Tổng quan luận án

Công tác đổ thải đất đá là một trong những khâu công nghệ chính trong quy trình khai thác khoáng sản bằng phương pháp lộ thiên, có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế mỏ, an toàn lao động và môi trường sinh thái xung quanh. Tại vùng than Cẩm Phả - Quảng Ninh, các mỏ lộ thiên quy mô lớn như Cao Sơn, Cọc Sáu, Đèo Nai và Khe Chàm II đang liên tục mở rộng ranh giới và gia tăng chiều sâu đáy moong. Quá trình này đòi hỏi phải bóc dỡ một khối lượng đất đá khổng lồ, làm tăng áp lực lên các bãi thải ngoài như Bàng Nâu, Đông Cao Sơn, Đông Khe Sim - Nam Khe Tam và các bãi thải trong moong. Chiều cao bãi thải tại khu vực này thường rất lớn, dao động từ 60 m đến hơn 200 m, được xây dựng chủ yếu trên các sườn đồi núi tự nhiên nằm trên mức thoát nước tự chảy.

Đặc thù tự nhiên của vùng than Cẩm Phả là nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa hàng năm lớn và tập trung cao điểm vào các tháng mùa hè. Xu thế biến đổi khí hậu toàn cầu đã làm xuất hiện nhiều hình thái thời tiết cực đoan; điển hình là đợt mưa lũ lịch sử kéo dài từ cuối tháng 7 đến đầu tháng 8 năm 2015 với lượng mưa đo được tại Cửa Ông lên tới 1.400 mm. Thiên tai này đã gây sạt lở đập chắn mức +9,8 m tại bãi thải Đông Cao Sơn, dẫn đến hiện tượng trôi lấp bùn đá xuống mặt bằng sản xuất và đe dọa khu dân cư lân cận. Trong khi đó, hầu hết các bãi thải vùng Cẩm Phả được đổ bằng công nghệ ô tô kết hợp máy ủi theo sườn tầng cao, độ đầm nén không đồng đều, tạo điều kiện thuận lợi cho nước mưa thấm sâu vào khối thải làm suy giảm sức kháng cắt của đất đá.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả luận án xác định rõ: các phương pháp tính toán và quy chuẩn đổ thải trước đây chủ yếu dựa vào các chỉ tiêu cơ lý đo trên bề mặt bãi thải ở trạng thái bão hòa hoặc tự nhiên thông thường, chưa xem xét một cách hệ thống cơ chế thấm của nước mưa trong môi trường đất đá không bão hòa, cũng như chưa tính đến sự biến đổi của thành phần cỡ hạt, lực dính kết và góc nội ma sát theo chiều cao tầng thải dưới tác động của mưa mùa nhiệt đới cực đoan.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định 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 sinh thái do các bãi thải gây ra.

Để hiện thực hóa mục tiêu trên, luận án giải quyết 6 nội dung nghiên cứu chính (được đánh số theo văn bản):

  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 nghiên cứu của luận án là các bãi thải đất đá tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:

  • Về không gian: Tập trung vào hệ thống các bãi thải ngoài và bãi thải trong của các mỏ than lộ thiên tiêu biểu vùng Cẩm Phả gồm Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II; trong đó bãi thải Bàng Nâu thuộc mỏ than Cao Sơn được lựa chọn làm đối tượng tính toán thử nghiệm và kiểm chứng công nghệ.
  • Về thời gian và dữ liệu: Sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng thủy văn, lượng mưa thực tế giai đoạn 2011 - 2018 (đặc biệt là biến cố mưa lũ năm 2015) kết hợp các tài liệu khảo sát hiện trạng công nghệ khai thác, đổ thải và thí nghiệm cơ lý đất đá bãi thải giai đoạn 2015 - 2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được xây dựng trên việc tổng hợp các công trình học thuật và thực tiễn trong nước và quốc tế về cơ học đá, ổn định mái dốc và công nghệ đổ thải mỏ:

Về các nghiên cứu ngoài nước: Các nhà khoa học Liên Xô và Liên bang Nga đã đặt nền móng lý thuyết phân tích ổn định bờ mỏ và bãi thải như Fisenko G.L. (Фисенко Г.Л.) với phương pháp đa giác lực; Pevzner M.Z. (Певзнер М.З.) với hệ thống phân loại toàn diện các phương pháp tính toán ổn định sườn dốc; Shakhunyants G.M. (Шахунянц Г.М.) với phương pháp áp lực trượt đất và trượt trụ tròn. Tại Canada và Bắc Mỹ, Wickland B.W. (1991, 2006) đề xuất quy trình xác định thông số bãi thải ổn định trên nền đá cứng; các tiêu chuẩn của Trung tâm Khai thác và Luyện kim Canada (CANMET, 1977), Cơ quan Thực thi và An toàn Mỏ Hoa Kỳ (MESA) và Cục Mỏ Hoa Kỳ (USBM, 1982) đã thiết lập các ngưỡng hệ số an toàn (FoS) tối thiểu cho bãi thải rắn.

Về mặt giải thuật tính toán, trường phái phân tích cân bằng giới hạn (LEM) dựa trên kỹ thuật phân mảnh được phát triển bởi Taylor (1937), Bishop (1955), Janbu (1954, 1973), Spencer (1967), Morgenstern-Price (1965) và Sarma (1973). Song song đó, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và kỹ thuật giảm độ bền cắt (SSR) được các tác giả ứng dụng nhằm mô phỏng trường ứng suất - biến dạng mà không cần giả định trước hình dạng mặt trượt. Đối với vấn đề thấm trong môi trường không bão hòa, Fredlund và Rahardjo (1978, 1993) đã xây dựng lý thuyết cơ học đất nhiều pha, làm rõ vai trò của áp lực nước lỗ rỗng âm và lực hút dính đối với sức chống cắt. Kinh nghiệm quốc tế từ bãi thải mỏ Haizhou, Yanzhou (Trung Quốc) hay mỏ than Quintette (Canada) cho thấy việc chuyển đổi từ đổ thải sườn cao sang đổ thải theo lớp đầm nén (dưới 4 - 6 m) giúp gia tăng đáng kể độ ổn định và giảm thiểu rủi ro trượt lở.

Về các nghiên cứu trong nước: Các tác giả Hồ Sĩ Giao, Trần Mạnh Xuân, Bùi Xuân Nam đã hệ thống hóa các nguyên lý công nghệ đổ thải trên nền cứng và nền yếu tại mỏ lộ thiên Việt Nam. Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (2015) đã tiến hành khảo sát cơ lý đất đá tại các bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Mông Giăng, Lộ Trí và Đông Khe Sim - Nam Khe Tam, chỉ ra rằng ở trạng thái bão hòa nước, khối lượng thể tích của khối thải tăng từ 5% đến 10%. Các công trình khảo sát tại mỏ than Núi Béo (2020) xác định tính chất cơ lý bãi thải cánh Đông và cánh Tây; nghiên cứu tại bãi thải Chính Bắc (vùng Hòn Gai) đã xác định chiều dày vùng lu lèn do xe tải 42 - 85 tấn tác động đạt từ 2 m đến 4 m từ bề mặt.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các nghiên cứu quốc tế được thực hiện ở các vùng khí hậu ôn đới, lượng mưa thấp, nền tảng thiết bị đồng bộ công suất rất cao. Trong khi đó, các công trình trong nước trước đây thường tiếp cận theo phương pháp chuyên gia hoặc áp dụng trực tiếp các chỉ tiêu cơ lý mẫu lấy ở lớp bề mặt để đại diện cho toàn bộ chiều cao khối thải, đồng thời giả định khối thải ở trạng thái bão hòa hoàn toàn hoặc tự nhiên hoàn toàn. Luận án đã khắc phục khoảng trống này bằng cách: nghiên cứu sự phân dị cơ lý theo chiều cao tầng thải thực tế; áp dụng lý thuyết cơ học đất không bão hòa để phân tích quá trình thấm do mưa mùa; và kết hợp phương pháp tính ngược từ các biến dạng thực tế với các công cụ mô phỏng số hiện đại để tối ưu hóa đồng thời thông số hình học và công nghệ đổ thải thích ứng với điều kiện mưa nhiệt đới Cẩm Phả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học môi trường liên tục nhiều pha, địa kỹ thuật mỏ và cơ học đất không bão hòa. Khối đất đá bãi thải nằm trên mức thoát nước tự chảy được xem là hệ thống phân tán bốn pha gồm: pha rắn (hạt khoáng), pha nước, pha khí và bề mặt phân cách khí - nước. Cường độ kháng cắt của đất đá không bão hòa được tác giả mô tả thông qua mô hình của Fredlund và cộng sự (1978):

$$\tau_f = c' + (\sigma - u_a)\tan\varphi' + (u_a - u_w)\tan\varphi_b$$

Trong đó:

  • $c'$ là lực dính đơn vị hiệu dụng;
  • $(\sigma - u_a)$ là ứng suất pháp thực;
  • $(u_a - u_w)$ là lực hút dính (chênh lệch giữa áp lực khí lỗ rỗng $u_a$ và áp lực nước lỗ rỗng $u_w$);
  • $\varphi'$ là góc ma sát trong hiệu dụng;
  • $\varphi_b$ là góc ma sát biểu kiến biểu thị mức độ gia tăng của cường độ kháng cắt khi lực hút dính thay đổi.

Quá trình tích trữ và vận động của nước mưa trong tầng mặt bãi thải được lượng hóa qua phương trình cân bằng nước gần bề mặt:

$$\Delta SW = P - R_o - E_s - ET - R$$

Trong đó: $\Delta SW$ là biến thiên lượng nước tích trữ; $P$ là lượng mưa; $R_o$ là dòng chảy mặt; $E_s$ là lượng bốc hơi bề mặt; $ET$ là thoát hơi nước; $R$ là lượng thấm sâu vào lòng bãi thải.

Về phương pháp nghiên cứu thực tế, luận án tích hợp phương pháp định tính và định lượng:

  • Phương pháp định tính: Khảo sát thực địa, đánh giá hiện trạng địa mạo nền bãi thải (dạng thung lũng, sườn dốc, hỗn hợp, mặt bằng); phân loại các hình thức biến dạng và cơ chế mất ổn định (trượt khối quay, trượt khối không tuần hoàn, trượt nêm, dịch chuyển khối nền, hóa lỏng và trượt chân tầng).
  • Phương pháp định lượng:
    • Phân tích thống kê kết quả rây sàng cỡ hạt từ 12 bãi nổ mìn tại mỏ than Cao Sơn để xác định kích thước hạt trung bình và sự phân bố độ hạt theo chiều cao tầng.
    • Phương pháp tính ngược (back-analysis): Xác định giá trị lực dính kết ($c$) và góc nội ma sát ($\varphi$) thực tế của khối trượt bãi thải Bàng Nâu dựa trên trạng thái giới hạn khi xảy ra biến dạng, kết hợp đối sánh với thí nghiệm trong phòng.
    • Tối ưu hóa toán học: Thiết lập mô hình giải tích để tính toán diện tích chiếm dụng đất của bãi thải một tầng, hai tầng và ba tầng với các dạng đáy hình học khác nhau (vuông, chữ nhật, tròn, elip) nhằm tìm cấu trúc tối thiểu hóa diện tích chiếm dụng.
    • Mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng gồm GeoStudio (module SEEP/W mô phỏng dòng thấm, SIGMA/W phân tích ứng suất - biến dạng, SLOPE/W tính toán hệ số ổn định theo phương pháp cân bằng giới hạn Morgenstern-Price, Spencer, Bishop) và phần mềm FLAC3D, phương pháp phần tử hữu hạn giảm độ bền (FEM - SSR).

Nguồn tư liệu và dữ liệu đầu vào:

  • Chuỗi số liệu đo mưa thực tế theo tháng và số liệu mưa lớn nhất các năm 2011 - 2018 tại khu vực Cẩm Phả, Cửa Ông, Bãi Cháy;
  • Hồ sơ thiết kế, báo cáo khảo sát địa chất và bản đồ hiện trạng bãi thải các mỏ Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II;
  • Báo cáo kết quả thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý đất đá bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Núi Béo, Chính Bắc của Viện Khoa học Công nghệ Mỏ và Trường Đại học Mỏ - Địa chất.

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 tình hình khai thác và đổ thải trên thế giới và tại Việt Nam. Trên phạm vi toàn cầu, khai thác lộ thiên chiếm trên 80% sản lượng khoáng sản rắn. Tại Liên bang Nga, các mỏ sắt vùng KMA sử dụng công nghệ đổ thải đa dạng với chiều cao toàn bãi từ 45 m đến 172 m, góc dốc sườn tầng từ 5° đến 38°. Tại Trung Quốc, phương pháp đổ thải sườn cao hình nón tại mỏ Haizhou bộc lộ nguy cơ mất an toàn, trong khi mỏ Yanzhou áp dụng đổ thải theo lớp 0,5 m giúp hệ số an toàn luôn duy trì lớn hơn 2. Tại Canada, vụ trượt lở 5,6 triệu m3 đất đá tại mỏ than Quintette năm 1987 là nguyên nhân dẫn đến quy chuẩn khắt khe về đổ thải theo lớp khống chế độ cao dưới 4 - 6 m.

Tại vùng Cẩm Phả, đất đá thải gồm 4 loại đá trầm tích chính xen kẽ các vỉa than: sét kết (chiếm 3,4%), bột kết (chiếm 25,4%), cát kết (chiếm 47,7%), cuội sạn kết (chiếm 15,3%). Kích thước hạt trung bình sau nổ mìn tại 12 bãi mìn mỏ Cao Sơn đạt 0,4 m. Hầu hết các mỏ sử dụng công nghệ ô tô vận tải kết hợp máy ủi đổ sườn cao (chiều cao tầng 30 - 70 m, góc dốc sườn tầng 30° - 40°). Riêng mỏ Cao Sơn có lắp đặt tuyến băng tải ra bãi thải Bàng Nâu rộng 2 m, công suất 20 triệu m3/năm.

Bảng tổng hợp chỉ tiêu cơ lý các loại đá chính tham gia cột địa tầng vùng Cẩm Phả theo công bố trong văn bản luận án:

Loại đá Tỷ lệ phân bố (%) Khối lượng thể tích $\gamma$ ($g/cm^3$) Khối lượng riêng $\rho$ ($g/cm^3$) Cường độ nén một trục $\sigma_n$ ($MPa$) Cường độ kéo $\sigma_k$ ($MPa$) Lực dính kết $C$ ($MPa$) Góc nội ma sát $\varphi$ (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

Tác giả đánh giá rằng các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam chủ yếu tiếp cận theo phương pháp tĩnh, thông số đầu vào lấy từ lớp đất đá mặt bãi mà chưa phản ánh đúng quy luật phân bố thực tế theo chiều sâu của toàn khối thải.

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 tập trung phân tích các yếu tố tự nhiên và nhân tạo tác động đến độ ổn định bãi thải. Lượng mưa tại Cẩm Phả phân hóa sâu sắc theo mùa; mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm 80 - 85% tổng lượng mưa cả năm. Đợt mưa cực đoan cuối tháng 7 năm 2015 đạt lượng mưa ngày lớn nhất 437 mm tại Cửa Ông (mưa 6 giờ đạt 249 mm, 12 giờ đạt 296 mm, 3 ngày đạt 865 mm), làm lưu lượng nước tràn vào các bãi thải tăng từ 2 đến 4 lần so với trung bình các năm trước.

Khi nước mưa thẩm thấu vào tầng bãi thải không bão hòa, vùng áp lực nước lỗ rỗng âm (lực hút dính) bị thu hẹp dần và chuyển sang áp lực dương. Sự suy giảm lực hút dính dẫn đến sụt giảm nhanh chóng sức kháng cắt của khối thải. Mô phỏng số cho thấy hệ số an toàn (FoS) của sườn tầng giảm mạnh nhất trong 24 giờ đầu kể từ khi mưa lớn xâm nhập. Về tác động của chấn động nổ mìn, vận tốc sóng dao động và mức độ dịch chuyển tập trung lớn nhất tại mép và chân tầng thải.

Phân tích ảnh hưởng của tải trọng phương tiện cho thấy xe tải trọng tải lớn (42 - 85 tấn) gây ra vùng lu lèn chặt có chiều dày từ 2 m đến 4 m trên bề mặt tầng thải. Lớp đầm nén này làm tăng dung trọng lớp mặt nhưng đồng thời ngăn cản nước mưa thấm trực tiếp từ đỉnh, hướng nước mặt chảy tràn ra mép sườn bãi thải. Quá trình đổ thải sườn cao gây ra hiện tượng phân dị kích thước hạt nghiêm trọng: đất đá hạt mịn tập trung ở 10% chiều cao phía trên, trong khi đất đá tảng thô lăn xuống chân tầng. Do đó, lực dính kết của khối đất đá giảm dần từ trên xuống chân tầng thải, trong khi khối lượng thể tích và góc nội ma sát biến đổi phức tạp giữa điều kiện khô và bão hòa (trạng thái bão hòa làm khối lượng thể tích tăng 5 - 10%, lực dính giảm 8 - 15%, góc ma sát trong giảm từ 1° đến 3°).

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

Trong Chương 3, tác giả xây dựng bộ tiêu chí chấp nhận độ ổn định và đề xuất các giải pháp kỹ thuật, công nghệ:

  • Tiêu chí chấp nhận độ ổn định: Dựa trên lược sử phát triển tiêu chí FoS của CANMET (1977), USBM (1982) và điều kiện thực tế mỏ than vùng Cẩm Phả, tác giả đề xuất: ở điều kiện tự nhiên (mùa khô), hệ số FoS tối thiểu cho phép là 1,30 - 1,50; trong điều kiện bất lợi (mưa mùa nhiệt đới làm bão hòa nước hoặc có tác động chấn động nổ mìn, động đất), hệ số FoS tối thiểu chấp nhận được là 1,15 - 1,20.
  • Lựa chọn hình dạng bãi thải ngoài chiếm dụng đất tối thiểu: Thông qua mô hình toán học giải tích so sánh diện tích chiếm đất của bãi thải 1 tầng, 2 tầng và 3 tầng với các dạng đáy vuông, chữ nhật, tròn và elip ứng với cùng một dung tích chứa $V$, tác giả chỉ ra rằng đáy bãi thải dạng hình tròn và hình elip có diện tích chiếm dụng mặt bằng nhỏ nhất và giảm thiểu diện tích chân bãi thải tiếp xúc với địa hình nghiêng.
  • Xác định thông số kỹ thuật hợp lý: Chiều cao tầng thải hợp lý được xác định từ 20 m đến 30 m; góc dốc sườn tầng thải duy trì từ 30° đến 35°; chiều rộng mặt tầng nhỏ nhất ($B_{min}$) từ 30 m đến 50 m nhằm đảm bảo đai an toàn giữ lại đất đá trượt lở cục bộ và đáp ứng luồng xe cơ giới.
  • Đề xuất công nghệ đổ thải thích ứng: Xây dựng nguyên tắc công nghệ kết hợp tầng cao phía trong và tầng thấp bao quanh chân; phân định quy trình theo mùa:
    • Trong mùa khô: Áp dụng sơ đồ đổ thải theo chu vi kết hợp ô tô và máy ủi hoặc tuyến băng tải để tối đa hóa tốc độ chất cao khối thải.
    • Trong mùa mưa: Chuyển sang công nghệ đổ theo lớp thấp giật cấp, tiến hành san ủi phân lớp và tạo dốc mặt bằng bãi thải nghiêng về phía hệ thống rãnh gom nước nội bộ, ngăn chặn triệt để dòng nước chảy tràn tự do qua mép sườn tầng.

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

Chương 4 kiểm chứng các giải pháp lý thuyết vào điều kiện cụ thể của bãi thải Bàng Nâu thuộc mỏ than Cao Sơn. Mỏ Cao Sơn có khối lượng bóc đất đá hàng năm rất lớn, bãi thải Bàng Nâu được quy hoạch đạt cốt cao kết thúc +300 m.

Kiểm tra độ ổn định hiện trạng bãi thải Bàng Nâu:

  • Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn Morgenstern-Price (LEM) và phương pháp phần tử hữu hạn giảm độ bền (FEM - SSR) trên phần mềm GeoStudio (Slope/W):
    • Ở trạng thái tự nhiên (mùa khô): Bãi thải hiện trạng ổn định với FoS dao động từ 1,35 đến 1,48 (theo LEM) và 1,32 đến 1,42 (theo FEM-SSR).
    • Ở trạng thái bão hòa nước trong mưa mùa nhiệt đới: Hệ số ổn định sụt giảm mạnh, tại nhiều phân đoạn sườn tầng FoS tụt xuống 1,02 - 1,08, tiệm cận trạng thái phá hủy trượt lở mất an toàn.

Đề xuất thông số và đánh giá hiệu quả cho bãi thải Bàng Nâu:

  • Luận án đề xuất điều chỉnh thông số bãi thải Bàng Nâu: chiều cao tầng 20 - 30 m, góc dốc sườn tầng 32° - 35°, chiều rộng mặt tầng 30 - 40 m, đồng thời áp dụng công nghệ đổ phân lớp và tầng thấp bao quanh chân bờ.
  • Kết quả mô phỏng số sau khi điều chỉnh:
    • Ở trạng thái tự nhiên: FoS đạt 1,51 (theo Morgenstern-Price) và 1,45 (theo FEM-SSR).
    • Ở trạng thái bão hòa nước trong điều kiện mưa bão nhiệt đới: FoS đạt 1,22 (theo Morgenstern-Price) và FoS = 1,15 (theo FEM-SSR), vượt ngưỡng an toàn tối thiểu đề xuất (FoS > 1,10).
    • Phân tích độ nhạy với hệ số địa chấn giả tĩnh $k_h$ tương ứng động đất cấp 5 đến cấp 9 độ Richter cho thấy bãi thải vẫn đảm bảo an toàn chịu lực.
  • Về công nghệ thiết bị: Hoàn thiện sơ đồ công nghệ dỡ tải kết hợp giữa tuyến băng tải mặt bằng +300 m với hệ thống ô tô - máy ủi, giúp tối ưu hóa cung độ vận chuyển và giảm thiểu chi phí san gạt đất đá.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới của luận án được tác giả tự xác lập gồm các luận điểm khoa học và thực tiễn sau:

  1. Đề xuất bộ tiêu chí hệ số an toàn (FoS) chấp nhận cho bãi thải và hệ thống tiêu chí phân loại các bãi thải của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh theo mức độ nguy cơ mất ổn định trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới.
  2. Xác định các thông số lực dính kết ($c$) và góc nội ma sát ($\varphi$) bằng phương pháp tính ngược từ các biến dạng trượt lở thực tế kết hợp thí nghiệm bề mặt, làm sáng tỏ quy luật thay đổi chỉ tiêu cơ lý theo chiều cao tầng thải.
  3. Thiết lập mô hình giải tích chứng minh hình dạng bãi thải đáy tròn và đáy elip có diện tích chiếm dụng đất tối thiểu với dung tích chứa đất đá tối đa.
  4. Xác định tập thông số hình học hợp lý cho các bãi thải vùng Cẩm Phả bằng mô hình số (chiều cao tầng 20 - 30 m, góc dốc sườn tầng 30° - 35°, bề rộng mặt tầng 30 - 50 m) đáp ứng tiêu chuẩn an toàn trong cả mùa khô và mùa mưa bão.
  5. Đề xuất kỹ thuật công nghệ đổ thải đất đá thích ứng theo mùa: kết hợp giữa tầng cao phía trong và tầng thấp bao quanh chân bãi thải, phân lập quy trình dỡ tải mùa khô và mùa mưa nhằm đảm bảo độ ổn định và giảm chi phí vận hành.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

  • Đối với các bãi thải ngoài lớn vùng Cẩm Phả (Bàng Nâu, Đông Cao Sơn), cần khống chế chiều cao tầng thải không vượt quá 30 m tại các khu vực gần bờ biên kết thúc;
  • Trước mùa mưa bão hàng năm, các đơn vị mỏ phải thi công hoàn thiện hệ thống rãnh đỉnh đón nước sườn núi, đê chắn chân bãi thải và san tạo dốc mặt tầng thu nước cục bộ;
  • Áp dụng triệt để phương thức đổ thải kết hợp: mùa khô tận dụng tối đa năng lực tuyến băng tải và ô tô để đổ sườn cao vùng lõi; mùa mưa chuyển sang dỡ tải theo lớp mỏng, tiến hành lu lèn và tạo tầng thấp bảo vệ chân;
  • Triển khai lắp đặt mốc quan trắc trắc địa và cảm biến đo dịch chuyển tự động để cảnh báo sớm nguy cơ mất ổn định khối thải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu giới hạn ở các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, nơi bãi thải đặt trên sườn núi đá và nằm trên mức thoát nước tự chảy; chưa mở rộng đánh giá đối với các bãi thải xây dựng trên nền đất yếu bão hòa nước ngầm hoặc địa hình đồng bằng ngập lụt.
  • Các thông số dòng thấm và áp lực nước lỗ rỗng không bão hòa chủ yếu được giải tích qua phần mềm mô phỏng và phương pháp tính ngược; việc quan trắc trực tiếp áp lực nước lỗ rỗng âm và đường cong đặc trưng ẩm của đất đá tại hiện trường chưa được triển khai đồng bộ do tính chất phức tạp của khối thải lẫn đá tảng kích thước lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng phạm vi áp dụng mô hình cho các mỏ khoáng sản lộ thiên khác có điều kiện địa chất - thủy văn phức tạp (như mỏ than bùn, quặng kim loại hoặc bãi thải trong moong ngập nước).
  • Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cảm biến không dây đo ẩm độ và áp lực lỗ rỗng theo thời gian thực kết hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo để tự động hóa công tác dự báo trượt lở bãi thải trong điều kiện biến đổi khí hậu cực đoan.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên các chuyên ngành Khai thác mỏ, Kỹ thuật Địa kỹ thuật, Xây dựng công trình ngầm và Mỏ, Địa chất công trình tại các trường đại học và viện nghiên cứu khối kỹ thuật mỏ.
  • Cán bộ quản lý kỹ thuật, kỹ sư an toàn tại Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV), Tổng công ty Đông Bắc và các mỏ than lộ thiên (Công ty CP than Cao Sơn, Đèo Nai, Cọc Sáu) trong việc lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật, lập biện pháp thi công đổ thải an toàn hàng năm.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên, khoáng sản và môi trường tại tỉnh Quảng Ninh trong công tác thẩm định thiết kế cơ sở, cấp phép bãi thải và thanh tra an toàn môi trường bãi thải mỏ.

Các phần nội dung đáng tham khảo nhất bao gồm:

  • Bộ tiêu chí chấp nhận hệ số an toàn bãi thải (FoS) trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới (Chương 3);
  • Phương pháp luận và quy trình tính ngược xác định tham số sức kháng cắt $c, \varphi$ theo chiều cao tầng thải (Chương 2 và Chương 3);
  • Sơ đồ công nghệ tổ chức đổ thải thích ứng mùa khô và mùa mưa, kết hợp đồng bộ giữa băng tải - cầu dỡ tải và ô tô - máy ủi tại bãi thải Bàng Nâu (Chương 3 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Trận mưa lịch sử năm 2015 đã tác động cụ thể như thế nào đến các bãi thải vùng Cẩm Phả?
Trận mưa cuối tháng 7 đầu tháng 8 năm 2015 đạt tổng lượng mưa 1.400 mm tại Cửa Ông (trong đó ngày lớn nhất đạt 437 mm). Mưa lớn làm lưu lượng nước tràn vào bãi thải tăng gấp 2 đến 4 lần so với bình thường, gây vỡ một phần đập chắn đất mức +9,8 m của bãi thải Đông Cao Sơn; đất đá xói lở từ mức +200 m đến +60 m kéo dài gần 800 m, tạo lũ bùn tràn ngập 5 ha mặt bằng Công ty 790 ở cao trình +58 đến +6 m và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến khu dân cư phường Mông Dương.

2. Tại sao các chỉ tiêu cơ lý lấy trên mặt bãi thải không đủ tin cậy để tính ổn định cho toàn tầng thải?
Do công nghệ đổ thải sườn cao gây ra hiện tượng phân dị trọng lực mạnh: đất đá hạt mịn tập trung chủ yếu ở 10% chiều cao phía trên, trong khi đá tảng cỡ lớn lăn xuống chân tầng; đồng thời xe tải trọng tải lớn tạo ra lớp lu lèn chặt dày 2 - 4 m trên bề mặt. Sự phân tầng này làm cho lực dính kết giảm dần từ trên xuống chân tầng, còn dung trọng và góc ma sát biến đổi phức tạp, khiến thông số mẫu bề mặt không đại diện cho toàn bộ khối trượt sâu.

3. Phương trình kháng cắt của Fredlund áp dụng cho bãi thải thể hiện vai trò của lực hút dính ra sao?
Phương trình $\tau_f = c' + (\sigma - u_a)\tan\varphi' + (u_a - u_w)\tan\varphi_b$ bổ sung thành phần $(u_a - u_w)\tan\varphi_b$ đại diện cho lực hút dính trong điều kiện không bão hòa. Khi bãi thải khô, áp lực nước lỗ rỗng âm lớn giúp gia tăng sức kháng cắt; khi mưa mùa nhiệt đới kéo dài, nước thấm làm áp lực lỗ rỗng chuyển dần sang dương, triệt tiêu lực hút dính, dẫn đến sức kháng cắt suy giảm mạnh và gây mất ổn định mái dốc.

4. Kết quả kiểm tra độ ổn định bãi thải Bàng Nâu thay đổi như thế nào sau khi áp dụng thông số đề xuất của luận án?
Ở hiện trạng bãi thải khi bão hòa nước, hệ số an toàn FoS sụt xuống mức 1,02 - 1,08 (tiệm cận phá hủy). Khi áp dụng các thông số kỹ thuật đề xuất (chiều cao tầng 20 - 30 m, góc dốc sườn tầng 32° - 35°, mặt tầng rộng 30 - 40 m kết hợp đổ tầng thấp chân bãi), FoS trạng thái bão hòa nước tăng lên 1,22 (theo Morgenstern-Price) và 1,15 (theo FEM-SSR), đảm bảo vượt ngưỡng an toàn tối thiểu đề xuất ($FoS \ge 1,10$).

5. Luận án đưa ra giải pháp hình học nào để tối thiểu hóa diện tích đất chiếm dụng của bãi thải?
Qua phân tích toán giải tích các dạng mặt cắt đáy cho bãi thải 1, 2 và 3 tầng ứng với cùng một dung tích chứa $V$, tác giả chứng minh rằng bãi thải có đáy dạng hình tròn và hình elip có diện tích chiếm dụng đất bề mặt nhỏ nhất so với đáy hình vuông hoặc hình chữ nhật, đồng thời hạn chế chu vi tiếp xúc bất lợi với sườn dốc tự nhiên.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Tam Tính đã giải quyết trọn vẹn vấn đề xác lập kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lý cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới. Bằng việc vận dụng lý thuyết cơ học đất không bão hòa, phương pháp tính ngược tham số cơ lý theo chiều cao tầng và các công cụ mô phỏng số hiện đại (LEM, FEM-SSR), tác giả đã đề xuất thành công tập thông số hình học tối ưu (chiều cao tầng 20 - 30 m, góc dốc 30° - 35°) cùng sơ đồ công nghệ đổ thải kết hợp thích ứng theo mùa. Kết quả tính toán thử nghiệm tại bãi thải Bàng Nâu thuộc mỏ than Cao Sơn khẳng định tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp trong việc nâng cao hệ số ổn định công trình ($FoS \ge 1,15$ trong mùa mưa), giảm thiểu diện tích chiếm đất và đảm bảo an toàn khai thác bền vững.