NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ QUY LUẬT CỦA QUÁ TRÌNH DỊCH CHUYỂN, BIẾN DẠNG CỦA BÃI THẢI ĐỂ HOÀN THIỆN THỔ ĐẤT MỎ, PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NÔNG, LÂM NGHIỆP

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VÀ QUY LUẬT CỦA QUÁ TRÌNH DỊCH CHUYỂN, BIẾN DẠNG CỦA BÃI THẢI ĐỂ HOÀN THIỆN THỔ ĐẤT MỎ, PHỤC VỤ PHÁT TRIỂN NÔNG, LÂM NGHIỆP

Trường đại học mỏ - địa chất - -

Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa mỏ, Khoa Trắc địa, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội - -

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Võ Chí Mỹ, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

2 PGS.TS Vũ Năng Dũng, Viện Quy hoạch & TKNN

Phản biện 1: GS.TSKH Hoàng Ngọc Hà

Bộ Giáo dục và Đào Tạo

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Tác

Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội

Phản biện 3: PGS.TS Hồ Sỹ Giao

Hội Khoa học Công nghệ mỏ Việt Nam

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất,

Đông Ngạc, Từ Liêm, Hà Nội

Vào hồi……giờ, ngày……tháng……năm 2007

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc gia, Hà Nội

Hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội

1.Võ Chí Mỹ, Nguyễn Bá Dũng (2004), “Xác định quy luật dịch chuyển

và đặc tính biến dạng bãi thải phục vụ quy hoạch hoàn thổ đất mỏ”,

Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 16, Hà Nội, tr.92-99

2 Nguyễn Mạnh Điệp, Phạm Thanh Tuấn, Nguyễn Bá Dũng và nnk

(2004), Báo cáo nghiên cứu khả thi dự án, cải tạo môi trường, cảnh

quan khu vực bãi thải Nam Đèo Nai, thị xã Cẩm Phả - tỉnh Quảng Ninh,

Hà Nội

3 Nguyễn Bá Dũng (2005), “Những kết quả bước đầu nghiên cứu dịch

chuyển biến dạng bãi thải phục vụ hoàn thổ đất mỏ”, Hội nghị khoa học

Cục Bản Đồ - Bộ Tổng Tham Mưu lần thứ 3, Hà Nội, tr.61-73

4 Võ Chí Mỹ, Nguyễn Bá Dũng (2006), “Xác định thông số dịch

chuyển đứng của bãi thải Nam Đèo Nai phục vụ quy hoạch hoàn thổ”,

Tuyển tập hội nghị KHKT Mỏ Toàn quốc, Đà Nẵng, tr.577-581

5 Nguyễn Bá Dũng (2006), “Nghiên cứu xây dựng chương trình phần

mềm xử lý số liệu quan trắc dịch chuyển, biến dạng đất đá mỏ”, Tạp chí

công nghiệp mỏ số 4, Hà Nội, tr.25-27

6 Nguyễn Bá Dũng, Nguyễn Mạnh Điệp, Phạm Thanh Tuấn (2006),

“Quy hoạch hoàn thổ bãi thải Nam Đèo Nai”, Tuyển tập kết quả nghiên

cứu khoa học 2001 - 2005, Hà Nội, tr.126-133

Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài

Theo quyết định số 64/2003/QĐ-TTg ngày 22/4/2003, Thủ tướng chính phủ đã phê duyệt “kế hoạch xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng”, bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai nằm trong danh mục các cơ sở phải giải quyết triệt để về môi trường Các thông tin quy luật dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt, các đại lượng về hoạt

động ngoại sinh trên sườn dốc bãi thải sẽ kịp thời cung cấp các thông số phục vụ cho tính toán, xử lý để lựa chọn phương án quy hoạch tối ưu hoàn thổ đất mỏ sau khai thác Đề tài “Nghiên cứu tính chất và qui luật của quá trình dịch chuyển, biến dạng của bãi thải để hoàn thổ đất mỏ, phục vụ phát triển nông lâm nghiệp (áp dụng ở bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai)”

được lựa chọn nhằm đáp ứng yêu cầu thực tế đó

Mục đích của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần xây dựng cơ sở phương pháp luận khẳng định tính cần thiết phải xác định các thông số dịch chuyển đất đá và biến dạng bãi thải phục vụ các dự án qui hoạch hoàn thổ bãi thải nói riêng và các hình thái địa hình sau khai thác mỏ nói chung

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a/Đối tượng nghiên cứu: Các hiện tượng dịch chuyển biến dạng đất đá bãi

thải do quá trình ngoại sinh và các biện pháp khắc phục; Qui luật dịch chuyển đứng bề mặt bãi thải theo thời gian và thành phần thạch học của đất đá thải

b/Phạm vi nghiên cứu: Bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai; Thời gian 4 năm

Nhiệm vụ của luận án

1 Đánh giá mức độ ổn định của bãi thải trong điều kiện tự nhiên và trong

điều kiện chịu tác động của các yếu tố ngoại sinh như mưa, gió v.v… Xác

định góc dốc sườn bãi thải hợp lý, qui hoạch hoàn thổ bãi thải ổn định bền vững

2 Xác định qui luật dịch chuyển đứng của bề mặt địa hình bãi thải thông qua các phương pháp quan trắc Lựa chọn phương án phục hồi cải tạo bề mặt bãi thải theo hướng phù hợp, khả thi cả về kinh tế và kỹ thuật

3 Thiết kế chương trình phần mềm phục vụ xử lý, lưu trữ, hiển thị số liệu

về dịch chuyển, biến dạng bãi thải

4 Nghiên cứu phương án qui hoạch đổ thải hợp lý, qui hoạch cải tạo bãi thải phục hồi chức năng kinh tế bãi thải theo hướng phát triển bền vững ngay sau khi ngừng đổ thải nhằm khắc phục tác động tiêu cực của bãi thải tới môi trường

Các phương pháp nghiên cứu

1 Tổng hợp, phân tích và đánh giá các nguồn dữ liệu, số liệu

2 Nghiên cứu trực tiếp dịch chuyển đứng bãi thải bằng quan trắc trắc địa Kết quả quan trắc là cơ sở xác định qui luật, dự báo xác định dịch chuyển

và biến dạng đứng bãi thải

3 Vận dụng lý thuyết địa kỹ thuật, cơ học đất, toán học, vật lý học, giải quyết các nội dung của luận án

4 ứng dụng công nghệ thông tin trong quá trình xử lý dữ liệu và lưu trữ

5 Nghiên cứu phương án thiết kế qui hoạch bãi thải mẫu Nam Cọc Sáu -

Đèo Nai như là một đối chứng thực tiễn cho kết quả nghiên cứu

Những điểm mới của luận án

1 Công trình đầu tiên xác định quy luật dịch chuyển đứng bề mặt bãi thải theo thời gian và thành phần thạch học của đất đá thải ở Việt Nam nói chung và bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai nói riêng

2 Xác định góc dốc quy hoạch hoàn thổ hợp lý sườn bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai (α ≤ 300) bảo đảm sự ổn định lâu dài của bãi thải kể cả khi có tác động của các yếu tố ngoại sinh Gốc dốc quy hoạch (α ≤ 300) thoả mãn cả các chỉ tiêu kỹ thuật và kinh tế

3 Xây dựng phần mềm “B∙i thải” phục vụ quản lý, xử lý và hiển thị các thông số dịch chuyển biến dạng bãi thải

4 Những kết luận về quy luật dịch chuyển đất đá bãi thải là đầu tiên và đã

được sử dụng trong quá trình xử lý, lựa chọn phương án qui hoạch hoàn thổ bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai phù hợp với điều kiện kinh tế - văn hoá - xã hội Việt Nam theo hướng phát triển bền vững

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Những luận điểm đã được chứng minh về qui luật dịch chuyển bề mặt bãi thải, kết quả khảo sát góc dốc ổn định sườn bãi thải, mối quan hệ giữa thành phần cơ giới, thành phần thạch học v.v… và các đại lượng dịch chuyển bãi thải là những nghiên cứu có ý nghĩa khoa học, là những đóng

góp cho lý thuyết chung về vấn đề dịch chuyển và biến dạng đất đá mỏ

- Phần mềm “B∙i thải” của tác giả luận án là công trình minh chứng khả năng ứng dụng công nghệ tin học trong quản lý, xử lý và lưu trữ thông

tin về dịch chuyển và biến dạng bãi thải

Luận điểm bảo vệ

1 Để phòng ngừa dịch chuyển đất đá do tác động ngoại sinh, bảo đảm cho bãi thải ổn định lâu dài, trong phương án quy hoạch hoàn thổ bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai, góc dốc sườn bãi thải phải thoả mãn điều kiện α ≤ 300

2 Qui luật dịch chuyển và biến dạng bề mặt bãi thải hoàn toàn khác với

qui luật dịch chuyển và biến dạng bề mặt địa hình do ảnh hưởng của quá

trình khai thác hầm lò hay dịch chuyển bờ mỏ Quá trình dịch chuyển

đứng đất đá khi đổ thải xẩy ra rất nhanh ngay sau khi đất đá được đổ thải

và tiến triển, mạnh mẽ, liên tục trong thời gian đầu, sau đó chậm lại theo

thời gian Đại lượng dịch chuyển đứng tại những điểm quan trắc không tỷ

lệ với độ cao các điểm quan trắc

3 Phần mềm “b∙i thải” là công cụ hiệu quả để xử lý, hiển thị, lưu trữ

số liệu dịch chuyển và biến dạng bãi thải

4 Đại lượng dịch chuyển đứng bề mặt bãi thải phụ thuộc vào thành phần

cơ giới và thành phần thạch học của đất đá Cần tính đến thành phần cơ

giới và thạch học đất đá thải khi đề ra phương án qui hoạch đổ thải, điều

chỉnh hợp lý quá trình dịch chuyển và biến dạng bãi thải sau khi kết thúc đổ thải

Cơ sở tài liệu

- Bản đồ và các tư liệu về bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai

- Số liệu thực tế quan trắc trong 2 năm tại bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai

- Tư liệu các công trình nghiên cứu dịch chuyển đất đá mỏ trong và ngoài nước

Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại bộ môn Trắc địa Mỏ, khoa Trắc Địa,

trường Đại học Mỏ - Địa Chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS

Võ Chí Mỹ và PGS.TS Vũ Năng Dũng Trong quá trình hoàn thành luận

án tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình, động viên của các

thầy cô giáo, các chuyên gia đầu ngành, các đồng nghiệp ở bộ môn Trắc

Địa Mỏ, khoa Trắc địa, phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, trường đại

học Mỏ - Địa Chất, Viện Qui hoạch và TKNN, Tập đoàn CN Than -

Khoáng sản Việt Nam, Công ty Than Đèo Nai Tác giả xin bày tỏ lòng

biết ơn chân thành nhất

Chương 1 - Tổng quan tình hình nghiên cứu dịch chuyển đất

đá vμ biến dạng bề mặt mỏ phục vụ quy hoạch hoμn thổ 1.1 Tác động môi trường của quá trình khai thác mỏ - Nhu cầu quy hoạch hoàn thổ mỏ

Khai thác mỏ là ngành công nghiệp phá hoại môi trường mạnh mẽ Tác động đến môi trường của từng công đoạn, từ thăm dò, xây dựng đến khai thác mỏ rất đa dạng với quy mô, cường độ và phạm vi khác nhau Dựa vào đối tượng bị tác động có thể khái quát thành 4 nội dung lớn như sau:

- Chiếm dụng, làm suy thoái và ô nhiễm môi trường đất

- Ô nhiễm môi trường không khí

- Tác động thủy hệ và ô nhiễm môi trường nước

- Tai biến môi trường

Một vài thảm họa đã xẩy ra có thể chứng minh cho hiện tượng tai biến môi trường từ nguyên nhân bãi thải mỏ là rất trầm trọng

ắ Thảm họa trượt lở bãi thải thảm khốc xẩy ra tại khu khai thác mangan Kép Ky Cao Bằng ngày 24/7/1992 làm chết 200 người

ắ Trượt lở bãi thải quặng khai trường 12 thuộc Công ty apatit Lào Cai ngày 20/11/2004, vùi lấp thiết bị, làm 2 công nhân chết tại chỗ

ắ Trượt lở bãi thải Công ty than Cao Sơn ngày 23/10/2005, phá huỷ hoàn toàn nhiều ngôi nhà Đất đá tràn lấp ao hồ, ruộng, vườn; suối Vũ Môn bị lấp dòng chảy.… cuộc sống của người dân bị đe dọa nghiêm trọng

ắ Ngày 31/7/2006, do tác động của mưa lớn từ cơn bão số 3, chỉ trong vài phút hàng nghìn m3 đất đá bãi thải Công ty than Cọc Sáu đã trượt lở gây vỡ đập (đập Khe Dè) số 1, số 2, số 3, cuốn trôi nhiều nhà cửa, tài sản cư dân vùng lân cận; ước tính thiệt hại nhiều tỷ đồng

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng đất đá mỏ 1.2.1 Các phương pháp nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng đất đá mỏ

Vấn đề nghiên cứu dịch chuyển đất đá mỏ đã được đặt ra từ cuối thế

kỷ 19 Có thể chia ra 3 phương pháp nghiên cứu dịch chuyển đất đá mỏ: phương pháp nghiên cứu lý thuyết; phương pháp nghiên cứu trên mô hình; phương pháp quan trắc thực địa Mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm, điều kiện nghiên cứu và ứng dụng khác nhau Kết quả của phương pháp này sẽ bổ sung cho các phương pháp kia và ngược lại

1.2.2 Tình hình nghiên cứu dịch chuyển, biến dạng đất đá mỏ trên thế giới

và ở Việt Nam

dịch chuyển và biến dạng đất đá mỏ rất được quan tâm nghiên cứu với sự

đầu tư nhiều công sức và kinh phí của Nhà nước, của các trường đại học,

các trung tâm và các viện nghiên cứu khoa học công nghệ mỏ Tại Cộng

hòa Liên bang Nga, Ba Lan, Cộng hòa Liên bang Đức, Australia, Canada v.v vấn đề dịch chuyển đất đá và biến dạng bề mặt mỏ luôn luôn thời sự

và được đặc biệt quan tâm, các chương trình hoàn thổ được tập trung nghiên cứu với sự hỗ trợ và đầu tư lớn của Nhà nước Trên nhiều bãi thải lớn sau khai thác nay đã xây dựng các chung cư, biệt thự; khu công viên, nghỉ mát cho cán bộ công nhân mỏ Nhiều bãi thải đã trở thành khu rừng sinh thái, những cánh đồng lúa mỳ xanh tốt

dịch chuyển biến dạng đất đá thải mỏ ở Việt Nam chưa được chú ý đúng mức Với những nghiên cứu của các tác giả như Nguyễn Đình Bé, Võ Chí

Mỹ, Hoàng Kim Vĩnh, Chu Thường Dân, Kiều Kim Trúc, Trần Minh Đản, Vương Trọng Kha Cho đến nay, khi vấn đề môi trường đã đến mức giới hạn của sự chịu đựng, vấn đề quy hoạch bãi thải mới được đề cập Các dự

án “đầu tư cải tạo môi trường, cảnh quan khu vực bãi thải Nam Cọc Sáu -

Đèo Nai thị xã Cẩm Phả - tỉnh Quảng Ninh” được xây dựng, nhằm nghiên

cứu qui hoạch hoàn thổ, phục hồi chức năng kinh tế của bãi thải một cách triệt để, theo hướng phát triển bền vững Chương trình nghiên cứu nhằm xác định quy luật dịch chuyển, biến dạng đất đá mỏ của bãi thải nói chung

và thực nghiệm trên nguyên mẫu bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai nói riêng Các đại lượng dịch chuyển biến dạng, kết quả nghiên cứu cung cấp các thông số cho việc xử lý, lựa chọn phương án quy hoạch đúng đắn, tối

ưu nhất và ổn định nhất

Chương 2 - Nghiên cứu tính chất dịch chuyển vμ biến dạng đất đá

b∙i thải nam Cọc Sáu - đèo nai do tác động các quá trình ngoại sinh

2.1 Giới thiệu khu vực nghiên cứu - Hiện trạng bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai

Trong những năm trước đây, bãi thải Nam Cọc Sáu- Đèo Nai là vị trí

đổ thải chung cho cả hai mỏ Cọc Sáu và Đèo Nai Bãi thải nằm về phía nam của cả hai mỏ, nên đã có tên gọi là bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai Trong những năm gần đây, mỏ Cọc Sáu phát triển khai trường lên phía bắc, để giảm cung độ vận tải đất đá, vị trí đổ thải của mỏ Cọc Sáu đã chuyển lên bãi thải phía bắc Bãi thải chỉ dành riêng cho hoạt động đổ thải của mỏ Đèo Nai Từ đó, bãi thải mang tên gọi bãi thải Nam Đèo Nai Các thông số hiện trạng bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai được giới thiệu trong bảng 2.1 Một số thông số địa chất theo Hoàng Kim Vĩnh được trình bày trong bảng 2.4

Bảng 2.1 Các thông số chủ yếu của bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai Chiều

cao bãi

thải (m)

Góc dốc sườn bãi thải (0)

Diện tích đổ thải (ha)

Chiều cao tầng thải (m)

Chiều rộng mặt tầng (m)

Góc dốc sườn tầng(0)

280 260 - 360 270 50 - 100 20 - 50 320 - 400

Bảng 2.4 Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải Nam Đèo Nai - Cọc Sáu

Lực dính kết

C [t/m2]

Góc ma sát trong φ[0]

2.2.1 Tác động của gió

Xói mòn do gió tuy không gây ảnh hưởng tới kết cấu các công trình xây dựng cũng như các hệ thống cơ sở hạ tầng, nhưng lại là tác nhân gây bụi ảnh hưởng rất lớn tới môi trường sống của con người [42]

2.2.2 Tác động của nước

Dưới tác động của nước với sự dịch chuyển biến dạng bãi thải có thể

được chia ra: Sự phá hủy đất bề mặt do mưa; Xói mòn bề mặt địa hình do nước mặt; Trượt lở mất ổn định bãi thải do tác động của nước thẩm thấu trong thân bãi thải

2.2.3 Sự phá hủy bề mặt do tác động của mưa rơi

Nước mưa giữ vai trò chủ yếu trong các yếu tố ngoại sinh gây ra hiện tượng trượt lở, xói mòn, làm mất tính ổn định sườn bãi thải

2.2.4 Các dạng dịch chuyển đất đá sườn dốc bãi thải

Từ thực tế khảo sát bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai, quan sát thấy rằng các hình thức dịch chuyển đất đá sườn dốc bãi thải này có thể được khái quát theo cách phân loại sau đây:

i i i

i i

sin W

tg cos

W l

i i i

1 i i i

1 i i i

i s

sin W

tg sin ) P P ( cos ) H H

W ( l c

2.3.3 Sự biến đổi hệ số ổn định sườn dốc theo thời gian

Sườn dốc bãi thải được coi là ổn định khi hệ số an toàn n >1 Hiện tượng dịch chuyển đất đá phụ thuộc vào nhiều yếu tố: thành phần và đặc tính đất đá, độ nghiêng sườn dốc, các điều kiện ngoại sinh làm thay đổi sự phân bố lực và hệ số ổn định cũng thay đổi Quan trắc thường xuyên, có

hệ thống quá trình dịch chuyển đất đá sườn dốc sẽ cho phép xây dựng biểu đồ hệ số ổn định theo thời gian

2.3.4 Các thông số hình học của bãi thải

Trong xu thế bảo vệ môi trường, việc quy hoạch hoàn thổ bãi thải cần thoả mãn các điều kiện cơ bản sau đây: Chiếm dụng diện tích đất đai ít nhất; Độ cao bãi thải hợp lý nhất theo định hướng quy hoạch hoàn thổ; Góc dốc sườn bãi thải hợp lý nhất, bảo đảm độ ổn định, tránh các tai biến môi trường do nguyên nhân dịch chuyển đất đá

2.4 Đánh giá ổn định sườn dốc của bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai

Việc tính toán độ ổn định bãi thải được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng quốc tế như SLOPE/W của CANADA [9] Kết quả đánh giá

độ ổn định bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai theo tác giả Kiều Kim Trúc tiến hành, thể hiện trong bảng 2.6 [45]

Nhằm đánh giá mức độ ổn định của sườn dốc bãi thải, tính hệ số ổn định

trên 2 tuyến mặt cắt hiện trạng của bãi thải (mặt cắt I, II)

Bảng 2.6 Hệ số ổn định bãi thải theo các tuyến

1 Mặt cắt 1 Địa hình 2003 theo tuyến 1 1,36 ổn định

2 Mặt cắt 2 Địa hình 2003 theo tuyến 2 1,46 ổn định

3 Mặt cắt 3 Địa hình 2003 theo tuyến 3 1,63 ổn định

4 Mặt cắt 4 Địa hình 2003 theo tuyến 4 1,63 ổn định

Kết quả tính toán được xem xét trong điều kiện bình thường, với lực

dính kết của đất theo hiện trạng bãi thải đang tồn tại, trong điều kiện đất

đá thải bị mất lực dính kết của đất do bị trương nở do tác động của nước

Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng 2.7

Qua kết quả tính toán cho thấy: Hiện nay, góc dốc sườn bãi thải nằm

trong khoảng (260 - 360), trong điều kiện tự nhiên, hệ số ổn định của bãi

thải > 1, bãi thải ở trạng thái ổn định Khi chịu tác động của các yếu tố

ngoại sinh, hệ số ổn định của sườn bãi thải giảm xuống 0,78 (< 1)

Bảng 2.7 Kết quả tính ổn định bãi thải trên tuyến I, II

tt Phương án Lực dính kết của đất đá Hệ số ổn định Ghi chú

Để xác định góc dốc sườn bãi thải sao cho ổn định ngay cả trong điều

kiện có tác động của các yếu tố ngoại sinh Hệ số ổn định được tính khi C

= 2 t/m2, và trong trường hợp lực dính kết của đất C = 0 t/m2 (mất lực dính

kết) Góc dốc của sườn bãi thải được nâng dần cho đến khi hệ số ổn định

của bãi thải > 1 Kết quả phân tích độ ổn định sườn bãi thải theo bảng 2.8

Kết quả tính toán cho thấy rằng: dưới tác động của các yếu tố ngoại

sinh hệ số an toàn bãi thải luôn ổn định khi góc dốc sườn dốc bãi thải α ≤ 30o