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

Ứng dụng tin học phân tích tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên 
 PGS.TS. Kiều Kim Trúc 
 Tập đoàn Công nghiệp Than – Khoáng sản Việt Nam.
(Mã số: 2409)
Tóm tắt: Phân tích, tính toán ổn định bờ mỏ lộ thiên là công việc phức tạp và tốn nhiều thời gian, như xây dựng cấu trúc địa chất, xác định các thông số địa cơ mỏ, áp dụng các phương pháp tính toán địa kỹ thuật, thay đổi phương án, nhất là với cấu trúc địa chất đất đá bất đồng nhất. Bài báo giới thiệu phương pháp ứng dụng công nghệ thông tin với các phần mềm xây dựng mô hình địa chất, thành lập mặt cắt địa chất, tính toán ổn định bờ mỏ và thực hiện cho một số khu vực bờ mỏ lộ thiên Quảng Ninh, với kết quả nhanh chóng và chính xác. 
1. Tổng quan về phân tích, tính toán độ ổn định bờ mỏ lộ thiên
Công tác nghiên cứu, thiết kế và phân tích tính toán độ ổn định bờ mỏ bắt đầu theo các bước sau: 1. Phân vùng khu vực bờ mỏ theo tính đồng nhất tương đối về cấu trúc địa chất. 2. Xây dựng mặt cắt địa chất với việc xác định cấu trúc địa chất và hình dạng bờ mỏ; 2. Xác định tính chất cơ lý và biến dạng đất đá; 4. Xác định điều kiện thủy văn từng khu vực; 5. Phân tích, tính toán (hay đánh giá) ổn định bờ tầng, nhóm tầng và toàn bộ bờ mỏ theo các mặt trượt tiềm năng; 6. Đưa ra các biện pháp đảm bảo ổn định bờ mỏ hợp lý, kể cả điều chỉnh hình dạng bờ tầng, bờ mỏ và lặp lại các tính toán trên cho đến khi đảm bảo ổn định theo yêu cầu. Thiết kế bờ mỏ là quá trình xây dựng hình học và tính toán ổn định liên tục với nhiều phép thử và lựa chọn, có khối lượng công việc lớn. 
Theo quan điểm đơn giản về cơ học, Ổn định bờ mỏ là tỉ số giữa sức bền đất đá trước ứng suất trong bờ mỏ, được phân tích, tính toán thông qua việc xác định hệ số ổn định n (hay hệ số dự trữ n, hệ số an toàn F - Factor of Safety) của các khối trượt dự đoán.
 Lý thuyết đầu tiên về trạng thái cân bằng giới hạn môi trường rời đẳng hướng được Colomb đưa ra từ thế kỷ 18 (theory of general limit equilibrium), lúc đó coi mặt trượt là mặt phẳng. Các tác giả khác sau đó phát triển đối với các mặt yếu dạng cong, dạng gấp khúc trong môi trường không liên tục, bất đồng nhất, môi trường liên kết có ma sát như môi trường đất đá với nhiều phương pháp tính toán khác nhau. Bên cạnh đó, do sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật tính toán, hướng nghiên cứu dựa trên lý thuyết Phần tử hữu hạn (The Finite element Method) cũng được phát triển mạnh mẽ. Phương pháp Phần tử hữu hạn thường được dùng trong các bài toán Cơ học (cơ học kết cấu, cơ học môi trường liên tục) để xác định trường ứng suất và biến dạng của vật thể. 
Tuy nhiên với tính dị hướng của môi trường không liên tục như đất đá mỏ thì hướng nghiên cứu theo Lý thuyết Cân bằng giới hạn vẫn có nhiều ứng dụng thực tế hơn. 
Điều kiện cơ bản cân bằng giới hạn theo một diện tích bất kỳ trong mái dốc đất đá mỏ có dạng: 
t = F(sN), 	 (1)
Trong đó: t và sn - ứng suất tiếp tuyến và pháp tuyến theo diện tích đã cho.
Trong mái dốc đồng nhất diện tích mặt trượt đơn vị xuất hiện từ chiều sâu:
, (2)
Trong mái dốc không đồng nhất chúng xuất hiện với ứng suất:
, (3)
Trong đó: s0 - Độ bền nén đất đá đơn trục; ẹ - Lực dính kết đát đá; j - Góc ma sát trong của đất đá; g - Trọng lượng đơn vị khối lượng đất đá (trọng lượng thể tích).
Độ bền và điều kiện thể nằm của đất đá, hướng mặt yếu tự nhiên lớn trong khối đát đá tương đối với đường phương mái dốc quyết định đặc điểm biến dạng bờ mỏ lộ thiên, hình dạng mặt trượt dự kiến và việc lựa chọn sơ đồ tính toán độ ổn định của chúng.
Các phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn được phân biệt phụ thuộc vào hướng cạnh ranh giới của các khối (bloc) tính toán các lực và phương pháp tổng hợp lực của chúng. Người ta thường phân biệt hai phương pháp chính sau đây [9]:
1. Phương pháp đại số tuyến tính (cộng đại số) dựa trên tổng đại số các lực giữ và lực trượt theo mặt trượt yếu nhất (Xem hình 1).
Hình 1. Tổng đại số các lực giữ và lực trượt theo
Hình 2. Sơ đồ đa giác lực.
a. Lực tác dụng lên khối đất đá; b. Đa giác lực.

Khi đó những lực sau được đưa vào tính toán:
Ni, Ti – tương ứng thành phần pháp tuyến và tiếp tuyến của trọng lượng bloc được tính:
Ni = Pi cos ji; Ti = Pi sin ji;
Di - Áp lực thuỷ tĩnh, hướng của nó vuông góc với đáy bloc tính toán và bằng tích giá trị trung bình áp lực thuỷ tĩnh gõÍủð với chiều dài phần bloc ngập nước :
, 	 (4)
Trong đó: 	 
, 	 (5)
 FTi - lực chống cắt (trượt) theo đáy bloc:
FTi = Nitgji + Cili, 	 (6)
Trong đó: ji, Ci - các chỉ tiêu tính toán độ bền đất đá.
Phương pháp cân bằng chung được xác định là hiệu số các lực giữ và các lực trượt theo mặt trượt yếu nhất, theo phương pháp cộng đại số các lực có dạng: 
, (7)
Nếu như theo mặt trượt yếu nhất hiệu số các lực giữ và lực trượt DТ bằng không, thì khối bờ mỏ ở trạng thái cân bằng giới hạn.
Hệ số dự trữ ổn định sườn dốc n theo phương pháp cộng đại số các lực được xác định cho mặt trượt yếu nhất theo công thức :
, (8)
Phương pháp cộng đại số có thể được sử dụng, nếu như mặt trượt yếu nhất có dạng mặt cong trơn đều. Phương pháp này không tính phản lực giữa các bloc và coi rằng, lăng trụ trượt biến dạng như là một khối đồng nhất. Điều này chứng tỏ rằng hệ số an toàn được tính bằng phương pháp cộng đại số nhỏ hơn thực tế, mức độ không phù hợp này phụ thuộc vào chiều cao sườn dốc, góc dốc của nó và góc ma sát trong của đất đá, và sai số có thể từ 3 đén 20%. Khi chiều cao sườn đốc không lớn (dưới 100m) và giá trị góc nội ma sát không lớn (j < 200 ) phương pháp này cho kết quả đủ tin cậy.
2. Phương pháp tổng hợp hơn để đánh giá độ ổn định bờ mỏ, mái dốc trong điều kiện địa chất mỏ thực tế là phương pháp đại số véc tơ lực (phương pháp đa giác lực), có tính đến phản lực giữa các bloc, mà các bloc này được phân chia trong lăng trụ trượt theo dấu hiệu địa chất kĩ thuật cụ thể. Khi tính toán bằng phương pháp đa giác lực, độ chính xác tính toán phụ thuộc vào vị trí ranh giới giữa các bloc và hướng các phản lực giữa chúng. Độ chính xác đầy đủ của các tính toán đạt được khi mà biên giới giữa các bloc tương tự vị trí