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

139 trang thiennha21 14/04/2022 5760

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "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", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

luan_an_nghien_cuu_xac_dinh_chieu_sau_khai_thac_lo_thien_hop.pdf

Nội dung text: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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
i 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
ii 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 ≥ Kbg kết 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
iii 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
iv 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
v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ ĐCTV Địa chất thủy văn HSB Hệ số bóc HSBGH Hệ số bóc giới hạn HTKT Hệ thống khai thác NCS Nghiên cứu sinh TNHH Trách nhiệm hữu hạn TPCI Thành phần có ích UBND Ủy ban nhân dân
vi DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 2.1: Góc dốc của bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (độ) 37 Bảng 2.2: Sự thay đổi của khối lượng đá xây dựng Vxd theo chiều sâu và hệ số sử dụng hiệu quả đất đai trong khai thác mỏ K d 40 Bảng 3.1: Số lượng mỏ trong cụm mỏ tại ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Bình Dương 50 Bảng 3.2: Biên giới, chiều sâu khai thác và trữ lượng các mỏ đá thuộc khu vực 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
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ TT Tên hình Trang Hình 1.1: Sơ đồ xác định chiều sâu của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg 9 Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh Kbg và Kgh KT 12 Hình 1.3: Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian HT và chiều sâu H1, H2 13 Hình 1.4: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ theo nguyên tắc Kgh ≥ 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 Vxd theo chiều sâu khai thác 41 Hình 2.4: Sơ đồ xác định trữ lượng địa chất Vdc và trữ lượng công nghiệp Vkt 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
viii 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
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp 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
2 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. Phạm 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).
3 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.
4 7.2. Ý nghĩa 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 1m2 diện 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 1m2 diện 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.
5 - 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. Cấu 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.
6 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.
7 CHƯƠNG 1 TỔNG 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.
8 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 Kgh ≥ Kbg [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
9 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 theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg [5], [32] Gọi x là chiều sâu thân khoáng. Nếu trong phạm vi chiều sâu x được tiến hành khai thác hầm lò thì tổng chi phí để khai thác là: Cn = xMC, đồng (1.1) Nếu tiến hành khai thác lộ thiên trong phạm vi chiều sâu x, tổng chi phí để khai thác là: Chi phí khai thác khoáng sản (chưa kể chi phí bóc đá) Ca = xMa, đồng (1.2) Còn chi phí bóc đá (ctg v ctg t ) 2 Cb = b[(M+h0ctgβ)h0+xh0(ctgγv+ctgγt)+ x ], đồng (1.3) 2 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 (ctg v ctg t ) 2 S = xM(c-a)-b[(M+h0ctgβ)h0+xh0(ctgγv+ctgγt)+ x ], đồng (1.5) 2 Trong đó:
10 M - Chiều dày nằm ngang của vỉa, m; C - Giá thành khai thác hầm lò, đ/m3; a - Giá thành khai thác 1m3 khoáng sản bằng phương pháp lộ thiên (chưa kể chi phí bóc đá), đ/m3; b - Chi phí bóc 1m3 đất đá, đ/m3; h0 - Chiều dày lớp đất phủ, 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: c a M x = . - h0, m (1.6) b (ctg v ctg t ) Từ đó chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên là: M.K gh Hk = x+h0 = , m (1.7) (ctg v ctg t ) (x h0 )(ctg v ctg t ) Trong đó gọi là hệ số bóc giới hạn (Kgh), còn trị số gọi M là hệ số bóc biên giới (Kbg) 3 3 Kgh = , m /m (1.8) Trường hợp phần trên của khoáng sàng khai thác bằng phương pháp lộ thiên, phần dưới khai thác bằng phương pháp hầm lò, biên giới hợp lý của mỏ lộ thiên được đánh giá bằng tổng chi phí để khai thác toàn bộ khoáng sàng là nhỏ nhất, biểu thức (1.7) vẫn đúng. 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 ≥ Kbg có ưu nhược điểm chủ yếu sau đây:
11 - 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 Kgh ≥ Ktb 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 được sử dụng 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 ≥ Ktb được 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 Kgh ≥ Kbg kết hợp với nguyên tắc Kgh ≥ Ktb 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 ≥ Kbg khi 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 Kgh ≥ KT [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
12 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 ≥ KT tóm tắt như sau: 4 1 Hình 1.2: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh Kbg và Kgh KT [48] Trong phạm vi chiều sâu HK (xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ Kbg) hệ số bóc thời gian KT được đặc trưng bằng đường cong 4-5-6-2-7, tại (điểm 5) hệ số bóc KT đạt được trị số lớn nhất và duy trì đến (điểm 6) sau đó giảm dần đến lúc kết thúc mỏ
13 (Hình 1.2). Có thể tăng chiều sâu thời gian để hệ số bóc thời gian KT bằng hệ số bóc giới hạn Kgh (điểm 8) và duy trì KT = Kgh ở 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 KT đạt được trị số hệ số bóc giới hạn. Hình 1.3: Sơ đồ xác định chiều sâu thời gian HT và chiều sâu H1, H2 [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 K02 theo biểu thức:
14 V0 V0 3 3 K01 = và K02 = , m /m (1.9) Vq1 Vq2 Để tìm chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ dựa trên nguyên tắc Kgh ≥KT có tính đến ảnh hưởng của khối lượng đất bóc trên đầu bờ mỏ tác giả dùng phương pháp đồ thị. Tại chiều sâu H1 xác định trị số K01+KTmax1, còn tại chiều sâu H2 xác định trị số K02+KTmax2. Đường biểu diễn KTmax+K0 = f(H) gặp đường Kgh tại điểm I, hoành độ điểm I là chiều sâu cần tìm của mỏ HKT xác định theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT (Hình 1.4). Hình 1.4: Sơ đồ xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ theo nguyên tắc Kgh ≥ K0+KT [29] Để phân tích sự khác nhau và điều kiện áp dụng của hai nguyên tắc xác định biên giới mỏ Kgh Kbg và Kgh KT, gần đây GS.TS Trần Mạnh Xuân [31] đã đưa ra công thức tính chiều sâu cuối cùng của mỏ lộ thiên trên cơ sở nguyên tắc Kgh KT (khi điều kiện địa hình và vỉa quặng đơn giản): MK(1 gh ) HmKT , (1.10) ctgvt ctg Và làm phép so sánh với công thức xác định chiều sâu cuối cùng của mỏ theo nguyên tắc Kgh Kbg.
15 MK. gh HmKT , (1.11) ctgvt ctg 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. M HHmKTK , (1.12) ctgctgvt Hoặc 1 HHmKTK (1), (1.13) Kgh Khi khai thác khoáng sàng có chiều dày vỉa lớn và rất lớn hoặc có điều kiện khai thác khó khăn (chất lượng khoáng sản thấp, chi phí khai thác cao, thể hiện ở HSB giới hạn nhỏ) thì sử dụng nguyên tắc Kgh KT có lợi hơn. Trong những trường hợp khác (M nhỏ, Kgh lớn) chiều sâu cuối cùng của mỏ xác định theo hai nguyên tắc Kgh Kbg hoặc 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 Kgh ≥ K0+KSx [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
16 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 Kgh ≥ K0+Ksx [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+Ksx so với các nguyên tắc Kgh ≥ Kbg và Kgh ≥ KT là 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 Kgh [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
17 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: G a K cp , m3/m3 (1.14) gh b 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].
18 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
19 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
20 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: t NPVGCa () max và NPV 0 (1.15) i 0 iii Trong đó: 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. 1 ai = (1.16) (1 r)t 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.
21 - Các chỉ tiêu chi phí bóc 1 m3 đá 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.
22 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: B B H = m d , m (1.17) (c t g 1 c t g 2 ) - Khi diện tích mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ: P .ctg (P .ctg )2 4 ctg 2 (S S ) H = d d m d , m (1.18) 2 ctg 2 Trong đó: Bm, Bd - Chiều rộng mặt mỏ và chiều rộng đáy mỏ (chiều rộng đáy mỏ cho phép theo điều kiện kỹ thuật);  , 1 2 - Góc dốc kết thúc bờ mỏ về hai phía, độ; 2 Sm và Sd - Diện tích mặt mỏ và đáy mỏ, m (diện tích đáy mỏ cho phép theo điều kiện kỹ thuật); Pd - Chu vi đáy mỏ, m;  - 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: 3 G ≥ Ckn + Cxb + Cv + Cd, đ/m (1.19)
23 Trong đó: 3 3 Ckn, Cxb - chi phí khoan nổ và xúc bốc 1m đất đá, đ/m ; Cv, Cd - chi phí vận tải và chi phí đền bù đất đai nằm ngoài phạm vi khai thác không thể canh tác được do ảnh hưởng của công tác khai thác, đ/m3; G - giá thành cho phép, đ/m3. H 3 Cv = K .S , đ/m (1.20) i d 3 Cd = (Ra - Hctgγ)PmGd, đ/m (1.21) Trong đó: Ra - bán kính hạ thấp mực nước ngầm, m; γ - góc dốc bờ mỏ, độ; Pm - chu vi mặt mỏ, m; i - độ dốc đường hào, đv; Kd - hệ số kéo dài tuyến đường, đv; S - cước vận tải, đ/m3.km; 2 2 Gd - giá đền bù 1m đất, đ/m . Thay (1.20) và (1.21) vào (1.19) sẽ được: (Ra Hctg )PmGd G ≥ Ckn + Cxb + + (1.22) V Từ (1.22) tác giả bài báo rút ta công thức tính chiều sâu của mỏ H theo điều kiện kinh tế như sau: Pm RaGd G (Ckn Cxb H ≤ V , m (1.23) S.K P G .Ctg d m d i V Trong đó: (F F F .F V = m d d m .H , m3 (1.24) 3 Phân tích các tính toán trên đây của tác giả bài báo Võ Minh Đức cho ta những nhận xét sau đây:
24 - 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 Hn nên 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.
25 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.
26 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 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.
27 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 thành 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 3 GK = , đ/m (2.1) QCK Trong đó: GCM - Giá một ca máy khoan, đ/ca; 3 QCK - năng suất của máy khoan, m /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]: 0,6.w.nd VK = 2 , m/h (2.2) K1.PK .d K .K f
28 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: Tc (Tcb Tb ) Qc = , m/ca (2.3) tc t p Trong đó: 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: 3 Qck = Qc.P , m /ca (2.4) 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.
29 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]: 4 0,5 2 / 5 3 q = 0,13.γ f (0,6 0,33do .d k )( ) .kr , kg/m (2.5) dcp Trong đó: γ - Dung trọng của đá, t/m3; f - Hệ số độ kiên cố của đất đá; 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.
30 2.1.2. Giá thành xúc bốc 1m3 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]: 3 dtb = (0,15 ÷ 0,20) E , m (2.6) 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.
31 2.2. Nhóm các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp Nhóm các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ bao gồm các yếu tố mà chúng có thể thay đổi khi chiều sâu của mỏ thay đổi như khoảng cách vận tải, lượng nước mưa và nước ngầm chảy vào mỏ, diện tích đất đai phải đền bù để tổ chức khai trường và các đối tượng phụ trợ. 2.2.1. Khoảng cách vận tải Khoảng cách vận tải đá xây dựng trung bình từ chiều sâu đang khai thác đến trạm nghiền - sàng bố trí trên mặt đất bao gồm khoảng cách đường ôtô chạy trung H bình trên đáy mỏ Lvto, trên bờ mỏ Kd và trên mặt đất từ miệng mỏ đến trạm i nghiền-sàng L. (x hO ) Lvt = 0,5[Lvto + Kd] + L, m (2.7) i Trong đó: H = x+ho - chiều cao bờ mỏ, m; x - chiều sâu khai thác, m; ho - chiều dày lớp đất phủ, m; i - độ dốc đường hào, đvtp; Kd - hệ số kéo dài tuyến đường. Trị số Lvto có thể xem là một nửa chu vi trung bình của đáy mỏ trong phạm vi chiều sâu khai thác x. Đối với mỏ có dạng hình chữ nhật nó được xác định theo biểu thức: Lvto = Bvtd + Lvtd, m (2.8) Trong đó Bvtd, Lvtd - Chiều rộng và chiều dài trung bình của đáy mỏ trong phạm vi chiều sâu khai thác x (Hình 2.1). Bm Bod Bvtd = , m (2.9) 2 Bm - Chiều rộng của mặt mỏ, m (trị số này đã biết) Bod - Chiều rộng đáy mỏ tương ứng với chiều sâu khai thác x, m Bod = Bm - 2hoctgβ - x(ctgγ1 + ctgγ2), m (2.10)
32 Thay (2.10) vào (2.9) ta được: Bm Bm 2hOctg x(ctg 1 ctg 2 ) Bvtd = 2 Bvtd = Bm - hoctgβ - 0,5x(ctgγ1 + ctgγ2), m (2.11) Cũng tương tự như vậy trị số Lvtd được tính theo biểu thức: Lvtd = Lm - (hoctgβ+xctgγd), m (2.12) Từ đó: Lvto = Bm+Lm-2hoctgβ-x[(ctgγ1+ctgγ2)+ctgγd], m (2.13) Hay Lvto = Bm + Lm - K3ho - K4x, m (2.14) Trong đó: Lm - Chiều dài mặt mỏ, m (đã biết); K3 = 2ctgβ; β - góc dốc ổn định của tầng đất phủ, độ; K4 = 0,5(ctgγ1+ctgγ2)+ctgγd; γ1,γ2 - góc bờ kết thúc của mỏ về phía vách và trụ, độ; γd - góc kết thúc bờ hai đầu của mỏ, độ. Thay (2.14) vào (2.7) và qua một vài phép biến đổi ta xác định được khoảng cách vận tải Lvt: K d Kd Lvt = 0,5[Bm+Lm+ho( K )+x( K )]+L, m (2.15) i 3 i 4 Nếu mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ,trị số Lvto trong biểu thức (2.7) được thay bằng nửa chu vi trung bình của đáy mỏ trong phạm vi chiều sâu khai thác x Lvto = πRm - 0,5π(hoctgβ + xctgγ), m (2.16) Trong đó: S m Rm - bán kính quy đổi của mặt mỏ Rm= , m 2 Sm - diện tích mặt mỏ, m Thay (2.16) vào (2.7) và qua một vài phép biến đổi ta được:
33 Kd Kd Lvt = 0,5πRm + 0,5ho( - 0,5πctgβ) + 0,5x( - 0,5πctgγ) + L, m i i Hay Lvt = 0,5πRm + 0,5ho( - 0,25π K3) + 0,5x( - 0,25π K5) + L, m (2.17) Trong đó: γ - Góc dốc trung bình của bờ mỏ, độ; K5 = 2ctg γ. Từ (2.15) và (2.17) ta thấy khoảng cách vận tải trong mỏ tỷ lệ thuận với chiều sâu khai thác x và chu vi mặt mỏ. Hình 2.1: Sơ đồ xác định khoảng cách vận tải đá xây dựng phụ thuộc vào chiều sâu khai thác (x) Từ các biểu thức (2.15) và (2.17) cho thấy khoảng cách vận tải phụ thuộc rất nhiều vào chiều sâu khai thác x và chu vi mặt mỏ (Bm + Lm) đối với mặt mỏ hình chữ nhật và Rm đối với mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ. 2.2.2. Lượng nước mưa chảy vào mỏ và việc bơm nước mưa ra khỏi mỏ Lượng nước mưa trực tiếp rơi vào mỏ được xác định theo biểu thức: 3 Qm = Sm.F, m /năm. (2.18) Trong đó: 2 Sm - diện tích mặt mỏ, m ; F - lượng nước mưa trung bình năm của khu vực, m.
34 Số năm khai thác mỏ: V T xd , năm (2.19) Ad Trong đó: Vxd - Khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ khi khai thác đến chiều sâu x, m3; 3 Ad - Sản lượng năm của mỏ m /năm. Khối lượng nước phải bơm khi khai thác hết trữ lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ: Sm .F.Vxd 3 Q0 QmT , m (2.20) Ad Khối lượng nước mưa phải bơm tính cho 1 m3 đất đá trong biên giới mỏ: Q S .F.V S .F Q 0 m xd m , m3/ m3 (2.21) Vxd Ad .Vxd Ad Trị số Q xác định theo biểu thức (2.21) được hiểu là để khai thác được 1 đá xây dựng cần phải bơm bao nhiêu m3 nước mưa. x h Chiều cao bơm nước thay đổi trong quá trình khai thác trung bình là o , 2 lúc này lượng nước mưa phải bơm ra khỏi mỏ lên cao khi khai thác 1m3 đá xây dựng sẽ là: ' x h0 Sm .F (x h0 ) 3 Qm Q. . , m .m (2.22) 2 Ad 2 2.2.3. Lượng nước ngầm chảy vào mỏ và việc bơm nước ngầm ra khỏi mỏ 3 Giả sử lượng nước ngầm chảy vào mỏ là qo (m /ngày đêm), khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ khi khai thác đến chiều sâu x là Vxd , sản lượng đá hàng 3 năm Ad (m /năm) thì: - Số ngày để bơm hết nước ngầm khi khai thác hết khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ Vxd là:
35 Vxd Tn .365 , ngày (2.23) Ad -Tổng lượng nước ngầm chảy vào mỏ: Vxd 3 Qn .365.q0 , m (2.24) Ad - Lượng nước ngầm cần phải bơm tính cho 1 m3 đá xây dựng trong biên giới mỏ, nói cách khác để khai thác được 1m3 đá cần phải bơm bao nhiêu mét khối nước ngầm: ' Qn Vxd 365q0 365q0 3 3 q0 . , m /m (2.25) Vxd Ad Vxd Ad x h - Lượng nước ngầm cần bơm ra khỏi mỏ với chiều cao o tính cho 1m3 2 đá xây dựng cũng xác định tương tự như khi bơm nước mưa: ' 365.q0 x h0 3 Qn . , m .m (2.26) Ad 2 Việc xác định lượng nước ngầm chảy vào mỏ qo tương đối phức tạp. Khối lượng nước ngầm không áp chảy vào mỏ trên toàn bộ chu vi bờ mỏ có thể xác định theo biểu thức [5]: 1,36.K.S 2 q , m3/ngày. (2.27) 0 R r lg 0 r0 Trong đó: K - hệ số thẩm thấu (độ dẫn nước của đất đá trong tầng chứa nước), m/ngày đêm; S - trị số hạ thấp mực nước, m; R- bán kính hạ thấp mực nước, m. R 2S KS , m (2.28) ro - bán kính quy đổi của mỏ lộ thiên, m Khi mỏ có hình dạng không quy cách: S r m (2.29) 0
36 Khi mỏ có hình dạng chữ nhật: (L B) r ,m (2.30) 0 4 Trong đó: 2 Sm - diện tích mặt mỏ, m L- chiều dài mặt mỏ khi mỏ khai thác đến chiều sâu x, m B- chiều rộng mặt mỏ khi mỏ khai thác đến chiều sâu x, m Trị số  - hệ số quy đổi, phụ thuộc vào tỷ số B/L: B/L 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0  1 1,12 1,16 1,18 1,18 1,18 Trong điều kiện các mỏ đá có chiều sâu nhỏ hơn so với tầng chứa nước thì hệ số S trong công thức (2.27) được thay thế bằng: S ho x hm ,m (trong đó hm - khoảng cách từ mặt đất đến mực nước ngầm) lúc này biểu thức (2.27) có dạng: 1,36.k(h x h ) 2 q 0 m , m3 /ngày đêm. (2.31) 0 R r lg 0 r0 Từ các kết quả nghiên cứu trên đây cho thấy việc bơm 1m3 nước mưa và nước ngầm ra khỏi mỏ phụ thuộc vào kích thước mặt mỏ (diện tích và chu vi), lượng nước mưa hàng năm, lượng nước ngầm chảy vào mỏ và chiều sâu khai thác. 2.2.4. Góc dốc kết thúc của bờ mỏ Góc dốc kết thúc của bờ mỏ có ý nghĩa lớn trong việc xác định chiều sâu của mỏ lộ thiên. Chúng phụ thuộc vào độ ổn định của bờ mỏ và chức năng của bờ. Độ ổn định của bờ mỏ phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá cấu thành bờ như độ kiên cố của đất đá, độ nứt nẻ, tính phân lớp, góc dốc của các lớp nham thạch và chiều cao bờ Góc dốc kết thúc của bờ mỏ theo điều kiện ổn định có thể lấy theo các giá trị ghi trong (Bảng 2.1) [48]. Góc dốc kết thúc của bờ mỏ theo điều kiện kỹ thuật mỏ (chức năng của bờ) phụ thuộc vào kết cấu của bờ,có thể xác định theo biểu thức [48]:
37 Bảng 2.1: Góc dốc của bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (độ) Khi chiều sâu mỏ, m Tính chất của đất đá Độ kiên cố của đá (f) 90 180 Cứng và rất cứng 15-20 60-68 57-65 Cứng và cứng vừa 8-14 50-60 48-57 Tương đối cứng 3-7 43-50 41-48 Cứng vừa và mềm 1-2 30-43 28-41 Mềm và đất thực vật 0,6-0,8 21-30 20-28 h tg  (2.32) bv b hctg 0 Trong đó: h- Chiều cao tầng, m; bv - Chiều rộng đai vận tải, m; b- Chiều rộng đai bảo vệ, m; h- Chiều cao tầng, m; o - góc dốc của sườn tầng kết thúc, độ. Theo công thức (2.32) nếu trên bờ mỏ chỉ bố trí một đai vận tải, góc kết thúc bờ mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật sẽ có trị số lớn nhất. Việc tăng hay giảm góc dốc kết thúc của bờ mỏ có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng khối lượng đá khai thác được trong biên giới mỏ phụ thuộc vào những điều kiện cụ thể khi thiết kế biên giới mỏ. 2.2.4.1. Trường hợp biên giới trên của mỏ đã được xác định Trong trường hợp này chiều sâu khai thác tính theo điều kiện kỹ thuật của mỏ (chiều sâu tối đa của mỏ có thể đạt được), đối với mỏ dài có thể tính gần đúng trên mặt cắt của mỏ và bằng: Bm Bdc H K (2.33) ctg 1 ctg 2
38 Trong đó: Bm - Chiều rộng mặt mỏ, m; Bdc - Chiều rộng đáy mỏ tối thiểu theo điều kiện kỹ thuật, m;  1 - Góc dốc kết thúc bờ mỏ phía vách tính theo điều kiện ổn định, độ;  2 - Góc dốc kết thúc bờ mỏ phía trụ tính theo điều kiện kỹ thuật, độ. Theo biểu thức (2.33) chiều sâu của mỏ sẽ thay đổi khi thay đổi giá trị . Ví dụ khi chiều rộng mặt mỏ = 300 m, chiều rộng đáy mỏ = 40 m, góc 0 0 0 =40 nếu chấp nhận = 30 , chiều sâu mỏ H k =89 m, còn nếu = 35 thì chiều sâu H k =100 m. Lúc này khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ được tăng lên và được biểu thị bằng diện tích gạch chéo trên (Hình 2.2a). Trong trường hợp này (biên giới trên của mỏ đá được xác định) chiều sâu của mỏ tăng lên khi tăng góc dốc của bờ kết thúc Hình 2.2: Sự thay đổi chiều sâu của mỏ a, Khi tăng góc dốc của bờ kết thúc và biên giới trên của mỏ. b, Khi giảm góc dốc của bờ kết thúc. 2.2.4.2. Trường hợp biên giới trên của mỏ chưa xác định Trong trường hợp này biên giới trên của mỏ được mở rộng còn khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ tăng lên phần diện tích gạch chéo trên (Hình 2.2b) khi giảm góc dốc bờ kết thúc của mỏ đối với chiều sâu nào đó của mỏ H xác định.
39 Từ những phân tích trên đây ta thấy góc dốc kết thúc của bờ mỏ có vai trò quan trọng trong việc xác định chiều sâu của mỏ nói chung trong đó có chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng đối tượng nghiên cứu. 2.2.5. Diện tích đất đai phải đền bù phục vụ khai thác mỏ Diện tích đất đai phải đền bù phục vụ khai thác mỏ đá xây dựng bao gồm diện tích dùng để tổ chức khai trường, diện tích đất dùng để làm bãi thải và diện tích bố trí mặt bằng công nghiệp trong đó có cụm nghiền sàng. Diện tích đất đai được sử dụng để tổ chức khai trường phụ thuộc vào chiều sâu của mỏ được khai thác, còn diện tích đất đai sử dụng hợp lý trong khai thác mỏ lại phụ thuộc vào khối lượng khoáng sản khai thác được trong phạm vi đất đai đó.Việc sử dụng đất đai hợp lý trong khai thác mỏ còn gắn liền với việc tận thu tài nguyên có hiệu quả trong khai thác mỏ qua chỉ tiêu được xác định theo biểu thức: Sm 2 3 K d , m /m (2.34) Vxd Trong đó: Sm - Diện tích đất đai phải đền bù (thuê) để thu hồi từ lòng đất một khối 3 lượng khoáng sản có ích là Vxd (m ). Trị số K d - Càng nhỏ, hiệu quả sử dụng đất đai trong khai thác mỏ càng lớn, đặc biệt trường hợp trị số là cố định. Để làm rõ điều này ta tiến hành khảo sát với các số liệu sau: Một mỏ khai thác đá xây dựng có mặt địa hình bằng phẳng, kích thước mỏ trên mặt đất có chiều dài Lm = 500 m, chiều rộng mỏ Bm = 300 m, diện tích mặt mỏ 2 (diện tích đất phải đền bù) = × Bm = 500 × 300 = 150.000 m . Khối lượng đá xây dựng được khai thác trên diện tích đã cho và hệ số thay đổi theo độ sâu khai thác được thể hiện trong (Bảng 2.2) và (Hình 2.3). Từ bảng (2.2) và hình (2.3) cho thấy khi biên giới mỏ trên mặt đã xác định (trong ví dụ trên diện tích = 150.000 m2) khi khối lượng đá xây dựng khai thác được tăng
40 theo chiều sâu khai thác,còn hệ số K d - biểu thị cho sự sử dụng hợp lý đất đai phục vụ khai thác giảm. Điều này rất có ý nghĩa trong thực tiễn khi các cơ quan có thẩm quyền cân nhắc quyết định cấp mỏ. Bảng 2.2: Sự thay đổi của khối lượng đá xây dựng Vxd theo chiều sâu và hệ số sử dụng hiệu quả đất đai trong khai thác mỏ Chiều sâu Khối lượng đá xây dựng Sm 2 3 Hệ số Kd m / m 3 Vxd khai thác, m khai thác được: Vxd, m 10 2419354 0,062 20 3125000 0,048 30 3750000 0,040 40 4687500 0,032 50 5357142 0,028 60 6000000 0,025 70 6521739 0,023 80 6818181 0,022 90 7142857 0,021 100 7500000 0,020 Ví dụ một cơ quan có thẩm quyền nào đó cấp cho mỏ một đơn vị khai thác 2 mỏ với diện tích khu mỏ được cấp là Sm = 150.000 m , độ sâu khai thác cho phép H = 30 m, thời hạn khai thác 7 năm. Với quyết định đó, trong điều kiện đã cho, doanh nghiệp mỏ có thể khai thác được 3.750.000 m3, sản lượng khoảng 500.000 m3/năm với hệ số = 0,04 m2/m3. Cũng với diện tích mặt mỏ đó, mỏ có thể khai thác đến độ sâu 80 m, khối lượng đá thu hồi 6.818.181 m3, tăng gấp 1,8 lần còn hệ số = 0,022 giảm 1,8 lần. Và nếu chiều sâu khai thác 80m là chiều sâu khai thác hợp lý, nó không những đạt hiệu quả kinh tế cao mà còn tận thu được tốt tài nguyên từ lòng đất, sử dụng hợp lý đất đai phục vụ cho khai thác mỏ so với phương án chiều sâu mỏ được cấp là 30 m.
41 Hình 2.3: Sự phụ thuộc của hệ số K d và Vxd theo chiều sâu khai thác 1. Sự phụ thuộc của hệ số theo chiều sâu khai thác. 2. Sự phụ thuộc của khối lượng đá xây dựng theo chiều sâu khai thác (tích lũy). Từ ví dụ cụ thể trên đây, ta thấy có mối quan hệ rất chặt chẽ giữa diện tích cấp mỏ và chiều sâu khai thác. Không thể đưa ra quyết định một cách tùy tiện mà phải được cân nhắc lựa chọn trên cơ sở phân tích, nghiên cứu có tính khoa học. Diện tích đất cần đền bù để tổ chức khai trường ngoài diện tích mặt mỏ Sm còn phải tính đến diện tích bao quanh biên giới trên của mỏ nằm trong khu vực có thể bị sạt lở khi mỏ xuống sâu, vì trong phạm vi này để đảm bảo an toàn không nên tiến hành các hoạt động khác như canh tác, trồng cây Chiều rộng của đới sạt lở phụ thuộc vào góc cắm của các lớp nham thạch, tính chất cơ lý của nó, độ sâu khai thác và có thể tính gần đúng theo đề nghị của viện Vnhimi (Nga) [5] Đối với đất đá có độ bền trung bình chiều rộng đới phá hủy có thể lấy bằng (0,3-0,4) chiều sâu toàn bộ của mỏ, tức là b = (0,3-0,4)(x+ ho ), trung bình là b = 0,35(x+ ho ), m. Từ đó, diện tích đất đai cần phải đền bù phục vụ khai thác tính cho 1m3 đá xây dựng trong biên giới mỏ đối với mỏ có diện tích mặt mỏ là hình chữ nhật:
42 (Bm 2b)(Lm 2b) 2 3 Sdm , m / m (2.35) Vxd Trong đó: Bm , Lm - chiều rộng và dài của mặt mỏ, m. Thay trị số b = 0,35(x+ ho ) vào biểu thức (2.35) và qua một vài phép biến đổi, ta có: 2 Sm 0.35Pm (x h0 ) 0,5(x h0 ) Sdm , / (2.36) Vxd Trong đó: Sm = . ; Pm - chu vi mặt mỏ (chu vi biên giới trên của mỏ), m; - chiều cao lớp đất phủ, m; x - chiều sâu khai thác; Vxd - khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ khi khai thác đến chiều sâu x. Đối với mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ,diện tích đất đai phải đền bù cho khai trường cũng được xác định tương tự như biểu thức (2.35) và có dạng: 2 ' Sm 0,35Pm (x h0 ) 0,38(x h0 ) 2 3 Sm , m /m (2.37) Vxd Trong đó: 2 Sm Sm R m ; Pm 2 Rm ; Rm - bán kính quy đổi của mặt mỏ, m Diện tích đất dùng để bố trí bãi thải chứa đất phủ tính cho 1m3 đá xây dựng khai thác được trong biên giới mỏ với mặt mỏ có dạng hình chữ nhật trong bình đồ được xác định theo biểu thức: V p 2 3 Stp , m / m (2.38) H 0Vxd Còn đối với mặt mỏ có dạng tròn trong bình đồ: ' ' V p 2 3 S tp , m / m (2.39) H 0Vxd
43 3 Trong đó V p và V ' p - khối lượng đất phủ (m ) ứng với mặt mỏ có dạng hình chữ nhật và gần tròn trong bình đồ, m3. Diện tích đất đai phải đền bù ngoài bãi thải đổ đất vẫn còn phải có bãi thải chữa đá bóc (nếu có): Vb 2 3 Stp , m / m (2.40) H oVxd 3; Vb - Khối lượng đất bóc, m H o - chiều cao tầng thải, m (bãi thải 1 tầng); 3 Vxd - khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ, m . 2.2.6. Vấn đề cải tạo và khôi phục môi trường sau khai thác Sau khi dự án khai thác kết thúc, mặt địa hình khu mỏ bị biến dạng, khoét sâu vào lòng đất một diện tích nhất định tùy thuộc vào chiều sâu kết thúc khai thác mỏ, làm mất điều kiện cân bằng tự nhiên của khu vực đã tồn tại qua nhiều năm. Tình trạng đó có thể xảy ra tiếp theo do sập lở, xói lở, gây mất ổn định bờ mỏ và tăng diện tích đất đã sử dụng nếu không tiến hành cải tạo và khôi phục môi trường. Tiêu chí đánh giá hiệu quả của công tác bảo vệ môi trường của dự án có thể là mức độ đảm bảo an toàn và sử dụng đất đai có lợi trong điều kiện phát triển bền vững. Chi phí đền bù đất đai và chi phí cải tạo, phục hồi mỏ mà doanh nghiệp phải bỏ ra đều được phân bổ vào giá thành khai thác và do đó có ảnh hưởng đến chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ khi xác định chúng. 2.2.7. Cơ chế chính sách và quản lý nhà nước Hiện nay các mỏ khoáng sản dùng làm vật liệu xây dựng trong đó có đá làm vật liệu xây dựng thông thường ở nước ta được phân cấp cho các địa phương quản lý. Việc cấp giấy phép thăm dò, đấu giá để được quyền khai thác, quản lý công tác khai thác đều do các tỉnh, thành trực thuộc trung ương quy định. Việc cấp giấy phép khai thác bao gồm việc cấp diện tích, chiều sâu khai thác, trữ lượng khai thác và đôi khi cả thời hạn khai thác. Việc cấp giấy phép khai thác theo khía cạnh quản lý và chiều sâu mỏ khai thác có hiệu quả- xét theo khía cạnh kinh tế kỹ thuật có mối quan hệ với nhau. Quan hệ đó rất phức tạp, nếu giải quyết không tốt sẽ dẫn đến tình
44 trạng sử dụng tiết kiệm tài nguyên và đất đai trong khai thác không đạt được kết quả mong đợi. Tài liệu quan trọng kèm theo giấy phép khai thác là bản đồ được phép khai thác trên đó đánh dấu các mốc giới hạn phạm vi khai thác trên mặt bằng. Trữ lượng được cấp được tính theo các mặt cắt thẳng đứng, còn chiều sâu căn cứ vào nhiều yếu tố trong đó có yếu tố thăm dò. Trữ lượng được cấp (hay đưa ra đấu giá) cách tính như trên là trữ lượng địa chất. Trong khai thác lộ thiên do phải để lại bờ mỏ (đảm bảo an toàn) nên khối lượng khai thác thực tế (gọi là trữ lượng khai thác hay là trữ lượng công nghiệp) nhỏ hơn trữ lượng địa chất phụ thuộc vào góc dốc của bờ mỏ kết thúc và chiều sâu khai thác (xem ở mục 2.2.4) được chọn. Như trên hình vẽ (2.4) trữ lượng địa chất (tính đặc trưng trên mặt cắt ngang) được thể hiện bằng diện tích ABCD. Do phải để lại bờ mỏ AE với góc dốc là  1 ,và bờ BF với góc dốc là  2 khi chiều sâu mỏ cho phép khai thác H, trữ lượng khai thác chỉ còn lại được thể hiện bằng diện tích ABFE. Nếu gọi trữ lượng địa chất được cấp là Vdc , trữ lượng khai thác được là Vkt và giá tiền phải trả để được khai thác một đơn vị khoáng sản là Gdc thì doanh nghiệp phải trả thêm một số tiền là: Vdc Vkt 3 ( )Gdc , đ/ m (2.41) Vkt Đây là số tiền mà doanh nghiệp phải trả thêm không mong muốn, nhưng phải phân bổ vào giá thành khai thác khi xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ. Ngoài ra, khi quyết định cấp mỏ cần cân nhắc một cách khoa học về mối quan hệ hữu cơ giữa diện tích được cấp, chiều sâu cho phép khai thác và trữ lượng khoáng sản cho phép khai thác. Để làm rõ vấn đề này luận án đưa ra phân tích một số trường hợp cụ thể sau đây: a. Mối quan hệ giữa diện tích và chiều sâu cho phép khai thác (để đơn giản trong phân tích ta lấy trường hợp mặt địa hình bằng phẳng còn diện tích và chiều sâu khai thác được xác định trên mặt cắt ngang). Trong thực tế thường gặp hai trường hợp điển hình sau:
45 Hình 2.4: Sơ đồ xác định trữ lượng địa chất Vdc và trữ lượng công nghiệp Vkt khi khai thác mỏ đá xây dựng thông thường, mặt địa hình bằng phẳng Diện tích khai thác lớn nhưng chiều sâu được phép khai thác nhỏ Hình 2.5a) Diện tích khai thác nhỏ nhưng chiều sâu được phép khai thác lớn (Hình 2.5b) AB - tượng trưng cho diện tích mỏ được cấp phép khai thác trên mặt cắt ngang. Hậu quả của quá trình cấp mỏ nói trên, khi không tuân thủ mối quan hệ giữa diện tích mặt mỏ và chiều sâu mỏ được cấp để khai thác có căn cứ khoa học là không sử dụng có hiệu quả tài nguyên từ lòng đất hoặc mang lại thiệt thòi cho doanh nghiệp mỏ khi phải trả thêm tiền cho tài nguyên không thể khai thác do điều kiện kỹ thuật hạn chế. b. Trên một diện tích xác định, có thể cấp cho một mỏ hoặc chia thành nhiều mỏ nằm liền kề nhau. Trường hợp này hậu quả trước hết xảy ra cũng như trường hợp a, nhưng phức tạp hơn nhiều khi tiến hành cấp mỏ có quy mô khác nhau nằm liền kề nhau (có biên giới chung trên mặt đất). Hình 2.5: Sơ đồ xác định mối quan hệ giữa diện tích được cấp và chiều sâu khai thác
46 ABCD - trữ lượng được cấp; ABFE- trữ lượng có thể thu hồi được. H dc - chiều sâu mỏ được phép khai thác; H kt - chiều sâu mỏ có thể khai thác theo điều kiện kỹ thuật hoặc theo điều kiện kinh tế (chiều sâu mỏ hợp lý); Các mỏ liền kề thường bố trí theo các sơ đồ như trên (Hình 2.6) Hình 2.6: Sơ đồ bố trí các mỏ nằm liền kề nhau a, Hai mỏ; b, ba mỏ; c, bốn mỏ; d, hai mỏ nằm liền kề một khoảng cách. Ghi chú: Nét liền: đường biên giới trên của mỏ; Nét đứt: đường biên giới giữa các mỏ kề nhau. Ta xét hai trường hợp đơn giản thể hiện trên (Hình 2.6a) và (Hình 2.6b) Trên mặt cắt ngang của hai mỏ liền kề có biên giới chung (Hình 2.6a), nếu chiều rộng của mỏ trên mặt đất của chúng bằng nhau thì chiều sâu của mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật sẽ bằng nhau, ngược lại mỏ nào có chiều rộng trên mặt đất nhỏ, chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật mỏ sẽ thấp hơn. Nếu hai mỏ tiến hành khai thác độc lập sẽ để lại trụ bảo vệ giữa hai mỏ gây tổn thất tài nguyên lớn hơn (Hình 2.7). Nếu không muốn tổn thất tài nguyên do phải để lại trụ bảo vệ giữa hai mỏ, quy trình khai thác sẽ rất phức tạp và không tránh khỏi sự tranh chấp giữa hai doanh nghiệp quản lý mỏ (Hình 2.7a). Diện tích gạch chéo thể hiện khối lượng tài nguyên tổn thất khi hai mỏ tiến hành khai thác độc lập. Nếu hai mỏ bố trí liền kề nhau nhưng cách không xa lắm (Hình 2.7b) hiện tượng tổn thất tài nguyên cũng xảy ra tương tự. Sự chênh lệch về chiều sâu khai thác giữa hai mỏ liền kề càng lớn, tổn thất tài nguyên do để lại trụ bảo vệ càng cao.
47 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 2.3. Kết luận chương 2 Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến việc xác định chiều sâu khai thác hợp lý (và cả chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật) của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng thông thường như điều kiện tự nhiên, kinh tế - kỹ thuật và kinh tế xã hội. Một số trong các yếu tố đó, trong những điều kiện xác định có thể xem là không đổi khi chiều sâu khai thác thay đổi như chi phí khoan nổ, xúc bốc, nghiền sàng và một số chi phí khác. Số yếu tố còn lại sẽ thay đổi thông qua sự thay đổi của các chi phí khác phụ thuộc vào chiều sâu khai và kích thước chu vi mặt mỏ. Chi phí vận tải và chi phí thoát nước phụ thuộc không những vào chiều sâu khai thác mà còn phụ thuộc vào kích thước chu vi mặt mỏ. Chu vi mặt mỏ càng lớn khi cùng một diện tích mặt mỏ đối với mặt mỏ có dạng hình chữ nhật sẽ làm tăng khoảng cách vận tải trong mỏ và tăng lượng nước ngầm chảy vào mỏ. Các chi phí này quyết định chiều sâu mỏ có thể khai thác được và hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng làm VLXD thông thường nói chung và cho khu vực Nam Bộ nói riêng.
48 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 3.1. Một số đặc điểm về biên giới các mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng ở nước ta Sau ngày hòa bình lập lại ở miền Bắc, đá xây dựng để sản xuất xi măng và vật liệu xây dựng thông thường chủ yếu lấy từ các núi đá vôi nằm cao hơn địa hình xung quanh. Các dự án khai thác mỏ đều dừng ở mức cao hơn địa hình xung quanh từ 3 ÷ 5m để thoát nước bằng phương pháp tự chảy. Vì vậy việc xác định chiều sâu mỏ khi khai thác các mỏ đá vôi lúc đó không đặt thành vấn đề. Tuy nhiên, trong thời gian tới các núi đá vôi khai thác phục vụ sản xuất xi măng nằm gần các nhà máy và điều kiện khai thác thuận lợi cũng gần cạn kiệt. Nếu khai thác các núi đá vôi khác nằm xa nhà máy hơn sẽ làm cho giá thành nguyên liệu tăng lên vì tăng chi phí vận tải. Vì vậy một số mỏ đá vôi sau khi khai thác hết phần trữ lượng nằm nổi trên mặt đất, người ta đã bắt đầu nghĩ đến việc khai thác phần trữ lượng đá vôi nằm sâu dưới diện tích đã khai thác (Mỏ Hoàng Thạch, Tràng Kênh - Hải Phòng đã thực hiện và một số mỏ khác đã bắt đầu xây dựng dự án). Việc khai thác phần sâu của núi đá là cần thiết, có thể tiết kiệm chi phí, tăng nguồn nguyên liệu nhưng cũng không thể khai thác đến độ sâu tùy ý mà phải có giới hạn. Điều đó dẫn tới việc phải tiến hành xác định chiều sâu khai thác cuối cùng của mỏ. Sau ngày miền Nam giải phóng (năm 1975) đặc biệt trong những năm đầu của thế kỷ 21, nhằm thỏa mãn nhu cầu về vật liệu xây dựng ngày càng tăng 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 và ngày nay đã hình thành hàng loạt mỏ khai thác đá xây dựng, đặc biệt là khu vực Đông Nam Bộ như ở các tỉnh Đồng Nai, Bình Dương, Bà Rịa - Vũng Tàu Theo số liệu thống kê chưa đầy đủ tại tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Bình Dương hiện có 67 mỏ đang hoạt động khai thác đá vật liệu xây dựng (không
49 tính các mỏ đá Granit và đá vôi); Trong đó Bà Rịa - Vũng Tàu 20 mỏ với trữ lượng đá 285.488.404 m3, tổng công suất khai thác 12.619.675 m3/năm; Tỉnh Đồng Nai có 27 mỏ trữ lượng đá 476.855.217 m3 với tổng công suất khai thác 29.388.500 m3/năm; Tỉnh Bình Dương 20 mỏ với trữ lượng đá 238.398.578 m3, công suất khai thác 14.180.480 m3/năm [1], [2], [3], [4], [7]. Số lượng mỏ của từng cụm mỏ được thể hiện trong (Bảng 3.1) Trong phạm vi khảo sát 25 mỏ thuộc cụm mỏ Thường Tân - Tân Mỹ (Bình Dương) và cụm mỏ Thiện Tân - Thạnh Phú (Đồng Nai) là hai cụm mỏ lớn nhất trong khu vực, có 9 mỏ độ sâu khai thác dừng ở mức -30 m, chiếm 36%; 6 mỏ độ sâu khai thác dừng ở mức -50 m, chiếm 24%; 6 mỏ độ sâu khai thác dừng ở mức - 60 m, chiếm 24% và 4 mỏ độ sâu khai thác dừng ở mức -80 m, chiếm 16%. Có 84% số mỏ độ sâu khai thác dừng ở mức -60 m trở lên. Điều đó cho thấy tiềm năng đá xây dựng ở khu vực còn rất lớn nếu tiến hành khai thác ở những mức sâu hơn. Khảo sát mối quan hệ giữa biên giới của mỏ và chiều sâu khai thác (Bảng 3.2) ta có những nhận xét sau đây: - Biên giới mỏ trên mặt đất và chiều sâu khai thác được quy định theo diện tích và độ sâu cho phép thăm dò địa chất. Trữ lượng đưa vào quy hoạch khai thác là trữ lượng địa chất. - Việc cấp giấy phép thăm dò và khai thác còn nhiều tồn tại thể hiện ở chỗ trên cùng một khu vực có cùng điều kiện khai thác (Hệ thống khai thác và các thông số khai thác, đồng bộ thiết bị sử dụng giống nhau; Các chi phí cơ bản như khoan nổ mìn, xúc bốc, vận tải không khác nhau mấy) nhưng các mỏ lại được cấp với diện tích và độ sâu khai thác không phù hợp. Nó không đảm bảo hiệu quả khai thác tài nguyên khoáng sản theo khía cạnh tận dụng và mang lại lợi ích tối đa cho xã hội. Ví dụ có mỏ được cấp với diện tích lớn nhưng chiều sâu khai thác lại nhỏ, ngược lại có mỏ được cấp với diện tích nhỏ nhưng độ sâu khai thác lại lớn (mỏ Tân Mỹ A theo thiết kế với diện tích mỏ được cấp 64,6ha nhưng độ sâu khai thác dừng ở mức -30m trong khi mỏ Thường Tân, công ty TNHH Phan Thanh với diện tích được cấp 17 ha nhưng độ sâu khai thác ở mức -50 m). Một số mỏ khác có độ sâu khai thác như nhau nhưng diện tích mặt mỏ lại khác nhau rất nhiều, gấp 3 đến 6 lần.
50 Bảng 3.1: Số lượng mỏ trong cụm mỏ tại ba tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu, Đồng Nai và Bình Dương Số Trữ lượng Công suất khai Độ sâu khai Tuổi thọ trung TT Tên đá khai thác Tên cụm mỏ mỏ đá, m3 thác, m3/năm thác, m bình, năm 1 Đá Bazan Bazan lỗ hổng Bà Rịa - Vũng Tàu 6 100906280 3469195 - 29 Bazan đặc xít Đồng Nai 7 75437916 3969500 - 19 2 Đá anđêzit, đaxit, Cụm mỏ Tân Đông Hiệp (xã Tân Đông 5 53816454 5030000 -80 ÷ -100 10,7 tuf riolit, riolit Hiệp, Dĩ An, Bình Dương) poocfia Cụm mỏ Tân Cang (xã Tân Cang, TP 10 161902008 1066400 - 15 Biên Hòa, Đồng Nai) Cụm mỏ Châu Pha (xã Châu Pha, Tân 14 65415854 3895000 - 20 Thành, Bà Rịa - Vũng Tàu 3 Đá trầm tích, cát Cụm mỏ Thường Tân - Tân Mỹ (xã 15 184582124 9150480 -30 ÷ -50 20 kết, sét kết, bột Thường Tân và Tân mỹ, huyện bắc Tân kết Uyên, Bình Dương Cụm mỏ Thiện Tân - Thạnh Phú (xã 10 239215293 14755000 -60 ÷ -80 16 Thiện Tân và Thạnh Phú, Vĩnh Cửu, Đồng Nai
51 Bảng 3.2: Biên giới, chiều sâu khai thác và trữ lượng các mỏ đá thuộc khu vực Thường Tân -Tân Mỹ (xã Thường Tân và Tân Mỹ, huyện Bắc Thường Tân) Trữ lượng, Diện tích Công xuất khai thác TT Tên mỏ, tên doanh nghiệp Độ sâu khai thác, m m3 mặt mỏ, ha theo thiết kế, m3/năm 1 Mỏ Thường Tân 3 (công ty cổ phần xây dựng Bình Dương) 12109892 -301 (-47)2 (-100)3 28.861 1.580.000 2 Mỏ Thường Tân 4 (công ty CP đá Hoa Tân An) 21855130 -501 (-70)2 (-100)3 52.161 980.000 3 Mỏ đá Tân Đông Hiệp (phường Tân Đông Hiệp, Dĩ An, Bình Dương) 7891018 -1001 (-120)2 (-150)3 22.81 3.945.510 4 Mỏ Thường Tân (công ty TNHH Liên Hiệp) 13059819 -501 (-50)2 271 (36)2 480.000 5 Mỏ Thường Tân (công ty TNHH Hồng Đạt) 7712362 -501 (-50)2 211 (23)2 360.000 6 Mỏ Thường Tân (công ty TNHH Phan Thanh) 11831333 -501 (-47)2 171 (27)2 480.000 7 Mỏ Thường Tân (công ty TNHH đá xây dựng Bình Dương) 5813055 -301 (-50)2 101 (10)2 350.000 8 Mỏ Thường Tân 2 (công ty TNHH Long Sơn) 6613570 -301 (-20)2 48.531 400.000 9 Mỏ Thường Tân 5 (công ty cổ phần Hóa An) 18166656 -501 (-50)2 33.51 600.000 10 Mỏ Tân Mỹ A (công ty Tân Tân Mỹ) 23274210 -301 (-70)2 64.61 360.000 11 Mỏ Tân Mỹ B (công ty cổ phần khảo sát xây dựng Bình Dương) 9757504 -301 (-70)2 34.71 700.000 12 Mỏ Tân Mỹ (tổng công ty Thanh Lễ) 8974409 -301 26.81 257.000 Ghi chú: 1 - Theo thiết kế ban đầu; ( )2 - Theo số liệu 2018; ( )3 - Theo quy hoạch bổ sung
52 Theo khảo sát thực tế cuối năm 2018, một số mỏ sắp đạt hoặc đạt độ sâu thiết kế ban đầu, một số mỏ độ sâu khai thác vượt quá thiết kế như mỏ đá Thường Tân 4 (công ty cổ phần đá Hoa Tân An), mỏ Tân Mỹ A (công ty Tân Tân Mỹ), mỏ đá Tân Mỹ B (công ty cổ phần khảo sát xây dựng Bình Dương), cụm mỏ đá Tân Đông Hiệp (phường Tân Đông Hiệp, Dĩ An, Bình Dương). Ngoài ra theo dự kiến quy hoạch của UBND tỉnh Bình Dương năm 2018 một số mỏ có thể được phép tăng chiều sâu khai thác so với độ sâu khai thác năm 2018, như mỏ Thường Tân 3 và Thường Tân 4 đến - 100 m, cụm mỏ Tân Đông Hiệp đến -150 m (Bảng 3.2) [2], [23]. Tình hình trên đây đặt ra nhiệm vụ cần thiết là phải nghiên cứu xác định chiều sâu khai thác hợp lý của các mỏ trong khu vực nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng có hiệu quả, hợp lý tài nguyên khoáng sản từ lòng đất trong khai thác mỏ. 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 Biên giới của mỏ lộ thiên gồm ba thông số chính như kích thước đáy mỏ, chiều sâu của mỏ và kích thước mỏ trên mặt đất. Khi khai thác các vỉa than và quặng việc xác định biên giới mỏ lộ thiên thường căn cứ vào kích thước đáy mỏ biết trước đó là chiều dày nằm ngang và chiều dài của vỉa theo phương. Nếu chiều dày nằm ngang của vỉa và chiều dài của vỉa theo phương nhỏ không đảm bảo sự hoạt động bình thường của thiết bị khai thác và vận tải trên đáy mỏ thì kích thước này được lấy theo điều kiện kỹ thuật khai thác mỏ. Điều này cho phép tận thu được tối đa tài nguyên khoáng sản từ lòng đất và giảm được khối lượng đất đá bóc trong biên giới mỏ. Khi biết kích thước đáy mỏ, tương ứng với chiều sâu khai thác nào đó ta sẽ xác định được biên giới mỏ trên mặt đất thông qua góc dốc của các bờ mỏ. Các khoáng sàng đá xây dựng, đặc biệt là các mỏ đá ở khu vực Đông Nam Bộ thường được phân bố trên một diện tích rộng và chiều dày vỉa rất lớn. Điều đó cho thấy việc lấy kích thước đáy mỏ làm cơ sở cho việc khoanh định biên giới mỏ lộ thiên gặp nhiều khó khăn, cần có cách tiếp cận khác phù hợp với điều kiện thực tế của khu vực hơn bằng cách áp dụng trình tự ngược trong khoanh định biên giới mỏ lộ thiên khi lấy biên giới trên mặt đất làm căn cứ ban đầu để xác định biên giới đáy mỏ tương ứng chiều sâu khai thác chọn trước.
53 Các trình tự khoanh định biên giới mỏ lộ thiên lúc này được thể hiện như dưới đây (Hình 3.1). a) b) Biên giới đáy mỏ Biên giới trên của mỏ Chọn chiều sâu khai thác Chọn chiều sâu khai thác Xác định biên giới trên Xác định biên giới đáy mỏ mặt đất của mỏ Xác định khối lượng Xác định khối lượng khoáng sản và đá bóc khoáng sản và đá bóc trong biên giới mỏ trong biên giới mỏ Hình 3.1: Các trình tự khoanh định biên giới mỏ lộ thiên Trình tự (a) ngày nay thường được áp dụng rộng rãi để xác định biên giới mỏ khi khai thác các mỏ than và quặng các loại (trừ mỏ quặng sa khoáng). Trình tự (b) là trình tự tác giả luận án đề xuất để xác định biên giới mỏ lộ thiên khai thác đá khu vực Nam Bộ. Trong hai trình tự trên, thông số cốt lõi để xác định biên giới hợp lý của mỏ lộ thiên là chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ. Việc áp dụng trình tự (b) để xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá khu vực Nam Bộ là phù hợp và đáp ứng yêu cầu bức thiết hiện nay khi trên địa bàn có hàng chục mỏ đang hoạt động với biên giới trên của mỏ đã xác định nhưng chiều sâu khai thác vẫn dựa vào chiều sâu thăm dò. Để xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá xây dựng khu vực Đông Nam Bộ cần chọn tiêu chí đánh giá. Thực tế nghiên cứu khoa học và thiết kế
54 mỏ lộ thiên cho thấy mặc dầu còn có những cách tiếp cận khác nhau nhưng nhìn chung vẫn lấy hiệu quả khai thác khoáng sàng làm mục tiêu chính. Với điều kiện khai thác không có đá bóc và chỉ xử lý lớp đất phủ không dày lắm, chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nói chung có thể được xác định trên cơ sở tổng lợi nhuận thu được khi khai thác đến chiều sâu đó là lớn nhất: ΔL = ΔL1+ ΔL2 = Vxd(Gxd-Cxd) + Vp(Gp-Cp) max và ΔL > 0 (3.1) Trong đó: ΔL1 = Vxd(Gxd-Cxd) - Lãi thu được khi khai thác đá xây dựng trong biên giới mỏ tương ứng với chiều sâu mỏ nghiên cứu, đồng; Vxd - khối lượng đá xây dựng thu hồi được trong biên giới mỏ đến chiều sâu nghiên cứu, m3; 3 3 Gxd - Giá trị 1m đá xây dựng, đ/m ; 3 3 Cxd - Chi phí để khai thác và chế biến 1m đá xây dựng, đ/m ; ΔL2 = Vp(Gp-Cp) - Hiệu quả kinh tế thu được (có thể dương hoặc âm) khi khai thác và sử dụng đất phủ, đồng; 3 Vp - Khối lượng đất phủ phải bóc, m ; 3 3 Gp - Giá bán 1m đất phủ, đ/m ; 3 3 Cp - Chi phí để bóc 1m đất phủ, đ/m . Khi đất phủ bán được và giá bán đất phủ lớn hơn chi phí để bóc chúng ΔL2>0, còn khi giá bán đất phủ nhỏ hơn chi phí bóc đất phủ trị số ΔL2 < 0. 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 Khi sử dụng trình tự khoanh định biên giới mỏ cho các mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy (Hình 3.1b) chiều sâu mỏ được xác định theo hai bước: Bước thứ nhất - Chiều sâu mỏ được quy định theo điều kiện kỹ thuật. Bước thứ hai - Chiều sâu mỏ được quy định theo điều kiện kinh tế (xác định theo chiều sâu khai thác hợp lý).
55 3.3.1. Xác định chiều sâu mỏ lộ thiên khai thác đá xây dựng theo điều kiện kỹ thuật Điều kiện kỹ thuật mỏ hạn chế chiều sâu của mỏ lộ thiên khi kích thước mặt mỏ (diện tích và chu vi) đã xác định là kích thước cho phép của đáy mỏ. Kích thước đó phải đảm bảo cho công tác mỏ hoạt động trên đáy mỏ được bình thường. Đối với mỏ có kích thước mặt mỏ là hình chữ nhật, chiều sâu mỏ theo điều kiện kỹ thuật có thể bị hạn chế bởi kích thước theo chiều rộng của mặt mỏ Bm (m) và chiều rộng đáy mỏ cho phép Bd (m) hoặc theo chiều dài mặt mỏ Lm (m) và chiều dài cho phép của đáy mỏ Ld (m), tức là: Bm Bd Bm Bd ,m (a) ctg 1 ctg 2 K1 Hk = min (3.2) L L L L m d m d ,m (b) 2ctg d K 2 Trong đó: Hk - Chiều sâu mỏ lộ thiên tính theo điều kiện kỹ thuật lấy theo (a) hoặc (b), m;  1 ,  2 - Góc bờ dọc của mỏ về hai phía, độ;  d - Góc đầu bờ mỏ, độ; K1 = ctg + ctg 2 ; K2 = 2ctg d . Chiều dài và chiều rộng cho phép của đáy mỏ khi áp dụng công nghệ khai thác bằng máy xúc tay gầu phối hợp với vận tại bằng ô tô thường được xác định theo các biểu thức: h Ld = 2R , m i q Bd = 2Rq , m Trong đó: h - chiều cai tầng, m; i - đồ dốc đường hào, đv; Rq - Bán kính vòng tối thiểu của ôtô, m. Khảo sát hai mỏ đá xây dựng có kích thước đáy mỏ Bd = 30 m, chiều dài đáy o o o mỏ Ld = 180 m, góc = 42 ,  2 = 38 ,  d = 42 (K1 = 2,39, K2 = 2,22) nhưng kích thước mặt mỏ khác nhau cho thấy:
56 Mỏ 1 với chiều rộng mặt mỏ Bm1 = 300m, Lm1 = 600m, chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật: Bm1 Bd 300 30 113m K1 2,39 Hk1 = min L L 600 180 m1 d 189m K 2 2,22 Chọn Hk1 = 113 m (Hình 3.2a) - bị hạn chế bởi chiều rộng mặt mỏ Đối với mỏ 2 với Bm2 = 400 m, Lm2 = 500 m chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật là: Bm2 Bd 400 30 154m K1 2,39 Hk2 = min L L 500 180 m2 d 144m K 2 2,22 Chọn Hk2=144 m (Hình 3.2b) - bị hạn chế bởi chiều dài mặt mỏ Đối với mỏ có chu vi mặt mỏ gần tròn trong bình đồ với bán kính quy đổi S R= m (m); chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật được xác định theo biểu thức (Hình 3.3): =144 m Hình 3.2: Sơ đồ xác định chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật khi mặt mỏ có dạng hình chữ nhật
57 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 (R Rd ) Hk = , m (3.3) ctg Trong đó: Rd - Bán kính đáy mỏ cho phép, đảm bảo sự hoạt động bình thường của ô tô trên đáy mỏ, m;  - Góc dốc chung của bờ mỏ, độ; 2 Sm - Diện tích mặt mỏ, m . 3.3.2. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy được xác định khi tiến hành tính toán các thông số để hoàn thành hàm mục tiêu (3.1). 3.4. Xác định chiều sâu khai thác hợp lý cho các mỏ đá đang khai thác Chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng nằm dưới mức thoát nước tự chảy tối đa là bằng chiều sâu mỏ tính theo điều kiện kỹ thuật. Để xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ đá xây dựng cần phải tiến hành tính toán hàng loạt thông số. Các thông số này phụ thuộc vào chiều sâu của mỏ như khối lượng đá xây dựng, giá thành trung bình khai thác 1m3 đá xây dựng và cũng là cơ sở để thực hiện hàm mục tiêu (3.1) đã đặt ra khi kích thước biên giới trên của mỏ đã biết. 3.4.1. Xác định khối lượng lớp đất phủ , Khi chiều rộng mặt mỏ Bm, chiều dài mặt mỏ Lm chiều dày lớp đất phủ h0, góc ổn định của sườn tầng đất phủ  (Hình 3.4). Khối lượng lớp đất phủ trong biên giới mỏ bằng:
58 Bm .Lm B0 .L0  3 Vp = h , m (3.4) 2 0 Trong đó: B0 - Chiều rộng đáy lớp đất phủ hay chiều rộng mặt mỏ theo đá xây dựng, m B0 = Bm - 2h0ctg  = Bm - K3h0, m (3.5) L0 -Chiều dài đáy lớp đất phủ hay chiều dài mặt mỏ tính theo đá xây dựng, m L0 = Lm - 2h0ctg = Lm - K3h0, m (3.6) Trong đó K3 = 2ctg Thay (3.5) và (3.6) vào (3.4) ta có: 2 2 3 3 Vp = BmLmh0 - 0,5K3(Bm+Lm)ho +0,5K3 h0 , m (3.7) K3 = 2ctg Khi mặt đất phủ có dạng gần tròn trong bình đồ, cũng bằng phương pháp tương tự, khối lượng đất phủ được tính theo biểu thức: ' 2 2 3 3 V p = (Rm h0 - 0,5K3Rmh0 + 0,25K3h0 ), m (3.8) Trong đó: S m Rm = - Bán kính quy đổi của mặt mỏ; 2 Sm - Diện tích mặt mỏ, m . Hình 3.4: Sơ đồ xác định khối lượng đất phủ
59 3.4.2. Xác định khối lượng đá xây dựng 3.4.2.1. Xác định khối lượng đá xây dựng khi mặt mỏ có dạng hình chữ nhật Giả sử mặt mỏ đá xây dựng có chiều rộng là Bm, chiều dài Lm xem hình (3.5), chiều dày lớp đất phủ h0, còn chiều sâu mỏ tiến hành khai thác x, thì khối lượng đá xây dựng trong biên giới mỏ được xác định theo biểu thức: So Sod S0 .Sod  3 Vxd = x , m (3.9) 3 Trong đó: 2 So = BoLo - Diện tích mặt mỏ tính theo đá xây dựng, m ; Lo và Bo - Chiều dài và chiều rộng mặt mỏ tính theo đá xây dựng, m; 2 Sod = BodLod - Diện tích đáy mỏ khi khai thác đến chiều sâu x, m (Hình 3.5); Bo=Bm-2h0ctg  ; Lo=Lm-2h0ctg ; Bod=Bo-(ctg 1 +ctg 2 )x; Lod=Lo-2ctg dx (3.10) Từ biểu thức (3.10) qua một vài phép biến đổi, các diện tích So và Sod được tính như sau: 2 2 2 So = BoLo = BmLm - 2h0ctg (Bm+Lm) + 4h0 ctg , m 2 2 2 Hay So = Sm - 0,5K3Pmh0 + K3 h0 , m (3.11) Trong đó: 2 Sm - Diện tích mặt mỏ, m ; Pm - Chu vi mặt mỏ, m; K3 = 2ctg . Sod = So - x [2ctg dBm+(ctg + ctg )Lm - 4h0ctg .ctg d - 2(ctg + 2 2 ctg )h0ctg ] + 2(ctg + ctg )ctg dx , m (3.12) 2 2 Hay Sod = So - x [K2Bm + K1Lm - h0(K2K3 + K1K3)] + K0(x) , m (3.13) Trong đó: K1 = (ctg + ctg );
60 K2 = 2ctg d; K0 = K1K2. 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 3.4.2.2. Xác định khối lượng đá xây dựng khi mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ Khối lượng đá xây dựng được khai thác đến chiều sâu x, trong trường hợp này cũng tính theo công thức tương tự như (3.9). ' ' ' ' ' So Sod So .Sod  3 V xd = x , m (3.14) 3 k Trong đó: ' 2 S o - Diện tích mặt mỏ tính theo đá xây dựng, m ; ' 2 2 2 2 2 S o = Ro = (Rm - h0ctg  ) = (Rm - h0 ctg - 2Rmh0ctg ) ' 2 2 2 S o = Sm + 0,785K3 h0 - 0,5K3Pmh0, m (3.15) ' 2 S od - Diện tích đáy mỏ tại chiều sâu khai thác x, m ' 2 2 2 S od = Rod = (Ro - xctg ) , m (3.16) Trong đó: Ro - Bán kính quy đổi mặt mỏ tính theo đá xây dựng, m; Rod - Bán kính đáy mỏ tại chiều sâu mỏ x, m; - Góc dốc trung bình bờ mỏ, độ. Ro = Rm - h0ctg , m (3.17)
61 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 Thay biểu thức (3.17) vào biểu thức (3.16) và tiến hành triển khai ta được: ' 2 2 2 2 2 S od = Rm + h0 ctg  -2 Rmh0ctg + x ctg - 2 x(Rm ctg - h0ctg ctg ) Đặt K6 = ctg ctg và qua một vài phép biến đổi ta có: 2 ' 2 2 K 5 2 K 5 S od = Sm +0,785K3 h0 -0,5PmK3h0+12,56 2 (x) -2 Pmx + 6,28K6h0x K 3 K 3 ' ' 2 2 Hay S od = S o + 12,56 x - 2 Pmx + 6,28K6h0) x, m (3.18) 3.4.3. Xác định chi phí khai thác và chế biến đá xây dựng Chi phí để khai thác và chế biến 1m3 đá xây dựng (tính cho nguyên khối) bao gồm: chi phí khoan nổ mìn (Ckn), xúc bốc (Cxb), vận tải (Cvt), nghiền sàng (Cns), thoát nước (Ctn), đền bù đất đai (Cdm), bảo vệ môi trường (Cmt), tiền đấu giá để được quyền khai thác (Cg), các loại thuế và phí (Ctp), chi phí quản lý (Cql) và chi phí khác (Ck). 3 Cxd = Ckn+Cxb+Cvt+Cns+Ctn+Cdm+Cmt+Cg+Ctp+Cql+Ck, đ/m (3.19) Như đã phân tích ở mục 2.2 của chương II, giá thành khâu khoan nổ, xúc bốc, nghiền sàng trong xác định chiều sâu khai thác hợp lý của mỏ có thể lấy theo số liệu thực tế của khu mỏ có chọn lọc ở mức độ kỹ thuật khai thác tiên tiến trung bình. Ngoài ra các chi phí sau đây cũng có thể coi là không thay đổi như chi phí bảo vệ môi trường, tiền đấu giá để được quyền khai thác (phí này phụ thuộc vào
62 khối lượng đá được khai thác, loại khoáng sản và chất lượng của chúng, vị trí địa lý của mỏ và một số yếu tố khác) do cấp có thẩm quyền quy định, các loại thuế và phí, chi phí quản lý và chi phí khác. 3 Nếu gọi Ckt là tổng các chi phí tính cho 1m đá xây dựng không phụ thuộc hoặc ít phụ thuộc vào chiều sâu khai thác thì: 3 Ckt = Ckn+Cxb+Cns+Cmt+Cg+Ctp+Cql+Ck, đ/m (3.20) Các chi phí khác phụ thuộc vào chiều sâu khai thác ký hiệu là Ctd và bao gồm như sau: a. Chi phí vận tải 3 Chi phí vận tải 1m đá xây dựng phụ thuộc vào khoảng cách vận tải Lvt (m) 3 và cước vận tải Sc (đ/m .km). Nó được xác định trên cơ sở biểu thức (2.15) nếu mặt mỏ có dạng hình chữ nhật: Lvt .Sc K d K d Sc 3 Cvt = = {0,5[Bm+Lm+h0( K )+x( K )]+L} , đ/m (3.21) 1000 i 3 i 4 1000 Và biểu thức (2.17) nếu mặt mỏ có dạng gần tròn trong bình đồ: ' K d K d 3 Cvt= ={0,5 Bm+0,5h0( 0,25 K )+0,5x( 0,25 K )]+L} ,đ/m (3.22) i 3 i 4 b. Chi phí thoát nước Chi phí thoát nước phụ thuộc vào lượng nước mưa và lượng nước ngầm chảy vào mỏ cũng như công để bơm chúng ra khỏi mỏ. Chi phí bơm nước ra khỏi mỏ được xác định trên cơ sở biểu thức (2.22). Sm F (x h0 ) 3 Ctnm = . .Cbn , đ/m (3.23) Ad 2 Chi phí thoát nước ngầm phụ thuộc vào công để bơm lượng nước ngầm khi 3 3 khai thác 1m đá xây dựng và chi phí để bơm 1m nước lên cao 1m (Cbn), được xác định trên cơ sở biểu thức (2.26). 365.q0 x h0 3 Ctnn = . . Cbn, đ/m (3.24) Ad 2 Trị số q0 được xác định theo biểu thức (2.27) hay (2.31)