Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ mỏ than Cẩm Phả để xây dựng đường ô tô

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực cẩm phả quảng ninh làm đường ô tô, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri

• Tác giả: Đỗ Văn Thái
• Người hướng dẫn: Phạm Huy Khang
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về đất đá thải từ mỏ than Cẩm Phả

Nghiên cứu về đất đá thải từ các mỏ than tại khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh cho thấy đây là một nguồn tài nguyên phong phú nhưng chưa được khai thác hiệu quả. Việc khai thác than chủ yếu diễn ra theo phương pháp lộ thiên, dẫn đến khối lượng lớn đất đá thải được sinh ra. Theo thống kê, để thu được 1m3 than sạch, cần phải bóc bỏ từ 8 đến 12m3 đất đá thải. Điều này tạo ra áp lực lớn lên môi trường, với khoảng 3,7 tỷ m3 đất đá thải đã được tích lũy từ những năm đầu khai thác. Tình trạng ô nhiễm môi trường do đất đá thải gây ra là một vấn đề nghiêm trọng, với bụi bẩn và nước thải từ các bãi thải tràn ra ngoài, ảnh hưởng đến đời sống và sức khỏe của người dân. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng đất đá thải vào xây dựng đường ô tô không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có.

1.1 Khai thác than và thực trạng đất đá thải

Khu vực Cẩm Phả có khoảng 30 mỏ than, trong đó có nhiều mỏ lớn với công suất khai thác cao. Việc khai thác than đã tạo ra một lượng lớn đất đá thải, gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các bãi thải không chỉ làm mất mỹ quan mà còn tiềm ẩn nguy cơ sụt lở, ảnh hưởng đến an toàn của các công trình và đời sống của người dân. Việc nghiên cứu khả năng sử dụng đất đá thải trong xây dựng đường ô tô là cần thiết để giải quyết vấn đề này.

II. Nghiên cứu sử dụng đất đá thải trong xây dựng đường ô tô

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích khả năng sử dụng đất đá thải từ mỏ than Cẩm Phả làm vật liệu xây dựng cho đường ô tô. Các thí nghiệm đã được thực hiện để đánh giá các chỉ tiêu cơ lý của đất đá thải, từ đó đề xuất các cấp phối phù hợp. Kết quả cho thấy, đất đá thải có thể được gia cố bằng xi măng để nâng cao cường độ và độ bền, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho đường ô tô. Việc áp dụng đất đá thải không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường, giảm thiểu ô nhiễm từ các bãi thải.

2.1 Thí nghiệm và phân tích

Các thí nghiệm được thực hiện nhằm xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất đá thải như độ dẻo, cường độ nén và khả năng chịu tải. Kết quả cho thấy, đất đá thải có thể được sử dụng hiệu quả trong xây dựng đường ô tô khi được gia cố bằng xi măng. Việc này không chỉ cải thiện chất lượng mặt đường mà còn giúp giảm thiểu lượng đất đá thải tồn đọng, góp phần bảo vệ môi trường.

III. Đề xuất kết cấu mặt đường sử dụng đất đá thải

Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất một số kết cấu mặt đường sử dụng đất đá thải từ mỏ than Cẩm Phả. Các kết cấu này được thiết kế để đảm bảo tính bền vững và khả năng chịu tải cao. Việc áp dụng các kết cấu này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí xây dựng mà còn tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có, góp phần vào phát triển bền vững. Các thông số thiết kế cần được điều chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế tại khu vực Cẩm Phả.

3.1 Nguyên tắc thiết kế

Nguyên tắc thiết kế kết cấu mặt đường sử dụng đất đá thải cần đảm bảo tính bền vững và khả năng chịu tải. Các yếu tố như tải trọng, khí hậu và loại vật liệu cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc áp dụng công nghệ mới trong sản xuất và thi công sẽ giúp nâng cao chất lượng mặt đường, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ 1.1 Tổng quan về đất, đá thải từ các mỏ khai thác than 1.1 Khai thác than và đất đá thải từ các mỏ than trên thế giới Cho tới nay than đá vẫn là nguồn năng lượng chủ yếu của loài người. Trữ lượng than trên toàn thế giới cao hơn gấp nhiều lần trữ lượng dầu mỏ và khí đốt. Người ta ước tính tổng trữ lượng than của cả thế giới là trên 13.000 tỷ tấn, trong đó trữ lượng có thể khai thác là 3. Than tập trung chủ yếu ở Bắc bán cầu, trong đó đến 80% trữ lượng tập trung tại Trung Quốc, Hoa Kỳ, Liên Bang Nga, Ucraina, CHLB Đức, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Ba Lan,.[55] Than là một ngành công nghiệp mang tính toàn cầu, lượng than thương mại được khai thác tại hơn 50 quốc gia và được tiêu thụ tại trên 70 quốc gia trên toàn thế giới.030 triệu tấn than được khai thác; con số này đã tăng 38% trong vòng 20 năm qua.

Sản lượng khai thác tăng nhanh nhất ở khu vực châu Á, trong khi đó tốc độ khai thác tại châu Âu đang giảm dần. Năm nước khai thác than lớn nhất hiện nay là: Trung Quốc, Mỹ, Ấn Độ, Úc và Nam Phi. Hầu hết các nước khai thác than cho nhu cầu tiêu dùng nội địa, chỉ có khoảng 18% dành cho thị trường xuất khẩu [62]. Công nghiệp khai thác than xuất hiện tương đối sớm và được phát triển từ nửa sau thế kỉ XIX.

Trong vòng 50 năm qua, sản lượng than khai thác được tăng trung bình là 5,4%/năm, cao nhất vào thời kì 1950 - 1980 đạt 7%/năm. Từ đầu thập kỉ 90 đến nay, mức tăng giảm xuống chỉ còn 1,5%/năm. Mặc dù việc khai thác và sử dụng than có thể gây hậu quả xấu đến môi trường (đất, nước, không khí,.), song nhu cầu than không vì thế mà giảm đi. Sản lượng than tập trung chủ yếu ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương, Bắc Mỹ, Nga và một số nước Đông Âu.

Từ thập niên 90 của thế kỷ XX, việc tìm ra những mỏ than lớn ở Trung Quốc đã giúp nước này đứng đầu thế giới về khai thác than, vượt trên cả Hoa Kỳ. Các nước sản xuất than hàng đầu là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng than của thế giới. Nếu tính cả một số nước như Nam Phi, CHLB Đức, Ba Lan, CHDCND Triều Tiên,. thì con số này lên đến 80% sản lượng than toàn cầu [55].1: Khai thác than tại Tavan Tolgoi, Trung Quốc Hoạt động khai thác và chế phẩm, tiêu thụ than đang gây ra vấn đề môi trường nghiêm trọng.

Tác động môi trường của khai thác than bao gồm xói mòn, sụt sạt đất, mất cân bằng đa dạng sinh học, ô nhiễm đất, nước ngầm và nước mặt do hóa chất từ chế biến than. Trong một số trường hợp, rừng ở vùng lân cận còn bị chặt phá để lấy chỗ chứa chất thải khai thác mỏ than. Công nghệ khai thác, chế biến và sàng tuyển than có ảnh hưởng rất lớn tới môi trường. Công nghệ khai thác lộ thiên tồn tại một lượng đất, đá thải khá lớn và chiếm nhiều diện tích bãi chứa đổ thải, gây ô nhiễm không khí, đất và ô nhiễm nguồn nước, giảm diện tích rừng cũng như diện tích đất sản xuất.

Công nghệ khai thác hầm lò hiện nay cũng sẽ làm mất khoảng 50% trữ lượng, gây lún đất, ô nhiễm nước, tiêu hao gỗ chống lò và tiềm ẩn tai nạn hầm lò. Công nghệ chế biến và sàng tuyển than cũng tạo ra bụi và nước thải chứa than, kim loại nặng. Bên cạnh việc hủy hoại môi trường, việc ô nhiễm do hóa chất cũng ảnh hưởng đến sức khỏe người dân địa phương.2: Khai thác than tại Lippendorf, Neukieritzsch, CHLB Đức 6 Trong những yếu tố gây ô nhiễm môi trường do khai thác than gây ra còn phải kể đến chất thải rắn đặc biệt, đó là lượng đất, đá xít thải rất lớn. Theo tính toán cứ khai thác 1 tấn than nguyên khai bằng phương pháp lộ thiên sẽ đào xúc đi khoảng 5 - 6 tấn đất, đá xít thải phía trên bể than, như vậy với sản lượng khai thác trên thế giới là 5 tỷ tấn/năm thì lượng đất, đá thải ít nhất 25 - 30 tỷ tấn [63].

Đất đá thải phát sinh nhiều nhất ở Trung Quốc (chiếm 13% trữ lượng than và khai thác nhiều nhất), sau đó là Hoa Kỳ, Ấn Độ, và các nước Châu Âu. Vấn đề chất thải rắn phải xúc đổ bỏ phục vụ khai thác than đang là vấn đề phức tạp và gây ra nhiều thách thức cho các nhà quản lý môi trường của các nước trên thế giới, từ việc đổ thải đến công tác cải tạo, phục hồi môi trường cho các bãi thải [55]. Những công ty, tập đoàn khai mỏ nói chung ở nhiều nước đã được yêu cầu phải tuân thủ những quy định về môi trường và phải phục hồi nguyên trạng môi sinh, khắc phục một số tác động đến môi trường do khai thác khoáng sản gây ra, trong đó có khai thác than.2 Khai thác than và thực trạng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh Việt Nam là nước có tiềm năng về than khoáng các loại. Theo số liệu điều tra đã được công bố gần đây, than biến chất thấp (lignit - á bitum) được tìm thấy ở phần lục địa trong bể than sông Hồng tính đến chiều sâu 1700m có tài nguyên trữ lượng đạt 36,960 tỷ tấn.

Nếu tính đến độ sâu 3500m thì dự báo tổng tài nguyên than đạt đến 210 tỷ tấn. Than biến chất trung bình (bitum) đã được phát hiện ở Thái Nguyên, vùng sông Đà và vùng Nghệ Tĩnh với trữ lượng khoảng gần 80 triệu tấn. Than biến chất cao (anthracit) phân bố chủ yếu ở các bể than tại Quảng Ninh, Thái Nguyên, sông Đà, Nông Sơn với tổng tài nguyên đạt trên 18 tỷ tấn, trong đó trữ lượng than tại bể than Quảng Ninh là lớn nhất, ước đạt trên 3 tỷ tấn [1], [22]. Theo Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020 [1], sản lượng than thương phẩm sản xuất toàn ngành trong các giai đoạn như sau: năm 2012: 45 - 47 triệu tấn; năm 2015: 55 - 58 triệu tấn; năm 2020: 60 - 65 triệu tấn; năm 2025: 66 - 70 triệu tấn; năm 2030: trên 75 triệu tấn.

Trong đó, sản lượng khai thác chủ yếu tập trung vào các mỏ than tại bể than Đông Bắc: sản lượng than thương phẩm khoảng 55 - 58 triệu tấn vào năm 2015; 59 - 64 triệu tấn vào năm 2020; 64 - 68 triệu tấn vào năm 2025 và duy trì khoảng 65 triệu tấn từ sau năm 2025. Để đáp ứng yêu cầu trên đây, bể than Đông Bắc sẽ hoạt động hết công suất với 61 mỏ đang hoạt động và dự kiến trong 20 năm tới sẽ có thêm 47 mỏ được đưa vào khai thác. Hiện nay ở Việt Nam, việc khai thác than chủ yếu vẫn áp dụng công nghệ khai thác lộ thiên đòi hỏi cần bóc bỏ lượng đất đá thải lớn. Theo dự tính trong giai đoạn 2013 7 - 2020, khối lượng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh tiếp tục gia tăng lên mức khoảng 1,9 tỷ m3.3: Tình trạng đất, đá thải tại các mỏ than ở Quảng Ninh Công nghệ đổ thải áp dụng theo sơ đồ đổ thải sử dụng phương tiện là ô tô vận chuyển kết hợp máy ủi để san gạt.

Đất đá thải được vận chuyển làm đường lên cốt cao dự kiến đổ thải, san gạt bãi quay xe. Thi công xong bãi quay xe thì tiến hành đổ thải kết hợp san gạt. Đất đá thải được vận chuyển từ khai trường ra bãi thải bằng ô tô tự đổ loại trọng tải 27- 90 tấn, đổ trực tiếp xuống sườn bãi thải, phần đất đá còn lại trên mặt bãi thải được xe gạt gạt xuống sườn tầng thải. Theo quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, trong vùng Cẩm Phả, Quảng Ninh có 16 mỏ và công trường khai thác than lộ thiên hoạt động, sản lượng than khai thác từ 14-16 triệu tấn/năm, tương ứng khối lượng đất bóc từ 180- 200 triệu m3/năm.

Trong đó, khối lượng đất đá thải của các mỏ Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II và Đông Đá Mài chiếm trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Giai đoạn 2013-2020, khối lượng đất đá thải của vùng dự kiến khoảng 1,9 tỷ m3. Cũng theo quy hoạch, vùng Cẩm Phả sẽ hình thành và phát triển 4 bãi thải lớn: Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Nam Khe Tam và Đông Khe Sim, nhằm phục vụ cho việc khai thác và đảm bảo vệ sinh môi trường. Hiện tại, bãi thải lớn nhất vùng Cẩm Phả là bãi thải Đông Cao Sơn (dung tích 295 8 triệu m3) đang được sử dụng cho 3 mỏ lộ thiên: Đèo Nai, Cọc Sáu và Cao Sơn.

Riêng trong giai đoạn 2011 - 2015, khối lượng đất đá thải ở bãi thải Đông Cao Sơn đã là 509,8 triệu m3, chiếm gần 83% tổng khối lượng đất đá thải của toàn vùng Cẩm Phả.3 Quy mô và thực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh Theo thiết kế do Liên Xô lập năm 1980 với tổng diện tích là 280 ha, mức cao đổ thải cao nhất ở độ cao +255m, dung tích bãi thải là 359,1 triệu m3 và chỉ phục vụ cho việc đổ thải của mỏ Cao Sơn [22]. Hiện nay khu bãi thải Đông Cao Sơn (Hình 1.4) được phân chia cho các mỏ khai thác và đổ thải đất đá như hình dưới.4: Mặt bằng theo quy hoạch bãi thải Đông Cao Sơn Mỏ Cao Sơn (bao gồm cả Đông Cao Sơn): Mỏ đang tiến hành đổ thải phần phía Tây và Tây Bắc của bãi thải với các mức cao đổ thải: +155m, +170m, +185m, +200m, +245m, +275m, +290m. Hướng phát triển bãi thải chủ yếu theo hướng Tây Bắc. Mỏ Cọc Sáu: Mỏ đang tiến hành đổ thải phần Đông Bắc của bãi thải với các mức cao đổ thải: +160m, +175m, +190m, +205m, +225m, +250m, +270m.

Hướng phát triển bãi thải chủ yếu theo hướng Bắc. 9 Mỏ Đèo Nai: Mỏ đang tiến hành đổ thải phần trung tâm của bãi thải (nằm kẹp giữa ranh giới quản lý của Công ty than Cao Sơn và Công ty than Cọc Sáu) với mức cao đổ thải: +160m, +175m, +190m, +225m, +250m, +270m. Hướng phát triển bãi thải chủ yếu theo hướng Tây Bắc. Mỏ Bắc Quảng Lợi: Hiện nay mỏ đang tiến hành khai thác lộ thiên kết hợp với khai thác hầm lò tận thu.

Dự kiến hết năm 2010, mỏ Bắc Quảng Lợi sẽ kết thúc khai thác và như vậy việc đổ thải vào khu vực này chỉ được thực hiện sau năm 2010.