2.1. Các điều kiện địa chất mỏ ảnh hưởng đến công nghệ khai thác
2.1.7. Đặc điểm địa chất thuỷ văn
1- Một số yếu tố ảnh h−ởng đến điều kiện địa chất thủy văn - Địa hình
Địa hình khu mỏ than Hà Lầm bị phân cắt mạnh, thấp dần từ Bắc xuống Nam, độ dốc các sườn đồi từ 150 -:- 35o. Hiện tại nơi thấp nhất có độ cao trung bình -45m (đáy moong), nơi cao nhất đạt đến gần 200m. Địa hình nguyên thuỷ chỉ còn một phần diện tích rất nhỏ phía Nam và Tây Nam. Phần lớn diện tích còn lại thuộc công tr−ờng khai thác lộ thiên Vỉa 14 Bắc Hữu Nghị của Công ty CP than Hà Lầm và công tr−ờng khai thác vỉa 14 của Công ty than Núi Béo đang khai thác. Do ảnh h−ởng của quá trình khai thác lộ thiên và hầm lò một số nơi mặt địa hình bị rạn nứt và sụt lún đã tạo điều kiện cho nước mặt, nước mưa ngấm xuống bổ sung cho nước dưới đất và chảy vào lò khai thác.
- KhÝ hËu
Khí hậu ở đây mang đặc tính khí hậu nhiệt đới gió mùa, có hai mùa rõ rệt, mùa m−a và mùa khô. Hàng năm mùa m−a kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Theo tài liệu của trạm khí t−ợng Bãi Cháy trong 30 năm qua cho thấy tổng l−ợng m−a hàng năm giao
động từ 1500 đến 2500mm. L−ợng m−a chủ yếu tập trong vào tháng 7, 8 và tháng 9, chiếm tới 75-:- 90% lượng mưa cả năm. Cường độ mưa lớn nhất 64mm/giờ, l−ợng m−a lớn nhất trong ngày 289.90mm, số ngày m−a trong năm dao động từ 53 đến 138 ngày, trung bình 80 đến 90 ngày trong năm. L−ợng nước mưa hàng năm đã cung cấp cho nước dưới đất thông qua các khe nứt, đới
sụt lún làm cho mực n−ớc ngầm về mùa m−a dâng cao hơn mùa khô một cách rõ rệt.
Hoạt động khai thác:
+ Khai thác hầm lò: Một phần diện tích mỏ than Hà Lầm do Công ty than Hà Lầm đang khai thác lò giếng ở mức -50, ph−ơng pháp khai thác lò chợ, phá hoả toàn phần, chính vì vậy đã gây ra đới sụt lún kèm theo rạn nứt bề mặt tạo cho nước mưa ngấm xuống bổ sung cho nước dưới đất và làm tăng l−ợng n−ớc chảy vào hệ thống khai thác vào mùa m−a. Đồng thời trong quá
trình khai thác đã liên tục bơm tháo khô mỏ nên trong phạm vi khai thác hầm lò mực nước ngầm đã hạ thấp đáng kể.
+ Khai thác lộ thiên: Công tr−ờng khai thác vỉa 14 của công ty than Núi Béo và công trường Vỉa14 Bắc Hữu Nghị của mỏ Hà Lầm đã khai thác đến mức cao -45, các moong khai thác có diên tích khá lớn, đây là nơi tích đọng nước mưa cũng như nước dưới đất, sau này sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình khai thác lò giếng ở phần sâu.
2 - N−ớc mặt - Nuíc suèi
N−ớc mặt trong khu mỏ tập trung chủ yếu ở các suối chính Hà Lầm, bắt nguồn từ trung tâm khu mỏ chảy theo hướng tây nam rồi đổ ra vịnh. Lòng các con suối thường rộng từ 3 đến 5m, nằm trên địa hình tương đối bằng phẳng, lưu lượng nước suối phụ thuộc vào nước mưa. Theo kết quả quan trắc trước
đây cho thấy lưu lượng của suối Hà Lầm có Qmin = 0,11 (l/s), Qmax = 114,5 (l/s) Sau trận mưa rào to từ 30 phút đến 1 giờ lượng nước tăng rất nhanh, hình thành dòng lũ chảy xiết cuốn theo đất đá thải nên không đo được lưu lượng, ngừng mưa từ 1 đến 3 giờ lưu lượng và vận tốc dòng nước giảm dần. Nguồn cung cấp cho nước suối chủ yếu là nước mưa và một phần nhỏ nước dưới đất.
Kết quả phân tích thành phần hoá học n−ớc tr−ớc đây ở các suối trong khu mỏ cho thấy: Tổng độ khoáng hoá (M) < 0,500 g/l . Độ PH từ 4,3 đến 8,3, trung bình 6,7 thuộc loại nước nhạt, a xít yếu đến trung tính. Tổng độ cứng
biến đổi từ 0,15 – 14.58 độ đức thuộc loại nước rất mềm đến mềm. Loại hình hoá học của n−ớc chủ yếu là Bicacbonát Clorua, Clorua Bicácbônát Natri Canxi hoặc Sun phát Natri, có khả năng ăn mòn cácbônát (bê tông).
Kết quả phân tích gần đây nhất cho thấy thành phần hoá học của n−ớc
đã có sự biến đổi rất nhiều. Độ PH của nước từ 3,6 ữ 6,2, nước thuộc loại axít yếu đến axít mạnh, loại hình hoá học của nước chủ yếu là Sunphát - Clorua Natri. Nguyên nhân dẫn đến thành phần hoá học của nước biến đổi là do quá
trình khai thác n−ớc từ các lò khai thác chảy trực tiếp ra các nhánh suối. Bản thân nước trong các lò khai thác chảy qua các lớp đá và vỉa than có chứa các khoáng vật Sunfua (Fe2S), những khoáng vật này bị ôxy hoá làm tăng hàm lượng ion H+và ion S04-- trong nước dẫn đến nước có tính axít và khả năng ăn mòn axít của n−ớc tăng theo.
Các khối n−ớc mặt
Nước trong các moong khai thác lộ thiên gồm một số moong nhỏ đã
khai thác ở phía tây bắc vỉa 10 khu IV, các moong đang hình thành của công tr−ờng lộ thiên Vỉa 14 Bắc Hữu Nghị và công tr−ờng khai thác lộ thiên vỉa 14 của công ty than Núi Béo. Hiện tại n−ớc trong các moong này th−ờng xuyên
được bơm tháo cạn nên không ảnh hưởng đến quá trình khai thác hầm lò ở phía d−ới. T−ơng lai đây là những moong có dung tích lớn khả năng dự trữ
nước nhiều đặc biệt là mùa mưa. Nước mặt chứa ở các moong này có quan hệ mật thiết với hệ thống n−ớc ngầm phía d−ới và ảnh h−ởng không nhỏ tới hệ thống lò khai thác phía d−ới nếu không đ−ợc chèn lấp tốt.
3- N−ớc d−ới đất
Căn cứ vào đặc điểm thành phần thạch học, tính chất chứa và thấm nước, đặc điểm thành phần hoá học có thể chia ra các phân vị địa tầng địa chất thuỷ văn khu mỏ và chúng có đặc điểm nh− sau:
a – N−ớc trong trầm tích Đệ tứ (Q)
Trầm tích Đệ Tứ tr−ớc đây bao phủ hầu hết diện tích khu mỏ, hiện tại trầm tích đệ tứ chỉ còn tồn tại một phần diện tích ở phía nam và phía bắc khu
mỏ, còn phần trung tâm lớp phủ đệ tứ đã đ−ợc bốc xúc đi nơi khác để phục vụ cho khai thác lộ thiên. Thành phần đất đá gồm đất đá thải, cát, cuội, sỏi lẫn sét, màu vàng nhạt đến nâu sẫm, nguồn gốc Eluvi, Đềluvi. Chiều dày biến đổi, ở khu vực phía bắc địa hình cao lớp phủ có chiều dày mỏng, ở các thung lũng suối dày đến 5m. Nước dưới đất được chứa trong các lỗ hổng của đất đá, do
đặc điểm thành phần có chứa nhiều sét và chiều dày mỏng nên khả năng chứa n−ớc và thấm n−ớc kém. Theo kết quả khảo sát tầng này n−ớc xuất lộ không nhiều, về mùa mưa các điểm lộ có lưu lượng từ 0,02 ữ 0,21l/s, mùa khô các
điểm lộ không còn n−ớc chảy. Nguồn cung cấp n−ớc cho tầng này chủ yếu là nước mưa thấm xuống. Nước có tổng độ khoáng hoá (M) <0,500g/l, độ PH từ 6 - 7,5 n−ớc nhạt. Loại hình hoá học của n−ớc chủ yếu là Bicácbonát Clorua- Natri.
Do chiều dày mỏng, chứa và thấm n−ớc kém nên các công trình khai thác hầm lò ảnh hưởng không đáng kể.
b. Tầng chứa n−ớc khe nứt trong phụ hệ tầng Hòn Gai giữa T3(n-r)hg2 Các trầm tích của phụ hệ tầng Hòn Gai giữa đ−ợc lộ ra chiếm phần lớn diện tích khu mỏ, chiều dày trung bình biến đổi từ 540m -:- 700m, bao gồm các lớp sạn kết, cát kết, bột kết, sét kết và các vỉa than, nằm nghiêng tạo nên các nếp uốn. Các lớp sạn kết, cát kết th−ờng nằm xa vách trụ các vỉa than, cấu tạo phân lớp dày, độ hạt từ vừa đến lớn. Chiều dày các lớp biến đổi từ vài mét
đến hàng chục mét và tương đối duy trì theo cả đường phương và hướng dốc, kẽ nứt tách phát triển, nước dưới đất được tồn tại chủ yếu trong các lớp này.
Các lớp bột kết và sét kết cấu tạo đặc xít, kẽ nứt kín và thường nằm sát vách trụ các vỉa than và đ−ợc coi là những lớp cách n−ớc.
Theo kết quả quan trắc ĐCTV- ĐCCT ở các công trình khoan nhận thấy rằng nước trong tầng này được chứa chủ yếu trong các khe nứt của các lớp đá
cát kết, sạn kết và các vỉa than. Các lớp đá bột kết và sét kết kẽ nứt nhỏ trong
đó lấp đầy vật chất sét nên không có khả năng chứa nước, được coi là các lớp cách n−ớc.
Do đặc điểm các lớp chứa nước nằm xen kẽ với các lớp cách nước và có thế nằm đơn nghiêng nên nước trong tầng này là nước có áp yếu. Trong quá
trình khoan thăm dò đã gặp nước phun lên khỏi miệng lỗ khoan đến 5.75m nh− lỗ khoan 547 và 3,21m ở lỗ khoan 1761. ở các khu vực đang khai thác hầm lò mực nước nằm cách mặt đất đến 82,02m (LK B542), LKBS (GC) 01 Ht
= 63.6m, LKBS (GP) 02 Ht = 65.8m, LKBS (GG) 03 Ht = 43.06m. ChiÒu s©u mực n−ớc trung bình của toàn khu mỏ là 44.06m.
Kết quả bơm nước thí nghiệm trong tầng này cho thấy tỷ lưu lượng (q) biến đổi từ 0,0018 ữ 0.1459, trung bình 0,0477l/sm. Hệ số thấm K từ 0,0006 ÷ 0,1429m/ng, trung b×nh 0,0335 m/ng.
Qua kết quả tài liệu hút nước thí nghiệm nhận thấy rằng mức độ chứa nước và thấm nước trong địa tầng này không đều: Từ vỉa 14 trở lên mức độ chứa n−ớc và thấm n−ớc tốt hơn, cụ thể hai lỗ khoan 70 có qtb = 0.1109 l/sm, Ktb= 0.1364m/ng lỗ khoan B33 có qtb = 0.0876 l/sm, Ktb= 0.0717m/ng. Các lỗ khoan ở địa tầng sâu hơn đều có tỷ lưu lượng và hệ số thấm nhỏ hơn, cụ thể lỗ khoan B542 có qtb = 0.01297 l/sm, Ktb= 0.0122m/ng lỗ khoan B553 có qtb = 0.00195 l/sm, Ktb= 0.0006 m/ng.. Điều đó chứng tỏ càng xuống sâu mức độ chứa n−ớc và thấm n−ớc càng giảm.
Động thái của nước biến đổi theo mùa và có liên quan chặt chẽ với l−ợng m−a. Kết quả quan trắc nhiều năm, l−ợng n−ớc bơm ra khỏi giếng mỏ mức -50 cho thấy lưu lượng biến đổi từ 35.0m3/h đến 352.89m3/h, trung bình 124.30 m3/h, hệ số biến đổi lớn nhất đến 3,3 lần.
Nguồn cung cấp n−ớc cho tầng này chủ yếu là n−ớc m−a thấm xuống thông các đầu lộ của các lớp đá cát kết và sạn kết. Nước được thoát ra theo các con suối cắt qua các lớp đá chứa nước. Một phần nước của tầng này được tháo cạn do hệ thống lò khai thác mức -50m của Công ty than Hà Lầm.
Kết quả phân tích các mẫu nước cho thấy độ PH biến đổi 5,5 - 8,9, trung bình 7,1 thuộc loại nước trung tính. Tổng độ khoáng hoá (M) biến đổi từ 0.037g/l đến 0.734g/l, trung bình 0.326g/l, tổng độ cứng từ 0.18 -:- 19.89 độ
đức. Loại hình hoá học chủ yếu là Sun phát can xi magiê và Bicácbonát sun phát can xi magiê, n−ớc có tính ăn mòn axít và bê tông.
So sánh kết quả phân tích thành phần hóa học n−ớc ở vùng ch−a khai thác và ở vùng đang khai thác ta thấy trong quá trình khai thác thành phần hoá
học của nước có thay đổi, hàm lượng axít sunphuaríc sinh ra ngày càng nhiều dẫn đến độ PH tăng mạnh làm cho nước có tính ăn mòn kim loại tăng theo.
Bởi vì trong các lớp đất đá và vỉa than có chứa khoáng vật Sun phua (FeS2), khi tiếp xúc với không khí ph−ơng trình ôxy hoá có khả năng xảy ra nh− sau:
2FeS2 + O2 + 2H2O ⇒ 2FeSO4 +2H2SO4 4FeSO4 +2H2SO4 + O2 ⇒ 2Fe2(SO4)3 +2H2O
FeS2 + 7Fe2(SO4)3 +8H2O ⇒ 15FeSO4 +8H2SO4 + 2S.
Như vậy từ lúc chưa khai thác đến khi đang và đã khai thác nước từ trung tính chuyển sang n−ớc axit có khả năng ăn mòn các thiết bị khai thác mỏ bằng kim loại nh− các vì chống bằng thép, các thiết bị bơm n−ớc ... Do vậy trong quá trình khai thác cần lựa chọn thiết bị chống ăn mòn cho phù hợp.
c. Nước trong các đới ảnh hưởng của đứt gãy kiến tạo
Kết quả nghiên cứu địa chất cho thấy trước đây hoạt động kiến tạo trong khu mỏ xảy ra tương đối mạnh mẽ, đã phát hiện được một số đứt gãy như FA, FE, FB, FC, , FD, FM, FL, đứt gãy Hà Tu...Biên độ dịch chuyển của các đứt gãy từ 10 ữ 100m, đới phá hủy rộng từ 20m đến 80m. Nham thạch trong đới bị cà nát vỡ vụn, nên khả năng chứa n−ớc và thấm n−ớc tốt. Đặc biệt một số công trình lò khai thác đào ở khu vực FD lượng nước chảy ra tương đối lớn. Do vậy trong quá trình khai thác đối với các công trình đào trong khu vực đứt gãy cần có biện pháp phòng chống hiện t−ợng bục n−ớc gây mất an toàn cho ng−ời và thiết bị.
4- Dự tính l−ợng n−ớc chảy vào mỏ
a - Đánh giá các nguồn n−ớc chảy vào mỏ
Ph−ơng pháp khai thác phần sâu ở khu mỏ Hà Lầm là ph−ơng pháp khai thác lò giếng, khi tiến hành khai thác sẽ hình thành các nguồn n−ớc chảy vào má nh− sau:
- Lượng nước nằm trong các lớp đất đá công trình khai thác cắt qua - Lượng nước mưa thấm xuống qua đới xập đổ chảy vào công trình. Như
vậy về mùa m−a l−ợng n−ớc chảy vào các công trình khai mỏ sẽ tăng.
b - Dự tính l−ợng n−ớc chảy vào 1m lò giếng
* - Điều kiện biên
Căn cứ vào điều kiện địa chất thủy văn của khu mỏ, chọn sơ đồ tính toán với điều kiện biên nh− sau:
- Các công trình khai thác ngầm nằm trong tầng T3 (n-r)hg2 đ−ợc coi là tầng chứa n−ớc vô hạn.
- Khi khai thác đáy công trường nằm trong các lớp bột kết và sét kết nên không có nước chảy từ đáy lên.
b - Chọn công thức và các thông số tính toán + Công thức tính:
- Mùa khô:
KTB(2H – M) M Q1 =
Ro - Mùa m−a:
Q2 = Q1* K*
K* - Hệ số tăng lưu lượng về mùa mưa. Theo tài liệu quan trắc lượng n−ớc bơm ra ở mức -50 giếng mỏ Hà Lầm năm 2008 và 2009 hệ số K* = 3.3)
- Chọn các thông số tính toán:
+ Hệ số thấm KTB:
Hệ số thấm KTB đựơc lấy theo giá trị trung bình ở các lỗ khoan bơm n−ớc thí nghiệm: KTB = ( K1 + K2 +...Kn )/n.
Ktb = 0,0340 m/ng.
+ Chiều dày tầng chứa n−ớc: (M ) M = (m*H)/100
Đối với khu mỏ Hà Lầm việc xác định chính xác chiều dày tầng chứa nước là rất khó khăn, để xác định chiều dày tầng chứa nước ứng với mỗi mức khai thác chúng tôi dựa vào tỷ lệ % đất đá chứa nước chiếm trong địa tầng, do vậy chiều dày tầng chứa n−ớc đ−ợc tính nh− sau:
- m - Tỷ lệ % của đá chứa nước, m = 57
- H - Chiều cao cột nước tương ứng với từng cấp độ sâu khai thác tính từ mức sâu khai thác đến cao trình mực nước tĩnh, theo tài liệu thống kê cao trình mực n−ớc tĩnh trung bình của khu mỏ là 44,0m.
R0 - Bán kính ảnh h−ởng
S - Trị số cột nước tháo khô, khi tháo khô đến đáy công trình S = H Thay các số liệu trên vào công thức ta có kết quả sau:
Bảng 2.11: Lưu lượng nước chảy vào 1m lò giếng theo mức sâu khai thác Các thông số tham gia tính toán
Mức sâu
khai thác Ktb (m/ng)
H (m)
R0 (m)
M (m)
Q1 Trung b×nh
m3/h
Q2 mùa m−a
m3/h
-50 0.034 94.0 336 54 0.030 0.10
-100 0.034 144.0 637 82 0.038 0.12
-150 0.034 194.0 996 110 0.044 0.14
-200 0.034 244.0 1406 139 0.049 0.16
-250 0.034 294.0 1859 167 0.054 0.18
-300 0.034 344.0 2353 196 0.058 0.19
KTB
H S
R0 = 2*. *
c – Dự tính l−ợng n−ớc chảy vào hệ thống khai thác mỏ
Nh− phần đặc điểm ĐCTV đã trình bày, tầng trầm tích chứa than gồm nhiều lớp chứa n−ớc áp lực nằm xen kẽ với các vỉa than. D−ới trụ các vỉa than là các lớp bột kết và sét kết không chứa và thấm n−ớc kém nên tr−ờng mỏ không có nước thấm từ đáy lên, nghĩa là các công trình khai thác ở các mức nằm trong lớp cách n−ớc. Vào cuối thời kỳ khai thác tr−ờng mỏ có diện tích F
= 6,0Km2 (giới hạn phía tây là nếp lồi Hà Lầm, phía đông là nếp lõm Hà Lầm, phía bắc và phía nam là ranh giới quản lý của mỏ), áp dụng công thức giÕng lín:
1,366*KTB(2H-M)M Q1 =
lgR - lgr + Về mùa m−a:
Q2 = Q1*K*
K* - Hệ số tăng lưu lượng về mùa mưa, theo bảng thống kê lượng nước chảy vào giếng mỏ Hà Lầm mức -50: K* = 3.3
r - Bán kính tr−ờng mỏ
Đối với mức -50 trừ diện tích khai thác lộ thiên vỉa 14 của mỏ Núi Béo nên diện tích khai thác F = 4000000m2. Do vậy bán kính tr−ờng mỏ r = 1128m
R - Bán kính ảnh h−ởng (m) R = R0 + r
Các thông số KTB, H, M đã nêu ở trên. Kết quả tính nh− sau:
KTB
H S
R0 = 2 * . *
F m
r 1382
14 . 3
6000000 =
Π =
=
Bảng 2.12: Lưu lượng nước chảy vào mỏ theo mức sâu khai thác
§é s©u KT (m)
r
(m)
M
(m)
K
( m/ng)
R0
(m)
R
(m )
H
( m)
Q1
(m3 /h)
Q2
(m3 /h) -50 1128 54 0.034 336 1718 94 123.1 406.1 -100 1382 82 0.034 637 2019 144 198.6 655.4 -150 1382 110 0.034 996 2378 194 251.8 830.8 -200 1382 139 0.037 1406 2787 244 308.2 1017.0 -250 1382 167 0.034 1859 3241 294 368.3 1215.4 -300 1382 196 0.034 2353 3735 344 432.3 1426.6
So sánh kết quả dự tính l−ợng n−ớc chảy vào mỏ ở mức -50 với l−ợng nước tháo khô thực tế đo được ở mức -50 hiện tại chênh lệch nhau không đáng kể. Nguyên nhân có sự chênh lêch vì diện tích khai thác ở mức -50 hiện tại nhỏ hơn diện tích mức -50 theo tính toán. Điều đó chứng tỏ rằng việc lựa chọn công thức và các thông số tính toán đáng tin cậy.
Kết quả dự tính lượng nước chảy vào trường mỏ chưa kể đến lượng nước
đột biến như nước mưa ngấm xuống thông qua đới sập lở chảy vào công trình khai thác, lượng nước tích đọng trong các lò khai thác cũ. Do vậy về mùa mưa lượng nước chảy vào công trình khai thác mỏ sẽ tăng đáng kể. Vì vậy trong quá trình khai thác về mùa m−a cần tăng c−ờng thêm thiết bị tháo khô mỏ,
đồng thời cần áp dụng công nghệ khai thác hợp lý để hạn chế lượng nước thông qua đới sập đổ chảy vào công trình khai thác. Các đường lò phục vụ khai thác phải được thi công đảm bảo thoát nước tự nhiên về hầm bơm chung của mỏ để đảm bảo công tác an toàn trong khai thác.
Qua tính toán trên thì đối với các mức sâu khai thác khác nhau, cần phải lựa chọn trạm bơm thoát nước đảm bảo công suất trạm bơm Q yêu cầu như
sau: Qyc = k x Q2 , (m3 /h)
Trong đó : k – Hệ số dự trữ, lấy k = 1,5