Nghiên cứu kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lí 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
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.89 MB, 210 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN TAM TÍNH
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
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 9520603
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
NGUYỄN TAM TÍNH
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
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 9520603
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS.NGƯT. Bùi Xuân Nam
2. PGS.TS. Vũ Đình Hiếu
Hà Nội - 2022
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu độc lập của tôi. Các số liệu,
kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào của các tác giả khác.
Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2022
Tác giả luận án
Nguyễn Tam Tính
ii
LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sĩ kỹ thuật ngành Khai thác mỏ với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật
đổ thải đất đá hợp lí 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” là kết quả của q
trình nghiên cứu, cố gắng khơng ngừng của tác giả trong suốt thời gian làm nghiên
cứu sinh với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Mỏ - Địa
chất, các nhà khoa học trong ngành mỏ, bạn bè, đồng nghiệp trong nước, quốc tế và
sự ủng hộ từ gia đình.
Với tình cảm chân thành, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường
Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Mỏ, Ban
chủ nhiệm và tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Khai thác lộ thiên cùng các thầy, cô
giáo trong Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã quan tâm, tạo điều kiện giúp
đỡ trong suốt quá trình học tập, công tác và nghiên cứu.
NCS xin bày tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiểu ban hướng dẫn, đặc
biệt là GS.TS.NGƯT. Bùi Xuân Nam, người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học đã
luôn dành thời gian, công sức để hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt
quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án đúng hạn.
NCS xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học ngành Mỏ, đặc biệt
PGS.TS.NGƯT. Hồ Sĩ Giao, GS.TS.NGND. Trần Mạnh Xuân, TS. Đỗ Ngọc Tước
đã có nhiều gợi ý chun mơn bổ ích cho NCS trong q trình hồn thiện luận án.
NCS cũng xin gửi lời cảm ơn tới Viện Khoa học Công nghệ mỏ, Trung tâm
Nghiên cứu Phát triển than đồng bằng Sông Hồng, Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện
mỏ - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Công ty Cổ phần than Cọc Sáu, Công ty Cổ
phần than Cao Sơn và các đơn vị cá nhân đã tạo điều kiện và cung cấp tài liệu, số
liệu trong quá trình NCS nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin
chân thành cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp trong nước và quốc tế đã
giúp đỡ và hỗ trợ NCS trong quá trình nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2022
Nguyễn Tam Tính
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
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 ................................................................................................................. 5
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG BÃI THẢI MỎ LỘ THIÊN TRÊN THẾ GIỚI5
1.1.1. Tổng quan về các mỏ lộ thiên.....................................................................5
1.1.2. Các dạng bãi thải mỏ lộ thiên .....................................................................6
1.2. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI .... 9
1.2.1. Công tác đổ thải và quản lý bãi thải tại Liên bang Nga ...........................10
1.2.2. Công tác đổ thải tại Trung Quốc ..............................................................12
1.2.3. Công tác đổ thải tại Canada ......................................................................13
1.3. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC MỎ VÙNG CẨM PHẢ QUẢNG NINH ......................................................................................................... 13
1.3.1. Đất đá thải các mỏ vùng Cẩm Phả............................................................13
1.3.2. Thành phần hạt tại các bãi thải .................................................................14
1.3.3. Vị trí và cơng nghệ đổ thải .......................................................................15
1.3.4. Công nghệ đổ thải .....................................................................................21
1.4. ĐÁNH GIÁ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TÁC ĐỔ THẢI ........................ 22
1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................23
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước.......................................................................27
1.4.3. Đánh giá các cơng trình nghiên cứu về đổ thải mỏ lộ thiên .....................28
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................... 29
iv
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 ..... 30
2.1. ĐẶC ĐIỂM MƯA MÙA NHIỆT ĐỚI VÀ MƠ HÌNH LƯỢNG NƯỚC CHẢY
VÀO BÃI THẢI TẠI KHU VỰC CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ............................. 30
2.1.1. Đặc điểm mưa mùa nhiệt đới tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh .......... 30
2.1.2. Mơ hình lượng nước mưa chảy vào bãi thải ............................................. 31
2.1.3. Các biến dạng bãi thải .............................................................................. 34
2.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI........................... 37
2.2.1. Ảnh hưởng của lượng mưa tới ổn định bãi thải........................................38
2.2.2. Ảnh hưởng của địa chấn ...........................................................................42
2.2.3. Ảnh hưởng của nền bãi thải ......................................................................45
2.2.4. Ảnh hưởng của các thông số bãi thải .......................................................47
2.2.5. Ảnh hưởng số lực dính kết đến ổn định bãi thải ......................................49
2.2.6. Ảnh hưởng của góc nội ma sát ..............................................................50
2.2.7. Ảnh hưởng của phương tiện thiết bị đổ thải ............................................. 51
2.3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẤT ĐÁ THẢI TẠI CÁC BÃI THẢI
VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ....................................................................... 53
2.3.1. Nghiên cứu sự phân bố kích thước cỡ hạt theo chiều cao tầng ................53
2.3.2. Nghiên cứu sự thay đổi lực dính kết đất đá theo chiều cao tầng thải ....... 54
2.3.3. Nghiên cứu sự thay đổi khối lượng thể tích đất đá vào chiều cao tầng thải55
2.3.4. Nghiên cứu tổng hợp tính chất đất đá tại các bãi thải vùng cẩm phả .......57
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................... 61
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 ....................... 62
3.1. PHÂN LOẠI CÁC BÃI THẢI ........................................................................... 62
3.2. XÂY DỰNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH BÃI THẢI ........................... 66
3.2.1. Lịch sử phát triển của các tiêu chí chấp nhận độ ổn định......................... 66
3.2.2. Đề xuất các tiêu chí chấp nhận độ ổn định ............................................... 68
3.3. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ BÃI THẢI PHÙ HỢP CHO CÁC MỎ
THAN LỘ THIÊN VÙNG CẨM PHẢ QUẢNG NINH .......................................... 72
v
3.3.1. Lựa chọn hình dạng bãi thải ngồi chiếm dụng đất tối thiểu ................... 72
3.3.2. Nghiên cứu lựa chọn các thông số bãi thải cho các mỏ than lộ thiên vùng
Cẩm Phả .................................................................................................................... 82
3.4. ĐỀ XUẤT 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 .................................................. 103
3.4.1. Xây dựng nguyên tắc công nghệ đổ thải đảm bảo độ ổn định bãi trong
điều kiện mưa mùa nhiệt đới ................................................................................... 103
3.4.2. Cơng nghệ đổ thải bãi thải ngồi ............................................................ 103
3.4.3. Công nghệ đổ thải trong ......................................................................... 110
3.4.4. Sơ đồ công nghệ đổ thải theo các thiết bị đổ thải ................................... 111
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................. 115
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN THỬ CHO MỎ THAN CAO SƠN VÙNG CẨM PHẢ QUẢNG NINH ....................................................................................................... 117
4.1. KHÁI QUÁT MỎ THAN CAO SƠN.............................................................. 117
4.1.1. Đặc điểm đất đá tự nhiên khu mỏ ........................................................... 117
4.1.2. Đặc điểm thời tiết khu vực mỏ ............................................................... 118
4.1.3. Công tác khai thác tại mỏ than Cao Sơn ................................................ 118
4.1.4. Công tác đổ thải tại mỏ than Cao Sơn .................................................... 119
4.2. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ ĐỔ THẢI ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH BÃI THẢI BÀNG
NÂU – MỎ THAN CAO SƠN ............................................................................... 121
4.2.1. Kiểm tra ổn định theo hiện trạng của các bãi thải .................................. 121
4.2.2. Đề xuất các thông số bãi thải đảm bảo an toàn trong mưa mùa nhiệt đới122
4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................. 138
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 140
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ............................................... 142
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH ................................. 142
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 143
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 153
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BCMWRPRC
Ủy ban nghiên cứu bãi thải mỏ BC
CANMET
Trung tâm Khai thác và Luyện kim Canada
ĐBTB
Đồng bộ thiết bị
HTKT
Hệ thống khai thác
MESA
Cơ quan Thực thi và An tồn Bom mìn Hoa Kỳ
MXTLGN
Máy xúc thủy lực gầu ngược
SMD
Độ ẩm thiếu hụt của đất
USBM
Cục Mỏ Hoa Kỳ
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Kích thước một số mỏ lộ thiên sâu trên thế giới ...............................................6
Bảng 1.2. Đặc điểm các bãi thải tại khu vực KMA ........................................................11
Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả khảo sát các thông số tầng thải và cỡ hạt đất đá thải tại các mỏ
lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh ............................................................................14
Bảng 1.4. Tỷ lệ cỡ hạt theo nhóm tại mỏ than Cao Sơn..................................................15
Bảng 1.5. Thông số cơ bản của tầng thải theo thiết kế đã phê duyệt ................................16
Bảng 1.6. Phương trình cân bằng tĩnh học trong phương pháp phân mảnh .......................24
Bảng 1.7. Các chỉ tiêu cơ lý đất đá theo chiều sâu tại bãi thải Chính Bắc ........................27
Bảng 1.8. Tổng hợp tính chất cơ lý phục vụ tính tốn ổn định các bãi thải ......................27
Bảng 1.9. Kết quả xác định khối lượng thể tích, góc nội ma sát, lực dính kết ..................28
Bảng 2.1. Giá trị của K1, K2 khi đất đá khác nhau .........................................................54
Bảng 2.2. Hệ số nở rời tại các cao độ khác nhau của tầng thải tại bãi thải của Công ty АО
«ССГПО» - Liên Bang Nga .........................................................................................55
Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu đất đá thải tại các bãi thải vùng Cẩm Phả năm 2015 .................58
Bảng 2.4. Vị trí mẫu thí nghiệm đất đá thải tại bãi thải mỏ Núi Béo năm 2020................58
Bảng 2.5. Tổng hợp tính chất cơ lý đất đá trên bề mặt các bãi thải vùng Cẩm Phả ...........59
Bảng 2.6. Giá trị c, tại bãi thải Bàng Nâu theo phương pháp tính ngược .....................61
Bảng 3.1. Phân loại và đánh giá các thông số kỹ thuật bãi thải .......................................62
Bảng 3.2. Phân loại bãi thải theo điều kiện ổn định .......................................................65
Bảng 3.3. Phân loại các bãi thải lớn tại vùng Cẩm Phả theo nguy cơ mất ổn định ............66
Bảng 3.4. Tiêu chí (FoS) tối thiểu tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm theo mức độ tin cậy
các thông số thiết kế năm 1975 .....................................................................................66
Bảng 3.5. Tiêu chí (FoS) tối thiểu tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm theo mức độ tin cậy
các thông số thiết kế năm 1982 .....................................................................................67
Bảng 3.6. Tiêu chí chấp nhận độ ổn định năm 1991.......................................................67
Bảng 3.7. Các mức độ tin cậy liên quan đến xác suất trượt lở.........................................69
Bảng 3.8. Các tiêu chí đề xuất ổn định bãi thải ..............................................................71
viii
Bảng 3.9. Kết quả tính diện tích chiếm dụng đất bãi thải 1 tầng có đáy hình vng, trịn,
chữ nhật và elip với chiều cao tầng thải và dung tích chất thải yêu cầu V ........................74
Bảng 3.10. Kết quả tính tốn diện tích chiếm dụng đất của bãi thải hai tầng Sd có đáy hình
vng, trịn, chữ nhật và elip với các chiều cao tầng thải khác nhau theo dung tích chất thải
yêu cầu V ....................................................................................................................77
Bảng 3.11. Kết quả tính tốn diện tích chiếm dụng đất của bãi thải ba tầng có đáy hình
vng, trịn, chữ nhật và elip với khối lượng đổ thải V ...................................................80
Bảng 3.12. Các thông số đất đá thải tại các bãi thải lộ thiên vùng Cẩm Phả ....................82
Bảng 3.13. Hệ số ổn định tính tốn theo chiều cao tầng .................................................83
Bảng 3.14. Các thông số độ bền đất đá thải tính tốn hệ số ổn định ................................86
Bảng 3.15. Cung độ vận tải theo thiết bị vận tải và chiều cao nâng tải ............................90
Bảng 3.16. Khối lượng san gạt đất đá thải theo chiều cao tầng .......................................91
Bảng 3.17. Chi phí san gạt theo chiều cao tầng khi H = 200 m .......................................92
Bảng 3.18. Tổng chi phí vận tải và gạt theo chiều cao tầng khi lên dốc ...........................92
Bảng 3.19. Mối quan hệ giữa hệ số ổn định đất đá với với góc dốc sườn tầng thải của đất
đá tự nhiên và bão hòa .................................................................................................94
Bảng 3.20. Bề rộng mặt tầng thải nhỏ nhất tại khu vực Cẩm Phả....................................96
Bảng 3.21. Các tính chất đất đá nền bãi thải tại vùng Cẩm Phả ......................................97
Bảng 3.22. Hệ số ổn định bãi thải theo các thông số C, khác nhau...............................98
Bảng 3.23. Tổng hợp kết quả tính tốn ổn định bãi thải theo góc dốc ...........................100
Bảng 3.24. Thơng số tích độ nhạy khi thành phần trọng lực và độ bền của đất đá thay đổi
đối với đất đá ở trạng thái tự nhiên .............................................................................102
Bảng 4.1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá mỏ than Cao Sơn..........................................117
Bảng 4.2. Các thông số của HTKT hiện đang áp dụng tại mỏ than Cao Sơn..................118
Bảng 4.3. Khối lượng đất đá mỏ than Cao Sơn ra các bãi thải tính từ 01/01/2019 ..........119
Bảng 4.4. Các thơng số tính chất đất đá tại bãi thải Bàng Nâu ......................................121
Bảng 4.5. Tổng hợp kết quả đánh giá ổn định bãi thải theo trạng thái bãi thải ...............131
Bảng 4.6. Các thông số của bãi thải Bàng Nâu khi kết thúc ..........................................138
Bảng PL. 2.1. Các dạng mất ổn định bãi thải liên quan tới tính chất nền thải ..................15
Bảng PL.2.2: Các dạng mất ổn định bãi thải do quá trình đổ thải ...................................17
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Các dạng cơ bản địa hình nền bãi thải ..............................................................8
Hình 1.2. Sơ đồ sử dụng bãi thải tạm ..............................................................................9
Hình 1.3. Vận chuyển đất đá bằng tàu điện tại mỏ lộ thiên Haizhou ...............................12
Hình 1.4. Bãi thải hình nón điển hình tại khu vực khai thác Yanzhou, tỉnh Sơn Đơng,
Trung Quốc .................................................................................................................12
Hình 1.5. Sơ đồ ranh giới bãi thải Đơng Cao Sơn ..........................................................16
Hình 1.6. Xói lở các tầng thải từ mức +200÷+60 m gây bồi lấp mặt bằng +58 ................18
Hình 1.7. Sơ đồ ranh giới bãi thải Bàng Nâu .................................................................18
Hình 1.8. Bãi thải Bàng Nâu khu vực mỏ Cao Sơn đổ thải.............................................19
Hình 1.9. Sơ đồ ranh giới bãi thải Đông Khe Sim - Nam Khe Tam ................................20
Hình 1.10. Hiện trạng bãi thải Mơng Giăng ..................................................................20
Hình 1.11. Hiện trạng bãi thải trong moong Lộ trí Đèo Nai ...........................................21
Hình 1.12. Bãi thải trong moong Tả Ngạn, mỏ Cọc Sáu ................................................21
Hình 1.13. Cơng nghệ đổ thải bãi thải cao, kết hợp giữa ơ tơ - máy ủi ............................22
Hình 1.14. Sơ đồ cơng nghệ đổ thải bằng băng tải .........................................................22
Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện lượng mưa theo tháng trong các năm 2011÷2018 tại các bãi thải
khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ....................................................................................30
Hình 2.2. Lượng nước chảy vào các bãi thải ngoài theo số liệu mưa lớn nhất hàng năm từ
2011-2018 ...................................................................................................................31
Hình 2.3. Mơ hình q trình thẩm thấu nước mưa vào bãi thải .......................................32
Hình 2.4. Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới khơng bão hịa ....................................33
Hình 2.5. Mơ hình tính tốn ảnh hưởng của nước mưa tới các loại bãi thải ....................40
Hình 2.6. Tổng ứng suất dọc σ các đường bao (kPa) khi tính tốn với SIGMA / W tại bãi
thải .............................................................................................................................41
Hình 2.7: Đánh giá áp lực nước lỗ rỗng (kPa) tại bãi thải S21 với lượng mưa 3,16.10-9 ×
m/s a) trước lượng mưa; b) sau 90 ngày; c) sau 180 ngày; d) sau 270 ngày; e) sau 365 ngày
...................................................................................................................................41
Hình 2.8. Sự thay đổi hệ số ổn định bãi thải với lượng mưa 37 cm/ngày.........................42
x
Hình 2.9. Sự thay đổi hệ số ổn định bãi thải với lượng mưa thay đổi ..............................42
Hình 2.10. Phân bố ứng suất khi chịu tác động chấn động .............................................43
Hình 2.11. Tốc độ sóng chấn động theo phương X tại mép và chân bờ ...........................44
Hình 2.12. Tốc độ sóng chấn động theo phương Y tại mép và chân bờ ...........................44
Hình 2.13. Dịch động theo phương Y tại mép và chân bờ ..............................................44
Hình 2.14. Hệ số ổn định bãi thải khi chịu tác động nước mưa và chấn động nổ mìn.......45
Hình 2.15. Biểu đồ đường cong nén lún (S~p) của nền khi chịu tác động của tải trọng bãi
thải .............................................................................................................................46
Hình 2.16. Sự thay đổi lực phân bố P và hệ số an toàn khi tăng độ bền của nền bãi thải
hoặc giảm góc của lớp đất nền ......................................................................................47
Hình 2.17. Mối quan hệ giữa hệ số an toàn FoS và chiều cao bãi thải Ht ........................48
Hình 2.18. Mối quan hệ giữa FoS và góc dốc bãi thải ....................................................49
Hình 2.19. Mối quan hệ giữa hệ số an tồn FS và tỷ lệ khơng thứ nguyên c/γHt, cho đống
đá thải có = 30°, 37° và 45 ° và c = 1, 5, 10 và 25 kPa; ...............................................50
Hình 2.20. Quan hệ giữa hệ số ổn định của bãi thải với H và theo các điều kiện: (cố
định) = 37o; (thay đổi) =32o÷37,2o ..........................................................................51
Hình 2.21. Sơ đồ xác định chiều dày lớp lu lèn dưới tác dụng của tải trọng ơtơ ...............52
Hình 2.22. Mối quan hệ giữa FoS của bãi thải với lớp đầm nén bề mặt...........................52
Hình 2.23. Sự phân bố thành phần cỡ hạt đất đá theo chiều cao tầng thải........................53
Hình 2.24. Sự thay đổi lực dính kết đất đá (cát kết) tại các cao độ khác nhau trong tầng
thải trong điều kiện đất đá khơ và đất đá bão hịa nước ..................................................55
Hình 2.25. Sơ đồ xác định khối lượng thể tích của các lớp đất đá tại các vị trí khác nhau
trong tầng thải; (1), (2), (3)…I - các lớp đất đá thải........................................................57
Hình 2.26. Quan hệ góc nội ma sát và lực dính kết ........................................................60
Hình 3.1. Hệ số an tồn so với xác suất trượt lở tối đa ...................................................68
Hình 3.2. Sơ đồ mặt cắt bãi thải một tầng .....................................................................72
Hình 3.3. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải 1 tầng hình vng, chữ nhật,
trịn, elip với dung tích bãi thải yêu cầu .........................................................................75
Hình 3.4. Sơ đồ mặt cắt bãi thải hai tầng ......................................................................76
xi
Hình 3.5. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải hai tầng hình vng, chữ nhật,
trịn, elip với dung tích bãi thải u cầu .........................................................................78
Hình 3.6. Sơ đồ mặt cắt bãi thải ba tầng .......................................................................79
Hình 3.7. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải ba tầng hình vng, chữ nhật,
trịn, elip với dung tích bãi thải u cầu .........................................................................81
Hình 3.8. Mơ hình tính tốn ổn định tầng thải theo Slope/W với đất đá tự nhiên .............83
Kết quả mơ hình tính tốn ổn định bãi thải theo chiều cao tầng được tổng hợp trong Hình
3.9. .............................................................................................................................83
Hình 3.9. Quan hệ giữa hệ số ổn định và chiều cao tầng thải với đất đá thải tự nhiên ...........84
Hình 3.10. Mơ hình tính tốn ổn định tầng thải theo Slope/W đất đá thải bão hịa nước ..........84
Hình 3.11. Quan hệ giữa hệ số ổn định và chiều cao tầng thải với đất đá thải bão hịa
nước .............................................................................................................. 85
Hình 3.12. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và lực dính kết với chiều cao bãi thải khác
nhau ............................................................................................................................86
Hình 3.13. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và góc nội ma sát với chiều cao bãi thải
khác nhau ....................................................................................................................87
Hình 3.14. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và khối lượng thể tích đất đá với chiều cao
bãi thải khác nhau ........................................................................................................87
Hình 3.15. Mơ hình bãi thải khi đổ thải theo tầng cao....................................................88
Hình 3.16. Mơ hình cơng nghệ đổ thải tầng thấp ...........................................................88
Hình 3.17. Sơ đồ cơng nghệ đổ thải theo chiều rộng tầng thải ........................................88
Hình 3.18. Quan hệ giữa tổng chi phí ơ tơ và máy gạt với chiều cao tầng .......................93
Hình 3.19. Quan hệ giữa tổng chi phí ơ tơ và máy gạt với chiều cao tầng .......................93
khi xuống dốc ..............................................................................................................93
Hình 3.20. Quan hệ giữa hệ số ổn định và góc nội ma sát với chiều cao tầng với đất đá thải
tự nhiên .......................................................................................................................94
Hình 3.21. Quan hệ giữa hệ số ổn định và góc dốc sườn tầng thải với chiều cao tầng khi
đất đá thải bão hịa nước...............................................................................................95
Hình 3.22. Sơ đồ tính tốn chiều rộng mặt tầng thải ......................................................96
Hình 3.23. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C =0 t/m2 ...........98
xii
Hình 3.24. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C = 10 t/m2 ........99
Hình 3.25. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C = 15 t/m2 ........99
Hình 3.26. Sơ đồ xác định góc dốc bãi thải tương ứng với hệ số ổn định ......................101
Hình 3.27. Mối liên hệ giữ hệ số ổn định và các thông số độ bền và trọng lượng riêng của
đất đá ........................................................................................................................102
Hình 3.28. Sơ đồ xác định bề rộng tối thiểu của mặt tầng thải ......................................104
Hình 3.29. Trình tự đổ thải theo khối khi Bmin
Hình 3.32. Trình tự đổ thải kết hợp giai đoạn 1 ...........................................................106
Hình 3.33. Trình tự đổ thải kết hợp các giai đoạn 2,3…...............................................108
Hình 3.34. Sơ đồ đổ thải tại các bãi thải đang đổ thải ..................................................109
Hình 3.35. Sơ đồ đổ thải trong tại các khu vực khơng có đường lị ...............................110
Hình 3.36. Sơ đồ cơng nghệ đổ thải theo tầng thấp theo lớp khi có các đường lị phía
dưới ............................................................................................................ 111
Hình 3.37. Sơ đồ cơng nghệ đổ thải theo chu vi ..........................................................112
Hình 3.38. Sơ đồ công nghệ đổ thải kết hợp ô tô và máy ủi khi đổ thải theo diện tích (theo
bề mặt) ......................................................................................................................113
Hình 3.39. Sơ đồ công nghệ đổ thải bằng băng tải .......................................................115
Hình 3.40. Sơ đồ dỡ tải tại sườn bãi thải .....................................................................115
Hình 4.1. Hiện trạng bãi thải Bàng Nâu ......................................................................120
Hình 4.2. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên........122
Hình 4.3. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên........122
Hình 4.4. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên và các
thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn của Morgenstern-Price (FOS
= 1.433) ....................................................................................................................124
Hình 4.5. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên và các thông
số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn (SSR) – FOS = 1.44 ....................125
xiii
Hình 4.6. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng khơng bão hịa và các
thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn phân tích có ảnh hưởng của
mưa ..........................................................................................................................126
Hình 4.7. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng khơng bão hịa và các
thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp cân
bằng giới hạn của Morgenstern ) – FoS = 1.43 ...............................................................127
Hình 4.8. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái bão hịa và các
thơng số đề xuất - Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn của Morgenstern-Price (FoS =
1.295) .......................................................................................................................128
Hình 4.9. Mơ hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái bão hịa và các thơng
số đề xuất - sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn (SSR), FoS = 1.3..........................129
Hình 4.10. Sử dụng phương pháp LEM của Morgenstern-Price, FoS = 1.274 >1.0 an
tồn ................................................................................................................. 132
Hình 4.11. Mơ hình sử dụng phương pháp FEM – SSR, FoS= 1.27 >1.0 ......................133
Hình 4.12. Mơ hình sử dụng phương pháp LEM của Morgenstern-Price, FoS = 1.146 >1.0
an tồn ......................................................................................................................134
Hình 4.13. Mơ hình sử dụng phương pháp FEM – SSR, FoS = 1,15 >1.0 .....................135
Hình 4.14. Phân tích độ nhạy FoS vs hệ số kh (dùng phương pháp giả tĩnh)(động đất từ cấp
độ 5 đến 9 richter)......................................................................................................136
Hình 4.15. Sơ đồ rót tải trong mùa khơ .......................................................................137
Hình 4.16. Sơ đồ rót tải trong mùa mưa ......................................................................137
Hình 4.17. Sơ đồ cải tạo tầng thải bằng băng tải sau khi kết thúc đổ thải ......................138
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đổ thải đất đá là một trong khâu cơng nghệ chính trong khai thác mỏ lộ
thiên, nó ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả khai thác; an tồn và mơi trường khu vực.
Các tác động tiêu cực của công tác đổ thải gồm: chiếm dụng đất bề mặt, thay đổi
cảnh quan, tác động tới mơi trường nước, khơng khí khu vực, nguy cơ sạt, lở vùi lấp
cơng trình xung quanh.
Các mỏ than lớn của Việt Nam như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu tập trung
chủ yếu ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh, mơ hình đổ thải ngồi và trong với
phương pháp đổ thải theo chu vi. Bãi thải ngoài của các mỏ thường tập trung tại
một số khu vực như Bàng Nâu, Đơng Cao Sơn, Khe Tam. Bên cạnh đó, các bãi thải
tại các mỏ khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh thuộc vùng mưa mùa nhiệt đới. Trong
những năm gần đây, do biến đổi khí hậu dẫn đến thời tiết cực đoan làm trái đất nóng
dần lên, gây mưa to bão lớn. Cụ thể, trận mưa lũ lịch sử cuối tháng 7, đầu tháng 8
năm 2015 đã khiến một phần đập chắn đất mức +9,8 m của bãi thải Đông Cao Sơn
bị sạt lở, đất đá trôi lấp xuống khu vực hạ lưu, đe đọa tính mạng, tài sản của hàng
trăm hộ dân ở khu 4, phường Mông Dương. Khi xảy ra sạt lở các bãi thải, đất đá sẽ
vùi lấp các sơng suối xung quanh, diện tích đất canh tác của người dân và cần phải
tốn công sức và một thời gian dài mới có thể khắc phục được.
Đặc điểm các bãi thải đất đá vùng Cẩm Phả thường xây dựng trên sườn núi và
trên mức thoát nước tự chảy, chiều cao bãi thải lớn. Ổn định bãi thải phụ thuộc vào
đặc điểm địa hình địa mạo, tính chất nền bãi thải, tính chất đất đá thải, các thơng số
bãi thải, công nghệ thiết bị xây dựng cường độ và thời gian mưa. Tùy thuộc cường
độ và thời gian mưa, sự phân bố cỡ hạt trong tầng thải mà áp lực nước lỗ rỗng và
cường độ kháng cắt của đất đá thay đổi sẽ ảnh hưởng lớn tới an toàn các tầng thải.
Theo kế hoạch, các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả đang tiếp tục mở rộng và đào
sâu, bãi thải tiếp tục chất cao và chiếm nhiều diện tích đất hơn. Mưa lũ bất thường
địi hỏi các bãi thải đã, đang và chưa đổ cần có thơng số hình học, kỹ thuật đổ thải
hợp lý để đảm bảo an tồn cho mơi trường và hiệu quả sản xuất mỏ.
2
Chính vì vậy luận án: “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” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. Mục tiêu
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 thiểu tác động tới môi trường do
các bãi thải gây ra.
3. Nội dung nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu một số nội dung chính sau:
- 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 thơng 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 với 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.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án là các bãi thải đất đá tại các mỏ than lộ
thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu luận án là nghiên cứu các thông số 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.
3
5. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp nghiên cứu chính được thực hiện trong luận án nhằm đạt
được các mục tiêu đề ra bao gồm:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết;
- Phương pháp thống kê;
- Phương pháp kế thừa;
- Phương pháp mơ hình hóa;
- Phương pháp tốn học;
- Phương pháp ứng dụng tin học.
6. Những điểm mới của luận án
- Đề xuất tiêu chí ổn định chấp nhận của bãi thải và tiêu chí phân loại các bãi
thải của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
- Xác định các thơng số lực dính kết, góc nội ma sát bằng phương pháp tính
ngược từ các thông số biến dạng bãi thải và kết hợp các thí nghiệm bề mặt.
- Đề xuất hình dạng bãi thải chiếm dụng đất tối thiểu với khối lượng chứa tối đa.
- Bằng các mơ hình số đã xác định các thông số bãi thải hợp lý trong mùa khô
và mùa mưa đảm bảo tiêu chí ổn định bãi thải.
- Đề xuất 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.
7. Các luận điểm bảo vệ
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 thơng số hình học bãi thải, cơng
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 hịa 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.
4
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
8.1. Ý nghĩa khoa học
Góp phần bổ sung cơ sở khoa học cho kỹ thuật đổ thải nhằm nâng cao độ ổn
định bãi thải và giảm thiểu tác động tới môi trường tại các mỏ than lộ thiên.
8.2. Ý nghĩa thực tiễn
Góp phần nâng cao hiệu quả và an tồn cho cơng tác đổ thải trên các mỏ khai
thác than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện biến đổi khí hậu.
9. Cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu phục vụ công tác nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Các báo cáo địa chất và hiện trạng các bãi thải trong và ngoài của các mỏ
than lộ thiên vùng Cẩm Phả: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II.
- Thông số công nghệ, thiết bị tại các bãi thải lộ thiên vùng Cẩm Phả: Đèo
Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II.
- Số liệu thí nghiệm một số tính chất đất đá trong bãi thải.
- Các kết quả thí nghiệm thành phần cỡ hạt đất đá nổ mìn.
- Các số liệu, kết quả nghiên cứu của các nghiên cứu trước đó về ổn định bãi thải.
10. Cấu trúc luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, cấu trúc của luận
án bao gồm 4 chương, cụ thể như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan công tác đổ thải và các nghiên cứu về công tác đổ thải
tại các mỏ lộ thiên trên thế giới và Việt Nam.
Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới công tác đổ thải tại các mỏ than
lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
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 4: Tính tốn thử cho mỏ than Cao Sơn vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.
Kết luận và kiến nghị.
Danh mục các cơng trình đã cơng bố liên quan đến luận án của NCS.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.
5
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
1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG BÃI THẢI MỎ LỘ THIÊN TRÊN THẾ GIỚI
1.1.1. Tổng quan về các mỏ lộ thiên
Khai thác lộ thiên đã được biết đến từ thời cổ đại và ngày nay nó là cách phổ
biến nhất để khai thác khống sản rắn. Khai thác lộ thiên có nhiều ưu điểm so với
khai thác hầm lị, đó là năng suất khai thác cao và chi phí khai thác một đơn vị
khống sản thấp, chi phí vốn thấp, thời gian ngắn hơn xây dựng, mức độ thu hồi
khống sản cao từ lịng đất, mức độ an tồn cao của cơng việc,…. Tỷ trọng khai
thác lộ thiên chiếm hơn 80% sản lượng khai thác trên thế giới, ở Mỹ - 83%, ở các
nước SNG khoảng 70%. Ở Nga, 91% quặng sắt, hơn 70% quặng kim loại màu, hơn
60% than đá, gần như 100% vật liệu xây dựng được khai thác ở lộ thiên [82].
Sự phát triển của công nghệ khai thác lộ thiên và thiết bị cơ giới hóa dẫn đến
gia tăng độ sâu của các mỏ lộ thiên. Độ sâu của các mỏ đá không quá 100 m, vào
nửa đầu thế kỷ XX. Nó đã tăng lên 200÷300 m, trong nửa sau đã lên đến 600÷700
m, và các dự án đầy hứa hẹn của thế kỷ XXI. Các mỏ lộ thiên sẽ có độ độ sâu khai
thác lớn hơn 900 m [99]. Các mỏ lộ thiên sâu đặc trưng trên thế giới được trình bày
trong Bảng 1.1 [91]. Mỏ sâu được hiểu là mỏ có độ sâu thiết kế từ 250÷300 m trở
lên, có các đặc điểm chính sau: khai thác kết hợp; các phương án vận tải kết hợp;
năng lực sản xuất lớn (trên 15÷20 triệu tấn/năm đối với khống sản và 50÷60 triệu
m3/năm đối với đá khối); thời gian tồn tại từ 40÷50 năm; mỏ phát triển theo từng
giai đoạn của lĩnh vực này với sự tái thiết định kỳ,… [97].
Trên thế giới, than tập trung chủ yếu ở Bắc bán cầu, trong đó đến 4/5 thuộc về
Trung Quốc (tập trung ở phía Bắc và Đơng Bắc), Hoa Kỳ (chủ yếu ở các bang miền
Tây), LB Nga (vùng Ekibát và Xibêri), Ucraina (vùng Đơnbát), CHLB Đức, Ấn Độ,
Ơxtrâylia (ở hai bang Quinslen và Niu-Saouên), Ba Lan,... Các nước sản xuất than
hàng đầu là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng
6
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.
Bảng 1.1. Kích thước một số mỏ lộ thiên sâu trên thế giới [91]
Kích
thước,
km × km
TT
Tên mỏ
Quốc gia
Độ
sâu, m
1
Bingham Canyon
Mỹ
1200
4 3,8
2
Chuquicamata
Chile
850
4,3 × 3
3
4
5
6
Palabora
Thành cơng
Escondida
Muruntau
Nam Phi
Nga
Chile
Uzbekistan
700
640
620
600
1,9×1,7
1,7 × 1,3
3,8 × 2,7
3,5 × 2,5
7
Sibaysky
Nga
600
2,0 × 2,0
8
9
10
Batu Hijau
Escondida Notre
Kovdorsky
Indonesia
Chilê
Nga 500
550
500
500
2,5 × 2,2
1,6 × 1,4
2,3 × 1,6
Loại khoáng sản
Đồng, Molypden,
Vàng
Đồng, vàng, bạc,
hetenium, selen
Đồng
Kim cương
Đồng, Vàng, Bạc
Vàng
Đồng, kẽm, lưu
huỳnh
Vàng, đồng
Đồng, Vàng, Bạc
Quặng sắt, apatit
1.1.2. Các dạng bãi thải mỏ lộ thiên
Trong quá trình khai thác lộ thiên, thường phải bóc đi một khối lượng lớn đất
đá để lấy khống sản. Cơng tác thải đá – đó là tổng hợp các thao tác tiếp nhận và
chất xếp đất đá thải vào một khu vực riêng theo một phương thức và trình tự xác
định. Nơi lưu giữa đất đá gọi là bãi thải [3]. Đây là các công trình nhân tạo rất lớn
(theo khối lượng, trọng lượng hoặc chiều cao) [53], [66], [72], [76].
Bãi thải chiếm một vị trí có ý nghĩa quyết định đến hiệu quả khai thác cũng
như tác động của công tác khai thác đến môi trường, cảnh quan khu vực khai thác.
Bãi thải thường được lựa chọn gần khai trường và phụ thuộc các yếu tố khác
nhau bao gồm địa chất, địa kỹ thuật, địa chất thủy văn, thủy văn, các thơng số địa
hình, khí hậu, mơi trường [15].
Những dấu hiệu để phân biệt các loại bãi thải là: vị trí của bãi thải, số lượng tầng
thải đang hoạt động, điều kiện địa hình, phương tiện cơ giới hóa cơng tác thải đá [11].
7
Phương pháp thích hợp nhất để xây dựng bãi thải được đánh giá dựa trên địa
hình của khu vực, điều kiện nền móng, thiết bị hiện có và thiết kế tổng thể [60].
Từ những đặc điểm này các bãi thải mỏ lộ thiên hiện nay trên thế giới nói
chung và ở Việt Nam nói riêng bao gồm các dạng chủ yếu sau:
1.1.2.1. Theo vị trí xây dựng bãi thải
a) Bãi thải trong
Bãi thải trong được xây dựng khi khai thác các khống sàng nằm ngang hay
dốc thoải với góc dốc nhỏ hơn 150 kéo dài theo đường phương hoặc cho những
khống sàng có các thân khống nằm gần nhau, có thể khai thác lần lượt.
Trong một số trường hợp bãi thải trong cũng được xây dựng ngay trong khai
trường khi thân quặng phân bố theo dạng uốn nếp (lượn sóng) hay khai thác đồng
thời nhiều vỉa. Với dạng bãi thải trong được xây dựng theo các dạng này cho phép
giảm cung độ vận chuyển đất đá nâng cao hiệu quả khai thác.
b) Bãi thải ngoài
Bãi thải ngoài được xây dựng ngoài biên giới khai thác của mỏ. Toàn bộ đất
đá bóc được vận chuyển từ khai trường đổ vào bãi thải bằng ô tô đơn thuần hoặc
liên hợp nhiều loại vận chuyển khác nhau (ô tô + băng tải + trục tải + đường sắt,...),
đây là dạng bãi thải khi khai thác các thân quặng có dạng đơn tà, bối tà, thân quặng
cắm sâu với góc dốc > 200.
Tùy thuộc vào đặc điểm địa hình tự nhiên của khu vực đổ thải mà có thể phân
loại thành các dạng bãi thải như sau:
- Bãi thải đổ dọc theo thung lũng
Trong dạng đổ thải này, đất đá thải sẽ lấp một phần hoặc toàn bộ khu vực thung
lũng. Bề mặt của bãi thải thường được cải tạo để tránh hiện tượng tích tụ nước mặt.
Với dạng đổ khơng lấp hồn tồn thung lũng thì có u cầu xây dựng thêm các rãnh
thốt nước, rãnh chuyển hướng dịng chảy tùy thuộc vào đặc tính của khu vực.
- Bãi thải đổ lên một phía sườn dốc
Trong dạng đổ thải này, bãi thải được hình thành trên bề mặt dốc của địa hình
và khơng chặn lại hướng thoát nước khu vực dọc theo sườn thung lũng. Góc
nghiêng thiết kế của sườn dốc bãi thải được thiết kế theo một giá trị đảm bảo độ an
toàn và ổn định lâu dài của khu vực bãi thải. Chân của bãi thải được đặt trên sườn
8
nghiêng hoặc phẳng tùy theo đặc điểm địa hình của thung lũng.
- Bãi thải đổ hỗn hợp sườn dốc và thung lũng
Đây là dạng đổ thải đặc biệt, bãi thải được xây dựng trên khu vực địa hình có
dạng thung lũng. Đất đá thải sẽ được đổ sang cả hai bên mặt sườn thung lũng, sườn
dốc của khu vực bãi thải được thiết kế để đảm bảo độ ổn định cho toàn bộ khu vực.
- Bãi thải đổ trên các khu vực mặt bằng
Dạng đổ này còn được đề cập tới như là dạng đổ thải theo diện, đất đá đổ thải
được chất thành các đống với các góc nghiêng bãi thải khác nhau. Các bãi thải dạng
này được xây dựng trên khu vực địa hình có nền tương đối bằng phẳng hoặc có độ
dốc nhỏ.
Địa hình, địa mạo nền bãi thải có thể chia thành các dạng: nền có dạng thung
lũng (Hình 1.1-a), dạng sườn dốc Hình 1.1-b, dạng hỗn hợp sườn dốc và thung lũng
(Hình 1.1-c), dạng mặt bằng (Hình 1.1-d).
a)
b)
c)
d)
Hình 1.1. Các dạng cơ bản địa hình nền bãi thải [4],[11]
a) dạng đổ thung lũng; b) dạng sườn dốc; c) dạng hỗn hợp sườn dốc và thung lũng;
d) dạng mặt bằng
1.1.2.2. Theo thời gian tồn tại
Tùy thuộc vào các đặc điểm, điều kiện khai thác mỏ mà có thể thiết kế khu
vực bãi thải theo các dạng:
a) Bãi thải tạm
Bãi thải tạm là bãi thải chỉ tồn tại trong một thời gian nhất định và sau đó được
di chuyển tới một vị trí khác. Bãi thải tạm thường được áp dụng ở giai đoạn đầu
chuẩn bị xây dựng bãi thải trong hoặc khi thời gian tồn tại của mỏ ngắn, mỏ không
9
có vị trí đổ thải phải th đất để đổ tạm, sau đó khi kết thúc khai thác thì tiến hành
hoàn phục trở lại vào khoảng trống đã khai thác (Hình 1.2) [3].
Hình 1.2. Sơ đồ sử dụng bãi thải tạm [3]
Khi cung độ vận tải ra bãi thải cố định quá lớn, để tiết kiệm chi phí sản xuất cho
giai đoạn đầu, sử dụng bãi thải tạm có hiệu quả do: rút ngắn được khoảng cách vận
chuyển, tiết kiệm được chi phí xây dựng đường sá và chi phí vận chuyển thường xuyên.
b) Bãi thải cố định
Bãi thải cố định là bãi thải nằm ngoài ranh giới kết thúc khai thác mỏ, tồn tại
theo suốt đời mỏ hoặc lâu hơn. Trên khu vực dùng để thải đất đá cần tiến hành
nghiên cứu địa chất cơng trình và thủy văn để xác định tính chất cơ lý của đất đá
nền bãi thải cũng như độ ngậm nước của khu vực. Vị trí bãi thải cần được chọn ở
nơi khơng có tài ngun khống sản có giá trị cơng nghiệp ở phía dưới, hoặc nơi đất
đai ít giá trị cơng và nông nghiệp.
1.1.2.3. Theo công nghệ tạo bãi thải
Theo công nghệ tạo bãi thải được xây dựng bằng công nghệ ô tô và máy gạt;
công nghệ băng tải máy rải đá hoặc cầu dỡ tải; công nghệ xúc và đổ thải bằng máy
xúc gầu treo… Ngồi ra có thể có bãi tải 1 tầng và bãi thải nhiều tầng.
1.2. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI
Hiện nay, có ba phương pháp đổ thải đang được sử dụng, bao gồm: đổ thải
trên cao, đổ thải bằng phương pháp gạt bằng, và đổ thải theo lớp [58]. Trong đó,
10
phương pháp đổ thải trên cao, hay còn được gọi là phương pháp đổ thải trên sườn
dốc, là phương pháp được sử dụng sớm nhất và phổ biến nhất do dễ thực hiện và
không yêu cầu nhiều về các thông số kỹ thuật và tiêu chuẩn chất lượng. Tuy nhiên,
đây cũng là phương pháp gây hiện tượng phân tách kích cỡ hạt theo chiều cao bờ
dốc nhiều nhất, là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới sự mất ổn định của sườn dốc. Đối
với phương pháp gạt, ngoài các xe tải đổ thải, cần phải có kèm các xe san gạt. Hiện
tượng phân tách theo cỡ hạt cũng ít xảy ra ở trên đỉnh dốc. Phương pháp đổ thải
theo lớp được coi là phương pháp tối ưu nhất hiện nay, tuy nhiên, để đảm bảo các
chỉ tiêu chất lượng, chiều cao lớp thải thường khơng q 6m, do đó, gây kéo dài quá
trình đổ thải. Các yêu cầu kỹ thuật và chỉ tiêu của phương pháp này cũng chặt chẽ
và chi tiết hơn so với hai phương pháp trên.
Trên thế giới, LB Nga, Canada, Trung Quốc, Mỹ, Ấn độ là những nước có tập
trung nhiều mỏ quy mơ khai thác và sản lượng lớn nhất, và do đó, thúc đẩy mạnh
mẽ các cơng trình nghiên cứu tiên tiến và có các quy định chặt chẽ nhằm hồn thiện
cơng tác quản lý bãi thải. Công tác đổ thải tại một số bãi thải lộ thiên tiêu biểu tại
các nước như sau:
1.2.1. Công tác đổ thải và quản lý bãi thải tại Liên bang Nga
Ở LB Nga, 96% khối lượng đá trong luyện kim màu, 99% khoáng sản phi kim
loại, 60% than đá và hơn 50% ngun liệu hóa chất nơng nghiệp được khai thác
bằng cách khai thác lộ thiên. Hiện tại, hơn 55% quặng sắt được khai thác ở khu vực
KMA. Trong 15 năm qua, công suất của các mỏ quặng sắt của OJSC Stoilensky
GOK, OJSC Lebedinsky GOK và OJSC Mikhailovsky GOK đã tăng gần gấp đôi.
Tại khu vực KMA, đá trầm tích chiếm khoảng 55%, cường độ thay đổi từ 0,1 MPa
đến 5,0 MPa. Đá chiếm 45% và có giới hạn cường độ nén một trục từ 10 MPa đến
180 MPa. Đặc điểm các bãi thải của các mỏ lộ thiên quặng sắt KMA (Bảng 1.2). Từ
Bảng 1.2 nhận thấy: tại các mỏ đã sử dụng nhiều phương pháp đổ thải như ô tô +
máy ủi, đường sắt, băng tải + máy dỡ tải; phạm vi chiều cao giới hạn của các bãi
thải là khá rộng (từ 45 đến 172 m với chiều cao tầng từ 15 đến 49 m); góc dốc sườn
tầng thải thay đổi từ 5÷38°.
