Tổng Quan Về Các Dạng Bãi Thải Mỏ Lộ Thiên Trên Thế Giới

Chính vì vậy luận án: “Nghiên cứu kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lý nhằm đảm bảo độ ổn định bãi thải trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

2. Mục tiêu

Nâng cao độ ổn định bãi thải của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, đồng thời giảm chi phí đổ thải và góp phần thiểu tác động tới môi trường do các bãi thải gây ra.

3. Nội dung nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu một số nội dung chính sau:

- Tổng quan kinh nghiệm đổ thải đất đá mỏ tại Việt Nam và trên thế giới;

- Phân loại các bãi thải ngoài của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh;

- Khảo sát ảnh hưởng của cường độ và thời gian mưa tới ổn định các bãi thải đất đá mỏ;

- Khảo sát mối quan hệ giữa các thông số lực dính kết, góc nội ma sát, dung trọng đất đá trong bãi thải với chiều cao tầng thải, công nghệ, thiết bị thải trong mùa khô và mùa mưa;

- Xác định các thông số bãi thải phù với với đặc điểm tự nhiên vùng Cẩm Phả

- Quảng Ninh;

- Xây dựng sơ đồ công nghệ - thiết bị đổ thải đảm bảo ổn định trong mùa mưa và mùa khô vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là các bãi thải đất đá tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

4.2. Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu luận án là nghiên cứu các thông số và công nghệ đổ thải phù hợp tại các bãi thải mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới.

5. Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu chính được thực hiện trong luận án nhằm đạt được các mục tiêu đề ra bao gồm:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết;

- Phương pháp thống kê;

- Phương pháp kế thừa;

- Phương pháp mô hình hóa;

- Phương pháp toán học;

- Phương pháp ứng dụng tin học.

6. Những điểm mới của luận án

- Đề xuất tiêu chí ổn định chấp nhận của bãi thải và tiêu chí phân loại các bãi thải của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

- Xác định các thông số lực dính kết, góc nội ma sát bằng phương pháp tính ngược từ các thông số biến dạng bãi thải và kết hợp các thí nghiệm bề mặt.

- Đề xuất hình dạng bãi thải chiếm dụng đất tối thiểu với khối lượng chứa tối đa.

- Bằng các mô hình số đã xác định các thông số bãi thải hợp lý trong mùa khô và mùa mưa đảm bảo tiêu chí ổn định bãi thải.

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

7. Các luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Sự ổn định của bãi thải mỏ than lộ thiên phụ thuộc vào điều kiện địa chất nền bãi thải; tính chất đất đá thải, các thông số hình học bãi thải, công nghệ thiết bị xây dựng và tính chất mưa mùa. Cường độ và thời gian mưa càng lớn, hệ số ổn định bãi thải càng giảm và đạt giá trị nhỏ nhất sau 24 giờ mưa.

Luận điểm 2: Thay đổi các tính chất đất đá thải trong điều kiện tự nhiên và bão hòa để phân tích ổn định bãi là cơ sở quan trọng để lựa chọn thông số hợp lý cho bãi thải mỏ than lộ thiên

Luận điểm 3: Khi áp dụng công nghệ đổ thải kết hợp tầng thải phía trong và tầng thấp bao quanh, thân trên từng đoạn bờ bãi thải sẽ bảo đảm ổn định và giảm chi phí vận tải, san gạt cho các bãi thải trên sườn núi.

8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

8.1. Ý nghĩa khoa học

Góp phần bổ sung cơ sở khoa học cho kỹ thuật đổ thải nhằm nâng cao độ ổn định bãi thải và giảm thiểu tác động tới môi trường tại các mỏ than lộ thiên.

8.2. Ý nghĩa thực tiễn

Góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn cho công tác đổ thải trên các mỏ khai thác than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh trong điều kiện biến đổi khí hậu.

9. Cơ sở dữ liệu

Cơ sở dữ liệu phục vụ công tác nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Các báo cáo địa chất và hiện trạng các bãi thải trong và ngoài của các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II.

- Thông số công nghệ, thiết bị tại các bãi thải lộ thiên vùng Cẩm Phả: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II.

- Số liệu thí nghiệm một số tính chất đất đá trong bãi thải.

- Các kết quả thí nghiệm thành phần cỡ hạt đất đá nổ mìn.

- Các số liệu, kết quả nghiên cứu của các nghiên cứu trước đó về ổn định bãi thải.

10. Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục, cấu trúc của luận án bao gồm 4 chương, cụ thể như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan công tác đổ thải và các nghiên cứu về công tác đổ thải tại các mỏ lộ thiên trên thế giới và Việt Nam.

Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới công tác đổ thải tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

Chương 3: Nghiên cứu công nghệ đổ thải đất đá hợp lý đảm bảo độ ổn định bãi trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

Chương 4: Tính toán thử cho mỏ than Cao Sơn vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh. Kết luận và kiến nghị.

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS. Tài liệu tham khảo.

Phụ lục.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN TRÊN THẾ GIỚI

VÀ VIỆT NAM

1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG BÃI THẢI MỎ LỘ THIÊN TRÊN THẾ GIỚI

1.1.1. Tổng quan về các mỏ lộ thiên

Khai thác lộ thiên đã được biết đến từ thời cổ đại và ngày nay nó là cách phổ biến nhất để khai thác khoáng sản rắn. Khai thác lộ thiên có nhiều ưu điểm so với khai thác hầm lò, đó là năng suất khai thác cao và chi phí khai thác một đơn vị khoáng sản thấp, chi phí vốn thấp, thời gian ngắn hơn xây dựng, mức độ thu hồi khoáng sản cao từ lòng đất, mức độ an toàn cao của công việc,…. Tỷ trọng khai thác lộ thiên chiếm hơn 80% sản lượng khai thác trên thế giới, ở Mỹ - 83%, ở các nước SNG khoảng 70%. Ở Nga, 91% quặng sắt, hơn 70% quặng kim loại màu, hơn 60% than đá, gần như 100% vật liệu xây dựng được khai thác ở lộ thiên [82].

Sự phát triển của công nghệ khai thác lộ thiên và thiết bị cơ giới hóa dẫn đến gia tăng độ sâu của các mỏ lộ thiên. Độ sâu của các mỏ đá không quá 100 m, vào nửa đầu thế kỷ XX. Nó đã tăng lên 200÷300 m, trong nửa sau đã lên đến 600÷700 m, và các dự án đầy hứa hẹn của thế kỷ XXI. Các mỏ lộ thiên sẽ có độ độ sâu khai thác lớn hơn 900 m [99]. Các mỏ lộ thiên sâu đặc trưng trên thế giới được trình bày trong Bảng 1.1 [91]. Mỏ sâu được hiểu là mỏ có độ sâu thiết kế từ 250÷300 m trở lên, có các đặc điểm chính sau: khai thác kết hợp; các phương án vận tải kết hợp; năng lực sản xuất lớn (trên 15÷20 triệu tấn/năm đối với khoáng sản và 50÷60 triệu m3/năm đối với đá khối); thời gian tồn tại từ 40÷50 năm; mỏ phát triển theo từng giai đoạn của lĩnh vực này với sự tái thiết định kỳ,… [97].

Trên thế giới, than tập trung chủ yếu ở Bắc bán cầu, trong đó đến 4/5 thuộc về Trung Quốc (tập trung ở phía Bắc và Đông Bắc), Hoa Kỳ (chủ yếu ở các bang miền Tây), LB Nga (vùng Ekibát và Xibêri), Ucraina (vùng Đônbát), CHLB Đức, Ấn Độ, Ôxtrâylia (ở hai bang Quinslen và Niu-Saouên), Ba Lan,... Các nước sản xuất than hàng đầu là Trung Quốc, Hoa Kỳ, Ấn Độ, Ôxtrâylia, Nga, chiếm tới 2/3 sản lượng

than của thế giới. Nếu tính cả một số nước như Nam Phi, CHLB Đức, Ba Lan, CHDCND Triều Tiên... thì con số này lên đến 80% sản lượng than toàn cầu.

Bảng 1.1. Kích thước một số mỏ lộ thiên sâu trên thế giới [91]

Tên mỏ	Quốc gia	Độ sâu, m	Kích thước, km × km	Loại khoáng sản
1	Bingham Canyon	Mỹ	1200	4 3,8	Đồng, Molypden, Vàng
2	Chuquicamata	Chile	850	4,3 × 3	Đồng, vàng, bạc, hetenium, selen
3	Palabora	Nam Phi	700	1,9×1,7	Đồng
4	Thành công	Nga	640	1,7 × 1,3	Kim cương
5	Escondida	Chile	620	3,8 × 2,7	Đồng, Vàng, Bạc
6	Muruntau	Uzbekistan	600	3,5 × 2,5	Vàng
7	Sibaysky	Nga	600	2,0 × 2,0	Đồng, kẽm, lưu huỳnh
8	Batu Hijau	Indonesia	550	2,5 × 2,2	Vàng, đồng
9	Escondida Notre	Chilê	500	1,6 × 1,4	Đồng, Vàng, Bạc
10	Kovdorsky	Nga 500	500	2,3 × 1,6	Quặng sắt, apatit

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 222 trang tài liệu này.

1.1.2. Các dạng bãi thải mỏ lộ thiên

Trong quá trình khai thác lộ thiên, thường phải bóc đi một khối lượng lớn đất đá để lấy khoáng sản. Công tác thải đá – đó là tổng hợp các thao tác tiếp nhận và chất xếp đất đá thải vào một khu vực riêng theo một phương thức và trình tự xác định. Nơi lưu giữa đất đá gọi là bãi thải [3]. Đây là các công trình nhân tạo rất lớn (theo khối lượng, trọng lượng hoặc chiều cao) [53], [66], [72], [76].

Bãi thải chiếm một vị trí có ý nghĩa quyết định đến hiệu quả khai thác cũng như tác động của công tác khai thác đến môi trường, cảnh quan khu vực khai thác.

Bãi thải thường được lựa chọn gần khai trường và phụ thuộc các yếu tố khác nhau bao gồm địa chất, địa kỹ thuật, địa chất thủy văn, thủy văn, các thông số địa hình, khí hậu, môi trường [15].

Những dấu hiệu để phân biệt các loại bãi thải là: vị trí của bãi thải, số lượng tầng thải đang hoạt động, điều kiện địa hình, phương tiện cơ giới hóa công tác thải đá [11].

Phương pháp thích hợp nhất để xây dựng bãi thải được đánh giá dựa trên địa hình của khu vực, điều kiện nền móng, thiết bị hiện có và thiết kế tổng thể [60].

Từ những đặc điểm này các bãi thải mỏ lộ thiên hiện nay trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng bao gồm các dạng chủ yếu sau:

1.1.2.1. Theo vị trí xây dựng bãi thải

a) Bãi thải trong

Bãi thải trong được xây dựng khi khai thác các khoáng sàng nằm ngang hay dốc thoải với góc dốc nhỏ hơn 150 kéo dài theo đường phương hoặc cho những khoáng sàng có các thân khoáng nằm gần nhau, có thể khai thác lần lượt.

Trong một số trường hợp bãi thải trong cũng được xây dựng ngay trong khai trường khi thân quặng phân bố theo dạng uốn nếp (lượn sóng) hay khai thác đồng thời nhiều vỉa. Với dạng bãi thải trong được xây dựng theo các dạng này cho phép giảm cung độ vận chuyển đất đá nâng cao hiệu quả khai thác.

b) Bãi thải ngoài

Bãi thải ngoài được xây dựng ngoài biên giới khai thác của mỏ. Toàn bộ đất đá bóc được vận chuyển từ khai trường đổ vào bãi thải bằng ô tô đơn thuần hoặc liên hợp nhiều loại vận chuyển khác nhau (ô tô + băng tải + trục tải + đường sắt,...), đây là dạng bãi thải khi khai thác các thân quặng có dạng đơn tà, bối tà, thân quặng cắm sâu với góc dốc > 200.

Tùy thuộc vào đặc điểm địa hình tự nhiên của khu vực đổ thải mà có thể phân loại thành các dạng bãi thải như sau:

- Bãi thải đổ dọc theo thung lũng

Trong dạng đổ thải này, đất đá thải sẽ lấp một phần hoặc toàn bộ khu vực thung lũng. Bề mặt của bãi thải thường được cải tạo để tránh hiện tượng tích tụ nước mặt. Với dạng đổ không lấp hoàn toàn thung lũng thì có yêu cầu xây dựng thêm các rãnh thoát nước, rãnh chuyển hướng dòng chảy tùy thuộc vào đặc tính của khu vực.

- Bãi thải đổ lên một phía sườn dốc

Trong dạng đổ thải này, bãi thải được hình thành trên bề mặt dốc của địa hình và không chặn lại hướng thoát nước khu vực dọc theo sườn thung lũng. Góc nghiêng thiết kế của sườn dốc bãi thải được thiết kế theo một giá trị đảm bảo độ an toàn và ổn định lâu dài của khu vực bãi thải. Chân của bãi thải được đặt trên sườn

nghiêng hoặc phẳng tùy theo đặc điểm địa hình của thung lũng.

- Bãi thải đổ hỗn hợp sườn dốc và thung lũng

Đây là dạng đổ thải đặc biệt, bãi thải được xây dựng trên khu vực địa hình có dạng thung lũng. Đất đá thải sẽ được đổ sang cả hai bên mặt sườn thung lũng, sườn dốc của khu vực bãi thải được thiết kế để đảm bảo độ ổn định cho toàn bộ khu vực.

- Bãi thải đổ trên các khu vực mặt bằng

Dạng đổ này còn được đề cập tới như là dạng đổ thải theo diện, đất đá đổ thải được chất thành các đống với các góc nghiêng bãi thải khác nhau. Các bãi thải dạng này được xây dựng trên khu vực địa hình có nền tương đối bằng phẳng hoặc có độ dốc nhỏ.

Địa hình, địa mạo nền bãi thải có thể chia thành các dạng: nền có dạng thung lũng (Hình 1.1-a), dạng sườn dốc Hình 1.1-b, dạng hỗn hợp sườn dốc và thung lũng (Hình 1.1-c), dạng mặt bằng (Hình 1.1-d).

a) b)

c) d)

Hình 1.1. Các dạng cơ bản địa hình nền bãi thải [4],[11]

a) dạng đổ thung lũng; b) dạng sườn dốc; c) dạng hỗn hợp sườn dốc và thung lũng;

d) dạng mặt bằng

1.1.2.2. Theo thời gian tồn tại

Tùy thuộc vào các đặc điểm, điều kiện khai thác mỏ mà có thể thiết kế khu vực bãi thải theo các dạng:

a) Bãi thải tạm

Bãi thải tạm là bãi thải chỉ tồn tại trong một thời gian nhất định và sau đó được di chuyển tới một vị trí khác. Bãi thải tạm thường được áp dụng ở giai đoạn đầu chuẩn bị xây dựng bãi thải trong hoặc khi thời gian tồn tại của mỏ ngắn, mỏ không

có vị trí đổ thải phải thuê đất để đổ tạm, sau đó khi kết thúc khai thác thì tiến hành hoàn phục trở lại vào khoảng trống đã khai thác (Hình 1.2) [3].

Hình 1.2. Sơ đồ sử dụng bãi thải tạm [3]

Khi cung độ vận tải ra bãi thải cố định quá lớn, để tiết kiệm chi phí sản xuất cho giai đoạn đầu, sử dụng bãi thải tạm có hiệu quả do: rút ngắn được khoảng cách vận chuyển, tiết kiệm được chi phí xây dựng đường sá và chi phí vận chuyển thường xuyên.

b) Bãi thải cố định

Bãi thải cố định là bãi thải nằm ngoài ranh giới kết thúc khai thác mỏ, tồn tại theo suốt đời mỏ hoặc lâu hơn. Trên khu vực dùng để thải đất đá cần tiến hành nghiên cứu địa chất công trình và thủy văn để xác định tính chất cơ lý của đất đá nền bãi thải cũng như độ ngậm nước của khu vực. Vị trí bãi thải cần được chọn ở nơi không có tài nguyên khoáng sản có giá trị công nghiệp ở phía dưới, hoặc nơi đất đai ít giá trị công và nông nghiệp.

1.1.2.3. Theo công nghệ tạo bãi thải

Theo công nghệ tạo bãi thải được xây dựng bằng công nghệ ô tô và máy gạt; công nghệ băng tải máy rải đá hoặc cầu dỡ tải; công nghệ xúc và đổ thải bằng máy xúc gầu treo… Ngoài ra có thể có bãi tải 1 tầng và bãi thải nhiều tầng.

1.2. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI

Hiện nay, có ba phương pháp đổ thải đang được sử dụng, bao gồm: đổ thải trên cao, đổ thải bằng phương pháp gạt bằng, và đổ thải theo lớp [58]. Trong đó,