Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:210

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "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" trình bày các nội dung chính sau: 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; Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới công tác đổ thải tại các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh; 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; Tính toán thử cho mỏ than Cao Sơn vùng Cẩm Phả - Quảng Ninh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN TAM TÍNH 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 Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN TAM TÍNH 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 Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS.NGƯT. Bùi Xuân Nam 2. PGS.TS. Vũ Đình Hiếu Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào của các tác giả khác. Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Tam Tính
ii LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ kỹ thuật ngành Khai thác mỏ với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật đổ thải đất đá hợp lí 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” là kết quả của quá trình nghiên cứu, cố gắng không ngừng của tác giả trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường Đại học Mỏ - Địa chất, các nhà khoa học trong ngành mỏ, bạn bè, đồng nghiệp trong nước, quốc tế và sự ủng hộ từ gia đình. Với tình cảm chân thành, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau đại học, Ban chủ nhiệm Khoa Mỏ, Ban chủ nhiệm và tập thể các thầy, cô giáo Bộ môn Khai thác lộ thiên cùng các thầy, cô giáo trong Khoa Mỏ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, công tác và nghiên cứu. NCS xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới Tiểu ban hướng dẫn, đặc biệt là GS.TS.NGƯT. Bùi Xuân Nam, người thầy trực tiếp hướng dẫn khoa học đã luôn dành thời gian, công sức để hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án đúng hạn. NCS xin gửi lời cảm ơn tới các nhà khoa học ngành Mỏ, đặc biệt PGS.TS.NGƯT. Hồ Sĩ Giao, GS.TS.NGND. Trần Mạnh Xuân, TS. Đỗ Ngọc Tước đã có nhiều gợi ý chuyên môn bổ ích cho NCS trong quá trình hoàn thiện luận án. NCS cũng xin gửi lời cảm ơn tới Viện Khoa học Công nghệ mỏ, Trung tâm Nghiên cứu Phát triển than đồng bằng Sông Hồng, Trung tâm Nghiên cứu Cơ điện mỏ - Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Công ty Cổ phần than Cọc Sáu, Công ty Cổ phần than Cao Sơn và các đơn vị cá nhân đã tạo điều kiện và cung cấp tài liệu, số liệu trong quá trình NCS nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp trong nước và quốc tế đã giúp đỡ và hỗ trợ NCS trong quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2022 Nguyễn Tam Tính
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................vii DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 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 ................................................................................................................. 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG BÃI THẢI MỎ LỘ THIÊN TRÊN THẾ GIỚI5 1.1.1. Tổng quan về các mỏ lộ thiên.....................................................................5 1.1.2. Các dạng bãi thải mỏ lộ thiên .....................................................................6 1.2. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC NƯỚC TRÊN THẾ GIỚI .... 9 1.2.1. Công tác đổ thải và quản lý bãi thải tại Liên bang Nga ...........................10 1.2.2. Công tác đổ thải tại Trung Quốc ..............................................................12 1.2.3. Công tác đổ thải tại Canada ......................................................................13 1.3. TỔNG QUAN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI TẠI CÁC MỎ VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ......................................................................................................... 13 1.3.1. Đất đá thải các mỏ vùng Cẩm Phả............................................................13 1.3.2. Thành phần hạt tại các bãi thải .................................................................14 1.3.3. Vị trí và công nghệ đổ thải .......................................................................15 1.3.4. Công nghệ đổ thải .....................................................................................21 1.4. ĐÁNH GIÁ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG TÁC ĐỔ THẢI ........................ 22 1.4.1. Các nghiên cứu ngoài nước ......................................................................23 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước.......................................................................27 1.4.3. Đánh giá các công trình nghiên cứu về đổ thải mỏ lộ thiên .....................28 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................... 29
iv 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 ..... 30 2.1. ĐẶC ĐIỂM MƯA MÙA NHIỆT ĐỚI VÀ MÔ HÌNH LƯỢNG NƯỚC CHẢY VÀO BÃI THẢI TẠI KHU VỰC CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ............................. 30 2.1.1. Đặc điểm mưa mùa nhiệt đới tại khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh .......... 30 2.1.2. Mô hình lượng nước mưa chảy vào bãi thải ............................................. 31 2.1.3. Các biến dạng bãi thải .............................................................................. 34 2.2. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÔNG TÁC ĐỔ THẢI........................... 37 2.2.1. Ảnh hưởng của lượng mưa tới ổn định bãi thải........................................38 2.2.2. Ảnh hưởng của địa chấn ...........................................................................42 2.2.3. Ảnh hưởng của nền bãi thải ......................................................................45 2.2.4. Ảnh hưởng của các thông số bãi thải .......................................................47 2.2.5. Ảnh hưởng số lực dính kết đến ổn định bãi thải ......................................49 2.2.6. Ảnh hưởng của góc nội ma sát  ..............................................................50 2.2.7. Ảnh hưởng của phương tiện thiết bị đổ thải ............................................. 51 2.3. NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT ĐẤT ĐÁ THẢI TẠI CÁC BÃI THẢI VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ....................................................................... 53 2.3.1. Nghiên cứu sự phân bố kích thước cỡ hạt theo chiều cao tầng ................53 2.3.2. Nghiên cứu sự thay đổi lực dính kết đất đá theo chiều cao tầng thải ....... 54 2.3.3. Nghiên cứu sự thay đổi khối lượng thể tích đất đá vào chiều cao tầng thải55 2.3.4. Nghiên cứu tổng hợp tính chất đất đá tại các bãi thải vùng cẩm phả .......57 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................... 61 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 ....................... 62 3.1. PHÂN LOẠI CÁC BÃI THẢI ........................................................................... 62 3.2. XÂY DỰNG TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH BÃI THẢI ........................... 66 3.2.1. Lịch sử phát triển của các tiêu chí chấp nhận độ ổn định......................... 66 3.2.2. Đề xuất các tiêu chí chấp nhận độ ổn định ............................................... 68 3.3. NGHIÊN CỨU CÁC THÔNG SỐ BÃI THẢI PHÙ HỢP CHO CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VÙNG CẨM PHẢ QUẢNG NINH .......................................... 72
v 3.3.1. Lựa chọn hình dạng bãi thải ngoài chiếm dụng đất tối thiểu ................... 72 3.3.2. Nghiên cứu lựa chọn các thông số bãi thải cho các mỏ than lộ thiên vùng Cẩm Phả .................................................................................................................... 82 3.4. ĐỀ XUẤT 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 .................................................. 103 3.4.1. Xây dựng nguyên tắc công nghệ đổ thải đảm bảo độ ổn định bãi trong điều kiện mưa mùa nhiệt đới ................................................................................... 103 3.4.2. Công nghệ đổ thải bãi thải ngoài ............................................................ 103 3.4.3. Công nghệ đổ thải trong ......................................................................... 110 3.4.4. Sơ đồ công nghệ đổ thải theo các thiết bị đổ thải ................................... 111 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................. 115 CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THỬ CHO MỎ THAN CAO SƠN VÙNG CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ....................................................................................................... 117 4.1. KHÁI QUÁT MỎ THAN CAO SƠN.............................................................. 117 4.1.1. Đặc điểm đất đá tự nhiên khu mỏ ........................................................... 117 4.1.2. Đặc điểm thời tiết khu vực mỏ ............................................................... 118 4.1.3. Công tác khai thác tại mỏ than Cao Sơn ................................................ 118 4.1.4. Công tác đổ thải tại mỏ than Cao Sơn .................................................... 119 4.2. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ ĐỔ THẢI ĐẢM BẢO ỔN ĐỊNH BÃI THẢI BÀNG NÂU – MỎ THAN CAO SƠN ............................................................................... 121 4.2.1. Kiểm tra ổn định theo hiện trạng của các bãi thải .................................. 121 4.2.2. Đề xuất các thông số bãi thải đảm bảo an toàn trong mưa mùa nhiệt đới122 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4................................................................................. 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................. 140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................... 142 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN CỦA NGHIÊN CỨU SINH ................................. 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 143 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 153
vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BCMWRPRC Ủy ban nghiên cứu bãi thải mỏ BC CANMET Trung tâm Khai thác và Luyện kim Canada ĐBTB Đồng bộ thiết bị HTKT Hệ thống khai thác MESA Cơ quan Thực thi và An toàn Bom mìn Hoa Kỳ MXTLGN Máy xúc thủy lực gầu ngược SMD Độ ẩm thiếu hụt của đất USBM Cục Mỏ Hoa Kỳ
vii 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 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
viii 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
ix 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
x 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
xi 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
xii 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
xiii 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
1 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.
2 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.
3 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.
4 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.
5 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