Tài liệu Giáo trình đo đạc biến dạng mỏ (ngành trắc địa)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH -------------------------------------Chủ biên. Th.s Ngô Thị Hài GIÁO TRÌNH ĐO ĐẠC BIẾN DẠNG MỎ DÙNG CHO SINH VIÊN ĐẠI HỌC TRẮC ĐỊA (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Năm 2019 CHƯƠNG 1: DỊCH CHUYỂN VÀ BIẾN DẠNG ĐẤT ĐÁ TRONG KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1.1. Khái Niệm 1.1.1. Khái niệm về quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất Đo đạc biến dạng mỏ, nghiên cứu các phương pháp đo đạc trắc địa. Để quan trắc sự dịch chuyển của đất đá và mặt đất tác động của khai thác khoáng sản ở hầm lò và lộ thiên . Trên cơ sở thu thập số liêụ quan trắc mà tìm ra các thông số của dịch chuyển, từ đó mà xác định được quy luật và mức độ nguy hiểm của nó cho quá trình khai thác. Đồng thời tuỳ theo mức độ nguy hiểm của dịch chuyển, tình hình cụ thể của công tác khai thác mỏ mà đề ra các biện pháp bảo vệ các công trình trên mặt đất khi tiến hành khai thác. Đặc biệt là tính toán lại khoáng sản làm trụ bảo vệ công trình sao cho không lãng phí tài nguyên. 1.1.2. Nhiệm vụ nghiên cứu dịch chuyển và biến dạng Học phần có quan hệ mật thiết với các học phần cơ bản và chuyên ngành trắc địa sau: - Về cơ bản quan hệ chặt chẽ với học phần toán - Về chuyển ngành trắc địa không thể tách rời các học phần: Trắc địa phổ thông; Sai số; Trắc địa mỏ; Thiết bị mới. - Ngoài các học phần không thể thiếu được trên, đo đạc biến dạng mỏ còn có quan hệ với các học phần khác như địa chất công trình; địa chất thuỷ văn; kỹ thuật khai thác mỏ hầm lò; kỹ thuật khai thác mỏ lộ thiên. - Toán học là công cụ phục vụ cho việc tính toán thiết kế các trạm quan trắc và tính toán trong bảo vệ các công trình thông qua các số liêụ tính toán trong đo đạc quan trắc. - Các học phần chuyên ngành trắc địa để thực hiện các nội dung đo đạc, tính toán trong việc thiết kế, bố trí xây dựng trạm quan trắc. Tiến hành quan trắc xử lý số liệu quan trắc. - Các học phần địa chất - khai thác cung cấp các kiến thức về cấu tạo đất đá , tính cơ lý của đất đá, kỹ thuật khai thác giúp cho việc tính toán thiết kế xây dựng các trạm quan trắc . Việc tiến hành đo đạc quan trắc được phù hợp, để kết quả quan trắc chuẩn xác hơn. 1.2 CÁC THÀNH PHẦN VÀ THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH DỊCH CHUYỂN VÀ BIẾN DẠNG 1.2.1. Các thành phần của quá trình dịch chuyển 1. Độ lún ( Dịch chuyển đứng) Là khoảng cách thẳng đứng ( Chênh cao) của một điểm ở hai lần quan trắc liền kề nhau. a = Hai - Hai-1 2. Dịch chuyển ngang  Là khoảng cách ngang của một điểm theo phương vuông góc với tuyến chuẩn ở hai lần quan trắc liền kề nhau (hình vẽ 1.2.3) 2 ai = Di - Di-1 (m) Trong đó: Di và Di-1 là khoảng cách từ mốc quan trắc đến tuyến quan trắc của một mốc ở hai thời điểm quan trắc trước và sau 3. Độ nghiêng I, độ cong K, độ biến dạng ngang  I i  i 1 li ,i 1 (mm/m); I i  I i 1 l l (1/mm) với I TB  i i 1 ; lTB 2 d  d i 1 (mm/m)  i l K Với  < 0 biến dạng căng và  > 0 biến dạng nén Trong đó: i và i-1: Là độ lún của điểm trước và điểm sau của 1 khoảng giữa 2 mốc quan trắc li và li-1 : Là chiều dài giữa hai mốc Ii và Ii-1 : Là độ nghiêng của hai khoảng kề nhau di và di-1 : Là hình chiếu bằng của đoạn ở giữa 2 lần đo trước và sau Căn cứ vào các đại lượng tính được, người ta xây dựng biểu đồ của quá trình dịch chuyển như sau: 3 4 5 0 0 x 4  0c K  03 5 3   i0 0p K03 x 2 0 x 0 2 0   0 0 3 3 x 0 Hình vẽ 1.2.3 Tính chất phân bố dịch chuyển và biến dạng mặt đất khi khai thác vỉa bằng 1. Đường biểu diễn độ lún  (subsidence) 2. Đường biểu diễn dịch chuyển ngang  (move) 3. Đường biểu diễn độ nghiêng I (Declination) 4. Đường biểu diễn biến dạng ngang tương đối  5. Đường biểu diễn độ cong K ( flexure ) 6. Trục x là trục hoành (horizontal axis) Trong đó: K là hệ số và thường xấp xỉ bằng chiều dày lớp đất bồi trong trường hợp vỉa bằng vải vỉa dốc 3 Dựa vào biểu đồ mà xác định thông số dịch chuyển như: Góc biên giới dịch chuyển 0, 0, 0; Góc dịch chuyển , , ; Góc lún cực đại ; Góc dịch chuyển hoàn toàn 1, 2, 3. 1.2.2. Các thông số của quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất 1. Bồn dịch chuyển Là phần mặt đất bị lún sụt do dịch chuyển đất đá dưới tác động của quá trình khai thác trong lòng đất dưới nó gây nên. Giới hạn của bồn dịch chuyển là những điểm có độ lún  = ± 10 mm. Khi khai thác hai lần ( Khai thác lại ) thì giới hạn được lấy trung bình những điểm có độ lún  = ± 15 mm ( Điểm A hình vẽ 1.2.1 ). A  Bồn dịch chuyển Vùng d/c nguy hiểm D Đáy bồnD C C B  ” A B  ”    0 2 0 1   Hình vẽ 1.2.1 Các tham số góc và các thành phần của quá trình dịch chuyển ( Mặt cắt theo dốc của vỉa, trường hợp vỉa bằng và dốc)  - Giá trị góc biên trong đất bồi; 0 – Góc biên giới trên của lò chợ về phía vách;  Góc lún cực đại; 1 – Dịch chuyển phía dưới; 2 – Dịch chuyển phía trên;  - Góc dịch chuyển trong lớp đá gốc; ”; ” – Các góc tách 2. Vùng dịch chuyển nguy hiểm Vùng dịch chuyển nguy hiểm nằm trong bồn chuyển dịch. Những biến dạng trong vùng này có ảnh hưởng nguy hiểm cho các công trình nằm trong phạm vi đó, ( Điểm B hình vẽ 1.2.1 ). 3. Đáy bồn dịch chuyển Là phần giữa của bồn dịch chuyển, tại đây mặt đất bị lún tới giá trị cực đại max ( Kết luận có nhiều vết nứt ). Sau này dù vùng trống khai thác có tăng thì độ lún tại các điểm đó cũng không thay đổi. 4. Góc biên giới dịch chuyển ( 0, 0, 0 ) 4 Là góc hợp bởi đường nối biên giới vùng trống với các điểm giới hạn của bồn dịch chuyển và đường nằm ngang như hình vẽ 1.2.2    ’ 0 3 Hình vẽ 1.2.2 Các tham số góc và các thành phần của quá trình dịch chuyển ( Mặt cắt theo phương của vỉa)  - Giá trị góc biên trong đất bồi; 3-Góc dịch chuyển theo phương; 0- Góc theo đường phương của vỉa;” – Góc tách (Góc sụt lở) 5. Góc dịch chuyển , ,  Là góc hợp bởi đường nối biên giới vùng trống khai thác với điểm giới hạn của vùng dịch chuyển nguy hiểm và đường nằm ngang. 6.Góc tách ( Góc sụt lở ’, ’, ’) Là góc hợp bởi đường nối biên giới vùng trống khai thác với kẽ nứt tách và đường nằm ngang. 7. Góc lún cực đại  Là góc hợp bởi đường nối từ điểm giữa vùng trống khai thác với điểm lún cực đại và đường nằm ngang theo phần dốc của vỉa. 8. Góc dịch chuyển hoàn toàn 1, 2, 3 Là góc hợp bởi đường nối biên giới vùng trống với biên giới đáy bồn dịch chuyển và đường dốc của vỉa ( Lò chợ ). 1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của quá trình dịch chuyển 1. Thời gian chung của quá trình dịch chuyển Là khoảng thời gian mà trong đó mặt đất bị dịch chuyển (Theo tháng) Thời điểm bắt đầu dịch chuyển là thời điểm mặt đất có độ lún tối thiểu  = ± 10 mm. Thời điểm kết thúc dịch chuyển là thời điểm mà 6 tháng sau đó độ lún của mặt đất không lớn hơn 30 mm 2. Thời kỳ dịch chuyển mạnh nhất Là khoảng thời gian mà tốc độ lún không ít hơn 50 mm/1 tháng đối với vỉa than và vỉa, và không nhỏ hơn 30 mm / 1 tháng đối với vỉa dốc đứng. Thời kỳ này còn gọi là thời kỳ biến dạng nguy hiểm 3. Tốc độ dịch chuyển V 5 Tốc độ dịch chuyển ngang và đứng trung bình là tỷ số giữa đại lượng dịch chuyển với khoảng thời gian tương ứng, đơn vị là : Độ biến dạng/ngày đêm Ví dụ: Tốc độ lún trung bình trong thời kỳ quan trắc thứ 5 là: V 5  5 t  m ngaydem 4. Hệ số bị khai thác (n) n = Đ/Đ0 Trong đó: Đ là chiều dài thực tế của lò chợ Đ0 là chiều dài lò chợ khi khai thác hoàn toàn Chú ý: Nếu n = 1 Là khai thác an toàn Nếu n < 1 Là khai thác chưa an toàn Nếu n > 1 Là vượt khai thác an toàn 5. Hệ số độ sâu khai thác tương đối (K) K = H/m Trong đó: H là chiều sâu khai thác m là chiều dày khoảng trống đã khai thác 6. Độ sâu khai thác an toàn (Hat) Là độ sâu mà tại đó hoặc sâu hơn nữa các quá trình khai thác không có khả năng gây ra biến dạng hay làm ảnh hưởng đến công trình trên mặt đất. 7. Hệ số độ sâu khai thác an toàn Được dùng để giải quyết mọi vấn đề có liên quan đến việc bảo vệ các công trình trên mặt đất Kat = Hat /m Đại lượng Kat được xác định bằng quan trắc thực địa cùng với tính toán bằng cơ sở lý thuyết. 1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DỊCH CHUYỂN, BIẾN DẠNG ĐẤT ĐÁ Nghiên cứu quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất để từ đó đề ra các biện pháp bảo về các công trình khỏi bị phá hoại Hiện nay người ta có 3 phương pháp nghiên cứu đó là: 1.4.1. Nghiên cứu bằng lý thuyết Phương pháp này được tiến hành theo 2 hướng 1. Hướng thứ nhất: Xuất phát xuất phát từ bản chất cơ học của quá trình dịch chuyển tìm ra các mối quan hệ toán học giữa các thông số dịch chuyển với điều kiện địa chất, khai thác. Hướng nghiên cứu này có cơ sở và có nhiều ý để ứng dụng những lý luận khác nhau, những lĩnh vực khoa học khác nhau như: Thuyết đàn hồi, tính dẻo, môi trường rời, môi trường đồng nhất…..Nhưng thực chất vấn đề không thể giải quyết đơn giản được như vậy, vì dịch chuyển đất đá là một hiện tượng phức tạp, không có quy luật chung. 2. Hướng thứ hai: 6 Tìm mối quan hệ thực nghiệm qua việc chỉnh lý các số liệu nghiên cứu, đo đạc ở thực tế và trong phòng thí nghiệm cũng như các quan hệ toán học đối với việc đánh giá số lượng dịch chuyển và biến dạng. Hướng này cho phép tìm ra những phương pháp riêng để tính dịch chuyển đặt cơ sở cho việc đi đến những phương pháp tương tự và từ đó chỉ ra cách bảo vệ công trình ở những mỏ đã tiến hành nghiên cứu dịch chuyển Hạn chế của phương pháp này là để tìm ra công thức thực nghiệm đòi hỏi phải có nhiều tài liệu quan trắc thực địa, hơn nữa công thức thực nghiệm thì không thể áp dụng chung cho mọi trường hợp được. 1.4.2. Nghiên cứu trong phòng thí nghiệm Thực chất của phương pháp này là nghiên cứu quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất trên mô hình bằng vật liệu tương đương. Ưu điểm của phương pháp này là giảm nhẹ khối lượng công tác. Có khả nằng điều chỉnh những biến đổi, những thông só khai thác, địa chất. Nhược điểm của phương pháp là khó tạo được mô hình giống hoàn toàn như thực tế kể cả mặt hình thức lẫn nội dung. 1.4. Nghiên cứu bằng quan trắc thực địa Nội dung của phương pháp này là thành lập các trạm quan trắc bằng cách chôn, đóng mốc tại các điểm đặc biệt rồi định kỳ xác định vị trí của nó bằng dụng cụ, máy và phương phương pháp đo. Đây là phương pháp tin cậy hơn cả nhưng khối lượng công việc lớn, thời gian quan trắc kéo dài và kết quả nó chỉ có thể áp dụng cho từng vùng có quan trắc và vùng có điều kiện tương tự mà thôi. Tuỳ theo tính chất, yêu cầu mà tiến hành quan trắc dịch chuyển đối với những đối tượng khác nhau như: Mặt đất, nham tầng, những lớp đất đá bao quanh lò chợ, công trình bị khai thác, các đường lò, hồ chứa nước, sông ngòi và các công trình khác…. Căn cứ vào các phương pháp, tính chất, khối lượng, thời gian quan trắc người ta chia ra: 1. Quan trắc theo một chương trình dài hạn: Nhằm thu thập các thông số và tính chất của quá trình dịch chuyển 2. Quan trắc theo một chương trình ngắn hạn hơn: Nhằm xác định các thông số dịch chuyển chính và các đại lượng cần thiết cho việc lập các phương án tính trụ bảo vệ công trình. 3. Quan trắc theo một chương trình ngắn gọn: Như đo kẽ nứt, thu thập tài liệu đặc trưng cho độ cứng của đất đá …nhằm xác định các góc dịch chuyển để tính các trụ bảo vệ tại những nơi chưa có số liệu nghiên cứu dịch chuyển tự trước. Để tiến hành quan trắc phải lập các trạm quan trắc, các trạm quan trắc có thể có 1 hay nhiều tuyến quan trắc, tuyến quan trắc là một đường thẳng bố trí ở khu vực cần quan trắc chuyển dịch, trên tuyến quan trắc có bố trí nhiều điểm quan trắc, điểm quan trắc được đánh dấu bằng mốc quan trắc. 1.5. THÀNH LẬP CÁC TRẠM QUAN TRẮC THỰC ĐỊA 7 Căn cứ vào ý nghĩa của quan trắc, thời gian phục vụ, điều kiện chôn mốc quan trắc mà người ta phân làm 4 loại trạm quan trắc như sau: - Trạm quan trắc dài hạn - Trạm quan trắc ngắn hạn - Trạm quan trắc trung bình - Trạm quan trắc đặc biệt 1.5.1. Trạm quan trắc dài hạn và trung bình Khi nghiên cứu dịch chuyển của một khu vực mà sắp tới sẽ chịu sự ảnh hưởng của quá trình khai thác hầm lò, người ta tiến hành thành lập trạm quan trắc trung bình và dài hạn. Công việc thành lập trạm là: - Lập bản vẽ thiết kế trạm quan trắc cùng với giải trình kỹ thuật - Bố trí ra thực địa trạm quan trắc với các điểm khống chế cơ sở của mỏ - Chôn mốc - Đo nối tọa độ mặt bằng và độ cao với các điểm của lưới khống chế cơ sở - Thực hiện quan trắc lần thứ nhất và các lần sau theo chu kỳ đã được lập trong thiết kế - Quan trắc lần cuối - Xử lý số liệu quan trắc của các chu kỳ và tính toán xác định các đại lượng dịch chuyển và các thông số cần thiết. 1. Bố trí trạm quan trắc Trạm quan trắc dài hạn hay trung bình bao gồm 2 đến 3 tuyến quan trắc, một tuyến dọc, một hay hai tuyến ngang Tuyến quan trắc ngang là tuyến chạy theo chiều dài của vỉa ( hình vẽ 1.4.1) Từ phía biên giới dưới của lò chợ dựng góc  - , từ phía biên giới trên lò chợ dựng góc  - , tới lớp đất bồi dựng góc  xác định được điểm A và B trên mặt đất là 2 điểm biên của bồn dịch chuyển dự kiến. Các điểm 1, 2, …, n là các điểm quan trắc Các điểm RI, RII,…..là các điểm cố định nằm ngoài bồn dịch chuyển Vùng dịch chuyển dự kiến R3 A  1 2 3 4 O K1 K2 B R1  50m 50m 50100m  -  H1 H2  D 2  -   D 2 8 R2 Hình vẽ 1.4.1 Thiết kế trạm quan trắc trung bình và dài hạn  - : Góc biên giới dưới của lò chợ;  -  : Góc biên giới trên của lò chợ; ABĐiểm biên của vùng dịch chuyển dự kiến;  - Giá trị góc biên trong đất bồi Tuyến dọc là tuyến chạy theo phương của vỉa (Hình vẽ 1.4.2) được xác định như sau: O1’ 0,85.HTB O1 50m D K C Đất bồi 50m 50m 1,75.HTB Tuyến ngang 2 HTB Tuyến ngang 1  -  Điểm dừng gương lò chợ Hình vẽ 1.4.2 Thiết kế trạm quan trắc trung bình và dài hạn  -  : Góc theo đường phương của vỉa Tại điểm dừng dự kiến của lò chợ, dựng góc  -  tới lớp đất bồi ( đất phủ) dựng góc  được điểm C trên mặt đất. Đây chính là điểm dự kiến của bồn dịch chuyển, điểm dừng của lò chợ dóng thẳng lên mặt đất ta có điểm K, từ K lấy 1,75 lần HTB ta có Đ, các góc , ,  lấy theo quy phạm hoặc lấy theo kết quả quan trắc của vùng mỏ có điều kiện tương đương. Các trị số , ,  cũng lấy theo quy phạm. Đối với mỏ than:  =  = 200 còn  phụ thuộc theo góc dốc của vỉa như bảng sau: Bảng 1.4.1 0 0 0 0 0 0 0 0 Vỉa 0 10 20 30 40 50 60 70 800 180 170 150 130 120 110 90 80 70  Trị số  cũng lấy theo quy phạm Khoảng cách giữa các điểm quan trắc cũng phụ thuộc vào độ sâu khai thác như bảng sau: Bảng 1.4.2 HKhai thác 50100m 100200m 200300m 300400m Khoảng cách 15m 20m 25m 510m 2. Nội dung quan trắc Sau khi chôn mốc xong từ 7 đến 10 ngày, thì tiến hành quan trắc. Trước hết đo nối toạ độ mốc cố định với điểm khống chế cơ sở của mỏ. Việc đo nối có thể 9 thực hiện bằng phương pháp tam giác hay đường chuyền kinh vĩ. Nếu dùng phương pháp tam giác đo phải có độ chính xác của máy là t  30” và đo cạnh với 1 1  T 2000 Đo cao hình học hạng IV để chuyền độ cao cho các điểm cơ sở với sai số khép cho phép là  20 L (mm). Từ điểm cơ sở đến điểm cố định trên tuyến quan trắc phải đạt  15 L (mm) Sau khi đo nối xong thì bắt đầu các chu kỳ quan trắc Lần quan trắc thứ nhất phải xác định độ cao cho tất cả các điểm quan trắc và khoảng cách giữa các điểm quan trắc trong tuyến. Đo độ cao phải đạt chỉ tiêu  15 L (mm) Đo chiều dài giữa các điểm không được chênh quá 2 mm giữa 2 lần đo đi và về, chiều dài giữa 2 mốc cố định trên tuyến phải đảm bảo không được lớn hơn 1/10.000 Khi địa hình có độ dốc lớn hơn 150 thì có thể đo cao lượng giác với máy có t 30”. Lần quan trắc thứ nhất phải đo 2 lượt, không cách nhau quá 5 ngày vào trước khi khai thác. Các lần quan trắc tiếp theo đo các nội dung: - Đo độ cao để xác định chuyển dịch đứng - Đo khoảng cách giữa các mốc để xác định chuyển dịch dọc tuyến - Đo khoảng cách lệch tuyến của các điểm để xác định chuyển dịch ngang theo phương vuông góc với tuyến. Giãn cách giữa các lần quan trắc tuỳ thuộc vào mục đích của trạm, thời gian của quá trình dịch chuyển và thời kỳ dịch chuyển mạnh mà quy định. Nếu chỉ cần thu thập thông số và đặc tính cuối cùng của quá trình dịch chuyển thì tiến hành quan trắc 3 lần, đó là: - Lần thứ nhất vào thời kỳ trước khi khai thác - Lần thứ hai vào lúc kết thúc thời kỳ dịch chuyển mạnh - Lần thứ ba vào thời kỳ sau khi đã kết thúc dịch chuyển 3. Xử lý số liệu quan trắc Số liệu quan trắc từng chu kỳ phải được ghi đầy đủ vào sổ quan trắc theo đúng quy định. Số liệu của từng chu kỳ được xử lý riêng. Việc xử lý gồm: + Kiểm tra sổ sách ghi chép kết quả của quan trắc + Tính các thông số biến dạng như: Độ lún , độ dịch chuyển ngang , độ nghiêng I, độ cong K, biến dạng ngang , tốc độ dịch chuyển …. + Vẽ biểu đồ các dịch chuyển + Sau lần quan trắc cuối cùng sẽ xác định các thông số của dịch chuyển Khi xác định thông số của dịch chuyển dựa vào biểu đồ đó các đại lượng dịch chuyển như hình vẽ 1.4.3 . 10 +8.103 0 1 5 10 20 15 30 25 -8.103 Hình vẽ 1.4.3. a Biểu đồ độ lún +0,8.10 4 3 3 +0,4.10 2 0 1 5 10 20 15 2 -0,4.10 4 3 3 -0,8.10 Hình vẽ 1.4.3 .b Biểu đồ độ nghiêng 11 25 30 +0,8.10 4 3 3 +0,4.10 2 0 1 10 5 20 15 2 -0,4.10 30 25 4 3 3 -0,8.10 Hình vẽ 1.4.3 .c Biểu đồ độ cong 1 5  10 15/79 20  25     29  0 0 m  Hình vẽ 1.4.3 Biểu đồ biến dạng ngang xây dựng theo số liệu quan trắc 1.5.2. Trạm quan trắc ngắn hạn Được thành lập trong điều kiện độ sâu khai thác H không lớn hơn 250m, nhằm mục đích thu thập các số liệu của dịch chuyển riêng để giải quyết tức thời các nhiệm vụ đặt ra cho việc khai thác bên dưới từng công trình. Kết quả quan trắc được sử dụng cho các vùng có điều kiện tương tự mà chưa được nghiên cứu (quan trắc ) sự dịch chuyển . Trạm quan trắc được thành lập bao gồm: 1 tuyến quan trắc theo đường phương của vỉa như sau: (Hình vẽ 1.4.4) Tại điểm A, vị trí của phương lò chợ ở thời điểm dự kiến bắt đầu quan trắc, dựng một góc 400 về phía khoảng trống khai thác là AB. 12 l.t RI D 1 2 3 C 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 16 B R2  50m 50m HTB  -  A 400 Hình vẽ 1.4.4: Trạm quan trắc ngắn hạn Về phía hướng tiến của lò chợ dựng đường thẳng nghiêng phù hợp với đường nằm ngang một góc  -  đến phía mặt tiếp giáp giữa lớp đá gốc và lớp đất bồi và đặt góc  được điểm C trên mặt đất. Từ C lấy về theo hướng của lò chợ đoạn CD = l.t Trong đó: l - Là tiến độ trung bình của lò chợ trong 1 tháng t - Là thời gian dự kiến quan trắc (tháng) Giả sử R1 là mốc cố định cách D 50m, từ D đến B bố trí các mốc quan trắc 1, 2, 3,…..n. Khoảng cách giữa các mốc phụ thuộc vào chiều sâu khai thác H ( Bảng trong trạm quan trắc dài hạn và trung bình) Các mốc cố định và mốc quan trắc được làm bằng sắt đường ray hay các ống sắt, các thanh kim loại, hoặc làm bằng gỗ dài 0,7m đến 1m, đường kính 5 đến 8 cm. Đo nối tuyến quan trắc với các điểm khống chế cơ sở của mốc đo nối mặt bằng có thể dùng phương pháp đường chuyền kinh vĩ có độ chính xác 1/2000. Độ cao đo nối bằng thuỷ chuẩn hình học có độ chính xác là  15 L (mm). Đo độ cao và khoảng cách của các mốc quan trắc cũng giống như đo ở trạm quan trắc dài hạn và trung bình. Cùng lúc với việc quan trắc phải đo và hi chép các kẽ nứt trên mặt đất và các công trình trong phạm vi của chuyển dịch. Lần quan trắc thứ nhất tiến hành sau khi bố trí mốc xong 1 hoặc 2 ngày. Các lần sau: 8 đến 10 nhày cho đến khi kết thúc dịch chuyển trong phạm vi đó mới thôi. Điển hình là trạm quan trắc ngắn hạn là trạm quan trắc tấn số , là quy luật lún của các điểm trong mặt cắt chính của bồn dịch chuyển theo phương của vỉa được thể hiện ở chỗ khi tiến độ lò chợ xảy ra điều hoà thì điểm sau sẽ lặp lại dịch chuyển của điểm trước đó: Tuyến quan trắc tần số sẽ bố trí theo mặt cắt chính của bồn dịch chuyển dự kiến theo phương của vỉa (hình vẽ 1.4.5). 13 Mốc 1 bố trí ngoài khu vực ảnh hưởng của sự dịch chuyển, mốc 15 bố trí vào khu vực đã kết thúc sự dịch chuyển, 2 mốc này được coi là mốc cố định và vị trí của nó được xác định như xác định vị trí của R1 và B trên tuyến quan trắc ngắn hạn trên. Các mốc được làm bằng gỗ có chiều dài 0,7 m đến 0,8 m, đường kính 5 cm, khoảng cách giữa các mốc 8m đến 10 m. Lò chợ N01 VI V III II 0 I 10 5 1 IV 17 15 Hình vẽ 1.4.5 a Tuyến quan trắc tần số để quan trắc độ lún mặt đất 1 10 5 15 H=76m m VI V IV III II I Hình vẽ 1.4.5 b Mặt cắt đứng theo tuyến quan trắc Trạm quan trắc tần số áp dụng cho vỉa dốc thoải hoặc dốc có tiến độ lò chợ điều hoàn, lúc đo điểm sau sẽ lặp lại dịch chuyển của điểm trước nó. Qua 6 đến 10 ngày, tiến hành đo cao hình học 4 đến 5 lần cho tất cả các mốc với độ chính xác đo cao cấp IV. Theo số liệu đo xây dựng biểu đồ lún tiến độ (hình vẽ 1.4.6) cho các mốc theo các chu kỳ quan trắc và biểu đồ tốc độ lún trung bình (hình vẽ 1.4.7) của toàn bộ thời kỳ quan trắc . 14 Căn cứ vào tung độ trung bình, dựng đường cong lún (hình vẽ 1.4.8), để đường cong có dạng phù hợp; theo trục ngang đặt các khoảng cách, theo trục ngang đặt các khoảng cách trung bình từ gương lò chợ đến điểm nào đó với dấu dương, nếu điểm đó nằm trên phạm vi đã khai thác ( LiTB); LiTB là một nửa tổng của số các khoảng cách tại thời điểm i của lần đo cao trước và sau. liTB  li  li 1 2 Khoảng cách đến gương lò (m) +60 +40 +20 0 -20 -40 -60 -80 +60 +40 +20 0 -20 -40 -60 4 8 12 Tốc độ lún mm/ngày 16 18 20 24 Hình vẽ 1.4.6 Biểu đồ tốc độ lún theo các chu kỳ quan trắc Hình vẽ 1.4.7 Biểu đồ độ lún trung bình của toàn bộ thời kỳ quan trắc Khoảng cách đến gương lò (m) +60 +40 +20 0 +20 +40 +60 40 80 120 Độ lún cm Hình vẽ 1.4.8 Đường cong tích phân tốc độ, tức là đường cong lún của các điểm trong tuyến quan trắc từ 1  16 Trên biểu đồ ta xác định được điểm có độ lún 15 mm là biên của bồn chuyển dịch, chẳng hạn ở điểm cách lò chợ 60m. Ta đo độ sâu khai thác H = 76m vậy: tg  76m = 1,2667 =>  = 51042’ 60m 15 Ở đây  nhận được chưa phải là giá trị cuối cùng vì gương lò chợ chưa phải ở vị trí dừng mà còn đang đi tiếp. Tuy nhiên nó có thể dùng để tính cho các vùng có điều kiện tương tự. 1.5.3. Trạm quan trắc đặc biệt Mục đích của trạm quan trắc đặc biệt là nghiên cứu những vấn đề đặc biệt trong quá trình dịch chuyển đất đá và mặt đất, như nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình khai thác đến các khu vực nhà ở, nhà máy, đường dây, tuyến dẫn, đường giao thông, hồ chứa nước, sông, mương…. Quan trắc biến dạng của công trình được tiến hành khi khai thác thử ở những độ sau nhỏ hơn độ sâu an toàn hoặc là khai thác ở độ sâu gần với độ sâu an toàn, nhằm tìm biện pháp thuận lợi nhất cho công tác khai thác . Cụ thể một số trạm quan trắc thường gặp là: 1. Quan trắc chuyển dịch của các công trình xây dựng Giống như quan trắc biến dạng công trình xây dựng đã học. Khi quan trắc phải dùng các mốc, thông hướng là các mốc gắn trên tường của công trình xây dựng và mốc nề là các mốc cố định bố trí cách tường công trình 1,5m đến 2m. Khi quan trắc dùng máy thuỷ bình để đo độ chênh cao giữa mốc nền và mốc tường, đo khoảng cách giữa chúng. 2. Quan trắc chuyển dịch của đường xe lửa Tuyến quan trắc được bố trí bằng một mốc nền dọc theo nền đường và rải rác trong phạm vi bị ảnh hưởng. Thường người ta đánh dấu tuyến quan trắc bằng sơn đỏ trên đường ray và những chỗ nối. Nhiệm vụ khi quan trắc là: Đo độ cao của các điểm, đo khoảng cách giữa các điểm trên tuyến. Đo kẽ hở ở chỗ nối và ghi chép lại biến dạng của đường như: Đứt gãy, gián đoạn của tà vẹt, sự thay đổi góc nghiêng của đường ray, tình trạng của các ghi…. Tuỳ thuộc vào độ sâu khai thác, tiến độ của lò chợ, các quy định của việc sử dụng đường sắt, mà quy định chu kỳ quan trắc Dựa vào tài liệu quan trắc được mà xây dựng các biểu đồ chuyển dịch và biến dạng của nền đường, của đường ray, giá trị chuyển dịch, tốc độ chuyển dịch… Kết qủa chuyển cho bộ phận bảo dưỡng đường sắt của mỏ để tìm biện pháp khắc phục. 3. Quan trắc chuyển dịch cho các ống dẫn Tuyến quan trắc được bố trí dọc theo đường ống. Điểm quan trắc đánh dấu bằng sơn trên ống, cần lưu ý đến các mốc nối của đường ống. Nội dung quan trắc tương tự như các trạm quan trắc trên. Dự đoán chỗ nào biến dạng ngang lớn nhất ( đặc biệt là chỗ nối) phải tìm và phát hiện ít nhất là 3 chỗ rồi đánh dấu về 2 phía của ống dẫn để định kỳ theo dõi và quan trắc chúng. Dựa vào kết quả quan trắc xác định sự xê dịch tương đố và tuyệt đối giữa đường ống và mặt đất. Kết quả quan trắc được chuyển giao cho bộ phận quản lý bảo dưỡng đường ống để tìm ra biện pháp khắc phục. Bài tập: 16 Câu 1: Tính toán bố trí trạm quan trắc trung bình và dài hạn, biết: Vỉa ở độ sâu HTB = 300m; v = 300, lớp đất phủ dày 2, lò chợ khai thác dài 50m, cho các góc  =750;  =700;  = 300. Câu 2: Tính toán bố trí trạm quan trắc ngắn hạn biết: Vỉa than ở độ sâu HTB=250m; lớp đất phủ = 2m; chiều dài trung bình lò chợ l = 50m; thời gian quan trắc dự kiến 10 tháng; cho  =300;  = 800. Câu 3: Tính toán số mốc bố trí cho trạm quan trắc trung bình và dài hạn biết: Vỉa có độ sâu 478m; dày 5m; dốc 300; đất phủ dày 20m. Khai thác với lò chợ dài 70m; các góc dịch chuyển dự kiến là  =350;  =600 ;  =  = 700. 1.6. ƯỚC TÍNH DỊCH CHUYỂN VÀ BIẾN DẠNG MẶT ĐẤT DO ẢNH HƯỞNG CỦA KHAI THÁC MỎ HẦM LÒ 1.6.1. Khái niệm Trước khi áp dụng biện pháp để bảo vệ công trình, người ta tiến hành phân loại công trình ra nhiều hạng bậc, để tuỳ theo hạng bậc mà có biện pháp bảo vệ khác nhau: 1. Hạng bậc công trình được xác định dựa trên một số điều kiện - Ý nghĩa và công dụng của công trình - Loại kết cấu của công trình - Tính chất của sự phá hoại do khai thác Theo phân loại của Liên Xô cũ có 7 hạng công trình như sau: a. Công trình hạng I Gồm các công trình quan trọng nhất như nhà máy điện, các phân xưởng chính của nhà máy luyện kim, các nhà máy tuyển….. b. Công trình loại II Là các nhà cao 5 tầng trở lên, những phân xưởng công nghiệp có trang bị cần trục hạng nặng, các trạm biến thế điện 200 kw và 300 kw c. Công trình hạng III Là các hồ chứa nước lớn, các sông d. Công trình hạng IV Là các hệ thống ống dẫn dầu, hơi đốt, các đường sắt chính…. e. Công trình hạng V Là đường sắt nhánh và đường sắt cục bộ….. f. Công trình hạng IV Là nhà dưới 5 tầng g. Công trình hạng VII Như đường điện 110kv, 35 kinh vĩ, 6kv , đường xe điện trong mỏ, công trình hạng VII không cần phải để trong tuyến bảo vệ nhưng phải có biện pháp phòng chống khi khai thác biên dưới. Ứng với hạng công trình người ta quy định hệ số khai thác an toàn như bảng sau: Bảng 1.5.1 Hệ số khai thác an toàn KAT Hạng công trình Góc dốc vỉa  450 Góc dốc vỉa 450 17 I 400 500 II 350 400 III 250 300 IV 150 200 V 100 150 VI 50 75 VII Giá trị KAT ở bảng trên chỉ có giá trị khi khai thác một vỉa 2.Biện pháp bảo vệ các công trình hiện nay áp dụng - Các biện pháp xây dựng và kết cấu đặc biệt các công trình - Các biện pháp khai thác a. Nôi dung biện pháp thứ nhất: Khi xây dựng các công trình người ta dùng vật liệu đặc biệt làm cho công trình có cấu trúc đặc biệt hay gia cố thêm đối với các công trình xây dựng để nó có thể chịu được các biến dạng của mặt đất trong quá trình chuyển dịch b. Nội dung của biện pháp thứ hai: Gồm các phương pháp : * Phương pháp thứ nhất: Phân bố và khai thác hợp lý các lò chợ trong một vỉa hoặc một số vỉa dưới các công trình * Phương pháp thứ hai: Khai thác không hết chiều dày vỉa hoặc một phần diện tích vỉa * Phương pháp thứ ba: Lấp toàn bộ, hay lấp từng phần khoảng trống đã khai thác bằng vật liệu đưa từ nơi khác đến * Phương pháp thứ tư: Để lại trụ bảo vệ dưới các công trình Nếu áp dụng phương pháp thứ 4, thì nhiệm vụ của trắc địa phải xác định vị trí, kích thước, khối lượng của trụ bảo vệ đó, phương pháp tính toán xác định như sau: 1.6.2. Các phương pháp tính trụ bảo vệ Bảo vệ các công trình bằng trụ bảo vệ được dùng trong trường hợp độ sâu khai thác nhỏ hơn độ sâu khai thác an toàn và xét thấy áp dụng các biện pháp khác là không có lợi. Để lại trụ bảo vệ là biện pháp chắc chắn nhất nhưng lại lãng phí tài nguyên nhất lên cần phải xem xét cụ thể nhất mới áp dụng, vì đây là biện pháp “Tiêu cực”. Phương pháp tính trụ bảo vệ có thể áp dụng bằng một trong các cách sau: 1. Phương pháp mặt cắt đứng Ta xét cụ thể chẳng hạn tính trụ bảo vệ cho 1 toà nhà (Hình vẽ 1.5.1) 18 H’ a   E’ b A  B a0 H’ b0 a' A  b' a0’   HTB  D G’ b0’ HTB  G H Trụ than E  Trụ than H E H F B C A D G Hình vẽ 1.5.1 Tính và dựng biên giới trụ bảo vệ trên các mặt cắt Từ chân tường của toàn nhà đặt các khoảng cách đai an toàn S được các điểm A, B, C, D….Độ lớn của S được gọi là chiều rộng đai an toàn. Theo tiêu chuẩn của Liên Xô cũ cho vùng mỏ Donbass thì đai an toàn quy định như bảng sau cho hạng công trình: Bảng 1.5.2 Hạng công trình I II III IV V VI Đai an toàn S (m) 20 15 10 10 5 5 Từ mặt đất tịa các điểm A, B, C, D đã xác định ta đặt các góc  xuống đến lớp đất bồi, từ mặt lớp đá gốc ta đặt các góc  và  xuống gặp vỉa H và Q ( Trên mặt cắt theo hướng dốc của vỉa). Cũng từ mặt lớp đá gốc ta đặt các góc  xuống gặp vỉa ở E và H trên mặt cắt theo đường phương của vỉa. Chiếu các điẻm E, G, H về hình chiều bằng ta được các điểm E, F, G, H là giới hạn của trụ bảo vệ . Các góc chuyển dịch , , ,  dùng để tính trụ bảo vệ được lấy từ quy phạm bảo vệ các công trình được quy định cho từng mỏ riêng. Mỏ Đôn Bát của Liên Xô cũ quy định theo bảng sau:  =  =  = 700 Bảng 1.5.3 Góc chuyển dịch Góc dốc vỉa V 0  0 0 85 85 85 0050 90-V 90 85 60440 0 0 90-V 85 85 45 65 0 0 V-40 85 85 66 69 19 30 85 85 700850 Chú ý: Khi tính trụ bảo vệ đặt các góc chuyển dịch ngược chiều so với góc đặt khi xác định vùng chuyển dịch. Giá trị các góc chuyển dịch , ,  ở nước ta quy định theo kết quả đã quan trắc được ở vùng chuyển dịch của từng khu mỏ mà phần trước ta nghiên cứu, phần lập trạm quan trắc chuyển dịch . 2. Phương pháp pháp tuyến Ví dụ: Tính trụ bảo vệ cho toà nhà như hình vẽ 1.5.2 a. Vì nhà có hình dạng phức tạp nên phải xác định chu vi tổng quát của nó là: a,b, c, d. Chu vi bảo vệ theo đai an toàn là a’, b’, c’, d’. Độ cao của mặt đất xây dựng toà nhà là 210m. Mặt phẳng vỉa thể hiện bằng các đường phương 50m, 100m, 150m. Lập mặt cắt EK theo hướng dốc xác định được 2 điểm trên biên bảo vệ là F’ và M’ hình vẽ 1.5.2 b. Lập mặt cắt AB và chuyển dịch theo đường phương ở 2 mức độ cao của vỉa, xác định được các điểm P’, T’, O’, N’ trên biên bảo vệ hình vẽ 1.5.2 c, và hình vẽ 1.5.2 d. Đưa các điểm F’, M’, P’, T’, O’, N’ vào hình chiếu bằng hình vẽ 1.5.2 a ta có được chu vi bảo vệ là: P0, T0, O0, N0. Trường hợp này ta dùng 3 mặt cắt là: 2 mặt cắt theo đường phương và một mặt cắt theo hướng dốc. E T0 F’ P0 P’ 150 a' c 100 c' O’ C 100 a d A B T’ e d' 150 N’ N0 b b' g g e E F’  D  HTB=110 50   M’ M K O0 M’ K a) b) F 50 A P’  b'  a'  O’ T’ B   c'  75m b'  N’  148m d) c) P O T N Hình vẽ 1.5.2 Tính trụ bảo vệ dưới những công trình có kích thước và diện tích không lớn 20