Tại cẩm phả các bãi thải chính như Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Nam Khe Tam có các thông số hình học, đất đá đổ thải, nền bãi thải đã trình bày ở chương 1 được phân loại và đánh giá thể hiện trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Phân loại các bãi thải lớn tại vùng Cẩm Phả theo nguy cơ mất ổn định
Tên Bãi thải | Tổng điểm đánh giá | Phân loại theo nguy cơ mất ổn định | |
1 | Đông Cao Sơn | 650 | Trung bình |
2 | Bàng Nâu | 750 | Trung bình |
3 | Nam Khe Tam | 550 | Thấp |
Có thể bạn quan tâm!
-
Sự Thay Đổi Hệ Số Ổn Định Bãi Thải Với Lượng Mưa 37 Cm/ngày -
Mối Quan Hệ Giữa Hệ Số An Toàn Fs Và Tỷ Lệ Không Thứ Nguyên C/γht, Cho Đống Đá Thải Có = 30°, 37° Và 45 ° Và C = 1, 5, 10 Và 25 Kpa; A) Trường -
Vị Trí Lấy Mẫu Đất Đá Thải Tại Các Bãi Thải Vùng Cẩm Phả Năm 2015 -
Kết Quả Tính Diện Tích Chiếm Dụng Đất Bãi Thải 1 Tầng Có Đáy Hình Vuông, Tròn, Chữ Nhật Và Elip Với Chiều Cao Tầng Thải Và Dung Tích Chất Thải -
Nghiên Cứu Lựa Chọn Các Thông Số Bãi Thải Cho Các Mỏ Than Lộ Thiên Vùng Cẩm Phả -
Cung Độ Vận Tải Theo Thiết Bị Vận Tải Và Chiều Cao Nâng Tải
Xem toàn bộ 222 trang tài liệu này.
3.2. XÂY DỰNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH BÃI THẢI
3.2.1. Lịch sử phát triển của các tiêu chí chấp nhận độ ổn định
Trong số các tổ chức đầu tiên đề xuất các tiêu chí chấp nhận độ ổn định tối thiểu cho các bãi thải đá là Cơ quan Thực thi và An toàn Bom mìn Hoa Kỳ (MESA) [54]. Trong hướng dẫn năm 1975 về thiết kế bãi thải than, MESA đã đề xuất một loạt các giá trị hệ số an toàn (FoS) tối thiểu tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm được nhận thức và một số giả định cơ bản chính của phân tích độ ổn định được thể hiện ở Bảng 3.4.
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 [54]
Giả định | FoS chấp thuận ổn định tối thiểu cho các bãi thải | |||
Nguy cơ cao | Nguy cơ trung bình | Nguy cơ thấp | ||
1 | Thiết kế dựa trên các thông số độ bền cắt được đo trong phòng thí nghiệm | 1,5 | 1,4 | 1,3 |
2 | Thiết kế bãi thải xem xét gia tốc địa chấn tối đa tại vị trí đặt bãi thải | 1,2 | 1,1 | 1,0 |
Trong Sổ tay hướng dẫn về độ dốc mỏ lộ thiên năm 1977, Trung tâm Khai thác và Luyện kim Canada (CANMET) đã đề xuất các hướng dẫn FoS tối thiểu cho các
công trình kè thải (bao gồm các bãi chứa đá thải) dựa trên các thông số sức chống cắt giả định và các dạng mất ổn định [24]. Năm 1982, Cục Mỏ Hoa Kỳ (USBM) đã sửa đổi hướng dẫn ban đầu của MESA, vốn dành cho các bãi thải than, mở rộng ứng dụng của chúng với quặng đuôi và bãi thải đất đá được thể hiện ở trong Bảng 3.5.
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 [74]
Giả định | FoS chấp thuận ổn định tối thiểu cho các bãi thải | |||
Nguy cơ cao | Nguy cơ trung bình | Nguy cơ thấp | ||
1 | Các thông số độ bền cắt từ thử nghiệm đại diện | 1,5 | 1,4 | 1,3 |
2 | Dựa trên gia tốc địa chấn dự kiến tối đa | 1,3 | 1,2 | 1,1 |
Các tiêu chí chấp nhận độ ổn định cho các bãi thải đá được Ủy ban Nghiên cứu bãi thải đá (BCMWRPRC) công bố vào năm 1991 trong Sổ tay Điều tra và Thiết kế - Hướng dẫn Tạm thời [17]. Các tiêu chí FoS tối thiểu được thể hiện trong Bảng 3.6 và bao gồm việc xem xét quy mô bất ổn (trượt lở cục bộ, trượt toàn bộ, trượt sâu), cơ sở thiết kế ([xây dựng / vận hành] ngắn hạn so với [đóng cửa] dài hạn), độ tin cậy (trong các tham số đầu vào và phương pháp phân tích) và hậu quả của sự bất ổn.
Bảng 3.6. Tiêu chí chấp nhận độ ổn định năm 1991 [17]
Giá trị hệ số an toàn thiết kế tối thiểu | ||
Trường hợp A | Trường hợp B | |
Ổn định bề mặt bãi thải - Trong thời gian xây dựng - Trong thời kỳ hoàn thiện | 1,0 1,2 | 1,0 1,1 |
Ổn định toàn bãi thải - Trong thời gian xây dựng - Trong thời kỳ hoàn thiện - Xét ảnh hưởng do động đất | 1,3÷1,5 1,5 1,1÷1,3 | 1,1÷1,3 1,3 1,0 |
Giá trị hệ số an toàn thiết kế tối thiểu | ||
Trường hợp A | Trường hợp B | |
Trường hợp A: - Mức độ tin cậy các thông số phân tích an toàn thấp; - Trượt lở gây hậu quả lớn; - Các phương pháp phân tích mô phỏng các điều kiện vật lý bãi thải kém; - Đánh giá cơ học các trượt lở có độ tin cậy nhỏ. | ||
Trường hợp B: - Mức độ tin cậy các thông số phân tích an toàn cao; - Trượt lở gây hậu quả lớn; - Các phương pháp phân tích mô phỏng các điều kiện vật lý bãi thải tốt; - Đánh giá cơ học trượt lở có độ tin cậy cao. | ||
3.2.2. Đề xuất các tiêu chí chấp nhận độ ổn định
Công trình [65] đã xây dựng ma trận tiêu chí ổn định chấp nhận bằng cách sử dụng cách tiếp cận ma trận có các thuộc tính tương tự như đánh giá rủi ro định tính. Từ đó, các giá trị ổn định (FoS) có thể chấp nhận được, các tiêu chí xác suất bổ sung ở dạng xác suất xảy ra trượt lở tối đa cho phép đã được đưa ra cho các phân tích tĩnh (Hình 3.1).
Hình 3.1. Hệ số an toàn so với xác suất trượt lở tối đa [65]
Khi sử dụng phương pháp mô hình số để phân tích dự báo ổn định bãi thải, kết quả chuẩn xác hơn phương pháp truyền thống nên các tiêu chí tạm thời mới đề xuất giới hạn ở mức tối đa cho phép biến dạng của bãi thải. Theo mục đích của các tiêu chí này, lượng biến dạng cho phép được biểu thị bằng 'biến dạng', được xem xét ở đây là chuyển vị cắt tích lũy dọc theo một đường trượt lở do điều kiện địa chấn, chia cho chiều dài của nó được biểu thị bằng phần trăm.
Cùng với các tiêu chí đã được đưa ra các năm 1975, 1982, 1991, phù hợp với Hướng dẫn thiết kế góc dốc mỏ lộ thiên [65], Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về an toàn trong khai thác mỏ lộ thiên, NCS đề xuất các tiêu chí chấp nhận độ ổn định với các nguy cơ và độ tin cậy như sau:
a. Chỉ số độ tin cậy (RI):
Đánh giá độ ổn định của bãi thải theo chỉ số độ tin cậy (RI) liên quan đến xác suất có thể xảy ra trượt lở. Các giá trị của RI dựa trên biên độ an toàn MS = Lực giữ
- Lực trượt. RI liên quan đến giá trị trung bình (μ) và độ lệch chuẩn (σ) của MS và xác định theo công thức:
𝑅𝐼 = 𝜇𝐹𝑜𝑆−1
𝜎𝐹𝑜𝑆
(3.1)
Trong đó: RI - chỉ số độ tin cậy; µ - giá trị trung bình của FoS; FoS - hệ số an toàn; ϭ - độ lệch chuẩn của biên độ an toàn.
Chỉ số độ tin cậy phản ánh cả cơ chế của vấn đề và sự không chắc chắn của thông số đầu vào. Sự kết hợp của hệ số ổn định và chỉ số độ tin cậy giúp xác định trượt lở chính xác hơn khi thông số đầu vào thấp hơn. RI xác định theo Bảng 3.7.
Bảng 3.7. Các mức độ tin cậy liên quan đến xác suất trượt lở [52]
Mức độ tin cậy | Chỉ số RI | Xác xuất trượt lở PoF | |
1 | Cao | 5 | 0,0000003 |
2 | Tương đối cao | 4 | 0,00003 |
3 | Trên mức trung bình | 3 | 0,001 |
4 | Dưới mức trung bình | 2,5 | 0,006 |
5 | Thấp | 2 | 0,023 |
6 | Không đạt yêu cầu | 1,5 | 0,07 |
7 | Nguy hiểm | 1 | 0,16 |
b. Xác xuất trượt lở (PoF):
Xác suất (khả năng xảy ra - PoF) trượt lở có hệ số an toàn nhỏ hơn 1 hoặc tỷ lệ giữa số phép tính có hệ số an toàn < 1 trên tổng số số lần lặp trong các phép tính. PoF xác định như sau: PoF = 1 - ψ (RI).
3.2.2.1. Nguy cơ có thể xảy ra
a) Thấp:
Là các bãi thải có góc dốc kết thúc bãi thải < 25° và tổng chiều cao H<150 m. Không có cơ sở hạ tầng quan trọng dưới chân bãi thải. Khả năng tác động môi trường hạn chế. Thời gian tồn tại lâu dài (hơn 5 năm) đối với các địa điểm có lượng mưa trung bình hàng năm dưới 350 mm. Thời gian tồn tại trung hạn (1÷5 năm) đối với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm Qmưa = 350÷1000 mm; ngắn hạn (dưới 1 năm) với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm Qmưa = 1000÷2000 mm. Chỉ xây dựng, vận hành vào mùa khô đối với các khu vực có lượng mưa hàng năm Qmưa > 2000 mm.
a) Trung bình
Là các bãi thải có góc dốc kết thúc bãi thải < 30° và tổng chiều cao H< 300 m hoặc bố trí tại các dốc nghiêng cao dưới 100 m. Thời gian tồn tại (hơn 5 năm) đối với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm Qmưa = 350÷1000 mm; trung hạn (1÷5 năm) với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm cao Qmưa = 1000÷2000 mm; ngắn hạn (dưới 1 năm) đối với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm rất cao Qmưa > 2000 mm) hoặc mùa mưa lớn.
b) Cao
Là các bãi thải có góc dốc kết thúc bãi thải > 30° và tổng chiều cao H> 300 m. Thời gian tồn tại (> 5 năm) đối với các các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm cao Qmưa =1000÷2000 mm; trung hạn (1÷5 năm) đối với các khu vực có lượng mưa trung bình hàng năm rất cao Qmưa > 2000 m hoặc mùa mưa lớn.
3.2.2.2. Độ tin cậy
a) Độ tin cậy thấp
Các tham số đầu vào xác định chưa nhiều, độ biến đổi dữ liệu cao. Đối với các bãi thải đề xuất, khảo sát ở cấp độ khái niệm với dữ liệu hạn chế. Đối với các bãi thải hiện có, lịch sử hoạt động và xây dựng ghi chép không rõ, thiếu hồ sơ giám sát.
b) Độ tin cậy trung bình
Các thông số đầu vào được xác định đầy đủ; sự thay đổi dữ liệu vừa phải. Đối với các bãi thải đề xuất, điều tra ở cấp độ nghiên cứu tiền khả thi với đầy đủ dữ liệu hỗ trợ. Đối với các bãi thải hiện có, có hồ sơ hoàn thành xây dựng, hồ sơ giám sát.
c) Độ tin cậy cao
Các tham số đầu vào được xác định rõ ràng, thận trọng; độ biến thiên dữ liệu thấp. Đối với các bãi thải đề xuất, các cuộc khảo sát ở cấp độ nghiên cứu khả thi với dữ liệu hỗ trợ toàn diện. Đối với các bãi thải hiện có, hồ sơ xây dựng và giám sát được ghi chép đầy đủ. Các tiêu chí đề xuất được thể hiện trong Bảng 3.8.
Khi kết hợp FoS với xác xuất trượt lở trong một phạm vi giá trị xác định, giá trị FoS cao hơn trong phạm vi phải được liên kết với xác xuất thấp hơn trong phạm vi đó. Ví dụ, trong trường hợp phân tích tĩnh với độ tin cậy vừa phải, tiêu chí chấp nhận FoS tối thiểu được đề xuất sẽ nằm trong khoảng 1,3÷1,4 và xác xuất xảy ra trượt lở nằm trong khoảng 5÷10%. Trong trường hợp này, nếu FoS tối thiểu chấp nhận được của thiết kế là 1,3 được chọn, thì xác xuất xảy ra trượt lở tối đa là 10%, và nếu một thiết kế FoS tối thiểu chấp nhận được là 1,4 đã được chọn xác xuất xảy ra trượt lở tối đa có thể chấp nhận được áp dụng sẽ là 5%.
Bảng 3.8. Các tiêu chí đề xuất ổn định bãi thải
Độ tin cậy | Hệ số an toàn (n) tối thiểu | Xác xuất xảy ra trượt lở tối đa | |
Thấp | Thấp | 1,3÷1,4 | 10÷15% |
Trung bình | 1,2÷1,3 | 15÷25% | |
Cao | 1,1÷1,2 | 25÷40% | |
Trung bình | Thấp | 1,4÷1,5 | 2,5÷5% |
Trung bình | 1,3÷1,4 | 5÷10% | |
Cao | 1,2÷1,3 | 10÷15% | |
Cao | Thấp | ≥1,5 | 1% |
Trung bình | 1,4÷1,5 | 1÷2,5% | |
Cao | 1,3÷1,4 | 2,5÷5% |
3.3. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ BÃI THẢI PHÙ HỢP CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG CẨM PHẢ QUẢNG NINH
3.3.1. Lựa chọn hình dạng bãi thải ngoài chiếm dụng đất tối thiểu
Các thông số của bãi thải phải đảm bảo chứa hết khối lượng đất đá mỏ theo yêu cầu và chiếm diện tích tối thiểu. Do đó, việc lựa chọn hình dạng bãi thải hay diện tích chiếm đất nhỏ nhất là vấn đề cần được quan tâm.
Tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả, các bãi thải ngoài chủ yếu đổ từ sườn núi. Tuy nhiên, các tầng thải khi kết thúc cần có hình dạng phù hợp để nâng cao ổn định và chiếm ít diện tích đất bề mặt. Kinh nghiệm từ mùa mưa 2015 [5] cho thấy: các khu vực bãi thải có dạng lồi sẽ có ứng suất phân bố đều, không tập trung dòng tụ thủy nên không sạt lở. Theo kinh nghiệm hình dạng của các bãi thải có thể qui về dạng hình cơ bản: hình tròn, elip, hình vuông và hình chữ nhật.
Giả sử dung tích đất đá thải yêu cầu là V, chiều cao mỗi tầng thải là h, bề rộng mặt tầng thải là B, góc dốc sườn tầng thải là β. NCS tính toán các bãi thải có dạng hình vuông, chữ nhật, tròn, elip với số tầng thải là 1, 2 và 3 tầng thải để lựa chọn hình dạng bãi thải có diện tích chiếm đất nhỏ nhất.
3.3.1.1. Bãi chứa một tầng thải
Hãy xem xét bãi thải một tầng với các thông số trên hình (Hình 3.2).
Hình 3.2. Sơ đồ mặt cắt bãi thải một tầng
Rõ ràng dung tích V yêu cầu của bãi thải hình hình vuông và hình chữ nhật được xác định bằng công thức:
V = hSm+Cm1
2
h2𝑐𝑡𝑔𝛽 +
𝜋 ℎ3 3
𝑐𝑡𝑔2
𝛽, m3 (3.2)
Đối với bãi thải hình tròn và elip:
V = hSm + C
1 h2𝑐𝑡𝑔𝛽, m3 (3.3)
m
2
Trong đó: Sm, Cm - diện tích (m2) và chu vi (m) mặt tầng thải trên cùng.
- Đối với bãi thải có dạng hình vuông và hình chữ nhật, Sm và Cm xác định
theo các công thức 3.4 và 3.5:
Sm = kL2, m2 (3.4)
Cm = 2L(1+k), m (3.5)
- Đối với bãi thải có dạng hình tròn và hình elip, Sm và Cm xác định theo các công thức 3.6 và 3.7 :
Sm = πkR2, m2 (3.6)
m
C = 2π√R12+R22
2
= 2πR√1+k2, m (3.7)
2
Trong đó: L - chiều rộng mặt tầng thải, m; R - bán kính mặt tầng thải hình tròn, m; R1 và R2 - bán trục nhỏ và lớn của elip, m; k - tỷ lệ giữa các cạnh của hình chữ nhật hoặc các bán trục của elip, k=1 khi bãi thải là hình vuông hoặc tròn.
Từ đó công thức (3.2) của bãi thải hình vuông, chữ nhật viết như sau:
V = hkL2 + (1+k) (h2𝑐𝑡𝑔𝛽)L + 𝜋 ℎ3𝑐𝑡𝑔2𝛽, m3 (3.8)
3
Hay hkL2 + (1+k) (h2𝑐𝑡𝑔𝛽)L + 𝜋 ℎ3𝑐𝑡𝑔2𝛽 – V = 0 (3.9)
3
- Đối với bãi thải có dạng hình tròn và elip:
V = πkhR2 + πR√1+k2 h2𝑐𝑡𝑔𝛽 (3.10)
2
Hay πkhR2 + πR√1+k2 h2𝑐𝑡𝑔𝛽 - V = 0 (3.11)
2
Giải các phương trình bậc hai (3.9 và 3.11) với ẩn số là L, R ta có: Đối với bãi thải hình vuông, chữ nhật:
𝜋
(−(1+𝑘)h2𝑐𝑡𝑔𝛽 +√((1+k) h2𝑐𝑡𝑔𝛽)2−4𝑘ℎ( ℎ3𝑐𝑡𝑔2𝛽−𝑉) )
3
Lc =
2ℎ𝑘
, m (3.12)
Đối với bãi thải có dạng hình tròn, elip
2
(−(πh2𝑐𝑡𝑔𝛽 )√0,5(1+k2)+√(πh2𝑐𝑡𝑔𝛽 ) 0,5(1+k2)+4πkℎ𝑉 )
Re =
, m (3.13)
2πkℎ
Từ đó, với bãi thải hình tròn, elip bán kính (bán trục) tính theo công thức:
2
(−(πh2𝑐𝑡𝑔𝛽 )√0,5(1+k2)+√(πh2𝑐𝑡𝑔𝛽 ) 0,5(1+k2)+4πkℎ𝑉 )
Rde =
+ hctgβ, m (3.14)
2πkℎ
Diện tích chiếm đất của bãi thải hình vuông và chữ nhật tính theo công thức :
Sdc= kLc2+2hLc(1+k)ctgβ+𝜋(ℎ𝑐𝑡𝑔𝛽)2 , m2 (3.15)