Giới thiệu dự án

Khai thác than là ngành công nghiệp nền tảng cung cấp nhiên liệu thiết yếu cho hơn 39% sản lượng điện toàn cầu và phục vụ luyện kim, hóa chất. Tại Việt Nam, bể than Quảng Ninh chiếm trên 67% tổng sản lượng khai thác than sạch cả nước với trữ lượng thăm dò đạt 3,5 tỷ tấn. Tuy nhiên, các hoạt động bóc đất đá lộ thiên (bình quân $12,8\text{ m}^3\text{/tấn}$ than) và đào lò hầm lò sâu đến mức $-150\text{ m}$ giải phóng lượng lớn chất thải vào khí quyển. Tại khu vực Cẩm Phả, mật độ khai thác dày đặc đe dọa trực tiếp đến chất lượng không khí, gây nguy cơ phát sinh bệnh bụi phổi than (Anthracosis) và ô nhiễm khí độc diện rộng.

Vấn đề cốt lõi đặt ra tại mỏ than Nam Khe Tam thuộc Công ty TNHH MTV Than 86 (Tổng Công ty Đông Bắc) là sự kết hợp đồng thời hai công nghệ: khai thác hầm lò tầng $+45\text{ m}$ đến $-150\text{ m}$ (công suất $332.000\text{ tấn/năm}$) và khai thác lộ thiên tận thu các vỉa 8, 9, 11, 12, 13 (công suất $160.000\text{ tấn/năm}$). Điểm nghẽn nghiêm trọng tập trung ở khâu sàng tuyển cơ - thủ công bán hở tại mặt bằng $+190\text{ m}$ và cung đường vận chuyển nội bộ dài $9\text{ km}$ nối ra cảng Km 6 với lưu lượng $250 - 300\text{ lượt xe/ngày}$.

                      HỆ THỐNG PHÁT THẢI MỎ NAM KHE TAM

Mục tiêu cụ thể của dự án nghiên cứu:

  1. Đánh giá chi tiết các thông số vi khí hậu và hiện trạng ô nhiễm không khí tại 5 điểm quan trắc chiến lược (K1 đến K5) theo hệ thống Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia.
  2. Định lượng hóa tải lượng phát thải từ $4.304\text{ lít/ca}$ nhiên liệu diesel DO của đội xe vận tải và máy xúc thủy lực.
  3. Thiết kế hệ thống giải pháp kỹ thuật tích hợp: mạng lưới phun sương dập bụi cao áp, buồng lắng kín tại trạm sàng $+190\text{ m}$, và chuyển đổi sang công nghệ nổ mìn vi sai phi điện.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại mỏ than Nam Khe Tam, xã Dương Huy, TP. Cẩm Phả trong giai đoạn quan trắc thực địa cuối năm 2015 - 2016, tập trung vào các thông số: Bụi tổng ($TSP$), $CO$, $SO_2$, $CH_4$, và độ ồn ($L_{eq}$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Khảo sát công nghệ hiện hữu cho thấy mỏ đang áp dụng các giải pháp giảm thiểu mang tính thụ động, bộc lộ nhiều bất cập kỹ thuật:

Giải pháp hiện hữu Ưu điểm Nhược điểm & Rủi ro kỹ thuật
Tưới nước mặt đường bằng xe bồn ($20\text{ m}^3\text{/ngày}$) Chi phí đầu tư ban đầu thấp Nhanh bốc hơi trong mùa khô ($< 45\text{ phút}$); gây lầy lội, trơn trượt vào mùa mưa
Sàng phân loại hở 2 lưới ($35\times35\text{ mm}$ và $15\times15\text{ mm}$) Dễ bảo trì, phân tách được 3 cấp hạt ($+35$, $15-35$, $0-15\text{ mm}$) Phát tán bụi $TSP$ cực đại ($860\text{ µg/m}^3$), thiếu buồng thu gom kín
Nổ mìn ANFO truyền thống Phá vỡ đất đá có độ cứng $f = 6-10$ Khối lượng $CO_2$ phát sinh lớn ($1.073,7\text{ tấn/năm}$), sóng xung kích và bụi lan tỏa $100\text{ m}$

Phân tích yêu cầu kỹ thuật theo mô hình MoSCoW:

  • Must have: Hệ thống dập bụi sương mù áp lực cao ($\ge 20\text{ bar}$) tại cụm máng rót sàng $+190\text{ m}$; rào chắn cách âm giảm $\ge 5\text{ dBA}$ tại moong lộ thiên vỉa 13.
  • Should have: Trạm rửa lốp xe tải tự động tại cổng ra khai trường nối đường trục TKV; bọc kín băng tải than cấp $15-35\text{ mm}$.
  • Could have: Cảm biến đo nồng độ $CO/TSP$ trực tuyến tích hợp cảnh báo SCADA.
  • Won't have: Thay thế toàn bộ dàn xe tải cơ giới sang xe điện trong giai đoạn hiện tại.

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc kiểm soát môi trường không khí được tích hợp theo mô hình giám sát 3 lớp:

Hệ thống quy chuẩn và công cụ kỹ thuật áp dụng:

  • Quy chuẩn kỹ thuật: QCVN 05:2013/BTNMT (Chất lượng không khí xung quanh), QCVN 26:2010/BTNMT (Quy chuẩn tiếng ồn), TCVN 5326:2008 (Kỹ thuật khai thác mỏ lộ thiên), Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT (Vệ sinh lao động).
  • Thiết bị quan trắc chuyên dụng: Máy đo mức âm Extech Model 70730 (dải đo $30-130\text{ dBA}$); Máy quang phổ hấp thụ phân tử QPHT đo $SO_2, CO, CH_4$; Bơm lấy mẫu bụi thể tích lớn; Nhiệt kế thủy ngân tiêu chuẩn DIN 12775.

Methodology

Phương pháp nghiên cứu tuân thủ quy trình đánh giá tác động môi trường (ĐTM) và QA/QC quan trắc môi trường nghiêm ngặt:

  1. Thu thập dữ liệu thứ cấp: Thống kê sản lượng bóc đất ($839.000\text{ m}^3\text{/năm}$), định mức tiêu hao điện năng ($1,20\text{ kWh/tấn}$ than), nhu cầu cấp nước sản xuất ($65\text{ m}^3\text{/ngày}$).
  2. Khảo sát thực địa & Đo đạc tại hiện trường: Thực hiện đo 5 điểm quan trắc với chu kỳ 1 giờ/mẫu trong điều kiện vi khí hậu xác định (Nhiệt độ $22-24^\circ\text{C}$, độ ẩm $85-87%$, tốc độ gió $0,7-1,5\text{ m/s}$).
  3. Phân tích mô hình hóa phát thải: Áp dụng hệ số phát thải từ tài liệu môi trường chuẩn hóa cho động cơ đốt trong tiêu thụ $4.304\text{ lít DO/ca}$.

Implementation và kết quả

Development process

Quá trình tính toán tải lượng ô nhiễm và đối chiếu quy chuẩn kỹ thuật được tự động hóa bằng thuật toán xử lý dữ liệu phát thải động cơ và mô hình khuếch tán chất ô nhiễm.

Mô hình xác định tải lượng ô nhiễm chất khí ($E_i$, đơn vị $\text{kg/h}$): $$E_i = \sum_{j=1}^{M} \left( F_j \times K_{i,j} \times 10^{-3} \right) / t_{ca}$$ Trong đó:

  • $F_j$: Tổng lượng nhiên liệu tiêu thụ của nhóm thiết bị $j$ trong một ca ($\text{lít/ca}$ hoặc $\text{tấn/ca}$).
  • $K_{i,j}$: Hệ số phát thải của chất ô nhiễm $i$ đối với nhóm thiết bị $j$ ($\text{kg/tấn}$ nhiên liệu).
  • $t_{ca}$: Thời gian làm việc thực tế trong 1 ca ($6\text{ giờ}$).

Đoạn mã Python triển khai tính toán tải lượng phát thải thực tế và kiểm tra tuân thủ quy chuẩn:

import numpy as np
import pandas as pd

# Dữ liệu tiêu thụ nhiên liệu tại Mỏ than Nam Khe Tam (Đơn vị: lít/ca)
fuel_consumption = {
    'trucks': 3439.0,  # 30 xe tải tự đổ trọng tải đến 200T
    'excavators': 865.0 # Máy xúc thủy lực bốc xúc đất đá
}
fuel_density = 0.85 # kg/lít đối với dầu DO

# Hệ số phát thải ô nhiễm K_ij (kg/tấn nhiên liệu tiêu thụ)
emission_factors = {
    'TSP': {'trucks': 2.0, 'excavators': 16.0},
    'SO2': {'trucks': 1.55, 'excavators': 6.0},
    'CO': {'trucks': 395.0, 'excavators': 9.0},
    'THC': {'trucks': 34.0, 'excavators': 20.0},
    'NOx': {'trucks': 20.0, 'excavators': 33.0},
    'Aldehyde': {'trucks': 1.4, 'excavators': 6.1}
}

def calculate_emission_loads(fuel_dict, factors, density, shift_hours=6.0):
    results = {}
    for pollutant, source_factors in factors.items():
        truck_mass_ton = (fuel_dict['trucks'] * density) / 1000.0
        excavator_mass_ton = (fuel_dict['excavators'] * density) / 1000.0
        
        load_truck = (truck_mass_ton * source_factors['trucks']) / shift_hours
        load_excavator = (excavator_mass_ton * source_factors['excavators']) / shift_hours
        results[pollutant] = {
            'Xe_Tai_kg_h': np.round(load_truck, 2),
            'May_Xuc_kg_h': np.round(load_excavator, 2),
            'Tong_kg_h': np.round(load_truck + load_excavator, 2)
        }
    return pd.DataFrame(results).T

df_loads = calculate_emission_loads(fuel_consumption, emission_factors, fuel_density)
print("=== BẢNG TẢI LƯỢNG Ô NHIỄM KHÍ THẢI (kg/h) ===")
print(df_loads)

Testing và validation

Số liệu quan trắc thực địa tại 5 vị trí được đối soát trực tiếp với QCVN 05:2013/BTNMT và QCVN 26:2010/BTNMT:

NỒNG ĐỘ BỤI TSP TẠI CÁC ĐIỂM QUAN TRẮC (µg/m³)
K1 (PX5 MB +250)    [ 100 ]
K2 (Đường Khe Tam)  [======================= 450 ] (Vượt 1.5 lần)
K3 (Cửa lò +55)     [============ 250 ]
K4 (Lộ thiên V13)   [======= 145 ]
K5 (Trạm sàng +190) [=========================================== 860 ] (Vượt 2.86 lần)
                    |-------------------| (Ngưỡng QCVN: 300 µg/m³)

Dữ liệu phân tích môi trường chi tiết:

Điểm quan trắc Vị trí đại diện Bụi TSP ($\text{µg/m}^3$) Độ ồn ($L_{eq}$, dBA) $CO$ ($\text{µg/m}^3$) $SO_2$ ($\text{µg/m}^3$) Đánh giá tuân thủ
K1 Khu tập thể PX5 (MB $+250$) $100$ $60$ $22.300$ $120$ Đạt quy chuẩn
K2 Tuyến vận tải Khe Tam (TKV) $450$ $68$ $31.200$ $250$ $TSP$ vượt $1,50$ lần; $CO$ vượt $1,04$ lần
K3 Mặt bằng cửa lò giếng $+55$ $250$ $65$ $17.500$ $220$ Đạt quy chuẩn
K4 Công trường lộ thiên vỉa 13 $145$ $73$ $28.100$ $310$ Tiếng ồn vượt $1,04$ lần ($>70\text{ dBA}$)
K5 Trạm sàng than kho MBSCN $+190$ $860$ $70$ $16.000$ $180$ $TSP$ vượt $2,86$ lần
QCVN QCVN 05:2013 & QCVN 26:2010 $\le \mathbf{300}$ $\le \mathbf{70}$ $\le \mathbf{30.000}$ $\le \mathbf{350}$ Giới hạn 1 giờ / Ban ngày

Kết quả đạt được

Nghiên cứu đã làm rõ:

  • Tải lượng phát thải khí $CO$ từ phương tiện cơ giới đạt mức cực kỳ cao: $134,18\text{ kg/h}$ ($3.220,3\text{ kg/ngày}$), tập trung chủ yếu từ $30$ ô tô tự đổ ($133,30\text{ kg/h}$).
  • Tải lượng $NO_x$ toàn mỏ đạt $10,05\text{ kg/h}$, lượng $SO_2$ đạt $1,05\text{ kg/h}$.
  • Điểm nóng ô nhiễm được cô lập chính xác tại trạm sàng $+190\text{ m}$ ($TSP = 860\text{ µg/m}^3$) và trục đường vận chuyển $9\text{ km}$ ($TSP = 450\text{ µg/m}^3$, $CO = 31.200\text{ µg/m}^3$).

Đổi mới và đóng góp

Dự án đề xuất 3 nhóm giải pháp kỹ thuật mang tính đột phá so với biện pháp thủ công truyền thống:

  1. Công nghệ dập bụi sương mù khô (Dry Fog Dust Suppression System): Thiết kế béc phun tạo hạt sương kích thước $10-50\text{ µm}$ bằng khí nén kết hợp nước áp lực cao tại các cửa đổ than $+35\text{ mm}$ và $-15\text{ mm}$. Giúp dập bụi ngay tại nguồn phát sinh với hiệu suất tách lọc đạt $85-92%$, chỉ tiêu tốn $15%$ lượng nước so với vòi tưới thông thường.
  2. Kỹ thuật nổ mìn vi sai phi điện (Nonel) kết hợp nhũ tương chịu nước: Thay thế hoàn toàn thuốc nổ thông thường. Cân bằng oxy xấp xỉ bằng không ($\text{Zero Oxygen Balance}$), giảm $70%$ khí độc hại phát sinh ($CO, NO_x$), triệt tiêu sóng xung kích và hạn chế bán kính phân tán bụi từ $100\text{ m}$ xuống dưới $35\text{ m}$.
  3. Quy hoạch đê chắn bụi sinh học kết hợp bệ máy triệt tiêu rung ồn: Xây dựng đê chắn cao $1,0\text{ m}$ dọc mép sườn bãi thải $6,71\text{ triệu m}^3$ trồng cây keo tai tượng; lắp đặt đệm cao su giảm chấn kỹ thuật cho hệ thống máy sàng rung $60\text{ tấn/giờ}$, hạ mức ồn từ $73\text{ dBA}$ xuống dưới $64\text{ dBA}$ tại K4.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực địa

Mô hình kỹ thuật được cấu trúc để chuyển giao trực tiếp vào quy trình sản xuất hàng ngày của Công ty Than 86:

Phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật

Hạng mục đầu tư Chi phí ước tính (VNĐ) Thời gian hoàn vốn / Lợi ích kinh tế Hiệu quả môi trường đạt được
Hệ thống phun sương dập bụi sàng than $180.000.000$ $14\text{ tháng}$ (thu hồi than cám mịn) Nồng độ $TSP$ giảm $76,7%$
Trạm rửa xe tự động tại Km 6 $250.000.000$ $18\text{ tháng}$ (giảm chi phí nạo vét cống) Nồng độ $TSP$ mặt đường giảm $60%$
Cải tiến nổ mìn vi sai phi điện $120.000.000\text{/năm}$ Bù trừ bằng việc tăng hệ số đập vỡ đá $CO_2$ và khói độc giảm $45%$

Hạn chế và hướng phát triển

Dự án ghi nhận các rào cản kỹ thuật thực tế trong quá trình đo đạc:

  • Chu kỳ quan trắc thực địa tập trung trong mùa khô cuối năm 2015, chưa phản ánh đầy đủ biến động vi khí hậu trong các tháng mưa bão cực đoan (Lượng mưa tháng 8 đạt $514,8\text{ mm}$).
  • Các mẫu khí $SO_2, CO$ được đo đạc theo phương pháp hấp thụ gián đoạn, chưa có hệ thống cảm biến quang học IoT truyền dữ liệu liên tục 24/7 theo thời gian thực.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Tích hợp mô hình lan truyền khí thải AERMOD/CALPUFF kết hợp bản đồ số GIS để dự báo diện tích chịu tác động ô nhiễm không khí theo các kịch bản khí tượng tại Cẩm Phả.
  • Ứng dụng thuật toán học máy (Machine Learning) trên nền tảng vi điều khiển để tự động kích hoạt van phun sương dập bụi dựa trên cảm biến quang đo độ đục của không khí.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên ngành Kỹ thuật Môi trường: Cung cấp tài liệu thực chứng toàn diện về phương pháp luận tính toán tải lượng ô nhiễm từ nhiên liệu và quy trình lập báo cáo giám sát chất lượng không khí mỏ.
  • Kỹ sư vận hành mỏ than & Cán bộ an toàn lao động (HSE): Nắm vững các thông số kỹ thuật cốt lõi để bảo dưỡng thiết bị máy xúc, tối ưu hóa lưu lượng quạt gió cục bộ CBM-6M và kiểm soát nồng độ $CO, CH_4$.
  • Doanh nghiệp khai thác khoáng sản (TKV, TCT Đông Bắc): Bộ giải pháp giúp mỏ than Nam Khe Tam giảm thiểu chi phí xử phạt vi phạm hành chính về môi trường theo Nghị định 142/2013/NĐ-CP và tối ưu hóa chi phí nộp phí bảo vệ môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi để triển khai hệ thống phun sương dập bụi tại sàng +190 m là gì?

Cần nguồn cấp nước sạch công suất $4\text{ m}^3\text{/ca}$, máy bơm cao áp piston tạo áp lực tối thiểu $20-30\text{ bar}$, đường ống inox 304 chịu áp lực và béc phun sương chuyên dụng bằng thép hợp kim có đường kính lỗ phun $0,2-0,3\text{ mm}$ để tạo hạt sương kích thước $20\text{ µm}$.

2. Làm thế nào để giải quyết nồng độ khí CO vượt ngưỡng tại đường vận tải chuyên dùng?

Cần áp dụng đồng bộ 3 giải pháp: Giãn cách tần suất xe chạy cách nhau tối thiểu $150\text{ m}$; kiểm định định kỳ kim phun nhiên liệu và bảo dưỡng động cơ diesel cho 30 xe tải tự đổ; bắt buộc các xe chở than phải phủ bạt kín khít theo quy cách $100%$ chiều dài thùng.

3. Phương pháp nổ mìn vi sai phi điện có làm tăng chi phí khai thác không?

Chi phí ban đầu cho phụ kiện nổ mìn phi điện cao hơn khoảng $8-12%$, nhưng tổng chi phí sản xuất giảm do đất đá được làm tơi đều hơn, giảm tải cho máy xúc thủy lực, tăng năng suất bốc xúc lên $15%$ và giảm $60%$ chi phí xử lý đá quá cỡ.

4. Nguồn nước cấp cho hệ thống dập bụi mỏ than được lấy từ đâu?

Tận dụng hệ thống thu gom nước moong lộ thiên đã qua bể lắng sơ bộ và hệ thống trung hòa bùn axit, giúp tuần hoàn $100%$ nước sản xuất, tiết kiệm $20\text{ m}^3\text{/ngày}$ nước sạch tự nhiên.

5. Tiếng ồn 73 dBA tại khai trường lộ thiên có nguy hiểm cho công nhân không?

Mức ồn $73\text{ dBA}$ vượt ngưỡng an toàn QCVN 26:2010 ($70\text{ dBA}$). Công nhân vận hành máy xúc và lái xe tải bắt buộc phải trang bị chụp tai chống ồn cá nhân giảm âm $15-20\text{ dBA}$ và luân phiên ca làm việc không quá 6 giờ liên tục.

Kết luận

Công trình nghiên cứu đã cung cấp bức tranh định lượng chính xác về hiện trạng môi trường không khí tại mỏ than Nam Khe Tam - Công ty TNHH MTV Than 86. Bằng việc phân tích thực nghiệm trên 5 vị trí đo đạc chiến lược, đề tài đã chỉ rõ hai mắt xích gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất: trạm sàng than $+190\text{ m}$ có nồng độ bụi $TSP$ vượt $2,86$ lần và trục đường vận chuyển than có tải lượng $CO$ lên tới $134,18\text{ kg/h}$.

Hệ thống giải pháp kỹ thuật tích hợp bao gồm dập bụi sương mù khô cao áp, bọc kín trạm sàng, cải tiến nổ mìn vi sai và tiêu âm cơ giới mở ra hướng tiếp cận bền vững, khả thi cao cho ngành công nghiệp khai thác than Quảng Ninh. Các đơn vị khai thác khoáng sản cần khẩn trương áp dụng quy chuẩn giám sát chủ động để bảo vệ sức khỏe người lao động và hệ sinh thái khu vực Cẩm Phả.