Luận án 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

Nội dung tài liệu: Luận án 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

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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)
8. 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
9. 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
10. 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