Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực nam bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN TUẤN THÀNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 9520603 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Trần Mạnh Xuân TS Lê Văn Quyển Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Hà Nội, ngày… tháng… năm 2021 Tác giả Nguyễn Tuấn Thành ii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vẽ, đồ thị vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .7 1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo phương thức truyền thống 1.1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg .8 1.1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Ktb 11 1.1.3 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg kết hợp với nguyên tắc Kgh ≥ Ktb .11 1.1.4 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ KT 11 1.1.5 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+KSx 15 1.1.6 Xác định hệ số bóc giới hạn Kgh 16 1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên xác định theo phương thức phi truyền thống sử dụng phần mềm ứng dụng khai thác mỏ .18 1.2.1 Xác định biên giới mỏ lộ thiên thuật tốn hình nón động .18 1.2.2 Xác định biên giới mỏ lộ thiên phương pháp phương án với việc sử dụng phần mềm COMFAR 19 1.3 Xác định biên giới mỏ mỏ đá dùng làm vật liệu xây dựng .21 1.4 Kết luận chương 25 iii CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU HỢP LÝ CỦA MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY 26 2.1 Nhóm yếu tố ảnh hưởng gián tiếp 27 2.1.1 Giá thành khoan nổ mìn 27 2.1.2 Giá thành xúc bốc 1m3 đá .30 2.1.3 Giá thành khâu chế biến đá 30 2.2 Nhóm yếu tố ảnh hưởng trực tiếp 31 2.2.1 Khoảng cách vận tải .31 2.2.2 Lượng nước mưa chảy vào mỏ việc bơm nước mưa khỏi mỏ 33 2.2.3 Lượng nước ngầm chảy vào mỏ việc bơm nước ngầm khỏi mỏ 34 2.2.4 Góc dốc kết thúc bờ mỏ 36 2.2.5 Diện tích đất đai phải đền bù phục vụ khai thác mỏ 39 2.2.6 Vấn đề cải tạo khôi phục môi trường sau khai thác 43 2.2.7 Cơ chế sách quản lý nhà nước 43 2.3 Kết luận chương 47 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC HỢP LÝ CHO CÁC MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY KHU VỰC NAM BỘ 48 3.1 Một số đặc điểm biên giới mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nước ta 48 3.2 Cơ sở lý thuyết thực tế xác định chiều sâu mỏ hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm mức thoát nước tự chảy khu vực Đông Nam Bộ 52 3.3 Các bước xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho mỏ đá vật liệu xây dựng nằm mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ 54 3.3.1 Xác định chiều sâu mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng theo điều kiện kỹ thuật .55 3.3.2 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý .57 3.4 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá khai thác .57 3.4.1 Xác định khối lượng lớp đất phủ 57 3.4.2 Xác định khối lượng đá xây dựng 59 iv 3.4.3 Xác định chi phí khai thác chế biến đá xây dựng 61 3.4.4 Xác định giá trị khoáng sản đá xây dựng, đất phủ 64 3.4.5 Trình tự tiến hành xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ .65 3.5 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm mức thoát nước tự chảy chưa khai thác 72 3.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ diện tích chu vi mặt mỏ (biên giới mỏ lộ thiên) với khối lượng đá xây dựng thu hồi biên giới mỏ 72 3.5.2 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ chưa khai thác (xác định giai đoạn thiết kế mỏ lộ thiên) 77 3.6 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ cụm mỏ chưa khai thác 80 3.6 Kết luận chương 87 CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC HỢP LÝ CHO MỎ ĐÁ THƯỜNG TÂN III .88 4.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên cụm mỏ Thường Tân III .88 4.1.1 Điều kiện tự nhiên 88 4.1.2 Điều kiện địa chất 91 4.1.2.3 Khoáng sản 94 4.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 95 4.2 Hiện trạng khai thác .96 4.2.1 Hiện trạng biên giới mỏ 96 4.2.2 Công nghệ khai thác đồng thiết sử dụng 98 4.3 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng Thường Tân III 101 4.4 Kết luận chương 101 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO .106 PHỤ LỤC 111 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ ĐCTV Địa chất thủy văn HSB Hệ số bóc HSBGH Hệ số bóc giới hạn HTKT Hệ thống khai thác NCS Nghiên cứu sinh TNHH Trách nhiệm hữu hạn TPCI Thành phần có ích UBND Ủy ban nhân dân vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 2.1: Góc dốc bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (độ) .37 Bảng 2.2: Sự thay đổi khối lượng đá xây dựng Vxd theo chiều sâu hệ số sử dụng hiệu đất đai khai thác mỏ K d 40 Bảng 3.1: Số lượng mỏ cụm mỏ ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai Bình Dương .50 Bảng 3.2: Biên giới, chiều sâu khai thác trữ lượng mỏ đá thuộc khu vực Thường Tân -Tân Mỹ (xã Thường Tân Tân Mỹ, huyện Bắc Thường Tân) 51 Bảng 3.3: Sự giảm khối lượng đá xây dựng biên giới mỏ tăng tỷ số Km (lấy từ phụ lục 1) 75 Bảng 3.4: Mức độ chênh lệch khối lượng đá xây dựng biên giới mỏ tương ứng với tỷ số Kmo Kmc 76 Bảng 3.5: Kết khảo sát xác định chiều sâu mỏ diện tích mặt mỏ hợp lý 78 Bảng 4.1: Tổng hợp thông số ĐCTV qua kết bơm nước thí nghiệm xác định thơng số ĐCTV theo phương pháp Duypuy .96 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp tiêu chủ yếu biên giới mỏ khai trường theo Thiết kế kỹ thuật 97 Bảng 4.3: Tổng hợp thông số hệ thống khai thác .99 Bảng 4.4: Đồng thiết bị khai thác phụ trợ .100 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình Trang Hình 1.1: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg .9 Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh  Kbg Kgh  KT 12 Hình 1.3: Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian HT chiều sâu H1, H2 13 Hình 1.4: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT 14 Hình 1.5: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+Ksx 16 Hình 2.1: Sơ đồ xác định khoảng cách vận tải đá xây dựng phụ thuộc vào chiều sâu khai thác (x) .33 Hình 2.2: Sự thay đổi chiều sâu mỏ 38 Hình 2.3: Sự phụ thuộc hệ số K d Vxd theo chiều sâu khai thác 41 Hình 2.4: Sơ đồ xác định trữ lượng địa chất Vdc trữ lượng công nghiệp Vkt khai thác mỏ đá xây dựng thông thường, mặt địa hình phẳng 45 Hình 2.5: Sơ đồ xác định mối quan hệ diện tích cấp chiều sâu khai thác 45 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí mỏ nằm liền kề .46 Hình 2.7: Quy mơ tổn thất tài nguyên khai thác mỏ liền kề (a) cách (b) tiến hành khai thác độc lập 47 Hình 3.1: Các trình tự khoanh định biên giới mỏ lộ thiên 53 Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật mặt mỏ có dạng hình chữ nhật 56 Hình 3.3: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật mặt mỏ có dạng gần trịn bình đồ .57 Hình 3.4: Sơ đồ xác định khối lượng đất phủ 58 Hình 3.5: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khai thác đến chiều sâu (x) với mỏ có dạng hình chữ nhật bình đồ 60 viii Hình 3.6: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khai thác đến chiều sâu (x) với mỏ có dạng gần trịn bình đồ 61 Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật tốn tối ưu xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ đá xây dựng nằm mức thoát nước tự chảy 68 Hình 3.8: Giao diện chương trình tính tốn xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm mức nước tự chảy .71 Hình 3.9 Sự phụ thuộc chiều sâu hợp lý mỏ lợi nhuận riêng LR vào diện tích mặt mỏ 79 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí mỏ cụm mỏ 86 Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ khai thác, chế biến đá 98 115 1.5 Trường hợp diện tích mặt mỏ Sm= 300.000 m2 Kích thước mặt mỏ Bm x Lm Tỷ số Km Chiều sâu theo yếu tố kỹ thuật, m Khối lượng xây dựng biên giới mỏ Vxd, m3 534,52 x 561,25 1,05* 171,70 23135900 522,23 x 574,45 1,10 177,68 23107396 510,75 x 587,36 1,15 183,49 22963236 500,00 x 600,00 1,20 189,20 22667298 492,10 x 609,63 1,24** 193,50 22294374 480,38 x 624,50 1,30 188,44 21942844 471,40 x 636,39 1,35 184,68 21664923 462,91 x 648,07 1,40 181,13 21383843 454,85 x 659,54 1,45 177,73 21140155 447,21 x 670,82 1,50 174,56 20883616 439,94 x 681,91 1,55 171,52 20644938 433,01 x 692,82 1,60 168,62 20408238 420,08 x 714,14 1,70 163,18 19953206 408,25 x 734,85 1,80 158,26 19532229 397,36 x 754,98 1,90 153,71 19133533 387,29 x 774,59 2,00 149,49 18731145 *Tương ứng Km= Kmc ** Tương ứng Km= Km0 116 1.6 Trường hợp diện tích mặt mỏ Sm= 400.000 m2 Kích thước mặt mỏ Bm x Lm Tỷ số Km 617,21 x 648,08 1,05* 210,84 35893037 603,02 x 663,13 1,10 217,63 35703642 589,76 x 678,24 1,15 224,43 35280195 579,17 x 690,64 1,19** 230,00 34643811 565,68 x 707,11 1,25 224,13 34080181 554,7 x 721,11 1,30 219,54 33660755 544,33 x 734,85 1,35 215,20 33225126 534,52 x 748,33 1,40 211,10 32813654 525,22 x 761,61 1,45 207,20 32406850 516,39 x 774,61 1,50 203,50 32012402 508,00 x 787,40 1,55 200,00 31633030 500,00 x 800,00 1,60 196,65 32263602 492,36 x 812,41 1,65 193,45 30905442 485,07 x 824,62 1,70 190,39 30555327 471,40 x 848,53 1,80 184,68 29899642 458,83 x 871,78 1,90 179,43 29281663 447,21 x 894,43 2,00 174,56 28697666 *Tương ứng Km= Kmc ** Tương ứng Km= Km0 Chiều sâu theo Khối lượng xây dựng yếu tố kỹ thuật, m biên giới mỏ Vxd, m3 117 1.7 Trường hợp diện tích mặt mỏ Sm= 500.000 m2 Kích thước mặt mỏ Bm x Lm Tỷ số Km 690,06 x 724,57 1,05* 245,30 50310601 674,20 x 741,62 1,10 253,00 49893373 656,05 x 762,14 1,16** 262,00 48676239 645,49 x 774,60 1,20 257,51 48176647 632,45 x 790,57 1,25 252,07 47592495 620,17 x 806,22 1,30 246,93 46912967 608,58 x 821,58 1,35 242,08 46302819 597,61 x 836,66 1,40 237,49 45709810 587,22 x 851,47 1,45 233,15 45136645 577,35 x 866,02 1,50 229,01 44576526 567,96 x 880,34 1,55 225,08 44023799 559,01 x 894,43 1,60 221,34 43518880 550,48 x 908,29 1,65 217,77 43014919 542,32 x 921,95 1,70 214,36 42527669 527,05 x 948,68 1,80 207,97 41599386 512,99 x 974,68 1,90 202,08 40710595 500,00 x 1000,0 2,00 196,65 39909136 *Tương ứng Km= Kmc ** Tương ứng Km= Km0 Chiều sâu theo Khối lượng xây dựng yếu tố kỹ thuật, m biên giới mỏ Vxd, m3 118 1.8 Trường hợp diện tích mặt mỏ Sm= 600.000 m2 Kích thước mặt mỏ Bm x Lm Tỷ số Km Chiều sâu theo yếu tố kỹ thuật, m Khối lượng xây dựng biên giới mỏ Vxd, m3 755,92 x 793,72 1,05* 276,45 66213224 738,54 x 812,40 1,10 284,86 65445865 725,64 x 826,85 1,14** 291,37 64326823 707,10 x 848,53 1,20 283,30 63314035 692,82 x 866,02 1,25 277,33 62365752 679,69 x 883,17 1,30 271,7 61530298 666,66 x 900 1,35 266,38 60780168 654,65 x 916,51 1,40 261,36 59929086 643,26 x 932,72 1,45 256,59 59164174 632,45 x 948,68 1,50 252,0 58412000 622,17 x 964,36 1,55 247,77 57712790 612,37 x 979,79 1,60 243,67 57022234 594,09 x 1009,95 1,70 236,02 55709140 577,35 x 1039,23 1,80 229,02 54481666 561,95 x 1067,71 1,90 222,57 53329223 547,72 x 1095,44 2,00 216,6 52245108 *Tương ứng Km= Kmc ** Tương ứng Km= Km0 119 1.9 Trường hợp diện tích mặt mỏ Sm= 700.000 m2 Kích thước mặt mỏ Bm x Lm Tỷ số Km 816,49 x 857,32 1,05* 305,10 83427049 797,72 x 877,49 1,10 314,18 82236031 789,745 x 886,36 1,12** 318,00 81289460 763,76 x 916,51 1,20 307,01 79543123 748,33 x 935,41 1,25 300,55 78452778 733,80 x 953,94 1,30 294,47 77387489 720,08 x 972,11 1,35 288,73 76352033 707,11 x 989,95 1,40 283,31 75350941 694,81 x 1007,47 1,45 278,16 74385898 683,13 x 1024,69 1,50 273,27 73367450 672,02 x 1041,63 1,55 268,62 72532792 661,44 x 1058,3 1,60 264,20 71658849 641,69 x 1090,89 1,70 255,94 69995201 623,61 x 1122,49 1, 80 248,37 68438113 606,97 x 1153,25 1,90 241,41 66981448 591,61 x 1183,21 2,00 234,98 65615224 *Tương ứng Km= Kmc ** Tương ứng Km= Km0 Chiều sâu theo yếu Khối lượng xây dựng tố kỹ thuật, m biên giới mỏ Vxd, m3 120 Các số liệu dùng để khảo sát mối quan hệ chiều sâu khai thác hợp lý mỏ với lợi nhuận riêng diện tích mặt mỏ - Chiều dầy lớp đất phủ h0 = m; - Góc dốc ổn định tầng đất phủ  = 45o; - Góc dốc kết thúc bờ mỏ  = 42o;  = 38o; - Góc kết thúc bờ mỏ hai đầu  d = 42o; - Lượng mưa trung bình hàng năm F = 1,8 m/năm; - Lượng nước ngầm trung bình chảy vào mỏ qo= 2.400 m3/ngày đêm; - Độ dốc đường hào i = 7%; - Hệ số kéo dài tuyến đường Kd = 1,2; - Khoảng cách vận chuyển đá từ miệng mỏ đến trạm nghiền sàng L = 300 m; - Sản lượng mỏ Ad = 750.000 m3/năm; - Chi phí khoan nổ mìn 18.000 đ/m3; - Chi phí xúc bốc 9.000 đ/m3; - Chi phí nghiền sàng 38.000 đ/m3; - Chi phí khác 28.000đ/m3 (bao gồm chi phí mơi trường, tiền cấp quyền khai thác, thuế tài nguyên, chi phí quản lý…); - Cước vận chuyển ơtơ 13.000 đ/m3.km; - Chi phí để bơm 1m3 nước lên cao 1m 50 đ/m3.m; - Tiền thuê đất phục vụ khai thác 3.000 đ/m2.năm; - Giá trị 1m3 đá xây dựng 175.000 đ/m3; - Chi phí bóc đất phủ bù đắp việc bán để làm vật liệu san lấp (ΔL2 = 0) Bd = 30 m; Ld = 180 m 121 Các số liệu cần thiết dùng để xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ Thường Tân III - Chiều cao trung bình lớp đất phủ h0 = 3,2 m; - Góc dốc ổn định lớp đất phủ  = 40o; - Các góc dốc bờ mỏ  = 44o;  = 39o;  d = 44o; - Lượng mưa trung bình hàng năm F = 2.237 mm/năm; - Lượng nước ngầm trung bình chảy vào mỏ qo= 3.150 m3/ngày đêm; - Độ dốc đường hào i = 8%; - Hệ số kéo dài tuyến đường Kd = 1,2; - Khoảng cách vận chuyển đá từ miệng mỏ đến trạm nghiền sàng L = 760 m; - Sản lượng mỏ Ad = 1.300.000 m3/năm; Chi phí khơng thay đổi để khai thác chế biến 1m3 đá Ckt = 80.402 đồng/m3 bao gồm: - Chi phí khoan nổ mìn Ckn = 24.388 đồng/m3; - Chi phí xúc bốc Cxb = 7.000 đồng/m3; - Chi phí nghiền sàng 24.250 đồng/m3; - Thuế tài nguyên 11.000 đồng/m3; - Trả tiền để quyền khai thác Cq = 7.917 đồng/m3; - Phí mơi trường Cmt = 3.400 đồng/m3; - Chi phí khác Ck = 2.447 đồng/m3; - Cước vận tải Sc = 5.500 đồng/t.km; - Chi phí để bơm 1m3 nước lên cao 1m Cbn = 25 đồng/m3.m; - Tiền thuê đất Cd = 6.700 đồng/m2.năm; - Diện tích mặt mỏ Sm = 418.200 m2; - Chiều rộng mặt mỏ Bm = 600 m; chiều dài mặt mỏ Lm = 697 m 122 Chương trình tính toán xác định chiều sâu khai thác hợp lý mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm mức thoát nước tự chảy 123 124 125 126 127 128 129