NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ DỊ HƯỚNG ĐỘ BỀN CỦA ĐÁ PHÂN LỚP, PHÂN PHIẾN, NỨT NẺ ĐẾN SỰ ỔN ĐỊNH CỦA CÔNG TRÌNH NGẦM THỦY CÔNG

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LỊNG SƠNG Ở VIỆT NAM NHẰM ĐẢM BẢO AN TỒN, BẢO VỆ MƠI TRƯỜNG VÀ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN XN QUANG NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LỊNG SƠNG Ở VIỆT NAM NHẰM ĐẢM BẢO AN TỒN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG VÀ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 62.52.06.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HỒ SĨ GIAO TS LẠI HỒNG THANH HÀ NỘI - 2017 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN vii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ TRONG LUẬN ÁN viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN ix MỞ ĐẦU 1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học: 5.2 Ý nghĩa thực tiễn: Những luận điểm bảo vệ Những điểm luận án Bố cục luận án LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LỊNG SƠNG TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Tổng quan tình hình khai thác cát lòng sơng giới Việt Nam 1.1.1 Tổng quan tình hình khai thác cát giới 1.1.2 Tổng quan tình hình khai thác, sử dụng cát Việt Nam 1.2 Tổng quan công nghệ khai thác cát lòng sơng 10 1.2.1 Cơng nghệ khai thác cát lòng sơng thiết bị giới 10 1.2.1.1 Khai thác máy xúc thủy lực gầu ngược 10 1.2.1.2 Khai thác máy xúc gầu thuận .11 1.2.1.3 Khai thác máy xúc gầu ngoạm máy xúc gầu treo 12 iv 1.2.1.4 Khai thác tàu cuốc .13 1.2.2 Cơng nghệ khai thác cát lòng sơng thiết bị thủy lực 15 1.2.2.1 Khai thác bơm bùn 15 1.2.2.2 Khai thác tàu hút bùn 17 1.2.3 Công nghệ khai thác hỗn hợp 18 1.3 Tổng quan kết nghiên cứu cơng nghệ khai thác cát lòng sơng 18 1.4 Kết luận Chương 22 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN - KĨ THUẬT ẢNH HƯỞNG ĐẾN VÙNG XÓI LỞ KHI KHAI THÁC CÁT LỊNG SƠNG 24 2.1 Cơ sở lý thuyết hình thành vùng xói lở đất đá khai thác cát lòng sơng 24 2.1.1 Xác định thơng số vùng xói lở phía hạ nguồn 28 2.1.2 Xác định thơng số vùng xói lở phía thượng nguồn 31 2.1.3 Xác định thơng số khối trầm tích ranh giới khai trường 33 2.2 Thực nghiệm nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến vùng xói lở 34 2.2.1 Mơ hình thực nghiệm .34 2.2.2 Q trình thực cơng tác nghiên cứu 35 2.2.3 Nghiên cứu yếu tố tự nhiên – kĩ thuật ảnh hưởng đến vùng xói lở .36 2.2.3.1 Ảnh hưởng tốc độ dòng chảy 36 2.2.3.2 Ảnh hưởng đường kính cỡ hạt .38 2.2.3.3 Ảnh hưởng độ dốc lòng sơng 40 2.2.3.4 Ảnh hưởng chiều dài khai trường 41 2.2.3.5 Ảnh hưởng chiều sâu khai trường 43 2.3 Thiết lập phụ thuộc bán kính vùng xói lở với thông số tự nhiên - kĩ thuật 45 2.4 Kết luận chương .48 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC ĐẢM BẢO HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ GIẢM THIỂU VÙNG XÓI LỞ 50 3.1 Khái quát tiềm cát lòng sơng Việt Nam .50 3.1.1 Tiềm năng, trữ lượng cát xây dựng 50 v 3.1.2 Nguồn gốc thành tạo đặc điểm phân bố 55 3.1.3 Đặc điểm địa chất số mỏ cát lòng sơng 56 3.1.4 Dự báo nhu cầu khai thác, sử dụng cát lòng sơng Việt Nam 61 3.1.5 Cân đối cung – cầu cát xây dựng 61 3.2 Phân loại mỏ phục vụ công tác lựa chọn công nghệ khai thác 62 3.3 Nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ khai thác phù hợp điều kiện Việt Nam 63 3.3.1 Công nghệ khai thác máy xúc thủy lực gàu ngược 64 3.3.2 Công nghệ khai thác tầu hút bùn 69 3.4 Lựa chọn đồng thiết bị khai thác 74 3.5 Tính tốn minh họa khoảng cách an tồn cho mỏ cát sơng Tiền, đoạn gần cầu Mỹ Thuận, thuộc địa phận tỉnh Vĩnh Long .82 3.5.1 Đặc điểm khu vực tính tốn 82 3.5.2 Chế độ dòng chảy 83 3.5.3 Tài nguyên cát 83 3.6 Kết luận Chương 86 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ TÀI NGUN CÁT LỊNG SƠNG Ở VIỆT NAM 88 4.1 Thực trạng công tác quản lý khai thác cát lòng sơng 88 4.1.1 Khái quát chung .88 4.1.2 Thực trạng hệ thống sách, pháp luật hoạt động quản lý khai thác cát lòng sơng 89 4.1.2.1 Ưu điểm 90 4.1.2.2 Tồn tại, hạn chế 91 4.1.3 Hiện trạng cơng tác cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sơng .97 4.2 Cơ sở khoa học thực tiễn để đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quản lý tài nguyên cát lòng sơng 100 4.2.1 Sự thay đổi chế độ thủy văn bán kính vùng phá hủy 100 4.2.2 Sự thay đổi trữ lượng mỏ 100 vi 4.2.3 Cơ sở hệ thống sách, pháp luật quản lý tài ngun cát lòng sơng 101 4.3 Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quản lý tài nguyên cát lòng sơng 102 4.3.1 Về vấn đề kỹ thuật 102 4.3.1.1 Đối với công tác thăm dò, đánh giá trữ lượng 102 4.3.1.2 Đối với công tác thiết kế khai thác mỏ .103 4.3.1.3 Đối với công nghệ khai thác 103 4.3.2 Về vấn đề quản lý 104 4.3.3 Đề xuất hướng nghiên cứu 105 4.4 Kết luận Chương 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 108 Kết luận 108 Kiến nghị 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 CÁC CƠNG TRÌNH CĨ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 vii LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết đề xuất luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án Nguyễn Xuân Quang viii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1 Khối lượng khai thác vật liệu đáy sông thượng lưu sông Mekong Bảng 1.2 Quy hoạch công suất sản lượng cát xây dựng Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật số loại tàu cuốc gầu Bảng 1.4 Đặc tính kỹ thuật số máy bơm bùn có cơng suất lớn Bảng 1.5 Phạm vi sử dụng loại thiết bị khai thác cát lòng sơng Bảng 2.1 Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng tốc độ dòng chảy đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.2 Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng kích thước cỡ hạt đất đá đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.3 Các thơng số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng độ dốc lòng sơng đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.4 Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài khai trường đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.5 Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng chiều sâu khai trường đến bán kính vùng xói lở Bảng 3.1: Trữ lượng cát xây dựng vùng Bảng 3.2 Bảng thống kê tính giá trị trung bình thành phần độ hạt cát sỏi sơng Gâm thuộc Xuân Quang, xã Ngọc Hội, thị trấn Vĩnh Lộc Bảng 3.3 Kích thước độ hạt cát sỏi khu vực xã Trị Quận, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ Bảng 3.4: Thành phần độ hạt mỏ cát sông Tiền Bảng 3.5: Nhu cầu cát xây dựng Việt Nam đến 2015 đến 2020 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình 1.1 Khai thác cát lòng sơng máy xúc thuỷ lực gàu ngược Hình 1.2 Cơng nghệ khai thác bãi cát phần hoàn toàn máy xúc gầu thuận đặt tầu (phà) Hình 1.3 Khai thác cát lòng sơng Liên bang Nga Ukraina Hình 1.4 Sơ đồ hoạt động tàu cuốc gầu hoạt động theo nguyên lý chu kỳ Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ cát có chiều sâu ngập nước lớn Hình 1.6 Mơ hình khai thác cát bơm bùn lắp phà (a) bơm bùn lắp máy xúc thủy lực (b) Hình 1.7 Sơ đồ bố trí thiết bị tàu hút Hình 1.8 Cơng nghệ khai thác theo chiều sâu khai thác 19 Hình 1.9 Trình tự khai thác tàu hút bùn Hình 1.10 Mơ tả hình hình thành dòng bùn hướng khai thác xi dòng (a) ngược dòng chảy (b) Hình 2.1 Sơ đồ hình thành vùng xói lở phía thượng nguồn hạ nguồn khai thác cát lòng sơng Hình 2.2 Sơ đồ biểu thay đổi thơng số thủy văn vùng xói lở khai thác khống sản lòng sơng Hình 2.3 Sơ đồ ngun lý hình thành vùng chuyển động xốy dòng chảy ranh giới thượng nguồn hạ nguồn Hình 2.4 Sơ đồ xác định thơng số vùng xói lở phía hạ nguồn Hình 2.5 Sơ đồ xác định thơng số vùng xói lở phía thượng nguồn Hình 2.6 Sơ đồ hình thành vùng xói lở trầm tích đất đá phía thượng nguồn khai trường (a) phía hạ nguồn khai trường (b) Hình 2.7 Mơ hình thực nghiệm nghiên cứu vùng xói lở khai thác cát lòng sơng Hình 2.8 Minh họa hình ảnh trước (a) sau thực nghiệm (b) x Hình 2.9 Sự phụ thuộc bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn hạ nguồn vào tốc độ dòng chảy Hình 2.10 Sự phụ thuộc bán kính vùng phá hủy phía thượng nguồn hạ nguồn vào đường kính cỡ hạt đất đá Bảng 2.3 Các thơng số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng độ dốc lòng sơng đến bán kính vùng xói lở Hình 2.11 Sự phụ thuộc bán kính vùng phá hủy phía thượng nguồn hạ nguồn vào độ dốc lòng sơng Hình 2.12 Sự phụ thuộc bán kính vùng xói lở vào chiều dài khai trường Hình 2.13 Sự phụ thuộc bán kính vùng xói lở vào chiều sâu khai thác Hình 2.14 Sơ đồ xác định điểm bán kính vùng sạt lở phía thượng nguồn Hình 3.1 Bản đồ phân bố hệ thống sơng Việt Nam Hình 3.2 Đặc điểm vùng lưu vực sơng Hình 3.2 Sơ đồ công nghệ khai thác mỏ cát sa khoáng khu vực vùng thượng nguồn máy xúc thủy lực gàu ngược lắp phà Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý xác định chiều sâu xúc máy xúc thủy lực gàu ngược đặt phà Hình 3.5 Sơ đồ cơng nghệ khai thác cát lòng sơng tầu hút bùn Hình 3.6 Sơ đồ xác định chiều rộng gương công tác tàu hút bùn Hình 4.1 – Sơ đồ quy trình quản lý, cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sơng ... [16] Vị trí khai thác Khối lượng khai thác (m3/năm) Thượng lưu Vientiane 87.000 Vientiane - Savanaketh Savanaketh - Champasak Campuchia: thượng lưu Kongpong Cham Campuchia - Biên giới Việt Nam 580.000