Trên cơ sở phân tích đặc điểm tính chất đất đá bờ mỏ, các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng, ổn định bờ mỏ, bài viết đề xuất hình dạng bờ mỏ phù hợp cho các mỏ than lộ thiên Việt Nam.
THƠNG TIN KHOA HỌC CƠNG NGHỆ MỎ ĐỀ XUẤT HÌNH DẠNG BỜ MỎ PHÙ HỢP TẠI CÁC MỎ THAN LỘ THIÊN VIỆT NAM TS Đỗ Ngọc Tước, TS Đoàn Văn Thanh Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin TS Trần Đình Bão Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Biên tập: TS Lưu Văn Thực Tóm tắt: Các mỏ than lộ thiên Việt Nam ngày khai thác xuống sâu, bờ mỏ cao, kích thước khai trường hạn chế, cường độ khai thác tăng tầng tồn bờ Trên sở phân tích đặc điểm tính chất đất đá bờ mỏ, yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng, ổn định bờ mỏ, báo đề xuất hình dạng bờ mỏ phù hợp cho mỏ than lộ thiên Việt Nam Đặc điểm bờ mỏ lộ thiên Bờ mỏ lộ thiên kết hoạt động khai thác sau nhiều năm tạo thành dạng cấu trúc đặc biệt Bờ mỏ lộ thiên kết hợp với đất đá địa tầng đất tạo thành thể thống nhất, nằm vùng ứng lực trái đất, ngồi chịu tác động loại ứng lực tự nhiên Bên cạnh đó, bờ mỏ đối tượng hoạt động mỏ lộ thiên, chịu ảnh hưởng trực tiếp hoạt động khai thác Bờ mỏ lộ thiên có đặc điểm sau: - Các bờ mỏ lộ thiên thường có kích thước tương đối lớn, chiều cao từ 300 ÷ 600 m; chiều dài bờ mỏ lớn 0,5 ÷ 5,0 km Diện bóc lộ lớp đất đá bờ mỏ lớn, điều kiện địa chất đất đá bờ mỏ có khác biệt lớn, biến đổi phức tạp - Bờ mỏ hình thành trình khai thác nên đất đá bị phá vỡ, nứt nẻ nhiều làm cho q trình phong hóa đất đá trở nên dễ dàng - Dạng phá hủy bờ mỏ chủ yếu sạt trượt - Trên bờ mỏ lơ thiên thường xun phải thực nổ mìn làm tơi đất đá, thiết bị khai thác, vận tải hoạt động nên thường xuyên chịu tác động chấn động - Trình tự hình thành bờ mỏ lộ thiên từ xuống dưới, thời gian tồn phần bờ dốc khác Phần bờ có thời gian tồn dài, phần có thời gian tồn ngắn hơn, trí tầng có thời gian tồn vài tháng, góc dốc đới bờ mỏ khác - Đối với đoạn bờ dốc khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng có yêu cầu hệ số ổn định khác Đối với khu vực bờ mỏ bên có cơng trình cần bảo vệ bên khơng gian khai thác u cầu Bảng Các thơng số hình học mỏ số mỏ than lộ thiên Việt Nam TT Tên mỏ Đèo Nai Cọc Sáu Cao Sơn Đèo Nai - Cọc Sáu Tây Nam Đá Mài Hà Tu Na Dương Khánh Hòa Chiều dài mặt, m 3370 2220 3220 2200 1277 2585 2898 1550 Chiều rộng mặt, m 1620 1680 2350 1900 850 1315 1840 1140 Cao độ đáy mỏ, m -225 -300 -325 -350 -300 -250 +18 -400 Chiều cao bờ mỏ, m 497 615 695 715 360 420 320 440 KHCNM SỐ 6/2019 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LỘ THIÊN 13 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ ổn định tương đối cao; với khu vực khơng có cơng trình cần bảo vệ, ảnh hưởng đến sản xuất yêu cầu hệ số ổn định thấp Các mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam có dạng: «Trên sườn núi, moong sâu», đất bóc tập trung phía trên, than nằm phía sâu; chiều cao bờ công tác lớn, với yêu cầu ngày cao cơng suất mỏ cường độ bóc đất tầng tăng Các thơng số hình học mỏ thể bảng [1, 2] Bờ mỏ lộ thiên Việt Nam chủ yếu loại đất đá cát kết, bột kết, sét kết, cuội sạn kết hình thành, đất đá phân lớp rõ ràng, địa tầng thường tồn lớp đất đá yếu, phay phá, đứt gãy làm giảm tính chất lý đất đá Các mặt trượt bờ mỏ chủ yếu xảy theo mặt tiếp xúc lớp đất đá, lớp yếu, đứt gãy Khi khai thác xuống sâu, độ cứng đất đá tăng lên, độ khối tăng độ nứt nẻ giảm Các dạng bờ mỏ lộ thiên Khai thác mỏ lộ thiên kèm với gia tăng chiều sâu khai thác, nêu rõ giải pháp cho vấn đề tác động môi trường mỏ, giải pháp kết cấu bờ mỏ đảm bảo ổn định đời mỏ, ngăn ngừa biến dạng đất đá Khai thác xuống sâu làm thay đổi động thái vận động nước ngầm, làm giảm liên kết lớp đất đá Đây nguyên nhân làm giảm độ ổn định bờ mỏ, ảnh hưởng trực tiếp đến công nghệ khai thác Hiện nay, phần lớn mỏ than sâu lộ thiên Việt Nam khai thác với chiều cao bờ mỏ từ 300 m đến 600 m Do đó, việc tính tốn xác định thơng số mỏ lộ thiên sâu, đặc biệt góc dốc bờ mỏ, ảnh hưởng trực tiếp đến khối lượng đất đá cần phải bóc, chiều sâu khai thác, tiêu kinh tế kỹ thuật, mơi trường, tính khả thi hiệu dự án, đảm bảo an toàn hoạt động khai thác mỏ Vì vậy, vấn đề lựa chọn hình dạng bờ mỏ để đảm bảo cho bờ mỏ có dự trữ ổn định cực tiểu với khối lượng bóc đất nhỏ có ý nghĩa tích cực khai thác mỏ lộ thiên sâu Đất đá bờ mỏ khu vực khác khơng đồng nhất, trình tự hình thành bờ mỏ từ xuống dưới, từ xuống dưới, góc dốc bờ mỏ khơng giống nhau, tạo nên hình dạng bờ mỏ khác Bờ mỏ thường tồn dạng: Bờ phẳng, bờ lồi, bờ lõm (Hình 1), 14 a) b) c) Hình Các dạng kết cấu bờ mỏ a) dạng bờ phẳng; b) dạng bờ lồi; c) dạng bờ lõm hình dạng bờ mỏ xác định theo hàm số sau: (1) Trong đó: fAB - Đường xác định điểm A B (điểm A thấp điểm B); ds - chiều dài đường xác định điểm A B, m Trong thiết kế bờ mỏ thường fAB có giá trị xác định fAB = tgα, nhiên, thực tế khai thác ảnh hưởng nhiều yếu tố khác mà từ lên fAB thường nhỏ dần Khi fAO > fOB bờ mỏ có dạng bờ lồi, fAO < fOB bờ mỏ có dạng bờ lõm fAO = fOB bờ mỏ có dạng bờ phẳng Hình dạng bờ mỏ phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Tính chất lý đất đá, nước ngầm, chấn động, thời gian tồn xác định dựa yếu tố bản: (i) đảm bảo ổn KHCNM SỐ 6/2019 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LỘ THIÊN THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ định cho bờ mỏ; (ii) đảm bảo khối lượng đất bóc biên giới nhỏ Các yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng ổn định bờ mỏ Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hình dạng ổn định bờ mỏ, mức độ ảnh hưởng khác phức tập: - Thành phần cấu tạo đất đá (tính chất lý), kết cấu đất đá địa tầng (đặc tính phân lớp, góc dốc, đứt gãy, độ nứt nẻ) - Nước mặt nước ngầm, chấn động, phong hóa thời gian tồn hình dạng bờ mỏ 3.1 Ảnh hưởng tính chất lý đất đá Tính chất lý đất đá bao gồm độ bền kháng nén, kháng cắt, kháng kéo, độ rỗng, độ ẩm, mật độ, độ nứt nẻ,… Các tiêu lý có ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định bờ mỏ bao gồm: - Độ bền kháng cắt, đặc trưng lực dính kết C góc ma sát φ Hai thơng số thường sử dụng để tính toán định lượng độ ổn định bờ mỏ - Độ bền vững phụ thuộc vào độ bền đất đá, biểu thị tỷ số độ bền đất đá sau thời gian trực tiếp chịu tác động mưa, nắng, gió, nhiệt độ… so với độ bền ban đầu ngun khối - Tính lưu biến thể tính chất đất đá biến dạng dư theo thời gian - Độ ẩm làm thay đổi độ bền kháng cắt đất đá, đất đá chứa sét - Khối lượng riêng đại lượng gây nên trọng lực làm trượt khối đá - Độ nứt nẻ đất đá chất lấp nhét khe nứt có ảnh hưởng làm yếu cấu trúc đất đá, giảm độ bền vững bờ Tính chất lý đất đá ảnh hưởng lớn lớn đến độ ổn định của bờ mỏ Bên cạnh đó, tính chất lý đất đá khu vực khác bờ mỏ không đồng Theo kinh nghiệm khai thác nghiên cứu mỏ lộ thiên sâu giới khai thác xuống sâu, độ nứt nẻ đất đá giảm, độ cứng đất đá tăng Mối quan hệ lực dính kết góc nội ma sát đất đá theo chiều sâu thể tren hình [3] Kết phân tích hình cho thấy: Giá trị góc nội ma sát lực dính kết đất đá tăng theo chiều sâu Điều có ý nghĩa quan trọng việc cao góc dốc kết thúc phần bờ mỏ, góp phần giảm khối lượng đất bóc biên giới mà đảm bảo an tồn cho bờ mỏ Hình Góc nội ma sát đất đá theo chiều sâu Hình Lực dính kết đất đá theo chiều sâu 3.2 Ảnh hưởng cấu tạo địa chất khoáng sàng Các đá mắc ma có cấu tạo đồng ln tạo cho bờ mỏ có độ bền vững lớn bờ mỏ chứa đồng loại mắc ma Các đá biến chất thể tính đa dạng, có nguồn gốc hình thành từ nhiều đá khác Nhìn chung đá biến chất có độ bền lớn, nhiên thường kèm với kiến tạo phức tạp đứt gãy, uốn nếp, nứt nẻ,… gây bất lợi cho độ ổn định bờ Các đá trầm tích có cấu tạo phân lớp có góc cắm khác nằm ngang, dốc thoải, dốc nghiêng, dốc đứng uốn nếp Góc cắm hướng cắm lớp đá có ảnh hưởng đến độ ổn định bờ Khi đất đá có hướng cắm ngược chiều với sườn dốc bờ độ ổn định bờ lớn nhiều so với trường hợp ngược lại Sự phân lớp vỉa đá nguyên nhân gây sụt lở, bờ mỏ có chứa lớp đất đá yếu, cắm chiều với hướng dốc bờ mỏ Để nghiên cứu ảnh hưởng góc cắm lớp đá tới ổn định bờ mỏ, đề tài tiến hành lập mô hình phân tích ổn định bờ mỏ góc cắm lớp đất đá thay đổi α = -750 ÷ +750 ( α < hướng cắm ngược chiều với sườn dốc bờ mỏ, α > KHCNM SỐ 6/2019 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LỘ THIÊN 15 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ hướng cắm chiều với sườn dốc bờ mỏ), chiều cao bờ 300 , góc dốc kết thúc 350 Kết phân tích xem hình Từ cơng thức (2)÷(5) ta có: σ '= σ −σ w ; τ ' =τ (6) Từ công thức (6) cho thấy, bờ mỏ chứa nước ngầm, đất đá trạng thái bão hòa ứng suất cắt khơng có thay đổi ứng suất pháp giảm giá trị σw so với trạng thái đất đá khơng bão hòa Theo định luật mor-colum ta có: (7) Thay (6) vào (7) ta có: Hình Mối quan hệ góc cắm lớp đất đá hệ số ổn định bờ mỏ Kết phân tích hình cho thấy: Bờ mỏ có hệ số ổn định cao lớp đất đá có hướng cắm ngược với hướng dốc bờ Khi hướng cắm lớp đất đá chiều với hướng cắm bờ hệ số ổn định bờ thấp hơn, hệ số ổn định thấp đất đá cắm vào với góc dốc từ 25÷350, sau tăng dần góc cắm tăng lên giảm Do đó, cần có giải pháp phù hợp tính tốn thơng số bờ mỏ, đảm bảo khai thác an toàn, hiệu 3.3 Ảnh hưởng nước ngầm Nước ngầm có ảnh hưởng lớn tới ổn định bờ mỏ, ảnh hưởng nước bao gồm: giảm tính chất lý đất đá, tạo áp lực nước tĩnh áp lực nước động tác động làm tăng lực gây trượt [3] * Áp lực nước tĩnh Ứng suất pháp ứng suất cắt đất đá xác định sau: σ= σ1 + σ τ= σ1 − σ 2 + σ1 − σ sin 2α cos 2α (3) (2) (8) Trong đó: C - lực dính kết đất đá, kPa; ϕ - góc nội ma sát đất đá, độ Từ công thức cho thấy, cường độ kháng cắt đất đá giảm rõ rệt địa tầng bờ mỏ tồn nước ngầm * Áp lực nước động Áp lực nước động dòng chảy ngầm địa tầng tạo lực kéo, hướng lực kéo định hướng dòng chảy độ lớn xác định dựa cao trình mực nước ngầm (hình 4) Hình Vận động nước ngầm địa tầng Theo thuyết cân giới hạn, bờ mỏ chịu tác động nước ngầm, hệ số ổn định xác định sau [3]: Trong đó: σ1, σ3 - ứng suất lớn nhỏ nhất, α - góc mặt phá vỡ đất đá ứng suất lớn Khi bờ mỏ tồn nước ngầm, đất đá trạng thái bão hòa, ứng suất pháp ứng suất cắt xác định sau: (9) Trong đó: T- áp lực nước động, Kpa; v- tốc độ dòng chảy, m/s; q- lưu lượng dòng chảy, m3/s; b - chiều dày tầng chứa nước, m; Jf - độ dốc ( σ − σ w ) + (σ − σ w ) (σ − σ w ) − (σ − σ w ) áp lực nước, %; γw - dung trọng nước, t/ σ '= cos 2α (4) + 2 m3; h - chiều cao cột nước động khe nứt thẳng đứng, m; L- chiều dài mặt trượt, m; β - góc σ − σ w ) − (σ − σ w ) ( nghiêng đáy mặt trượt, độ τ' ⋅ sin 2α (5) Từ công thức (9) cho thấy: Hệ số ổn định bờ 16 KHCNM SỐ 6/2019 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LỘ THIÊN THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ mỏ tỷ lệ nghịch với áp lực dòng nước ngầm Lựa chọn dạng bờ mỏ hợp lý Sử dụng phần mềm SLOPE/W tính tốn so sánh mức độ ổn định bờ mỏ với thông số đặc trưng cho bờ mỏ lộ thiên Việt Nam: chiều cao bờ mỏ 300 m; góc dốc kết thúc bờ thay đổi từ 35÷43° Thơng số lý đất đá: lực dính kết C = 112,4 KN/m2, góc nội ma sát φ = 31,2°, khối lượng thể tích đất đá γ = 2,63 kg/cm3 Kết tính tốn ổn định theo dạng bờ mỏ thể hình Hình Quan hệ hình dạng bờ mỏ với hệ số ổn định Kết tính tốn hình cho thấy: Trong điều kiện cụ thể, bờ mỏ lồi có hệ số ổn định cao bờ phẳng bờ lõm Do sở phương diện ổn định, lựa chọn hình dạng bờ mỏ lồi có lợi Như vậy, với điều kiện mơ hình mặt cắt đặc trưng lập, giải tốn hình học cho thấy với hệ số ổn định Fs =1,1 khối lượng đất bóc 1m dài bờ mỏ sử dụng bờ lồi nhỏ so với bờ phẳng 2.416 m3 nhỏ so với bờ lõm 7.092 m3 Như vậy, với chiều dài trung bình bờ mỏ lộ thiên Việt Nam từ 1.000 ÷ 1.500 m, khối lượng đất bóc sử dụng bờ lồi giảm từ 2,4 ÷ 10,6 triệu m3 so với bờ lõm bờ phẳng Do đó, sử dụng bờ mỏ lồi khơng có lợi mặt ổn định bờ mỏ, mà làm giảm đáng kể khối lượng đất bóc biên giới mỏ Kết luận Qua phân tích, tính tốn thấy rằng: Kết cấu bờ mỏ dạng lồi làm tăng độ ổn định bờ giảm khối lượng đất bóc Tuy nhiên, tính khơng đồng lớp đất đá bờ mỏ, khu vực bờ mỏ cắt qua lớp đất đá yếu, đứt gãy cần phải giảm góc dốc bờ mỏ khu vực này, tạo lên bờ mỏ lộ thiên dạng lồi lõm kết hợp Như vậy, bờ mỏ dạng lồi lõm phù hợp với mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam Tài liệu tham khảo: Lưu Văn Thực, 2012 Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật công nghệ khai thác theo hướng đại hoá mỏ than lộ thiên vùng Quảng Ninh Đề tài cấp Nhà nước, Hà Nội Đỗ Ngọc Tước, 2012 Nghiên cứu giải pháp nhằm đáp ứng sản lượng, nâng cao hiệu mức độ an tồn mỏ than hầm lò, lộ thiên công suất lớn khai thác xuống sâu Đề tài cấp Nhà nước, Hà Nội Han Liu, 2015 Theory analysis and experiental reseach for time-rependent slope stability in surface mine China University of mining and technology Suggestions for mine berm shapes suitable for open pit coal mines of Vietnam Dr Doan Van Thanh, Vinacomin – Institute of Mining Science and Technology Dr Tran Dinh Bao, Hanoi University of Mining and Geology Abstract: Open-cast coal mines in Vietnam are increasingly being exploited deeply, this causes the high mine berms, the limited the field size, the increasing intensity of exploitation on each floor and the whole berm, etc On the analysis basis of characteristics amd properties of rock in the berm, the factors affecting the shape, stabilization of the mine berm, the paper proposes the shape of the mine berm suitable for open pit coal mines of Vietnam KHCNM SỐ 6/2019 * CÔNG NGHỆ KHAI THÁC LỘ THIÊN 17 ... tự hình thành bờ mỏ từ xuống dưới, từ xuống dưới, góc dốc bờ mỏ khơng giống nhau, tạo nên hình dạng bờ mỏ khác Bờ mỏ thường tồn dạng: Bờ phẳng, bờ lồi, bờ lõm (Hình 1), 14 a) b) c) Hình Các dạng. .. kết hợp Như vậy, bờ mỏ dạng lồi lõm phù hợp với mỏ than lộ thiên sâu Việt Nam Tài liệu tham khảo: Lưu Văn Thực, 2012 Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật cơng nghệ khai thác theo hướng đại hố mỏ than lộ. .. tốn ổn định theo dạng bờ mỏ thể hình Hình Quan hệ hình dạng bờ mỏ với hệ số ổn định Kết tính tốn hình cho thấy: Trong điều kiện cụ thể, bờ mỏ lồi có hệ số ổn định cao bờ phẳng bờ lõm Do sở phương