Một số kết quả nghiên cứu dự báo các tai biến địa chất trong xây dựng công trình ngầm và khái thác mỏ bằng chương trình Phase2

 12 
T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 44/10-2013, tr.12-16 
KHAI THÁC MỎ & XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM (trang 12-16) 
MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU DỰ BÁO CÁC TAI BIẾN ĐỊA CHẤT 
TRONG XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH NGẦM VÀ KHÁI THÁC MỎ 
BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PHASE2 
NGUYỄN QUANG PHÍCH, NGUYỄN VĂN MẠNH, LÊ TUẤN ANH, BÙI VĂN ĐỨC 
Trường Đại học Mỏ - Địa chất 
Tĩm tắt: Trong khai thác mỏ và xây dựng cơng trình ngầm ở nước ta và trên thế giới đã 
xảy ra khơng ít các tai biến địa chất như lún, sụt, trượt đến mặt đất, các hiện tượng phá hủy 
trong vỏ quả đất, bục nước, khí và các tác động rung chấn, gây thiệt hại nhiều về kinh tế và 
sinh mạng con người. Nghiên cứu dự báo, phân tích các tai biến địa chất nhằm hạn chế và 
giảm thiểu là nhu cầu bức thiết. Cĩ nhiều phương pháp khác nhau được phát triển và áp 
dụng cho mục tiêu này, trong đĩ phương pháp số đang là phương pháp hữu hiệu. Bài báo 
giới thiệu khái quát về phương pháp số và các chương trình phổ dụng hiện nay, cũng như 
một số kết quả nghiên cứu nhận được khi sử dụng chương trình Phase2. 
1. Mở đầu 
Xây dựng cơng trình ngầm và khai thác mỏ 
hầm lị gây ra các quá trình biến đổi cơ học 
phức tạp trong vỏ quả đất, phụ thuộc vào nhiều 
yiếu tố tác động khác nhau [1]. Tùy thuộc vào 
mức độ ảnh hưởng của các yếu tố tác động cĩ 
thể dẫn đến các biến cố khác nhau như: 
 lún, sụt , trượt lở đến mặt đất; 
 trượt lở, sập lở vỡ nổ đá xung quanh khu 
vự khai thác, xây dựng cơng trình ngầm; 
 bục nước, khí, nổ khí 
 gây ra các rung chấn trong lịng đất do 
các quá trình phá hủy khối đất đá, được điều 
khiển hoặc ngẫu nhiên. 
Các hiện tượng, các biến cố này xuất hiện, 
trước tiên là do sự tiềm ẩn các điều kiện địa 
chất phức tạp trong lịng vỏ trái đất, tiếp đĩ là 
các hoạt động kỹ thuật của con người. Mặc dù 
rất nhiều biến cố xảy ra cĩ thể là hậu quả của 
những hoạt động chưa hợp lý về mặt kỹ thuật, 
song thực tế cho thấy, nguyên nhân chính của 
các biến cố này điều kiện địa chất bất thường, 
khơng lường hết được, tiềm ẩn trong khối đất 
đá, mà dù cĩ đầu tư vào cơng tác thăm dị nhiều 
hơn, con người vẫn khĩ cĩ thể đánh giá chính 
xác được các biến đổi địa chất trong khơng 
gian. Chính vì vậy cĩ thể coi các biến cố này là 
các tai biến địa chất, hoặc tai biến địa chất – kỹ 
thuật, do liên quan với hoạt động kỹ thuật của 
con người, cụ thể với yếu tố nhân sinh là hoạt 
động khai thác khống sản cũng như xây dựng 
các cơng trình ngầm trong lịng đất [2, 3]. 
Đến nay các tai biến địa chất đã gây ra 
nhiều hậu quả nghiêm trọng về kinh tế và mạng 
sống của con người, trong khai thác hầm lị và 
xây dựng cơng trình ngầm ở nước ta, do vậy dự 
báo và hạn chế các loại tai biến địa chất luơn là 
mối quan tâm, bức xúc trong cơng tác quản lý 
và nghiên cứu khoa học. Trên thế giới, các 
phương pháp nghiên cứu nhằm dự báo các hiện 
tượng dịch động và lún sụt đến mặt đất trong 
khai thác mỏ và xây dựng cơng trình ngầm 
truyền thống được phát triển trong lĩnh vực 
Trắc địa mỏ và Địa cơ học, cĩ thể xếp vào 4 
nhĩm điển hình là: 
 phương pháp tích phân hình học, với mơ 
hình kinh nghiệm của Loos(1960) [4], 
 phương pháp mơ hình địa cơ học, với 
mơ hình khối đá đàn hồi, khơng đồng nhất của 
Kratsch (1997) [5], 
 phương pháp xác suất-thơng kê, với mơ 
hình của Litwiniszyn (1956) [6] và đề xuất 
riêng của Knothe (1953) [7], 
 13 
 phương pháp mơ hình vật liệu tương 
đương như Jacobi (1981) [8]. 
Trong lĩnh vực Địa cơ học ngày nay, 
phương pháp số đã được áp dụng tương đối phổ 
biến để dự báo và phân tích tổng thể các tai biến 
địa chất nĩi chung và đặc biệt là các tai biến 
liên quan với khai thác mỏ và xây dựng cơng 
trình ngầm [9]. Trong bài này giới thiệu sơ lược 
một số kết quả nghiên cứu đã thu được khi sử 
dụng chương trình Phase 2. 
2. Chương trình Phase2 
Phase2 là chương trình số 2D (hai chiều) 
được RocScience xây dựng trên cơ sở phương 
pháp phần tử hữu hạn sử dụng trong lĩnh vực 
Địa kỹ thuật [10]. 
Trong Phase2 cĩ đề cập đến mơ hình cơ 
học khác nhau cho khối đất, đá, như Mohr – 
Coulomb, Hoek – Brown. Ngồi ra chương 
trình cũng cĩ khả năng mơ hình các hệ khe nứt 
trong khối đá như các hệ khe nứt tự nhiên hoặc 
các hệ khe nứt do quá trình thi cơng tạo ra. 
Phase 2 thuộc nhĩm chương trình được 
“điều khiển bằng menu”, khá thuận tiện cho 
người sử dụng, khơng địi hỏi phải lập trình với 
các lệnh phức tạp. Tuy nhiên nhược điểm của 
các phương pháp số nhĩm này là mỗi vấn đề 
cần nghiên cứu cụ thể phải được thiết lập ngay 
từ đầu, nghĩa là khơng cho phép thay đổi cấu 
trúc của mơ hình tính trong quá trình tính. 
3. Một số kết quả phân tích 
Các bài tốn biên 2 chiều được giới thiệu ở 
đây, thiết lập cho các trường hợp: đường lị đào 
trong than, đường hầm đào trong đá cĩ một hệ 
khe nứt, đường hầm đào gần đới phá hủy, 
đường hầm đào gần hang hốc chứa nước (túi 
nước) và lị chợ khai thác than. 
Trên hình 1 cho thấy các vùng phá hủy tại 
các lị đào trong than, cho hai trường hợp vỉa 
than mỏng và vỉa than dày. Với cùng các điều 
kiện biên và các tính chất cơ học của than và đá 
như nhau. Kết quả cho thấy: khi vỉa than mỏng, 
dưới tác động của ứng suất tập trung trong 
phạm nhỏ, nên vùng phá hủy gần như khép kín 
quanh đường lị, trong khi đĩ ở trường hợp vỉa 
than chiều dày lớn, vùng phá hủy phát triển chủ 
yếu ở hai bên sườn, do các ứng suất truyền từ 
các lớp đá vào được lan xa vào trong khối than. 
Hình 1. Vùng phá hủy quanh đường lị đào trong 
than khi vỉa than mỏng a) và vỉa than dày b) 
Trong trường hợp khối đá đồng nhất, phân 
lớp đều, trên hình 2 cho thấy các dạng vùng phá 
hủy hình thành khi các gĩc nghiêng của hệ khe 
nứt là 45 độ a), 60 độ b) và 90 độ c). Các kết 
quả nhận được cho thấy sự phụ thuộc đặc biệt 
vào tính bất đẳng hướng của khối đá. Ở đây mới 
là các ví dụ tính với các sơ đồ cụ thể về vị trí 
của hệ khe nứt. Để cĩ được đánh giá đầy đủ và 
lơgic, sẽ tiến hành “phân tích tham số”, cụ thể 
là cùng các gĩc nghiêng, song với các vị trí thay 
đổi tương đối giữa khe nứt và đường hầm. Tuy 
nhiên, với các ví dụ này cho thấy tính đa dạng 
và phức tạp của các vùng phá hủy về cả quy 
mơ và hướng phát triển. 
a) 
b) 
 14 
a) 
b) 
c) 
Hình 2. Các vùng phá hủy quanh đường hầm 
trong khối đá cĩ một hệ khe nứt 
Trong thực tế đã cĩ nhiều trường hợp 
đường hầm đào gần phay, đới phá hủy, bị phá 
hủy sau khi đào và chống tạm, điển hình là tại 
đường hầm dẫn nước thủy điện Ba Hạ. Chỉ dựa 
vào các khảo sát trên biên, hoặc vùng gần ở 
xung quanh, cĩ thể đánh giá chất lượng khối đá 
theo tiêu chuẩn nào đĩ và xếp vào một nhĩm 
xác định, khi khơng chú ý đến đới phá hủy hoặc 
phay ở lân cận. Tuy nhiên do sự cĩ mặt của đới 
phá hủy, nên vùng tập trung ứng suất sẽ co lại 
gần biên hầm và làm cho vùng phá hủy là rộng 
về phía đới phá hủy. Trong đới phá hủy hay 
phay cũng hình thành vùng phá hủy, mặc dù các 
thành phần ứng suất tập trung khơng lớn. Từ đĩ 
tạo ra vùng phá hủy liên thơng với phay. Hình 3 
là ví dụ phân tích cho trường hợp phay nghiêng, 
nằm đủ xa đường hầm. 
phay 
Hình 3. Vùng phá hủy khi đường hầm nằm gần 
phay (đới phá hủy) 
Trường hợp phổ biến hơn trong thực tế là 
đường hầm đào tiến gần đến phay và cắt qua 
phay. Trong các trường hợp này đã xảy ra khá 
nhiều tai biến (sự cố) cả trong khai thác mỏ và 
xây dựng cơng trình ngầm. Nghiên cứu các quy 
luật xảy ra ở đây địi hỏi các chương trình 3D, 
do vậy trong bài này khơng đề cập đến. 
Gần tương tự như trường hợp đường lị, 
đường hầm nằm gần phay là các trường hợp 
các cơng trình ngầm nằm gần các túi khí, nước. 
 15 
Trường hợp này đã hay xảy ra khi đào các 
đường lị phục vụ khai thác than và cả trong quá 
trình khai thác than, quặng ở nước ta. Các hang 
hốc này cĩ thể hình thành tự nhiên, song cũng 
cĩ thể xuất hiện từ các quá trình khai thác trước 
đây, nhưng chưa được xử lí triệt để. Đây cũng 
là hiện tượng thường gặp trong các vùng cĩ 
nhiều đá vơi, do sự cĩ mặt của các hang karst. 
Kết quả khảo sát một ví dụ trên hình 4, với 
vùng hang hốc rộng, cho thấy vùng phá hủy 
phát triển trong tồn bộ vùng khối đá bao quanh 
đường lị và vùng chứa túi nước. Như vậy sập 
lở và bục nước là khơng tránh khỏi. Tuy nhiên, 
khi sử dụng chương trình 3D sẽ cĩ thể cho phép 
xác định được khoảng cách giới hạn chưa dẫn 
đến bục nước, cho phép xử lý trước khi đào tiếp 
tục. 
Hình 4. Vùng phá hủy khi gặp túi nước, 
kích thước rất lớn 
Dịch động và lún trong khai thác than là 
vấn đề đang được chú ý nhiều, khi chúng ta 
chuẩn bị khai thác than vùng đồng bằng Sơng 
Hồng. Cĩ khá nhiều cơng thức kinh nghiệm đã 
được xây dựng, nhằm dự báo mức độ lún sụt 
trên mặt đất. Nĩi chung lún sụt trên mặt đất là 
hàm số của nhiều yếu tố tác động khác nhau. 
Do vậy khơng phải bao giờ cũng cĩ thể sử dụng 
các cơng thức kinh nghiệm thu được cho vùng 
nào đĩ để áp dụng ngay cho vùng khác, nhất là 
khi điều kiện địa chất cĩ dấu hiệu khác nhau. 
Các phương pháp số khác nhau cho phép chú ý 
được các điều kiện địa chất nhất định, việc lựa 
chọn và sử dụng hợp lý phương pháp số sẽ cho 
phép cĩ được nhận định, dự báo gần đúng 
hơn.Trên hình 5 a) và b) là hình ảnh về dịch 
động và lún mặt đất khi khai thác than bằng hệ 
thống lị chợ dài, vỉa than nằm ngang a) và nằm 
nghiêng b). Cĩ thể nhận thấy rằng các quy luật 
định tính hồn tồn phù hợp với các kết quả đo 
đạc, phân tích trên mơ hình vật liệu tương 
đương của các tác giả khác nhau. 
Hình 5. Kết quả phân tích dịch động và lún sụt 
khi khai thác than 
a) vỉa bằng; b) vỉa nghiêng 
4. Nhận xét và kết luận 
Từ các kết quả nghiên cứu cĩ thể rút ra một 
số nhận xét sau đây: 
1. Với mơ hình xây dựng hợp lý hồn tồn 
cĩ thể chú ý được các đặc điểm địa chất đặc 
trưng của khối đá trong tính tốn dự báo các 
quá trình biến đổi địa cơ học, cho phép dự báo 
được các tai biến địa chất cũng như lựa chọn 
các giải pháp kỹ thuật hợp lý, khi tiến hành 
phân tích tham số. 
2. Các kết quả nhận được cho thấy, các 
dạng tai biến rất phức tạp và đa dạng, khơng thể 
mơ phỏng, đánh giá được bằng các phương 
pháp giải tích, hoặc chỉ dựa vào các kết quả 
thực nghiệm. 
a) 
b)
 16 
3. Phương pháp số cho phép tiến hành phân 
tích tham số (thay đổi các tham số đầu vào), do 
vậy cho phép nhận được các kết luận về tính 
quy luật của các yếu tố tác động nhất định, từ 
đĩ cho phép dự báo được các tai biến cĩ thể xảy 
ra, trước khi thi cơng, xây dựng hoặc khai thác. 
Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp số 
cũng cĩ những hạn chế nhất định, cụ thể là: 
1. Muốn cĩ kết quả phù hợp, địi hỏi phải 
cĩ các thơng số đầu vào phù hợp. Vấn đề này 
hiện nay cịn gặp hạn chế trong khâu thăm dị, 
khảo sát và thí nghiệm. 
2. Việc phân tích tham số địi hỏi nhiều thời 
gian và nhiều thử nghiệm trong quá trình tính 
tốn, một mặt để chú ý đến phạm vi biến động 
của các tham số, mặt khác cũng phải chú ý để 
cĩ được sơ đồ, mơ hình tính ổn định trong quá 
trình tính. 
3. Các chương trình số thương mại cĩ giá 
thành cao, nhưng lại địi hỏi phải tập trung 
nghiên cứu khai thác mới cĩ thể phát huy hiệu 
quả tương xứng. 
Phương pháp số, dù cĩ nhiều ưu điểm và 
khả năng mơ phỏng tốt, song chắc chắn cũng 
chưa thể chú ý được hết các yếu tố biến động 
địa chất, do vậy đo đạc, quan trắc vẫn sẽ là cơng 
cụ bổ trợ đắc lực trong quá trình thi cơng. Sử 
dụng các phương pháp khác nhau trong nghiên 
cứu và giải quyết các bài tốn thực tế địi hỏi sự 
hợp tác chặt chẽ đa ngành đồng thời địi hỏi 
mỗi ngành chuyên mơn đều phải phát triển, 
hồn thiện các thủ thuật nghiên cứu riêng. 
Cơng trình được hồn thành với sự tài trợ 
của Bộ Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam, đề 
tài nghiên cứu mã số ĐT.NCCB-ĐHƯD.2011-
G/13 . 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Quang Phích, 2007. Cơ học đá. 
Nhà xuất bản Xây dựng. 
[2]. Tai biến địa chất và các hiện tượng liên 
quan.  
C4%90%E1%BB%8Bnh-ngh%C4%A9a-tai-bi 
% E1%BA%BFn-t%E1%BB%B1-nhien-va-tai-
bi%E1%BA%BFn-%C4%91%E1%BB%8Ba-c 
h%E1%BA%A5t 
[3]. Irmina Pưschl
and Johannes Kleberger.
Geotechnical Risk in Rock Mass 
Characterisation – A Concept.  ic-
group.org/uploads/media/riskrockmasschar_en.
pdf 
[4]. LOOS, W., 1960. Die Ausbildung der 
Senkungsmulde im Saarbergbau, Mitt. 
Markscheidewesen 67, 266/65. 
[5]. KRATZSCH, H., 1997. Bergschadenkunde. 
Deutscher Markscheider–Verein e.V. Bochum. 
[6]. LITWINISZYN, J., 1956. Gebirgsbewegun-
gen über einem Abbau als stochastischer Prozess 
aufgefasst. Freiberger Forschungshefte, C 22, S. 
45-64. 
[7]. KNOTHE, S., 1953. Rĩwnanie profili 
ostatecznie wykształconej niecki osiadania 
(poln.). Arch. Gĩrn. Hutn. H 1, S. 50-62. 
[8]. JAKOBI, O., 1981. Praxis der 
Gebirgsbeherrschung. Verlag Glückauf GmbH. 
Essen 1981. 
[9]. Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh, 
Đỗ Ngọc Anh. Phương pháp số-Chương trình 
Plaxis 3D và UDEC. Nhà xuất bản xây dựng. 
Hà nội 2007. 
[10].
se2/webhelp/tutorials/Phase2_Tutorials.htm
SUMMARY 
Some research Results on Forcasting of Geohazards in Miming and Tunneling using Phase2 
Nguyen Quang Phich, Nguyen Van Manh, Le Tuan Anh, Bui Van Duc 
Hanoi University of Mining and Geology 
In mining and tunneling in Vietnam and over the world there happened a lots of geohazards 
like subsidence, sinkholes, collaps in underground, water and gas ingress and also gas explosion, 
and rock bursts and tremors. Investigation for forecasting and evaluation of geohazards in oder to 
prevent and reduce them is an improtant issue. There are a lots of methodes used to solve these 
problems. Numerical method is very effective. The paper gives an overview about numerical 
methods and presents some investigation results by using Phase2.