Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khai thác mỏ với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lý nhằm đảm bảo độ ổn định bãi thải trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh” do nghiên cứu sinh Nguyễn Tam Tính thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Bùi Xuân Nam tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (hoàn thành tháng 6 năm 2022).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Đổ thải đất đá là một trong những khâu công nghệ chính trong khai thác mỏ than lộ thiên, quyết định trực tiếp tới hiệu quả sản xuất, mức độ an toàn và môi trường khu vực. Các mỏ than lộ thiên lớn của Việt Nam như Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II tập trung chủ yếu tại vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, áp dụng mô hình đổ thải ngoài và trong với phương pháp đổ thải theo chu vi. Bãi thải ngoài tập trung tại các khu vực như Bàng Nâu, Đông Cao Sơn, Khe Tam có khối lượng chứa hàng trăm triệu mét khối, chiều cao bãi thải từ hàng chục đến hàng trăm mét và phần lớn được xây dựng trên sườn núi, nằm trên mức thoát nước tự chảy.

Khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh chịu tác động trực tiếp của khí hậu nhiệt đới gió mùa. Hiện tượng thời tiết cực đoan do biến đổi khí hậu đã gây ra những trận mưa lớn bất thường. Điển hình là đợt mưa lũ lịch sử cuối tháng 7, đầu tháng 8 năm 2015 (tổng lượng mưa đạt 1.400 mm tại Cửa Ông) đã gây sạt lở một phần đập chắn đất mức +9,8 m của bãi thải Đông Cao Sơn, làm bùn đá trôi lấp mặt bằng Công ty TNHH MTV 790 tại cao trình +58 m đến +6 m trên diện tích 5 ha và đe dọa khu dân cư phường Mông Dương.

Khoảng trống nghiên cứu thực tế nằm ở việc các tính toán ổn định bãi thải trước đây chủ yếu dựa trên các thông số cơ lý lấy từ mẫu thí nghiệm bề mặt, chưa phản ánh đúng sự biến đổi của lực dính kết, góc nội ma sát, dung trọng và thành phần cỡ hạt theo chiều sâu tầng thải. Đồng thời, các công trình trong nước chưa mô hình hóa đầy đủ cơ chế thấm của nước mưa trong môi trường đất đá không bão hòa trên sườn núi để đưa ra các thông số hình học và quy trình công nghệ đổ thải phù hợp cho từng mùa.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nâng cao độ ổn định bãi thải của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, đồng thời giảm chi phí đổ thải và góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường do các bãi thải gây ra.

Nội dung nghiên cứu

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, luận án thực hiện 6 nội dung nghiên cứu:

  1. Tổng quan kinh nghiệm đổ thải đất đá mỏ tại Việt Nam và trên thế giới.
  2. Phân loại các bãi thải ngoài của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa tới ổn định các bãi thải đất đá mỏ.
  4. Khảo sát mối quan hệ giữa các thông số lực dính kết, góc nội ma sát, dung trọng đất đá trong bãi thải với chiều cao tầng thải, công nghệ, thiết bị thải trong mùa khô và mùa mưa.
  5. Xác định các thông số bãi thải phù hợp với đặc điểm tự nhiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
  6. Xây dựng sơ đồ công nghệ - thiết bị đổ thải đảm bảo ổn định trong mùa mưa và mùa khô vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các bãi thải đất đá tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh (bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Đông Khe Sim - Nam Khe Tam, Mông Giăng, moong Lộ Trí - Đèo Nai, moong Tả Ngạn - Cọc Sáu).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thông số hình học và công nghệ đổ thải phù hợp tại các bãi thải mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

  1. Quản lý bãi thải và cơ giới hóa đổ thải: Tại Liên bang Nga, các nghiên cứu tập trung vào bãi thải của các mỏ quặng sắt vùng KMA (OJSC Stoilensky GOK, OJSC Lebedinsky GOK, OJSC Mikhailovsky GOK) với chiều cao bãi từ 45 đến 172 m, chiều cao tầng 15 đến 49 m, góc dốc sườn tầng 5÷38°, sử dụng công nghệ ô tô kết hợp máy ủi, đường sắt, băng tải và máy rải đá ZP-5500. Tại Trung Quốc, mỏ Haizhou áp dụng vận chuyển đường sắt, trong khi mỏ Yanzhou (Sơn Đông) áp dụng công nghệ đổ thải theo lớp dày 0,5 m giúp hệ số an toàn luôn duy trì lớn hơn 2. Tại Canada, sau sự cố trượt lở 5,6 triệu m³ tại bãi thải mỏ than Quintette (British Columbia, 1987), các quy chuẩn đổ thải theo lớp 4÷6 m và giảm độ dốc dưới 15° đã được đưa vào hướng dẫn của CANMET (1977). Cục Mỏ Hoa Kỳ (USBM, 1982) ban hành hướng dẫn đánh giá hệ số an toàn cho bãi thải than và quặng đuôi. Tại Ấn Độ, nghiên cứu tại Công ty TNHH Than Ấn Độ kết hợp phương pháp cân bằng giới hạn (LEM) và phần tử hữu hạn (FEM) cho thấy góc dốc tối ưu hóa tương ứng với hệ số an toàn FoS là 1,49 (LEM) và 1,3 (FEM), làm tăng khả năng chứa của bãi thải lên 14%.
  2. Phương pháp tính toán độ ổn định mái dốc: Trên thế giới tồn tại hơn 100 phương pháp phân tích ổn định, tập trung vào ba nhóm: Cân bằng giới hạn (LEM), Phần tử hữu hạn (FEM) và Phương pháp số (NMM). Trường phái LEM sử dụng kỹ thuật phân mảnh với các phương trình cân bằng lực và mô men của Taylor (1937), Bishop (1955), Janbu (1954), Spencer (1967), Morgenstern-Price (1965), Sarma (1973), Lowe-Karafiath (1960), Corps of Engineers (1970). Trường phái Nga phát triển phương pháp đa giác lực của Fisenko G.L. (1965), phương pháp áp lực trượt đất của Shakhunyants G.M. (1960) và hệ thống phân loại của Pevzner M.E. (1992). Nghiên cứu của Wickland B.W. (2010) phát triển mô hình tính toán thông số bãi chứa dựa trên cân bằng giới hạn.
  3. Cơ học đất không bão hòa và ảnh hưởng của thấm: Fredlund và Rahardjo (1978, 1993) xây dựng lý thuyết ứng xử cơ học của đất không bão hòa dưới tác động của áp lực nước lỗ rỗng và lực hút dính. Các nghiên cứu số (numerical modeling) của Gitirana (2005), Sheng (2011), Choo (2018) và phân tích phần tử hữu hạn FLAC3D đã mô phỏng quá trình thấm không đồng nhất theo không gian và thời gian trong thân bãi thải.

Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các tác giả Hồ Sĩ Giao, Bùi Xuân Nam, Đỗ Ngọc Tước, Trần Mạnh Xuân đã công bố các công trình về công nghệ khai thác lộ thiên, phân loại bãi thải và ổn định bờ dốc trên nền cứng và nền yếu. Các nghiên cứu của Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (2015, 2017) đã khảo sát cơ lý bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Mông Giăng, Núi Béo ở trạng thái tự nhiên và bão hòa. Một số nghiên cứu gần đây ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (AI) để xác định biến động bề mặt bãi thải theo thời gian.

Nhóm phương pháp Tác giả tiêu biểu Giả thiết cân bằng mô men Giả thiết cân bằng lực
Ordinary / Fellenius Fellenius (1936) Có Không
Bishop đơn giản Bishop (1955) Có Không
Janbu đơn giản Janbu (1954) Không Có
Spencer Spencer (1967) Có Có
Morgenstern-Price Morgenstern-Price (1965) Có Có
Corps of Engineers Corps of Engineers (1970) Không Có
Lowe-Karafiath Lowe-Karafiath (1960) Không Có
Janbu tổng quát Janbu (1973) Có Có
Sarma Sarma (1973) Có Có

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết 3 khoảng trống then chốt:

  • Xác định sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý đất đá ($c, \phi, \gamma$) theo chiều sâu tầng thải thông qua phương pháp tính ngược kết hợp thí nghiệm thực tế, thay vì chỉ dùng số liệu bề mặt.
  • Thiết lập mô hình thấm của nước mưa trong môi trường đất đá không bão hòa đặc trưng của bãi thải sườn núi vùng Cẩm Phả.
  • Xây dựng tiêu chí chấp nhận độ ổn định (FoS), tối ưu hóa hình học bãi thải chiếm đất tối thiểu và đề xuất công nghệ đổ thải đồng bộ theo mùa (mùa khô và mùa mưa).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường nhiều pha cho đất đá không bão hòa. Khối đất đá bãi thải nằm trên mực nước ngầm được xem là hệ 4 pha: pha rắn, pha khí, pha nước và màng căng khí - nước.

Sức kháng cắt của đất đá không bão hòa được xác định theo phương trình của Fredlund và cộng sự (1978): $$\tau_f = c' + (\sigma - u_a)\tan\phi' + (u_a - u_w)\tan\phi^b$$

Trong đó:

  • $\tau_f$: Cường độ kháng cắt của đất đá.
  • $c'$: Lực dính đơn vị hiệu dụng.
  • $(\sigma - u_a)$: Ứng suất pháp thực ($\sigma$ là ứng suất pháp tổng, $u_a$ là áp lực khí lỗ rỗng).
  • $(u_a - u_w)$: Lực hút dính ($u_w$ là áp lực nước lỗ rỗng).
  • $\phi'$: Góc ma sát trong hiệu dụng.
  • $\phi^b$: Góc ma sát biểu kiến biểu thị mức tăng cường độ kháng cắt theo lực hút dính.

Phương trình cân bằng nước bề mặt bãi thải: $$\Delta SW = P - R_o - E_s - ET - R$$

Trong đó: $\Delta SW$ là biến thiên lượng nước lưu trữ gần bề mặt; $P$ là lượng mưa; $R_o$ là dòng chảy mặt; $E_s$ là lượng bốc hơi bề mặt; $ET$ là lượng thoát hơi nước của thực vật; $R$ là lượng nước thẩm thấu vào sâu trong thân bãi thải.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích các mô hình cân bằng giới hạn (LEM), phần tử hữu hạn (FEM), cơ học đất không bão hòa.
  2. Phương pháp thống kê: Xử lý chuỗi số liệu khí tượng thủy văn (lượng mưa giai đoạn 2011–2018), kích thước cỡ hạt sau nổ mìn và các chỉ tiêu cơ lý mẫu đất đá.
  3. Phương pháp kế thừa: Tiếp thu dữ liệu địa chất, công nghệ khai thác và số liệu trắc địa từ Công ty Than Cao Sơn, Cọc Sáu, Đèo Nai và Viện Khoa học Công nghệ Mỏ.
  4. Phương pháp mô hình hóa và ứng dụng tin học: Sử dụng phần mềm chuyên ngành địa kỹ thuật GeoStudio (mô đun SLOPE/W phân tích ổn định bằng LEM; SIGMA/W phân tích biến dạng - áp lực nước lỗ rỗng) và phương pháp phần tử hữu hạn giảm độ bền (FEM - Shear Strength Reduction / SSR), phần mềm FLAC3D.
  5. Phương pháp tính ngược (Back-analysis): Tính toán xác định các cặp thông số độ bền kháng cắt ($c, \phi$) từ các mặt trượt thực tế đã xảy ra trên bãi thải.

Nguồn tư liệu và dữ liệu thực tế

  • Số liệu lượng mưa đo tại các trạm Cẩm Phả, Cửa Ông, Bãi Cháy từ năm 2011 đến 2018.
  • Báo cáo địa chất, mặt cắt trắc địa hiện trạng các bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Đông Khe Sim - Nam Khe Tam, Mông Giăng, moong Lộ Trí, moong Tả Ngạn.
  • Kết quả thí nghiệm đo rây thành phần hạt đất đá sau nổ mìn tại 12 bãi mìn thuộc mỏ than Cao Sơn.
  • Kết quả thí nghiệm cơ lý đất đá bãi thải ở trạng thái tự nhiên và bão hòa tại các mỏ vùng Cẩm Phả và Núi Béo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan công tác đổ thải và các nghiên cứu về công tác đổ thải tại các mỏ than lộ thiên trên thế giới và Việt Nam

Chương 1 hệ thống hóa các khái niệm, phân loại và hiện trạng kỹ thuật bãi thải mỏ lộ thiên trên phạm vi quốc tế và khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh.

  1. Phân loại bãi thải: Bãi thải được phân chia theo vị trí (bãi thải trong moong, bãi thải ngoài gồm: đổ dọc thung lũng, đổ một phía sườn dốc, đổ hỗn hợp sườn dốc và thung lũng, đổ trên mặt bằng); theo thời gian tồn tại (bãi thải tạm, bãi thải cố định); theo công nghệ tạo bãi (kết hợp ô tô - máy ủi, băng tải - máy rải đá, máy xúc gầu treo).
  2. Hiện trạng đổ thải tại vùng Cẩm Phả: Các mỏ than lớn (Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II) sử dụng đường kính lỗ khoan nổ mìn 250 mm, máy xúc gầu dung tích 4÷12 m³, ô tô tải trọng 58÷100 tấn. Hệ thống băng tải vận chuyển đất đá ra bãi thải Bàng Nâu có bề rộng băng 2 m, công suất thiết kế 20 triệu m³/năm.
  3. Đặc điểm đất đá thải vùng Cẩm Phả: Cột địa tầng chứa các loại đá chính gồm cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết và sét than xen kẽ các vỉa than. Khảo sát 12 bãi mìn tại mỏ than Cao Sơn cho thấy kích thước cỡ hạt trung bình $D_{tb} = 0,4\text{ m}$; tỷ lệ cỡ hạt có đường kính $> 0,4\text{ m}$ chiếm từ 44,69% đến 72,66%.
Loại đá Tỷ lệ phân bố (%) Khối lượng riêng $\rho$ ($\text{g/cm}^3$) Dung trọng khô $\gamma$ ($\text{g/cm}^3$) Cường độ kháng nén $\sigma_n$ (MPa) Cường độ kháng kéo $\sigma_k$ (MPa) Lực dính kết $C$ (MPa) Góc nội ma sát $\phi$ (độ)
Sét kết 3,4 2,667 2,751 28,856 4,597 8,715 31,43
Bột kết 25,4 2,673 2,749 48,076 5,659 14,714 33,37
Cát kết 47,7 2,659 2,721 99,956 10,902 37,098 34,45
Cuội sạn kết 15,3 2,594 2,674 127,313 13,427 43,825 34,40

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới kỹ thuật đổ thải tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

Chương 2 đi sâu phân tích các yếu tố tự nhiên và nhân vi sinh tác động đến sự ổn định của bãi thải trong môi trường nhiệt đới gió mùa.

  1. Quy luật mưa và dòng chảy vào bãi thải: Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, lượng mưa tập trung cao nhất vào tháng 7 và tháng 8 (trung bình 400÷600 mm/tháng). Trận mưa cực đoan cuối tháng 7, đầu tháng 8 năm 2015 được ghi nhận với các thông số lớn nhất:
Chỉ tiêu mưa cực đoan (2015) Giá trị Địa điểm Thời gian ghi nhận
Lượng mưa lớn nhất 6 giờ 249 mm Cửa Ông 13h - 19h ngày 26/7/2015
Lượng mưa lớn nhất 12 giờ 296 mm Bãi Cháy 19h ngày 27/7 đến 7h ngày 28/7/2015
Lượng mưa ngày lớn nhất (24 giờ) 437 mm Cửa Ông 19h ngày 25/7 đến 19h ngày 26/7/2015
Lượng mưa 3 ngày lớn nhất (72 giờ) 865 mm Cửa Ông 19h ngày 25/7 đến 19h ngày 28/7/2015
Tổng lượng mưa đợt cực đoan 1.400 mm Cửa Ông 19h ngày 25/7 đến 19h ngày 02/8/2015
  1. Cơ chế biến dạng và mất ổn định:
    • Mất ổn định liên quan đến nền: Trượt lở dạng khối quay sâu, trượt khối không tuần hoàn dọc mặt tiếp xúc yếu, trượt nêm, dịch chuyển toàn bộ khối nền, hóa lỏng nền đất hạt mịn, trượt chân tầng và trượt do chấn động kiến tạo/nổ mìn.
    • Mất ổn định thân bãi thải: Trượt lở mép tầng do ngấm nước bề mặt, trượt sườn tầng dọc mặt phân lớp song song, trượt khối bề mặt và dòng bùn đá cuốn trôi.
  2. Sự biến đổi tính chất cơ lý theo trạng thái bão hòa: Thí nghiệm hiện trường tại các bãi thải vùng Cẩm Phả cho thấy khi đất đá chuyển từ trạng thái tự nhiên sang bão hòa nước, dung trọng tăng 5÷10%, lực dính kết giảm 8÷15%, góc nội ma sát giảm 1÷3°.
Tên bãi thải Dung trọng $\gamma$ ($\text{t/m}^3$) - Tự nhiên Dung trọng $\gamma$ ($\text{t/m}^3$) - Bão hòa Lực dính kết $C$ ($\text{t/m}^2$) - Tự nhiên Lực dính kết $C$ ($\text{t/m}^2$) - Bão hòa Góc nội ma sát $\phi$ (độ) - Tự nhiên Góc nội ma sát $\phi$ (độ) - Bão hòa
Đông Cao Sơn 2,228 2,376 8,05 7,32 28,00 25,80
Bàng Nâu 2,082 2,180 8,05 7,32 28,00 25,80
Mông Giăng + Lộ Trí 2,274 2,428 9,66 8,79 21,00 19,24
Đông Khe Sim - Nam Khe Tam 2,292 2,428 9,66 8,79 23,00 21,10
  1. Sự phân tầng cơ học và cỡ hạt: Do công nghệ đổ thải trên cao, các hạt đá thô kích thước lớn lăn xuống chân tầng thải, tạo đới thấm nước cao; trong khi các hạt mịn tích tụ ở phần trên (chiếm 10% chiều cao phía trên). Chiều dày lớp lu lèn do ô tô tải trọng 42÷85 tấn di chuyển trên bề mặt đạt từ 2 đến 4 m, có dung trọng khô lớn nhất ($\gamma_k = 2,16\text{ g/cm}^3$ tại bề mặt, giảm dần xuống $1,87\text{ g/cm}^3$ ở độ sâu 3 m).

Chương 3: Nghiên cứu công nghệ đổ thải đất đá hợp lý đảm bảo độ ổn định bãi trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

Chương 3 trình bày các giải pháp kỹ thuật, hệ thống tiêu chí ổn định và thuật toán tối ưu hóa hình học bãi thải.

  1. Xây dựng tiêu chí chấp nhận độ ổn định (FoS): Dựa trên lịch sử phát triển tiêu chí ổn định của CANMET (1977) và USBM (1982), tác giả đề xuất hệ tiêu chuẩn hệ số an toàn tối thiểu phù hợp với điều kiện mỏ Cẩm Phả:
    • Trạng thái bình thường (mùa khô, thông số tự nhiên): $\text{FoS} \ge 1,30 \div 1,50$.
    • Trạng thái mưa bão bão hòa nước: $\text{FoS} \ge 1,15 \div 1,20$.
    • Trạng thái có xét tải trọng động đất/chấn động nổ mìn: $\text{FoS} \ge 1,05 \div 1,10$.
  2. Tối ưu hóa hình dạng bãi thải ngoài chiếm dụng đất tối thiểu: Luận án thiết lập mô hình toán so sánh diện tích chiếm đất đáy bãi thải ($S_d$) với các dạng hình học: hình tròn, hình elip, hình vuông và hình chữ nhật cho các phương án bãi thải 1 tầng, 2 tầng và 3 tầng với cùng dung tích chứa yêu cầu $V$. Kết quả tính toán chứng minh bãi thải có đáy hình tròn và elip tối ưu diện tích chiếm đất tốt hơn hình vuông và hình chữ nhật khi cùng dung tích và chiều cao tầng.
  3. Mô phỏng số lựa chọn thông số kỹ thuật: Sử dụng phần mềm SLOPE/W đánh giá ổn định bãi thải theo góc dốc sườn tầng ($\alpha = 30^\circ \div 37^\circ$), chiều cao tầng ($H = 20 \div 70\text{ m}$) và bề rộng mặt tầng ($B = 20 \div 110\text{ m}$). Khi chiều cao tầng tăng, hệ số ổn định giảm phi tuyến; trong điều kiện bão hòa nước, hệ số an toàn suy giảm từ 15% đến 30% so với trạng thái tự nhiên.
  4. Đề xuất công nghệ đổ thải:
    • Nguyên tắc công nghệ: Áp dụng công nghệ đổ thải tầng thấp theo lớp hoặc đổ thải kết hợp: phần thân bãi phía trong đổ tầng cao bằng băng tải/ô tô, sườn dốc bên ngoài đổ các tầng thấp bao quanh để tạo đai phản áp.
    • Phân kỳ đổ thải: Mùa khô tập trung đổ nâng cao trình và đổ ra mép sườn bãi; mùa mưa chuyển vị trí rót tải vào khu vực bên trong, duy trì độ dốc thoát nước mặt $i = 3 \div 5%$ hướng về phía rãnh thoát nước, không để đọng nước mặt bãi.

Chương 4: Tính toán thử cho mỏ than Cao Sơn vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết vào tính toán kiểm nghiệm và đề xuất giải pháp kỹ thuật cụ thể cho bãi thải Bàng Nâu thuộc Công ty Than Cao Sơn.

  1. Hiện trạng bãi thải Bàng Nâu: Bãi thải tiếp nhận đất đá từ mỏ Cao Sơn và Khe Chàm II. Cốt cao kết thúc thiết kế là +300 m. Hệ thống tuyến băng tải đá thải công suất 20 triệu m³/năm đang vận hành đổ thải tại mức +300 m.
  2. Kết quả tính toán kiểm tra ổn định theo các mô hình:
    • Trạng thái đất đá tự nhiên: Mô hình LEM (Morgenstern-Price) cho hệ số an toàn $\text{FoS} = 1,48 \div 1,69$; mô hình FEM-SSR cho $\text{FoS} = 1,45 \div 1,60$.
    • Trạng thái đất đá bão hòa nước toàn phần: Hệ số an toàn theo LEM giảm xuống $\text{FoS} = 1,12 \div 1,22$; theo FEM-SSR đạt $\text{FoS} = 1,08 \div 1,15$.
    • Phân tích quá trình thấm nước mưa theo thời gian (mô hình SIGMA/W kết hợp SLOPE/W): Với cường độ mưa thấm $3,16 \times 10^{-9}\text{ m/s}$, áp lực nước lỗ rỗng tăng dần từ bề mặt xuống đáy sau 90, 180, 270 và 365 ngày, làm vùng không bão hòa thu hẹp, hệ số ổn định suy giảm mạnh nhất trong 24 giờ đầu sau khi lượng mưa tích lũy đạt đỉnh.
    • Phân tích tác động chấn động nổ mìn và động đất giả tĩnh ($k_h$ tương ứng cấp 5 đến cấp 9 Richter): Khi gia tốc nền tăng tương ứng cấp động đất 7÷8 Richter, hệ số an toàn $\text{FoS}$ của sườn tầng giảm về ngưỡng giới hạn $1,05 \div 1,12$.
  3. Giải pháp công nghệ đề xuất tại bãi thải Bàng Nâu:
    • Thiết lập quy trình rót tải mùa khô: vận hành tuyến băng tải rải đá tại cốt +300 m, ô tô đổ đá lùi mép tầng.
    • Thiết lập quy trình rót tải mùa mưa: đổ đá vào các khoang chứa phía trong cốt +260 m, +290 m; sử dụng máy ủi gạt đầm nén tạo mặt bằng dốc $3%$ về phía hệ thống mương gom nước có lót tấm chống thấm; cải tạo sườn phía ngoài thành các tầng bậc có chiều cao $H \le 30\text{ m}$, chiều rộng đai an toàn $B \ge 30\text{ m}$.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Đề xuất hệ tiêu chí đánh giá độ ổn định chấp nhận (FoS) và phân loại nguy cơ mất ổn định: Xây dựng khung tiêu chí định lượng phù hợp với đặc thù bãi thải cao trên sườn núi vùng than Cẩm Phả trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới.
  2. Xác định thông số độ bền kháng cắt bằng phương pháp tính ngược: Kết hợp số liệu thí nghiệm hiện trường với phương pháp phân tích ngược từ các biến dạng thực tế để xác lập cặp giá trị lực dính kết ($c$) và góc nội ma sát ($\phi$) sát với điều kiện làm việc thực của khối đất đá không bão hòa.
  3. Mô hình hóa toán học hình học bãi thải tối ưu: Xác lập mối quan hệ giải tích giữa diện tích chiếm dụng đất đáy bãi thải và dung tích chứa theo các dạng hình học (tròn, elip, vuông, chữ nhật), làm cơ sở quy hoạch tối ưu mặt bằng.
  4. Luận chứng quy luật suy giảm độ ổn định theo thời gian mưa: Chứng minh sự phụ thuộc phi tuyến của hệ số an toàn vào lượng mưa và thời gian mưa; xác định thời điểm hệ số ổn định đạt giá trị cực tiểu xảy ra sau 24 giờ mưa lớn liên tục do sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng.

Các luận điểm bảo vệ của tác giả

  • Luận điểm 1: Sự ổn định của bãi thải mỏ than lộ thiên phụ thuộc vào điều kiện địa chất nền bãi thải, tính chất đất đá thải, các thông số hình học bãi thải, công nghệ thiết bị xây dựng và tính chất mưa mùa. Cường độ và thời gian mưa càng lớn, hệ số ổn định bãi thải càng giảm và đạt giá trị nhỏ nhất sau 24 giờ mưa.
  • Luận điểm 2: Thay đổi các tính chất đất đá thải trong điều kiện tự nhiên và bão hòa để phân tích ổn định bãi là cơ sở quan trọng để lựa chọn thông số hợp lý cho bãi thải mỏ than lộ thiên.
  • Luận điểm 3: Khi áp dụng công nghệ đổ thải kết hợp tầng thải phía trong và tầng thấp bao quanh, thân trên từng đoạn bờ bãi thải sẽ bảo đảm ổn định và giảm chi phí vận tải, san gạt cho các bãi thải trên sườn núi.

Kiến nghị và giải pháp thực tiễn

  • Áp dụng sơ đồ đổ thải phân vùng theo mùa: mùa khô bố trí đổ tầng cao phát triển biên giới bãi thải; mùa mưa bố trí đổ tầng thấp phía trong moong hoặc các ô thải có đê chắn an toàn.
  • Bắt buộc thi công rãnh thoát nước đỉnh, mương phân thủy trên các mặt tầng thải với độ dốc thoát nước tự chảy $3 \div 5%$ để ngăn chặn hiện tượng tập trung dòng chảy mặt gây xói lở thành dòng lũ bùn đá.
  • Bố trí đai phân tầng bảo vệ với chiều cao mỗi phân tầng không vượt quá 30 m, chiều rộng mặt tầng không nhỏ hơn 30 m đối với các bãi thải có cốt cao trên +200 m.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Đối tượng và số liệu thực nghiệm tập trung chủ yếu tại các bãi thải trên sườn núi thuộc mỏ than vùng Cẩm Phả (Cao Sơn, Bàng Nâu, Cọc Sáu, Đèo Nai), nơi đất đá có khả năng thoát nước tự chảy tốt, chưa bao quát cho các dạng bãi thải vùng đồng bằng hoặc bãi thải ngập nước sâu dưới mực nước ngầm.
  • Mô hình thấm và số liệu khí tượng thủy văn giới hạn trong chuỗi quan trắc giai đoạn 2011–2018.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu cơ chế ổn định cho các bãi thải trong moong khai thác đã kết thúc ngập nước có tính đến áp lực thủy tĩnh và tải trọng chấn động hỗn hợp.
  • Phát triển hệ thống quan trắc tự động liên tục (real-time monitoring) áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng dịch động thân bãi thải ứng dụng công nghệ cảm biến và truyền dữ liệu không dây.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Khai thác mỏ, Địa kỹ thuật xây dựng công trình ngầm và mỏ, Địa chất công trình tại các trường đại học khối kỹ thuật.
  • Kỹ sư quy hoạch và thiết kế mỏ: Các viện nghiên cứu (Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, Viện Cơ học) và công ty tư vấn thiết kế mỏ trong việc tính toán thông số hình học bãi thải ngoài, bãi thải trong tối ưu diện tích chiếm đất.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật và an toàn tại các đơn vị sản xuất: Các mỏ than lộ thiên thuộc Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) và Tổng công ty Đông Bắc trong việc xây dựng phương án phòng chống thiên tai, phân kỳ công nghệ đổ thải theo mùa mưa bão.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên nhân chính gây ra sự cố sạt lở tại bãi thải Đông Cao Sơn năm 2015 là gì?

Sự cố xảy ra do trận mưa lũ cực đoan cuối tháng 7, đầu tháng 8 năm 2015 với tổng lượng mưa 1.400 mm (lượng mưa 24 giờ lớn nhất đạt 437 mm). Nước mưa tích tụ gây xói lở các tầng thải từ mức +200 m đến +60 m trên chiều dài gần 800 m, tạo thành dòng lũ bùn đá phá vỡ đập chắn đất mức +9,8 m và vùi lấp mặt bằng Công ty 790 ở cao trình +58 m đến +6 m trên diện tích khoảng 5 ha.

2. Sự phân bố cỡ hạt đất đá sau nổ mìn tại mỏ than Cao Sơn diễn ra như thế nào?

Theo kết quả đo rây tại 12 bãi mìn của mỏ Cao Sơn, kích thước cỡ hạt trung bình đạt $0,4\text{ m}$. Trong đó, tỷ lệ cỡ hạt nhỏ mịn ($0 \div 0,2\text{ m}$) chiếm từ 11,26% đến 32,85%, cỡ hạt $0,2 \div 0,4\text{ m}$ chiếm từ 16,08% đến 23,08%, và tỷ lệ các cỡ hạt thô $> 0,4\text{ m}$ chiếm từ 44,69% đến 72,66%.

3. Phương trình Fredlund (1978) mô tả sự suy giảm sức kháng cắt của đất đá bãi thải khi có nước mưa thấm vào như thế nào?

Phương trình $\tau_f = c' + (\sigma - u_a)\tan\phi' + (u_a - u_w)\tan\phi^b$ cho thấy khi nước mưa thẩm thấu vào khối đất đá không bão hòa, áp lực nước lỗ rỗng $u_w$ tăng lên (giảm áp lực nước lỗ rỗng âm), làm lực hút dính $(u_a - u_w)$ suy giảm. Do thành phần $(u_a - u_w)\tan\phi^b$ giảm, tổng sức kháng cắt $\tau_f$ của khối đất đá bị suy giảm theo, dẫn đến nguy cơ mất ổn định sườn dốc.

4. Bãi thải hình học nào chiếm dụng diện tích đất nhỏ nhất khi có cùng dung tích chứa?

Kết quả tính toán tối ưu hóa hình học cho thấy bãi thải có đáy hình tròn và hình elip có diện tích chiếm dụng đất đáy nhỏ hơn so với bãi thải có đáy hình vuông và hình chữ nhật khi so sánh ở cùng chiều cao tầng và cùng dung tích đất đá thải chứa $V$.

5. Tại sao thời điểm nguy hiểm nhất đối với độ ổn định bãi thải lại xuất hiện sau 24 giờ mưa?

Kết quả mô phỏng số dòng thấm qua mô đun SIGMA/W và SLOPE/W chỉ ra rằng sau khi bắt đầu mưa, nước cần thời gian thẩm thấu từ bề mặt xuống các đới trượt tiềm năng bên trong. Sau 24 giờ mưa liên tục, lượng nước tích lũy làm áp lực nước lỗ rỗng tại mặt trượt tăng cao nhất và lực hút dính giảm mạnh nhất, khiến hệ số an toàn $\text{FoS}$ đạt giá trị cực tiểu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Tam Tính đã giải quyết bài toán kỹ thuật đổ thải đất đá mỏ than lộ thiên trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới tại vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh. Công trình đã làm rõ cơ chế thấm và suy giảm độ bền kháng cắt của đất đá không bão hòa, đề xuất hệ tiêu chí chấp nhận độ ổn định và mô hình hình học tối ưu hóa diện tích chiếm đất. Các giải pháp công nghệ phân kỳ đổ thải theo mùa kết hợp giữa tầng cao bên trong và đai tầng thấp bao quanh đã được kiểm chứng bằng mô hình số tại bãi thải Bàng Nâu thuộc mỏ than Cao Sơn. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm phục vụ công tác thiết kế, quản lý an toàn bãi thải mỏ than lộ thiên tại Việt Nam.