các thông số chính của bồn dịch chuyển [2]
Trên một lò chợ khai thác thì kích thước của lò chợ theo hướng dốc L phụ thuộc
vào điều kiện địa chất mỏ, thiết bị và công nghệ khai thác nên ít biến động, kích thước
theo hướng đường phương W liên tục thay đổi theo tiến độ gương lò chợ. Do vậy khi
nghiên cứu DCBD tại các điểm trên các bán bồn dịch chuyển phải lưu ý đến các đặc
điểm này.
1.1.3. Các thông số về góc của quá trình dịch chuyển
a) Các góc biên (góc ranh giới bồn dịch chuyển)
Các góc biên 0, 0, 0, (hình 1.3) dùng đề xác định ranh giới vùng dịch chuyển
trên mặt đất. Trên các mặt cắt chính của bồn dịch chuyển, các góc này được tạo bởi
đường nối ranh giới vùng trống khai thác đến các điểm ranh giới của bồn dịch chuyển
trên mặt đất với các đường thẳng nằm ngang. Trên mặt cắt chính theo dốc và theo
phương của vỉa, vùng dịch chuyển được giới hạn bởi các góc biên 0, 0, 0, như sau:
- 0 - góc biên ở ranh giới dưới dốc của lò chợ, về phía vách vỉa;
- 0 - góc biên ở ranh giới trên dốc của lò chợ;
- 0 - góc biên ở ranh giới lò chợ theo hướng đường phương của lò chợ.
b) Góc lún cực đại
Góc lún cực đại là góc hướng theo phía dốc vỉa. Góc lún cực đại 𝜃 được coi là
cố định với tất cả các lớp đất đá. Thông qua góc lún cực đại cho phép dự báo được


11

điểm có giá trị dịch chuyển đứng cực đại trong bồn dịch chuyển (hình 1.3).
Trường hợp đáy bồn phẳng thì các độ lún cực đại ηmax tại đây có giá trị bằng
nhau, hay nói một cách khác khi các độ lún bằng nhau sẽ tạo ra đáy bồn phẳng.
1.1.4. Các đại lượng dịch chuyển và biến dạng
Tính chất phân bố các đại lượng dịch chuyển biến dạng trong bồn dịch chuyển
khi khai thác vỉa bằng phẳng với khoảng trống khai thác đủ lớn được mô tả như trên
hình 1.4 (khi góc dốc vỉa =0 ).

Hình 1.4. Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất [2]
trong đó: 1- đường cong dịch chuyển đứng; 2- đường cong dịch chuyển ngang;
3- đường cong độ nghiêng; 4- đường cong độ cong; 5- đường cong biến dạng ngang.
Các đại lượng này có ý nghĩa thực tế rất lớn trong việc nghiên cứu các biện pháp
xây dựng và kết cấu công trình để bảo vệ chúng khỏi những tác hại do ảnh hưởng quá
trình dịch chuyển gây nên.
1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới dịch chuyển biến dạng bề mặt
a) Tính chất cơ - lý đất đá
Các đại lượng dịch chuyển đất đá và sự phân bố của chúng trên bề mặt và trong
lòng đất phụ thuộc vào tính chất cơ lý đất đá trong khu vực. Đất đá được hình thành
từ các niên đại với các điều kiện địa chất - kiến tạo khác nhau nên sự phân bố, hiện
trạng về thế nằm, các thông số của các lớp và đặc tính cơ lý đất đá cũng khác nhau.
Theo tính chất cơ lý, đất đá được chia làm 3 loại: đất đá rắn, bở rời và dẻo [73]. Tính


12

chất cơ lý của đất đá được đặc trưng bởi thông số độ bền và sức chống đỡ của nó
trong điều kiện bị biến dạng và phá hoại, được đại diện bằng hệ số kiên cố
Protodiaconov. Trong điều kiện như nhau thì dịch chuyển xảy ra trong đá yếu như
sét, đá phiến sét, v.v.. êm hơn và nhanh hơn so với trong đất đá cứng. Độ kiên cố
trung bình của đất đá, địa tầng và vị trí của các lớp đá cứng so với vỉa khoáng sàng

khai thác quyết định quy mô biến dạng và quá trình của nó [2].
Độ kiên cố đất đá ảnh hưởng tới đại lượng dịch chuyển đứng cực đại theo đặc
điểm: trong những điều kiện như nhau, dịch chuyển đứng trong đất đá có độ kiên cố
nhỏ hơn trong đất đá yếu. Cần lưu ý rằng: tính chất cơ lý của đất đá không ổn định và
như nhau ở các vùng khác nhau và thậm chí trong cùng một mỏ. Sự biến thiên của đại
lượng lún khi khai thác các vỉa có cùng điều kiện như chiều dày, góc dốc và nằm trên
cùng độ sâu khai thác là khác nhau khi môi trường đất đá nằm phía trên có độ cứng
khác nhau.
b) Độ dốc vỉa
Mặt cắt chính bồn dịch chuyển có tính đối xứng so với ruộng khấu trong trường
khai thác vỉa bằng, và trở nên không đối xứng trong trường hợp vỉa khai thác nghiêng
và dốc. Trong trường hợp vỉa dốc, tâm bồn dịch chuyển bị xê dịch về phía dốc vỉa
một khoảng [36]. Ngoài tính bất đối xứng của bồn thì đại lượng lún cực đại cũng biến
đổi phụ thuộc vào góc dốc vỉa khai thác α (hình 1.5) [73].

Hình 1.5. Sự phân bố biến dạng khi khai thác vỉa có độ dốc khác nhau
trong đó: 1) vỉa có độ dốc α=40o; 2) vỉa có độ dốc α=60o.


13

c) Độ sâu khai thác
Khi khai thác các vỉa có độ sâu không lớn, trên bề mặt sẽ xuất hiện hiện tượng
biến dạng không liên tục, biểu hiện qua dịch chuyển với cường độ lớn, tạo nên những
khe nứt, phễu và các hố sụt lớn. Mặt đất đổ sụp từng khối có kích thước phù hợp với
bước phá hỏa trong quá trình khai thác. Tại vùng ranh giới của khối xuất hiện các kẽ
nứt và tạo thành các bậc [2].
Khi khai thác các vỉa có độ sâu lớn, quá trình khai thác tạo ra hiện tượng biến
dạng dịu dàng theo thời gian và không gian. Lúc này, xuất hiện biến dạng liên tục.
Loại biến dạng này có thể được mô tả bằng những hàm số liên tục và chúng là đối

tượng và là nội dung của các lý thuyết dự báo dịch chuyển bề mặt và đất đá [60]. Mối
quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng được thể hiện trên hình 1.6.

Hình 1.6. Mối quan hệ giữa độ sâu khai thác và dịch chuyển đứng [73]
d) Chiều dày lớp khấu
Đại lượng dịch chuyển và biến dạng bề mặt tỷ lệ thuận với chiều dày của lớp
khấu bởi lẽ chiều dày của vỉa không phải đồng nhất trong một lớp khoáng sản mà
thường biến đổi ít nhất ở mức dm, vì vậy trong quá trình dự báo dịch chuyển thường
xác định giá trị trung bình lớp khấu của vỉa than. Điều quan trọng là các giá trị trung
bình ấy phải được xác định với độ tin cậy lớn thông qua các kết quả thăm dò xác định
chiều dày vỉa.


14

e) Hình dáng và kích thước lò chợ
Hình dáng và kích thước lò chợ dưới mặt đất sẽ quyết định hình dạng và phạm
vi bồn dịch chuyển trên mặt đất. Bồn dịch chuyển sẽ hình thành ở dạng toàn phần
hoặc không toàn phần phụ thuộc vào kích thước khai thác dưới [74]. Hình 1.7 minh
họa mối quan hệ giữa hình dáng và kích thước lò chợ với đại lượng dịch chuyển đứng.

Hình 1.7. Ảnh hưởng của chiều rộng lò chợ đối với đại lượng dịch chuyển đứng [73]
Khi khai thác ở độ sâu và tính chất cơ lý đất đá nhất định, nếu chiều rộng dải
khấu (S) khá nhỏ, nghĩa là Shầu như không đáng kể. Kích thước lò chợ ngày càng tăng cho tới khi S>Smin, lúc
đó trên mặt đất sẽ hình thành bồn dịch chuyển không toàn phần. Quá trình khai thác
sẽ tiếp tục cho đến khi chiều rộng lò chợ đạt tới giá trị giới hạn (Sgh), bồn dịch chuyển
trên bề mặt sẽ chuyển thành dạng bồn dịch chuyển toàn phần. Đến giới hạn này, việc
tăng kích thước chiều rộng lớp khấu, đại lượng dịch chuyển đứng sẽ không tăng và
luôn giữ giá trị dịch chuyển đứng cực đại.

f) Tiến độ khai thác
Hình 1.8 cho thấy quá trình động tạo thành bồn dịch chuyển trên bề mặt tương
ứng với các giai đoạn 1, 2, 3, ... của tiến độ khai thác. Dễ dàng nhận thấy rằng: đại
lượng dịch chuyển đứng trên bề mặt bắt đầu xuất hiện sau một thời gian khai thác với
kích thước khoảng trống vừa đủ để gây ra dịch chuyển và lan truyền dịch chuyển lên
mặt đất. Ban đầu, bồn dịch chuyển hình thành dưới dạng một phần (không toàn phần)
với các đại lượng dịch chuyển biến dạng nhỏ. Cùng với thời gian và tiến độ khai thác