Nghiên cứu đánh giá sự ổn định sườn dốc bãi thải mỏ lộ thiên do tác động của các yếu tố ngoại sinh

Nội dung text: Nghiên cứu đánh giá sự ổn định sườn dốc bãi thải mỏ lộ thiên do tác động của các yếu tố ngoại sinh

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 39, 7/2012, (Chuyªn ®Ò Tr¾c ®Þa má), tr.17-22 NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ SỰ ỔN ĐỊNH SƯỜN DỐC BÃI THẢI MỎ LỘ THIÊN DO TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ NGOẠI SINH NGUYỄN BÁ DŨNG, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội ĐẶNG TUYẾT MINH, Trường Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Bên cạnh lợi ích kinh tế, hoạt động khai thác than là ngành công nghiệp tác động mạnh mẽ đến các thành phần tài nguyên và môi trường. Dưới ảnh hưởng của thời tiết cực đoan do quá trình biến đổi khí hậu, các hình thái địa hình nhân sinh như bãi thải, moong khai thác v.v đang ngày càng tác động mạnh mẽ tới môi trường sống và làm việc của cư dân các khu vực có công nghiệp mỏ phát triển. Các tai biến môi trường từ nguyên nhân bãi thải đã và đang là đề tài quan tâm của xã hội và của nhiều nghiên cứu. Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố ngoại sinh đối với sự ổn định của sườn dốc bãi thải từ thực nghiệm trên bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai. 1. Mở đầu hình khai thác, gia tăng suy thoái đất, tạo ra hệ Ngành than Việt Nam hiện nay đa phần đều thống bãi thải khổng lồ nằm sát ngay các khu khai thác bằng công nghệ khai thác lộ thiên, vực dân cư . đang chuyển dần sang khai thác hầm lò. Gần Các hình thái địa hình nhân sinh mà bãi thải đây, sản lượng khai thác than ngày càng tăng cao là nhân tố điển hình tạo ra nhiều hiện tượng tai qua từng năm, vượt quá chỉ tiêu khai thác của biến môi trường. Một số tư liệu dưới đây có thể ngành than đã được phê duyệt, tác động tới môi chứng minh cho hiện tượng tai biến môi trường trường sống do sản xuất than ngày càng gia tăng. từ nguyên nhân bãi thải mỏ như: Tuy nhiên, do nhu cầu của thị trường trong - Thảm họa trượt lở bãi thải thảm khốc xẩy nước và xuất khẩu, cũng như từ lợi ích kinh tế ra tại khu khai thác mangan Kép Ky xã Quang đem lại, sản lượng ngày càng tăng, khai thác Trung - huyện Trà Lĩnh - Cao Bằng ngày than với cấp độ lớn, sản lượng khai thác thực tế 24/7/1992. Toàn bộ dải thung lũng dài 150 m, năm 2010 xấp xỉ 50 triệu tấn. rộng 45 m đã bị khối trượt lở lấp đầy với độ dày Qua thực tế khai thác cho thấy để sản xuất 3-15 m, làm chết 200 người. một tấn than cần bóc tách 8-10m3 đất, thải ra từ - Trượt lở bãi thải quặng khai trường 12 1-3m3 nước thải mỏ, một hệ quả tất yếu đi kèm thuộc Công ty Apatit Lào Cai ngày 20/11/2004. với lợi ích kinh tế của ngành than là những tác Bãi thải quặng Apatít cao 50 m sạt lở sâu vào động mạnh mẽ của hoạt động khai thác than tới mặt cắt ngang 20 m, cuốn theo người và vùi lấp môi trường vùng khai thác đó là tác động tới thiết bị, làm 2 công nhân chết tại chỗ. môi trường không khí, làm suy thoái bề mặt địa Hình 1. a/ Bãi thải Nam Đèo Nai; b/ Một góc bãi thải mỏ than Khánh Hòa 17
2. - Trượt lở bãi thải Công ty Than Cao Sơn hiểm họa đối với môi trường khu vực Cẩm Phả, ngày 23/10/2005. Đất đá tràn lấp ao hồ, ruộng, góc dốc sườn bãi thải đã được xác định và bãi vườn; suối Vũ Môn bị lấp dòng chảy cuộc thải đã được quy hoạch hoàn thổ cho tới nay. sống của người dân bị đe dọa nghiêm trọng; 2. Đặc điểm bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai - Ngày 31/7/2006, do tác động của mưa lớn a/ Các thông số hình học bãi thải từ cơn bão số 3, chỉ trong vài phút hàng nghìn Nam Cọc Sáu - Đèo Nai là bãi thải ngoài, m3 đất đá bãi thải Công ty Than Cọc Sáu đã được đổ thải theo phương pháp bãi thải cao, trượt lở gây vỡ đập (đập Khe Dè) số 1, số 2, số phân tầng; đất đá đổ thải đạt gần 200 triệu m3. 3, vùi lấp hàng chục nghìn m2 đất canh tác. Ước Trong những năm gần đây, mỏ Cọc Sáu phát tính thiệt hại nhiều tỷ đồng; triển khai trường lên phía bắc, để giảm cung độ - Gần đây nhất ngày 15/4/2012 trượt lở tại vận tải đất đá, vị trí đổ thải của mỏ Cọc Sáu đã bãi thải mỏ than Phấn mễ Thái nguyên làm vùi chuyển lên bãi thải phía bắc. Bãi thải chỉ dành lấp nhà cửa, làm chết 6 người; riêng cho hoạt động đổ thải của mỏ Đèo Nai. - Từ kết quả phân tích trên đây để khẳng Từ đó, bãi thải mang tên gọi bãi thải Nam Đèo định rằng: tác động của khai thác mỏ đối với Nai. Công nghệ đổ thải vận chuyển bằng ô tô môi trường là rất mạnh mẽ và nghiêm trọng mà và máy gạt. Điểm đổ thải cao nhất ở phía tây - bãi thải là một trong những nguyên nhân chính. bắc tới mức + 283 m. Điểm thấp nhất ở chân Cùng với sự phát triển và mở rộng quy mô khai bãi thải đông - nam ở mức + 3 m. Chiều dài từ thác, các ngành công nghiệp liên quan cũng lần đông sang tây là 2500 m; chiều rộng từ bắc lượt ra đời, nhu cầu nhân công tăng dần và biến xuống nam là 1500 m. Các thông số chủ yếu khu mỏ thành những nơi đông đúc dân cư. của bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai được nêu Một vấn đề có thể dễ dàng thấy rằng, bãi trong bảng 1. thải là hình thái địa hình nhân sinh, thường có b/ Điều kiện khí hậu - thủy văn độ cao lớn so với địa hình nguyên sinh; để tiết Khí hậu vùng mỏ mang đặc tính nhiệt đới kiệm diện tích, bãi thải thường được đổ với góc gió mùa, nắng nóng, mưa nhiều. Lượng mưa dốc tự nhiên. Sau quá trình nổ mìn, xúc bốc, trung bình hàng năm khoảng 2000 - 2318 mm, vận chuyển, đất đá bãi thải bị bở rời, không còn tối đa là 3300 mm/năm chủ yếu rơi vào các tính liên kết bền vững như trong nguyên khối. tháng 7, 8. Số ngày mưa trong năm từ 150 -170 Các điều kiện đó sẽ làm cho đất đá bãi thải dễ ngày tập trung trong mùa mưa và chiếm 80% dàng bị dịch chuyển, biến dạng. Các hiện tượng tổng lượng mưa cả năm. Hệ thống thủy văn trượt lở, sập đổ dưới tác dụng của hoạt động trong khu vực bao gồm suối mương α về phía ngoại sinh: mưa, gió, bão tố luôn được tiềm tây và suối Hóa Chất về phía đông bãi thải là ẩn và xẩy ra. Không thể nói đến một phương án các dòng chảy mặt có vai trò thoát nước từ hai đổ thải hợp lý nếu không xác dịnh được góc dốc mỏ Cọc Sáu và Đèo Nai ra Vịnh Bái Tử Long. sườn bãi thải và độ ổn định của nó theo thời c/ Đặc điểm địa chất công trình gian để giảm thiểu thiên tai dưới tác động của Đất đá bãi thải Nam Đèo Cọc Sáu - Đèo biến đổi khí hậu. Nai là các loại đá trầm tích ở vách, trụ các vỉa Để xác định góc dốc sườn bãi thải hợp lý, than đã nổ mìn, xúc bốc, vận chuyển từ các đảm bảo độ ổn định của bãi thải dưới tác động moong khai thác đến bãi thải. Thành phần cỡ của các yếu tố, nhóm nghiên cứu đã tiến hành hạt của đất đá cũng rất khác nhau, có kích thước nghiên cứu xác định góc dốc sườn bãi thải Nam từ 0,1 mm đến 1000 mm với tính chất cơ lý của Đèo Nai, một bãi thải đã có một thời gian là đất đá trong bảng 2. Bảng 1. Các thông số chủ yếu của bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai Chiều cao Góc dốc sườn Diện tích Chiầu cao Chiều rộng Góc dốc bãi thải bãi thải đổ thải tầng thải mặt tầng sườn tầng (m) (0) (ha) (m) (m) (0) 280 260 - 360 270 50 - 100 20 - 50 320 - 400 18
3. Bảng 2. Một số chỉ số cơ lý đất đá bãi thải Nam Đèo Nai - Cọc Sáu Độ rỗng Tỷ trọng Tỷ trọng bão hoà γ Lực dính kết Góc ma sát trong 3 3 2 0 η[%] γ [t/m ] bh [t/m ] C [t/m ] φ[ ] 21 2,05 2,26 2,0 30 (nguồn: Hoàng Kim Vĩnh) 3. Hoạt động ngoại sinh và tác động đến quá trình trượt lở sườn bãi thải Các công đoạn của qui trình công nghệ khai thác đã phá vỡ cấu trúc nguyên thủy của đất đá, làm thay đổi cơ bản tính chất cơ lý của chúng, mà tiêu biểu nhất là sự thay đổi về tỷ trọng, tỷ số kháng cắt và mức độ ngậm nước v.v . Dưới các tác động ngoại sinh như nắng, gió, mưa bề mặt bãi thải có thể xảy ra các các hiện tượng như xói mòn, trượt lở, làm thay đổi và biến dạng bề mặt địa hình bãi thải, đặc biệt là trên sườn dốc. s¬ ®å æn ®Þnh b·i th¶i 1 1 3 2 2 3 Hình 2. Sơ đồ quá trình ổn định đất đá bãi thải 1- Lún bề mặt (chuyển dịch đứng); 2 - Xói mòn bề mặt do tác động các hiện tượng ngoại sinh; 3 - Trượt lở (trượt khối) bãi thải do tác động ngoại sinh) 3.1. Tác động của nước Vì gia tốc g là hằng số nên năng lượng của Nước được coi là tác nhân ngoại sinh chủ dòng chảy sẽ tỷ lệ với khối lượng và chiều cao yếu gây ra sự chuyển dịch đất đá và biến dạng dốc, nghĩa là dòng nước càng lớn, vận tốc dòng bãi thải mỏ. Dưới tác động của nước, bề mặt địa chảy của nó càng mạnh thì năng lượng phá hủy hình bị biến dạng dưới các hình thái sau đây: của nó càng lớn. Tác động của nước với sự dịch - Lún bề mặt; - Bào mòn bề mặt; - Trượt lở chuyển biến dạng bãi thải có thể được chia ra: sườn dốc (hiện tượng trượt khối) sự phá hủy đất bề mặt do mưa; xói mòn bề mặt Lực phá hủy của nước trong các quá trình địa hình do nước mặt; trượt lở mất ổn định sườn chảy tràn được xác định bằng lực sống của nó bãi thải do tác động của nước thẩm thấu trong (P), lực này theo định luật cơ học thể hiện bằng thân bãi thải. công thức 1 (Cao Văn Chí 2003): 3.2. Các dạng dịch chuyển đất đá sườn dốc bãi thải Trong điều kiện bình thường, đất đá đổ thải MV 2 P= . (1) luôn có xu hướng dịch chuyển về không gian 2 trống phía sườn dốc. Mặt khác, do tác động của Mưa và lực sống của dòng chảy tỷ lệ với trọng lực và các yếu tố ngoại sinh khác như khối lượng nước (M) và bình phương vận tốc nước thấm ngậm trong đất làm mất tính liên kết, của dòng chảy (V) (Cao Văn Chí 2003). khả năng ma sát và dính kết của đất giảm (đất bão hòa nước) trượt lở xẩy ra, mái dốc bị phá V 2gh . (2) hủy. Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã Gọi g - gia tốc trọng lực ; h - chiều cao dốc. nghiên cứu các hiện tượng dịch chuyển đất đá Động năng của dòng chảy được thể hiện mái dốc và có những cách phân loại khác nhau bằng công thức (3) (Nguyễn Uyên 2004) (Browner, Phisenko, Brunsden ) trên hình 3. I=mgh . (3) (Nguyễn Uyên 2004). 19
4. ( b ) ( a ) ( c ) Hình 3. Các dạng dịch chuyển của khối đất đá trên sườn dốc a) Sập lở ; b) Trượt tịnh tiến ; c) Trượt xoay ; d) Trượt dòng Các dịch chuyển biến dạng đó có thể xẩy ra Đây là công thức tính hệ số ổn định mái ngay sau khi đổ thải, dịch chuyển chậm dần dốc chính xác trên cơ sở tính toán đảm bảo an trong nhiều năm, hoặc xẩy ra đột ngột tại thời toàn cho mái dốc. điểm bất kỳ nào đó, thí dụ như sập lở. Để xác 5. Đánh giá ổn định sườn dốc của bãi thải định tính ổn định của bề mặt sườn dốc bãi thải, Nam Cọc Sáu - Đèo Nai cần xem xét độ ổn định của nó trong điều kiện Trong đánh giá định lượng hệ số ổn định tự nhiên và trạng thái ổn định khi có những tác sườn bãi thải phải sử dụng nhiều chỉ tiêu cơ lý động của các yếu tố ngoại sinh. đất đá khác nhau như trọng lượng thể tích γ, lực 4. Các phương pháp đánh giá độ ổn định của dính kết C, góc ma sát trong φ v.v các chỉ số mái dốc cơ lý đất đá được xác định bằng nhiều phương - Phương pháp phân thỏi Terzaghi pháp khác nhau, từ các báo cáo địa chất cũ, thí Đối với mái dốc có hình dáng phức tạp, nghiệm trong phòng cũng như thí nghiệm xác không đồng chất, được tạo bởi nhiều lớp đất, định ngoài hiện trường (bảng 2). việc xác định trọng tâm khối trượt sẽ gặp nhiều Việc tính toán độ ổn định bãi thải được khó khăn. Để khắc phục được những nhược thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng điểm trên khi phân tích đánh giá ổn định của quốc tế như SLOPE/W của Canada MODUL 3 mái dốc, người ta tiến hành chia khối trượt (SLOPE/W): Phân tích ổn định mái dốc trong thành nhiều thỏi thẳng đứng. Hệ số ổn định F bộ chương trình GEO-SLOPE của Canada, bao được tính theo công thức (4) (Nguyễn Uyên gồm 6 MODUL đã được sử dụng trên 100 nước 2004): trên thế giới. M  LR F= ct 0 >1 , (4) Mối tương quan đó được biểu thị bằng biểu Mgt Wd R thức: n = , (9) trong đó: 0 - cường độ chống cắt của đất tại D mặt trượt; L - độ dài cung trượt; R - bán kính trong đó: n - hệ số an toàn (Hệ số ổn định - gây trượt. Safety factor); R - lực giữ (Resisting force), đơn - Phương pháp tính hệ số ổn định Bishop vị tính [tấn]; D - lực đẩy (Driving force), đơn vị Nhiều tác giả đã tiến hành xét đến các lực tính [tấn]; tác dụng của các thỏi kề nhau, tìm cách xác Vị trí tuyến cắt được xác định trên bản đồ định Ni với điều kiện thoả mãn sự cân bằng tĩnh hiện trạng bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai. Với học mà Bishop là một tác giả điển hình, gọi là dữ liệu đầu vào cho chương trình là dữ liệu mặt phương pháp Bishop (Nguyễn Uyên 2004) cắt địa hình hiện trạng tại vị trí tính toán ổn 3 cili (Wi Hi 1 Hi )cos i (Pi 1 Pi )sin i tg i  định, tỷ trọng của đất đá γ (t/m ), lực tương tác Fs=  . 2 Wi sin i dính kết trong của đất đá C (t/m ) và góc ma sát 0 (5) trong của đất đá thải φ ( ). 20
5. γ : 2.05 t/m3 γ : 2.05 t/m3 Lực dính: C = 2 t/m2 Lực dính: C = 0 t/m2 Góc ma sát: 30 0 Góc ma sát: 30 0 K = 1.06 K = 0.78 Góc dốc sườn bãi thải với lực dính c=2t/m2 Góc dốc sườn bãi thải với lực dính c=0t/m2 Hình 4. Kết quả tính ổn định bãi thải Nam Cọc Sáu - Đèo Nai trên tuyến cắt I Kết quả tính toán (tuyến mặt cắt I và II) được xem xét trong điều kiện bình thường với lực dính kết của đất theo hiện trạng bãi thải đang tồn tại và trong điều kiện đất đá thải bị mất lực dính kết của do trương nở. Kết quả tính toán độ ổn định sườn dốc bãi thải theo hai điều kiện được nêu trong bảng 3. Bảng 3. 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 1 Mặt cắt I C = 2 t/m2 1,06 ổn định C = 0 t/m2 0,78 Mất ổn định 2 Mặt cắt II C = 2 t/m2 1,04 ổn định C = 0 t/m2 0,79 Mất ổn định Kết quả tính toán ổn định bãi thải trong điều kiện bình thường và trong điều kiện đất bị mất lực dính kết cho thấy: Hiện nay, bãi thải đang tồn tại ổn định khi lực dính kết của đất C bằng 2 t/m2. Dưới tác động của nước, theo thời gian, đất đá bị trương nở làm mất lực dính kết của đất lúc đó hệ số ổn định của đất nhỏ hơn 1, như vậy mái dốc của bãi thải sẽ mất tính ổn định, hiện tượng dịch chuyển đất đá bãi thải hoàn toàn có thể xẩy ra. Góc dốc sườn bãi thải nằm trong khoảng (260 - 360), trong điều kiện tự nhiên, hệ số ổn định của bãi thải lớn hơn 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 ( 30o khí có tác động của yếu tố ngoại sinh thì hiện tượng trượt lở hoàn toàn có thể xẩy ra. 21
6. 6. Kết luận thể áp dụng góc dốc sườn bãi thải cho các bãi 1. Trong điều kiện bình thường bãi thải thải khác nhau. hoàn toàn ổn đinh, khi chịu tác động các yếu tố ngoại sinh như mưa, bão thất thường thì hiện TÀI LIỆU THAM KHẢO tượng mất ổn định và trượt lở có thể xẩy ra đối [1]. Cao Văn Chí, Trịnh Văn Cương, 2003. Cơ với các bãi thải có góc dốc sườn không nằm học đất, NXB Xây Dựng, Hà Nội. trong mức an toàn cho phép. [2]. Võ Chí Mỹ, Nguyễn Bá Dũng, 2004. Xác 2. Góc dốc sườn bãi thải Nam Đèo Nai định quy luật dịch chuyển và đặc tính biến dạng <30o đã ổn định hoàn toàn từ khi ngừng đổ thải bãi thải phục vụ quy hoạch hoàn thổ đất mỏ. theo thiết kế quy hoạch hoàn thổ và cải tạo bãi Tuyển tập báo cáo HNKH lần thứ 16, Đại học thải mỏ. Mỏ - Địa chất, Hà Nội. 3. Để có thể khẳng định được độ ổn định [3]. Nguyễn Uyên, 2004. Cơ sở địa chất cơ học cho các bãi thải khác cần có điều tra khảo sát và đất và nền móng công trình, NXB Xây Dựng, xác định góc dốc sườn bãi thải đối với từng bãi Hà Nội. thải riêng biệt, cần nghiên cứu xác định thành [4]. Hội Khoa học Công nghệ mỏ Việt Nam, phần, chỉ số cơ lý đất đá cho các bãi thải cụ thể, 2006. Tuyển tập báo cáo hội nghị khoa học kỹ trên cơ sở nghiên cứu xác định theo nhóm có thuật mỏ toàn quốc lần thứ XVII, Đà Nẵng. SUMMARY Deformation avaluation of dump slope caused by exogenic processes Nguyen Ba Dung, Hanoi University of Natural Resources and Environment Dang Tuyet Minh, University of Water Resources Coal exploitation brings about both economic benifits and its impacts on the vital elements of our environment. Man-made landscapes, such as waste dumps of coal exploitation, have effects on residential areas and its surroundings. The impacts can be extremely intensified in the context of climate change. Investigating such impacts of the waste dumps is essential. This paper is to present the results of investigating the effects of factors on the stability of the slopeness of the waste dumps in Coc sau - Deo Nai. DỰ BÁO TÁC ĐỘNG MÔI TRƯỜNG (tiếp theo trang 26) SUMMARY Predictive forecasting of environmental impacts caused by mining activities for strategic environmental assessment Vu Thi Hang, Viet Nam Institute of Geodesy and Cartography Strategic environmental assessment (SEA) becomes legal requirement and responsibility of every mineral planning. The most important in SEA study is to forecast the core impacts of mining projects on environment and natural resources in time and space. The paper deals with the methods of environmental impacts forecasting of mining activities including open-pit and underground mine as well. 22