Tổng quan nghiên cứu

Khai thác than là ngành công nghiệp mũi nhọn của nền kinh tế Việt Nam với tổng sản lượng khai thác đạt khoảng 40 triệu tấn/năm, trong đó hơn 70% tập trung tại khu vực mỏ tỉnh Quảng Ninh. Song hành với sự gia tăng công suất nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng quốc gia, hoạt động khai thác than lộ thiên đã và đang tạo ra áp lực sinh thái to lớn lên vùng Đông Bắc. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn tập trung vào tình trạng suy thoái cảnh quan, biến dạng địa hình, xói mòn bãi thải và ô nhiễm nguồn nước mặt do các dòng thải mang hàm lượng cặn lơ lửng, dầu mỡ và kim loại nặng phát tán ra môi trường sống xung quanh.

Mục tiêu cụ thể của công trình là đánh giá toàn diện hiện trạng môi trường và công tác quản lý chất thải tại hai mỏ than lộ thiên tiêu biểu gồm mỏ than Núi Béo với diện tích khoảng 15,7 km² (thuộc thành phố Hạ Long) và mỏ than Cao Sơn với diện tích hơn 783 ha (thuộc thành phố Cẩm Phả), từ đó đề xuất hệ thống giải pháp quản lý môi trường khả thi. Phạm vi không gian nghiên cứu bao quát các tỉnh miền núi Đông Bắc, trọng tâm là vùng mỏ Quảng Ninh, kết hợp chuỗi dữ liệu khí tượng thủy văn và sản xuất từ năm 1961 đến năm 2014.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu thể hiện qua việc lượng hóa các chỉ tiêu ô nhiễm đặc thù, giúp các doanh nghiệp kiểm soát việc hạ thấp moong khai thác xuống cốt cao âm 135 m và quản lý bãi thải cao đến dương 256 m. Kết quả đề tài không chỉ cung cấp cơ sở dữ liệu để nâng cao hiệu lực kiểm soát môi trường tại vùng mỏ than Đông Bắc mà còn định hướng chuyển giao kinh nghiệm quản lý mỏ cho nước bạn Lào.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng hệ thống lý thuyết quản lý môi trường mỏ tổng hợp kết hợp khung lý thuyết đánh giá tải lượng dòng thải công nghiệp khoáng sản. Mô hình nghiên cứu tiếp cận theo chu trình vận động của vật chất trong quá trình khai thác than lộ thiên: từ khâu khoan nổ mìn, bốc xúc đất đá, vận chuyển ô tô, nghiền sàng, đến khu vực bãi thải và trạm xử lý nước thải.

Khung nghiên cứu dựa trên 4 khái niệm cốt lõi:

  • Khai thác than lộ thiên: phương thức khai mỏ bóc tách toàn bộ lớp đất đá phủ bề mặt để tiếp cận vỉa than, làm thay đổi triệt để địa hình tự nhiên.
  • Tải lượng ô nhiễm: tổng lượng chất thải khí, bụi và nước phát sinh trong một đơn vị thời gian từ hoạt động sản xuất.
  • Bãi thải ngoài: khu vực lưu giữ khối lượng lớn đất đá thải với độ dốc cao, tiềm ẩn nguy cơ sạt lở và rửa trôi axit mỏ.
  • Phục hồi môi trường mỏ: các biện pháp công trình và sinh học nhằm đưa khu vực sau khai thác về trạng thái an toàn, ổn định hệ sinh thái.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu kết hợp dữ liệu sơ cấp thu thập trực tiếp tại hiện trường và dữ liệu thứ cấp từ Niên giám thống kê tỉnh Quảng Ninh cùng hồ sơ quan trắc môi trường giai đoạn 1991-2014. Nghiên cứu sử dụng cỡ mẫu phân tích gồm 9 mẫu nước mặt và nước ngầm tại lưu vực suối Hà Tu, suối Lộ Phong, lòng moong vỉa 14, cùng 12 vị trí quan trắc tải lượng bụi và khí thải tại trạm sàng, tuyến đường nội mỏ.

Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo vị trí dòng thải xung yếu, tập trung vào các điểm hợp lưu dòng chảy và khu vực giao cắt giao thông mỏ có nguy cơ ô nhiễm cao. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích hóa lý môi trường theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia kết hợp phương pháp thống kê chuỗi thời gian là nhằm xác định chính xác các thông số biến thiên theo mùa như độ đục, độ pH, cặn lơ lửng, hàm lượng sắt Fe và tải lượng bụi. Timeline nghiên cứu được thực hiện đồng bộ từ phân tích số liệu khí tượng thủy văn giai đoạn 1961-2011 đến khảo sát thực nghiệm chi tiết trong giai đoạn 2011-2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình điều tra và phân tích số liệu thực địa đã làm sáng tỏ 4 phát hiện quan trọng:

  1. Tải lượng nước thải mỏ mang tính mùa vụ cao và bị ô nhiễm kim loại nặng: Suối Hà Tu là nguồn thoát nước chính của mỏ Núi Béo với lưu lượng biến thiên cực lớn từ mức tối thiểu 3,64 l/s trong mùa khô lên mức tối đa 280,5 l/s trong mùa mưa. Kết quả phân tích 9 mẫu nước cho thấy hàm lượng ion sắt Fe vượt quy chuẩn kỹ thuật cho phép từ 1,5 đến 3,2 lần tại các vị trí tiếp nhận nước thoát từ chân bãi thải và moong khai thác.
  2. Tải lượng bụi phát tán vượt chuẩn trên các tuyến vận chuyển: Hoạt động bốc xúc đất đá và vận chuyển bằng ô tô tải trọng lớn chiếm khoảng 65% tổng lượng bụi phát sinh toàn mỏ. Tại mỏ Cao Sơn và Núi Béo, nồng độ bụi tổng số lơ lửng tại các trục đường nội mỏ vào những tháng mùa khô (từ tháng 11 đến tháng 4) vượt tiêu chuẩn cho phép từ 2,1 đến 4,5 lần do độ ẩm không khí giảm xuống mức 60% - 70%.
  3. Biến dạng địa mạo và suy giảm thảm thực vật nghiêm trọng: Khai thác lộ thiên đã hạ thấp đáy moong vỉa 14 xuống mức âm 135 m và nâng đỉnh bãi thải đất đá lên mức dương 256 m, tạo độ chênh lệch địa hình gần 400 m. Hoạt động bóc phủ đất đá trên diện tích 15,7 km² mỏ Núi Béo và hơn 783 ha mỏ Cao Sơn đã làm suy giảm trên 80% thảm thực vật nguyên thủy, phá vỡ cấu trúc thủy văn tự nhiên của các nhánh suối Hà Lầm và Lộ Phong.
  4. Cấu trúc thạch học làm tăng nguy cơ trương nở và sạt lở: Cột địa tầng chứa 33% bột kết, 25% cát kết, 19% cuội sỏi kết và 1% sét than xen kẹp. Khi gặp nước mưa lớn, lớp sét than mềm bở bị trương nở nhanh, làm giảm hệ số ổn định của sườn tầng khai thác và bờ bãi thải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng ô nhiễm xuất phát từ công nghệ khai thác lộ thiên quy mô lớn với công suất cấp phép đạt 4,3 triệu tấn than/năm tại mỏ Núi Béo theo Giấy phép số 2819/GP-BTNMT. Lượng mưa trung bình nhiều năm của khu vực đạt 1.564 mm/năm, trong đó lượng mưa một ngày lớn nhất tại trạm Đông Triều từng ghi nhận ở mức 501 mm và lượng mưa năm tại Uông Bí lên tới 2.532,3 mm. Lượng mưa cực đoan này rửa trôi khối lượng đất đá bở rời từ các tầng đổ thải, đưa sắt hòa tan và dầu mỡ từ máy xúc thủy lực vào mạng lưới thủy văn.

Khi thảo luận kết quả, dữ liệu quan trắc có thể được trực quan hóa hiệu quả qua biểu đồ cột thể hiện mức độ suy giảm nồng độ sắt Fe trước và sau xử lý tại các moong, kết hợp bảng thống kê phân bố tải lượng bụi theo từng công đoạn (khoan nổ mìn, xúc bốc, vận chuyển). So với các mỏ than hầm lò, khai thác than lộ thiên tạo ra khối lượng chất thải rắn cao gấp 8 đến 10 lần trên một đơn vị sản phẩm than sạch. Điều này khẳng định sự cần thiết phải kiểm soát nghiêm ngặt các dòng thải ngay tại nguồn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu ô nhiễm và hoàn thiện công tác quản lý môi trường mỏ than lộ thiên vùng Đông Bắc, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp trọng tâm:

  1. Đầu tư nâng cấp trạm xử lý nước thải mỏ và tách dầu mỡ tự động: Lắp đặt hệ thống keo tụ tạo bông kết hợp lắng lọc để xử lý triệt để hàm lượng cặn lơ lửng và sắt hòa tan, đặt mục tiêu loại bỏ trên 95% nồng độ Fe và thu hồi 100% dầu mỡ trước khi xả ra suối Hà Tu và suối Lộ Phong. Tiến độ hoàn thành trong vòng 12 tháng, do Ban Quản lý Môi trường Công ty Cổ phần Than Núi Béo và Than Cao Sơn chủ trì.
  2. Tối ưu hóa quy trình nổ mìn vi sai phân đoạn kết hợp trạm rửa xe tự động: Áp dụng phương pháp nổ mìn vi sai phân đoạn để triệt tiêu sóng chấn động và hạn chế phát tán bụi đất đá. Đồng thời, vận hành bắt buộc hệ thống trạm phun rửa xe tự động đối với 100% phương tiện vận chuyển trước khi rời khai trường, phấn đấu giảm 40% nồng độ bụi phát tán trong giai đoạn 2016-2018.
  3. Cải tạo địa hình và hoàn nguyên sinh thái bãi thải ngoài: Tiến hành giật cấp các tầng bãi thải đạt cốt cao dương 256 m, phủ đất màu và trồng cây keo tai tượng kết hợp cỏ Vetiver trên diện tích hơn 200 ha bãi thải nhằm chống xói mòn trong vòng 24 tháng, do đơn vị khai thác phối hợp cùng chính quyền địa phương thực hiện.
  4. Tăng cường năng lực giám sát môi trường định kỳ và chuyển giao kỹ thuật: Tổ chức kiểm toán môi trường và quan trắc tự động liên tục 6 tháng/lần đối với nguồn nước thải và không khí xung quanh. Xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật quản lý môi trường mỏ than để chuyển giao cho các đơn vị khai khoáng tại Việt Nam và ngành than tại Lào trong giai đoạn 2016-2020 dưới sự giám sát của Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam và Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

  • Kỹ sư môi trường và nhà điều hành mỏ than lộ thiên: Cung cấp tài liệu thực chứng về quy trình vận hành trạm tách dầu mỡ, phương pháp nổ mìn vi sai phân đoạn và biện pháp dập bụi trên các tuyến đường vận tải moong sâu âm 135 m.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và bảo vệ môi trường: Là nguồn tư liệu tham chiếu tin cậy để Sở Tài nguyên và Môi trường các tỉnh Quảng Ninh, Bắc Giang, Thái Nguyên thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường và giám sát việc xả thải tại các lưu vực mỏ than diện tích từ 783 ha đến 15,7 km².
  • Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành Khoa học Môi trường: Cung cấp bộ số liệu khí tượng thủy văn 50 năm (1961-2011) và kết quả phân tích chất lượng nước mặt, nước ngầm phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu mô hình hóa dòng thải mỏ.
  • Các tổ chức tư vấn môi trường và chuyên gia khai khoáng quốc tế: Cung cấp bài học kinh nghiệm thực tiễn từ Việt Nam để ứng dụng xây dựng hệ thống quản lý môi trường tại các dự án khai thác khoáng sản ở nước bạn Lào.

Câu hỏi thường gặp

Nguồn phát sinh ô nhiễm nghiêm trọng nhất tại các mỏ than lộ thiên vùng Đông Bắc là gì?

Nguồn ô nhiễm chính xuất phát từ bụi đất đá trong quá trình xúc bốc, vận chuyển bằng xe đại trọng tải (chiếm khoảng 65% lượng bụi) và nước thải mỏ có hàm lượng sắt Fe vượt chuẩn từ 1,5 đến 3,2 lần, phát sinh từ moong sâu âm 135 m cùng các sườn bãi thải cao dương 256 m trong mùa mưa lũ.

Tại sao hàm lượng sắt Fe trong nước suối Hà Tu và suối Lộ Phong lại tăng cao đột biến vào mùa mưa?

Vào mùa mưa với lượng mưa bình quân đạt khoảng 400 mm/tháng, nước mưa hòa tan khoáng vật chứa sắt trong tầng đất đá thải bở rời (chiếm tỷ lệ lớn ở bột kết và cát kết). Dòng chảy mặt cuốn theo cặn lơ lửng đổ vào suối Hà Tu với lưu lượng cực đại đạt 280,5 l/s, khiến nồng độ sắt tăng cao.

Phương pháp nổ mìn vi sai phân đoạn đem lại hiệu quả môi trường như thế nào?

Phương pháp nổ mìn vi sai phân đoạn giúp chia nhỏ lượng thuốc nổ kích hoạt theo từng khoảng thời gian mili giây, giúp giảm thiểu tối đa áp lực sóng chấn động lên các tầng địa chất xung quanh, hạn chế nguy cơ sạt trượt vách moong và giảm hơn 30% lượng khói bụi phát tán so với nổ mìn tức thời.

Các giải pháp quản lý môi trường trong luận văn có thể chuyển giao cho ngành mỏ tại Lào không?

Hoàn toàn khả thi vì điều kiện địa chất, công nghệ khai thác lộ thiên và đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Lào có nhiều nét tương đồng với vùng Đông Bắc Việt Nam. Mô hình trạm rửa xe tự động, trạm xử lý nước thải nhiễm dầu mỡ và hoàn nguyên bãi thải đều dễ áp dụng thực tế.

Thách thức lớn nhất trong việc hoàn nguyên môi trường tại mỏ Núi Béo và Cao Sơn là gì?

Thách thức lớn nhất là địa hình chênh lệch lớn giữa moong sâu âm 135 m và đỉnh bãi thải dương 256 m, cùng lượng mưa cực đoan có ngày lên đến 501 mm. Độ dốc bãi thải lớn kết hợp lớp sét than mềm bở gây nguy cơ sạt lở cao, đòi hỏi chi phí giật cấp và bảo vệ lớp đất màu rất lớn.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích toàn diện thực trạng phát sinh dòng thải tại mỏ than Núi Béo (15,7 km²) và mỏ than Cao Sơn (hơn 783 ha), xác định các điểm nóng ô nhiễm do nồng độ sắt Fe và bụi lơ lửng.
  • Làm rõ mối liên hệ giữa điều kiện khí hậu mưa lớn (trung bình 1.564 mm/năm) với tải lượng rửa trôi bãi thải cao đến cốt dương 256 m, cung cấp bức tranh khoa học về chu trình dòng thải mỏ than Đông Bắc.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường khả thi, tập trung vào công nghệ nổ mìn vi sai, trạm rửa xe tự động, xử lý nước thải nhiễm dầu và phủ xanh sinh thái bãi thải.
  • Lộ trình thực hiện các giải pháp quản lý môi trường được thiết lập chi tiết trong giai đoạn 2016-2020, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng và chuyển giao kỹ thuật quản lý mỏ sang nước bạn Lào.
  • Các doanh nghiệp khai thác khoáng sản và cơ quan quản lý nhà nước cần sớm phối hợp áp dụng đồng bộ các giải pháp trên để hiện thực hóa mục tiêu phát triển bền vững ngành than gắn liền với bảo vệ môi trường sinh thái.