Luận án nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực nam bộ

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

NGUYỄN TUẤN THÀNH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU
KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ
VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC
THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2021


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

NGUYỄN TUẤN THÀNH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU
KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ
VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC
THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ

Ngành: Khai thác mỏ
Mã số: 9520603

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS.TS Trần Mạnh Xuân
2. TS Lê Văn Quyển

Hà Nội - 2021


i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo
đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một
cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này
chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Hà Nội, ngày….. tháng….. năm 2021
Tác giả

Nguyễn Tuấn Thành


ii
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Mục lục....................................................................................................................... ii
Danh mục chữ viết tắt .................................................................................................v
Danh mục các bảng ................................................................................................... vi
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGỒI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .....7

1.1. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức
truyền thống ............................................................................................................8
1.1.1. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ Kbg .............................................................................................................8
1.1.2. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ Ktb ...........................................................................................................11
1.1.3. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ Kbg kết hợp với nguyên tắc Kgh ≥ Ktb .....................................................11
1.1.4. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ KT ............................................................................................................11
1.1.5. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc
Kgh ≥ K0+KSx ....................................................................................................15
1.1.6. Xác định hệ số bóc giới hạn Kgh.............................................................16
1.2. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức phi
truyền thống khi sử dụng các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ ...............18
1.2.1. Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng thuật tốn hình nón động .............18
1.2.2. Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng phương pháp phương án với
việc sử dụng phần mềm COMFAR ..................................................................19
1.3. Xác định biên giới mỏ đối với mỏ đá dùng làm vật liệu xây dựng ...............21
1.4. Kết luận chương 1 ..........................................................................................25


iii
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC
ĐỊNH CHIỀU SÂU HỢP LÝ CỦA MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY
DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY .........................................26
2.1. Nhóm các yếu tố ảnh hưởng gián tiếp ...........................................................27
2.1.1. Giá thành khoan nổ mìn .........................................................................27
2.1.2. Giá thành xúc bốc 1m3 đá.......................................................................30
2.1.3. Giá thành khâu chế biến đá ....................................................................30

2.2. Nhóm các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp ............................................................31
2.2.1. Khoảng cách vận tải ...............................................................................31
2.2.2. Lượng nước mưa chảy vào mỏ và việc bơm nước mưa ra khỏi mỏ ......33
2.2.3. Lượng nước ngầm chảy vào mỏ và việc bơm nước ngầm ra khỏi mỏ ...34
2.2.4. Góc dốc kết thúc của bờ mỏ ...................................................................36
2.2.5. Diện tích đất đai phải đền bù phục vụ khai thác mỏ ..............................39
2.2.6. Vấn đề cải tạo và khôi phục môi trường sau khai thác ..........................43
2.2.7. Cơ chế chính sách và quản lý nhà nước .................................................43
2.3. Kết luận chương 2 ..........................................................................................47
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC HỢP LÝ
CHO CÁC MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC
THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY KHU VỰC NAM BỘ .................................................48
3.1. Một số đặc điểm về biên giới các mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng ở
nước ta...................................................................................................................48
3.2. Cơ sở lý thuyết và thực tế xác định chiều sâu mỏ hợp lý cho các mỏ đá
xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Đông Nam Bộ ..................52
3.3. Các bước xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật
liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ .................54
3.3.1. Xác định chiều sâu mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng theo điều kiện
kỹ thuật .............................................................................................................55
3.3.2. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý.......................................................57
3.4. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá đang khai thác .............57
3.4.1. Xác định khối lượng lớp đất phủ ............................................................57
3.4.2. Xác định khối lượng đá xây dựng ..........................................................59


iv
3.4.3. Xác định chi phí khai thác và chế biến đá xây dựng ..............................61
3.4.4. Xác định giá trị khoáng sản đá xây dựng, đất phủ .................................64
3.4.5. Trình tự tiến hành xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ .............65

3.5. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm dưới mức
thoát nước tự chảy chưa khai thác ........................................................................72
3.5.1. Nghiên cứu mối quan hệ giữa diện tích và chu vi mặt mỏ (biên giới
trên của mỏ lộ thiên) với khối lượng đá xây dựng thu hồi được trong biên
giới mỏ ..............................................................................................................72
3.5.2. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý đối với mỏ chưa khai thác (xác
định trong giai đoạn thiết kế mỏ lộ thiên) ........................................................77
3.6. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đối với cụm mỏ chưa khai
thác ........................................................................................................................80
3.6. Kết luận chương 3 ..........................................................................................87
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU
KHAI THÁC HỢP LÝ CHO MỎ ĐÁ THƯỜNG TÂN III .....................................88
4.1. Đặc điểm về điều kiện tự nhiên cụm mỏ Thường Tân III .............................88
4.1.1. Điều kiện tự nhiên ..................................................................................88
4.1.2. Điều kiện địa chất ...................................................................................91
4.1.2.3. Khoáng sản ..........................................................................................94
4.1.3. Đặc điểm địa chất thủy văn ....................................................................95
4.2. Hiện trạng khai thác .......................................................................................96
4.2.1. Hiện trạng biên giới mỏ ..........................................................................96
4.2.2. Công nghệ khai thác và đồng bộ thiết sử dụng ......................................98
4.3. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng Thường Tân III 101
4.4. Kết luận chương 4 ........................................................................................101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................103
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG
BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN ....................................................105
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................106
PHỤ LỤC ................................................................................................................111


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Chữ viết đầy đủ

ĐCTV

Địa chất thủy văn

HSB

Hệ số bóc

HSBGH

Hệ số bóc giới hạn

HTKT

Hệ thống khai thác

NCS

Nghiên cứu sinh

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

TPCI

Thành phần có ích

UBND

Ủy ban nhân dân


vi
DANH MỤC CÁC BẢNG
TT

Tên bảng

Trang

Bảng 2.1: Góc dốc của bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (độ) ...............................37
Bảng 2.2: Sự thay đổi của khối lượng đá xây dựng Vxd theo chiều sâu và hệ số
sử dụng hiệu quả đất đai trong khai thác mỏ K d ....................................40
Bảng 3.1: Số lượng mỏ trong cụm mỏ tại ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai
và Bình Dương.........................................................................................50
Bảng 3.2: Biên giới, chiều sâu khai thác và trữ lượng các mỏ đá thuộc khu vực
Thường Tân -Tân Mỹ (xã Thường Tân và Tân Mỹ, huyện Bắc
Thường Tân) ............................................................................................51
Bảng 3.3: Sự giảm khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ khi tăng tỷ số Km
(lấy từ phụ lục 1)......................................................................................75
Bảng 3.4: Mức độ chênh lệch giữa khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ
tương ứng với tỷ số Kmo và Kmc. .............................................................76
Bảng 3.5: Kết quả khảo sát xác định chiều sâu mỏ và diện tích mặt mỏ hợp lý ......78
Bảng 4.1: Tổng hợp các thông số ĐCTV qua kết quả bơm nước thí nghiệm và

xác định các thơng số ĐCTV theo phương pháp Duypuy .......................96
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp các chỉ tiêu chủ yếu về biên giới mỏ khai trường theo
Thiết kế kỹ thuật ......................................................................................97
Bảng 4.3: Tổng hợp các thông số hệ thống khai thác ...............................................99
Bảng 4.4: Đồng bộ thiết bị khai thác và phụ trợ .....................................................100


vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
TT

Tên hình

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ xác định chiều sâu của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg .......9
Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo
nguyên tắc Kgh  Kbg và Kgh  KT............................................................12
Hình 1.3: Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian HT và chiều sâu H1, H2......................13
Hình 1.4: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ theo nguyên tắc Kgh
≥ K0+KT ...................................................................................................14
Hình 1.5: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ theo nguyên tắc Kgh
≥ K0+Ksx ..................................................................................................16
Hình 2.1: Sơ đồ xác định khoảng cách vận tải đá xây dựng phụ thuộc vào chiều
sâu khai thác (x) .......................................................................................33
Hình 2.2: Sự thay đổi chiều sâu của mỏ....................................................................38
Hình 2.3: Sự phụ thuộc của hệ số K d và Vxd theo chiều sâu khai thác ....................41
Hình 2.4: Sơ đồ xác định trữ lượng địa chất Vdc và trữ lượng công nghiệp Vkt khi
khai thác mỏ đá xây dựng thơng thường, mặt địa hình bằng phẳng ........45
Hình 2.5: Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa diện tích được cấp và chiều sâu khai thác .45

Hình 2.6: Sơ đồ bố trí các mỏ nằm liền kề nhau .......................................................46
Hình 2.7: Quy mô tổn thất tài nguyên khi khai thác mỏ liền kề (a) và cách nhau
(b) khi tiến hành khai thác độc lập ..........................................................47
Hình 3.1: Các trình tự khoanh định biên giới mỏ lộ thiên ........................................53
Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật khi mặt mỏ
có dạng hình chữ nhật ..............................................................................56
Hình 3.3: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật khi mặt mỏ có
dạng gần trịn trong bình đồ .....................................................................57
Hình 3.4: Sơ đồ xác định khối lượng đất phủ ...........................................................58
Hình 3.5: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khi khai thác đến chiều sâu (x)
với mỏ có dạng hình chữ nhật trong bình đồ ...........................................60


viii
Hình 3.6: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khi khai thác đến chiều sâu
(x) với mỏ có dạng gần trịn trong bình đồ ..............................................61
Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán tối ưu xác định chiều sâu khai thác hợp lý của
mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thốt nước tự chảy ................................68
Hình 3.8: Giao diện chương trình tính tốn xác định chiều sâu khai thác hợp lý của
mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thốt nước tự chảy .....71
Hình 3.9. Sự phụ thuộc của chiều sâu hợp lý của mỏ và lợi nhuận riêng LR vào
diện tích mặt mỏ ......................................................................................79
Hình 3.10: Sơ đồ bố trí các mỏ trong cụm mỏ ..........................................................86
Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ khai thác, chế biến đá ....................................................98


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sau ngày miền Nam giải phóng 1975, đặc biệt trong những năm đầu của thế

kỷ 21, nhằm thỏa mãn nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng tăng để phục vụ cho
các kế hoạch phát triển hạ tầng, từng bước hiện đại hóa và cơng nghiệp hóa đất
nước, việc thăm dị, tìm kiếm đá xây dựng ngồi đá vơi ở khu vực Nam Bộ trở nên
cấp thiết. Ngày nay đã hình thành hàng loạt mỏ khai thác đá xây dựng đặc biệt là
khu vực đông Nam Bộ như các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu...
Theo số liệu thống kê tại ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Bình
Dương hiện có 67 mỏ đang hoạt động khai thác đá xây dựng thơng thường (khơng
tính các mỏ khai thác đá vơi và đá granit).
Diện tích mặt mỏ (kích thước biên giới trên của mỏ), chiều sâu khai thác và
trữ lượng khai thác của từng mỏ được quy định trong giấy phép khai thác. Phần
lớn độ sâu khai thác theo giấy phép khai thác ở mức từ -30 m đến -50 m, một số
mỏ từ -60 m đến -150 m.
Việc cấp giấy phép thăm dò và khai thác còn bộc lộ nhiều bất cập, thể hiện ở
chỗ trên cùng một khu vực có cùng điều kiện khai thác và chất lượng khoáng sản
nhưng các mỏ lại được cấp với diện tích và độ sâu khai thác khơng phù hợp với yêu
cầu phát triển bền vững của ngành. Chưa đảm bảo hiệu quả khai thác tài nguyên
khoáng sản theo khía cạnh tiết kiệm, mang lại lợi ích tối đa cho xã hội. Như một số
mỏ được cấp với diện tích lớn nhưng chiều sâu khai thác lại nhỏ, ngược lại mỏ được
cấp với diện tích khai thác nhỏ nhưng chiều sâu khai thác lại lớn (mỏ Tân Mỹ A
theo thiết kế diện tích mặt mỏ được cấp 64,6 ha nhưng độ sâu khai thác chỉ dừng ở
mức -30m, trong khi mỏ Thường Tân, công ty trách nhiệm hữu hạn(TNHH) Phan
Thanh diện tích được cấp 17 ha nhưng độ sâu khai thác lại ở mức -50 m). Một số
mỏ khác có độ sâu khai thác như nhau nhưng diện tích cấp mỏ lại khác nhau, gấp 3
đến 6 lần.
Hiện nay (theo khảo sát năm 2018) tại tỉnh Bình Dương, một số mỏ chiều
sâu khai thác đang tiến gần đến độ sâu khai thác thiết kế (mỏ Thường Tân, công ty


2
TNHH Phan Thanh; mỏ Thường Tân 2), một số mỏ đá đã đạt mức thiết kế (mỏ

Thường Tân, công ty TNHH Hồng Đạt; mỏ Thường Tân, công ty TNHH Liên Hiệp;
mỏ Thường Tân 5), một số mỏ đã khai thác vượt độ sâu thiết kế (mỏ Tân Mỹ A, mỏ
Tân Mỹ B). Một số mỏ khác đã khai thác ở độ sâu vượt mức cho phép ban đầu và
đề nghị cấp phép khai thác ở độ sâu lớn hơn (mỏ Thường Tân 3, Thường Tân 4 và
mỏ đá Tân Đông Hiệp).
Việc cho phép tăng độ sâu khai thác theo từng đợt mà không chỉ ra độ sâu
khai thác cuối cùng là thiếu cơ sở khoa học, gây khó khăn cho công tác quy hoạch
phát triển ngành khai thác đá vật liệu xây dựng của vùng dẫn đến tình trạng khai
thác không mang lại hiệu quả kinh tế cao và không tận thu tối đa tài ngun
khống sản từ lịng đất. Đối với những mỏ hoặc cụm mỏ sắp cấp phép khai thác
mới cũng gặp vấn đề tương tự nếu không có những nghiên cứu cơ bản về chiều
sâu khai thác có hiệu quả cho các mỏ đá xây dựng của khu vực. Đề tài ''Nghiên
cứu xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng
nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ'' là vấn đề khoa học có tính
thời sự và cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định được chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây
dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ với ba trường hợp đặc biệt
sau đây:
- Mỏ đang khai thác với biên giới trên mặt đã được xác định.
- Mỏ chưa khai thác.
- Cụm mỏ nằm liền kề trong khu vực quy hoạch phát triển khai thác đá xây dựng.
3. Đối tượng nghiên cứu
Xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm
dưới mức thoát nước tự chảy.
4. Phạm vi nghiên cứu
Các mỏ đá xây dựng khu vực Nam Bộ, tập trung vào các mỏ có dạng quy
cách trên bình đồ (dạng hình chữ nhật và dạng gần tròn).

3
5. Nội dung nghiên cứu
- Phân tích và đánh giá các cơng trình nghiên cứu đã cơng bố liên quan đến
nội dung luận án.
- Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên, kỹ thuật, kinh tế kỹ thuật và kinh tế xã hội
ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng
nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ.
- Nghiên cứu trình tự phù hợp để khoanh định biên giới mỏ lộ thiên khai thác
đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ.
- Nghiên cứu xác định biên giới mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới
mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ cho 3 trường hợp:
+ Mỏ đang khai thác
+ Mỏ chưa khai thác (được xác định trong giai đoạn thiết kế mỏ)
+ Cụm mỏ trong khu vực quy hoạch khai thác của địa phương
- Vận dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ
Thường Tân III.
6. Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành các nội dung của luận án, các phương pháp nghiên cứu sau
đây được áp dụng:
- Phương pháp khảo sát, thu thập và phân tích số liệu.
- Phương pháp giải tích.
- Phương pháp phân tích hình học mỏ.
- Phương pháp phương án, so sánh.
- Phương pháp chuyên gia.
- Phương pháp sử dụng công nghệ thông tin.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
7.1. Ý nghĩa khoa học
Góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong công tác thiết kế biên giới mỏ lộ
thiên, đặc biệt đối với các khoáng sàng đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát
nước tự chảy.

4
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là tài liệu tham khảo bổ ích cho các cơ
quan tư vấn, thiết kế, quản lý trong việc lập quy hoạch phát triển vùng nguyên liệu đá
xây dựng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, tận dụng tốt tài nguyên từ lòng đất, đảm
bảo sự phát triển bền vững ngành khai thác đá vật liệu xây dựng khu vực Nam Bộ.
8. Các luận điểm bảo vệ
8.1. Luận điểm 1
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước
tự chảy đang khai thác phụ thuộc vào kích thước mặt mỏ (biên giới trên của mỏ)
được ghi trong giấy phép khai thác, chi phí để khai thác và chế biến đá, giá trị
của đá và được xác định trên cơ sở tổng lợi nhuận thu được là lớn nhất khi mỏ
đạt đến chiều sâu đó.
8.2. Luận điểm 2
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự
chảy chưa khai thác (xác định trong giai đoạn thiết kế mỏ) cần được gắn liền với
việc chọn diện tích mặt mỏ hợp lý và được xác định trên cơ sở lợi nhuận riêng tính
cho 1m2 diện tích mặt mỏ đạt được giá trị lớn nhất.
8.3. Luận điểm 3
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự
chảy trong cụm mỏ được quy hoạch để khai thác phụ thuộc vào số mỏ và kích thước
của từng mỏ, được xác định trên cơ sở hiệu quả khai thác của toàn cụm mỏ khi lợi
nhuận riêng tính cho 1m2 diện tích cụm mỏ đạt được trị số lớn nhất.
9. Những điểm mới của của đề tài luận án
- Đề xuất trình tự khoanh định biên giới mỏ phù hợp để xác định chiều sâu
khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực
Nam Bộ.
- Đề xuất sử dụng tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng mặt mỏ để xác định chu

vi mặt mỏ tối ưu với diện tích mặt mỏ cho trước nhằm xác định chiều sâu khai thác
hợp lý.


5
- Đề xuất sử dụng tiêu chí "Lợi nhuận riêng lớn nhất tính cho 1m2 diện
tích mặt mỏ hoặc diện tích cụm mỏ" để xác định diện tích mặt mỏ và chiều sâu
khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu
vực Nam Bộ.
10. Cấu trúc của luận án
Mở đầu
Chương 1. Phân tích, đánh giá tổng quan về các cơng trình nghiên cứu trong
và ngoài nước liên quan đến nội dung của đề tài luận án.
Chương 2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu
hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy.
Chương 3. Nghiên cứu xác định chiều sâu hợp lý cho các mỏ lộ thiên khai
thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam bộ.
Chương 4. Áp dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác hợp lý
cho mỏ đá Thường Tân III.
Kết luận và kiến nghị.
Danh mục các công trình đã cơng bố liên quan đến luận án của NCS.
Tài liệu tham khảo, Phụ lục.
11. Cơ sở tài liệu
Tài liệu sử dụng để hoàn thành luận án được lấy từ các nguồn:
- Chuyên ngành khai thác mỏ lộ thiên và các ngành liên quan, được thu thập
từ các nguồn: thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất, thư viện Quốc gia, Tổng cục
thống kê, Internet…
- Tài liệu địa chất, địa chất thủy văn và cơng trình lấy từ các báo cáo kết quả
thăm dò của các mỏ đá xây dựng thuộc khu vực Nam Bộ và các quy hoạch khai thác
mỏ các cụm mỏ trên địa bàn.

- Các số liệu về các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, hiện trạng khai thác thu thập
được từ các mỏ qua các đợt khảo sát thực tế.


6
12. Lời cảm ơn
Trong quá trình thực hiện đề tài " Nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác
lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng năm dưới mức thoát nước tự
chảy ở khu vực Nam Bộ", NCS đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện
của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật ngành khai thác mỏ; tập thể
Ban giám hiệu, Khoa Mỏ, phòng Đào tạo sau Đại học, phòng Đào tạo Đại học,
giảng viên, cán bộ các Phòng, Ban chức năng của Trường Đại học Mỏ - Địa chất.
NCS xin bầy tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Đặc biệt NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.NGND Trần Mạnh
Xuân, TS Lê Văn Quyển đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và sự giúp đỡ có hiệu quả
của GS.TS Bùi Xuân Nam, TS Nguyễn Anh Tuấn để NCS hoàn thành luận án này.
NCS xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên,
khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ NCS trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
luận án.


7
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI
NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN
Hầu hết các mỏ lộ thiên khai thác khoáng sản rắn nằm dưới mức thoát nước
tự chảy đều áp dụng cơng nghệ khai thác xuống sâu do đó phải tiến hành xác định
chiều sâu mỏ khai thác có hiệu quả (chiều sâu khai thác cuối cùng, chiều sâu khai
thác giới hạn hay chiều sâu khai thác hợp lý).
Sự khác nhau trong cách tiếp cận để xác định chiều sâu khai thác hiệu quả

phụ thuộc vào các yếu tố có tính đặc trưng về điều kiện tự nhiên của thân khoáng
sản như:
- Chiều dày lớp đất phủ nằm trên thân khống.
- Sự tồn tại các lớp đá bóc nằm ở vách và trụ của thân khoáng.
- Chiều dày, chiều dài và độ dốc của thân khoáng.
- Chất lượng khoáng sản và sự phân bố chất lượng khoáng sàn trong thân khoáng.
Sự khác nhau cơ bản về điều kiện tự nhiên của các mỏ đá xây dựng nằm dưới
mức thoát nước tự chảy, đặc biệt đối với các mỏ đá khu vực Nam Bộ so với các mỏ
than, quặng và phi quặng là:
- Chiều dày lớp đất phủ không lớn hoặc khơng có.
- Khơng có đá bóc hoặc có khơng đáng kể.
- Chiều dày ngang của các vỉa đá rất lớn.
- Giá trị khống sản khơng cao.
Về tiêu chí để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên cũng có
nhiều cách tiếp cận khác nhau nhưng đều dựa vào hiệu quả kinh tế ở mức độ khác
nhau và có thể chia thành các nhóm sau:
a) Chi phí để khai thác tồn bộ khống sàng (phần trên khai thác lộ thiên,
phần dưới khai thác hầm lò) là tối thiểu hoặc lợi nhuận thu được là tối đa.
b) Mức tiết kiệm khi khai thác lộ thiên so với hầm lò là tối đa.


8
c) Giá thành khai thác lộ thiên ở bất cứ giai đoạn khai thác nào cũng không
được vượt quá giá thành cho phép.
d) Lợi nhuận thu được từ khai thác lộ thiên lớn hơn hoặc bằng không.
e) Lợi nhuận thu được từ khai thác lộ thiên là tối đa.
Việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo các tiêu chí
trên đây có thể chia thành hai nhóm:
Nhóm truyền thống: Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên được xác
định trên cơ sở so sánh giữa hệ số bóc giới hạn (Kgh) với các hệ số bóc khác như hệ

số bóc biên giới (Kbg) với Kgh ≥ Kbg; hệ số bóc trung bình (Ktb) với Kgh ≥ Ktb; hệ số
bóc thời gian (KT) với Kgh ≥ KT; hệ số bóc sản xuất trung bình (K0 + Ksx) với Kgh ≥
K0 + Ksx.
Nhóm phi truyền thống: Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ được xác định
trên cơ sở so sánh lợi nhuận thu được đối với các phương án chiều sâu dự kiến khai
thác khác nhau có tính đến tác động của yếu tố thời gian hoặc khơng tính đến yếu tố
này (ΔL = max và ΔL ≥ 0, trong đó ΔL là tổng lợi nhuận thu được của từng phương
pháp đem so sánh).
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ có thể được xác định trên mặt cắt ngang
(áp dụng cho mỏ có điều kiện địa hình và thế nằm của thân khống đơn giản) và
trên bình đồ phân tầng (áp dụng cho mỏ có điều kiện phức tạp, chiều dài theo
phương hạn chế) và bằng phương pháp giải tích hoặc đồ thị - giải tích.
1.1. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức
truyền thống
1.1.1. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ Kbg [5], [32]
Trong những thập niên đầu thế kỷ XX khi công nghệ khai thác hầm lò được
áp dụng rộng rãi để khai thác các mỏ than trong khi công nghệ khai thác lộ thiên
chưa phát triển, nhiều nhà khoa học ngành mỏ cho rằng, để xác định biên giới cuối
cùng của mỏ lộ thiên cần dựa trên cơ sở so sánh giữa giá thành khai thác lộ thiên
với hầm lò. Mỏ lộ thiên chỉ khai thác đến độ sâu mà tại đó giá thành khai thác lộ


9
thiên bằng giá thành thành khai thác hầm lò. Để đơn giản trong tính tốn so sánh
người ta sử dụng phương pháp mặt cắt với mặt địa hình bằng phẳng và vỉa có các
thành phần thế nằm khơng thay đổi (Hình 1.1).

Hình 1.1: Sơ đồ xác định chiều sâu của mỏ lộ thiên
theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg [5], [32]

Gọi x là chiều sâu thân khoáng. Nếu trong phạm vi chiều sâu x được tiến
hành khai thác hầm lị thì tổng chi phí để khai thác là:
Cn = xMC, đồng

(1.1)

Nếu tiến hành khai thác lộ thiên trong phạm vi chiều sâu x, tổng chi phí để
khai thác là:
Chi phí khai thác khống sản (chưa kể chi phí bóc đá)
Ca = xMa, đồng

(1.2)

Cịn chi phí bóc đá
Cb = b[(M+h0ctgβ)h0+xh0(ctgγv+ctgγt)+

(ctg v  ctg  t ) 2
x ], đồng
2

(1.3)

Tính kinh tế của khai thác lộ thiên có thể biểu thị qua mức tiết kiệm của
chúng so với khai thác hầm lò:
S = Cn - (Ca + Cb), đồng

(1.4)

Hay
S = xM(c-a)-b[(M+h0ctgβ)h0+xh0(ctgγv+ctgγt)+

Trong đó:

(ctg v  ctg  t ) 2
x ], đồng
2

(1.5)


10
M - Chiều dày nằm ngang của vỉa, m;
C - Giá thành khai thác hầm lò, đ/m3;
a - Giá thành khai thác 1m3 khoáng sản bằng phương pháp lộ thiên (chưa kể
chi phí bóc đá), đ/m3;
b - Chi phí bóc 1m3 đất đá, đ/m3;
h0 - Chiều dày lớp đất phủ, m;
β - Góc nghiêng của bờ mỏ trong lớp đất phủ, độ;
γv,γt - Góc dốc kết thúc của bờ mỏ về phía vách và phía trụ, độ.
Mức tiết kiệm của khai thác lộ thiên đạt giá trị cực đại khi đạo hàm bậc nhất
của biểu thức (1.5) bằng không. Từ đó chiều sâu thân khống sản x khai thác có
hiệu quả là:
x=

M
ca
.
- h0, m
b (ctg v  ctg  t )

(1.6)

Từ đó chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên là:
Hk = x+h0 =
Trong đó

M .K gh
(ctg v  ctg  t )

,m

(1.7)

( x  h0 )(ctg v  ctg  t )
ca
gọi là hệ số bóc giới hạn (Kgh), cịn trị số
gọi
b
M

là hệ số bóc biên giới (Kbg)
Kgh =

ca
, m3/m3
b

(1.8)

Trường hợp phần trên của khoáng sàng khai thác bằng phương pháp lộ thiên,
phần dưới khai thác bằng phương pháp hầm lò, biên giới hợp lý của mỏ lộ thiên

được đánh giá bằng tổng chi phí để khai thác tồn bộ khống sàng là nhỏ nhất, biểu
thức (1.7) vẫn đúng.
Trong trường hợp địa hình và các thành phần thế nằm của vỉa phức tạp thì áp
dụng phương pháp đồ thị để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ.
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg có ưu
nhược điểm chủ yếu sau đây:


11
- Ưu điểm: Biểu thức tính tốn đơn giản, nhanh chóng tìm được chiều hợp lý
của mỏ, tiết kiệm thời gian trong tính tốn thiết kế mỏ.
- Nhược điểm: Khơng tính đến ảnh hưởng của khối lượng đất đá phủ trên đầu
vỉa khoáng sản, khi khối lượng này lớn sẽ tăng vốn xây dựng cơ bản, kéo dài thời
gian xây dựng mỏ dẫn đến giảm hiệu quả chung của khai thác lộ thiên.
1.1.2. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Ktb
Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥Ktb
khi tại chiều sâu đó tổng chi phí để khai thác khống sản bằng phương pháp lộ thiên
và hầm lò là như nhau, tức là khai thác lộ thiên không thu được mức tiết kiệm nào
so với khai thác hầm lò.
Mặc dầu khai thác lộ thiên không thu được lợi nhuận khi áp dụng nguyên tắc
Kgh ≥ Ktb nhưng nó vẫn được sử dụng để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ
trong trường hợp sau:
- Mỏ có trữ lượng khống sản nhỏ hoặc phần khống sản cịn lại khi khai
thác lộ thiên ở phần trên không đủ để xây dựng một mỏ hầm lị, với mục đích tận
dụng có hiệu quả tài nguyên từ lòng đất và tạo việc làm cho người lao động.
- Đối với những khoáng sàng lớn, quặng có giá trị cao, chiều sâu của mỏ xác
định theo nguyên tắc Kgh ≥ Ktb được coi là biên giới triển vọng. Trong biên giới này
không nên xây dựng các cơng trình vĩnh cửu khi tính đến sự mở rộng biên giới mỏ
lộ thiên trong tương lai.
1.1.3. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc

Kgh ≥ Kbg kết hợp với nguyên tắc Kgh ≥ Ktb
Để tránh tình trạng ảnh hưởng đến kết quả tính tốn chiều sâu khai thác hợp lý
của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg khi khối lượng trên đầu vỉa quá lớn
một số tác giả đề nghị sử dụng kết hợp giữa nguyên tắc Kgh ≥ Kbg và Kgh ≥ Ktb.
1.1.4. Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc
Kgh ≥ KT [29], [31], [48]
Viện sĩ V.V. Rjevxki [48] cho rằng, biên giới của mỏ lộ thiên ngoài
các yếu tố tự nhiên ra còn phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật như phương pháp mở


12
vỉa, hướng phát triển cơng trình mỏ, các thơng số hệ thống khai thác (HTKT), đồng
bộ thiết bị sử dụng, đặc biệt là giá thành khai thác thực tế. Vì vào những thập niên
giữa thế kỷ XX trên thế giới đã bắt đầu đưa những mỏ lộ thiên lớn và cực lớn vào
hoạt động với sản lượng khoáng sản hàng chục triệu tấn/năm và đá bóc đến trăm
triệu m3/năm. Trên các mỏ này được trang bị các thiết bị xúc bốc và vận tải cỡ lớn,
chiều cao tầng từ 15 ÷ 18m cịn chiều rộng mặt tầng cơng tác đạt 50 ÷ 60 m và hơn.
Điều đó dẫn tới góc dốc của bờ cơng tác nhỏ  = 11o ÷ 15o, khác xa với góc kết
thúc của bờ mỏ. Góc  nhỏ dẫn đến hệ số bóc thời gian lớn làm tăng giá thành khai
thác thực tế của một đơn vị sản phẩm khai thác. Theo quan điểm này biên giới mỏ
lộ thiên được quy định trên cơ sở là giá thành thực tế của một đơn vị sản phẩm khai
thác bằng phương pháp lộ thiên phải luôn luôn nhỏ hơn giá thành cho phép trong
bất cứ giai đoạn phát triển nào của mỏ, tức là chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ
được xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ KT (KT - hệ số bóc thời gian hay hệ số sản xuất
thực tế). Lập luận của Viện sĩ V.V. Rjevxki để xây dựng nguyên tắc xác định chiều
sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ KT tóm tắt như sau:

4

1

Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên
theo nguyên tắc Kgh  Kbg và Kgh  KT [48]
Trong phạm vi chiều sâu HK (xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg) hệ số bóc
thời gian KT được đặc trưng bằng đường cong 4-5-6-2-7, tại (điểm 5) hệ số bóc KT
đạt được trị số lớn nhất và duy trì đến (điểm 6) sau đó giảm dần đến lúc kết thúc mỏ


13
(Hình 1.2). Có thể tăng chiều sâu thời gian để hệ số bóc thời gian KT bằng hệ số bóc
giới hạn Kgh (điểm 8) và duy trì KT = Kgh ở một vài tầng khi biên giới mỏ đạt vị trí
cuối cùng trên mặt đất (điểm 8-9) sau đó trị số KT giảm dần đến chiều sâu khai thác
cuối cùng HKT. Theo Viện sĩ V.V. Rjevxki, khi tăng chiều sâu mỏ (xác định theo
nguyên tắc Kgh ≥ Kbg) HK đến chiều sâu HKT (xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ KT)
bằng phương pháp lộ thiên trữ lượng khoáng sản tăng thêm có thể đạt 25 ÷ 35%.
Phát triển ý tưởng của Viện sĩ V.V. Rjevxki, tác giả Trần Mạnh Xuân [29]
cho rằng đối với các mỏ có khối lượng đất phủ lớn nằm trên vỉa khống sản cần tính
đến ảnh hưởng của các yếu tố này thông qua hệ số bóc ban đầu K0. Lúc này nguyên
tắc Kgh ≥ KT trở thành nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT. Việc xác định chiều sâu khai thác
hợp lý của mỏ lộ thiên được tiến hành theo hai bước:
- Bước thứ nhất, xác định chiều sâu thời gian HT (tại chiều sâu này hệ số bóc
thời gian KT đạt được trị số hệ số bóc giới hạn.



Hình 1.3: Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian HT và chiều sâu H1, H2 [29]
- Bước thứ hai, xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ. Tại chiều sâu
thời gian HT, biên giới trên mặt đất được đánh dấu bằng hai điểm A và B (Hình
1.3). Từ A và B vẽ các bờ dốc kết thúc của mỏ về phía vách và trụ vỉa, hình thành
hai chiều sâu kết thúc H1 và H2. Tiến hành xác định hệ số bóc thời gian lớn nhất

KTmax1 và KTmax2 tương ứng với chiều sâu H1 và H2, đồng thời xác định hệ số bóc
ban đầu K01 và K02 theo biểu thức:


14

K01 =

V0
Vq1

và K02 =

V0
, m3/m3
Vq 2

(1.9)

Để tìm chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ dựa trên nguyên tắc Kgh ≥KT có
tính đến ảnh hưởng của khối lượng đất bóc trên đầu bờ mỏ tác giả dùng phương
pháp đồ thị. Tại chiều sâu H1 xác định trị số K01+KTmax1, còn tại chiều sâu H2 xác
định trị số K02+KTmax2. Đường biểu diễn KTmax+K0 = f(H) gặp đường Kgh tại điểm I,
hoành độ điểm I là chiều sâu cần tìm của mỏ HKT xác định theo nguyên tắc Kgh ≥
K0+KT (Hình 1.4).

Hình 1.4: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ
theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT [29]
Để phân tích sự khác nhau và điều kiện áp dụng của hai nguyên tắc xác định
biên giới mỏ Kgh  Kbg và Kgh  KT, gần đây GS.TS Trần Mạnh Xuân [31] đã đưa ra

cơng thức tính chiều sâu cuối cùng của mỏ lộ thiên trên cơ sở nguyên tắc Kgh  KT
(khi điều kiện địa hình và vỉa quặng đơn giản):
H KT 

M (1  K gh )
ctg v  ctg t

,m

(1.10)

Và làm phép so sánh với công thức xác định chiều sâu cuối cùng của mỏ
theo nguyên tắc Kgh  Kbg.


15
H KT 

M .K gh
ctg v  ctg t

,m

(1.11)

So (1.10) với (1.11) chiều sâu mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh  KT
lớn hơn chiều sâu mỏ xác định theo nguyên tắc Kgh  Kbg một giá trị nào đó tùy
thuộc vào chiều dày nằm ngang của vỉa M và điều kiện khai thác thơng qua hệ số
bóc giới hạn Kgh.
H KT  H K 

M
,m
ctg v  ctg t

(1.12)

Hoặc
H KT  H K (1 

1
), m
K gh

(1.13)

Khi khai thác khống sàng có chiều dày vỉa lớn và rất lớn hoặc có điều kiện
khai thác khó khăn (chất lượng khống sản thấp, chi phí khai thác cao, thể hiện ở
HSB giới hạn nhỏ) thì sử dụng nguyên tắc Kgh  KT có lợi hơn. Trong những trường
hợp khác (M nhỏ, Kgh lớn) chiều sâu cuối cùng của mỏ xác định theo hai nguyên tắc
Kgh  Kbg hoặc Kgh  KT không khác nhau mấy nên dùng nguyên tắc nào cũng được,
tuy nhiên cần lưu ý đến ảnh hưởng của chiều dày lớp đất phủ h0.
1.1.5. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥
K0+KSx [52]
Trên cơ sở phân tích những ưu điểm và lợi thế của khai thác lộ thiên so với
hầm lò, GS Arxenchep A.I. [52] đề nghị sử dụng hệ số bóc sản xuất trung bình Ksx
có tính đến ảnh hưởng của khối lượng xây dựng cơ bản thơng qua hệ số bóc ban đầu
K0 để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ, tức là sử dụng nguyên tắc Kgh ≥
K0+Ksx. Sự khác biệt giữa nguyên tắc xác định biên giới mỏ này với nguyên tắc Kgh
≥ KT là trong suốt giai đoạn tồn tại chính của mỏ giá thành khai thác lộ thiên bằng

giá thành khai thác hầm lị hoặc giá thành cho phép.
Trình tự tiến hành xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ như sau: Chọn
một số chiều sâu mỏ dự kiến, đối với mỗi phương án chiều sâu trên cơ sở sơ đồ mở
vỉa và hướng phát triển công trình mỏ đã chọn cũng như các thơng số HTKT đã tính