Các mỏ khoáng sản khai thác lộ thiên cần phải bóc khối lượng lớn đất đá thải. Tùy thuộc điều kiện tự nhiên của các mỏ, khối lượng đất đá bóc được bố trí tại các bãi thải ngoài, tạm hoặc bãi thải trong. Diện tích chiếm dụng đất bề mặt làm bãi thải phụ thuộc vào khối lượng, tính chất đất đá bóc, nền bãi thải.
Các mỏ lộ thiên lớn nước ta tập trung chủ yếu tại các tỉnh Quảng Ninh, Thái Nguyên, Lạng Sơn, Lào Cai, Lâm Đồng, Đăk Nông. Theo quy hoạch phát triển ngành Than, khoáng sản, khối lượng đổ thải hàng năm vẫn rất lớn, trung bình mỗi năm toàn Tập đoàn Công nghiệp Than-khoáng sản Việt Nam (TKV) đổ thải khoảng 200 triệu m3, trong đó khoảng 57% khối lượng đổ thải tại các bãi thải ngoài, các bãi thải tiếp tục được đổ lên cao và mở rộng. Trong điều kiện khí hậu ngày càng biến đổi phức tạp, các trận mưa lũ có xu thế kéo dài nhiều ngày với cường độ lớn, nếu đất đá thải bão hòa nước sẽ làm tăng nguy trượt lở và mất an toàn cho các công trình xung quanh. Đặc biệt cho các công trình phục vụ công tác khai thác hầm lò và dân cư.
Đến nay, nhiều bãi thải như: Đông Cao Sơn, Chính Bắc, Bàng Nâu, trong Núi Béo, Cọc Sáu, v.v... đã đổ với khối lượng tới hàng trăm triệu m3 đất đá, chiều cao bãi thải tới vài trăm mét, số lượng tầng thải nhiều. Trong những năm tới, khối lượng đất bóc các mỏ than khoáng sản lộ thiên từ 10÷60 triệu m3/năm như bảng 1.
Bảng 1. Khối lượng đất đá thải của các mỏ than, khoáng sản lộ thiên thuộc TKV theo quy hoạch
Hầu hết các mỏ khai thác khoáng sản lộ thiên Việt Nam sử dụng hình thức đổ thải bãi thải cao, kết hợp giữa ôtô – máy gạt. Quá trình thải đá theo trình tự như sau: Ô tô đổ đất đá trực tiếp xuống sườn hoặc lên mặt tầng thải, máy gạt đẩy đất đá xuống suờn tầng thải (hoặc gạt theo bề mặt), duy trì đường ô tô trên tầng thải. Các bãi thải này thường có chiều cao từ 60÷150 m, có nơi đến 350 m, góc dốc sườn bãi thải tương đối lớn từ 300÷400.
Ngoài ra, mỏ than Cao Sơn đang vận hành tuyến băng tải đá ra bãi thải Bàng Nâu có bề rộng băng 2m, công suất 20 triệu m3/năm. Đây là hệ thống băng tải đá thải có qui mô, công suất lớn và hiện đại nhất tại Việt Nam. Khi vận tải bằng băng tải, công tác thải đá phối hợp với máy thải đá kiểu công xôn. Bãi thải được đổ theo hình thức hai phân tầng vừa dỡ lên trên vừa dỡ xuống dưới hoặc có thể đổ thải 1 tầng từ dưới lên trên.
2. Các vấn đề về môi trường có thể xảy ra đối với bãi thải
Tại Việt Nam, tác động do đổ thải đất đá gây ra các hiện tượng như: Làm nhiễm bẩn nước và thay đổi hướng dòng chảy, xả bụi và khí độc vào không khí, sạt lở bãi thải đất đá,… trôi lấp xuống các công trình phía dưới ảnh hưởng đến các công trình sông, suối, v.v...tác động đến môi trường sinh thái khu mỏ. Các hình thái địa hình nhân sinh mà bãi thải là nhân tố điển hình tạo ra nhiều hiện tượng tai biến môi trường. Trong quá khứ đã xảy ra nhiều sự cố về tai biến môi trường đối với các bãi thải như:
- Năm 1992, thảm họa trượt lở bãi thải thảm khốc xảy ra tại khu khai thác mangan Kép Ky xã Quang Trung - huyện Trà Lĩnh - Cao Bằng. Toàn bộ dải thung lũng dài 150 m, rộng 45 m đã bị khối trượt lở lấp đầy với độ dày 3-15 m, làm chết 200 người.
- Năm 2004, trượt lở bãi thải quặng khai trường 12 thuộc Công ty Apatit Lào Cai. Bãi thải quặng Apatít cao 50 m trượt lở sâu vào mặt cắt ngang 20 m, cuốn theo người và vùi lấp thiết bị, làm 2 công nhân chết tại chỗ (hình 1).
- Năm 2006, do mưa lớn kéo dài làm vỡ đập chắn đất đá thải (đập Khe Rè) tại Công ty CP Than Cọc Sáu làm đất đá và nước tràn xuống gây ảnh hưởng lớn đến đời sống của nhân dân. Mưa lớn làm sụt lở gần 500.000 m3 đất đá tại bãi thải của Công ty CP Than Cao Sơn làm vùi lấp hoàn toàn cửa lò +36, vỉa G9 cùng với hệ thống máng rót, đê bảo vệ của Công ty CP Than Mông Dương v.v… (hình 2).
- Năm 2012, khu vực đổ đất đá thải của mỏ than Phấn Mễ (thuộc Công ty cổ phần gang thép Thái Nguyên) bất ngờ trượt lở, vùi lấp nhà của 10 hộ dân sinh sống dưới chân núi (hình 3).
- Năm 2015, tại tỉnh Quảng Ninh, từ ngày 26/7/2015 đến ngày 5/8/2015 đã diễn ra đợt mưa với cường độ lớn, lượng mưa tại vùng đo được khoảng từ 1.100÷1.600 mm. Mưa lớn trong thời gian dài đã gây xói lở mạnh tại một số bãi thải có dạng “cánh cung lõm” như Đông Cao Sơn, Chính Bắc.... Đối với các bãi thải đã kết thúc đổ thải và tiến hành hoàn thổ như Nam Lộ Phong, Nam Đèo Nai,... và một số các bãi thải đang đổ thải có dạng “thẳng” và dạng “cánh cung lồi” như: Bàng Nâu, trong moong Lộ Trí, ... đều ổn định, không xảy ra hiện trượng trôi trượt, xói lở tầng thải hoặc xảy ra cục bộ với phạm vi nhỏ và cường độ yếu (hình 4).
3. Đề xuất các giải pháp công nghệ đổ thải hợp lý, giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường
Để giảm thiểu sự xói lở, trôi trượt bãi thải làm bồi lấp sông suối và các công trình lân cận dưới chân bãi thải trong điều kiện khí hậu mưa nhiều bất thường với vũ lượng lớn, cần thiết phải có một số giải pháp công nghệ đổ thải hợp lý nhằm đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
3.1. Các bãi thải ngoài
- Xác định hệ số ổn định bãi thải hợp lý:
Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên - kĩ thuật đến độ ổn định của bãi thải. Các bãi thải ngoài của các mỏ than lộ thiên thuộc Tập đoàn TKV thường xuyên chịu ảnh hưởng của các đợt mưa bão. Khi lượng mưa lớn, đất đá bị bão hòa, thấm rã và xảy ra nguy cơ sạt lở cao. Đặc biệt khi chiều cao tầng thải lớn và bãi thải nằm trong các khu vực thu nước. Để đảm bảo ổn định các bãi thải, cần xác định các thông số của bãi thải khi đất đá ở trạng thái bão hòa nước hoàn toàn: Kết quả nghiên cứu cho thấy đất đá thải khi bão hoàn nước dung trọng tăng lên từ 5÷10%, lực dính kết và góc ma sát trong trung bình giảm 10%, dẫn đến độ ổn định của bãi thải giảm so với trạng thái tự nhiên.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, để đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường: Với chiều cao các bãi thải phổ biến từ 120÷270 m; góc nghiêng sườn tầng từ 28÷350; góc dốc bãi thải từ 14÷290; hệ số ổn định khi ở trạng thái khô nk = 1,373÷1,794, còn ở trạng thái bão hòa nước nbh = 1,311÷1,598 [4]. Mặt cắt đặc trưng kết quả kiểm toán ổn định bãi thải Đông Cao Sơn (hình 5).
- Lựa chọn công nghệ, trình tự và các thông số đổ thải hợp lý:
+ Các khu vực bãi thải xa khu dân cư, các công trình cần bảo vệ: Đổ thải theo hình thức chu vi, trình tự đổ thải được tiến hành từ dưới lên trên, bãi thải phát triển từ trong ra ngoài, với chiều cao tầng 20÷50 m (BT mỏ Na Dương 10÷20 m), chiều rộng mặt tầng thải từ 25÷30 m (mùa khô), mùa mưa chiều rộng sẽ tăng lên là 45÷50 m.
+ Đối với các bãi thải gần khu vực dân cư, các công trình cần bảo vệ: Đổ thải theo hình thức chu vi, trình tự đổ từ dưới lên và theo nhóm tầng, khi kết thúc nhóm hoặc tạm dừng nhóm này mới đến nhóm khác. Trước khi đổ thải, cần xây dựng tiến trước các hệ thống đê, đập chắn và hệ thống thoát nước trên toàn bộ bãi thải hoặc là theo từng giai đoạn. Những khu vực đặc biệt, cần phải đổ trước, đổ vào mùa khô, đồng thời tiến hành cải tạo phục hồi môi trường ngay khi có thể và đổ từ ngoài vào trong. Khi đổ thải đến ranh giới kết thúc, chiều rộng tầng thải từ 25÷40 m trong mùa khô và được mở rộng đến 35÷55 m trong mùa mưa (hình 6).
- Lựa chọn hình dạng bãi thải hợp lý: Hình dạng bãi thải liên quan đến mức độ tập trung hoặc phân tán dòng chảy mặt. Theo kết quả khảo sát các bãi thải thuộc các mỏ than lộ thiên TKV, tại những khu vực bãi thải có bình đồ dạng “cánh cung lõm” bị xói lở mạnh hơn các khu vực khác. Nguyên nhân của vấn đề này là khi lượng mưa vượt qua năng lực thoát nước của hệ thống mương, rãnh tại chân tầng, bãi thải dạng hình cánh cung lõm sẽ là không gian thu nước mặt từ các khu vực lân cận và dòng chảy mặt xuất hiện (hình 7a), trong khi đó các bãi thải có dạng thẳng (hình 7b) và dạng cánh cung lồi (hình 7c) nước mặt được phân tán đồng đều trên các khu vực của bãi thải. Vì vậy, các bãi thải được thiết kế đổ thải tạo “dạng cánh cung lồi” và dạng “thẳng”, hạn chế tối đa đổ thải dạng “cánh cung lõm”.
- Xác khoảng cách ảnh hưởng của bãi thải khi có tác động của dòng nước mặt:
Xác định khoảng cách ảnh hưởng hợp lý sẽ giúp cho các nhà quản lý mỏ cũng như các sở ban ngành địa phương dễ dàng xử lý khí xảy ra các sự cố gây ảnh hưởng tới các công trình xung quanh trong quá trình đổ thải trên các mỏ lộ thiên. Chiều rộng đai sạt lở phía mép và đai mở rộng dưới chân bãi thải được thể hiện trên hình 8 và được xác định theo công thức 1 và 2.
Trong đó: αT và αS – góc dốc sườn tầng thải trước và sau khi trượt lở, độ; H – chiều cao tầng thải hoặc bãi thải, m; b – chiều rộng đai sạt lở phía mép tầng hoặc bãi thải, m; B – chiều rộng đai mở rộng dưới chân tầng hoặc bãi thải, m; n – là hệ số kinh nghiệm, phụ thuộc vào các loại sơ đồ biến dạng khác nhau.
Kết quả tính toán khoảng cách ảnh hưởng của bãi thải ngoài khi có tác động của dòng nước mặt cho thấy, khi đất đá bị sũng nước thì sườn bãi thải sẽ chịu áp lực thủy động của dòng nước lớn nhất, tức là góc dốc sườn bãi thải nhỏ nhất, khi đó:
Với chiều cao tầng/bãi thải H = 50÷300 m, chiều rộng đai mở rộng dưới chân bãi thải lớn nhất B = 44÷361 m và chiều rộng đai trượt lở phía mép bãi thải lớn nhất b = 49÷394 m;
Như vậy, để giảm thiểu ảnh hưởng của bãi thải đến các công trình xung quanh khi có tác động của dòng nước mặt, cần phải xây dựng hệ thống đê chắn đất đá dưới chân bãi thải và di dời các công trình ra khỏi bán kính ảnh hưởng của bãi thải.
Tuy nhiên, thực tế bãi thải chia thành các tầng thải với chiều cao từ 20÷50 m và chiều rộng mặt tầng thải từ 20÷40 m, chiều rộng trên các tầng thải ngoài việc đảm bảo ổn định bờ mỏ còn có nhiệm vụ chứa được đất đá sạt lở của tầng thải khi có chịu tác động của dòng nước. Do vậy, chiều rộng đai mở rộng dưới chân bãi thải lớn nhất chỉ cần tính cho tầng dưới cùng. Với chiều cao tầng thải lớn nhất 50 m, chiều rộng đai mở rộng dưới chân bãi thải lớn nhất là 65 m.
- Lựa chọn giải pháp thoát nước: Để đảm bảo công tác thoát nước của các bãi thải, cần thiết phải có giải pháp kết nối các công trình thoát nước trên bãi thải với công trình thoát nước lân cận. Trên cơ sở đó xây dựng kế hoạch nạo vét các suối, kênh mương dẫn nước, các khe rạch và xây dựng hệ thống đê ngăn đất đá thải và các hồ lắng bùn xử lý nước. Bên cạnh đó, phải xây dựng các công trình bảo vệ bãi thải bao gồm: Tạo mặt tầng thải nghiêng, tạo rãnh thoát nước và hố tiêu năng dọc chân tầng thải; xây dựng các tuyến đê và mương thoát nước bao quanh chân bãi thải, hướng dòng chảy vào các hố xử lý môi trường. Tại những khu vực kết thúc đổ thải trồng cây xanh để hạn chế xói mòn, sạt lở bãi thải; tạo đê ngăn theo các mép tầng thải, dốc nước ngang tầng thải nhằm ngăn dòng chảy tràn xuống sườn tầng. Kết cấu mặt tầng thải thể hiện trên hình 9.
3.2. Các bãi thải trong
Các moong lộ thiên sau khi kết thúc khai thác, nhiều mỏ sẽ được dùng làm bãi thải trong cho các khai trường lân cận. Đối với các bãi thải trong được chia thành 2 dạng như sau:
- Trong thời gian tới khai trường Nam Lộ Trí Đèo Nai, khai trường mỏ Khe Chàm II (LT), khai trường mỏ Cao Sơn, khai trường vỉa 14 cánh Đông, khai trường vỉa 14 cánh Tây mỏ than Núi Béo, khai trường khu Đông, khu Tây mỏ đồng Sin Quyền. Các khu vực này sau khi kết thúc khai thác sẽ được đổ thải trong để khai thác hầm lò.
- Một số moong kết thúc khai thác lộ thiên mà bên dưới không có dự án khai thác hầm lò như: Khai trường 917 mỏ Suối Lại, trong vỉa Chính mỏ Đèo Nai, trong Thắng lợi mỏ Cọc Sáu, bãi thải trong vỉa trụ mỏ than Hà Tu, mỏ đồng Tả Phời.
Các bãi thải có thể được đổ thải sau khi kết thúc công tác khai thác hoặc đổ thải song song với quá trình khai thác.
- Đối với các bãi thải trong không có khai thác hầm lò phía dưới: Công nghệ đổ thải theo chu vi, trình tự đổ thải được thực hiện từ dưới lên, sử dụng hình thức đổ thải theo chu vi với chiều cao tầng tối đa 50 m. Bãi thải được đổ thải thải đến mức thoát nước tự chảy, sau đó đổ tiếp lên cao (hình 10).
Khi quá trình đổ thải được thực hiện song song với quá trình khai thác cần phải đổ thải từ dưới lên, duy trì khoảng cách từ bãi thải đến bờ công tác khoảng cách nhất định, đảm bảo an toàn. Hướng phát triển của bãi thải trùng với hướng khai thác (hình 11).
- Đối với các bãi thải trong có khai thác hầm lò phía dưới:
Việc khai thác than hầm lò bên dưới các công trường lộ thiên rất khó khăn do sự tích tụ nước từ các nguồn nước mặt và nước ngầm vào đáy moong lộ thiên. Bên cạnh đó, quá trình khai thác hầm lò sẽ tạo ra các khe nứt, sụt lún có xu hướng phát triển lên phía trên và sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc dẫn nước từ moong khai thác lộ thiên xuống các đường lò. Dưới áp lực của nước có trong moong lộ thiên có thể gây, ngập mỏ, ngừng trệ sản suất, hư hại thiết bị khai thác hoặc nghiêm trọng hơn là đe dọa đến tính mạng của công nhân sản xuất dưới hầm lò.
Công nghệ đổ thải theo lớp, chiều cao mỗi lớp phụ thuộc vào loại thiết bị tham gia đổ thải, mức độ yêu cầu đầm chặt đất đá và chi phí làm đường, đổ thải. Như vậy, với phương pháp này các tầng thải có thể được hình thành từ 1 đến vài lớp thải. Ví dụ, trong trường hợp chiều cao tầng 50 m, cần phải thực hiện 10 lớp thải nếu chiều cao mỗi lớp thải 5 m hoặc 5 lớp thải nếu chiều cao mỗi lớp thải là 10 m (hình 12).
Mặt khác, cần phải nắn các dòng chảy nước mặt ra khỏi khu vực có khả năng chảy vào moong khai thác bằng cách đào các kênh dẫn nước bên ngoài phạm vi dịch chuyển biến dạng, nứt vỡ do ảnh hưởng của khai thác lộ thiên gây ra để hướng dòng chảy sang các khu vực không nằm trên khu vực khai thác hầm lò.
3.3. Các bãi thải đổ thải bằng băng tải (hình 13)
Để đảm bảo ổn định bãi thải, cần tạo tầng đổ thải với chiều cao tầng phù hợp với chiều dài cần máy thải đá. Theo [4] thì chiều cao tầng thải khi sử dụng băng tải £ 50 m là phù hợp. Việc lựa chọn máy thải đá phải đảm bảo đất đá được thoát hết xuống tầng thải phía dưới, hạn chế việc lưu lại đất đá trên tầng thải, ảnh hưởng đến quá trình hoạt động liên tục của hệ thống. Vì vậy, bán kính dỡ tải R0 thỏa mãn công thức sau:
Ro ≥ b + C (3)
Trong đó: b- chiều rộng đới phá hủy, m; C- khoảng cách từ trục quay của máy thải đá đến mép trong của đới phá hủy, m.
Kết quả tính toán cho thấy, khi chiều cao tầng thải lớn nhất là 50 m thì R0 > (27,41 + C) m.
4. Kết luận
Điều kiện khí hậu ngày càng biến đổi phức tạp, đã và đang tác động đến rất lớn đến ngành khai thác khoáng sản nói chung, đối với các bãi thải nói riêng. Do vậy, để đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, các mỏ khoáng sản lộ thiên thuộc TKV nói riêng và nước ta nói chung trong quá trình đổ thải cần áp dụng các giải pháp như đã đề xuất trên đây.
TS. Lưu Văn Thực, TS. Đoàn Văn Thanh - Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
Sớm có chính sách hỗ trợ sử dụng vật liệu tái chế, tái tạo
Vĩnh Phúc xây dựng doanh nghiệp xanh, phát triển bền vững
Công ty Nhiệt điện Duyên Hải duy trì, giữ vững tốt công tác bảo vệ môi trường
Quảng Nam tăng cường sử dụng vật liệu xây dựng không nung
Xanh hoá kiến trúc với vật liệu tái chế
“Xanh hoá” các nguyên liệu ngành dệt may
Nhiệt điện Vĩnh Tân: Nỗ lực bảo vệ môi trường sản xuất và môi trường sinh thái
Đồng Nai đi đầu sản xuất xanh
