Các Chỉ Tiêu Cơ Lý Đất Đá Theo Chiều Sâu Tại Bãi Thải Chính Bắc [68]

của mưa, được đưa vào đánh giá [26], [63], [67], [79], [80], [81]. Trong các điều kiện không bão hòa, quá trình mất ổn định có thể phụ thuộc vào sự phát triển của lực hút đơn thuần với sự tiến triển của mặt trước làm ướt (thậm chí có thể dẫn đến áp suất nước lỗ rỗng dương trong một số trường hợp).

Các khía cạnh công nghệ thủy văn như vậy rất quan trọng đối với các đống đá thải không bão hòa, nơi mà nước thấm và thấm có xu hướng làm tăng hàm lượng nước thể tích (và mức độ bão hòa) và áp lực nước lỗ rỗng. Tuy nhiên, quá trình thấm và chảy của nước trong các tầng thải không bão hòa có thể rất phức tạp do bản chất và tính chất hạt thô của vật liệu, tính không đồng nhất cục bộ và tính phi tuyến của các hàm thủy lực [21], [30], [31].

Qua điều tra thực tế [14], [61] và mô phỏng số dựa trên quan sát tại chỗ [28], [29], [31] đã cho thấy: nước có thể chảy xuống và chảy ngang tầng thường theo cách không đồng nhất. Do đó, điều này có thể dẫn đến những thay đổi trong cấu hình cường độ bên trong mái dốc không bão hòa do sự thay đổi của áp lực nước lỗ rỗng và hàm lượng nước, như được chỉ ra bởi các cuộc điều tra khác nhau về độ dốc của đất [27], [39], [48], [56], [62].

Công trình [43], đã mô phỏng số phần tử hữu hạn của nước mưa thấm vào đất đá không bão hòa theo thời gian và không gian của áp suất nước lỗ rỗng. Sử dụng phần mềm FLAC3D phân tích ổn định với các thông số cơ lý ở trạng thái bão hòa không bão hòa. Qua phân tích tác giả cho thấy, sự tồn tại của các khe nứt trên mái đất mở rộng có ảnh hưởng đáng kể đến lượng mưa thấm vào và phân bố áp lực nước lỗ rỗng.

Theo [90], tác giả Лаптев Ю. В. đã nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của chiều cao tầng thải đến sự phân bố của thành phần cỡ hạt và đo vẽ thành phần cỡ hạt tại hiện trường trong điều kiện đất đá có cùng mức độ đập vỡ khi chiều cao tầng thải thay đổi từ 10÷50 m.

Công trình [68] đã nghiên cứu chiều dày lớp lu lèn chịu tác dụng trực tiếp của các loại ô tô có tải trọng 42÷85 tấn có thể đạt từ 2÷4 m tại bãi thải Chính Bắc vùng Hòn Gai. Đồng thời [68] cũng đã xác định khối lượng thể tích đất đá ở bãi thải từ bề mặt xuống dưới 3 m. Kết quả được trình bày trong Bảng 1.7.

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 (CANMET 1977). 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 đập quặng đuôi và bãi thải đất đá.

Bảng 1.7. Các chỉ tiêu cơ lý đất đá theo chiều sâu tại bãi thải Chính Bắc [68]

Giá trị
Chiều sâu, m	Khối lượng riêng, g/cm3	Hàm lượng nước, %	Khối lượng riêng khi khô, g/cm3	Độ xốp	Độ bão hòa
1	0	2,31	6,9	2,16	0,18	0,81
2	1	2,19	6,23	2,06	0,21	0,60
3	2	2,06	6,28	1,94	0,27	0,45
4	3	1,97	5,24	1,87	0,29	0,34

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 222 trang tài liệu này.

1.4.2. Các nghiên cứu trong nước

Một số nghiên cứu của các tác giả Việt Nam, điển hình như [3], [9], [11] đã giới thiệu về các loại bãi thải, các phương pháp đổ thải và các thông số của bãi thải trên mỏ lộ thiên trên nền cứng và nền yếu.

Theo [5], kết quả thí nghiệm tại hiện trường các bãi thải của các mỏ than lộ thiên tại vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 11÷12/2015, cho thấy ở trạng thái bão hòa nước khối lượng thể tích đất đá tăng từ 5÷10%. Cụ thể xem Bảng 1.8.

Bảng 1.8. Tổng hợp tính chất cơ lý phục vụ tính toán ổn định các bãi thải [5]

Tên bãi thải	Dung trọng, t/m3		Lực dính kết, T/m2		Góc nội ma sát, độ
Tên bãi thải	Tự nhiên	Bão hòa	Tự nhiên	Bão hòa	Tự nhiên	Bão hòa
1	Đông Cao Sơn	2,228	2,376	8,05	7,32	28	25,80
2	Bàng Nâu	2,082	2,180	8,05	7,32	28	25,80

Tên bãi thải

Dung trọng, t/m3

Lực dính kết,

T/m2

Góc nội ma sát,

độ

Tự nhiên

Bão

hòa

Tự

nhiên

Bão

hòa

Tự

nhiên

Bão

hòa

Mông giăng +

Lộ Trí

2,274

2,428

9,66

8,79

19,24

Đông khe Sim- Nam Khe Tam

2,292

2,428

9,66

8,79

21,10

- Theo [6] mẫu thí nghiệm tại bãi thải mỏ Núi Béo và xác định các tính chất cơ lý bãi thải như Bảng 1.9.

Theo [8], mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) đã được ứng dụng trong ngành mỏ để xác định mức độ biến động theo thời gian của bề mặt bãi thải của mỏ lộ thiên.

Bảng 1.9. Kết quả xác định khối lượng thể tích, góc nội ma sát, lực dính kết [6]

Tên bãi thải

Góc nội ma sát, độ	Khối lượng thể tích đất đá, T/m3		Lực dính kết, kPa
Góc nội ma sát, độ	Tự nhiên	Bão hòa	Tự nhiên	Bão hòa
Bãi thải trong vỉa 11 cánh Đông	22	2,135	2,350	128,0	8,00
Bãi thải trong vỉa 14 Cánh Tây	23	2,189	2,379	137,0	10,00

1.4.3. Đánh giá các công trình nghiên cứu về đổ thải mỏ lộ thiên

Đã có rất nhiều các nghiên cứu bài bản tại các nước trên thế giới về phương pháp tính ổn định bãi thải, các thông số đầu vào các mô hình tính ổn định, mô hình thấm của nước mưa tới bãi thải và ảnh hưởng các thông số tự nhiên kỹ thuật tới ổn định bãi thải… Các nghiên cứu đó tại các điều kiện các mỏ lộ thiên với thiết bị lớn, khí hậu ôn đới, lượng mưa không lớn.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu đi sâu vào các thông số đầu vào, mô hình tính ổn định trong điều kiện tự nhiên và bão hòa,… Tuy nhiên, các thông số đầu vào tính

ổn định như lực dính kết, góc nội ma sát, dung trọng đất đá có giá trị trên bề mặt mà chưa đại diện cho toàn tầng thải. Các bãi thải vùng Cẩm Phả nằm trên mức thoát nước tự chảy, xung quanh không có hồ ao, sông suối nên đất đá ở dạng không bão hòa. Như vậy, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu để đáp ứng mục tiêu bãi thải đảm bảo ổn định trong mưa mùa nhiệt đới đó là: mô hình thấm của mưa với đất đá bãi thải không bão hòa; tính chất đất đá bãi thải, tối ưu các thông số bãi thải và công nghệ đổ thải phù hợp trong mùa mưa. Đây cũng chính là những nội dung chính được NCS đi sâu, nghiên cứu trong phạm vi luận án này.

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Công tác đổ thải là một trong những khâu quan trọng trong quá trình khai thác, và luôn được thực hiện song song với công tác khai thác mỏ bởi nó quyết định tính hiệu quả và tiến trình khai thác. Tùy thuộc điều kiện thực tế, bãi thải bố trí bên ngoài hoặc bên trong khai trường.

Các nước trên thế giới sử dụng thiết bị đổ thải bằng ô tô + máy ủi, đường sắt, băng tải và máy dỡ tải, công-xôn dỡ tải công suất lớn. Công nghệ đổ thải theo chu vi và diện tích. Thực tế đã chứng minh tính ưu việt của phương pháp đổ theo diện tích với chiều cao tầng nhỏ hơn 5 m về tính ổn định, đặc biệt trong điều kiện khí hậu bất thường.

Hầu hết các bãi thải ngoài vùng Cẩm Phả thường đổ dọc theo sườn núi hoặc trên bề mặt. Bãi thải thường nhiều tầng, công nghệ đổ thải theo chu vi bằng ô tô và máy ủi. Những năm gần đây, mỏ than Cao Sơn đã sử dụng hệ thống băng tải và cầu dỡ tải khi đổ tầng cao tại bãi thải Bàng Nâu. Các bãi thải tầng cao lu lèn kém chính là điều kiện nước mưa thấm xuống gây nguy hiểm cho bãi thải.

Các nghiên cứu về công tác đổ thải tại các nước rất phong phú với nhiều phương pháp số, mô hình hiện đại đã đáp ứng yêu cầu đổ thải trong mỏ lộ thiên theo qui định của các nước sở tại.

Ở Việt Nam cũng đã có một số công trình nghiên cứu về ổn định bãi thải, công nghệ đổ thải với phương pháp chuyên gia và dựa trên các thông số thí nghiệm tính chất đất đá lớp bề mặt. Đặc biệt, trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới ở vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh, cần có kỹ thuật đổ thải hợp lý với các thông số tin cậy nhằm đảm bảo cho các công trình xung quanh.

CHƯƠNG 2

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI KỸ THUẬT ĐỔ THẢI TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH

2.1. ĐẶC ĐIỂM MƯA MÙA NHIỆT ĐỚI VÀ MÔ HÌNH LƯỢNG NƯỚC CHẢY VÀO BÃI THẢI TẠI KHU VỰC CẨM PHẢ - QUẢNG NINH

2.1.1. Đặc điểm mưa mùa nhiệt đới tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh

1600

1400

1200

2011

2014

2017

2012

2015

2018

2013

2016

1000

800

600

400

200

II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Tháng

Lượng mưa (mm)

Các mỏ lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh nằm trong vùng có khí hậu nhiệt đới gió mùa với hai mùa rõ rệt. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Mưa thường lớn nhất vào tháng 7, 8 hàng năm, trung bình nằm trong khoảng 400÷600 mm. Lượng mưa ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh được thống kê và thể hiện trong Hình 2.1.

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 [10]

Đặc biệt, tháng 7 năm 2015, xảy ra trận mưa lịch sử lên tới 1400 mm, gấp khoảng 3 lần lượng mưa trung bình hàng năm cùng tháng các năm trước. Cụ thể:

- Lượng mưa lớn nhất trong 6 giờ là 249 mm tại Cửa Ông từ 13h đến 19h ngày 26/7/2015.

- Lượng mưa lớn nhất trong 12 giờ là 296 mm tại Bãi Cháy từ 19h ngày

27/7/2015 đến 7h ngày 28/7/2015.

- Lượng mưa ngày lớn nhất (24 giờ) là 437 mm tại Cửa Ông từ 19h ngày 25/7/2015 đến 19h ngày 26/7/2015.

- Lượng mưa 3 ngày lớn nhất (72 giờ) là 865 mm tại Cửa Ông từ 19h ngày 25/7/2015 đến 19h ngày 28/7/2015.

- Tổng lượng mưa lớn nhất cả đợt là 1.400 mm tại Cửa Ông từ 19h ngày 25/7/2015 đến 19h ngày 02/8/2015.

Qua Hình 2.1 cho thấy: trong các năm từ 2011÷2018, lượng mưa hàng năm thay đổi không đáng kể; năm 2015 lượng mưa tăng đột biến, lượng nước mưa chảy vào bãi thải cũng tăng rất nhiều (từ 2÷4 lần) các năm trước; sau năm 2015, lượng mưa hàng tháng có xu hướng biến đổi khó lường.

Tùy thuộc lượng mưa hàng năm, công tác gia cố các công trình rãnh đỉnh, đê chắn để ngăn lượng nước mưa chảy vào các bãi thải, lượng mước mưa chảy trực tiếp vào các bãi thải được tính toán và thể hiện trong Hình 2.2.

Hình 2.2. Lượng nước chảy vào các bãi thải ngoài theo số liệu mưa lớn nhất hàng năm từ 2011-2018 [5]

2.1.2. Mô hình lượng nước mưa chảy vào bãi thải

Bãi thải thường nằm cách xa mực nước ngầm hay nói cách khác đất đá bãi thải thuộc dạng không bão hòa. Đất đá ở trạng thái không bão hòa là loại đất có nhiều hơn hai pha. Khi phân tích ứng suất của môi trường liên tục nhiều pha;

theo [20], [23], [37] pha trung gian khí - nước ứng xử như một pha độc lập, khi đó đất không bão hoà là hệ bốn pha: pha rắn, pha khí, pha nước và mặt ngoài căng hay mặt phân cách khí - nước. Mô hình hóa dòng thấm khi mưa trong đất đá không bão hòa được thể hiện trong Hình 2.3.

Hình 2.3. Mô hình quá trình thẩm thấu nước mưa vào bãi thải [18]

Tùy thuộc vào cường độ của mưa (P), hàm lượng nước ban đầu của đất đá gần bề mặt, một phần lượng mưa sẽ chảy ra khỏi bề mặt tầng thải (Ro), một phần sẽ bốc hơi khỏi bề mặt (Es) và một phần sẽ thấm vào lớp gần bề mặt. Nước xâm nhập làm lượng nước được lưu trữ ở lớp gần bề mặt của bãi thải tăng tạm thời (ΔSW). Sau đó, nước được giữ trong ở lớp gần bề mặt giảm xuống qua thoát hơi nước (ET) hoặc bằng cách thấm xuống phía dưới bãi thải (R), cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng mới hoặc sự kiện thấm khác xảy ra. Sự cân bằng nước gần bề mặt đơn giản được thể hiện trong Hình 2.3 và có thể được viết như sau [18]:

ΔSW = P - Ro - Es - ET – R (2.1)

Trong đó: ΔSW - thay đổi trong lượng nước lưu trữ của đất đá gần bề mặt; P- lượng mưa; Ro - dòng chảy nước mặt; Es - bốc hơi từ bề mặt; ET - thoát hơi nước từ các vật liệu gần bề mặt; R - sự thẩm thấu đi xuống để tạo thành quá trình xâm nhập vào bãi thải.

Fredlund và Rahardjo đã đưa ra quá trình thay đổi áp lực nước lỗ rỗng trong vùng đất nằm trên đường bão hòa khi có quá trình mưa và bốc hơi như ở Hình 2.4 [34].

Hình 2.4. Phân bố áp lực nước lỗ rỗng trong đới không bão hòa [34]

Khi không có quá trình mưa và bốc hơi tác động thì áp lực lỗ rỗng có dạng đường thẳng giống như áp lực thuỷ tĩnh (đường 1). Khi đó sẽ xuất hiện quá trình bốc hơi nước từ trong đất đi ra, làm độ ẩm giảm dẫn tới đường áp lực nước lỗ rỗng dịch chuyển về phía trái (đường 2), cường độ kháng cắt tăng lên làm cho hệ số ổn định mái dốc tăng. Vùng thay đổi lớn nhất nằm ở vùng gần bề mặt đất. Thời gian bốc hơi càng dài thì đường áp lực lỗ rỗng càng dịch về bên trái, và dần dần mực nước ngầm hạ thấp. Khi có mưa thì lượng nước mưa sẽ thấm vào trong đất, làm cho đường áp lực nước lỗ rỗng dịch chuyển về bên phải. Quá trình này sẽ làm cho vùng không bão hoà thu hẹp, cường độ kháng cắt giảm dẫn đến mất ổn định mái dốc

Trong trường hợp lượng mưa và bốc hơi nước phân bố đều trong năm, lượng mưa thấp, hầu hết nước thấm vào bề mặt bãi thải sau đó sẽ được bay hơi và chỉ một lượng nước nhỏ thấm xuống để xâm nhập vào bãi thải.

Vùng đất nằm dưới đường bão hòa thì có áp lực nước lỗ rỗng dương, trong khi vùng đất không bão hòa có áp lực nước lỗ rỗng âm. Quá trình nước trong lỗ rỗng đi ra khỏi vùng đất bề mặt bởi quá trình bốc hơi sẽ làm cho đất tiếp tục khô hơn và làm tăng áp lực nước lỗ rỗng âm. Ngược lại, nước mưa và dòng chảy mặt tạo thành dòng

Xem toàn bộ nội dung bài viết ᛨ