Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp khai thác than đóng vai trò chiến lược trong nền kinh tế Việt Nam, với tốc độ tăng trưởng sản lượng của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) tăng mạnh từ 27,5 triệu tấn năm 2004 lên 47,5 triệu tấn năm 2010 (đạt mức tăng trưởng bình quân 12,1%/năm). Theo định hướng Quy hoạch phát triển ngành Than tại Quyết định số 403/QĐ-TTg, sản lượng khai thác dự kiến đạt 50 triệu tấn vào năm 2020 và chạm mốc 57 triệu tấn vào năm 2030. Tuy nhiên, hoạt động khai thác than lộ thiên quy mô lớn tại vùng than Cẩm Phả đã làm biến đổi sâu sắc địa hình, hủy hoại thảm thực vật tự nhiên và tạo ra các bãi thải đất đá khổng lồ.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán suy thoái môi trường và hệ sinh thái thảm thực vật do quá trình đào sâu, bóc đất đá và đổ thải gây ra. Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích hiện trạng khai thác, đánh giá tính chất cơ lý hóa của đất đá bãi thải, xác định mức độ tác động đến thảm thực vật, từ đó đề xuất định hướng kỹ thuật và lựa chọn loài cây thích ứng tốt để cải tạo phục hồi môi trường.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại mỏ than Cọc Sáu thuộc Công ty Cổ phần Than Cọc Sáu - Vinacomin tại thành phố Cẩm Phả, tỉnh Quảng Ninh, với diện tích khai trường quản lý 5,35 km² (theo Giấy phép khai thác số 2820/GP-BTNMT), thời gian khảo sát thực nghiệm chuyên sâu trong giai đoạn 2017–2018. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn khi cung cấp cơ sở khoa học để xử lý hơn 137 triệu m³ đất đá bãi thải, hỗ trợ đắc lực cho mục tiêu nâng cao tỷ lệ che phủ rừng của Quảng Ninh từ 41,3% lên 44,4%, đồng thời làm chuẩn mực áp dụng cho các mỏ lân cận trong khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết diễn thế sinh thái (Ecological Succession Theory) và lý thuyết phục hồi sinh thái (Ecological Restoration). Trong điều kiện bãi thải mỏ than, diễn thế nguyên sinh diễn ra trên giá thể nhân tạo nghèo kiệt chất hữu cơ, đòi hỏi sự can thiệp có chủ đích của con người thông qua công nghệ sinh học thực vật (Phytoremediation) để thúc đẩy quá trình hình thành lớp phủ thổ nhưỡng. Bên cạnh đó, mô hình ổn định sườn dốc địa kỹ thuật mỏ cũng được tích hợp nhằm đảm bảo an toàn cơ lý cho thảm cây trồng trên các sườn tầng có độ dốc từ 33 đến 37 độ.

Khung lý thuyết vận dụng 4 khái niệm khoa học cốt lõi:

  1. Hoàn thổ phục hồi môi trường mỏ: Quá trình tái tạo lại địa hình và phục hồi chức năng sinh thái sau khai thác khoáng sản.
  2. Thảm thực vật tiên phong: Quần thể thực vật có khả năng chống chịu điều kiện khắc nghiệt, cố định đạm và cải tạo đất ban đầu.
  3. Độ tàn che và sinh khối: Chỉ số phản ánh mức độ che phủ của tán cây và khả năng tích lũy chất hữu cơ của thảm thực vật.
  4. Bãi thải đất đá mỏ lộ thiên: Khu vực tích tụ đất đá bóc trong quá trình khai thác, có cấu trúc xốp rời và tính chất cơ lý không đồng nhất.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu đa tầng bao gồm số liệu thứ cấp từ Công ty Cổ phần Than Cọc Sáu, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Trạm Khí tượng Cửa Ông và chuỗi dữ liệu sơ cấp thu thập thực địa từ tháng 11/2017 đến tháng 8/2018, cùng 2 đợt quan trắc chuyên sâu vào tháng 9 và tháng 10/2018.

Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu được thiết kế chuẩn mực:

  • Lấy mẫu và phân tích 146 mẫu than đại diện cho các vỉa để xác định chỉ tiêu chất bốc, nhiệt lượng và hàm lượng lưu huỳnh (dao động từ 0,12% đến 0,64%).
  • Lấy mẫu đất tại các tầng thải ở độ sâu 10–20 cm theo tiêu chuẩn TCVN 4046:1985 và TCVN 5297:1995 bằng phương pháp ngẫu nhiên phân tầng đại diện cho sườn dốc và mặt bãi thải.
  • Quan trắc chất lượng không khí, tiếng ồn, nước mặt và nước ngầm tại nhiều vị trí xung quanh khai trường và khu dân cư phường Cẩm Phú.

Phương pháp phân tích được lựa chọn dựa trên tính chuẩn hóa và độ chính xác cao:

  • Xác định kim loại nặng trong đất bằng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS); phân tích thành phần cơ giới qua phương pháp ống hút Robinson; hàm lượng mùn theo phương pháp Tiurin; đạm tổng số theo phương pháp Kjeldahl.
  • Đo nhanh vi khí hậu, nồng độ bụi lơ lửng TSP bằng máy Cell-712 Microdust Pro và độ ồn bằng máy RION NL-20 tại hiện trường. Việc kết hợp này giúp đối sánh chính xác với các quy chuẩn quốc gia như QCVN 05:2013/BTNMT, QCVN 08-MT:2015/BTNMT và QCVN 03-MT:2015/BTNMT.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, quy mô khai thác lộ thiên tạo ra áp lực biến dạng địa hình cực lớn. Tổng khối lượng đất đá thải của mỏ Cọc Sáu lên đến 137 triệu m³, tập trung chủ yếu tại bãi thải Đông Cao Sơn và Nam Thắng Lợi. Khai trường moong Thắng Lợi bị đào sâu xuống cốt -375 m, làm hạ thấp mực nước ngầm khu vực từ 30 đến 50 m so với trạng thái tự nhiên ban đầu.

Thứ hai, chất lượng các thành phần môi trường vật lý cơ bản nằm trong giới hạn kiểm soát. Hàm lượng bụi tổng (TSP) tại khai trường dao động từ 0,24 đến 0,29 mg/m³, thấp hơn mức giới hạn 2,0 mg/m³ của tiêu chuẩn vệ sinh lao động; tại khu dân cư dao động từ 0,15 đến 0,17 mg/m³, đạt quy chuẩn QCVN 05:2013/BTNMT. Đất bãi thải chưa xuất hiện ô nhiễm kim loại nặng nguy hại (As, Cd, Pb, Cu, Zn), nhưng đặc tính vật lý rất bất lợi với tỷ lệ đá tảng, sạn kết cứng chiếm ưu thế và hàm lượng dinh dưỡng dễ tiêu cực thấp.

Thứ ba, thảm thực vật nguyên sinh bị suy giảm nghiêm trọng. Khoảng 40% diện tích ngoài khai trường của mỏ biến thành đồi nghèo thực vật hoặc trảng cỏ Sim, Mua, Cỏ tranh thoái hóa với độ che phủ thấp (dưới 0,3). Toàn bộ các hệ sinh thái rừng kín thường xanh mưa ẩm nhiệt đới giàu trữ lượng trước đây đã bị thay thế hoàn toàn bởi các tầng khai thác và đất đá thải xói mòn.

Thứ tư, các loài cây cải tạo họ Đậu thể hiện khả năng sinh trưởng vượt bậc. Thử nghiệm thực địa cho thấy các loài Keo tai tượng và Keo lá tràm đạt tỷ lệ sống trên 85% sau 1 năm trồng, vượt trội hoàn toàn so với các loài cây gỗ bản địa tái sinh tự nhiên trên nền đất đá bãi thải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến thảm thực vật khó tự phục hồi là do độ dốc sườn bãi thải lớn (33–37 độ), kết hợp với lượng mưa trung bình năm đạt 2.144,9 mm (đặc biệt các trận mưa cực đoan có lượng mưa ngày lên tới 472 mm) gây xói mòn và rửa trôi mãnh liệt lớp đất mặt. Đất đá bãi thải chứa nhiều cát kết, sạn kết có độ cứng cấp 10–12, xi măng gắn kết silic nên khả năng giữ ẩm rất kém.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu phục hồi mỏ tại bang Wyoming (Mỹ) hay vùng Hunter Valley (Úc), kết quả của luận văn khẳng định sự tương đồng: việc trồng trực tiếp cây họ Đậu kết hợp cải tạo nền đất giúp rút ngắn thời gian phủ xanh tới 40% so với quá trình để tự nhiên phục hồi. Các dữ liệu đo đạc về sinh trưởng đường kính và chiều cao sau 12 tháng thể hiện qua biểu đồ hình cột chỉ ra rằng Keo tai tượng đạt tốc độ tăng trưởng chiều cao từ 1,2 đến 1,8 m/năm, tạo lớp thảm che phủ hữu hiệu chống xói mòn chân bãi thải.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải tạo địa hình và cắt tầng giật cấp sườn bãi thải: Công ty Cổ phần Than Cọc Sáu cần tiến hành san gạt các tầng thải về chiều cao kết thúc ổn định 30 m, hạ góc nghiêng sườn tầng xuống dưới 30 độ, thi công đê bao an toàn chân bãi thải có chiều cao tối thiểu 1,35 m và mặt đê rộng trên 1,0 m trong vòng 12 tháng để triệt tiêu nguy cơ sạt lở.
  2. Trồng rừng phục hồi sinh thái bằng loài cây tiên phong đa tầng: Triển khai trồng Keo tai tượng và Keo lá tràm với mật độ 1.600–2.000 cây/ha trên các sườn tầng bãi thải Đông Cao Sơn, kết hợp gieo cỏ Vetiver dọc theo các mép rãnh thoát nước, hướng tới mục tiêu phủ xanh 85% diện tích bãi thải trong giai đoạn 2020–2025.
  3. Xây dựng mô hình "đảo phủ xanh" cục bộ trên mặt bằng bãi thải: Thiết lập các đảo cây hạt nhân trên mặt bằng bãi thải rộng 40–100 m bằng cách đổ lớp đất màu dày 20–30 cm và bón lót phân vi sinh nhằm tạo điểm tựa sinh học cho các loài chim, côn trùng phát tán hạt giống tự nhiên.
  4. Nâng cấp hệ thống thoát nước và xử lý nước mỏ: Hoàn thiện mạng lưới rãnh thu gom nước đỉnh tầng và đáy moong dẫn về suối Hóa Chất với hệ số lưu lượng Kq = 0,9, duy trì trạm bơm cưỡng bức công suất 1.000–1.200 m³/h trong mùa mưa, phối hợp kiểm định định kỳ cùng Sở Tài nguyên và Môi trường Quảng Ninh đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và lâm nghiệp: Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Kiểm lâm Quảng Ninh có thể sử dụng các số liệu thực chứng để xây dựng bộ tiêu chí giám sát hoàn thổ và cấp phép môi trường cho các dự án khai thác mỏ.
  2. Lãnh đạo và kỹ sư môi trường tại các doanh nghiệp khai khoáng: Ban lãnh đạo TKV, Tổng công ty Đông Bắc và các đơn vị thành viên có thể ứng dụng trực tiếp quy trình kỹ thuật giật cấp, chọn loài cây cải tạo cho bãi thải Đông Cao Sơn, Khe Rè và các mỏ lộ thiên lân cận.
  3. Nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học: Các nhà nghiên cứu thuộc chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên, Lâm sinh có thể sử dụng luận văn làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu so sánh về diễn thế sinh thái sau khai mỏ.
  4. Tổ chức tư vấn lập báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM): Các chuyên gia tư vấn có thêm cơ sở dữ liệu tin cậy về tính chất lý hóa đất đá mỏ Cọc Sáu để xây dựng các phương án cải tạo phục hồi môi trường sát với thực tế sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

Hoạt động khai thác mỏ Cọc Sáu gây tác động lớn nhất đến yếu tố sinh thái nào?
Tác động nghiêm trọng nhất là việc bóc lớp đất mặt và hạ sâu moong khai thác xuống mức -375 m, phá hủy hoàn toàn thảm thực vật nguyên sinh và làm suy giảm 30–50 m mực nước ngầm. Hơn 137 triệu m³ đất đá thải tích tụ tạo thành địa hình dốc đứng, gây suy thoái hệ sinh thái nghiêm trọng.

Vì sao thực vật bản địa khó tự tái sinh trên bãi thải mỏ than Cọc Sáu?
Đất đá bãi thải chủ yếu là cuội kết, cát kết hạt thô có độ cứng cao cấp 10–12, góc sườn dốc 33–37 độ và thiếu hụt trầm trọng chất hữu cơ. Kết hợp lượng mưa cực đoan lên tới 472 mm/ngày khiến hạt giống tự nhiên bị rửa trôi, không thể nảy mầm nếu thiếu sự san gạt và bổ sung đất màu.

Loài cây nào được chứng minh có hiệu quả phục hồi cao nhất tại bãi thải Cọc Sáu?
Keo tai tượng và Keo lá tràm là hai loài thích nghi tốt nhất với tỷ lệ sống đạt trên 85% sau 1 năm. Nhờ khả năng cộng sinh cố định đạm và chịu hạn vượt trội, nhóm cây này phát triển chiều cao 1,2–1,8 m/năm, nhanh chóng tạo lớp thảm che phủ bảo vệ nền đất đá.

Chất lượng môi trường không khí và đất tại mỏ Cọc Sáu có bị ô nhiễm nặng không?
Hàm lượng bụi TSP đo được (0,24–0,29 mg/m³) và nồng độ các kim loại nặng trong đất (As, Cd, Pb, Cu, Zn) vẫn nằm trong giới hạn cho phép của QCVN 05:2013/BTNMT và QCVN 03-MT:2015/BTNMT. Thách thức lớn nhất không phải độc chất mà là cấu trúc cơ lý nghèo dinh dưỡng của đất đá.

Mô hình "đảo phủ xanh" mang lại lợi thế gì trong công tác cải tạo bãi thải?
Mô hình này tập trung nguồn lực phủ đất màu và phân bón vi sinh vào từng cụm sinh thái hạt nhân thay vì rải đều trên diện tích bãi thải rộng hàng trăm hecta. Cách làm này vừa tiết kiệm chi phí hoàn thổ, vừa tạo nguồn phát tán hạt giống tự nhiên để thảm thực vật tự lan tỏa.

Kết luận

  • Đã đánh giá toàn diện tác động cơ học và sinh thái từ khối lượng 137 triệu m³ đất đá bóc và khai trường sâu -375 m tại mỏ than Cọc Sáu.
  • Xác định hiện trạng đất đá bãi thải nghèo hữu cơ nhưng chưa ô nhiễm kim loại nặng, làm sáng tỏ các rào cản hạn chế thực vật tự phục hồi.
  • Khẳng định tính khả thi sinh học của các loài cây họ Đậu (Keo tai tượng, Keo lá tràm) với tỷ lệ sống trên 85% làm cây tiên phong cải tạo.
  • Đề xuất hệ thống giải pháp đồng bộ kết hợp kỹ thuật san gạt giật cấp, đê bao an toàn cao trên 1,35 m và mô hình đảo xanh sinh thái.
  • Đóng góp luận cứ khoa học quan trọng phục vụ mục tiêu tăng tỷ lệ che phủ rừng tỉnh Quảng Ninh lên trên 44,4% theo quy hoạch ngành than đến năm 2030.

Công tác hoàn thổ bãi thải mỏ than là yêu cầu cấp thiết để bảo đảm phát triển bền vững ngành khoáng sản. Doanh nghiệp và chính quyền địa phương cần khẩn trương phối hợp triển khai đồng bộ các giải pháp kỹ thuật sinh học trong giai đoạn 2020–2025 nhằm nhanh chóng khôi phục môi trường xanh cho vùng than Cẩm Phả.