Nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông ở việt nam nhằm đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và phục vụ công tác quản lý tt

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN XUÂN QUANG

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT
LÒNG SÔNG Ở VIỆT NAM NHẰM ĐẢM BẢO
AN TOÀN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG VÀ PHỤC VỤ
CÔNG TÁC QUẢN LÝ
Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 62.52.06.03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2017


2

Công trình được hoàn thành tại:
Bộ môn khai thác lộ thiên, Khoa mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Hồ Sĩ Giao
Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam
2. TS. Lại Hồng Thanh
Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam
Phản biện 1: PGS.TS. Bùi Xuân Nam
Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Phản biện 2: TS. Mai Thế Toản
Bộ Tài nguyên và Môi trường

Phản biện 3: TS. Nguyễn Phụ Vụ
Hội Khoa học và Công nghệ Mỏ Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp
Trường họp tại: Trường Đại học Mỏ - Địa chất, phường Đức Thắng - quận
Bắc Từ Liêm - Hà Nội.
Vào hồi ....... giờ ...... phút, ngày ......tháng ..... năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Quốc Gia, Hà Nội
- Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa Chất


3

MỞ ĐẦU
1. Tính tấp thiết của đề tài
Việt Nam là quốc gia có tiềm năng về tài nguyên khoáng sản làm vật liệu
xây dựng. Trong đó, cát lòng sông là loại khoáng sản đang có nhu cầu lớn, phục
vụ đắc lực cho ngành xây dựng, giao thông, thủy lợi và các ngành kinh tế khác.
Trong những năm qua, hoạt động khai thác cát lòng sông đem lại nhiều lợi ích
thiết thực, song cũng tác động tiêu cực đến môi trường như: gây xói lở bờ sông,
đe dọa đến độ an toàn của giao thông đường thủy và các công trình xung quanh.
Nguyên nhân của vấn đề này là quy mô khai thác nhỏ, công nghệ khai thác,
trình tự khai thác và thiết bị khai thác chưa phù hợp với từng mỏ cụ thể. Bên
cạnh đó, công tác quản lý, cấp quyền khai thác chưa gắn liền với các kết quả
nghiên cứu khoa học.
Xuất phát từ những bất cập nêu trên, việc lựa chọn đề tài của luận án tiến
sĩ "Nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông ở Việt Nam nhằm đảm bảo
an toàn, bảo vệ môi trường và phục vụ công tác quản lý" là cần thiết và cấp

bách nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nâng cao mức độ an toàn, giảm ô nhiễm môi
trường, sử dụng hiệu quả, bền vững tài nguyên cát lòng sông.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác, trình từ khai thác đảm bảo hiệu
quả kinh tế và hạn chế vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn.
- Nghiên cứu đề xuất các giải pháp về góp phần nâng cao hiệu quả công
tác quản lý Nhà nước đối với hoạt động khai thác cát lòng sông.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các mỏ cát nằm dưới lòng sông
thuộc khu vực miền núi, trung du và hạ nguồn.
Phạm vi nghiên cứu là công nghê ̣ khai thác cát và các giải pháp quản lý
hoa ̣t đô ̣ng khai thác cát lòng sông.
4. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu, phân tích tổng quan về công nghệ khai thác cát lòng sông
tại Việt Nam và trên thế giới;
- Nghiên cứu đặc điểm thành tạo và phân bố của các mỏ cát dưới lòng sông;
- Nghiên cứu quy luật xói lở đất đá dưới tác động của hoạt động khai thác
theo dọc theo dòng chảy của sông, xây dựng mối quan hệ bán kính vùng xói lở
phía thượng nguồn và hạ nguồn với các yếu tố tự nhiên – kĩ thuật;
- Nghiên cứu đề xuất hoàn thiện công nghệ khai thác, trình tự khai thác và
lựa chọn đồng bộ thiết bị đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp và
hạn chế vùng xói lở đất đá; đề xuất các giải pháp quản lý nhà nước.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa để phát triển, hoàn thiện;
- Phương pháp giải tích, mô hình hoá toán và thực nghiệm;
- Phương pháp phân tích, chọn lọc so sánh và kinh nghiệm chuyên gia.


4

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
6.1. Ý nghĩa khoa học:
1. Xây dựng được các sơ đồ công nghệ khai thác phù hợp với các mỏ cát
lòng sông khu vực trung du - miền núi và các mỏ cát lòng sông khu vực hạ lưu.
2. Đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên, cấp quyền khai thác khoáng
sản nhằm tăng cường hiệu quả công tác quản lý nhà nước đối với hoạt động
khai thác cát lòng sông.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của luận án giúp cho các đơn vị khai thác có giải pháp
để hoàn thành kế hoạch sản xuất, đáp ứng yêu cầu thị trường và giúp các cơ chức
năng xây dựng các chính sách quản lý hoạt động khai thác cát lòng sông nhằm sử
dụng hợp lý tài nguyên cát, gắn liền với bảo vệ môi trường.
7. Những luận điểm bảo vệ
7.1. Bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn khai trường
chịu ảnh hưởng của tính chất cơ lý đất đá và các thông số hình học của mỏ.
Trong đó, các yếu tố cơ bản chi phối mạnh mẽ đến vùng xói lở đất đá là tốc độ
dòng chảy, chiều sâu khai trường và đường kính cỡ hạt.
7.2. Tố c đô ̣ dòng chảy là nhân tố làm kéo dài cung đô ̣ vâ ̣n tải, làm lêch
̣
hướng di chuyể n của tầ u chở cát, thời gian chu kì vâ ̣n tải và dung tích tầ u chở cát.
7.3. Điều kiện phân bố mỏ, ảnh hưởng của hoạt động khai thác đến môi
trường xung quanh là cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý nhà nước đối với cát
lòng sông.
8. Những điể m mới của luâ ̣n án
8.1. Thiết lập được sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở đất đá phía
thượng nguồn và hạ nguồn khai trường với tốc độ dòng chảy, chiều sâu mỏ và
đường kính cỡ hạt đất đá trên cơ sở nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến vùng
xói lở bằng phương pháp mô hình mô phỏng.
8.2. Phân loại các mỏ cát dưới lòng sông theo nguồn gốc thành tạo và tốc
độ xói lở làm cơ sở phân tích lựa chọn công nghệ và thiết bị khai thác hợp lý

đáp ứng sản lượng yêu cầu của các mỏ.
8.3. Xây dựng sơ đồ công nghệ khai thác kết hợp với sàng tách đá tảng,
cuội sỏi trực tiếp vào bãi thải trong, cho phép giảm khối lượng vận tải và hạn
chế ảnh hưởng của hoạt động khai thác tới môi trường đối với các mỏ cát có lẫn
cuô ̣i, tảng, sỏi khu vực trung du, miền núi.
8.4. Thiế t lâ ̣p mố i quan hê ̣ giữa lưu lươ ̣ng tầ u hút cát và dung tích tầ u chở
cát trong điề u kiê ̣n ảnh hưởng của dòng chảy.
8.5. Đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên, cấp quyền khai thác cát
lòng sông phù hợp điều kiện Việt Nam dựa trên các kết quả nghiên cứu về vùng
xói lở đất đá và công nghệ, trình tự khai thác.
9. Bố cục của luận án
Ngoài phần mục lục và danh mục các bảng, biểu, hình vẽ, luận án gồm 114
trang đánh máy khổ A4; 15 biểu, bảng; 30 hình vẽ, ảnh chụp minh hoạ; 55 văn


5

liệu tham khảo và các bản vẽ kèm theo. Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu và
kết luận gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ khai thác cát lòng sông ta ̣i Viêṭ Nam
và trên thế giới
Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên – kỹ thuật ảnh hưởng đến
vùng xói lở khi khai thác cát lòng sông.
Chương 3: Nghiên cứu công nghệ khai thác đảm bảo hiệu quả và giảm
thiểu tác động đến vùng xói lở.
Chương 4: Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên
cát lòng sông ở Việt Nam.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LÒNG
SÔNG TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI
1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát lòng sông trên thế giới và Việt Nam

1.1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát trên thế giới
Ở các nước phát triển như Nga, Mỹ, Úc, Hà Lan, Ý … các mỏ thường có
quy mô công suất lớn, ĐBTB hiện đại. Công tác bảo vệ môi trường trong quá
trình khai thác được chú trọng, hoàn thiện. Các nước phát triển đã ra nhiều cơ
chế chính sách và tổ chức lại các cơ quan quản lý đối với các hoạt động này kể
từ khâu thăm dò, quy hoạch, cấp phép khai thác, kiểm tra, hậu kiểm chặt chẽ.
Trong khi đó, ở các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Myanma,
Ấn Độ, Malaysia v.v…hoạt động khai thác còn tồn tại nhiều bất cập, đặc biệt là
lĩnh vực bảo vệ môi trường và khắc phục hậu quả khai thác vẫn còn yếu kém.
1.1.2. Tổng quan về tình hình khai thác, sử dụng cát ta ̣i Viê ̣t Nam
Việt Nam là quốc gia có nhiều mỏ cát có trữ lượng khác nhau. Công nghê ̣
khai thác đa da ̣ng, quy mô sản lươ ̣ng nhỏ.
1.2. Tổng quan công nghệ khai thác cát lòng sông
Phạm vi luận án đi sâu nghiên cứu về công nghệ khai thác các mỏ cát phân
bố dưới lòng sông (ngập hoàn toàn). Công nghệ khai thác hiện đang áp dụng tại
các nước tiên tiến trên thế giới và Viê ̣t Nam đươ ̣c phân loa ̣i như sau:

Hình 1.1. Công nghệ khai thác theo chiều sâu ngập nước của thân cát
1 – Bãi tập kết cát; 2 – máy xúc gầu ngoạm lắp trên cầu cạn; 3- máy xúc gầu thuận
hoặc máy xúc thuỷ lực gàu ngược lắp trên phà nổi; 4 – tầu cuốc nhiều gầu; 5, 6 – tầu hút
bùn; 7 – máy xúc gàu ngoa ̣m; 8 – bơm lắp trên tầu; 9 – bơm bùn lắp trên phà nổi; 10 - tầu
cuốc một gầu.


6

- Khai thác bằng cơ giới: sử dụng các thiết bị như máy xúc thủy lực gầu
ngược, máy xúc gầu ngoạm, máy xúc gầu treo, tầu cuốc lắ p trên các phà nổ i
hoă ̣c trên bờ sông xúc bố c lên các tầ u chở cát hoă ̣c đổ thành đố ng trên bờ sông.
- Khai thác bằng sức nước: sử dụng tầu hút bùn, bơm bùn bơm lên các tầ u

chở cát hoă ̣c các hố thu cát trên bờ sông.
- Khai thác hỗn hợp: Trong dây chuyền công nghệ có sự phối hợp các loại
thiết bị như máy xúc, tầu cuốc, tầu hút bùn, tầ u cuố c,.... để phát huy hiêụ quả
công tác khai thác.
1.3. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông
Công nghệ cát lòng sông được nhiều học giả trong và ngoài nước đi sâu
nghiên cứu. Tổng hợp các tài liệu cho thấy có một số hướng cơ bản sau:
Hướng 1: Nghiên cứu công nghệ khai thác: Các tác giả tiêu biểu như:
И.М. Ялтанец, Г.А. Нурок, Ржевский В.В, Б.Э.Фридман (Liên Bang Nga)
W.J. Vlasblom, Hồ Sỹ Giao, Bùi Xuân Nam (Viêṭ Nam) ... Các tác giả đã đề
xuất công nghệ khai thác, trình tự khai thác, phương pháp mở mỏ và phương
pháp lựa chọn các loại thiết bị khai thác phù hợp với điều kiện các mỏ.
Hướng 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt động khai thác đến môi
trường xung quanh: Theo hướng nghiên cứu này có các tác giả tiêu biểu như:
Андреев О.В., Барышников Н.Б., Наумов Г.Г., Андреев О.В., Пичугов Г.С,
Hồ Sỹ Giao, Bùi Xuân Nam, Nguyễn Phương, Lê Ma ̣nh Hùng, Đinh Công Sản
... Các kết quả nghiên cứu đã đạt được của các tác giả là: nghiên cứu về sự thay
đổi hình thái khai trường, hiện tượng sạt lở bờ sông, ảnh hưởng lòng dẫn.
Hướng 3: Nghiên cứu các giải pháp về quản lý:
Nhóm tác giả Binoy Aliyas Mattamana, Shiney Varghese, Kichu Paul dựa
trên các kết quả quan trắc, thông kê số liệu của một đoạn sông cụ thể, đã đưa ra
một số quan điể m như: không nên khai thác một cách liên tục nhằm ổn định
dòng chảy và cân bằng lượng cát. Cục Thủy lợi và Thoát nước thuộc Bộ Tài
nguyên và Môi trường Malaysia năm 2009; Bộ Môi trường, Lâm nghiệp và
Biến đổi khí hậu Ấn Độ đã nghiên cứu, ban hành Hướng dẫn quản lý khai thác
cát bền vững, quy trình cấ p quyề n khai thác.
1.4. Kết luận Chương 1
Các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đã đề xuất được các công
thức lý thuyết và thực nghiệm để xác định các thông số hình học khai trường,
thông số hệ thống khai thác, phương pháp tính toán xác định các chỉ tiêu công

nghệ. Tuy nhiên, các công trình còn chưa giải quyết triệt để một số vấn đề sau:
- Các kết quả nghiên cứu được xây dựng trên các con sông có điều kiện
địa chất khác nhau, do đó các kết quả nghiên cứu tuy đa dạng nhưng không thể
áp dụng vào điều kiện một số mỏ cát lòng sông tại Việt Nam.
- Chưa thiết lập hoàn chỉnh mối quan hệ giữa bán kính vùng xói lở phía
thượng nguồn và hạ nguồn khai trường đến các thông số tự nhiên, kĩ thuật như:
tốc độ dòng chảy, cỡ hạt đất đá và các thông số hình học mỏ.


7

- Chưa đề xuất được các giải pháp về công nghệ khai thác và trình tự khai
thác phù hợp để bảo vệ các công trình xung quanh khi chế độ dòng chảy biến
đổi theo mùa và thân cát có cấ u ta ̣o điạ chấ t khác nhau.
- Các giải pháp quản lý, cấp quyền khai thác cát lòng sông vẫn còn tách
rời các kết quả nghiên cứu khoa học, chưa xây dựng được các quy chuẩn, tiêu
chuẩn phù hợp với đặc trưng của hoạt động khai thác cát lòng sông.
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN- KĨ THUẬT ẢNH
HƯỞNG ĐẾN VÙNG XỎI LỞ KHI KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG
2.1. Cơ sở lý thuyết về sự hình thành vùng xói lở đất đá khi khai thác cát
dưới lòng sông
Khi khai thác các mỏ khoáng sàng sa khoáng nằm dưới các lòng sông,
dưới tác động của của hoạt động khai thác và động năng dòng chảy, đất đá xung
quanh khai trường trong phạm vi nào đó sẽ bị phá hủy và dịch chuyển, tạo ra
vùng xói lở về phía thượng nguồn và hạ nguồn. Cơ chế xói lở như sau: Khi
dòng nước đi từ thượng nguồn qua ranh giới khai trường sẽ chuyển động theo
dạng xoáy, kéo đất đá từ phía thượng nguồn xuống moong khai thác. Đi ra khỏi
phạm vi vùng chuyển động xoáy, hướng chuyển động của dòng chảy gần như
song song với đáy mỏ. Khi tới ranh giới bờ mỏ phía hạ nguồn khai trường, do
sự cản chuyển động của bờ mỏ khu vực này, vùng xoáy lại được hình thành và

kết quả là đất đá cũng bị xói lở tương tự như khu vực thượng nguồn. Tuy nhiên,
tốc độ và phạm vi vùng xói lở nhỏ hơn phía thượng nguồn. Dưới tác dụng của
dòng chảy sau khi kết thúc khai thác biên giới mỏ mỏ có sự thay đổi so với biên
giới thiết kế. Kết quả của quá trình xói lở - trầ m tích đã tạo ra khai trường mỏ
có dạng hình đa giác A1A2B1C1D3D1 (Hình 2.1).
LTN

Lm
1

PhÝa th-îng nguån

Vn

A1
C¸t

5

LHN

2
PhÝa h¹ nguån

Khu vùc khai tr-êng

A

4

3

D3

A3

A2

B

D

B1

C1

D2

6

Vn

D1

C¸t

C

L®

Hình 2.1. Sơ đồ hình thành vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn khi khai
thác cát dưới lòng sông
1, 2 – mặt nước thủy tĩnh trước và sau khi khai thác; 3, 4 - vùng chuyển động xoáy tại ranh
giới khai trường phía thượng nguồn và phía hạ nguồn; 5,6 – vùng xói lở phía thượng nguồn
và phía hạ nguồn khai trường; ABCD – hình dạng khai trường thiết kế; A1A2B1C1D3D1 –
hình dạng khai trường thực tế sau khi kết thúc khai thác.

Việc nghiên cứu cơ chế xói lở đất đá và ảnh hưởng các yếu tố tới bán
kính vùng xói lở mang ý nghĩa hết sức quan trọng để làm cơ sở lựa chọn các
giải pháp về kĩ thuật – công nghệ khai thác phù hợp, quy đinh
̣ khoảng cách an


8

3

Vn

im

2
1

G=G
n+ G
TN

hHN

hm

V

IV

Vm

0Gn

Vn

G=0

L4

4

in

Lx

hn

G=G
n

ZHN > 0

4

Z = 0

hn

in

ZTN > 0

toàn từ công triǹ h cầ n bảo vê ̣ đế n điể m khai thác, cũng như các giải pháp trong
quản lý tài nguyên khoáng sản dưới các lòng sông. Tính từ hạ nguồn lên thượng
nguồn dòng chảy các khu vực như sau:

3

Lm = L
3

III

L2

2

II

1

I

Hình 2.2. Sơ đồ biểu hiện sự thay đổi của các thông số thủy văn và vùng xói lở
khi khai thác khoáng sản dưới lòng sông
in, im - độ dốc của mặt nước ở trạng thái tự nhiên và trong khu vực ảnh hưởng của hoạt
động khai thác; Vn, Vm – tốc dộ dòng chảy ở chế độ tự nhiên và trong khai trường mỏ; hn –
chiều sâu ngập nước của sa khoáng; ZHN, ZTN – trị số tăng (giảm) của mặt nước tại ranh
giới mỏ phía hạ nguồn và hạ nguồn

- Khu vực thứ nhất (I): Nằm dưới vùng xói lở phía hạ nguồn (tính từ mặt
cắt 1-1 về hạ nguồn). Đây là khu vực có tốc độ xói lở - trầm tích đất đá và các
thông số chế độ thủy văn ở trạng thái tự nhiên. Hoạt động khai thác mỏ chỉ có
thể gây vẩn đục dòng nước do sự trôi trượt của các hạt lơ lửng.
- Khu vực thứ hai (II): Vùng xói lở phía hạ nguồn khai trường (nằm trong
giới hạn mặt cắt 1-1 và mặt cắt 2-2).
- Khu vực thứ ba (III): Khai trường mỏ (giới hạn bởi mặt cắt 2-2 và mặt
cắt 3-3).
- Khu vực thứ tư (IV): Vùng xói lở phía thượng nguồn (giới hạn bởi hai
mặt cắt 3-3 và 4-4);
- Khu vực thứ năm (V): Trên vùng xói lở thượng nguồn (tính mặt cắt 4-4
về thượng nguồn). Tại khu vực này các thông số chế độ thủy văn ở trạng thái tự
nhiên không phụ thuộc vào hoạt động khai thác mỏ.
2.1.1. Xác định các thông số vùng xói lở phía hạ nguồn
Vùng xói lở tại phía hạ nguồn được hình thành do sự bào mòn đất đá theo
từng lớp từ trên xuống dưới. Kết thúc quá trình bào mòn vùng xói lở có dạng
tam giác DD1D2. Sau khi tách ra khỏi nguyên khối các phần tử hạt min,
̣ khối
lượng riêng nhỏ (hạt phù sa) sẽ chuyển động xuôi dòng chảy. Đây là nguyên
nhân cơ bản gây ra độ vẩn đục đối với các dòng sông khi thực hiện công tác
khai thác cát (Hình 2.3).

9

Chiều sâu vùng xói lở
phía hạ nguồn được xác định
theo công thức:
0,25m 0,86 .in0, 42 .hn1, 4
dc

0, 28

ZHN

in

hn

hxl 

z
im

, m (2.2)

c

D

LHN

xl

hxl

c

Trong đó: m – hệ số kể đến độ
đồng đều của cỡ hạt đất đá; dc –
đường kính cỡ hạt đất đá, m; in –
độ dốc dọc của dòng chảy ở trạng
thái tự nhiên, %; hn – chiề u sâu
ngập nước, m.

n
D1


HN

D2


O

x

Hình 2.3. Sơ đồ xác định các thông số vùng xói
lở phía hạ nguồn

Tốc độ của dòng chảy khi vật liệu bắt đầu xói lở:

h
V xl  1,6 g.d c  n
 dc





0 ,17

, m/s

(2.3)

Gọi QHN là trữ lượng cát chảy vào mỏ từ vùng xói lở phía hạ nguồn. Giá
trị của QHN tỉ lệ thuận với thể tích vùng xói lở DD1D2:
QHN  VDD1D 2  Vtr
(2.4)
VDD1D 2  S DD1D 2 B 

LHN .hHN .B
sin    c  ,
2. cos  c . sin 

m3

(2.5)

ZTN

Với LHN – bán kính xói lở phía ha ̣ nguồ n, m; B – chiề u rô ̣ng khai trường,
m; c - góc dốc của thân cát, độ;  - góc dố c sườn tầ ng, đô ̣; Vtr – trữ lượng cát
trôi ra khỏi vùng xói lở phí hạ nguồn, m3.
2.1.2. Xác định các thông số vùng xói lở phía thượng nguồn
z
Do quá trình vận động
3
của vật liệu xuôi theo dòng
in
chảy lên toàn bộ vật liệu
im

thuộc phạm vi vùng xói lở
phía thượng nguồn sẽ dịch
LTN
A1
chuyển vào trong đáy khai
V
A


xl

trường mỏ và bồi tích tại


chân tầng khai thác. Khi đi
A2
qua mặt phẳng 3-3 vào khu
o 

x
B
vực khai trường (Hình 2.4)
3
độ dốc mặt nước và vận tốc
Hình 2.4. Sơ đồ xác định các thông số vùng xói
dòng chảy tại khu vực (im)
lở phía thượng nguồn
có sự thay đổi so với trạng
thái tự nhiên.
hn

n

m

c

TN

ZTN

c


10

Vận tốc dòng chảy tại khu vực khai trường được xác định theo công thức:
Vm 

n .hn

hm  hn

, m/s

(2.6)

Độ dốc mặt nước tại khu vực khai trước tính toán theo biểu thức:
im 

in .hn3,3

hm  hn 3,3

, m/s

(2.7)

Trong đó:  n – tốc độ dòng chảy ở chế độ tự nhiên, m/s; hm – chiều sâu
khai trường, m; hn- chiều sâu ngập nước, m; in – độ dốc bề mặt dòng chảy ở
trạng thái tự nhiên, %.
Gọi QTN là trữ lượng cát chảy vào mỏ từ vùng xói lở phía thượng nguồn.
Giá trị của QTN chính là thể tích vùng xói lở AA1A2:
V AA1A2  S AA1A2 B 

L2TN .B. sin 2    c 
2. sin    c   xl* . cos2  c

  ar sin in  im 

 



, m3 (2.8)

*
xl

Trong đó: LTN – bán kính vùng xói lở phía thươ ̣ng nguồ n khai trường, m.
2.2. Thực nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến vùng xói lở
2.2.1. Mô hình thực nghiệm
Sử dụng tấm mica trong suốt uốn thành máng dạng parabol để mô phỏng
hình dạng tự nhiên của lòng sông. Bịt kín hai đầu máng bằng hai tấm mica hình
bán nguyệt, trên mỗi tấm mica này có lắp van hình chữ T để tiếp nhận hoặc xả
nước. Một đầu của máng được lắp với hệ thống cấp nước có áp. Khi thực
nghiệm nước được tháo từ hệ thống cấp nước có áp qua máng tạo dòng chảy
tương tự như quá trình vận động của nước dưới dòng sông.
Máng được đặt trên một giá làm bằng sắt, sau khi đã lắp đặt xong sẽ đổ
các loại vật liệu có độ hạt khác nhau (cát đen, cát vàng và sỏi nhỏ), tiếp sau đó
xả nước vào máng và tiến hành làm các thực nghiệm.
3

A-A
50 m

A

1

1

4

5
n-íc
h¹ nguån

khai tr-êng

2

th-îng nguån

60 cm

c¸t

A

2

Hình 2.6. Mô hình thực nghiệm nghiên cứu vùng xói lở phía hạ nguồ n và hạ
nguồ n khai trường khi khai thác cát dưới lòng sông
1 – máng mica; 2 – giá đỡ bằng thép; 3 - ống dẫn nước;
4 – van chữ T thượng nguồn; 5 – van chữ T hạ nguồn)
2.2.2. Quá trình thực hiện công tác nghiên cứu
Để nghiên cơ chế xói lở của đất đá khi có hoạt động khai thác mỏ, tiến
hành đổ cát vào máng với chiều cao từ 10÷30 cm và bơm nước ngập từ 10÷15

cm. Mở van T tại hai đầu máng để tạo dòng chảy, song song với quá trình tháo


11

nước, tiến hành xúc một phần hoặc toàn bộ khối cát ra khỏi phạm vi ranh giới
khai trường.
Các yếu tố ảnh hưởng tới vùng xói lở phía thượng nguồn và phía hạ
nguồn khai trường được nghiên cứu gồm: tốc độ dòng chảy, chiều sâu khai
thác, chiều dài khai trường, đường kính cỡ hạt.
a)
b)

Hình 2.7. Minh họa hình ảnh trước (a) và sau thực nghiệm (b)
Các thông số thực nghiệm sẽ được lập thành bảng, sau đó sử dụng phần mềm
Excel xây dựng mối sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở với từng yếu tố về tốc
độ dòng chảy, chiều sâu khai thác, chiều dài khai trường, đường kính cỡ hạt.
2.2.3. Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên – kĩ thuật ảnh hưởng đến vùng xói lở
2.2.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy
Bán kính vùng xói lở phía
70
y = 4,1087x
thươ ̣ng nguồ n và ha ̣ nguồ n khai
60
R = 0,9933
trường tỉ lê ̣ thuâ ̣n với tố c đô ̣ dòng
50
chảy (Hình 2.8). Phương trình
40
biểu diễn mối quan hệ giữa bán

30
kính vùng xói lở với tốc độ dòng
20
chảy:
y = 4,6898x
10
R = 0,9879
+ Phía thượng nguồn:
0
LTN  0,8696n0, 6949 , m
(2.9a)
0
10
20
30
40
50
60
0,6946

Bán kính vùng xói lở, cm

2

0,4139

2

Tốc độ dòng chảy, cm/s
Phía hạ nguồn

Phía thượng nguồn

Hình 2.8. Sự phụ thuộc của bán kính
vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ
nguồn vào tốc độ dòng chảy
2.2.3.2. Ảnh hưởng của đường kính cỡ hạt

(R2 = 0,9756)
+ Phía thượng nguồn:
LTN  0,3342 n0, 471 , m
(2.9b)
(R2 = 0,9968)


12

Bán kính vùng xói lở phía
thươ ̣ng nguồ n và ha ̣ nguồ n khai
trường tỉ lê ̣ nghich
̣ với đường
kính cỡ ha ̣t đấ t đá (Hình 2.9).
Phương trình biểu diễn mối quan
hệ giữa bán kính vùng xói lở với
đường kính cỡ hạt:
+ Phía thượng nguồn:

Bán kính vùng xói lở, cm

70

60
y = 47,819x

50

-0,3465

2

R = 0,9909

40
30
20
y = 22,942x

-0,3077

2

10

R = 0,9871

0
0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

Đường kính cỡ hạt, mm
Phía thượng nguồn

Phía hạ nguồn

LTN 

0,4271
d c0,352

, m (2.10a)

(R2 = 0,9816)
+ Phía thượng nguồn:

Hình 2.9. Sự phụ thuộc của bán kính
LHN  0,306
, m (2.10b)
dc

vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ
(R2 = 0,9942)
nguồn vào đường kính cỡ hạt đất đá
2.2.3.3. Ảnh hưởng của độ dốc lòng sông
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy: Với một loại đất đá nhất định độ dốc
lòng sông càng lớn thì vùng xói lở càng rộng.
2.2.3.4. Ảnh hưởng của chiều dài khai trường
Trong điều kiện thực tế sản xuất, do cát lòng sông có cấu tạo dạng dải dọc
theo lòng sông, nên chiều dài khai trường thường lớn hơn rất nhiều lần chiều
sâu khai trường. Do dó, có thể coi sự ảnh hưởng của chiều dài khai trường đến
bán kính vùng xói lở là không lớn và giá trị này có thể bỏ qua.
2.2.3.5. Ảnh hưởng của chiều sâu khai trường
.
50
Chiều sâu khai thác càng lớn thì
y = 3,1045x
bán kính vùng xói lở ảnh hưởng
R = 0,9976
40
càng lớn đă ̣c biệt là bờ mỏ phía
thượng nguồn. Phương trình biểu
30
diễn mối quan hệ giữa bán kính
y = 4,6311x
20
vùng xói lở với chiều sâu khai
R = 0,9881
trường qua kết quả thực nghiệm
10
như sau:

0
+ Phía thượng nguồn:
5
10
15
20
25
30
35
LTN = 1,175 hm0,7897, m
(2.11a)
Chiều sâu khai thác, m
2
(R = 0,9974)
Phía thượng nguồn
Phía hạ nguồn
+ Phía hạ nguồn:
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của bán
LHN = 0,5454 hm0,5302, m (2.11b)
kính vùng xói lở vào chiều sâu khai
(R2 = 0,9804)
thác
0,7907

Bán kính vùng xói lở, m

2

0,5325

2


13

2.3. Thiết lập sự phụ thuộc bán kính vùng xói lở với các thông số tự nhiên kĩ thuật
Khi bứt ra khỏi nguyên khối các phần tử đất đá này chuyển động trong
môi trường thủy lực, tại thời điểm bất kì mỗi phần tử đất đá chịu tác dụng của
lực đẩy Acsimet, trọng lực và tác động của dòng nước tác đô ̣ng. Sử du ̣ng
phương pháp tổ ng hơ ̣p lực tác đô ̣ng lên các phầ n tử cát và các các số liệu thực
nghiệm cho phép thiết lập công thức xác định vùng xói lở phía thượng nguồn và
hạ nguồn như sau:
2

LTN

 0,6949   
 n0,352  n  1  hm0,7987 
dc
 c 

LHN

 0, 4071   
 n0,306  n  1  hm0,3502 
dc
 c 

(2.12a)

2

(2.12b)

Trong đó:  n - tố c đô ̣ dòng chảy, m/s; dc – đường kính cỡ hạt, m;  n ,  c dung trọng của nước và cát, kg/m3; hm – chiề u sâu khai trường, m.
2.4. Kết luận chương 2
- Bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn khai trường chịu
ảnh hưởng của tính chất cơ lý đá và các thông số hình học của mỏ. Trong đó,
các yếu tố cơ bản chi phối mạnh mẽ đến vùng xói lở đất đá là tốc độ dòng chảy,
chiều sâu khai trường và đường kính cỡ hạt.
- Sự thay đổi chế độ dòng chảy và các thông số hình học mỏ là cơ sở
khoa học để phân tích, lựa chọn công nghệ khai thác, trình tự khai thác, nhằm
giảm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu quả kinh tế và tận thu tối đa tài nguyên.
Đồng thời các kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở để đề xuất các giải pháp quản
trị tài nguyên, trên có sở đó kiến nghị với Nhà nước và các cơ quan chức năng
xây dựng, điều chỉnh các chính sách phù hợp với đặc trưng của hoạt động khai
thác cát dưới lòng sông.
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC ĐẢM BẢO
HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ GIẢM THIỂU VÙNG XÓI LỞ
3.1. Khái quát về tiềm năng cát lòng sông ở Việt Nam
3.1.1. Tiềm năng, trữ lượng cát xây dựng
Việt Nam có nguồn tài nguyên cát xây dựng dồi dào và phong phú với
tổng trữ lươ ̣ng khoảng 790 triệu m3 phân bố ở các sông 3 miề n Bắ c, Trung,
Nam nhưng phân bố không đồng đều ở các địa phương. Ngoài ra, hàng năm có
khoảng từ 311–415 triệu m3 đươ ̣c bồ i lắ ng bổ sung. Tuy nhiên, trữ lươ ̣ng
thường xuyên thay đổ i do sự biế n đổ i dòng chảy tự nhiên và nhân ta ̣o (các đoa ̣n
sông có các đập thuỷ điện và thuỷ lợi) cho nên, trữ lượng và tài nguyên dự báo
còn chưa được đánh giá chính xác.
3.1.2. Đặc điểm phân bố các mỏ cát

14

Theo Schumm (1977) phân lưu vực sông ra 3 vùng: thượng lưu, trung lưu
và hạ lưu với các đặc điểm về trữ lượng, chất lượng cát được mô tả theo Hình 3.1:

Hình 3.1. Đặc điểm các vùng của lưu vực sông
3.1.3. Đặc điểm địa chất một số mỏ cát dưới lòng sông
Theo kế t quả khảo sát, thăm dò của một số mỏ cát lòng sông điển hình
cho các vùng miền như sau:
- Các khoáng sàng cát ở khu vực thươ ̣ng nguồ n các con sông: Thân cát
thường có chiề u dày nhỏ (từ 0,5÷3,0 m), cát ở da ̣ng ha ̣t thô với kích thước cỡ
ha ̣t từ 0,5÷2,0 mm, trong thâ cát thường có lẫn cuô ̣i tảng với kích thước lớn.
- Các khoáng sàng cát nằ m ở vùng trung du: Thân cát thường có chiề u
dày từ 2,0÷5,0 m, cát ở da ̣ng pha lẫn ha ̣t thô và miṇ với kích thước cỡ ha ̣t từ
0,1÷0,5 mm, trong thân cát có thành phầ n cuô ̣i, tảng với tỉ lê ̣ không lớn.
- Các khoáng sàng cát ở khu vực ha ̣ nguồ n các con sông: Thân cát thường
có chiề u dày từ 5,0÷15,0 m, cát ở da ̣ng ha ̣t miṇ với kích thước cỡ ha ̣t từ
0,05÷0,1 mm, trong thân cát không có thành phầ n cuô ̣i, tảng.
3.1.4. Dự báo nhu cầu khai thác, sử dụng cát lòng sông ở Việt Nam
Theo các số liê ̣u thố ng kê trong nhiề u năm cho thấ y: Năm 2006, sản
lươ ̣ng cát tiêu thụ là 73 triệu m3, năm 2007: 78,3 triệu m3, năm 2008: 85,5 triệu
m3, năm 2010 tiêu thụ 136,9 triệu m3, năm 2015 từ 190-200 triệu m3, năm 2020
khoảng 240- 260 triệu m3.
3.2. Phân loại mỏ phục vụ công tác lựa chọn công nghệ khai thác
Trên cơ sở tổng hợp các điều kiện về nguồn ngốc thành tạo, cấu trúc địa
chất, các yếu tố thủy văn và các kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của bán
kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn vào tốc độ dòng chảy, đường
kính cỡ hạt và pha ̣m vi làm viê ̣c hiê ̣u quả của tầ u chở cát luận án chia các mỏ
cát sa khoáng dưới lòng sông thành 3 nhóm sau:

Bảng 3.1. Phân loại mỏ
Nhóm mỏ

Nhóm I

Đă ̣c điể m
Là những mỏ cát sa khoáng chiều rộng
hẹp, cát hạt to, trong thân cát có nhiều
đá cuội, tảng với kích thước lớn, chiều
sâu ngập nước nhỏ và tốc độ dòng
chảy lớn.

Phân bố
vùng
thượng
nguồn

Tên mỏ
Các mỏ cát trên sông
Gâm, xã Ngọc Hội,
huyện Chiêm Hoá, tỉnh
Tuyên Quang


15
Là những mỏ cát sa khoáng chiều rộng
trung bình, cát hạt thô, trong thân cát có
nhiều cuội, sỏi với kích thước trung
bình và nhỏ, chiều sâu ngập nước và
tốc độ dòng chảy trung bình.

Nhóm II

vùng trung
du

Các mỏ cát trên sông
Lô, đoạn qua huyện Phù
Ninh, huyện Đoan Hùng
và thành phố Việt Trì,
tỉnh Phú Thọ

Là những mỏ cát sa khoáng chiều rộng
vùng hạ
Các bãi bồi sông Hồng;
phân bố lớn, cát hạt mịn, trong thân nguồn hoặc
sông Tiền và sông
cát rất ít hoặc không có cuội, sỏi, chiều
các cửa
Hậu....
sâu ngập nước lớn, tốc độ dòng nhỏ.
sông

Nhóm III

3.3. Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác phù hợp điều kiện Việt Nam
Các tiêu chí đề xuấ t công nghê ̣ khai thác: (i) Giảm chi phí sản xuất; (ii)Hạn chế phạm vi vùng xói lở; (iii)Giảm tổn thất tài nguyên và ô nhiễm môi
trường. Qua nghiên cứu phạm vi làm việc hiệu quả của các thiết bị cơ giới (tầu
hút, máy xúc, bơm bùn, …), nghiên cứu kinh nghiệm khai thác các mỏ cát trong
và ngoài nước và điều kiện địa chất mỏ, Luận án đề xuất hoàn thiện 02 loại

công nghệ khai thác cát lòng sông phù hợp điều kiện Việt Nam và nhóm mỏ đã
nghiên cứu, phân loại như sau:
3.3.1. Công nghệ khai thác bằng máy xúc TLGN, thải sỏi sạn tại bãi thải trong
Máy xúc TLGN được lắp trên phà nổi, làm việc với gương bên hông, dọc
tầng, xúc bóc toàn bộ cát và sỏi theo gương xúc dưới mức máy đứng, đổ lên
cụm sàng nghiêng lắp liền trên tầu chở cát. Tại cụm sàng, cát sẽ tách ra khỏi
vật liệu nguyên khai và rơi xuống bồn chứa cát của tầu, còn đá thải sẽ xô về
phía cuối sàng, đá thải sẽ được rót vào bãi thải trong.
Công nghệ này cho phép loại bỏ trực tiếp một khối lượng cuội, sỏi và đá
tảng tại khai trường, do đó giảm khối lượng vận tải đá thải so với trường hợp
phải vận tải cả khối vật liệu về bãi chứa. Mặt khác, sản phẩm thải được đổ
thành các lớp ốp theo bờ mỏ, các lớp thải này với vai trò như các đê chắn, có
tác dụng hạn chế sự phát triển của vùng xói lở (Hình 3.2). Sơ đồ công nghê ̣ này
áp du ̣ng với các mỏ cát có chứa thành phầ n cuô ̣i, tảng (nhóm I và II).
B

A-A
Rdmax

2
1

5

hn

1 8

A

A

H0

hm

3



0

A0

L
3

7

8

LTN

6

4

2

A

8

32

B-B

33
31
7

9

B

Hình 3.2. Sơ đồ công nghệ khai thác các mỏ cát khu vực
vùng thượng nguồn bằng máy xúc TLGN ngược lắp trên
phà nổi

1 – phà nổi; 2 – máy
xúc thuỷ lực gàu
ngược; 3 – tầu chở
cát
(31sàng
nghiêng; 32- cửa gạt
đá cuội, tảng; 33 –
vòi rửa); 4 – bãi thải
cuội, tảng; 5 – ranh
giới vùng xói lở khi
có bãi thải; 6 – ranh

giới vùng xói lở khi
không có bãi thải; 7
– cát sau rửa; 8cuội, sỏi; 9 – vòi xả
nước.


16

Các thông số công nghê ̣ cơ bản
- Chiều cao bãi thải H0:
H 0  Rd max  L  hm .ctg  C tg 0 , m
- Chiều rộng dải khấu:
hm .K r 1  K c   Rd max  L  hm .ctg  C tg 0
A

0,25tg 0

(3.1)
(3.2)

- Chiều dài khoảng lắng của đất đá thải:
L  α.

Vx  Vm .H
w

(3.3)

,m

Trong đó: Rdmax – bán kính dỡ lớn nhất của máy xúc TLGN, m; hm – chiều cao tầng khai
thác, m;  ,  0- góc nghiêng sườn tầng, baĩ thải, độ; L – khoảng cách chân tầng tới chân bãi
thải trong, m; C – khoảng cách từ trục di chuyển của máy xúc đến mép tầng, m; Vx – tốc độ
xả thải theo phương nằm ngang, m/s; Vm – tốc độ dòng chảy trong khai trường, m/s; w – tốc
độ lắng của hạt sỏi, sạn có kích thước nhỏ nhất trong thành phần đất đá thải, m/s.

3.3.2. Công nghệ khai thác bằng tầu hút bùn
Hình 3.3. Sơ đồ công
nghệ khai thác cát dưới
lòng sông bằng tầu hút
bùn

A-A

hm hn

1

A

11

1 B-B
12 2

41
3

42

Lc
Lb

4

1- tầu hút bùn; 11 – vòi hút;
12- cột định vị; 2 - phao
nổi; 3 – đường ống;4 – hố
thu cát;41- đê chắn;42- nền
hố thu cát

Đối với các mỏ sa khoáng cát phân bố tại khu vực hạ lưu của dòng sông
(các mỏ cát thuộc Nhóm III), thành phần sa khoáng đa phần là cát hạt mịn có
kích thước nhỏ. Trong trường hợp này sẽ sử dụng tầu hút bùn, hút trực tiếp.
Hỗn hợp bùn cát được vận tải bằng đường ống nổi về các hố thu cát trên bờ sông
hoă ̣c các tầu chờ cát để thay thế hố thu cát. Đối với công nghệ này cho phép vận
hành dây chuyển công nghệ liên tục, nâng cao sản lượng khai thác và mức độ tự
động hóa sản xuấ t (Hình 3.3).
3.4. Phương pháp lựa cho ̣n lưu lươ ̣ng tầ u hút và dung tích tầ u chở cát
Khi đồng bộ thiết bị bơm hút – vận tải hợp lý sẽ làm giảm thời gian
ngừng nghỉ, tăng năng suất tổ hợp và giảm giá thành khai thác. Khi tầu chở cát
di chuyển trên sông thì hướng, vận tốc và thời gian chuyển động của nó sẽ chịu
tác động của chế độ dòng chảy theo hướng có lợi hoặc bất lợi. Vận tốc của
nước làm giảm chi phí năng lượng, giảm thời gian di chuyển của tầu cát nếu tầu
chuyển động xuôi dòng hoặc làm lệch hướng chuyển động, kéo dài cung độ vận
tải và tăng chi phí năng lượng trong trường hợp chuyển động ngược dòng. Do
vậy, khi lựa chọn tải trọng tầu chở cát hợp lý cần tính đến các yếu tố trên.
Năng suất tầu hút đạt trị số lớn nhất khi bơm làm việc liên tục. Nghĩa là
tầu chở cát phải có dung tích phù hợp để đảm bảo tại gương khai thác không có

17

xảy ra hiện tượng nhận tải gián đoạn. Khi đó, hệ số sử dụng tầ u hút (Kth) và hệ
số sử dụng tầu chở cát (Kch) bằng nhau:
K th  K ch

K th 
tb 

(3.4)

tb
tb  tc

(3.5)

3600Vch 1  q  m 
Qb

(3.6)

Trong đó: tb - thời gian bơm đầy tầu chở cát, s; q - chỉ tiêu tiêu hao nước, m3/m3;
m - độ rỗng của đất đá, m = 0,25÷0,4 ; Vch- dung tích của tầu chở cát, m3; tc – thời
gian ngừng do trao đổi tầu chở cát tại gương hút, s.
K ch 

Tck  t b
Tck

(3.7)

- Xác định thời gian chuyển động có tải và không tải của tầu chở cát
Giả sử điểm khai thác tại điểm K, cách bến tập kết (B) một khoảng cách
L, lệch về phía hạ nguồn một góc β so với phương nằm ngang (Hiǹ h 3.6).
a)
b)
K

Vn

K

Vn
Vt

Vn

L
Vkt
Vn

Lct



Vct

Vt

A

L









B'

B

Hình 3.6. Sơ đồ xác định hướng di chuyển, cung độ vận tải và tốc độ di
chuyển của tầu chở cát (a – nhánh không tải ; b – nhánh có tải)
Vận tốc của tầu chở cát khi chạy không tải được xác định theo công thức :
Vkt  Vn 1  tg 2  , m/s
(3.8)
Khoảng thời gian cần thiết để tầu chở cát di chuyển từ bãi tập kết tới điểm
khai thác:
t kt 

L
L

Vkt Vn 1  tg 2 

,s

(3.9)

- Khi làm việc ở chế độ có tải: Để có thể di chuyển từ điểm khai thác về
bến tập kết thì hướng di chuyển của tầu chở cát sẽ phải lệch một góc  so với
đường thẳng KB, nghĩa là tầu phải đi từ điểm K đến điểm B’ nằm về phía
thượng nguồn của bãi tập kết.
 Vn . sin  
 ,
 Vt


  arcsin

độ

(3.10)


18

Như vậy, khi hoạt động ở chế độ có tải, cung độ vận tải bị kéo dài thành

L. sin 
.
sin    

Khi đó, thời gian chuyển động có tải:
t ct 

L. sin 
,
Vt . sin    

s

(3.11)

Từ các công thức (3.4),…. (3.11) và qua các phép biến đổi thiết lập được
mối quan hệ giữa dung tích tầu chở cát với năng suất máy bơm cát:
Vch 



Qb
1
sin 

.L.t c

3600.1  q  m Vn 1  tg 2  Vct . sin    



, m3 (3.12)

Trong đó: Vt – tốc độ di chuyển của tầu chở cát, m/s; Vn – vận tốc của dòng
chảy, m/s ; β – góc lệch giữa hướng chuyển động của tầu so với bờ sông, độ.
Trong công thức trên thì Qb được xác định theo khả năng hoàn thành sản

lượng mỏ :
Qb 

Am 1  q  m
,
N ca .Tca .K tg

m3/h

(3.13)

Phạm vi áp dụng công thức trên khi Vn ≤ Vt
Quan hệ giữa lưu lượng máy bơm của tầu hút với dung tích tầu chở cát
xem hình 3.17 và hình 3.8.
700

400

Dung tích tầu chở cát, m3

Dung tích của tầu chở cát, m3

450

350
300
250
200
150
100

50

600
500
400
300
200
100
0

0
0

1000

2000

3000

4000

Năng suất của tầu hút, m3/h
Vn = 0,5 m/s

Vn = 1,0 m/s

5000

0

1000

2000

3000

4000

5000

Lưu lượng máy bơm, m3/h
L = 2.000 m

L = 3.000 m

L = 4.000 m

L = 5.000 m

Hình 3.10. Quan hệ giữa dung tích Hình 3.11. Quan hệ giữa dung tích tầu
tầu chở cát với lưu lượng máy bơm chở cát với lưu lượng máy bơm khi
khi tốc độ dòng chảy thay đổi (L = cung độ vận tải thay đổi (Vn = 0,5 m/s
3.000 m;  = 300)
m;  = 300)
Từ kế t quả nghiên cứu, Luâ ̣n án đã xây dựng thuâ ̣t toán và chương trình
tính toán để tiń h toán lựa cho ̣n đồ ng bô ̣ thiế t bi ̣theo sản lươ ̣ng mỏ (hình 3.11 và
hình 3.12).


19

Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán
xác đi ̣nh lưu lượng tầ u hút
dung tích tầ u chở cát theo
sản lượng mỏ và điề u kiê ̣n
khai thác

Hình 3.13. Kế t quả tính toán lựa chọn đồng bộ thiết bị khai thác cát
3.5. Tính toán minh ho ̣a về khoảng cách an toàn cho mỏ cát trên sông Tiề n,
đoa ̣n gầ n cầ u Mỹ Thuâ ̣n, thuô ̣c điạ phâ ̣n tỉnh Vinh
̃ Long
Hiện nay, tại một số con sông của nước ta, các mỏ cát phân bố gần các
công trình quan trọng cần bảo như: cầu qua sông, cột biển báo công trình giaoo
thông đường thủy.... Ví dụ tại sông Hồng có cầu Long Biên, cầu Nhật Tân, cầu
thăng Long..., ta ̣i sông Lô có các cầu qua sông như Cầu An Hoà; Cầu Sông Lô,
Cầu Việt Trì; Sông Tiền có Cầu Cao Lãnh; Cầu Mỹ Thuận; Sông Hậu có Cầu
Vĩnh Trường, Cầu Châu Đốc, ….
Đăc điểm chế độ dòng chảy khu vực: Mực nước sông Tiền thay đổi lớn
giữa mùa kiệt và mùa lũ, ta ̣i Tân Châu - Hồng Ngự xấp xỉ 2,0 m. Vận tốc dòng
chảy trong mùa lũ của sông Tiền ở Tân Châu là 2,70 m/s.
Tài nguyên cát: Theo đánh giá: dưới chân cầu Mỹ Thuận có mỏ cát lớn
ước đến 14 triệu mét khối. Các thân cát có chiề u dày từ 5-15 m, chiề u sâu ngâ ̣p


20

nước từ 10-15 m, đô ̣ ha ̣t từ 0,25-0,1 mm chiế m trên 80%. Hiê ̣n ta ̣i, đã có mô ̣t số
đơn vi khai
thác cát ta ̣i khu vực này, với sản lươ ̣ng từ 200-300 nghìn m3/năm.
̣

Hình 3.14 Khoảng cách an toàn phía hạ nguồ n và thượng nguồ n cầ u Mỹ Thuận
khi khai thác cát
- Lựa chọn khoảng cách an toàn: Khoảng cách an toàn từ ranh giới khu
vực bảo vê ̣ cầ u Mỹ Thuâ ̣n đế n vi ̣ trí khai thác đươ ̣c xác đinh
̣ theo công thức
-3
(2.12a) và (2.12b): Với các số liêụ n  2,7m / s , dc = 0,1.10 m,  c = 1,6 T/m3,
 n = 1,0 T/m3; hm = 15 m, xác đinh
̣ đươ ̣c: LHN = 1.218 m; LTN = 304 m.
Căn cứ vào các kế t quả tính toán cho thấ y: Vi ̣ trí khai thác cầ n cách hành
lang bảo vê ̣ cầ u 1.220 m về phía ha ̣ nguồ n và 305 m về phía thươ ̣ng nguồ n.
Theo Nghị định số 11/2010/NĐ-CP của Chính phủ, hành lang bảo vê ̣ cầ u
là 150 m (đố i với cầ u có chiề u dài trên 300 m). Như vâ ̣y khoảng cách an toàn
cho cầ u phía ha ̣ nguồ n là 1.370 m, phía thươ ̣ng nguồ n là 455 m (hình 3.14).
- Lựa chọn công nghê ̣ khai thác
Với đă ̣c điể m điề u kiê ̣n điạ chấ t và các kế t quả nghiên cứu cho thấ y: công
nghê ̣ khai thác đố i với khu vực là công nghê ̣ khai thác bằ ng tầ u hút kế t hơ ̣p với
các tầ u chở cát. ĐBTB khai thác gồ m tầ u hút cát và tàu chở cát, quy mô các loa ̣i
thiế t bi ̣ đươ ̣c xác đinh
̣ bằ ng chương triǹ h tiń h toán đồ ng bô ̣ thiế t bi ̣ khai thác
như trên. Kế t quả tính toán như sau:
- Lưu lươ ̣ng tầ u hút cát: 1.000 m3/h.
- Dung tích tầ u chở cát: 31 m3.
- Số lươ ̣ng tầ u chở cát: 07 chiế c
3.6. Kết luận Chương 3
- Để phục vụ cho công tác nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác và lựa
chọn đồng bộ thiết bị, luận án đã đề xuất phân chia các mỏ cát lòng sông thành
3 nhóm mỏ trên cơ sở tổng hợp điều kiện đia chất, đặc điểm phân bố dòng sông
và chế độ dòng chảy.

- Công nghệ khai thác phù hợp với các mỏ cát dưới các lòng sông khu vực
trung du, miền núi là công nghệ khai thác sử dụng máy xúc thủy lực gàu ngược
kết hợp với công tác sàng và thải đá tảng, cuội sỏi trực tiếp vào bãi thải trong.


21

- Công nghệ khai thác phù hợp với các mỏ cát lòng khu vực hạ lưu là công
nghệ khai thác tầu hút bùn, hút và bơm hỗn hợp cát + nước lên các hố cát (xây
dựng trên bờ sông) hoặc bơm lên các tầu chở cát chuyên dụng.
- Tố c đô ̣ dòng chảy là nhân tố làm kéo dài cung đô ̣ vâ ̣n tải, làm lê ̣ch hướng
di chuyể n của của tầ u chở cát và thời gian chu kì vâ ̣n tải và dung tích tầ u chở cát.
- Căn cứ vào kế t quả nghiên cứu về vùng xói lở đấ t đá và phương pháp lựa
cho ̣n đồ ng bô ̣ thiế t bi ̣như trên, luâ ̣n án đã tính toán đề xuấ t khoảng cách an toàn
cho phép khai thác xung quanh khu vực cầ u Mỹ Thuâ ̣n và tính toán lựa cho ̣n
đồ ng bô ̣ thiế t bi ̣khai thác với mỏ có công suấ t từ 200.000 - 300.000 m3/năm.
CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN CÁT LÒNG SÔNG Ở VIỆT NAM
4.1. Thực trạng công tác quản lý khai thác cát lòng sông
4.1.1. Khái quát chung
Một trong những đặc điểm cần lưu ý trong quản lý cát lòng sông khác với
khoáng sản rắn khác đó sự vận chuyển, bồi lắng thường xuyên, liên tục của cát
lòng sông từ thượng lưu xuống hạ lưu (sự biến động thường xuyên của trữ
lượng khoáng sản trong khu vực quản lý); là sự tác động của các yếu tố khách
quan (thời tiết); là tính chất liên vùng (mỏ cát thường là ranh giới của hai hay
nhiều địa phương cấp xã, huyện, tỉnh); là tính chất đa ngành, đa lĩnh vực tác
động đến quá trình quản lý cát lòng sông.
Trong những năm gần đây, với tốc độ đô thị hóa gia tăng trên phạm vi cả
nước, nhu cầu khai thác cát trên các hệ thống sông suối ngày càng lớn. Tuy
nhiên, hoạt động này đã và đang phát triển quá mức, còn nhiều bất cập và là

một vấn đề thách thức đối với các cơ quan quản lý của nhà nước hiện nay.
4.1.2. Thực trạng hệ thống chính sách, pháp luật đối với hoạt động quản lý
khai thác cát lòng sông
Hệ thống văn bản pháp luật về khoáng sản đã tương đối hoàn chỉnh. Tuy
nhiên vẫn còn mô ̣t số tồ n ta ̣i:
- Một số văn bản sau khi ban hành có tính khả thi chưa cao, khó khăn khi
triển khai thực hiện.
- Chính sách và quy định về thuế tài nguyên, phí bảo vệ môi trường trong
khai thác khoáng sản chưa phù hợp với thực tiễn
-Quy định về đấ u giá quyề n khai thác khoáng sản, tính tiền cấp quyền
khai thác khoáng sản còn chưa hợp lý.
4.1.3. Hiện trạng công tác cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sông
Tổng hợp, phân tích và xây dựng quy trình quản lý, cấp phép thăm dò,
khai thác khai thác cát lòng sông theo dạng sơ đồ như Hình 4.1:


22
Doanh nghiệp
có nhu cầu đầu
tư thăm dò, khai
thác cát sông

Kiểm tra các vấn
đề liên quan đến
quy hoạch thăm
dò khoáng sản
của địa phương,
khu vực cấm hoạt
động khoáng sản

- Dự án đầu tư
- Báo cáo đánh
giá tác động môi
trường
- Quyết định phê
duyệt trữ lượng
- Các văn bản
pháp lý của
doanh nghiệp

Kiểm tra các
vấn đề liên quan
đến quy hoạch
thăm dò, khai
thác khoáng sản
của địa phương,
khu vực cấm
hoạt động
khoáng sản

Doanh nghiệp

Tìm hiểu tài liệu
cơ sở (tại Sở
TN&MT hoặc từ
những nguồn
thông tin khác)

Lập hồ sơ đề nghị cấp
phép thăm dò (nội dung

theo khoản 1 Điều 47 Luật
khoáng sản)

Sở TN&MT tiếp
nhận, thẩm định và
trình UBND tỉnh
cấp phép khi đủ
điều kiện

Tham khảo ý kiến
địa phương
(UBND huyện, xã)

Doanh nghiệp lập báo cáo kết
quả thăm dò, trình UBND tỉnh
phê duyệt trữ lượng

Trình tự, thủ
tục, nội dung
hồ sơ theo
Điều 50 Luật
khoáng sản

Lập hồ sơ đề nghị cấp phép khai thác mỏ theo Điều 59
Luật khoáng sản, nộp tại Sở Tài nguyên và Môi trường
Tham khảo ý kiến địa
phương (UBND huyện, xã)
Sở Tài nguyên
và Môi trường
tiếp nhận, thẩm

định và trình
UBND tỉnh cấp
phép khi đủ
điều kiện

Tổ chức khai thác và chấp
hành quy định của Nhà nước

Thanh tra, kiểm tra, giám sát và hướng
dẫn doanh nghiệp thực hiện quy định

Tham khảo ý kiến các
Sở, ngành liên quan việc
khai thác (giao thông
đường thủy, nông nghiệp,
đê điều …)

Cơ quan quản lý
nhà nước:
- Sở Tài nguyên
và Môi trường
- Các Sở, ngành
liên quan
- Chính quyền
địa phương

Hình 4.1 – Sơ đồ quy trình quản lý, cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sông


23

Qua sơ đồ trên cho thấy, đối với doanh nghiệp có nhu cầu xin cấp phép
khai thác cát lòng sông, cần trải qua 5 bước kể từ khâu lập hồ sơ xin thăm dò
(1), sau đó nộp hồ sơ cấp phép tại Sở Tài nguyên và Môi trường (2). Trên cơ sở
kết quả thăm dò, trình Ủy ban nhân dân tỉnh (qua Sở Tài nguyên và Môi
trường) để phê duyệt kết quả tính trữ lượng (3) làm cơ sở để lập dự án đầu tư,
báo cáo đánh giá tác động môi trường và hồ sơ đề nghị cấp phép khai thác
khoáng sản (4) nộp tại Sở Tài nguyên và Môi trường để thẩm định, trình Ủy ban
nhân dân tỉnh cấp phép khai thác (5).
Như vậy, có thể nói công tác quản lý nhà nước trong lĩnh vực khai thác
cát lòng sông là một chu trình tương đối phức tạp. Việc quản lý đòi hỏi phải
đứng trên quan điểm quản lý tổng hợp, xem xét nhiều đối tượng hưởng lợi từ
một dòng sông. Tuy nhiên, hiê ̣n nay do chưa có những tính toán có cơ sở khoa
học nên dẫn tới việc quản lý còn nặng về yếu tố kinh nghiệm, chưa đưa ra được
những định lượng cần thiết để xây dựng các quy định phù hợp thực tế nhằm
quản lý hiệu quả đối với hoạt động khai thác cát lòng sông. Đây cũng là một
trong những vấn đề bức thiết đòi hỏi Luận án phải tìm cách giải quyết.
4.2. Cơ sở khoa học và thực tiễn để đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả
quản lý tài nguyên cát lòng sông
4.2.1. Sự thay đổi chế độ thủy văn và bán kính vùng phá hủy
Các kế t quả nghiên cứu về chế độ thủy văn và bán kính vùng xói lở cho
phép xác định và quy đinh
̣ khoảng cách an toàn khi cấp phép nhiều mỏ cát lòng
trên trên một khu vực để đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu
quả khai thác.
4.2.2. Sự thay đổi trữ lượng mỏ
Hoạt động khai thác cát dưới các dòng sông không chỉ làm thay đổi chế
độ dòng chảy, thay đổi cấu trúc địa chất của sa khoáng mà còn làm thay đổi trữ
lượng mỏ so với thiết kế. Việc tính toán được trữ lượng gia tăng này sẽ giúp
cho cơ quan quản lý xác định được tiền cấp quyền khai thác khoáng sản mà

doanh nghiệp phải nộp, tránh thất thu tài nguyên và ngân sách nhà nước. Mặt
khác, việc xác định được phần trữ lượng gia tăng còn là cơ sở cho hướng
nghiên cứu tiếp theo khi theo dõi, xác định được tốc độ bồi lắng tại khu vực đã
cấp phép và có cơ sở để nghiên cứu, cho phép tiếp tục cấp phép khai thác mỏ
tiếp theo sau khi khai trường cũ kết thúc.
4.2.3. Hệ thống chính sách, pháp luật về quản lý tài nguyên cát lòng sông
Qua nghiên cứu những tồn tại, hạn chế của hệ thống chính sách, pháp luật
về khoáng sản hiện hành, tác giả nhận thấy, cơ sở của việc nâng cao hiệu quả,
chất lượng của công tác quản lý tài nguyên cát lòng sông cần phải dựa trên các
nguyên tắc sau:
- Các quy đinh
̣ về công tác lâ ̣p, công bố , thực hiê ̣n quy hoạch khoáng sản
cầ n tiế p tu ̣c hoàn thiê ̣n để đảm bảo tính hợp lý, công khai, rõ ràng.
- Việc cấp phép hoạt động khoáng sản cần hợp lý, rõ ràng và được nhiều


24

bên liên quan góp ý kiến và chấp thuận.
- Quá trình hoạt động của các doanh nghiệp khai thác khoáng sản cần phải
được giám sát bởi cơ quan nhà nước và người dân một cách hợp lý.
- Nghĩa vụ tài chính của doanh nghiệp khai thác khoáng sản phải hợp lý
và phải được công khai.
Các sơ sở trên đây là rất quan tro ̣ng để đánh giá tính minh ba ̣ch trong hoa ̣t
đô ̣ng quản lý nhà nước đối với hoạt động khai thác khoáng sản nói chung và
khai thác cát lòng sông nói riêng nhằm hoàn thiê ̣n hê ̣ thố ng chính sách, pháp
luâ ̣t về hoạt động khoáng sản và nâng cao hiệu quả của công tác quản lý.
4.3. Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý cát lòng sông
4.3.1. Về vấn đề kỹ thuật
4.3.1.1. Đối với công tác thăm dò, đánh giá trữ lượng

Với những nghiên cứu về sự ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên – kỹ thuật
đến vùng xói lở khi khai thác cát lòng sông tại Chương 2, tác giả đề xuất, đề án
thăm dò cát lòng sông cần làm sáng tỏ thêm thông số về tốc độ dòng chảy tại vị
trí tiếp giáp với bề mặt thân khoáng. Với việc đo cụ thể thông số này cùng với
các thông số thiết kế của dự án là chiều sâu khai thác và đường kính cỡ hạt sẽ
cho phép tính toán bán kính vùng xói lở tại khu vực thượng nguồn và hạ nguồn
nhằm phục vụ công tác quản lý, tính toán hiệu quả khai thác mỏ.
4.3.1.2. Đối với công tác thiết kế khai thác mỏ
Việc thiết kế khai thác cần kết hợp quan tâm các vấn đề mang tính chất
tổng hợp sau:
- Tiến hành quy hoạch khai thác cát trên toàn tuyến sông, với các thông
tin đầy đủ và chính xác về vị trí, quy mô, khối lượng cho phép khai thác của
từng mỏ cát dọc sông;
- Chọn thời điểm, quy trình công nghệ khai thác hợp lý cho toàn bộ chiều
dài sông và từng đoạn sông;
- Việc khai thác cát lòng sông phải được xem xét kết hợp với việc khơi
thông dòng chảy, như vậy vừa tận thu được nguồn tài nguyên thiên nhiên, vừa
đảm bảo thoát lũ, giao thông thủy.
4.3.1.3. Đối với công nghệ khai thác
- Đối với các mỏ cát tại khu vực thượng nguồn: áp dụng công nghệ khai
thác bằng máy xúc TLGN, thải sỏi sạn tại bãi thải trong. Sơ đồ công nghệ khai
thác xem hình 3.2.
- Đối với các mỏ cát tại khu vực hạ nguồn: áp dụng công nghệ khai thác
bằng tàu hút bùn, vận tải bẳng đường ống và có kết hợp các hố thu cát trên bờ
(hoặc tại xà lan trên sông trong trường hợp khai thác xa bờ). Sơ đồ công nghệ
khai thác được mô tả tại phần nghiên cứu ở Chương 3, hình 3.3. Việc lựa chọn
dung tích tàu chở cát và được tính toán theo công thức 3.12.
4.3.2. Về vấn đề quản lý
Luận án đề xuất một số giải pháp về trách nhiệm cho các cơ quan quản lý
nhà nước như sau:

25

- Xây dựng khung pháp lý, các quy chuẩn, tiêu chuẩn trong lĩnh vực quản
lý, khai thác cát lòng sông trong đó có việc xây dựng quy trình thẩm định hồ sơ
cấp phép thăm dò, khai thác mỏ cát lòng sông nhằm quản lý, kiểm tra, giám sát
các vấn đề như: sản lượng, trữ lượng khai thác; khuyến khích áp dụng tiến bộ
khoa học kỹ thuật, khuyến nghị hoặc bắt buộc áp dụng các công nghệ khai thác
với cơ sở như nêu ở trên.
- Về Luật khoáng sản năm 2010, kiến nghị bổ sung quy đinh
̣ lấ y ý kiế n
nhân dân, đă ̣c biê ̣t là người dân nơi khai thác khoáng sản, góp phầ n nâng cao
tính dân chủ, tính minh bạch trong hoạt động khai thác khoáng sản, trong đó có
cát lòng sông.
- Kiến nghị ngành Công an cần vào cuộc và chỉ đạo công an các địa
phương tăng cường phối hợp với chính quyền các cấp, các cơ quan chức năng
liên quan ngăn chặn hiệu quả và xử lý nghiêm theo quy định của pháp luật đối
với các hành vi khai thác khoáng sản trái phép.
- Uỷ ban nhân dân cấp tỉnh cần chủ động xây dựng phương án bảo vệ
khoáng sản chưa khai thác; phối hợp với các Bộ, ngành theo dõi, giám sát chặt
chẽ việc khai thác cát lòng sông và bảo vệ môi trường. Xây dựng cơ chế phối
hợp quản lý cát lòng sông giữa các địa phương ở khu vực giáp ranh hai hay
nhiều tỉnh.
4.3.3. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo
- Cần nghiên cứu bổ sung các yếu tố trên, nhằm tính toán một cách chính
xác và hiệu quả của hoạt động khai thác trong tổng thể của toàn bộ hệ thống
sông ngòi.
- Phần trữ lượng gia tăng ở đáy khai trường cần tính toán bổ sung, cũng như
cần tính toán được thời gian có thể quay trở lại khai thác tiếp theo đối với khai

trường cũ và trữ lượng bồi lắng vào khai trường đó trên cơ sở nghiên cứu, quan trắc
tốc độ bồi lắng vật liệu của dòng sông.
- Đối với công nghệ khai thác bằng tàu hút bùn, việc nghiên cứu bổ sung
công nghệ, thiết bị bơm hút và kể cả hệ thống đường ống vận chuyển là rất cần
thiết và có tính khả thi cao.
4.4. Kết luận Chương 4
- Thực trạng quản lý, khai thác cát lòng sông ở Việt Nam hiện nay còn
nhiều bất cập, chồng chéo về quản lý và chưa có những quy định chặt chẽ, hợp
lý, chưa phù hợp thực tiễn.
- Việc nghiên cứu các chính sách pháp luật quản lý phù hợp đối với cát
lòng sông cần dựa trên cơ sở khoa học, trong đó cần nghiên cứu các yếu tố là sự
thay đổi chế độ thủy văn và bán kính vùng phá hủy, sự thay đổi trữ lượng mỏ và
dựa trên cơ sở các tồn tại, bất cập của chính sách hiện hành.
- Kết quả nghiên cứu tại Chương 2 của luận án về sự ảnh hưởng của các
yếu tố tự nhiên – kỹ thuật tới bán kính vùng xói lở là cơ sở cho việc lựa chọn
công nghệ khai thác phù hợp tại Chương 3 và là cơ sở khoa học cho việc đề
xuất các giải pháp quản lý, giải pháp kỹ thuật tại Chương 4.