Nghiên cứu kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lý nhằm đảm bảo độ ổn định bãi thải trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Kích thước một số mỏ lộ thiên sâu trên thế giới 6

Bảng 1.2. Đặc điểm các bãi thải tại khu vực KMA 11

Bảng 1.3. Tổng hợp kết quả khảo sát các thông số tầng thải và cỡ hạt đất đá thải tại các mỏ lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh 14

Bảng 1.4. Tỷ lệ cỡ hạt theo nhóm tại mỏ than Cao Sơn 15

Bảng 1.5. Thông số cơ bản của tầng thải theo thiết kế đã phê duyệt 16

Bảng 1.6. Phương trình cân bằng tĩnh học trong phương pháp phân mảnh 24

Bảng 1.7. Các chỉ tiêu cơ lý đất đá theo chiều sâu tại bãi thải Chính Bắc 27

Bảng 1.8. Tổng hợp tính chất cơ lý phục vụ tính toán ổn định các bãi thải 27

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 222 trang tài liệu này.

Bảng 1.9. Kết quả xác định khối lượng thể tích, góc nội ma sát, lực dính kết 28

Bảng 2.1. Giá trị của K1, K2 khi đất đá khác nhau 54

Bảng 2.2. Hệ số nở rời tại các cao độ khác nhau của tầng thải tại bãi thải của Công ty АО

«ССГПО» - Liên Bang Nga 55

Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu đất đá thải tại các bãi thải vùng Cẩm Phả năm 2015 58

Bảng 2.4. Vị trí mẫu thí nghiệm đất đá thải tại bãi thải mỏ Núi Béo năm 2020 58

Bảng 2.5. Tổng hợp tính chất cơ lý đất đá trên bề mặt các bãi thải vùng Cẩm Phả 59

Bảng 2.6. Giá trị c,  tại bãi thải Bàng Nâu theo phương pháp tính ngược 61

Bảng 3.1. Phân loại và đánh giá các thông số kỹ thuật bãi thải 62

Bảng 3.2. Phân loại bãi thải theo điều kiện ổn định 65

Bảng 3.3. Phân loại các bãi thải lớn tại vùng Cẩm Phả theo nguy cơ mất ổn định 66

Bảng 3.4. Tiêu chí (FoS) tối thiểu tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm theo mức độ tin cậy các thông số thiết kế năm 1975 66

Bảng 3.5. Tiêu chí (FoS) tối thiểu tùy thuộc vào mức độ nguy hiểm theo mức độ tin cậy các thông số thiết kế năm 1982 67

Bảng 3.6. Tiêu chí chấp nhận độ ổn định năm 1991 67

Bảng 3.7. Các mức độ tin cậy liên quan đến xác suất trượt lở 69

Bảng 3.8. Các tiêu chí đề xuất ổn định bãi thải 71

Bảng 3.9. 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 yêu cầu V 74

Bảng 3.10. Kết quả tính toán diện tích chiếm dụng đất của bãi thải hai tầng Sd có đáy hình vuông, tròn, chữ nhật và elip với các chiều cao tầng thải khác nhau theo dung tích chất thải yêu cầu V 77

Bảng 3.11. Kết quả tính toán diện tích chiếm dụng đất của bãi thải ba tầng có đáy hình vuông, tròn, chữ nhật và elip với khối lượng đổ thải V 80

Bảng 3.12. Các thông số đất đá thải tại các bãi thải lộ thiên vùng Cẩm Phả 82

Bảng 3.13. Hệ số ổn định tính toán theo chiều cao tầng 83

Bảng 3.14. Các thông số độ bền đất đá thải tính toán hệ số ổn định 86

Bảng 3.15. Cung độ vận tải theo thiết bị vận tải và chiều cao nâng tải 90

Bảng 3.16. Khối lượng san gạt đất đá thải theo chiều cao tầng 91

Bảng 3.17. Chi phí san gạt theo chiều cao tầng khi H = 200 m 92

Bảng 3.18. Tổng chi phí vận tải và gạt theo chiều cao tầng khi lên dốc 92

Bảng 3.19. Mối quan hệ giữa hệ số ổn định đất đá với với góc dốc sườn tầng thải của đất đá tự nhiên và bão hòa 94

Bảng 3.20. Bề rộng mặt tầng thải nhỏ nhất tại khu vực Cẩm Phả 96

Bảng 3.21. Các tính chất đất đá nền bãi thải tại vùng Cẩm Phả 97

Bảng 3.22. Hệ số ổn định bãi thải theo các thông số C,  khác nhau 98

Bảng 3.23. Tổng hợp kết quả tính toán ổn định bãi thải theo góc dốc 100

Bảng 3.24. Thông số tích độ nhạy khi thành phần trọng lực và độ bền của đất đá thay đổi đối với đất đá ở trạng thái tự nhiên 102

Bảng 4.1. Tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đá mỏ than Cao Sơn 117

Bảng 4.2. Các thông số của HTKT hiện đang áp dụng tại mỏ than Cao Sơn 118

Bảng 4.3. Khối lượng đất đá mỏ than Cao Sơn ra các bãi thải tính từ 01/01/2019 119

Bảng 4.4. Các thông số tính chất đất đá tại bãi thải Bàng Nâu 121

Bảng 4.5. Tổng hợp kết quả đánh giá ổn định bãi thải theo trạng thái bãi thải 131

Bảng 4.6. Các thông số của bãi thải Bàng Nâu khi kết thúc 138

Bảng PL. 2.1. Các dạng mất ổn định bãi thải liên quan tới tính chất nền thải 15

Bảng PL.2.2: Các dạng mất ổn định bãi thải do quá trình đổ thải 17

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Các dạng cơ bản địa hình nền bãi thải 8

Hình 1.2. Sơ đồ sử dụng bãi thải tạm 9

Hình 1.3. Vận chuyển đất đá bằng tàu điện tại mỏ lộ thiên Haizhou 12

Hình 1.4. Bãi thải hình nón điển hình tại khu vực khai thác Yanzhou, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc 12

Hình 1.5. Sơ đồ ranh giới bãi thải Đông Cao Sơn 16

Hình 1.6. Xói lở các tầng thải từ mức +200÷+60 m gây bồi lấp mặt bằng +58 18

Hình 1.7. Sơ đồ ranh giới bãi thải Bàng Nâu 18

Hình 1.8. Bãi thải Bàng Nâu khu vực mỏ Cao Sơn đổ thải 19

Hình 1.9. Sơ đồ ranh giới bãi thải Đông Khe Sim - Nam Khe Tam 20

Hình 1.10. Hiện trạng bãi thải Mông Giăng 20

Hình 1.11. Hiện trạng bãi thải trong moong Lộ trí Đèo Nai 21

Hình 1.12. Bãi thải trong moong Tả Ngạn, mỏ Cọc Sáu 21

Hình 1.13. Công nghệ đổ thải bãi thải cao, kết hợp giữa ô tô - máy ủi 22

Hình 1.14. Sơ đồ công nghệ đổ thải bằng băng tải 22

Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện lượng mưa theo tháng trong các năm 2011÷2018 tại các bãi thải khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh 30

Hình 2.2. Lượng nước chảy vào các bãi thải ngoài theo số liệu mưa lớn nhất hàng năm từ 2011-2018 31

Hình 2.3. Mô hình quá trình thẩm thấu nước mưa vào bãi thải 32

Hình 2.4. Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới không bão hòa 33

Hình 2.5. Mô hình tính toán ảnh hưởng của nước mưa tới các loại bãi thải 40

Hình 2.6. Tổng ứng suất dọc σ các đường bao (kPa) khi tính toán với SIGMA / W tại bãi thải 41

Hình 2.7: Đánh giá áp lực nước lỗ rỗng (kPa) tại bãi thải S21 với lượng mưa 3,16.10-9 ×

m/s a) trước lượng mưa; b) sau 90 ngày; c) sau 180 ngày; d) sau 270 ngày; e) sau 365 ngày

...................................................................................................................................41

Hình 2.8. Sự thay đổi hệ số ổn định bãi thải với lượng mưa 37 cm/ngày 42

Hình 2.9. Sự thay đổi hệ số ổn định bãi thải với lượng mưa thay đổi 42

Hình 2.10. Phân bố ứng suất khi chịu tác động chấn động 43

Hình 2.11. Tốc độ sóng chấn động theo phương X tại mép và chân bờ 44

Hình 2.12. Tốc độ sóng chấn động theo phương Y tại mép và chân bờ 44

Hình 2.13. Dịch động theo phương Y tại mép và chân bờ 44

Hình 2.14. Hệ số ổn định bãi thải khi chịu tác động nước mưa và chấn động nổ mìn 45

Hình 2.15. Biểu đồ đường cong nén lún (S~p) của nền khi chịu tác động của tải trọng bãi thải 46

Hình 2.16. Sự thay đổi lực phân bố P và hệ số an toàn khi tăng độ bền của nền bãi thải hoặc giảm góc của lớp đất nền 47

Hình 2.17. Mối quan hệ giữa hệ số an toàn FoS và chiều cao bãi thải Ht 48

Hình 2.18. Mối quan hệ giữa FoS và góc dốc bãi thải 49

Hình 2.19. Mối quan hệ giữa hệ số an 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; 50

Hình 2.20. Quan hệ giữa hệ số ổn định của bãi thải với H và  theo các điều kiện: (cố định)  = 37o; (thay đổi)  =32o÷37,2o 51

Hình 2.21. Sơ đồ xác định chiều dày lớp lu lèn dưới tác dụng của tải trọng ôtô 52

Hình 2.22. Mối quan hệ giữa FoS của bãi thải với lớp đầm nén bề mặt 52

Hình 2.23. Sự phân bố thành phần cỡ hạt đất đá theo chiều cao tầng thải 53

Hình 2.24. Sự thay đổi lực dính kết đất đá (cát kết) tại các cao độ khác nhau trong tầng thải trong điều kiện đất đá khô và đất đá bão hòa nước 55

Hình 2.25. Sơ đồ xác định khối lượng thể tích của các lớp đất đá tại các vị trí khác nhau trong tầng thải; (1), (2), (3)…I - các lớp đất đá thải 57

Hình 2.26. Quan hệ góc nội ma sát và lực dính kết 60

Hình 3.1. Hệ số an toàn so với xác suất trượt lở tối đa 68

Hình 3.2. Sơ đồ mặt cắt bãi thải một tầng 72

Hình 3.3. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải 1 tầng hình vuông, chữ nhật, tròn, elip với dung tích bãi thải yêu cầu 75

Hình 3.4. Sơ đồ mặt cắt bãi thải hai tầng 76

Hình 3.5. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải hai tầng hình vuông, chữ nhật, tròn, elip với dung tích bãi thải yêu cầu 78

Hình 3.6. Sơ đồ mặt cắt bãi thải ba tầng 79

Hình 3.7. Quan hệ giữa diện tích chiếm dụng đất bãi thải ba tầng hình vuông, chữ nhật, tròn, elip với dung tích bãi thải yêu cầu 81

Hình 3.8. Mô hình tính toán ổn định tầng thải theo Slope/W với đất đá tự nhiên 83

Kết quả mô hình tính toán ổn định bãi thải theo chiều cao tầng được tổng hợp trong Hình 3.9. 83

Hình 3.9. Quan hệ giữa hệ số ổn định và chiều cao tầng thải với đất đá thải tự nhiên 84

Hình 3.10. Mô hình tính toán ổn định tầng thải theo Slope/W đất đá thải bão hòa nước 84

Hình 3.11. Quan hệ giữa hệ số ổn định và chiều cao tầng thải với đất đá thải bão hòa nước 85

Hình 3.12. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và lực dính kết với chiều cao bãi thải khác nhau 86

Hình 3.13. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và góc nội ma sát với chiều cao bãi thải khác nhau 87

Hình 3.14. Quan hệ giữa hệ số ổn định bãi thải và khối lượng thể tích đất đá với chiều cao bãi thải khác nhau 87

Hình 3.15. Mô hình bãi thải khi đổ thải theo tầng cao 88

Hình 3.16. Mô hình công nghệ đổ thải tầng thấp 88

Hình 3.17. Sơ đồ công nghệ đổ thải theo chiều rộng tầng thải 88

Hình 3.18. Quan hệ giữa tổng chi phí ô tô và máy gạt với chiều cao tầng 93

Hình 3.19. Quan hệ giữa tổng chi phí ô tô và máy gạt với chiều cao tầng 93

khi xuống dốc 93

Hình 3.20. Quan hệ giữa hệ số ổn định và góc nội ma sát với chiều cao tầng với đất đá thải tự nhiên 94

Hình 3.21. Quan hệ giữa hệ số ổn định và góc dốc sườn tầng thải với chiều cao tầng khi đất đá thải bão hòa nước 95

Hình 3.22. Sơ đồ tính toán chiều rộng mặt tầng thải 96

Hình 3.23. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C =0 t/m2 98

Hình 3.24. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C = 10 t/m2 99

Hình 3.25. Hệ số ổn định theo chiều cao bãi thải và góc nội ma sát khi C = 15 t/m2 99

Hình 3.26. Sơ đồ xác định góc dốc bãi thải tương ứng với hệ số ổn định 101

Hình 3.27. Mối liên hệ giữ hệ số ổn định và các thông số độ bền và trọng lượng riêng của đất đá 102

Hình 3.28. Sơ đồ xác định bề rộng tối thiểu của mặt tầng thải 104

Hình 3.29. Trình tự đổ thải theo khối khi Bmin <Bt 105

Hình 3.30. Trình tự đổ thải theo khối khi Bmin <Bt 105

Hình 3.31. Trình tự đổ thải theo lớp 106

Hình 3.32. Trình tự đổ thải kết hợp giai đoạn 1 106

Hình 3.33. Trình tự đổ thải kết hợp các giai đoạn 2,3… 108

Hình 3.34. Sơ đồ đổ thải tại các bãi thải đang đổ thải 109

Hình 3.35. Sơ đồ đổ thải trong tại các khu vực không có đường lò 110

Hình 3.36. Sơ đồ công nghệ đổ thải theo tầng thấp theo lớp khi có các đường lò phía dưới 111

Hình 3.37. Sơ đồ công nghệ đổ thải theo chu vi 112

Hình 3.38. Sơ đồ công nghệ đổ thải kết hợp ô tô và máy ủi khi đổ thải theo diện tích (theo bề mặt) 113

Hình 3.39. Sơ đồ công nghệ đổ thải bằng băng tải 115

Hình 3.40. Sơ đồ dỡ tải tại sườn bãi thải 115

Hình 4.1. Hiện trạng bãi thải Bàng Nâu 120

Hình 4.2. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên 122

Hình 4.3. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên 122

Hình 4.4. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên và các thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn của Morgenstern-Price (FOS

= 1.433) ....................................................................................................................124

Hình 4.5. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái tự nhiên và các thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn (SSR) – FOS = 1.44 125

Hình 4.6. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng không bão hòa và các thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn phân tích có ảnh hưởng của mưa 126

Hình 4.7. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng không bão hòa và các thông số đề xuất – Sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp cân bằng giới hạn của Morgenstern ) – FoS = 1.43 127

Hình 4.8. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái bão hòa và các thông số đề xuất - Sử dụng phương pháp cân bằng giới hạn của Morgenstern-Price (FoS = 1.295) 128

Hình 4.9. Mô hình tính ổn định bãi thải Bàng Nâu với đất đá ở trạng thái bão hòa và các thông số đề xuất - sử dụng phương pháp các phần tử hữu hạn (SSR), FoS = 1.3 129

Hình 4.10. Sử dụng phương pháp LEM của Morgenstern-Price, FoS = 1.274 >1.0 an toàn 132

Hình 4.11. Mô hình sử dụng phương pháp FEM – SSR, FoS= 1.27 >1.0 133

Hình 4.12. Mô hình sử dụng phương pháp LEM của Morgenstern-Price, FoS = 1.146 >1.0 an toàn 134

Hình 4.13. Mô hình sử dụng phương pháp FEM – SSR, FoS = 1,15 >1.0 135

Hình 4.14. Phân tích độ nhạy FoS vs hệ số kh (dùng phương pháp giả tĩnh)(động đất từ cấp độ 5 đến 9 richter) 136

Hình 4.15. Sơ đồ rót tải trong mùa khô 137

Hình 4.16. Sơ đồ rót tải trong mùa mưa 137

Hình 4.17. Sơ đồ cải tạo tầng thải bằng băng tải sau khi kết thúc đổ thải 138

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Đổ thải đất đá là một trong khâu công nghệ chính trong khai thác mỏ lộ thiên, nó ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả khai thác; an toàn và môi trường khu vực. Các tác động tiêu cực của công tác đổ thải gồm: chiếm dụng đất bề mặt, thay đổi cảnh quan, tác động tới môi trường nước, không khí khu vực, nguy cơ sạt, lở vùi lấp công trình xung quanh.

Các mỏ than lớn của Việt Nam như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu tập trung chủ yếu ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh, mô hình đổ thải ngoài và trong với phương pháp đổ thải theo chu vi. Bãi thải ngoài của các mỏ thường tập trung tại một số khu vực như Bàng Nâu, Đông Cao Sơn, Khe Tam. Bên cạnh đó, các bãi thải tại các mỏ khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh thuộc vùng mưa mùa nhiệt đới. Trong những năm gần đây, do biến đổi khí hậu dẫn đến thời tiết cực đoan làm trái đất nóng dần lên, gây mưa to bão lớn. Cụ thể, trận mưa lũ lịch sử cuối tháng 7, đầu tháng 8 năm 2015 đã khiến một phần đập chắn đất mức +9,8 m của bãi thải Đông Cao Sơn bị sạt lở, đất đá trôi lấp xuống khu vực hạ lưu, đe đọa tính mạng, tài sản của hàng trăm hộ dân ở khu 4, phường Mông Dương. Khi xảy ra sạt lở các bãi thải, đất đá sẽ vùi lấp các sông suối xung quanh, diện tích đất canh tác của người dân và cần phải tốn công sức và một thời gian dài mới có thể khắc phục được.

Đặc điểm các bãi thải đất đá vùng Cẩm Phả thường xây dựng trên sườn núi và trên mức thoát nước tự chảy, chiều cao bãi thải lớn. Ổn định bãi thải phụ thuộc vào đặc điểm địa hình địa mạo, tính chất nền bãi thải, tính chất đất đá thải, các thông số bãi thải, công nghệ thiết bị xây dựng cường độ và thời gian mưa. Tùy thuộc cường độ và thời gian mưa, sự phân bố cỡ hạt trong tầng thải mà áp lực nước lỗ rỗng và cường độ kháng cắt của đất đá thay đổi sẽ ảnh hưởng lớn tới an toàn các tầng thải. Theo kế hoạch, các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả đang tiếp tục mở rộng và đào sâu, bãi thải tiếp tục chất cao và chiếm nhiều diện tích đất hơn. Mưa lũ bất thường đòi hỏi các bãi thải đã, đang và chưa đổ cần có thông số hình học, kỹ thuật đổ thải hợp lý để đảm bảo an toàn cho môi trường và hiệu quả sản xuất mỏ.