Tóm tắt:
Bài báo trình bày một vài nét về phương pháp xác định biên giới kết thúc khai trường của các dự án đầu tư khai thác các mỏ than lộ thiên thuộc TKV trong những năm qua và khái quát về phương pháp xác định biên giới mỏ lộ thiên trên thế giới, tác giả đề xuất 2 phương pháp xác định biên giới kết thúc khai trường hợp lý cho các mỏ than lộ thiên của Tập đoàn TKV, trong đó phương pháp đồ thị là hợp lý nhất.
1. Một vài nét về phương pháp xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên của các dự án đầu tư
Các dự án đầu tư khai thác các mỏ Cọc Sáu; Đèo Nai; Cao Sơn; Khe Chàm II (LT); Bắc Bàng Danh, Hà Tu đã được phê duyệt đều xác định biên giới mỏ theo 2 nguyên tắc:
- Tận dụng tối đa tài nguyên bằng phương pháp khai thác lộ thiên.
- Khai thác lộ thiên có hiệu quả kinh tế đảm bảo 2 điều kiện:
Kbg £ Kgh
Ktb £ Kgh
Trong đó: Kbg, Ktb, Kgh – tương ứng là hệ số bóc biên giới, hệ số bóc trung bình và hệ số bóc giới hạn.
Với nguyên tắc tận thu tối đa tài nguyên bằng phương pháp khai thác lộ thiên sử dụng điều kiện Ktb £ Kgh khi không có đất bóc xây dựng cơ bản là hợp lý. Tuy nhiên, kèm theo điều kiện Kbg £ Kgh là không hợp lý, đặc biệt đối với các mỏ vỉa có cấu tạo dạng động tụ như Cao Sơn, mỏ Khe Chàm II (LT).
Về phương pháp, các dự án đều sử dụng phương pháp phương án, bằng cách xây dựng 2¸3 phương án biên giới mỏ, thậm chí có dự án xây dựng tới 5¸6 phương án, sau đó chọn phương án có hệ số bóc Kbg và Ktb nhỏ hơn hệ số bóc giới hạn Kgh. Phương pháp này mặc dù cũng đã tốn nhiều thời gian và công sức nhưng độ chính xác vẫn không cao, nhất là đối với các mỏ vỉa có dạng đơn tà.
2. Khái quát về phương pháp xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên trên thế giới
Về tổng thể sự phát triển các ý tưởng khoa học trong lĩnh vực xác định biên giới mỏ lộ thiên có thể chia ra hai giai đoạn lớn [1].
Trước năm 1960 có sự hoàn thiện và phát triển các phương pháp có từ năm 1920-1930 trong việc so sánh sơ bộ hệ số bóc giới hạn tính toán với hệ số bóc có được khi xác định biên giới mỏ (trung bình, biên giới, v.v...).
Ở cuối những năm 50-60 việc phát triển các phương pháp dựa vào phân tích hiệu quả vốn đầu tư, chế độ công tác bóc đất đá, dựa vào tiến bộ kỹ thuật sử dụng máy tính điện tử.
Ngay trong những năm 20 của thế kỷ trước đã đề xuất ba nguyên tắc xác định biên giới mỏ lộ thiên như sau:
Kgh ≥ Ktb (A.Y. Schiesencô, Y.A. Kuznhetxôp). (1)
Kgh ≥ Kbg (X.Y. Piliapxki, Y.A. Kuznhetxôp, P.Y. Gôrơchietxki). (2)
Kgh ≥ Ko + Kbg (X.Y. Piliapxki, Y.A. Kuznhetxôp). (3)
Trong đó: Ko là hệ số bóc ban đầu.
Trong khoảng 20 năm, các nguyên tắc này được hoàn thiện. Chính xác hoá lĩnh vực áp dụng chúng, chỉ ra các ưu điểm và nhược điểm. Thống nhất chúng thành nguyên tắc Ktb £ Kgh ≥ Kbg nhằm làm tăng độ tin cậy các tính toán.
Tới những năm 50 trên cơ sở các nghiên cứu tích luỹ kinh nghiệm lớn trong thiết kế và sản xuất mỏ lộ thiên đã chỉ ra sự thiếu tin cậy của các nguyên tắc này trong việc thiết kế các mỏ lớn. Vì quy luật thực tế phát triển công tác mỏ theo mức độ xuống sâu không phù hợp quy luật thay đổi hệ số bóc biên giới hay trung bình. Đồng thời cũng đã chỉ ra cả sự ảnh hưởng lớn đến các chỉ tiêu công tác mỏ, phương pháp mở vỉa và hướng phát triển công tác mỏ, đồng nghĩa với phương pháp hình thành không gian theo thời gian.
Trên cơ sở các kết quả đạt được, tới cuối những năm 60 đã phát triển thêm hai nguyên tắc mới xác định biên giới mỏ:
Kgh ≥ Kt (V.V. Rjepxki). (4)
Kgh ≥ Ko + Ksx (A.I. Arxenchev). (5)
Trong đó: Kt và Ksx – tương ứng là hệ số bóc thời gian và hệ số bóc sản xuất.
Những người thuộc trường phái sử dụng nguyên tắc thứ nhất (4) hiểu tính không đầy đủ của nguyên tắc này, kết hợp với các nguyên tắc đã biết và trong sự kết hợp này tìm cách nâng cao độ tin cậy của các tính toán.
Những người thuộc trường phái nguyên tắc thứ hai (5) nhận thấy rằng nguyên tắc này là tổng quát hơn và tất cả các nguyên tắc biết trước đây đều là những trường hợp cá biệt của nguyên tắc này.
Để làm rõ tính hợp lý của nguyên tắc (5) giáo sư A.I. Arxenchev – một trong những nhà khoa học mỏ hàng đầu của thế giới nói chung và của LB Nga nói riêng đã nghiên cứu và khảo sát sự phụ thuộc của độ sâu kết thúc mỏ lộ thiên Hk vào chiều dày vỉa M với số liệu ban đầu như sau: Chiều dày lớp đất phủ trên bề mặt vỉa than ho = 10 m, góc dốc bờ kết thúc của mỏ g = 40o, góc cắm của vỉa ß = 60o, góc dốc bờ công tác j = 15o, hệ số bóc giới hạn Kgh = 6 m3/m3.
Kết quả tính toán theo tất cả các nguyên tắc khác nhau và thành lập đồ thị được thể hiện ở hình 1.
Ngoài ra, tác giả cũng đã xác định được sự phụ thuộc của độ sâu kết thúc mỏ lộ thiên vào chiều dày lớp đất đá phủ ở phía trên ho đối với vỉa có chiều dày M = 50 m. Kết quả tính toán và thành lập đồ thị như được thể hiện ở hình 2.
Các kết quả trên cho thấy việc tính toán dựa trên các nguyên tắc Kgh ≥ Kbg và Kgh ≥ Kt trong phần lớn các trường hợp (với giá trị ho không lớn) cho giá trị độ sâu kết thúc mỏ lộ thiên giảm đi.
Vì điều này mà giá thành khoáng sản ở mỏ thiết kế thấp hay khả năng khai thác bằng phương pháp lộ thiên không được sử dụng hoàn toàn. Trong trường hợp chiều dày lớp phủ ho đáng kể, việc tính toán theo các nguyên tắc này có thể dẫn đến kết quả hoàn toàn không thể chấp nhận được. Khi đó giá thành khoáng sản thực tế có thể vượt giá thành cho phép, bởi vì các nguyên tắc này không kể đến chiều dày lớp đất đá phủ nằm phía trên bề mặt vỉa than.
Từ kết quả tính toán còn cho thấy, tại sao nguyên tắc Kgh ≥ Kbg trong một thời gian dài đáp ứng các nhà thiết kế, mặc dù không chính xác, trong phần lớn các trường hợp cho giá trị độ sâu kết thúc mỏ lộ thiên bị thu hẹp. Vì vậy mà mỏ có giá thành khoáng sản nhỏ hơn so với giá thành cho phép. Điều này giải thích ưu điểm công tác lộ thiên so với hầm lò mà không phải do sự không chính xác của các phương pháp tính toán biên giới mỏ.
Khi khai thác các khoáng sản dạng vỉa cắm dốc, tính toán theo nguyên tắc Kgh ≥ Ktb luôn cho giá trị độ sâu kết thúc mỏ lộ thiên tăng, tức là khả năng khai thác lộ thiên được tăng lên tối đa.
Khi tính toán theo nguyên tắc (5), giá thành khoáng sản thực tế không bao giờ vượt giá thành cho phép. Vì vậy biên giới mỏ lộ thiên có độ tin cậy cao hơn.
3. Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xác định biên giới kết thúc khai trường hợp lý cho các mỏ than lộ thiên của TKV
Như đã được trình bày ở trên, để xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên trong điều kiện các mỏ than của TKV khi phía dưới không còn tiến hành khai thác hầm lò và phù hợp với Luật Khoáng sản năm 2010 (tận thu tối đa tài nguyên trong lòng đất), đồng thời đảm bảo giá thành khai thác than thực tế không bao giờ vượt giá bán, tức là doanh nghiệp không bị lỗ trong quá trình sản xuất, ta cần áp dụng theo nguyên tắc (5) và có thể thực hiện theo các phương pháp như sau:
I. Phương pháp phương án
Phương pháp này được sử dụng phổ biến trong thời gian qua. Tuy nhiên, chỉ mới dừng lại ở mức độ là đưa ra từ 2¸3 phương án biên giới mỏ, sau đó chọn phương án có Kbg và Ktb nhỏ hơn Kgh nên độ chính xác không cao. Để nâng cao độ chính xác của phương pháp này cần thực hiện như sau:
1. Dự kiến một số phương án có biên giới mỏ khác nhau trên mặt cắt địa chất.
2. Trên cơ sở tính chất cơ lý của đất đá, cấu tạo địa chất và địa chất thủy văn của khoáng sàng, chiều cao bờ mỏ của phương án dự kiến, xác định góc nghiêng bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (bđ) (chọn sơ bộ, tính kiểm tra và điều chỉnh nếu cần).
3. Kiểm tra góc nghiêng bờ kết thúc theo điều kiện bố trí các tuyến đường vận chuyển trên các tầng kết thúc tùy thuộc vào sơ đồ mở vỉa đã chọn ((bvc). Trường hợp không thỏa mãn thì phải điều chỉnh cho góc bờ kết thúc khu vực bố trí tuyến đường vận chuyển giảm xuống cho phù hợp.
4. Xác định vị trí đổ thải, dự kiến cung độ vận tải đất đá và xác định sơ bộ hệ số bóc giới hạn Kgh hoặc dự kiến Kgh theo mỏ có điều kiện tương tự.
5. Trên cơ sở các phương án dự kiến trên mặt cắt, xác định trên bình đồ, thiết kế và tính toán xác định hệ số bóc trung bình Kbt theo các phương án.
6. Sử dụng nguyên tắc Kgh ≥ Ktbmax (Ktbmax hệ số bóc trung bình lớn nhất trong các phương án biên giới mỏ dự kiến) để xác định sơ bộ phương án biên giới mỏ.)
7. Trên cơ sở các thông số của HTKT và vị trí đổ thải đất đá đã chọn, tiến hành khảo sát khối lượng đất V, trữ lượng than nguyên khai quy đổi P và cung độ vận tải đất đá Lđ theo đợt của các phương án vị trí mở vỉa, hướng phát triển công trình mỏ và trình tự khai thác khác nhau.
8. Xây dựng biểu đồ CĐCT mỏ theo khối lượng vận tải tính bằng tkm M = f(P) với j = jmax theo các phương án đã khảo sát và lựa chọn phương án có vị trí mở vỉa, hướng phát triển công trình mỏ và trình tự khai thác hợp lý.
9. Xây dựng và phân tích biểu đồ CĐCT mỏ V = f(P) với j = jmax theo phương án được chọn để xác định hệ số bóc ban đầu Ko và hệ số bóc sản xuất (tính trung bình theo các thời kỳ công tác) Ksx.
10. Tính toán xác định hệ số bóc giới hạn Kgh.
11. Chọn phương án có biên giới mỏ hợp lý theo nguyên tắc Kgh ≥ Ko + Ksx.
Trường hợp không thỏa mãn điều kiện trên, cần tiến hành thực hiện lại từ bước thứ 6 với việc thay thế hệ số bóc trung bình của phương án có hệ số bóc trung bình nhỏ hơn và cận kề phương án có
Phương pháp này nhìn chung là phải xem xét nhiều phương án nên khối lượng công việc lớn, mất khá nhiều thời gian của người thiết kế.
II. Phương pháp đồ thị
Phương pháp đồ thị được thực hiện như sau:
Chọn một số phương án biên giới mỏ dự kiến. Đối với mỗi phương án, trên cơ sở vị trí mở vỉa, hướng phát triển công trình và trình tự khai thác đã chọn, các thông số của HTKT đã tính toán, tiến hành khảo sát khối lượng đất bóc (V), than khai thác (P) theo đợt xuống sâu và xây dựng biểu đồ V = f(P) với j = jmax. Mỗi phương án biên giới mỏ có 1 biểu đồ V = f(P) tương ứng. Trên biểu đồ V = f(P) ta xác định được hệ số bóc ban đầu Ko và hệ số bóc sản xuất Ksx.
Trên cơ sở Ko và Ksx của các phương án dự kiến, ta vẽ hệ trục tọa độ với trục tung là giá trị của hệ số bóc, trục hoành là chiều sâu của mỏ. Ứng với biên giới kết thúc (chiều sâu) của các phương án dự kiến đưa các kết quả tính toán Ko + Ksx lên đồ thị. Hoành độ điểm gặp nhau của 2 đường biểu diễn Ko + Ksx = f(H) và Kgh = const xác định biên giới kết thúc (chiều sâu) của mỏ lộ thiên (xem hình 3).
Từ kết quả nghiên cứu ở trên cho phép sử dụng nguyên tắc Ktbcp ≥ Ktb để xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên.
Trước hết ta xác định hệ số bóc trung bình cho phép theo công thức:
Khi l = 1 thì Ktbcp = Kgh.
Sau đó tính toán và vẽ lên đồ thị đường biểu diễn hệ số bóc trung bình phụ thuộc vào chiều sâu của mỏ Ktb = f(H).
Hoành độ của điểm giao nhau của nhánh ra của đường Ktb = f(H) và đường Ktbcp xác định biên giới kết thúc (chiều sâu) cần tìm của mỏ (xem hình 4).
Chính xác hơn, hệ số bóc trung bình cho phép Ktbcp cũng thay đổi theo chiều sâu, vì trong biểu thức tính Ktbcp có các tham số:
cũng thay đổi do trị số P (trữ lượng than nguyên khai quy đổi trong biên giới khai trường) và Ktb thay đổi theo độ sâu. Tuy nhiên, hệ số bóc trung bình cho phép
Ktbcp thay đổi không lớn lắm khi m và l (hệ số không đồng đều của công tác bóc đất đá) thay đổi, sai số đó nằm trong phạm vi cho phép nên Ktbcp có thể coi là một hằng số.
Như vậy, khi xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên theo phương pháp đồ thị mà vị trí mở vỉa, hướng phát triển công trình và trình tự khai thác mỏ đã được xác định là hợp lý thì cần phải thực hiện như sau:
1. Dự kiến một số phương án có biên giới mỏ khác nhau trên mặt cắt địa chất.
2. Trên cơ sở tính chất cơ lý của đất đá, cấu tạo địa chất và địa chất thủy văn của khoáng sàng, chiều cao bờ mỏ của phương án dự kiến, xác định góc nghiêng bờ kết thúc theo điều kiện ổn định (bđ) (chọn sơ bộ, tính kiểm tra và điều chỉnh nếu cần).
3. Kiểm tra góc nghiêng bờ kết thúc theo điều kiện bố trí các tuyến đường vận chuyển trên các tầng kết thúc tùy thuộc vào sơ đồ mở vỉa đã chọn ((bvc). Trường hợp không thỏa mãn thì phải điều chỉnh cho góc bờ kết thúc khu vực bố trí tuyến đường vận chuyển giảm xuống cho phù hợp.
4. Xác định vị trí đổ thải, dự kiến cung độ vận tải đất đá và xác định sơ bộ hệ số bóc giới hạn Kgh hoặc dự kiến Kgh theo mỏ có điều kiện tương tự.
5. Trên cơ sở các phương án dự kiến trên mặt cắt, xác định trên bình đồ, thiết kế và tính toán xác định hệ số bóc trung bình Kbt theo các phương án.
6. Trên cơ sở các thông số của HTKT và vị trí đổ thải đất đá đã chọn, tiến hành khảo sát khối lượng đất V, trữ lượng than nguyên khai quy đổi P và cung độ vận tải đất đá Lđ theo đợt của các phương án vị trí mở vỉa, hướng phát triển công trình mỏ và trình tự khai thác khác nhau.
7. Xây dựng và phân tích biểu đồ CĐCT mỏ V = f(P) với j = jmax để xác định hệ số bóc ban đầu Ko và hệ số bóc sản xuất (tính trung bình theo các thời kỳ công tác) Ksx theo các phương án biên giới mỏ đã dự kiến.
8. Tính toán xác định hệ số bóc giới hạn Kgh.
9. Xây dựng biểu đồ xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Kgh ≥ Ko + Ksx hoặc tính hệ số bóc trung bình của các phương án dự kiến và hệ số bóc trung bình cho phép rồi xây dựng biểu đồ xác định biên giới kết thúc mỏ lộ thiên theo nguyên tắc Ktbcp ≥ Ktb.
Phương pháp này có độ chính xác cao và sử dụng thuận lợi cho những người làm công tác thiết kế mỏ.
Ngoài ra, do tác động của yếu tố thời gian và tiến bộ khoa học công nghệ đối với các chỉ tiêu kinh tế, độ tin cậy của tài nguyên phần sâu chưa cao, giá bán khoáng sản trên thị trường có xu hướng tăng dần nhưng không ổn định, nên việc xác định biên giới mỏ hợp lý cho những mỏ lộ thiên có trữ lượng lớn và thời gian tồn tại lâu ta cần xác định cả biên giới triển vọng.
Thực tế cho thấy, biên giới kết thúc các mỏ than lộ thiên lớn của TKV như Cọc Sáu, Cao Sơn, Đèo Nai, Hà Tu, Núi Béo, v.v… đều được xác định tăng dần theo thời gian. Ví dụ đáy khu Thắng Lợi, mỏ Cọc Sáu chọn ở mức -120 m (Báo cáo NCKT năm 1991), mức -150 m (Báo cáo NCKT năm 1995), mức -210 m (Báo cáo NCKT năm 2004) và mức -375 m (DA ĐT năm 2008).
Đối với các mỏ phía dưới còn có thể tiếp tục tiến hành khai thác bằng phương pháp hầm lò thì sử dụng nguyên tắc đẳng lợi nhuận để xác định biên giới mỏ lộ thiên.
Tóm lại, các nguyên tắc cũng như phương pháp xác định biên giới kết thúc mỏ than lộ thiên được sử dụng trong các dự án đã được phê duyệt là chưa hoàn toàn hợp lý và độ chính xác chưa cao. Để khắc phục tình trạng đó và tận thu tối đa tài nguyên trong lòng đất, tác giả đã đề xuất sử dụng nguyên tắc Kgh ≥ Ko + Ksx và 2 phương pháp, trong đó phương pháp đồ thị là hợp lý nhất để xác định biên giới kết thúc khai thác cho các mỏ than lộ thiên của TKV.
Tài liệu tham khảo:
1 - Арсентьев А.И. (1995), Koнечные грaницы карьеров. Санкт-Петербург.
METHOD OF BORDER DETERMINATION, ENDING THE REASONABLE OPENING FOR OPEN - PIT COAL MINES OF VIETNAM COAL - MINERAL INDUSTRY CORPORATION Summary: The article presents a few features of the field boundary determination method of the open-pit coal mining investment projects of TKV in recent years and an overview of the border identification method. In open-pit coal mines in the world, the author proposes two methods to determine the reasonable end of the field for open-pit coal mines of TKV Group, in which the graph method is the most reasonable. |
TS. Lê Đức Phương, Viện KHCN Sáng tạo Việt Nam,
135 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội
