Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực cẩm phả, quảng ninh làm đường ô tô tt

M ục đích nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường; tiến hành phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất, đá thải

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐỖ VĂN THÁI

NGHIÊN C ỨU SỬ DỤNG ĐẤT ĐÁ THẢI TỪ CÁC MỎ THAN

KHU V ỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH

LÀM ĐƯỜNG Ô TÔ

Ngành : K ỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã s ố : 9.58.02.05

Chuyên ngành : Xây d ựng đường ôtô và đường thành phố

ỘI – 2019

Trường Đại học Giao thông Vận tải

Người hường dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Thư viện Quốc Gia Việt Nam

- Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1 Ths.NCS Đỗ Văn Thái, PGS.TS Nguyễn Hữu Trí, GS.TS Phạm Huy Khang (2015), “Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng chúng trong Xây dựng đường ô tô”, Tạp

2 Ths.NCS Đỗ Văn Thái, (2018), “Nghiên cứu đánh giá hiện tượng nứt trên

mặt lớp móng đường sử dụng cấp phối đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi

măng và giải pháp khắc phục”, Tạp chí Giao thông vận tải.(4), tr.83-86

3 Ths.NCS Đỗ Văn Thái, PGS.TS Nguyễn Hữu Trí, GS.TS Phạm Huy Khang (2018), “Kết quả thử nghiệm đất đá thải mỏ than Quảng Ninh gia cố xi

măng làm móng mặt đường ô tô”, Tạp chí Giao thông vận tải.(9), tr.41-44

M Ở ĐẦU

1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Để khai thác và tuyển chọn được 1m3 than sạch thông thường ở Quảng Ninh

phải bóc bỏ đổ đi từ 8 đến 12m3 đất đá thải Trữ lượng đất đá đổ thải tiềm tích khai thác than ở khu vực Quảng Ninh tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7

tỷ m3 và dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020 tiếp tục gia tăng khoảng 1,9 tỷ m3 Đường vào các bãi thải mưa thì lầy, nắng thì bụi, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đến mức báo động, hiện tượng sụt lở núi đất đá thải luôn rình rập, vùi lấp công trình và gây tai họa cho con người

Tập đoàn than Khoáng sản Việt Nam đã quy hoạch các bãi đổ thải để tập trung thu gom về một mối Tình trạng ô nhiễm môi trường đã có phần được cải thiện, tuy nhiên vẫn chưa khả thi trong việc ngăn chặn hệ lụy từ các bãi đổ thải hình thành từ khai thác than lộ thiên tại Quảng Ninh

Xuất phát từ thực tế đó, NCS đã đề xuất và thực hiện thành công đề tài nghiên cứu với tên luận án: “Nghiên cứu sử dụng đất đá thải từ các mỏ than khu vực

C ẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô”

2 M ục đích nghiên cứu

Trên cơ sở nghiên cứu khảo sát hiện trường, thí nghiệm trong phòng và thử nghiệm hiện trường; tiến hành phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất, đá thải từ các mỏ than ở khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh làm đường ô tô

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: đất, đá thải các mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh gia cố với xi măng hoặc không gia cố sử dụng làm lớp vật liệu trong kết cấu mặt đường ô tô, mặt đường GTNT

Phạm vi nghiên cứu: hiện trường bãi thải Đông Cao Sơn (ĐCS) khu vực Cẩm

Phả, Quảng Ninh; thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý kỹ thuật đất đá thải mỏ than không gia cố và có gia cố với xi măng; thử nghiệm tại hiện trường sử dụng vật liệu đất đá thải làm mặt đường ô tô

4 Ý ngh ĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

4.1 Ý nghĩa khoa học:

Làm rõ được cơ sở khoa học, hiệu quả gia cố xi măng đối với 02 loại cấp phối

đề xuất (A-ĐCS và AB-ĐCS)

Bổ xung, hoàn thiện công nghệ thi công và kiểm soát chất lượng lớp vật liệu cấp phối AB-ĐCS gia cố xi măng trong xây dựng kết cấu mặt đường ô tô

Phân tích và đề xuất áp dụng một số kết cấu mặt đường ô tô điển hình sử dụng đất, đá thải mỏ than khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh

4.2 Ý nghĩa thực tiễn:

Kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ môi trường và tận dụng vật liệu địa phương trong xây dựng đường ô tô

Hoàn thiện dây chuyền công nghệ từ gia công sản xuất vật liệu đến trộn hỗn hợp gia cố, san, rải, đầm lèn và kiểm soát chất lượng, chế độ bảo dưỡng, hạn chế nứt lớp cấp phối đất, đá thải gia cố xi măng trong xây dựng mặt đường ô tô

Xây dựng thành công một đoạn đường thử nghiệm có kết cấu áo đường bằng lớp đất đá thải mỏ than Quảng Ninh

Đề xuất cấu tạo một số kết cấu áo đường điển hình có sử dụng đất đá thải mỏ than, phạm vi áp dụng trong xây dựng đường ô tô và đường GTNT

5 C ấu trúc của luận án: Luận án gồm phần mở đầu; 4 chương chính; Phần kết

luận, kiến nghị - hướng nghiên cứu tiếp theo; Danh mục tài liệu tham khảo và

phụ lục

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG

ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ

1.1 T ổng quan về đất, đá thải từ các mỏ khai thác than

1.1.1 Khai thác than và đất đá thải từ các mỏ than trên thế giới

Khai thác than tác động đến vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm hiện tượng xói mòn, sụt sạt đất đá do mưa lũ, gây mất cân bằng sinh học, ô nhiễm môi trường (không khí, nước, đất) cũng như chiếm dụng diện tích đất chứa cho bãi đổ thải

Những công ty, tập đoàn khai mỏ trên thế giới đều tuân thủ những quy định của chính phủ về môi trường và phải phục hồi nguyên trạng môi sinh, khắc phục một

số tác động đến môi trường do khai thác khoáng sản gây ra, trong đó có khai thác than

1.1.2 Khai thác than và th ực trạng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh

Dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020, khối lượng đất, đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh tiếp tục gia tăng lên mức khoảng 1,9 tỷ m3

Hiện tại, bãi thải lớn nhất vùng than Cẩm Phả, Quảng Ninh là bãi thải Đông Cao Sơn (ĐCS) có dung tích 295 triệu m3 Riêng trong giai đoạn 2011 - 2015, khối lượng đất đá thải ở bãi thải Đông Cao Sơn đã là 509,8 triệu m3, chiếm gần 83% tổng khối lượng đất đá thải của toàn vùng Cẩm Phả

1.1.3 Quy mô và th ực trạng bãi đổ thải Đông Cao Sơn, Cẩm Phả, Quảng Ninh

Theo thiết kế do Liên Xô lập năm 1980 với tổng diện tích là 280 ha, mức cao đổ

thải cao nhất ở độ cao +255m, dung tích bãi thải là 359,1 triệu m3 và chỉ phục

vụ cho việc đổ thải của mỏ Cao Sơn Hiện nay bãi thải ĐCS (Hình 1.4) được

quy hoạch đổ thải cho cả các mỏ than lân cận

Các xe vận chuyển siêu trường, siêu

trọng liên tục nối đuôi nhau ra vào đổ

thải Đất đá thải thu gom chất thành

núi cao, trung bình từ 60m đến 150m,

có nơi rất cao thậm chí cao đến 250m

so với mặt nước biển Hình 1.4: M ặt bằng theo quy hoạch

bãi thải Đông Cao Sơn

Đất, đá thải mỏ than tập kết trên bãi thải Đông Cao Sơn được hình thành từ việc

nổ mìn phá đá bóc đi tầng phủ nguyên sinh phía trên đến giáp miền cận quặng (bể than) Đá thải ở đây có cường độ thấp, độ bền cơ học không cao và lẫn trong

đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng đất phủ, ước tính chiếm khoảng 10%

tổng số vật liệu thải Đất đá thải có nhiều cỡ hạt khác nhau, thay đổi từ dạng hạt bụi đến cát, dăm sạn rồi đến các loại đá cục và đá tảng

Hình 1.5: Thực trạng đất, đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn

1.2 T ổng quan về sử dụng đất đá thải trong xây dựng đường ô tô

1.2.1 Nh ững kết quả nghiên cứu và chỉ dẫn kỹ thuật ở nước ngoài

Có rất nhiều nước trên thế giới sử dụng đất đá thải và có ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến vật liệu đá, đá thải, đá lẫn đất để xây dựng đập và nền đường trong đó:

- Chỉ dẫn kỹ thuật cho đường ô tô - Xây dựng nền đường đắp của Nam Phi,

1982

- Chỉ dẫn kỹ thuật của Mỹ

- Chỉ dẫn kỹ thuật của Sở GTVT bang Washington, Mỹ

- Yêu cầu kỹ thuật đối với đất, đá thải đắp nền đường của Vương quốc Anh

- Chỉ dẫn sử dụng đá thải đắp nền đường tại Úc

1.2.2 Nh ững kết quả nghiên cứu bước đầu và chỉ dẫn kỹ thuật ở Việt Nam

Ở nước ta, nguồn đất, đá thải từ việc khai thác mỏ, sản xuất đá,… và chất thải rắn trong quá trình phá dỡ hoặc xây dựng công trình hiện nay rất lớn Những kết

quả nghiên cứu sử dụng phế thải này trong xây dựng đường ô tô còn hạn chế đặc

biệt về thử nghiệm và kiểm chứng, đánh giá

1.2.2.1 Các tiêu chu ẩn xây dựng nền đường ô tô có liên quan đến đất, đá thải

- Giai đoạn trước năm 2005 có một số công trình đường ô tô ở địa phương có

sử dụng đất, đá thải chỉ mang tính tự phát và phi tiêu chuẩn

Hình 1.9: Mặt đường sử dụng đá lát nhiều kích cỡ và đá xô bồ

- Giai đoạn sau năm 2005 trở lại đây đã có những quy định kỹ thuật trong xây

dựng nền đường ô tô có liên quan đến đất, đá thải như sau: TCVN4054;TCN211-06;TCVN9436;TCN333-06

- Vấn đề nghiên cứu và thử nghiệm gần đây

nên Bộ GTVT cho làm thử để nghiên cứu, rút kinh nghiệm trên một số tuyến đường như Cao tốc Hà Nội – Lào Cai, Tuyến đường Lê Công Thanh – Phủ Lý –

Hà Nam

Hình 1.11: Đắp nền đường bằng đá thải Gói thầu A8

Cao t ốc Hà Nội – Lào Cai

Hình 1.12: Đắp nền đường bằng đá thải Quốc lộ 1A, đoạn Phủ Lý - Cầu Đoan Vĩ

1 Đề án “Xử lý, tái sử dụng chất thải rắn trong xây dựng công trình giao thông đường bộ” Mã số: MT 103005, Viện KHCN GTVT

2 Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu đắp đá và đắp đá lẫn đất trong thi công xây dựng nền, mặt đường tại Việt Nam” Mã số: 124002 – Viện KHCN GTVT

3 Nghiên cứu thực nghiệm đất đá thải ở bãi thải Nam Khe Tam – Luận văn cao học – Vũ Vinh, 2013

4 Dự thảo Tiêu chuẩn cơ sở “Nghiên cứu đắp đá và đắp đá lẫn đất trong thi công xây dựng nền, mặt đường tại Việt Nam”, 2018, Viện KHCN GTVT

2- Các Tiêu chu ẩn xây dựng móng đường ô tô có liên quan đất, đá thải

- 22TCN 211-06; TCVN 8857:2011; TCVN 8859:2011;TCVN 8858:2011;

TCVN 10379:2014

1.3 T ổng hợp, phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu

- Nước ngoài: khuyến khích sử dụng để san lấp mặt bằng, đắp nền đường ô tô với kích cỡ mở rộng tới 500 mm Đồng thời, nguồn vật liệu đất, đá thải từ các

mỏ than có thể dùng để sản xuất cấp phối đá dăm dùng trong xây dựng móng đường ô tô

- Trong nước: có Đề án, Dự án nghiên cứu về đất, đá thải trong khai thác than ở

Quảng Ninh nhưng chủ yếu tập trung vào việc quy hoạch mặt bằng; Đề tài nghiên cứu về khoáng hóa của đất, đá thải; về thổ nhưỡng; về sản xuất vật liệu như gạch, ngói trong xây dựng; san lấp mặt bằng, làm đường tạm, dân sinh; sản

xuất cát nhân tạo

1.3.3 Phân tích và đề xuất nội dung nghiên cứu

N ội dung nghiên cứu

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và thử nghiệm trong phòng về cấp phối đất, đá thải

đã đề xuất gia cố xi măng; lựa chọn tỷ lệ chất kết dính hợp lý; phân tích đánh giá

hiệu quả gia cố và xác định các chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp gia cố xi măng dùng trong tính toán thiết kế thử nghiệm hiện trường

Xây dựng đoạn đường thử nghiệm sử dụng đất đá thải mỏ than trong kết cấu áo đường; Đề xuất một số kết cấu điển hình; đề xuất công nghệ sản xuất vật liệu

cấp phối; hoàn thiện công nghệ thi công lớp cấp phối đất đá thải gia cố xi măng

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, phân tích cơ sở khoa học về sử dụng vật liệu trong xây dựng mặt đường ô tô Nghiên cứu thí nghiệm trong phòng, thử nghiệm ngoài

hiện trường Sử dụng phương pháp tổng hợp, thống kê trong thiết kế thực nghiệm, xử lý kết quả thí nghiệm

Chương 2:

NGHIÊN C ỨU THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG ĐẤT, ĐÁ THẢI MỎ THAN KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LÀM

V ẬT LIỆU XÂY DỰNG KẾT CẤU MẶT ĐƯỜNG Ô TÔ

2.1 Nghiên c ứu cơ sở khoa học sử dụng vật liệu đất, đá gia cố chất kết dính

vô cơ trong xây dựng mặt đường ô tô

2.1.1 Khái ni ệm chung về gia cố vật liệu

Quá trình tác động vật lý và cơ học do nghiền nhỏ cốt liệu, trộn và đầm nén để tạo khả năng tiếp xúc chặt chẽ giữa các hạt đất, đá cũng như các chất trộn thêm vào Tính chất cơ lý và độ chặt được cải thiện, làm tăng khả năng ổn định với nước và hạn chế những tác động có hại trong môi trường Tuy nhiên hiệu quả gia cố cao chỉ đạt được với điều kiện chọn đúng chất liên kết và tỉ lệ sử dụng phù hợp với nhóm đất hay nhóm vật liệu hạt cần gia cố Đồng thời chất liên kết

phải được phân bố đồng đều kết hợp đầm nén đảm bảo

Đất gia cố chất kết dính vô cơ là hình thức trộn đều đất với chất kết dính vô cơ

và nước theo một tỷ lệ nhất định trong thiết bị hoặc ở hiện trường; sau đó rải và

lu lèn đến độ chặt yêu cầu tạo thành các lớp vật liệu móng, mặt đường Cường

độ của đất gia cố sẽ tăng theo thời gian để đạt được cường độ thiết kế yêu cầu tùy thuộc vào loại chất liên kết sử dụng

Sự hình thành cường độ và tính ổn định nước của hỗn hợp vật liệu hạt gia cố chất liên kế vô cơ phụ thuộc nhiều vào thành phần khoáng của vật liệu hạt, phương pháp gia cố, các phản ứng xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các chất kết dính với vật liệu khoáng và quá trình trao đổi ion giữa chúng

Trong giai đoạn đầu xi măng trộn trong đất được thủy hóa nhờ nước trong hỗn hợp sẽ tạo các sản phẩm thủy hóa; các sản phẩm này biến cứng giúp hình thành cường độ cho hỗn hợp Trong giai đoạn tiếp theo sẽ xảy ra sự tương tác hóa lý

và hóa học của cốt liệu mịn trong hỗn hợp với các sản phẩm thủy hóa của xi măng

Kết quả của hai quá trình trên tạo ra cấu trúc kết tinh có cường độ cao cho hỗn

hợp gia cố xi măng Cường độ này không chỉ phụ thuộc vào mác xi măng, tỷ lệ,

loại xi măng mà còn phụ thuộc vào các tính chất như độ phân tán, thành phần hạt, thành phần khoáng hóa, hàm lượng các muối hòa tan, hàm lượng mùn hữu

cơ và độ pH trong hỗn hợp vật liệu gia cố Theo tính chất của xi măng, quá trình hình thành cường độ của lớp vật liệu gia cố xi măng cũng phát triển dần chủ yếu trong giai đoạn 28 ngày tuổi

2.2 Thi ết kế thí nghiệm và xử lý thống kê số liệu thí nghiệm

dụng phần mềm Minitab 18 ở độ tin cậy 95%, mức ý nghĩa α=5%, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu với số mẫu nhỏ sử dụng phương pháp của Tukey

x x n

x x s

Hệ số biến sai của thông số cần kiểm soát được tính theo công thức

v

s c x

Giá trị đặc trưng X dt của biến số Xtuân theo quy luật phân bố chuẩn được tính:

.S

dt

Trong đó hệ số K=1,645 ứng với độ tin cậy R = 95%

2.2.3 Đánh giá số mẫu trong tổ mẫu

Sử dụng phần mềm thống kê Minitab 18 đánh giá lại số mẫu với tiêu chuẩn

Hình 2.5: Phân tích l ựa chọn số mẫu thí nghiệm

Độ chụm là mức độ gần nhau giữa các kết quả thử nghiệm độc lập nhận được trong điều kiện quy định, thể hiện chất lượng công tác thí nghiệm, đảm bảo cơ

sở khoa học để phân tích đưa ra những kết luận và kiến nghị của đề tài nghiên

cứu

2.3 Kh ảo sát, lấy mẫu đại diện và thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ, lý, hóa c ủa đất, đá thải mỏ than Đông Cao Sơn

Bãi thải Đông Cao Sơn là bãi thải có dung tích lớn nhất, ước tính lên đến 295 triệu m3, là nơi tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ than lộ thiên lân cận như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II và Đông Đá Mài, chiếm trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng

Hình 2.6: Đất, đá thải mỏ Đông Cao Sơn

2.3.2 Đặc điểm chung của bãi thải Đông Cao Sơn

1.5 1.0 0.5 0.0 -0.5

Power Curve for 1-Sample t Test

Vật liệu đất, đá thải tại bãi thải ĐCS thành phần chủ yếu bao gồm các loại đá phong hóa (cát kết, bột kết, sét kết) có độ bền cơ học không cao và lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng phủ, ước chiếm khoảng 10% tổng số vật

liệu thải Đất đá thải có nhiều cỡ hạt khác nhau, thay đổi từ dạng hạt bụi đến cát, dăm sạn rồi đến các loại đá cục và đá tảng (Hình 2.6)

Tiến hành điều tra, phân tích và lập kế hoạch lấy “mẫu” một cách rất cẩn trọng, tiêu chí cơ bản sau: thứ nhất, mẫu phải đại diện cho toàn bộ khu vực bãi thải; thứ hai, một lần lấy mẫu phải đủ khối lượng cho các nghiên cứu thí nghiệm (phân loại và xác định thành phần hạt, chỉ tiêu cơ lý, các đặc trưng kỹ thuật trong xây dựng đường)

Hình 2.7: L ấy mẫu đất, đá thải đại diện mỏ Đông Cao Sơn

Số

TT Chỉ tiêu Đơn

vị

Kết quả trung bình

B ảng 2.2: Khối lượng theo nhóm bãi thải

Đông Cao Sơn

hạt trong tổng khối lượng của nhóm A bãi thải ĐCS dẫn ở Bảng 2.3

Bảng 2.3: Khối lượng theo cấp bãi thải ĐCS (nhóm A)

Bảng 2.4: Thành phần cỡ hạt của đất đá bãi thải

Đông Cao Sơn (nhóm B)