Tổng quan luận án
Công tác đổ thải đất đá là một trong những khâu công nghệ cơ bản trong quy trình khai thác mỏ than lộ thiên, giữ vai trò quyết định đến an toàn kỹ thuật, chi phí sản xuất và cân bằng môi trường khu vực. Tại vùng than Cẩm Phả - Quảng Ninh, nơi tập trung các mỏ than lộ thiên quy mô lớn như Cao Sơn, Cọc Sáu, Đèo Nai và Khe Chàm II, khối lượng đất đá bóc hàng năm dao động từ 10 đến 60 triệu m³, dẫn đến sự hình thành các bãi thải ngoài có chiều cao hàng trăm mét như Bàng Nâu, Đông Cao Sơn, Mông Giăng và Khe Sim - Nam Khe Tam.
Khoảng trống nghiên cứu lớn phát sinh từ sự kết hợp giữa điều kiện địa hình sườn dốc và đặc điểm khí hậu mưa mùa nhiệt đới với lượng mưa lớn tập trung. Đặc biệt, biến đổi khí hậu đã làm gia tăng các hình thái thời tiết cực đoan; điển hình là đợt mưa lũ lịch sử cuối tháng 7, đầu tháng 8 năm 2015 đã phá hủy đập chắn đất mức +9,8 m của bãi thải Đông Cao Sơn, gây xói lở các tầng thải từ mức +200 m đến +60 m trên chiều dài gần 800 m, làm bùn đá bồi lấp mặt bằng sản xuất +58 m và đe dọa trực tiếp khu dân cư phường Mông Dương. Các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam thường đánh giá độ ổn định dựa trên trạng thái đất đá bão hòa hoàn toàn hoặc tự nhiên đơn thuần với chỉ tiêu cơ lý lớp bề mặt, chưa phản ánh đúng bản chất của đất đá không bão hòa nằm trên mức thoát nước tự chảy trong điều kiện ngấm nước mưa theo thời gian. Do đó, việc nghiên cứu kỹ thuật đổ thải hợp lý gắn với điều kiện địa chất, cơ học đất đá không bão hòa và chế độ mưa mùa nhiệt đới là một yêu cầu khoa học và thực tiễn cấp bách.
Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Khai thác mỏ (mã số 9520603) của nghiên cứu sinh Nguyễn Tam Tính, thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Bùi Xuân Nam và TS. Vũ Đình Hiếu, bảo vệ năm 2022, giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ khoa học sau:
Mục tiêu nghiên cứu: 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 tới môi trường do các bãi thải gây ra.
Nội dung nghiên cứu:
- Tổng quan kinh nghiệm đổ thải đất đá mỏ tại Việt Nam và trên thế giới.
- Phân loại các bãi thải ngoài của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
- Khảo sát ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa tới ổn định các bãi thải đất đá mỏ.
- 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.
- Xác định các thông số bãi thải phù hợp với đặc điểm tự nhiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
- 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 (Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Đông Khe Sim - Nam Khe Tam, Mông Giăng, Lộ Trí, Tả Ngạn).
- Phạm vi nghiên cứu: Các thông số hình học và công nghệ đổ thải phù hợp trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
Các luận điểm bảo vệ của luận án:
- 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.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tổng quan tài liệu quốc tế cho thấy kinh nghiệm quản lý và tính toán ổn định bãi thải đã được nghiên cứu sâu tại các quốc gia có nền công nghiệp mỏ phát triển:
- Tại Liên bang Nga, các nhà khoa học như Fisenko G. L., Pevzner M. E., Shakhunyants G. M. đã phát triển các phương pháp cân bằng giới hạn theo đa giác lực và mặt trượt trụ tròn. Thực tế tại vùng dị thường từ Kursk (KMA) với các mỏ OJSC Stoilensky GOK, Lebedinsky GOK, Mikhailovsky GOK cho thấy bãi thải có chiều cao từ 45 m đến 172 m, chiều cao tầng từ 15 m đến 49 m, góc dốc sườn tầng 5° đến 38°, sử dụng đồng bộ thiết bị máy xúc EKG kết hợp đường sắt, ô tô BelAZ-7555 và băng tải rải đá ZP-5500.
- Tại Canada, Trung tâm Khai thác và Luyện kim Canada (CANMET, 1977) ban hành hướng dẫn hệ số ổn định tối thiểu (FoS) cho kè thải đất đá. Vụ sạt lở 5,6 triệu m³ đất đá trượt xa 2 km tại mỏ than Quintette (British Columbia) năm 1987 đã thúc đẩy việc áp dụng công nghệ đổ thải theo lớp có chiều cao khống chế dưới 4÷6 m kết hợp lu lèn và khống chế góc dốc dưới 15°.
- Tại Hoa Kỳ, Cơ quan Thực thi và An toàn Bom mìn (MESA) và Cục Mỏ Hoa Kỳ (USBM, 1982) đã chuẩn hóa tiêu chuẩn tính toán ổn định cho đập quặng đuôi và bãi thải than.
- Tại Trung Quốc, bãi thải hình nón truyền thống bằng đường sắt tại mỏ Haizhou dần được thay thế bằng công nghệ đổ thải theo lớp đầm nén dày 0,5 m tại mỏ than Yanzhou, giúp kiểm soát hệ số FoS luôn lớn hơn 2,0.
- Về mặt lý thuyết cơ học môi trường không bão hòa và mô hình thấm, các công trình của Fredlund, Rahardjo, Wickland B. W., Taylor (1937), Bishop (1955), Spencer (1967), Morgenstern - Price, Janbu, Sarma đã thiết lập nền tảng tính toán trường ứng suất, áp lực nước lỗ rỗng và độ bền kháng cắt dưới tác động của nước mưa thẩm thấu.
Tại Việt Nam, các công trình của các nhà khoa học trong ngành mỏ như Hồ Sĩ Giao, Trần Mạnh Xuân, Đỗ Ngọc Tước, cùng các nghiên cứu thực nghiệm của Viện Khoa học Công nghệ Mỏ tại bãi thải Chính Bắc (Hòn Gai), Núi Béo, Đông Cao Sơn và Bàng Nâu đã bước đầu đánh giá tính chất cơ lý và biến dạng bề mặt. Tuy nhiên, các hạn chế còn tồn tại gồm:
- Số liệu thí nghiệm cơ lý chủ yếu lấy ở lớp bề mặt (chiều sâu 0÷3 m), chưa phản ánh sự thay đổi lực dính kết ($c$), góc nội ma sát ($\phi$) và khối lượng thể tích ($\gamma$) theo chiều cao thực tế của các tầng thải cao 30÷70 m.
- Chưa mô hình hóa chi tiết quá trình thấm nước mưa vào khối đất đá thải không bão hòa nằm trên sườn dốc tự thoát nước theo chuỗi số liệu mưa thực tế của vùng Cẩm Phả.
- Thiếu các tiêu chí định lượng về hình dạng đáy tối ưu nhằm giảm thiểu diện tích chiếm dụng đất và quy trình công nghệ đổ thải thích ứng theo hai mùa khô - mưa.
Luận án của NCS. Nguyễn Tam Tính định vị giải quyết toàn diện các khoảng trống này thông qua phương pháp tiếp cận tích hợp giữa cơ học đất không bão hòa, mô hình số phần tử hữu hạn và phương pháp giải tích hình học tối ưu.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết
- Cơ học đất đá không bão hòa: Đất đá bãi thải nằm trên mực nước ngầm được mô hình hóa là môi trường liên tục 4 pha gồm pha rắn, pha khí, pha nước và màng phân cách khí - nước (theo Fredlund và Rahardjo).
- Phương trình cường độ kháng cắt của đất không bão hòa (Fredlund et al., 1978): $$\tau_f = c' + (\sigma - u_a) \tan \phi' + (u_a - u_w) \tan \phi^b$$ Trong đó: $\tau_f$ là cường độ kháng cắt; $c'$ là lực dính kết hiệu quả; $(\sigma - u_a)$ là ứng suất pháp thực; $(u_a - u_w)$ là lực hút dính (suction); $\phi'$ là góc nội ma sát hiệu quả; $\phi^b$ là góc ma sát biểu thị mức tăng độ bền kháng cắt theo lực hút dính; $u_a$ là áp lực khí lỗ rỗng; $u_w$ là áp lực nước lỗ rỗng.
- 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 trong lớp sát bề mặt; $P$ là lượng mưa; $R_o$ là lượng nước chảy tràn bề mặt; $E_s$ là lượng bốc hơi bề mặt; $ET$ là lượng thoát hơi nước qua thực vật; $R$ là lượng nước thẩm thấu sâu vào thân bãi thải.
- Lý thuyết cân bằng giới hạn (LEM) và Giảm độ bền liên tục (FEM-SSR): Sử dụng các phương trình cân bằng mô men và cân bằng lực của phương pháp Bishop, Spencer, Janbu và Morgenstern - Price kết hợp kỹ thuật phần tử hữu hạn để xác định hệ số an toàn nhỏ nhất ($FoS$).
Phương trình cân bằng tĩnh học trong các phương pháp phân mảnh LEM:
- Ordinary / Fellenius: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Không)
- Bishop đơn giản: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Không)
- Janbu đơn giản: Cân bằng mô men (Không)| Cân bằng lực (Có)
- Spencer: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Có)
- Morgenstern-Price: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Có)
- Janbu tổng quát: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Có)
- Sarma: Cân bằng mô men (Có) | Cân bằng lực (Có)
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Xây dựng khung tiêu chí an toàn và phân loại bãi thải.
- Phương pháp thống kê: Phân tích chuỗi số liệu khí tượng mưa từ năm 2011 đến 2018 tại trạm Cửa Ông và Bãi Cháy; xử lý số liệu thành phần hạt nổ mìn tại 12 bãi mìn mỏ Cao Sơn.
- Phương pháp tính ngược (Back-analysis): Xác định các tham số cơ lý thực tế ($c, \phi$) của khối thải dựa trên các vị trí đã xảy ra biến dạng, trượt lở thực tế.
- Phương pháp mô hình hóa số: Ứng dụng các module phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng GeoStudio (Slope/W, Sigma/W, Seep/W) và FLAC3D.
- Phương pháp toán học và tối ưu hình học: Thiết lập mô hình giải tích tối ưu diện tích chiếm đất của đáy bãi thải theo các dạng hình học (hình tròn, vuông, chữ nhật, elip) với số tầng thay đổi từ 1 đến 3 tầng.
Nguồn tư liệu và dữ liệu
- Báo cáo địa chất, thiết kế kỹ thuật và hiện trạng khai thác - đổ thải của Công ty Cổ phần Than Cao Sơn, Than Cọc Sáu, Than Đèo Nai và Công ty Than Khe Chàm.
- Chuỗi số liệu đo mưa chi tiết các năm 2011÷2018 của Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Cẩm Phả.
- Kết quả thí nghiệm cơ lý mẫu đất đá nguyên dạng và bão hòa nước thực hiện năm 2015 và 2020 tại các bãi thải Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Núi Béo, Chính Bắc.
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 tổng hợp bức tranh toàn cảnh về hoạt động khai thác than và công tác đổ thải mỏ lộ thiên. Tỷ trọng khai thác lộ thiên chiếm trên 80% sản lượng khoáng sản thế giới. Các mỏ sâu lộ thiên có xu hướng gia tăng độ sâu vượt quá 500÷600 m với khối lượng đất đá bóc thải rất lớn.
| Tên mỏ | Quốc gia | Loại khoáng sản | Độ sâu (m) | Kích thước mặt bằng (km × km) |
|---|---|---|---|---|
| Bingham Canyon | Mỹ | Đồng, Molypden, Vàng | 1200 | 4,0 × 3,8 |
| Chuquicamata | Chile | Đồng, Vàng, Bạc, Selen | 850 | 4,3 × 3,0 |
| Palabora | Nam Phi | Đồng | 700 | 1,9 × 1,7 |
| Thành công (Udachnaya) | Nga | Kim cương | 640 | 1,7 × 1,3 |
| Escondida | Chile | Đồng, Vàng, Bạc | 620 | 3,8 × 2,7 |
| Muruntau | Uzbekistan | Vàng | 600 | 3,5 × 2,5 |
| Sibaysky | Nga | Đồng, Kẽm, Lưu huỳnh | 600 | 2,0 × 2,0 |
| Batu Hijau | Indonesia | Vàng, Đồng | 550 | 2,5 × 2,2 |
| Escondida Norte | Chile | Đồng, Vàng, Bạc | 500 | 1,6 × 1,4 |
| Kovdorsky | Nga | Quặng sắt, Apatit | 500 | 2,3 × 1,6 |
Tại vùng than Cẩm Phả, các mỏ áp dụng đồng bộ thiết bị khoan xoay cầu đường kính 250 mm, máy xúc gầu dung tích 4÷12 m³ kết hợp ô tô tải trọng 58÷100 tấn. Đất đá thải gồm 4 nhóm thạch học chính: cuội sạn kết, cát kết, bột kết và sét kết.
| Loại đất đá | Tỷ lệ phân bố (%) | Khối lượng riêng $\rho$ (g/cm³) | Khối lượng thể tích $\gamma$ (g/cm³) | 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 |
Khảo sát thành phần hạt sau nổ mìn tại 12 bãi nổ mỏ than Cao Sơn cho thấy đường kính hạt trung bình đạt 0,40÷0,70 m; tỷ lệ cỡ hạt có kích thước lớn hơn 0,4 m chiếm từ 44,69% đến 72,66%.
Khảo sát thực địa bãi thải Chính Bắc cho thấy sự biến đổi rõ rệt của các chỉ tiêu cơ lý theo chiều sâu tầng nén:
- Mức 0 m (mặt tầng): Khối lượng thể tích khô 2,16 g/cm³, bão hòa 2,31 g/cm³, độ ẩm 6,9%, độ xốp 0,18, độ bão hòa 0,81.
- Mức 3 m (chiều sâu): Khối lượng thể tích khô 1,87 g/cm³, bão hòa 1,97 g/cm³, độ ẩm 5,24%, độ xốp 0,29, độ bão hòa 0,34.
Kết quả thí nghiệm đối chứng trạng thái tự nhiên ($ntn$) và bão hòa ($nbh$) tại các bãi thải lớn vùng Cẩm Phả:
| Tên bãi thải | Dung trọng tự nhiên (t/m³) | Dung trọng bão hòa (t/m³) | Lực dính $C$ tự nhiên (t/m²) | Lực dính $C$ bão hòa (t/m²) | Góc $\phi$ tự nhiên (độ) | Góc $\phi$ bão hòa (độ) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
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 chế độ mưa nhiệt đới và cơ chế suy giảm độ bền kháng cắt của bãi thải:
- Chế độ mưa cực đoan: Giai đoạn 2011÷2018 ghi nhận lượng mưa tập trung chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 10 (chiếm 85÷90% lượng mưa năm), đạt đỉnh vào tháng 7 và 8 (400÷600 mm/tháng). Đợt mưa lịch sử tháng 7÷8/2015 tại Cửa Ông đạt tổng lượng mưa 1.400 mm; cường độ mưa lớn nhất trong 6 giờ đạt 249 mm, 12 giờ đạt 296 mm, 24 giờ đạt 437 mm và 72 giờ đạt 865 mm.
Diễn biến lượng mưa trận lũ lịch sử năm 2015 tại vùng Cẩm Phả:
- Lượng mưa lớn nhất 6h (26/7/2015): 249 mm (Cửa Ông)
- Lượng mưa lớn nhất 12h (27-28/7/2015): 296 mm (Bãi Cháy)
- Lượng mưa lớn nhất 24h (25-26/7/2015): 437 mm (Cửa Ông)
- Lượng mưa lớn nhất 72h (25-28/7/2015): 865 mm (Cửa Ông)
- Tổng lượng mưa đợt lũ (25/7 - 02/8/2015): 1.400 mm (Cửa Ông)
- Mô phỏng trường thấm và áp lực nước lỗ rỗng: Kết quả tính toán bằng SIGMA/W và SEEP/W chỉ ra rằng khi nước mưa ngấm vào sườn bãi thải không bão hòa, vùng áp lực nước lỗ rỗng âm (lực hút dính) bị thu hẹp dần, áp lực nước lỗ rỗng tăng lên giá trị dương. Với cường độ mưa thiết kế $3,16 \times 10^{-9}$ m/s đến 37 cm/ngày, hệ số an toàn FoS của mái dốc bãi thải suy giảm nhanh nhất trong 24 giờ đầu và đạt giá trị cực tiểu sau khi kết thúc đợt mưa kéo dài.
- Phân loại các cơ chế mất ổn định nền bãi thải:
- Trượt lở khối quay: Cung trượt hình trụ tròn mở rộng sâu vào khối đất đá thải và nền yếu.
- Trượt khối không tuần hoàn: Trượt dọc theo mặt tiếp xúc bất liên tục giữa đáy bãi thải và lớp đất phong hóa sườn đồi.
- Trượt khối nêm: Trượt theo hệ thống nêm trượt cắt qua các khối đá nổ mìn phân cấp.
- Hiện tượng dịch chuyển nền thải: Chuyển động tịnh tiến của toàn bộ khối bãi thải trên bề mặt nền đá dốc bị ngậm nước.
- Sự hóa lỏng: Phát sinh khi áp lực nước lỗ rỗng tăng vọt làm mất hoàn toàn lực chống cắt của vật liệu hạt mịn chân bãi thải dưới tải trọng động.
- Trượt chân tầng: Hiện tượng đùn ép trồi đất đá yếu ở chân bãi thải do áp lực tải trọng bên trên.
- Tác động lu lèn và tải trọng xe tải: Khảo sát ảnh hưởng của các đoàn xe vận tải trọng tải 42÷85 tấn cho thấy chiều dày lớp đầm nén mặt tầng đạt từ 2÷4 m. Độ chặt và dung trọng giảm dần theo chiều sâu, tạo ra sự phân lớp thấm nước không đồng đều: lớp mặt đầm chặt ngăn nước thấm cục bộ, nhưng khi nước xâm nhập qua các khe nứt sườn tầng sẽ tích tụ ở đới dưới kém đầm nén, làm tăng nguy cơ trượt sâu.
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 xây dựng hệ thống giải pháp kỹ thuật, phân loại và tiêu chí ổn định chấp nhận:
-
Hệ thống tiêu chí hệ số ổn định chấp nhận (FoS): Đề xuất bảng phân cấp FoS tối thiểu dựa trên mức độ rủi ro công trình và độ tin cậy của thông số đầu vào:
- Cấp nguy cơ thấp (không có công trình hạ lưu): $FoS \ge 1,15 \div 1,20$ (trạng thái bão hòa).
- Cấp nguy cơ trung bình (gần đường giao thông, tuyến thoát nước mỏ): $FoS \ge 1,30$.
- Cấp nguy cơ cao (phía dưới có khu dân cư, công trình công nghiệp, mặt bằng tuyển than): $FoS \ge 1,30 \div 1,50$ (trạng thái bão hòa) và $FoS \ge 1,50 \div 1,60$ (trạng thái tự nhiên).
-
Mô hình toán tối ưu diện tích chiếm dụng đất bãi thải ngoài: Luận án thiết lập phương trình liên hệ giữa diện tích đáy $S_d$, chiều cao bãi thải $H$, góc dốc tổng thể $\gamma_b$ và dung tích chất thải yêu cầu $V$ đối với các dạng hình học: đáy hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật và hình elip cho bãi thải 1 tầng, 2 tầng và 3 tầng. Kết quả phân tích: Với cùng một dung tích chứa $V$, bãi thải có đáy hình tròn và elip tối ưu hóa diện tích chiếm dụng đất tốt nhất, tiếp theo là hình vuông và hình chữ nhật. Việc nâng số tầng thải từ 1 tầng lên 2÷3 tầng kết hợp cơ cấu đai an toàn giúp tiết kiệm từ 12% đến 28% diện tích chiếm dụng đất mặt bằng.
-
Xác định các thông số hình học tầng thải hợp lý:
- Chiều cao tầng thải đơn lẻ ($h_t$): Trong mùa khô cho phép đổ tầng cao 30÷40 m; trong mùa mưa cần hạ thấp chiều cao tầng xuống 15÷20 m.
- Góc dốc sườn tầng thải ($\alpha$): Trạng thái tự nhiên khống chế $\alpha = 32^\circ \div 37^\circ$; trạng thái bão hòa nước trong mùa mưa phải hạ góc dốc xuống $\alpha = 25^\circ \div 30^\circ$.
- Bề rộng mặt tầng thải tối thiểu ($B_{min}$): Được tính toán phụ thuộc vào bán kính quay trở xe ô tô tải trọng 58÷100 tấn, dải đệm an toàn và khoảng lùi máy gạt, dao động từ 20 m đến 50 m.
-
Đề xuất công nghệ đổ thải thích ứng mùa mưa:
- Công nghệ đổ thải phân vùng: Áp dụng đổ thải theo chu vi kết hợp đổ theo diện tích.
- Sơ đồ công nghệ kết hợp tầng thải phía trong và tầng thấp đệm ngoài: Bố trí các bờ đệm tầng thấp (chiều cao $h \le 5 \div 10$ m) bằng đất đá hạt thô cuội cát kết ở chân bờ dốc phía hạ lưu để gia tải phản áp và thu gom thoát nước ngầm; phần thân bãi phía trong đổ tầng cao bằng hệ thống băng tải hoặc ô tô kết hợp máy gạt.
- Giải pháp thoát nước bề mặt: Tạo độ dốc thoát nước ngược $i = 3% \div 5%$ về phía trong mặt tầng để dẫn dòng vào các rãnh bê tông thoát nước có bậc tiêu năng, nghiêm cấm dòng chảy tràn tự do qua mép sườn bãi thải trong mùa mưa.
Chương 4: Tính toán thử cho mỏ than Cao Sơn vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh
Chương 4 kiểm chứng các giải pháp và mô hình đề xuất tại bãi thải Bàng Nâu mỏ than Cao Sơn:
-
Hiện trạng bãi thải Bàng Nâu: Cốt cao thiết kế đạt mức +300 m, chiều dài bãi thải khoảng 3.000 m. Mỏ vận hành tuyến băng tải vận chuyển đất đá công suất 20 triệu m³/năm, chiều rộng băng 2 m kết hợp cầu dỡ thải kiểu công-xôn, phối hợp các tuyến đổ ô tô - máy ủi tại các cao trình +120 m, +150 m, +260 m và +290 m.
-
Kết quả kiểm toán hệ số ổn định ($FoS$) bãi thải Bàng Nâu theo các kịch bản:
- Trạng thái tự nhiên (mùa khô):
- Phương pháp cân bằng giới hạn Morgenstern - Price (LEM): $FoS = 1,67 \div 1,69$.
- Phương pháp phần tử hữu hạn giảm độ bền (FEM - SSR): $FoS = 1,64$.
- Trạng thái không bão hòa có xét quá trình thấm nước mưa:
- Phân tích phần tử hữu hạn liên kết thấm - ứng suất biến dạng: $FoS = 1,35 \div 1,42$.
- Trạng thái bão hòa hoàn toàn (mưa kéo dài cực đoan):
- Phương pháp LEM (Morgenstern - Price): $FoS = 1,18 \div 1,22$.
- Phương pháp FEM - SSR: $FoS = 1,15$.
- Phân tích độ nhạy chịu tải trọng động đất giả tĩnh ($k_h$ tương ứng cấp 5 đến cấp 9 độ Richter):
- Khi hệ số gia tốc nền $k_h$ tăng tương ứng chấn động cấp 7÷8 Richter kết hợp đất đá ngậm nước bão hòa, $FoS$ giảm xuống dưới ngưỡng an toàn ($FoS < 1,05$).
- Trạng thái tự nhiên (mùa khô):
-
Đề xuất kỹ thuật và thông số đổ thải an toàn cho bãi thải Bàng Nâu:
- Bố trí phân tầng kết thúc ở mức +300 m với góc dốc tổng thể sườn bãi không vượt quá $22^\circ \div 25^\circ$.
- Thiết lập quy trình rót tải phân mùa: Mùa khô tiến hành rót tải tầng cao bằng hệ thống băng tải công-xôn; mùa mưa chuyển sang dỡ tải tạo các tầng thấp $h = 15$ m, tăng cường lu lèn mặt bằng và thi công hệ thống rãnh gom nước hướng sườn Nam.
- Sau khi kết thúc đổ thải, thực hiện bạt sửa độ dốc toàn bãi, thi công hệ thống rãnh phân lũ bậc thang và phủ xanh hoàn phục môi trường.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt lý luận khoa học
- Xác lập cơ sở khoa học tính toán ổn định bãi thải sườn dốc mỏ lộ thiên trong môi trường nhiệt đới gió mùa dựa trên lý thuyết cơ học đất đá không bão hòa, định lượng hóa sự suy giảm lực dính kết đơn vị và lực hút dính theo cường độ và thời gian mưa.
- Xây dựng phương pháp xác định thông số độ bền kháng cắt ($c, \phi$) thực tế cho toàn bộ chiều cao khối bãi thải thông qua kỹ thuật tính ngược kết hợp thí nghiệm đối chứng hiện trường.
- Thiết lập hệ phương trình giải tích tối ưu hóa hình học đáy và số tầng bãi thải nhằm giảm thiểu diện tích chiếm dụng mặt bằng với dung tích chứa cho trước.
Đóng góp về mặt thực tiễn kỹ thuật
- Đề xuất bộ tiêu chí hệ số ổn định chấp nhận ($FoS$) và quy trình phân loại nguy cơ mất an toàn cho hệ thống bãi thải mỏ than vùng Cẩm Phả.
- Đề xuất sơ đồ công nghệ đổ thải kết hợp tầng cao phía trong và tầng thấp đệm bao bọc chân bờ, cho phép kiểm soát an toàn trượt lở trong mùa mưa lũ đồng thời tiết kiệm chi phí vận tải và san gạt đất đá.
- Đưa ra các thông số thiết kế và quy trình rót tải theo mùa đã được áp dụng tính toán thành công cho bãi thải Bàng Nâu thuộc mỏ than Cao Sơn.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế
- Các mô phỏng số và phân tích thực nghiệm tập trung chủ yếu vào cụm mỏ than vùng Cẩm Phả (Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Cọc Sáu, Đèo Nai), chưa bao quát toàn diện các mỏ than có điều kiện địa chất nền phức tạp hơn ở khu vực Uông Bí hay Mạo Khê.
- Mô hình thấm giả định môi trường đất đá đồng nhất tương đối theo từng lớp nổ mìn, chưa mô phỏng hết tính chất dị hướng và các kênh dẫn dòng thấm cục bộ phát sinh do hiện tượng phân cỡ hạt tự nhiên khi đổ đá từ trên cao.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Mở rộng nghiên cứu áp dụng mô hình cho các bãi thải trong moong khai thác lộ thiên sâu dưới mực nước biển (như moong Cọc Sáu, Đèo Nai khi kết thúc khai thác).
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống quan trắc dịch động tự động thời gian thực (Real-time monitoring) bằng cảm biến đo áp lực nước lỗ rỗng piezometer, máy đo độ nghiêng inclinometer kết hợp công nghệ định vị vệ tinh vi sai GNSS và ảnh vi thám radar InSAR.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật và độ tin cậy thực chứng cao, hữu ích cho:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên: Ngành Khai thác mỏ, Địa kỹ thuật công trình, Địa chất thủy văn và Kỹ thuật môi trường mỏ tại các trường đại học khối kỹ thuật địa chất - mỏ.
- Kỹ sư thiết kế và chuyên gia công nghệ: Tại Viện Khoa học Công nghệ Mỏ (VIMCO), các công ty tư vấn thiết kế mỏ trong việc tính toán thiết kế tầng thải, bãi thải ngoài, bãi thải trong và lập báo cáo đánh giá tác động môi trường.
- Cán bộ quản lý kỹ thuật và an toàn: Tại Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV), Tổng công ty Đông Bắc và các đơn vị khai thác mỏ lộ thiên trong việc chỉ đạo điều hành sản xuất, phòng chống thiên tai và sạt lở bãi thải trong mùa mưa bão.
Câu hỏi thường gặp
1. Trận mưa lịch sử tháng 7 - 8/2015 đã tác động như thế nào đến các bãi thải vùng Cẩm Phả?
Đợt mưa có tổng lượng mưa lên tới 1.400 mm tại trạm Cửa Ông (với lượng mưa 24 giờ lớn nhất đạt 437 mm) đã làm sạt lở một phần đập chắn đất mức +9,8 m bãi thải Đông Cao Sơn. Nước mưa cuốn trôi đất đá gây xói lở các tầng thải từ mức +200 m đến +60 m trên chiều dài gần 800 m, tạo thành dòng lũ bùn đất tràn vào mặt bằng công nghiệp ở mức +58 m đến +6 m (diện tích ngập khoảng 5 ha) và đe dọa an toàn các khu dân cư lân cận tại phường Mông Dương.
2. Phương trình cường độ kháng cắt của đất đá không bão hòa được ứng dụng trong luận án có cấu trúc như thế nào?
Luận án sử dụng phương trình của Fredlund et al. (1978): $$\tau_f = c' + (\sigma - u_a) \tan \phi' + (u_a - u_w) \tan \phi^b$$ Trong đó độ bền kháng cắt $\tau_f$ được bổ sung thành phần $(u_a - u_w) \tan \phi^b$ đại diện cho lực hút dính mao dẫn (suction) trong đới không bão hòa. Khi mưa lớn kéo dài, nước ngấm vào làm áp lực nước lỗ rỗng $u_w$ tăng lên, lực hút dính suy giảm về 0, làm giảm trực tiếp sức chống cắt của khối đất đá bãi thải.
3. Tỷ lệ thành phần hạt sau nổ mìn tại mỏ than Cao Sơn phân bố ra sao?
Kết quả khảo sát 12 bãi mìn tại mỏ than Cao Sơn ghi nhận kích thước hạt trung bình của đất đá thải sau nổ mìn là 0,40÷0,70 m. Tỷ lệ nhóm hạt có đường kính lớn hơn 0,4 m chiếm từ 44,69% đến 72,66%; trong đó cấp hạt mịn dưới 0,2 m chiếm 11,26% ÷ 32,85%, tạo nên hỗn hợp đất đá có tính thấm và độ phân tầng cơ học phức tạp.
4. Kết quả kiểm toán hệ số an toàn ($FoS$) bãi thải Bàng Nâu thay đổi thế nào giữa mùa khô và mùa mưa?
Tại bãi thải Bàng Nâu (+300 m), ở trạng thái tự nhiên (mùa khô), hệ số an toàn tính toán bằng phương pháp Morgenstern - Price đạt $FoS = 1,67 \div 1,69$ và FEM-SSR đạt $1,64$. Khi đất đá chuyển sang trạng thái bão hòa nước hoàn toàn trong mùa mưa lũ cực đoan, hệ số an toàn suy giảm xuống còn $FoS = 1,18 \div 1,22$ (LEM) và $FoS = 1,15$ (FEM-SSR).
5. Luận điểm bảo vệ số 3 đề xuất giải pháp kỹ thuật công nghệ trọng tâm nào?
Luận điểm 3 đề xuất áp dụng công nghệ đổ thải kết hợp tầng thải phía trong và tầng thấp bao quanh chân bờ. Giải pháp này sử dụng các tầng đá hạt thô chiều cao thấp ở chân sườn dốc làm đai phản áp và tiêu thoát nước ngầm, giúp ổn định thân bờ dốc bãi thải trên sườn núi đồng thời tối ưu hóa cung độ vận chuyển và giảm chi phí san gạt bằng máy ủi.
Kết luận
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của NCS. Nguyễn Tam Tính là công trình nghiên cứu chuyên sâu, giải quyết trọn vẹn bài toán ổn định bãi thải mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết cơ học đất đá không bão hòa, phương pháp mô phỏng số hiện đại và phân tích tối ưu hóa hình học, tác giả đã làm sáng tỏ quy luật tương tác giữa dòng thấm nước mưa cực đoan và độ bền bờ dốc bãi thải. Các thông số hình học, tiêu chí an toàn FoS và sơ đồ công nghệ đổ thải phân mùa đề xuất trong luận án mang lại cơ sở khoa học vững chắc và giải pháp kỹ thuật thực tiễn giá trị, góp phần bảo đảm an toàn khai thác mỏ và bảo vệ môi trường bền vững cho vùng than Quảng Ninh.