Luận án nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực nam bộ

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU HỢP LÝ CỦA MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY .... Mục tiêu nghiên cứu Xác định được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU

KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ

VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC

THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

NGUYỄN TUẤN THÀNH

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU

KHAI THÁC LỘ THIÊN HỢP LÝ CHO CÁC MỎ ĐÁ

VẬT LIỆU XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC

THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY Ở KHU VỰC NAM BỘ

Ngành: Khai thác mỏ

Mã số: 9520603

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS Trần Mạnh Xuân

2 TS Lê Văn Quyển

Hà Nội - 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2021

Tác giả

Nguyễn Tuấn Thành

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Danh mục chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vẽ, đồ thị vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN 7

1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức truyền thống 8

1.1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg 8

1.1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh≥ Ktb 11

1.1.3 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh≥ Kbgkết hợp với nguyên tắc Kgh≥ Ktb 11

1.1.4 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh≥ KT 11

1.1.5 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh≥ K0+KSx 15

1.1.6 Xác định hệ số bóc giới hạn Kgh 16

1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức phi truyền thống khi sử dụng các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ 18

1.2.1 Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng thuật toán hình nón động 18

1.2.2 Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng phương pháp phương án với việc sử dụng phần mềm COMFAR 19

1.3 Xác định biên giới mỏ đối với mỏ đá dùng làm vật liệu xây dựng 21

1.4 Kết luận chương 1 25

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU HỢP LÝ CỦA MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY

DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY 26

2.1 Nhóm các yếu tố ảnh hưởng gián tiếp 27

2.1.1 Giá thành khoan nổ mìn 27

2.1.2 Giá thành xúc bốc 1m3 đá 30

2.1.3 Giá thành khâu chế biến đá 30

2.2 Nhóm các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp 31

2.2.1 Khoảng cách vận tải 31

2.2.2 Lượng nước mưa chảy vào mỏ và việc bơm nước mưa ra khỏi mỏ 33

2.2.3 Lượng nước ngầm chảy vào mỏ và việc bơm nước ngầm ra khỏi mỏ 34

2.2.4 Góc dốc kết thúc của bờ mỏ 36

2.2.5 Diện tích đất đai phải đền bù phục vụ khai thác mỏ 39

2.2.6 Vấn đề cải tạo và khôi phục môi trường sau khai thác 43

2.2.7 Cơ chế chính sách và quản lý nhà nước 43

2.3 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC HỢP LÝ CHO CÁC MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY KHU VỰC NAM BỘ 48

3.1 Một số đặc điểm về biên giới các mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng ở nước ta 48

3.2 Cơ sở lý thuyết và thực tế xác định chiều sâu mỏ hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Đông Nam Bộ 52

3.3 Các bước xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ 54

3.3.1 Xác định chiều sâu mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng theo điều kiện kỹ thuật 55

3.3.2 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý 57

3.4 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá đang khai thác 57

3.4.1 Xác định khối lượng lớp đất phủ 57

3.4.2 Xác định khối lượng đá xây dựng 59

3.4.3 Xác định chi phí khai thác và chế biến đá xây dựng 61

3.4.4 Xác định giá trị khoáng sản đá xây dựng, đất phủ 64

3.4.5 Trình tự tiến hành xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ 65

3.5 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy chưa khai thác 72

3.5.1 Nghiên cứu mối quan hệ giữa diện tích và chu vi mặt mỏ (biên giới trên của mỏ lộ thiên) với khối lượng đá xây dựng thu hồi được trong biên giới mỏ 72

3.5.2 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý đối với mỏ chưa khai thác (xác định trong giai đoạn thiết kế mỏ lộ thiên) 77

3.6 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đối với cụm mỏ chưa khai thác 80

3.6 Kết luận chương 3 87

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU KHAI THÁC HỢP LÝ CHO MỎ ĐÁ THƯỜNG TÂN III 88

4.1 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên cụm mỏ Thường Tân III 88

4.1.1 Điều kiện tự nhiên 88

4.1.2 Điều kiện địa chất 91

4.1.2.3 Khoáng sản 94

4.1.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 95

4.2 Hiện trạng khai thác 96

4.2.1 Hiện trạng biên giới mỏ 96

4.2.2 Công nghệ khai thác và đồng bộ thiết sử dụng 98

4.3 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng Thường Tân III 101 4.4 Kết luận chương 4 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG LUẬN ÁN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC 111

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ

Thường Tân -Tân Mỹ (xã Thường Tân và Tân Mỹ, huyện Bắc Thường Tân) 51 Bảng 3.3: Sự giảm khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ khi tăng tỷ số Km

(lấy từ phụ lục 1) 75 Bảng 3.4: Mức độ chênh lệch giữa khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ

tương ứng với tỷ số Kmo và Kmc 76 Bảng 3.5: Kết quả khảo sát xác định chiều sâu mỏ và diện tích mặt mỏ hợp lý 78 Bảng 4.1: Tổng hợp các thông số ĐCTV qua kết quả bơm nước thí nghiệm và

xác định các thông số ĐCTV theo phương pháp Duypuy 96 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp các chỉ tiêu chủ yếu về biên giới mỏ khai trường theo

Thiết kế kỹ thuật 97 Bảng 4.3: Tổng hợp các thông số hệ thống khai thác 99 Bảng 4.4: Đồng bộ thiết bị khai thác và phụ trợ 100

≥ K0+KT 14 Hình 1.5: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ theo nguyên tắc Kgh

≥ K0+Ksx 16 Hình 2.1: Sơ đồ xác định khoảng cách vận tải đá xây dựng phụ thuộc vào chiều

sâu khai thác (x) 33 Hình 2.2: Sự thay đổi chiều sâu của mỏ 38 Hình 2.3: Sự phụ thuộc của hệ số K d và V xd theo chiều sâu khai thác 41 Hình 2.4: Sơ đồ xác định trữ lượng địa chất V dc và trữ lượng công nghiệp V kt khi

khai thác mỏ đá xây dựng thông thường, mặt địa hình bằng phẳng 45 Hình 2.5: Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa diện tích được cấp và chiều sâu khai thác 45 Hình 2.6: Sơ đồ bố trí các mỏ nằm liền kề nhau 46 Hình 2.7: Quy mô tổn thất tài nguyên khi khai thác mỏ liền kề (a) và cách nhau

(b) khi tiến hành khai thác độc lập 47 Hình 3.1: Các trình tự khoanh định biên giới mỏ lộ thiên 53 Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật khi mặt mỏ

có dạng hình chữ nhật 56 Hình 3.3: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật khi mặt mỏ có

dạng gần tròn trong bình đồ 57 Hình 3.4: Sơ đồ xác định khối lượng đất phủ 58 Hình 3.5: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khi khai thác đến chiều sâu (x)

với mỏ có dạng hình chữ nhật trong bình đồ 60

Hình 3.6: Sơ đồ xác định khối lượng đá xây dựng khi khai thác đến chiều sâu

(x) với mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ 61 Hình 3.7: Sơ đồ khối thuật toán tối ưu xác định chiều sâu khai thác hợp lý của

mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy 68 Hình 3.8: Giao diện chương trình tính toán xác định chiều sâu khai thác hợp lý của

mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy 71 Hình 3.9 Sự phụ thuộc của chiều sâu hợp lý của mỏ và lợi nhuận riêng LR vào

diện tích mặt mỏ 79 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí các mỏ trong cụm mỏ 86 Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ khai thác, chế biến đá 98

MỞ ĐẦU

1 Tính c ấp thiết của đề tài

Sau ngày miền Nam giải phóng 1975, đặc biệt trong những năm đầu của thế

kỷ 21, nhằm thỏa mãn nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng tăng để phục vụ cho các kế hoạch phát triển hạ tầng, từng bước hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước, việc thăm dò, tìm kiếm đá xây dựng ngoài đá vôi ở khu vực Nam Bộ trở nên cấp thiết Ngày nay đã hình thành hàng loạt mỏ khai thác đá xây dựng đặc biệt là khu vực đông Nam Bộ như các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu

Theo số liệu thống kê tại ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Bình Dương hiện có 67 mỏ đang hoạt động khai thác đá xây dựng thông thường (không tính các mỏ khai thác đá vôi và đá granit)

Diện tích mặt mỏ (kích thước biên giới trên của mỏ), chiều sâu khai thác và trữ lượng khai thác của từng mỏ được quy định trong giấy phép khai thác Phần lớn độ sâu khai thác theo giấy phép khai thác ở mức từ -30 m đến -50 m, một số

mỏ từ -60 m đến -150 m

Việc cấp giấy phép thăm dò và khai thác còn bộc lộ nhiều bất cập, thể hiện ở chỗ trên cùng một khu vực có cùng điều kiện khai thác và chất lượng khoáng sản nhưng các mỏ lại được cấp với diện tích và độ sâu khai thác không phù hợp với yêu cầu phát triển bền vững của ngành Chưa đảm bảo hiệu quả khai thác tài nguyên khoáng sản theo khía cạnh tiết kiệm, mang lại lợi ích tối đa cho xã hội Như một số

mỏ được cấp với diện tích lớn nhưng chiều sâu khai thác lại nhỏ, ngược lại mỏ được cấp với diện tích khai thác nhỏ nhưng chiều sâu khai thác lại lớn (mỏ Tân Mỹ A theo thiết kế diện tích mặt mỏ được cấp 64,6 ha nhưng độ sâu khai thác chỉ dừng ở mức -30m, trong khi mỏ Thường Tân, công ty trách nhiệm hữu hạn(TNHH) Phan Thanh diện tích được cấp 17 ha nhưng độ sâu khai thác lại ở mức -50 m) Một số

mỏ khác có độ sâu khai thác như nhau nhưng diện tích cấp mỏ lại khác nhau, gấp 3 đến 6 lần

Hiện nay (theo khảo sát năm 2018) tại tỉnh Bình Dương, một số mỏ chiều sâu khai thác đang tiến gần đến độ sâu khai thác thiết kế (mỏ Thường Tân, công ty

TNHH Phan Thanh; mỏ Thường Tân 2), một số mỏ đá đã đạt mức thiết kế (mỏ Thường Tân, công ty TNHH Hồng Đạt; mỏ Thường Tân, công ty TNHH Liên Hiệp;

mỏ Thường Tân 5), một số mỏ đã khai thác vượt độ sâu thiết kế (mỏ Tân Mỹ A, mỏ Tân Mỹ B) Một số mỏ khác đã khai thác ở độ sâu vượt mức cho phép ban đầu và

đề nghị cấp phép khai thác ở độ sâu lớn hơn (mỏ Thường Tân 3, Thường Tân 4 và

mỏ đá Tân Đông Hiệp)

Việc cho phép tăng độ sâu khai thác theo từng đợt mà không chỉ ra độ sâu khai thác cuối cùng là thiếu cơ sở khoa học, gây khó khăn cho công tác quy hoạch phát triển ngành khai thác đá vật liệu xây dựng của vùng dẫn đến tình trạng khai thác không mang lại hiệu quả kinh tế cao và không tận thu tối đa tài nguyên khoáng sản từ lòng đất Đối với những mỏ hoặc cụm mỏ sắp cấp phép khai thác mới cũng gặp vấn đề tương tự nếu không có những nghiên cứu cơ bản về chiều sâu khai thác có hiệu quả cho các mỏ đá xây dựng của khu vực Đề tài ''Nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ'' là vấn đề khoa học có tính thời sự và cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xác định được chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ với ba trường hợp đặc biệt sau đây:

- Mỏ đang khai thác với biên giới trên mặt đã được xác định

- Mỏ chưa khai thác

- Cụm mỏ nằm liền kề trong khu vực quy hoạch phát triển khai thác đá xây dựng

3 Đối tượng nghiên cứu

Xác định chiều sâu khai thác lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy

4 P hạm vi nghiên cứu

Các mỏ đá xây dựng khu vực Nam Bộ, tập trung vào các mỏ có dạng quy

cách trên bình đồ (dạng hình chữ nhật và dạng gần tròn)

5 Nội dung nghiên cứu

- Phân tích và đánh giá các công trình nghiên cứu đã công bố liên quan đến nội dung luận án

- Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên, kỹ thuật, kinh tế kỹ thuật và kinh tế xã hội ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ

- Nghiên cứu trình tự phù hợp để khoanh định biên giới mỏ lộ thiên khai thác

đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ

- Nghiên cứu xác định biên giới mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ cho 3 trường hợp:

+ Mỏ đang khai thác

+ Mỏ chưa khai thác (được xác định trong giai đoạn thiết kế mỏ)

+ Cụm mỏ trong khu vực quy hoạch khai thác của địa phương

- Vận dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ Thường Tân III

6 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành các nội dung của luận án, các phương pháp nghiên cứu sau đây được áp dụng:

- Phương pháp khảo sát, thu thập và phân tích số liệu

- Phương pháp giải tích

- Phương pháp phân tích hình học mỏ

- Phương pháp phương án, so sánh

- Phương pháp chuyên gia

- Phương pháp sử dụng công nghệ thông tin

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án

7.1 Ý nghĩa khoa học

Góp phần bổ sung cơ sở khoa học trong công tác thiết kế biên giới mỏ lộ thiên, đặc biệt đối với các khoáng sàng đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy

7.2 Ý ngh ĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài có thể là tài liệu tham khảo bổ ích cho các cơ quan tư vấn, thiết kế, quản lý trong việc lập quy hoạch phát triển vùng nguyên liệu đá xây dựng nhằm nâng cao hiệu quả khai thác, tận dụng tốt tài nguyên từ lòng đất, đảm bảo sự phát triển bền vững ngành khai thác đá vật liệu xây dựng khu vực Nam Bộ

8 Các luận điểm bảo vệ

8.1 Luận điểm 1

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước

tự chảy đang khai thác phụ thuộc vào kích thước mặt mỏ (biên giới trên của mỏ) được ghi trong giấy phép khai thác, chi phí để khai thác và chế biến đá, giá trị của đá và được xác định trên cơ sở tổng lợi nhuận thu được là lớn nhất khi mỏ đạt đến chiều sâu đó

8.2 Luận điểm 2

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy chưa khai thác (xác định trong giai đoạn thiết kế mỏ) cần được gắn liền với việc chọn diện tích mặt mỏ hợp lý và được xác định trên cơ sở lợi nhuận riêng tính cho 1m2diện tích mặt mỏ đạt được giá trị lớn nhất

8.3 Luận điểm 3

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy trong cụm mỏ được quy hoạch để khai thác phụ thuộc vào số mỏ và kích thước của từng mỏ, được xác định trên cơ sở hiệu quả khai thác của toàn cụm mỏ khi lợi nhuận riêng tính cho 1m2diện tích cụm mỏ đạt được trị số lớn nhất

9 Những điểm mới của của đề tài luận án

- Đề xuất trình tự khoanh định biên giới mỏ phù hợp để xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ

- Đề xuất sử dụng tỷ số giữa chiều dài và chiều rộng mặt mỏ để xác định chu

vi mặt mỏ tối ưu với diện tích mặt mỏ cho trước nhằm xác định chiều sâu khai thác hợp lý

- Đề xuất sử dụng tiêu chí "Lợi nhuận riêng lớn nhất tính cho 1m2 diện tích mặt mỏ hoặc diện tích cụm mỏ" để xác định diện tích mặt mỏ và chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu

vực Nam Bộ

10 C ấu trúc của luận án

Mở đầu

Chương 1 Phân tích, đánh giá tổng quan về các công trình nghiên cứu trong

và ngoài nước liên quan đến nội dung của đề tài luận án

Chương 2 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy

Chương 3 Nghiên cứu xác định chiều sâu hợp lý cho các mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam bộ

Chương 4 Áp dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho mỏ đá Thường Tân III

Kết luận và kiến nghị

Danh mục các công trình đã công bố liên quan đến luận án của NCS

Tài liệu tham khảo, Phụ lục

11 Cơ sở tài liệu

Tài liệu sử dụng để hoàn thành luận án được lấy từ các nguồn:

- Chuyên ngành khai thác mỏ lộ thiên và các ngành liên quan, được thu thập

từ các nguồn: thư viện trường Đại học Mỏ - Địa chất, thư viện Quốc gia, Tổng cục thống kê, Internet…

- Tài liệu địa chất, địa chất thủy văn và công trình lấy từ các báo cáo kết quả thăm dò của các mỏ đá xây dựng thuộc khu vực Nam Bộ và các quy hoạch khai thác

mỏ các cụm mỏ trên địa bàn

- Các số liệu về các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, hiện trạng khai thác thu thập

được từ các mỏ qua các đợt khảo sát thực tế

12 Lời cảm ơn

Trong quá trình thực hiện đề tài " Nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác

lộ thiên hợp lý cho các mỏ đá vật liệu xây dựng năm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ", NCS đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện

của tập thể lãnh đạo, các nhà khoa học, cán bộ kỹ thuật ngành khai thác mỏ; tập thể Ban giám hiệu, Khoa Mỏ, phòng Đào tạo sau Đại học, phòng Đào tạo Đại học, giảng viên, cán bộ các Phòng, Ban chức năng của Trường Đại học Mỏ - Địa chất NCS xin bầy tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó

Đặc biệt NCS xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS.NGND Trần Mạnh Xuân, TS Lê Văn Quyển đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và sự giúp đỡ có hiệu quả của GS.TS Bùi Xuân Nam, TS Nguyễn Anh Tuấn để NCS hoàn thành luận án này

NCS xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện và giúp đỡ NCS trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án

CHƯƠNG 1

T ỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI

NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN

Hầu hết các mỏ lộ thiên khai thác khoáng sản rắn nằm dưới mức thoát nước

tự chảy đều áp dụng công nghệ khai thác xuống sâu do đó phải tiến hành xác định chiều sâu mỏ khai thác có hiệu quả (chiều sâu khai thác cuối cùng, chiều sâu khai thác giới hạn hay chiều sâu khai thác hợp lý)

Sự khác nhau trong cách tiếp cận để xác định chiều sâu khai thác hiệu quả phụ thuộc vào các yếu tố có tính đặc trưng về điều kiện tự nhiên của thân khoáng sản như:

- Chiều dày lớp đất phủ nằm trên thân khoáng

- Sự tồn tại các lớp đá bóc nằm ở vách và trụ của thân khoáng

- Chiều dày, chiều dài và độ dốc của thân khoáng

- Chất lượng khoáng sản và sự phân bố chất lượng khoáng sàn trong thân khoáng

Sự khác nhau cơ bản về điều kiện tự nhiên của các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy, đặc biệt đối với các mỏ đá khu vực Nam Bộ so với các mỏ than, quặng và phi quặng là:

- Chiều dày lớp đất phủ không lớn hoặc không có

- Không có đá bóc hoặc có không đáng kể

- Chiều dày ngang của các vỉa đá rất lớn

- Giá trị khoáng sản không cao

Về tiêu chí để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên cũng có nhiều cách tiếp cận khác nhau nhưng đều dựa vào hiệu quả kinh tế ở mức độ khác nhau và có thể chia thành các nhóm sau:

a) Chi phí để khai thác toàn bộ khoáng sàng (phần trên khai thác lộ thiên, phần dưới khai thác hầm lò) là tối thiểu hoặc lợi nhuận thu được là tối đa

b) Mức tiết kiệm khi khai thác lộ thiên so với hầm lò là tối đa

c) Giá thành khai thác lộ thiên ở bất cứ giai đoạn khai thác nào cũng không được vượt quá giá thành cho phép

d) Lợi nhuận thu được từ khai thác lộ thiên lớn hơn hoặc bằng không

e) Lợi nhuận thu được từ khai thác lộ thiên là tối đa

Việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo các tiêu chí trên đây có thể chia thành hai nhóm:

Nhóm truyền thống: Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên được xác định trên cơ sở so sánh giữa hệ số bóc giới hạn (Kgh) với các hệ số bóc khác như hệ

số bóc biên giới (Kbg) với Kgh ≥ Kbg; hệ số bóc trung bình (Ktb) với Kgh ≥ Ktb; hệ số bóc thời gian (KT) với Kgh ≥ KT; hệ số bóc sản xuất trung bình (K0 + Ksx) với Kgh ≥

K0 + Ksx

Nhóm phi truyền thống: Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ được xác định trên cơ sở so sánh lợi nhuận thu được đối với các phương án chiều sâu dự kiến khai thác khác nhau có tính đến tác động của yếu tố thời gian hoặc không tính đến yếu tố này (ΔL = max và ΔL ≥ 0, trong đó ΔL là tổng lợi nhuận thu được của từng phương pháp đem so sánh)

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ có thể được xác định trên mặt cắt ngang (áp dụng cho mỏ có điều kiện địa hình và thế nằm của thân khoáng đơn giản) và trên bình đồ phân tầng (áp dụng cho mỏ có điều kiện phức tạp, chiều dài theo phương hạn chế) và bằng phương pháp giải tích hoặc đồ thị - giải tích

1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức truyền thống

1.1.1 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc

K gh ≥ K bg [5], [32]

Trong những thập niên đầu thế kỷ XX khi công nghệ khai thác hầm lò được

áp dụng rộng rãi để khai thác các mỏ than trong khi công nghệ khai thác lộ thiên chưa phát triển, nhiều nhà khoa học ngành mỏ cho rằng, để xác định biên giới cuối cùng của mỏ lộ thiên cần dựa trên cơ sở so sánh giữa giá thành khai thác lộ thiên với hầm lò Mỏ lộ thiên chỉ khai thác đến độ sâu mà tại đó giá thành khai thác lộ

thiên bằng giá thành thành khai thác hầm lò Để đơn giản trong tính toán so sánh người ta sử dụng phương pháp mặt cắt với mặt địa hình bằng phẳng và vỉa có các thành phần thế nằm không thay đổi (Hình 1.1)

Hình 1 1: Sơ đồ xác định chiều sâu của mỏ lộ thiên

x2], đồng (1.3) Tính kinh tế của khai thác lộ thiên có thể biểu thị qua mức tiết kiệm của chúng so với khai thác hầm lò:

S = Cn - (Ca + Cb), đồng (1.4) Hay

S = xM(c-a)-b[(M+h0ctgβ)h0+xh0(ctgγv+ctgγt)+

2

) (ctgv ctgt

x2], đồng (1.5) Trong đó:

M - Chiều dày nằm ngang của vỉa, m;

β - Góc nghiêng của bờ mỏ trong lớp đất phủ, độ;

γv,γt - Góc dốc kết thúc của bờ mỏ về phía vách và phía trụ, độ

Mức tiết kiệm của khai thác lộ thiên đạt giá trị cực đại khi đạo hàm bậc nhất của biểu thức (1.5) bằng không Từ đó chiều sâu thân khoáng sản x khai thác có hiệu quả là:

.

t v

gh

ctg tg

K M

Trong trường hợp địa hình và các thành phần thế nằm của vỉa phức tạp thì áp

dụng phương pháp đồ thị để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ xác định theo nguyên tắc Kgh≥ Kbgcó ưu nhược điểm chủ yếu sau đây:

- Ưu điểm: Biểu thức tính toán đơn giản, nhanh chóng tìm được chiều hợp lý của mỏ, tiết kiệm thời gian trong tính toán thiết kế mỏ

- Nhược điểm: Không tính đến ảnh hưởng của khối lượng đất đá phủ trên đầu vỉa khoáng sản, khi khối lượng này lớn sẽ tăng vốn xây dựng cơ bản, kéo dài thời gian xây dựng mỏ dẫn đến giảm hiệu quả chung của khai thác lộ thiên

1.1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc K gh ≥ K tb

Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh≥Ktb

khi tại chiều sâu đó tổng chi phí để khai thác khoáng sản bằng phương pháp lộ thiên

và hầm lò là như nhau, tức là khai thác lộ thiên không thu được mức tiết kiệm nào

so với khai thác hầm lò

Mặc dầu khai thác lộ thiên không thu được lợi nhuận khi áp dụng nguyên tắc

Kgh≥ Ktb nhưng nó vẫn đượcsửdụng để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ trong trường hợp sau:

- Mỏ có trữ lượng khoáng sản nhỏ hoặc phần khoáng sản còn lại khi khai thác lộ thiên ở phần trên không đủ để xây dựng một mỏ hầm lò, với mục đích tận dụng có hiệu quả tài nguyên từ lòng đất và tạo việc làm cho người lao động

- Đối với những khoáng sàng lớn, quặng có giá trị cao, chiều sâu của mỏ xác định theo nguyên tắc Kgh≥ Ktbđược coi là biên giới triển vọng Trong biên giới này không nên xây dựng các công trình vĩnh cửu khi tính đến sự mở rộng biên giới mỏ

lộ thiên trong tương lai

1.1.3 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc

K gh ≥ K bg kết hợp với nguyên tắc K gh ≥ K tb

Để tránh tình trạng ảnh hưởng đến kết quả tính toán chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh≥ Kbgkhi khối lượng trên đầu vỉa quá lớn một số tác giả đề nghị sử dụng kết hợp giữa nguyên tắc Kgh≥ Kbg và Kgh ≥ Ktb

1.1.4 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc

K gh ≥ K T [29], [31], [48]

Viện sĩ V.V Rjevxki [48] cho rằng, biên giới của mỏ lộ thiên ngoài các yếu tố tự nhiên ra còn phụ thuộc vào các yếu tố kỹ thuật như phương pháp mở

vỉa, hướng phát triển công trình mỏ, các thông số hệ thống khai thác (HTKT), đồng

bộ thiết bị sử dụng, đặc biệt là giá thành khai thác thực tế Vì vào những thập niên giữa thế kỷ XX trên thế giới đã bắt đầu đưa những mỏ lộ thiên lớn và cực lớn vào hoạt động với sản lượng khoáng sản hàng chục triệu tấn/năm và đá bóc đến trăm triệu m3/năm Trên các mỏ này được trang bị các thiết bị xúc bốc và vận tải cỡ lớn, chiều cao tầng từ 15 ÷ 18m còn chiều rộng mặt tầng công tác đạt 50 ÷ 60 m và hơn Điều đó dẫn tới góc dốc của bờ công tác nhỏ  = 11o ÷ 15o, khác xa với góc kết thúc của bờ mỏ Góc  nhỏ dẫn đến hệ số bóc thời gian lớn làm tăng giá thành khai thác thực tế của một đơn vị sản phẩm khai thác Theo quan điểm này biên giới mỏ

lộ thiên được quy định trên cơ sở là giá thành thực tế của một đơn vị sản phẩm khai thác bằng phương pháp lộ thiên phải luôn luôn nhỏ hơn giá thành cho phép trong bất cứ giai đoạn phát triển nào của mỏ, tức là chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ được xác định theo nguyên tắc Kgh≥ KT (KT - hệ số bóc thời gian hay hệ số sản xuất thực tế) Lập luận của Viện sĩ V.V Rjevxki để xây dựng nguyên tắc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh≥ KTtóm tắt như sau:

Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên

(Hình 1.2) Có thể tăng chiều sâu thời gian để hệ số bóc thời gian KTbằng hệ số bóc giới hạn Kgh (điểm 8) và duy trì KT = Kghở một vài tầng khi biên giới mỏ đạt vị trí cuối cùng trên mặt đất (điểm 8-9) sau đó trị số KT giảm dần đến chiều sâu khai thác cuối cùng HKT Theo Viện sĩ V.V Rjevxki, khi tăng chiều sâu mỏ (xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg) HK đến chiều sâu HKT (xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ KT) bằng phương pháp lộ thiên trữ lượng khoáng sản tăng thêm có thể đạt 25 ÷ 35%

Phát triển ý tưởng của Viện sĩ V.V Rjevxki, tác giả Trần Mạnh Xuân [29] cho rằng đối với các mỏ có khối lượng đất phủ lớn nằm trên vỉa khoáng sản cần tính đến ảnh hưởng của các yếu tố này thông qua hệ số bóc ban đầu K0 Lúc này nguyên tắc Kgh ≥ KT trở thành nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT Việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên được tiến hành theo hai bước:

- Bước thứ nhất, xác định chiều sâu thời gian HT(tại chiều sâu này hệ số bóc thời gian KTđạt được trị số hệ số bóc giới hạn

Hình 1.3 : Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian H T và chiều sâu H 1 , H 2 [29]

- Bước thứ hai, xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ Tại chiều sâu thời gian HT, biên giới trên mặt đất được đánh dấu bằng hai điểm A và B (Hình 1.3) Từ A và B vẽ các bờ dốc kết thúc của mỏ về phía vách và trụ vỉa, hình thành hai chiều sâu kết thúc H1 và H2 Tiến hành xác định hệ số bóc thời gian lớn nhất

KTmax1 và KTmax2 tương ứng với chiều sâu H1 và H2, đồng thời xác định hệ số bóc ban đầu K01 và K02theo biểu thức:



K01 =

1 0

(khi điều kiện địa hình và vỉa quặng đơn giản):

(1 )

,

gh KT

,

gh KT

So (1.10) với (1.11) chiều sâu mỏ lộ thiên xác định theo nguyên tắc Kgh  KT

lớn hơn chiều sâu mỏ xác định theo nguyên tắc Kgh  Kbg một giá trị nào đó tùy thuộc vào chiều dày nằm ngang của vỉa M và điều kiện khai thác thông qua hệ số bóc giới hạn Kgh

Kgh  Kbghoặc Kgh  KT không khác nhau mấy nên dùng nguyên tắc nào cũng được, tuy nhiên cần lưu ý đến ảnh hưởng của chiều dày lớp đất phủ h0

1 1.5 Xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc K gh ≥

K 0 +K Sx [52]

Trên cơ sở phân tích những ưu điểm và lợi thế của khai thác lộ thiên so với hầm lò, GS Arxenchep A.I [52] đề nghị sử dụng hệ số bóc sản xuất trung bình Ksx

có tính đến ảnh hưởng của khối lượng xây dựng cơ bản thông qua hệ số bóc ban đầu

K0 để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ, tức là sử dụng nguyên tắc Kgh≥

K0+Ksx Sự khác biệt giữa nguyên tắc xác định biên giới mỏ này với nguyên tắc Kgh

≥ KT là trong suốt giai đoạn tồn tại chính của mỏ giá thành khai thác lộ thiên bằng giá thành khai thác hầm lò hoặc giá thành cho phép

Trình tự tiến hành xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ như sau: Chọn một số chiều sâu mỏ dự kiến, đối với mỗi phương án chiều sâu trên cơ sở sơ đồ mở vỉa và hướng phát triển công trình mỏ đã chọn cũng như các thông số HTKT đã tính

toán, tiến hành xác định khối lượng đá bóc và khoáng sản trên từng tầng rồi xây dựng biểu đồ chế độ công tác dạng tích lũy ΣV = f(ΣQ) Tiến hành điều chỉnh lịch bóc đá và xác định hệ số bóc sản xuất trung bình Ksx cũng như hệ số bóc ban đầu K0

cho từng phương án chiều sâu dự kiến Dùng phương pháp đồ thị để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ (Hình 1.5)

Hình 1.5: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ

theo nguyên tắc K gh ≥ K 0 +K sx [44]

Trên (Hình 1.5) tại chiều sâu H1 tiến hành xác định giá trị K01+Ksx1; tại chiều sâu H2 tiến hành xác định giá trị K02+Ksx2; tại chiều sâu H3 tiến hành xác định giá trị K03+Ksx3 Vẽ đường cong K0+KSsx = f(H) Hoành độ của điểm gặp nhau giữa hai đường biểu diễn K0+Ksx= f(H) với đường Kgh (không đổi) là chiều sâu mỏ cần tìm

Hạn chế của nguyên tắc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên

Kgh≥ K0+Ksxso với các nguyên tắc Kgh≥ Kbg và Kgh≥ KTlà trong suốt thời gian tồn tại chính của mỏ, mỏ lộ thiên có giá thành khai thác bằng giá thành hầm lò, quá trình tính toán phức tạp, tốn nhiều thời gian

1 1.6 Xác định hệ số bóc giới hạn K gh [29], [32], [52]

Hệ số bóc giới hạn hay còn gọi là HSB kinh tế hợp lý, hệ số bóc hòa vốn là chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật quan trọng trong xác định biên giới mỏ lộ thiên Hệ số

bóc giới hạn được tính gián tiếp qua các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật thể hiện mức độ hiệu quả của khai thác lộ thiên, so với khai thác hầm lò và nó được xác định theo biểu thức (1.8) cùng với việc ra đời của nguyên tắc xác định biên giới mỏ Kgh ≥

Kbg Tuy nhiên sự phát triển như vũ bão của ngành khai thác lộ thiên trong những điều kiện khác nhau khi khai thác các khoáng sàng khoáng sản có ích khác nhau, việc sử dụng giá thành khai thác hầm lò để so sánh với giá thành khai thác lộ thiên nhằm quy định biên giới của mỏ lộ thiên nhiều khi không còn phù hợp nữa Khi

đó người ta sử dụng tiêu chí mới gọi là giá thành cho phép Gcp để đánh giá hiệu quả của khai thác lộ thiên

Lúc này công thức tổng quát để xác định HSB giới hạn là:

b

a G

K gh cp 

Giá thành cho phép khai thác một đơn vị khoáng sản bằng phương pháp lộ thiên tùy trường hợp cụ thể mà có thể chọn hoặc là giá thành khai thác hầm lò hoặc giá trị của một đơn vị quặng được khai thác bằng phương pháp lộ thiên phải qua hay không qua khâu chế biến

Giá trị HSB giới hạn có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả xác định chiều sâu cuối cùng của mỏ lộ thiên nên được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, bổ sung vào công thức (1.8) những yếu tố thể hiện sự ảnh hưởng của chúng đến mức độ chính xác khi xác định biên giới của mỏ lộ thiên và cũng từ đó xuất hiện nhiều công thức khác nhau để xác định HSB giới hạn

Các yếu tố mà các nhà khoa học ngành mỏ quan tâm khi xác định HSB giới hạn là:

- Cần bổ sung vào giá thành cho phép đối với những mỏ có những vỉa quặng phụ có thể khai thác kèm theo có giá trị kinh tế nhất định

- Bổ sung vào công thức tính HSB giới hạn khi sử dụng giá thành khai thác hầm lò làm giá thành cho phép các chỉ tiêu tổn thất và làm nghèo quặng [29], [52]

- Bổ sung vào chi phí bóc đá những yếu tố thay đổi theo chiều sâu khai thác [33]

1.2 Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên xác định theo phương thức phi truyền thống khi sử dụng các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ

Các phần mềm ứng dụng trong khai thác mỏ bao gồm các nội dung:

- Xây dựng cơ sở dữ liệu địa chất

- Mô hình hóa địa chất thân khoáng

- Tính toán trữ lượng

- Tối ưu hóa biên giới mỏ

- Quy hoạch khai thác ngắn hạn và dài hạn

1 2.1 Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng thuật toán hình nón động [11], [16]

Phương pháp hình nón động hay hình nón cụt là một trong những phương pháp được áp dụng sớm nhất trong phần mềm ứng dụng về mỏ để xác định biên giới

mỏ lộ thiên

Nội dung của thuật toán này là việc xác định hình nón đất đá phải bóc để thu hồi một vi khối hoặc một nhóm vi khối chứa quặng nằm gần nhau tại đáy hình nón sao cho lợi nhuận khi khai thác vi khối quặng nằm trong hình nón đó là không âm (không lỗ) Nếu giá trị này dương (có lãi) thì tiếp tục mở rộng hình nón lớn hơn để bao thêm các vi khối quặng khác cho tới khi giá trị lợi nhuận bằng không Vị trí hình nón tương ứng với giá trị lợi nhuận bằng không được coi là biên giới tối ưu của mỏ

Thuật toán này là một trong những phương pháp tối ưu sử dụng rộng rãi trong nhiều năm qua của các phần mềm máy tính trong khai thác mỏ vì nó đơn giản,

dễ hiểu, dễ lập trình Các thủ tục thực hiện nó thuận lợi cho việc kết hợp với các chương trình khác đặc biệt là các chương trình động cho phép xử lý các phép tính nhanh hơn

Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn một số hạn chế sau:

- Khi khai thác các mỏ khoáng sản có chiều dày lớp đất phủ khá lớn có thể gặp trường hợp khi khai thác một vi khối hay một số vi khối quặng nằm gần nhau tại đáy hình nón trong phạm vi hình nón đầu tiên lợi nhuận thu được nhỏ hơn không Điều này cũng có thể xảy ra đối với một số hình nón được mở rộng tiếp

theo… cho đến một lúc nào đó việc mở rộng các hình nón tiếp theo lợi nhuận lại lớn hơn không Máy sẽ cho kết quả như thế nào trong trường hợp này Bởi vì ta không thể khống chế một hình nón nào đó mà khi khai thác các vi khối quặng trong hình nón này lại cho lợi nhuận bằng không hay đạt trị số lớn nhất

- Khó khăn trong việc xác định kích thước của vi khối (chiều rộng, chiều cao) làm sao để góc dốc kết thúc bờ mỏ tạo bởi biên của hình nón phù hợp với góc dốc kết thúc bờ mỏ theo yêu cầu Một số tác giả đề nghị xác định kích thước của vi khối với tỷ lệ chiều cao và chiều rộng phù hợp với góc dốc ổn định của bờ mỏ chọn trước γ, tức là chiều rộng vi khối b = h.ctgγ (m), trong đó h là chiều cao vi khối (thường bằng chiều cao tầng) Biện pháp này cũng không phù hợp khi thiết kế các

mỏ có góc dốc kết thúc bờ mỏ ở bờ trụ và bờ vách khác nhau khá lớn, đặc biệt đối với các vỉa quặng có thế nằm thoải ở phần dưới của mỏ sau đó độ dốc của nó tăng dần và đạt dốc đứng ở phần dưới của mỏ

- Thực chất của thuật toán này là quy định biên giới mỏ lộ thiên trên cơ sở nguyên tắc Kgh≥ Ktb Hạn chế của nguyên tắc này như ở các phần trên đã trình bày

1.2.2 Xác định biên giới mỏ lộ thiên bằng phương pháp phương án với việc sử dụng phần mềm COMFAR [11], [16]

Đây là phương pháp có độ tin cậy cao vì nó phản ánh được các yếu tố ảnh hưởng như điều kiện tự nhiên, công nghệ khai thác cũng như hiệu quả kinh tế đến kết quả xác định biên giới mỏ

Nội dung của phương pháp như sau: chọn một số phương án chiều sâu của

mỏ Đối với mỗi phương án chiều sâu xác định khối lượng khoáng sản và đá bóc trong biên giới mỏ và trên cơ sở đó dự kiến một số phương án sản lượng mỏ căn cứ vào các thông tin kinh tế và dự báo nhu cầu sản phẩm trên thị trường trong nước hay xuất khẩu

Đối với mỗi phương án độ sâu dự kiến khai thác tương ứng với từng phương

án sản lượng, tiến hành chọn phương án mở vỉa, hệ thống khai thác, đồng bộ thiết bị

xử dụng, xây dựng lịch bóc đá và sản lượng đá bóc Từ các số liệu đó tiến hành xác định vốn đầu tư ban đầu và bổ sung, xác định thời gian tồn tại của mỏ, xác định chi

phí sản xuất hàng năm, doanh thu hàng năm trên cơ sở chất lượng quặng nguyên khai và quy trình chế biến để nhận được sản phẩm hàng hóa

Để đánh giá hiệu quả của phương pháp khai thác lộ thiên đối với phương án chiều sâu dự kiến ta sử dụng chỉ tiêu giá trị hiện tại thực NPV (Net Present Value)

NPV là hiệu số giữa giá trị của các luồng tiền mặt thu và chi trong tương lai được quy đổi về thời điểm hiện tại theo tỉ suất chiết khấu đã định

Biên giới của mỏ lộ thiên được chọn khi:

Gi - Lượng tiền mặt thu được năm thứ i bao gồm doanh thu do bán khoáng sản

và giá trị thanh lý tài sản (nếu có), đồng;

Ci - Lượng tiền mặt chi tại năm thứ i bao gồm vốn đầu tư (nếu có) và các khoản chi liên quan đến vốn đầu tư không kể khấu hao, đồng

ai = t

r)1(

1

r - Tỷ suất chiết khấu là tỷ lệ lãi vay phải trả;

t - Thứ tự năm tính toán, năm đầu tiên ứng với t = 0

Ngoài ra người ta còn dùng chỉ tiêu tỷ lệ hoàn vốn nội bộ (IRR) để đánh giá phương án khi có khó khăn trong việc xác định tỷ suất chiết khấu r

Đó là suất chiết khấu tại đó giá trị hiện tại thực của các khoản thu và chi bằng nhau Dự án được chấp nhận khi IRR  IRRmin Đó là tỷ lệ lãi vay phải trả mà doanh nghiệp mỏ có thể chấp nhận được khi tiến hành khai thác khoáng sàng

Do những khác biệt cơ bản về điều kiện tự nhiên và khai thác, có thể kết luận rằng không thể sử dụng các kết quả nghiên cứu đã có để xác định chiều sâu hợp lý cho các mỏ đá nằm dưới mức thoát nước tự chảy khu vực Nam Bộ:

- Các mỏ đá xây dựng không có đá bóc nên không thể dùng hệ số bóc giới hạn để so sánh

- Các chỉ tiêu chi phí bóc 1 m3đá hay 1 m3 khoáng sản (b và a) trong tính toán kinh

tế đều coi như không đổi, điều đó sẽ không phù hợp với thực tế khi quy định biên giới hợp lý của các mỏ đá ở khu vực Nam Bộ

1 3 Xác định biên giới mỏ đối với mỏ đá dùng làm vật liệu xây dựng

Trước đây, do nguồn tài nguyên đá vôi rất phong phú nên việc khai thác chúng không những để sản xuất xi măng mà còn dùng làm vật liệu thông thường Việc khai thác đá vôi phần lớn được tiến hành ở phần nổi của các núi đá vôi cao hơn địa hình xung quanh Trữ lượng đá vôi nằm ở phần nổi trên mặt đất lúc đó thỏa mãn nhu cầu Vì vậy việc xác định biên giới mỏ lộ thiên chỉ căn cứ vào chất lượng

đá và điều kiện an toàn khi khai thác các mỏ đá nằm trên cao Việc xác định biên giới mỏ trong đó có chiều sâu khai thác hợp lý khi khai thác phần chìm của núi đá vôi không được các nhà khoa học và quản lý quan tâm Hầu hết các công trình nghiên cứu đã có về khai thác đá vật liệu xây dựng chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực như: Công tác quản lý [15], [20], [21], [22], [23], [25], [33], 35]; Công nghệ khai thác [8], [9], [12], [14], [18], [26], [27], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [45], [47], [50], [51] và đồng bộ thiết bị [10], [13], [24], [34]

Ngày nay khi nguồn tài nguyên đá vôi có điều kiện khai thác thuận lợi đã cạn kiệt, đặc biệt ở những khu vực ít có đá vôi như khu vực Nam Bộ của nước ta Vì vậy việc tìm kiếm, thăm dò và khai thác các đá trầm tích khác để làm vật liệu thông thường nhằm thỏa mãn nhu cầu vật liệu xây dựng cho việc phát triển cơ sở hạ tầng trở nên cấp thiết

Ở nước ta trong vài chục năm gần đây tại khu vực Nam Bộ, đặc biệt là vùng đông Nam Bộ đã hình thành hàng loạt mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước nước tự chảy Biên giới của các mỏ này được quy định tại giấy phép khai thác Trong đó chiều sâu khai thác cho phép lấy theo chiều sâu thăm dò, không quy định chiều sâu khai thác cuối cùng của mỏ Diện tích cấp cho từng mỏ cũng tùy tiện không có cơ sở khoa học

Nghiên cứu về vấn đề này, trong luận văn thạc sỹ kỹ thuật của mình tác giả

Võ Minh Đức [6] đã đề xuất công thức tính chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật với kích thước mặt mỏ bị hạn chế Chiều sâu mỏ được tính cho hai trường hợp:

- Khi mặt mỏ có dạng hình chữ nhật:

H =

) (ctg1 ctg2

2

) (

4 ) (

ctg

S S ctg ctg

P ctg



, m (1.18) Trong đó:

Bm, Bd - Chiều rộng mặt mỏ và chiều rộng đáy mỏ (chiều rộng đáy mỏ cho phép theo điều kiện kỹ thuật);

 - Góc dốc bờ mỏ khi mở vỉa bằng hào xoắn ốc, độ

Chiều sâu của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng xác định xác định theo biểu thức (1.17) chỉ căn cứ vào chiều rộng mặt mỏ Bm cho trước là không chính xác vì

nó chưa tính đến tác động của chiều dài mặt mỏ Lm

Chiều sâu mỏ tính theo các biểu thức (1.17) và (1.18) là chiều sâu tối đa của

mỏ lộ thiên có thể đạt được theo điều kiện kỹ thuật nhưng có thể không phải là chiều sâu khai thác hợp lý vì nó không tính đến điều kiện kinh tế

Phát triển nghiên cứu này, Ths Võ Minh Đức [7] ngoài việc xác định chiều sâu khai thác theo điều kiện kỹ thuật (theo biểu thức 1.17) tác giả đã tiến hành kiểm tra chiều sâu tính được theo điều kiện kinh tế khi đảm bảo điều kiện giá thành khai thác thực tế không được vượt quá giá thành cho phép hoặc giá bán sản phẩm theo công thức:

G ≥ Ckn + Cxb + Cv + Cd, đ/m3 (1.19)

Cd = (Ra - Hctgγ)PmGd, đ/m3 (1.21) Trong đó:

K S

V

G R P C C G

d m d

d a m xb kn



- Việc xác định chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật (1.17) là chưa đủ vì chưa tính đến kích thước chiều dài của mỏ trên mặt đất

- Chi phí để khai thác 1m3 đá xây dựng (vế phải của biểu thức 1.19) tính chưa đủ Như còn thiếu chi phí môi trường, trả tiền để được quyền khai thác, thuế tài nguyên v.v… quan trọng hơn là thiếu chi phí thoát nước, chi phí vận tải trên tầng, chi phí vận tải ngoài mỏ (từ miệng mỏ đến trạm nghiền sang)

- Nếu thay V xác đinh theo biểu thức (1.24) vào biểu thức (1.22) và Fd không phải là một đại lượng không đổi mà phụ thuộc vào H thì giá trị G sẽ phụ thuộc vào

Hnnên không thể tìm giá trị chiều sâu mỏ H theo biểu thức (1.23)

- Không thể chọn chiều sâu khai thác hợp lý theo biểu thức (1.23) Ví dụ:

Vế phải của biểu thức này bằng 100 m thì nên chọn chiều sâu nào cho phù hợp

Từ các phân tích trên đây ta thấy không thể sử dụng công thức (1.23) để xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng vì nó không đảm bảo độ tin cậy, độ chính xác cần thiết do thiếu các yếu tố ảnh hưởng quan trọng

và sự lẫn lộn giữa chiều sâu khai thác tính theo điều kiện kỹ thuật và điều kiện kinh tế

Trong luận án tiến sĩ do nghiên cứu sinh Hoàng Cao Phương [19] thực hiện

có một phần nội dung xác định một đơn vị khối lượng đá xây dựng dùng làm vật liệu xây dựng thông thường hợp lý đem đấu giá để được quyền khai thác có đề cập tới việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ khi kích thước mặt mỏ không bị hạn chế Tiếp cận này chưa phù hợp với điều kiện cụ thể và yêu cầu thực tế trong việc lập quy hoạch khai thác và chế biến đá xây dựng tại khu vực Nam Bộ hiện tại

và trong tương lai

Các kết quả nghiên cứu ban đầu trên đây còn nhiều hạn chế, cần phải tiếp tục hoàn thiện và bổ sung thêm về cơ sở lý thuyết cũng như thực tiễn áp dụng khi tính đến các điều kiện khác nhau trong lĩnh vực xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ lộ thiên khai thác đá vật liệu xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở khu vực Nam Bộ

1.4 Kết luận chương 1

Việc xác định biên giới mỏ lộ thiên (hay chiều sâu khai thác cuối cùng của

mỏ lộ thiên) được các nhà khoa học nghiên cứu từ những thập niên đầu của thế kỷ

XX và ngày càng phát triển, chủ yếu đi sâu vào các lĩnh vực khai thác than và quặng các loại Nghiên cứu vấn đề này cho khoáng sàng đá xây dựng còn quá ít ỏi

Việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo phương thức truyền thống lấy hệ số bóc các loại so với hệ số bóc giới hạn không thể vận dụng để xác định chiều sâu chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy là do:

- Các mỏ đá xây dựng ở khu vực này không có đá bóc nên không thể dùng hệ

số bóc để so sánh với hệ số bóc giới hạn

- Ngoài ra việc coi chi phí khai thác khoáng sản (a, đ/m3) và chi phí bóc đá (b, đ/m3) có giá trị không đổi trong việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý theo phương thức truyền thống hay phi truyền thống đều không phù hợp với điều kiện khai thác các mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy ở nước ta

- Thêm vào đó việc lấy kích thước đáy mỏ làm căn cứ ban đầu để khoanh định biên giới mỏ lộ thiên cho các mỏ quặng và than cũng không phù hợp với điều kiện địa chất thực tế của các mỏ đá xây dựng khu vực Đông Nam bộ mà đặc thù là các vỉa đá có chiều dày ngang rất lớn

Do vậy cần tiếp tục tiến hành nghiên cứu, hoàn thiện và bổ sung thêm cơ sở

lý thuyết cho lĩnh vực này có tính đến đặc thù của khoáng sàng đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy - không có đá bóc hoặc đá bóc không đáng kể và chiều dày nằm ngang của thân khoáng sản rất lớn như các khoáng sàng đá xây dựng khu vực đông Nam Bộ

CH ƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆC XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU HỢP LÝ CỦA MỎ LỘ THIÊN KHAI THÁC ĐÁ

XÂY DỰNG NẰM DƯỚI MỨC THOÁT NƯỚC TỰ CHẢY

Ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng bao gồm các yếu tố tự nhiên, kinh tế - kỹ thuật khai thác, bảo vệ môi trường và các yếu tố xã hội

Các yếu tố tự nhiên có ảnh hưởng quyết định đến chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ là điều kiện địa chất, địa chất thủy văn và công trình, điều kiện địa hình và khí hậu của vùng mà trực tiếp là chiều dày vỉa khoáng sản, chất lượng khoáng sản, lượng nước mưa và nước ngầm chảy vào mỏ.v.v

Các yếu tố kỹ thuật - kinh tế thông qua kỹ thuật khai thác được áp dụng (đồng bộ thiết bị khai thác, HTKT và các thông số HTKT, phương pháp mở vỉa, trình tự khai thác, giá thành của các khâu công nghệ khai thác và chế biến, khả năng đầu tư của doanh nghiệp mỏ, giá bán sản phẩm chính và phụ, các chi phí kèm theo liên quan đến bảo vệ môi trường và khôi phục môi trường sau khai thác)

Các yếu tố xã hội bao gồm các chính sách đền bù (thuê) đất đai phục vụ cho khai thác, trách nhiệm xã hội của doanh nghiệp mỏ đối với địa phương có mỏ hoạt động, quyết định cho phép khai thác của các cấp có thẩm quyền, bảo vệ môi trường sau khi kết thúc khai thác

Khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác khoáng sản

đá xây dựng, theo chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật có thể phân thành hai nhóm yếu tố ảnh hưởng:

- Nhóm thứ nhất các yếu tố ảnh hưởng gián tiếp (bao gồm các yếu tố không thay đổi hay ít thay đổi vào chiều sâu của mỏ) như giá thành một số khâu trong dây chuyền công nghệ khai thác và chế biến đá khi sử dụng đồng bộ thiết bị cho trước

và điều kiện mỏ địa chất xác định

- Nhóm thứ hai bao gồm các yếu tố trực tiếp ảnh hưởng tới chiều sâu khai thác hợp lý, tức là các yếu tố này là một hàm số của chiều sâu khai thác

2 1 Nhóm các yếu tố ảnh hưởng gián tiếp

Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ có ý nghĩa quan trọng nhất là các chỉ tiêu giá thành của các khâu sản xuất trên mỏ nhưng thường được xác định gián tiếp qua các thông số phụ thuộc vào điều kiện địa chất mỏ và khả năng cơ giới hóa công tác khai thác

Nếu giá thành khai thác và chế biến đá thành phẩm giảm thì chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ sẽ tăng lên Dưới đây luận án đi sâu phân tích những yếu tố ảnh hưởng đó

2.1.1 Giá t hành khoan nổ mìn

2.1.1.1 Giá thành khoan lỗ khoan nạp mìn

Giá thành khoan để tạo ra 1m3 đá xây dựng được xác định theo biểu thức:

GCM - Giá một ca máy khoan, đ/ca;

QCK - năng suất của máy khoan, m3/ca

Giá một ca máy khoan phụ thuộc vào loại máy khoan sử dụng Nó được chọn trên cơ sở đảm bảo hoàn thành thành sản lượng đá theo yên cầu, vận hành đơn giản,

có tính cơ động cao và khả năng đầu tư của doanh nghiệp mỏ Phù hợp với các tiêu chí đó phần lớn các mỏ khai thác đá xây dựng trên địa bàn khu vực Nam Bộ đều đầu tư loại máy khoan đập xoay đường kính lỗ khoan 105 mm như ЪКМ_4, СЪКМ_5 hoặc các loại tương đương

Năng suất ca của máy khoan phụ thuộc vào tốc độ khoan của máy khoan VK, thời gian khoan thuần túy của máy khoan trong một ca, thời gian phụ trợ tính cho 1m khoan sâu

Tốc độ khoan của máy khoan đầu đập khí nén được xác định theo biểu thức thực nghiệm sau đây [49]:

VK =

f K K

d

K d P K

n w

.

6 , 0 2 1

Trong đó:

w - Năng lượng đập của dụng cụ khoan, kg/m;

nd - Số lần đập của đầu choòng trong một phút, lần/ph;

K1 - Hệ số phụ thuộc vào mức độ khó khoan;

Pk - Mức độ khó khoan của đất đá;

dK - Đường kính lỗ khoan, cm;

Kf - Hệ số chú ý tới hình dáng đầu mũi khoan

Năng suất ca của máy khoan tính theo yếu tố tổ chức được xác định theo biểu thức:

Qc =

p c

b cb c

t t

T T T

Tc - thời gian của ca, giờ;

Tcb - thời gian chuẩn bị, kết thúc ca và thời gian nghỉ bắt buộc trong ca, thường bằng 0,5 ÷ 1 giờ;

tc và tp - thời gian cơ bản và phụ trợ để khoan 1m lỗ khoan; tc = 1/VK, giờ Năng suất ca của máy khoan tính theo m3 được xác định theo biểu thức:

Trong đó P - suất phá đá của 1m dài lỗ khoan, m3/m

Từ các biểu thức (2.1) đến (2.4) ta thấy giá thành khoan 1m3 đất đá phụ thuộc vào loại máy khoan sử dụng, tính chất cơ lý của đất đá (được biểu thị qua mức độ khó khoan của đất đá Pk), các thông số khoan nổ mìn (được biểu thị qua suất phá đá P) và công tác tổ chức khoan

Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất và giá thành khoan 1m3 đất đá có thể thay đổi theo chiều sâu của mỏ, đặc biệt là tính chất cơ lý của đá Tuy nhiên đối với loại máy khoan đã lựa chọn, tính chất cơ lý của đá có thể lấy theo trị số trung bình theo chiều sâu khai thác thì giá thành khoan khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý

của mỏ có thể coi là một đại lượng không đổi và được chọn theo trị số trung bình tiên tiến của các mỏ đang hoạt động trên khu vực có điều kiện tương tự

2.1.1.2 Giá thành nổ mìn

Chi phí nổ mìn thường chiếm 60 - 70% chi phí khoan nổ mìn 1m3 đá trong

đó chi phí mua thuốc nổ và phương tiện nổ chiếm chủ đạo Bởi vậy việc cải thiện chi phí nổ mìn cần hướng tới việc xác định các thông số nổ mìn, chọn phương pháp điều khiển nổ phù hợp và chọn thuốc nổ, tính toán chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý có vai trò quan trọng đặc biệt

Chỉ tiêu thuốc nổ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tính chất cơ lý của đá, cỡ

đá nổ ra theo yêu cầu v.v và có thể xác định theo công thức của GS Kutuzôp [46]:

cp k

d d d

do - Kích thước trung bình của khối nứt, m;

dk - Đường kính của lượng thuốc nổ, m;

dcp - Kích thước cục đá cho phép, m;

Kr - Hệ số chuyển đổi thuốc nổ

Kích thước cục đá cho phép dcp phải thỏa mãn điều kiện xúc bốc, vận tải

và kích thước cửa tháo bunke vào máy đập Cỡ đá dcp có thể lấy theo trị số hợp

lý đảm bảo tổng chi phí của các quá trình khoan nổ, xúc bốc, vận tải và nghiền sàng là nhỏ nhất Lúc này chỉ tiêu thuốc nổ xác định theo biểu thức (2.5) là chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý

Các thông số γ và f, đặc trưng cho tính chất cơ lý của đất đá cần nổ mìn có thể thay đổi theo chiều sâu khai thác ở một mức độ nào đó Khi chấp nhận một sai

số nào đó nằm trong phạm vi cho phép có thể coi các yếu tố này là không thay đổi

và lấy theo trị số trung bình của khu vực Chi phí nổ mìn cũng có thể lấy theo thực

tế với mức trung bình tiên tiến trên cơ sở khảo sát, phân tích kết quả công tác nổ mìn của khu vực

2 1.2 Giá thành xúc bốc 1m 3 đá

Giá thành xúc bốc 1m3 đá phụ thuộc vào kiểu loại máy xúc sử dụng và năng suất của chúng Năng suất máy xúc phụ thuộc rất nhiều vào công tác khoan nổ mìn, trong đó các yếu tố cần quan tâm là cỡ đá, kích thước đống đá, độ bằng phẳng của nền tầng và dự trữ đống đá nổ mìn Cỡ đá trung bình đảm bảo tổng chi phí sản xuất

là nhỏ nhất có thể sử dụng để tính toán chi phí khoan nổ mìn, xúc bốc và chế biến

đá xây dựng nhưng cần được kiểm tra lại khả năng lọt qua miệng bun ke cho vào máy đập Cỡ đá trung bình hợp lý có thể xác định theo biểu thức của viện sĩ V.V.Rjevxki [49]:

dtb = (0,15 ÷ 0,20)3

Trong đó: E - Dung tích gầu xúc, m3

Trong điều kiện các mỏ khai thác đá xây dựng khu vực đông Nam Bộ khi xét đến công đoạn đập sàng tiếp theo, cỡ đá trung bình có thể chọn là 0,23 ÷ 0,25m Cỡ

đá trung bình là một chỉ tiêu có ảnh hưởng đến mức độ khó xúc của đất đá nổ mìn, thời gian chu kỳ xúc thực tế của máy xúc và hệ số xúc thông qua hệ số xúc đầy gầu

và hệ số nở rời của đá trong gầu

Nếu tổ chức công tác khoan nổ mìn tốt, công tác thoát nước đảm bảo cho gương khô ráo thì năng suất của máy xúc ít thay đổi theo chiều sâu của mỏ Bởi vậy giá thành xúc bốc có thể chấp nhận là không đổi khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ với mức độ trung bình tiên tiến của khu vực

2.1.3 Giá thành khâu chế biến đá

Khâu chế biến đá xây dựng thông thường bao gồm khâu đập và sàng phân loại Giá thành đập - sàng 1m3 đá phụ thuộc vào kiểu máy đập áp dụng, bộ sàng phân loại, tính chất của đá và cỡ đá đưa vào đập Hiện nay ở Việt Nam chưa có công trình nào nghiên cứu sự phụ thuộc giữa năng suất của bộ đập-sàng và tính chất của đá cũng như cỡ đá đưa vào đập Bởi vậy giá thành của khâu này khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ cũng có thể coi là không đổi khi lấy theo chỉ tiêu trung bình tiên tiến của khu vực trên cơ sở khảo sát, thống kê và phân tích các kết quả nghiền sàng của các mỏ trong điều kiện tương tự