1.3. CÁC THÔNG SỐ ĐỊA CHẤT CÔNG NGHIỆP QUAN TRỌNG CỦA KHOÁNG SẢN
1.3.2. Các thông số địa chất - công nghiệp quan trọng
Mỗi một khoáng sản đều được đặc trưng bằng những thông số địa chất - công nghiệp như: điều kiện thế nằm, bề dày thân quặng, bề dày các lớp đất đá phủ, bề dày và vị trí các lớp đá kẹp, thành phần khoáng vật và hàm lượng các thành phần có lợi và có hại, tính ổn định của quặng và đá vây quanh... các chỉ số này đều có ảnh hưởng đến các chỉ số kinh tế khai thác, tuyển luyện và sử dụng nguyên liệu khoáng vật. Do đó, để đánh giá giá trị công nghiệp của các khoáng sản cần thiết phải xác định các trị số giới hạn của các thông số địa chất công nghiệp mỏ.
a. Chiều dày
Cần phân biệt chiều dày công nghiệp và chiều dày không đạt chỉ tiêu công nghiệp.
Cần phải xác định chu vi công nghiệp của vỉa tức khoanh diện tích có chiều dày công nghiệp.
Bên trong chu vi công nghiệp có thể có những ô cửa sổ chiều dày không đạt giá trị công nghiệp. Nếu không có ô cửa sổ không đạt chỉ tiêu công nghiệp có thể xem như quặng hóa liên tục, nếu có ô cửa sổ không đạt chỉ tiêu công nghiệp gọi là quặng hóa gián đoạn. Trong thực tế thăm dò và khai thác thường dùng khái niệm tính ổn định của vỉa. Theo chỉ tiêu này có thể chia thành 4 kiểu vỉa sau:
- Vỉa ổn định: Kéo dài liên tục với chiều dày công nghiệp bao trùm tất cả diện tích của khoáng sàng hoặc cả diện tích của trường quặng. Đặc biệt đối với khoáng sàng trầm tích diện tích chu vi công nghiệp có thể đạt hàng chục, thậm chí hàng trăm km2.
- Vỉa tương đối ổn định: Vỉa bên trong chu vi công nghiệp có những điểm cá biệt hoặc những khối nhỏ có chiều dày không đạt chỉ tiêu công nghiệp; song diện tích tổng của những khối này không vượt quá 25% diện tích của chu vi thân quạng công nghiệp chung.
- Vỉa không ổn định: là những vỉa có quặng hóa gián đoạn. Bên trong chu vi công nghiệp chung gặp những ô cửa sổ có chiều dày không đạt chỉ tiêu công nghiệp hoặc những khối đá vây quanh diện tích tổng của chúng đạt đến 50% diện tích chung.
- Vỉa đặc biệt không ổn định: Vỉa có chiều dày không đạt chỉ tiêu công nghiệp là cơ bản. Song trong vỉa có những khối nhỏ có chiều dày đạt chỉ tiêu công nghiệp. Diện tích tổng khối này không quá 50% diện tích chung của vỉa.
Trong thực tế thường gặp trong các tầng hoặc đới sản phẩm chứa đựng rất nhiều vỉa khoáng sản đặc biệt không liên tục về chiều dày, không thể tiến hành khai thác độc lập được.
Để đánh giá địa chất - công nghiệp trong trường hợp này cần thiết phải sử dụng chỉ tiêu công nghiệp cho cả đới sản phẩm theo hệ số chứa sản phẩm. Tính ổn định của vỉa trong trường hợp này cần xác định theo cả đới hoặc tầng sản phẩm, không xác định theo từng vỉa riêng biệt.
Khi nghiên cứu cần làm sáng tỏ bản chất địa chất của sự biến hóa về chiều dày của vỉa khoáng sản;
bởi lẽ đó là chỗ dựa để phát hiện những quy luật biến hóa về chiều dày thân khoáng sản.
Đối với khai thác những đặc tính và biên độ dao động, chiều dày vỉa bên trong chu vi công nghiệp có ý nghĩa rất lớn. Đặc biệt quan trọng là khoanh được những khối có biên độ thay đổi về chiều dày trong giới hạn cho phép về kỹ thuật để tiến hành công tác chuẩn bị mỏ (mở vỉa) và cho phép áp dụng hệ thống khai thác hợp lý. Trong công tác khai thác chia 5 loại có chiều dày khác nhau về công nghệ khai thác.
- Vỉa mỏng: Có chiều dày ≤ 1÷1,5m.
- Vỉa trung bình: Chiều dày từ 1÷1,5m đến 3÷4m.
- Vỉa dày: Từ 3÷4m đến 8÷10m.
- Vỉa rất dày: Từ 10÷50m (15÷50m) - Vỉa đặc biệt dày: Có chiều dày trên 50m
Khi vỉa có độ dốc lớn, thường vỉa dốc đứng, có thể giảm chiều dày ứng với giới hạn quy định về chiều dày cho từng loại nêu trên.
23 b. Chất lượng
Thành phần hóa học, khoáng vật của khoáng sản, các tính chất kỹ thuật và công nghệ quyết định phương pháp kỹ thuật, phương tiện kỹ thuật và giá thành tuyển luyện chúng cũng như hiệu quả sử dụng nguyên liệu khoáng vật trong nền kinh tế quốc dân. Do đó tổng thể những yếu tố này đặc trưng cho giá trị hay chất lượng khoáng sản. Thường người ta phân ra thành 2 thành phần là thành phần có lợi và thành phần có hại. Thành phần có lợi có thể là nguyên tố cũng có thể là hợp chất hóa học. Thành phần có hại là hợp phần hóa học hoặc gây khó khăn cho tuyển luyện hoặc làm giảm chất lượng khoáng sản hay giảm chất lượng các sản phẩm thu nhận được từ khoáng sản.
Ví dụ : Với hàm lượng của lưu huỳnh (S) > 0,3%), hoặc P > 0,15% trong than đá và quặng sắt sẽ làm cho gang và thép dòn dễ nứt. Song nếu áp dụng biện pháp khử bỏ chúng trong tuyển luyện thì sẽ làm giảm năng suất nấu chảy thành hợp kim thường giảm 5% năng suất nếu giảm 0,1% lưu huỳnh hoặc 0,1% P.
Song, bản thân S và P lại là nguyên tố có lợi nếu như có thể thu hồi chúng từ quặng sắt và than đá. Ngay cả khi P > 5% trong quặng sắt thì phương pháp luyện kim bằng lò Tomac (hay quá trình Tomac) sẽ nhận được loại thép chất lượng cao và sẽ nhận được loại xỉ lò Tomac là một loại phân phốt phát quý.
Trong thực tế ngoài thành phần chính còn có thành phần đi kèm. Chúng có hàm lượng rất nhỏ, nếu chỉ khai thác riêng lẻ thì không kinh tế, nếu khai thác kèm (thu hồi kèm theo) thì lại trở thành nguồn nguyên liệu rất có giá trị. Ví dụ: Khi thu hồi Pt trong quặng Cu - Ni, thu hồi Co trong manhetit, Ag, Cd trong quặng Cu - Pb - Zn và Ge, U trong than đá sẽ đem lại hiệu quả kinh tế khá lớn. Khi tính toán về kinh tế cho thấy việc thu hồi các thành phần đi kèm sẽ làm tăng giá trị thành phần chính hay giá trị của khoáng sản lên 2 lần và trữ lượng cũng tăng cao hơn trước. Do đó cần phải tính đến khả năng sử dụng tổng hợp các nguyên liệu khoáng vật từ trong quặng.
Đối với một số khoáng sản, đặc biệt là khoáng sản phi kim, chất lượng của chúng phụ thuộc chủ yếu vào các tính chất vật lý. Ví dụ: anbit, mica, kim cương, thạch anh áp điện, caolin, sét, graphit.... chất lượng được phân chia theo từng hạng nguyên liệu tương ứng với yêu cầu về tiêu chuẩn chất lượng sử dụng trong các ngành công nghiệp và theo độ thu hồi của từng hạng nguyên liệu trong thể tích cần đánh giá. Mặt khác chất lượng còn được xác định theo tiêu chuẩn công nghệ của chúng.
Những tính chất nêu trên là thông số đánh giá quan trọng đối với khoáng sản kim loại và không kim loại. Trong thực tế có nhiều quặng nghèo hoặc rất nghèo nhưng sau khi làm giàu lại cho hiệu quả kinh tế cao hơn quặng trung bình nhưng khó tuyển hoặc khó thu hồi kim loại trong tuyển hơn.
Giữa chất lượng và chiều dày có mối quan hệ với nhau khi đánh giá chiều dày vỉa có thế nằm liên tục hoặc gián đoạn cần đồng thời tính đến chất lượng khoáng sản. Ví dụ: một vỉa apatit có quặng hóa phát triển liên tục, chiều dày công nghiệp trải rộng trên diện tích lớn.
Song bên trong có thể có những khối quặng không đạt chỉ tiêu về chất lượng cần loại bỏ khối này ra khỏi chu vi công nghiệp. Như vậy, khái niệm vỉa khoáng sản liên tục hay không liên tục phải được đánh giá trên cơ sở tổng hợp cả hai yếu tố về chiều dày vỉa công nghiệp và chất lượng khoáng sản.
c. Thế nằm của thân quặng
Điều kiện thế nằm của thân khoáng sản có ảnh hưởng quyết định đến phương pháp khai thác và giá thành khai thác. Dựa vào góc dốc (α), người ta chia ra 5 loại: Thân khoáng nằm ngang: α < 50; Thân khoáng cắm dốc thoải: α = 5 ÷ 300; Thân khoáng cắm dốc: α = 30 ÷ 450; Thân khoáng rất dốc: α = 45 ÷ 800; Thân khoáng dốc đứng: α = 80 ÷ 900.
24 Cần phân biệt thân khoáng có thế nằm đơn giản trong giới hạn của khối không có thay đổi đột ngột, thân khoáng có thế nằm phức tạp, khi góc dốc thay đổi đột ngột. Nói chung góc dốc thay đổi mạnh mẽ, phương vị đường phương và hướng dốc không ổn định thì thăm dò và khai thác càng phức tạp.
Trong một nếp uốn có thể phân thành nhiều khu vực có mức độ phức tạp về địa chất, thế nằm khác nhau. Những biểu hiện kiến tạo kèm theo hoạt động đứt gãy, đới dập vỡ, vò nhàu đá vây quanh và khoáng sản là nguyên nhân quan trọng làm phức tạp hóa điều kiện thế nằm của các thân khoáng. Trong thực tế thăm dò và khai thác các mỏ khoáng sản cần chú ý đến trường hợp khu mỏ có nhiều đứt gãy nhỏ với biên độ dịch chuyển vài mét hoặc vài chục mét. Đứt gãy này hầu như không thể hiện được trên bản đồ địa chất và trong quá trình thăm dò bằng các lỗ khoan rất khó xác định chúng, song chính chúng lại là nguyên nhân cơ bản gây bất trắc cho công tác mở vỉa và khai thác.
Hoạt động magma sau tạo quặng cũng là một nguyên nhân quan trọng làm phức tạp hóa điều kiện thế nằm của thân khoáng sản. Ví dụ: mạch đai cơ lamprofia trong khoáng sản apatit Lào Cai làm thay đổi điều kiện thế nằm của vỉa apatit và thường tạo nên các khối apatit không đạt giá trị công nghiệp.
Ngoài ra, cần chú ý đến độ sâu thế nằm của thân khoáng sản, bởi vì độ sâu thế nằm có ảnh hưởng đến phương pháp khai thác lộ thiên hay hầm lò. Thông thường khai thác lộ thiên có hiệu quả hơn khai thác hầm lò, năng suất lao động tăng, giá thành khai thác thấp, bảo hiểm an toàn lao động dễ hơn. Độ sâu khai thác lộ thiên cho phép trước hết phụ thuộc hệ số đất bốc tính bằng tấn hay m3 đất đá phải bốc đi và mang đến bãi thải để lấy 1 tấn hay 1 m3 khoáng sản. Hệ số đất bốc tối đa được tính toán theo các chỉ số kinh tế kỹ thuật phụ thuộc giá trị của khoáng sản cần khai thác. Ví dụ: Vật liệu xây dựng 1m3 đá xây dựng /1 m3 đất bốc, than đá 1T than/6 m3 đấtbốc, kim loại đen 1T quặng/10 m3 đất bốc, kim loại màu 1T quặng/40 m3 đất bốc. Hiện nay trên thế giới khai thác lộ thiên đạt đến độ sâu 500m; hầm lò là 3500m cách mặt đất (Ví dụ: khai thác vàng và kim cương ở Nam Phi và Ấn Độ). Hiện nay khai thác hầm lò ở độ sâu cách mặt đất thường dao động 1000 - 2000m. Ở nước ta, khai thác lộ thiên ở mỏ Cọc Sáu thuộc bể than Quảng Ninh đạt đến cos độ sâu -140m, khai thác hầm lò đến độ sâu -97,5m (mỏ Mông Dương). Trong tương lai không xa tại mỏ Mạo Khê sẽ khai thác hầm lò đạt đến độ sâu -150m, ở mỏ than Làng Cẩm hiện tại đã khai thác hầm lò đến độ sâu -230m.
d. Quy mô mỏ khoáng và mức độ tập trung trữ lượng
Quy mô mỏ là thông số rất quan trọng quyết định ý nghĩa công nghiệp của khoáng sản. Những khoáng sản có quy mô càng lớn thì năng suất hàng năm càng cao và thường giá thành khai thác càng rẻ.
Đầu tiên phải nói đến trữ lượng nguyên liệu khoáng vật có chất lượng đáp ứng những yêu cầu hiện tại của công nghiệp, việc sử dụng nguyên liệu khoáng vật có trong khoáng sản chỉ hợp lý khi trong chúng có số lượng nguyên liệu khoáng vật vượt qua giới hạn tối thiểu cho phép. Dựa vào quy mô và ý nghĩa công nghiệp của mỏ có thể chia làm 5 nhóm:
- Mỏ đặc biệt lớn: Ví dụ: Mỏ sắt ở KMA, mỏ Mn ở Nikopon và Triaturi. Vàng ở Nam Phi, mỏ molipđen ở Claimack ở Mỹ có ý nghĩa thế giới.
- Mỏ lớn: Ví dụ: Mỏ sắt ở Krivoi-Roc, đồng ở Koimrat,... có ý nghĩa công nghiệp cả nước.
- Mỏ trung bình: Có ý nghĩa trong một vùng kinh tế.
- Mỏ nhỏ: Có ý nghĩa công nghiệp địa phương.
- Mỏ rất nhỏ: Có ý nghĩa công nghiệp địa phương.
Bảng phân chia quy mô mỏ theo trữ lượng của một số loại khoáng sản được dẫn ở bảng 1.1. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc phân chia quy mô mỏ theo trữ lượng khoáng sản như đã nêu chỉ có ý nghĩa tham khảo, thực tế việc phân chia này sẽ thay đổi theo thời gian tuỳ
25 thuộc vào những thay đổi về hoạt động khoáng sản và yêu cầu của loại khoáng sản đó đối với sự phát triển của xã hội.
Bảng 1.1. Bảng phân chia quy mô mỏ theo trữ lượng (theo I.D Kogan, 1971) Số
TT Loại khoáng sản
Quy mô mỏ theo trữ lượng (tấn)
Đặc biệt lớn Lớn Trung bình Nhỏ 1 Than > 109 109 ÷ 3.108 3.108 ÷ 5.107 < 5.107 2 Sắt > 109 109 ÷ 2.108 2.108 ÷ 5.107 < 5.107
3 Apatit > 2.108 2.108 ÷ 5.107 < 5.107
4 Mangan > 2,5.108 2,5.108 ÷ 7,5.107 7,5.107 ÷ 2,5.107 < 2,5.107 5 Bauxit > 2.108 2.108 ÷ 108 108 ÷ 2,5.107 < 2,5.107 6 Đồng > 5.106 5.106 ÷ 106 106 ÷ 105 < 105 7 Chì -kẽm > 106 106 ÷ 3.105 3.105 ÷ 105 < 105 8 Thiếc > 5.104 5.104 ÷ 1,5.104 1,5.104 ÷ 3.103 < 3.103
9 Vàng > 102 102 ÷ 50 50÷ 10 < 10
10 Kaolin > 5.106 5.106 ÷ 106 < 106
Quy mô trữ lượng có ảnh hưởng đến phương pháp và hiệu quả kinh tế khai thác. Trong khai thác ngoài quy mô trữ lượng, một yếu tố hết sức quan trọng cần phải chú ý đó là sự phân bố trữ lượng trong phạm vi mỏ. Ví dụ: mỏ có trữ lượng lớn nhưng trải trên diện tích lớn, để khai thác phải mở nhiều khai trường, đầu tư vốn lớn, chi phí nhiều cho vận tải, năng suất thấp và giá thành cao. Khai thác lộ thiên phải phá bỏ một diện tích khá lớn các khu đất trên bề mặt. Nếu độ tập trung trữ lượng cao sẽ làm giảm chi phí vốn xây dựng cơ bản, nâng cao năng suất sản xuất hàng năm và giảm giá thành khai thác.
Ngoài các yếu tố kể trên chúng còn phụ thuộc vào chiều dày, cấu trúc và hàm lượng nguyên liệu khoáng vật, phụ thuộc số lượng kích thước, hình dạng, thế nằm và mối quan hệ phân bố không gian của chúng trong chu vi mỏ khoáng.
đ. Tính chất công nghệ của nguyên liệu khoáng
Các tính chất công nghệ của nguyên liệu khoáng là chỗ dựa để chọn lưu trình tuyển luyện nguyên liệu khoáng vật bảo đảm thu hồi sản phẩm cao nhất và hiệu quả lớn nhất phụ thuộc chặt chẽ yếu tố sau:
- Hàm lượng các thành phần có ích và các chất có hại trong khoáng sản.
- Thành phần khoáng vật của nguyên liệu khoáng, sự phân bố các thành phần có ích và có hại trong từng loại quặng. Hình dạng, kích thước các khoáng vật có lợi. Đặc tính bề mặt kết tinh của khoáng vật có lợi với nhau, giữa khoáng vật có lợi với khoáng vật tạo đá v.v...
- Tính chất vật lý của nguyên liệu khoáng vật và của các khoáng vật có lợi trong khoáng sản, độ cứng, dòn, tỷ trọng....
- Thành phần khoáng vật, hóa học của đá vây quanh và của đá mạch có ý nghĩa quyết định trong việc lựa chọn sơ đồ công nghệ và chỉ số kinh tế - kỹ thuật để tuyển luyện chúng.
Ví dụ: Khoáng vật molipđenit và antimonit rất dễ tuyển nổi, còn các khoáng vật oxit của molipđen và antimoan rất khó thu hồi bằng phương pháp vật lý hoặc hoàn toàn bị mất trong quá trình làm giàu các quặng oxit.
Thiếc trong khoáng vật stanin khác với casiterit là không thể thu hồi được trong tuyển luyện quặng thiếc ....
Hình dạng, kích thước các cục quặng, cấu tạo và kiến trúc của quặng có ý nghĩa quyết định đến việc đập nhỏ quặng nhằm bảo đảm khả năng tách lấy khoáng vật có ích và nâng cao hệ số thu hồi trong tuyển quặng.
Ví dụ: quặng xâm nhiễm hạt mịn khó thu hồi hơn quặng xâm nhiễm hạt lớn.
26 Trong thăm dò và đánh giá giá trị công nghiệp mỏ khoáng, các tính chất công nghệ của nguyên liệu khoáng sản thường được quy định dưới dạng các chỉ tiêu công nghiệp và các thông số kinh tế - kỹ thuật mỏ.
e. Điều kiện khai thác mỏ
Các thông số địa chất công nghiệp ảnh hưởng đến quá trình khai thác mỏ bao gồm chiều dày, hình dạng thân quặng, điều kiện thế nằm và độ sâu chôn vùi các thân quặng, đặc tính quặng hóa,... Ngoài ra, mức độ ổn định của đá vây quanh, điều kiện địa chất thuỷ văn, địa chất công trình là những yếu tố có ảnh hưởng lớn đến quá trình khai thác mỏ.
Dựa vào đặc điểm địa chất thuỷ văn và mức độ ảnh hưởng của chúng đến khai thác mỏ, người ta chia ra 4 nhóm sau:
Nhóm I : Bao gồm các mỏ khoáng đơn giản, lượng nước chảy vào mỏ gần như không có hoặc có với lưu lượng nhỏ từ 100 ÷ 200m3/giờ. Đối với các mỏ thuộc nhóm này khi khai thác không cần phải sử dụng biện pháp chuyên môn để tháo khô mỏ.
Nhóm II: Gồm các mỏ phức tạp, lượng nước chảy vào mỏ có lưu lượng 200 ÷ 500m3/ giờ. Trong quá trình khai thác các mỏ thuộc nhóm II phải có những biện pháp chuyên môn để tháo khô hoặc làm giảm lượng nước ngầm chảy vào mỏ. Nhưng các biện pháp tháo khô không quá phức tạp.
Nhóm III: Gồm các mỏ khoáng sản rất phức tạp, có lượng nước chảy vào mỏ khá lớn từ 600 đến 1000m3/giờ. Để khai thác các mỏ thuộc nhóm này đòi hỏi phải áp dụng những biện pháp tháo khô hoặc làm giảm lượng nước ngầm chảy vào mỏ bằng những hệ thống thiết bị đặc biệt.
Nhóm IV: Bao gồm các mỏ đặc biệt phức tạp, lượng nước chảy vào mỏ 1.000 ÷ 2.000 m3/ giờ hoặc hơn. Khi khai thác các mỏ thuộc nhóm này thường rất khó khăn, phải áp dụng các biện pháp chuyên môn đặc biệt.
Ngoài yếu tố địa chất thuỷ văn trong quá trình khai thác khoáng sản cần chú ý đến đặc điểm địa chất công trình, tính chất cơ lý, mức độ ổn định của quặng và đá vây quanh, trong đó cần chú ý các yếu tố sau:
- Sự có mặt của các loại đá không ổn định trong đá vây quanh thân quặng.
- Sự có mặt của nước áp lực ở vách và trụ các thân quặng.
- Sự có mặt các hiện tượng karst.
- Mối liên quan giữa nước mặt và nước dưới đất trong phạm vi khu mỏ. Chú ý khả năng có thể tạo nên những dòng chảy có lưu lượng lớn khi tiến hành công tác khai thác mỏ.
- Sự có mặt các thành tạo bở rời chứa nhiều nước với chiều dày lớn nằm trực tiếp trên thân quặng v.v...