Nghiên cứu sử dụng vật liệu đất đá thải tại các mỏ than ở Cẩm Phả - Quảng Ninh và khả năng sử dụng chúng trong xây dựng đường ô tô

GS. TS. Phạm huy Khang

Trường Đại học Giao thông vận tải

PGS. TS. Nguyễn Hữu Trí

Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải

ThS. NCS. Đỗ Văn Thái

Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải

Người phản biện:

TS. Nguyễn Quang Phúc

TS. Nguyễn Trọng Hiệp

Tóm tắt: Bài báo trình bày những kết quả nghiên cứu khảo sát, thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu đất đá thải tại bãi đổ thải Đông Cao Sơn - Quảng Ninh, đồng thời đưa ra những nhận xét, đánh giá và đề xuất về khả năng sử dụng đất đá thải từ việc khai thác than lộ thiên ở nước ta trong xây dựng móng mặt đường ô tô.

Từ khóa: Đất đá thải, mỏ than, xây dựng đường ô tô.

Abstract: This paper presents the results of survey research, experimental mechanical indicators of tailings material at disposal East Cao Son, Quang Ninh and make comments, reviews and suggestions about the of using tailings from the open cast coal mining in our country in building motorways nail surface.

Keywords: Tailings, coal mines, construction of motorways.

1. Đặt vấn đề

Ở nước ta, nguồn tài nguyên than đá có trữ lượng rất lớn và chất lượng rất tốt, tập trung chủ yếu ở tỉnh Quảng Ninh, trong đó quần thể các mỏ than lại tập trung trọng điểm tại khu vực Cẩm Phả, Cửa Ông. Hiện nay, việc khai thác than ở đây vẫn áp dụng công nghệ khai thác lộ thiên. Để khai thác và tuyển chọn được 1m 3 than sạch thông thường phải bóc bỏ đổ đi 8 - 12m 3 đất đá thải. Theo thống kê, trữ lượng đất đá thải tiềm tích từ khai thác than khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh tính đến hết năm 2012 đã vào khoảng 3,7 tỷ m 3 và dự tính trong giai đoạn 2013 - 2020, khối lượng đất đá thải của vùng Quảng Ninh tiếp tục gia tăng khoảng 1,6 tỷ m 3 . Khu vực lân cận như Mạo Khê, Uông Bí, Cẩm Phả đất đá thải dồn thành các bãi chứa chất cao như núi. Đường vào các bãi thải mưa thì lầy lội, nắng thì bụi đất đá than bay dày đặc, gây nên tình trạng ô nhiễm môi trường đến mức quá báo động. Nỗi lo của cư dân sống quanh khu vực chưa lúc nào nguôi, nhất là khi mùa mưa đến, hiện tượng sụt lở núi đất đá thải luôn rình rập, vùi lấp công trình, nhà cửa và gây tai họa chết người.

Trong những năm gần đây, Tập đoàn Công nghiệp Than khoáng sản Việt Nam đã cho quy hoạch các bãi đổ thải để tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ lân cận về một mối, trong đó có các mỏ như: Đông Cao Sơn, Bàng Nâu, Nam Khe Tam và Đông Khe Sim, có thể chứa trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Tình trạng ô nhiễm môi trường đã có phần được cải thiện, tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay vẫn chưa có được một giải pháp tổng thể khả thi nào cho việc ngăn chặn hệ lụy từ các bãi đổ thải do việc khai thác than lộ thiên tại Quảng Ninh.

Nghiên cứu khả năng sử dụng đất đá thải tại các mỏ than ở Quảng Ninh như là một nguồn vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô là một trong những đề tài có hướng đi đúng, khả thi, góp phần vào việc bảo vệ môi trường cho khu vực Cẩm Phả, Cửa Ông, tỉnh Quảng Ninh, đồng thời đáp ứng yêu cầu về tận dụng và tiết kiệm tài nguyên cho đất nước.

2. Kết quả điều tra khảo sát tại hiện trường

Tại vùng than Cẩm Phả - Quảng Ninh, bãi thải Đông Cao Sơn là bãi thải được quy hoạch có sức chứa lớn nhất, ước tính lên đến 295 triệu m 3 , là nơi tập trung thu gom đất đá thải từ các mỏ than lộ thiên lân cận như: Đèo Nai, Cao Sơn, Cọc Sáu, Khe Chàm II và Đông Đá Mài, chiếm trên 94% tổng khối lượng đất đá thải toàn vùng. Hiện nay, bãi thải Đông Cao Sơn trong giai đoạn vận hành với công suất rất cao, hàng ngày các xe vận chuyển siêu trọng liên tục nối đuôi nhau ra vào đổ thải. Tại bãi đổ thải, đất đá thải thu gom đổ chất thành núi cao, thường từ 60 đến 150m, có nơi rất cao khoảng 250m so với mặt nước biển

2.1. Đặc điểm chung của bãi thải Đông Cao Sơn

- Vật liệu đất, đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn vùng than Cẩm Phả - Quảng Ninh là sản phẩm thừa của quá trình khai thác và tuyển chọn than. Thành phần chủ yếu của đất đá thải là từ công nghệ nổ mìn thi công bao gồm chủ yếu các loại đá phong hóa (cát kết, bột kết, sét kết) có độ bền cơ học không cao và lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề mặt của tầng phủ, ước chiếm khoảng 10% tổng số vật liệu thải. Đất đá thải có nhiều cỡ hạt khác nhau, thay đổi từ dạng hạt bụi đến cát, dăm sạn rồi đến các loại đá cục và đá tảng (Hình 2.1).

Hình 2.1: Vật liệu đất, đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn

- Sự phân bố đất đá trong bãi thải nói chung là không đồng đều. Tuy nhiên, do động năng của các hạt đất đá thải khi rơi xuống từ xe vận chuyển và từ khâu san gạt nên từ mặt bãi thải xuống độ sâu 1,5m tập trung chủ yếu các loại đá có kích cỡ nhỏ (bụi lắng, cát, dăm sỏi), tỷ lệ các hạt đá có kích thước nhỏ hơn 15mm chiếm 40 - 50%. Dọc theo sườn dốc trở xuống, tỷ lệ các hạt đá có kích thước nhỏ giảm dần, đến khoảng giữa sườn dốc của bãi thải tỷ lệ các hạt đá có kích thước hạt lớn hơn 500mm chiếm trên 60%. Những tảng đá có đường kính lớn tập trung ở phía dưới sườn dốc. Khi xuống dưới chân bãi thải các tảng đá to thường lăn cách chân bãi một khoảng cách nhất định. Khu vực sát chân bãi thường là các loại đá có kích thước lớn hơn 800mm.

- Do quy trình đổ thải là từ trên cao xuống nên đất đá hạt nhỏ thường tập trung ở phía trên, cỡ hạt lớn tập trung dưới chân bãi thải. Những cỡ hạt rất lớn thường lăn xuống dưới chân bãi thải và tách xa chân bãi thải nên tạo cho bề mặt sườn bãi thải dạng lõm với độ dốc trung bình khoảng 30 0 - 40 0 (Hình 2.2).

Hình 2.2: Hình ảnh sườn dốc bãi thải Đông Cao Sơn

- Về thành phần khoáng hóa, thành phần khoáng hóa của đất đá thải ở bãi đổ thải Đông Cao Sơn khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh được dẫn ở Bảng 2.1 (Trích dẫn số liệu báo cáo tại Hội nghị khoa học thường niên 2014/SBN: (978-604-82-1388-06)).

Bảng 2.1. Thành phần khoáng hóa đất đá thải khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh

- Về thành phần thổ nhưỡng, trong quá trình khai thác, lớp đất phủ phía trên (đệ tứ) không được thu hồi lại mà thường đổ xuống phía dưới hoặc đổ lẫn đá thải nên bề mặt bãi thải rất nghèo chất dinh dưỡng và chua, ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phủ xanh bề mặt bãi thải.

2.2. Lựa chọn và lấy mẫu thí nghiệm

Bãi thải Đông Cao Sơn có quy mô rất lớn (rộng và cao), lại được hình thành trong nhiều năm và từ nhiều nguồn (mỏ than) khác nhau trong khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh. Để có đủ cơ sở khoa học cho việc đánh giá về khả năng tận dụng đất đá thải tại các mỏ than Quảng Ninh làm vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô đã tiến hành điều tra, phân tích và lập kế hoạch lấy “mẫu” một cách rất cẩn trọng. Mẫu lấy về để nghiên cứu thí nghiệm được lựa chọn dựa trên hai tiêu chí cơ bản sau: Thứ nhất, mẫu phải đại diện cho toàn bộ khu vực bãi thải và thứ hai là một lần lấy mẫu phải đủ khối lượng cho các nghiên cứu thí nghiệm phân loại và xác định các đặc trưng vật lý cơ học của vật liệu đất đá thải ở trạng thái “tự nhiên” cũng như của hỗn hợp vật liệu đất đá thải sau khi được gia công lại hoặc gia cố với các chất kết dính khác nhau.

Sau khi khảo sát thực tế tại hiện trường đã tiến hành lựa chọn lấy hai “mẫu đại diện” tương ứng với các tham số chính về độ cao; vị trí mặt bằng bãi thải; vị trí trên sườn dốc và trong lòng bãi thải; thời điểm đổ thải; kích thước các cỡ hạt vật liệu (bằng mắt), nguồn gốc từ các mỏ khác nhau. Hai mẫu đại diện được ký hiệu là lần lượt là Mẫu 1 và Mẫu 2. Mẫu sau khi lấy tại hiện trường được, gắn thẻ, bảo quản và chuyển về Phòng Thí nghiệm công trình Giao thông LAS-XD72 thuộc Trường Đại học Công nghệ GTVT để phục vụ cho những thí nghiệm và nghiên cứu tiếp theo.

Hình 2.3: Lấy mẫu thí nghiệm tại bãi thải Đông Cao Sơn

3. Kết quả nghiên cứu thí nghiệm

Từ các mẫu lấy tại hiện trường đã tiến hành phân loại và thử nghiệm theo trình tự và yêu cầu của Đề cương nghiên cứu được định trước. Trong khuôn khổ bài báo chỉ dẫn ra các đặc trưng vật lý cơ học của vật liệu đất đá thải ở trạng thái “tự nhiên” tại bãi thải Đông Cao Sơn để phân tích đánh giá và đề xuất khả năng sử dụng đất đá thải trong xây dựng móng mặt đường ô tô.

3.1. Thành phần cỡ hạt của đất đá thải

Để phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo, thành phần cỡ hạt được chia làm 2 nhóm chính: Nhóm A có kích cỡ > 50mm; nhóm B có kích cỡ ≤ 50mm. Kết quả phân tích tỷ lệ phần trăm khối lượng mỗi nhóm trong tổng khối lượng của “mẫu đại diện” lấy tại bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.1.

Bảng 3.1. Khối lượng theo nhóm bãi thải Đông Cao Sơn

Loại có kích cỡ > 50mm lại được chia thành 3 cấp: Cấp a: >50 ¸ 100mm; cấp b: >100 ÷ 150mm; cấp c: > 150mm. Kết quả phân tích tỷ lệ phần trăm khối lượng mỗi cấp trong tổng khối lượng của nhóm I bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.2.

Bảng 3.2. Khối lượng theo cấp bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm A)

Loại có kích cỡ từ 50mm trở xuống được phân tích thành phần hạt theoTCVN 4198:2014. Kết quả phân tích thành phần cỡ hạt từ 50mm trở xuống của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.3.

Bảng 3.3. Thành phần cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn (nhóm B)

Tổng hợp phân loại các cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.4.

Bảng 3.4. Tổng hợp phân loại cỡ hạt của đất đá bãi thải Đông Cao Sơn

3.2. Chỉ số dẻo của đất (cỡ hạt nhỏ hơn 0,5mm)

Chỉ số dẻo của cỡ hạt nhỏ hơn 5mm được thí nghiệm theo TCVN 4197: 2012, kết quả thí nghiệm cho bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.5.

Bảng 3.5. Chỉ số dẻo của cỡ hạt nhỏ hơn 5mm của vật liệu bãi thải Đông Cao Sơn

3.3. Cường độ nén của đá gốc

Sử dụng đá tảng trong “mẫu đại diện” để thí nghiệm cường độ của đá gốc theo TCVN 7572-10:2006. Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén đá gốc của bãi thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.6.

3.4. Độ hao mòn LosAngeles

Sử dụng vật liệu đá từ “mẫu đại diện” để thí nghiệm độ hao mòn Los Angeles của đá (gốc) theo TCVN 7572-1:2006. Kết quả thí nghiệm độ hao mòn Los Angeles của bãi đổ thải Đông Cao Sơn dẫn ở Bảng 3.6.

Bảng 3.6. Cường độ chịu nén đá gốc và độ hao mòn Los Angeles của bãi đổ thải Đông Cao Sơn

3.5. Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn

Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn đất đá thải theo 22 TCN 333 - 06 phương pháp II-D đối với vật liệu tại bãi đổ thải Đông Cao Sơn như dẫn ở Bảng 3.7.

Bảng 3.7. Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn đất đá thải bãi thải Đông Cao Sơn

3.6. Thí nghiệm CBR

Kết quả thí nghiệm chỉ số CBR của đất đá thải theo TCVN 8821:2011 đối với vật liệu đổ thải bãi thải Đông Cao Sơn như dẫn ở Bảng 3.8.

Bảng 3.8. Kết quả thí nghiệm chỉ số CBR vật liệu đổ thải Đông Cao Sơn

4. Phân tích, đánh giá và đề xuất

Trên cơ sở các kết quả khảo sát, thí nghiệm tại các mỏ khai thác than Quảng Ninh và đối chiếu với các yêu cầu về vật liệu dùng trong xây dựng đường ô tô, nhóm nghiên cứu đề xuất một số hướng sử dụng đất đá thải trong xây dựng nền móng đường ô tô như sau:

4.1. Sử dụng trực tiếp để đắp nền đường ô tô

- Trong Tiêu chuẩn quốc gia “Nền đường ô tô - Thi công và nghiệm thu - TCVN 9436:2012”, quy định vật liệu đắp nền đường không được sử dụng trực tiếp các loại đất bùn, đất than bùn; đất mùn lẫn hữu cơ có thành phần hữu cơ quá 10,0%, đất có lẫn cỏ và rễ cây, lẫn rác thải sinh hoạt; đất lẫn muối; đất sét có độ trương nở cao. Chỉ số CBR từ 8% đến 3%. Kích cỡ hạt lớn nhất của các hạt sỏi cuội, đá lẫn trong đất 100mm cho phép đắp trong phạm vi khu vực tác dụng của nền đường và là 150mm khi đắp phạm vi dưới khu vực tác dụng. Cường độ chịu nén của đá trên 20Mpa.

- Như vậy, đối chiếu yêu cầu kỹ thuật trong TCVN 9436:2012 vật liệu đất đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn hoàn toàn có thể dùng để đắp nền đường với những lưu ý sau:

+ Trước khi sử dụng đất đá thải để đắp nền đường trong phạm khu vực tác dụng của nền đường (80 - 100cm) cần loại bỏ những đá lẫn trong đất đá thải có kích cỡ lớn hơn 100mm; dưới khu vực tác dụng của nền đường cần loại bỏ những đá có kích cỡ lớn hơn 150mm.

+ Cần thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn trong phòng thí nghiệm để làm cơ sở kiểm tra độ chặt tại hiện trường và cần phải tổ chức thi công thí điểm về thiết bị và công đầm nén để nền đường đạt được độ chặt.

- Những loại đất đá thải có lẫn đá có kích thước lớn hơn 100mm dùng cho đắp trong khu vực tác dụng của nền đường và những loại lớn hơn 150mm dùng cho đắp ngoài khu vực tác dụng của nền đường sẽ được tiếp tục nghiên cứu ở phần tiếp theo.

4.2. Sử dụng trực tiếp làm móng, mặt đường ô tô

Ở đây, vật liệu đất đá tại bãi thải Đông Cao Sơn được quan niệm và đối xử như là một loại cấp phối thiên nhiên (CPTN), không có gia công hoặc xử lý gì thêm mà sử dụng trực tiếp để làm móng đường ô tô các loại hoặc mặt đường cấp phối.

- Trong tiêu chuẩn quốc gia “Lớp kết cấu áo đường ô tô bằng cấp phối thiên nhiên - Vật liệu, thi công và nghiệm thu - TCVN 8857:2011”, yêu cầu về về Chỉ số dẻo (PI) nhỏ hơn hoặc bằng 12%; chỉ số LA nhỏ hơn hoặc bằng 50%; chỉ số CBR lớn hơn hoặc bằng 30% và thành phần hạt vật liệu cấp phối thiên nhiên phải nằm trong vùng giới hạn của đường bao cấp phối quy định ở Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Yêu cầu về thành phần hạt của vật liệu cấp phối thiên nhiên

- Như vậy, vật liệu đất đá của bãi thải sau Đông Cao Sơn sau khi loại bỏ đá có kích cỡ lớn hơn 50mm hoàn toàn có dùng để xây dựng móng đường ô tô hoặc làm mặt đường cấp thấp (mặt đường cấp phối) tùy theo các chỉ tiêu về PI, LA, CBR tương ứng. Những loại có kích cỡ lớn hơn 50mm đến 100mm dùng trực tiếp để làm móng đường ô tô sẽ được tiếp tục nghiên cứu ở phần tiếp theo.

4.3. Làm móng mặt đường đường ô tô sau khi gia cố với xi măng

Đề xuất này với quan niệm đất đá tại bãi thải Đông Cao Sơn được coi là một loại CPTN, sau khi đã chọn lọc và gia cố với xi măng để làm móng đường ô tô các loại hoặc mặt đường cấp thấp.

- Trong tiêu chuẩn quốc gia “Móng cấp phối đá dăm và cấp phối thiên nhiên gia cố xi măng trong kết cấu áo đường ô tô - Thi công và nghiệm - TCVN 8858:2011”, có thể sử dụng các loại CPTN ở Bảng 4.1 để gia cố xi măng làm lớp móng dưới cho mọi kết cấu áo đường cứng hoặc mềm và chỉ nên sử dụng chúng làm lớp móng trên cho mặt đường từ đường cấp III trở xuống với các yêu cầu sau:

+ Khi dùng làm lớp móng trên nên sử dụng CPTN có lượng lọt sàng trên 90%;

+ Các loại CPTN loại B và C cũng có thể gia cố xi măng để làm lớp mặt trên có láng nhựa cho kết cấu áo đường cấp cao A2;

+ Khi CPTN dùng để gia cố xi măng làm lớp móng trên yêu cầu chỉ tiêu Los Angeles (LA) không vượt quá 35%, trường hợp dùng làm lớp móng dưới (không trực tiếp với tầng mặt của lớp kết cấu áo đường) yêu cầu không vượt quá 45%;

+ Hỗn hợp cấp phối phải có hàm lượng tạp chất hữu cơ không được vượt quá 2%, hàm lượng muối Sunfát không được quá 0,25%, chỉ số dẻo phải nhỏ hơn 6% (với CPTN cho phép chỉ số dẻo ≤ 12) và tỷ lệ thoi dẹt xác định theo TCVN 7572-13:2006 không được quá 18%;

- Từ kết quả thí nghiệm, đối chiếu với yêu cầu trong TCVN 8857:2011 và TCVN 8858:2011, vật liệu đất đá bãi thải Đông Cao Sơn sau khi loại bỏ đá có kích cỡ lớn hơn 37,5mm hoàn toàn có dùng để gia cố với xi măng để xây dựng móng đường ô tô hoặc làm mặt đường GTNT với điều kiện phải có láng nhựa đường 2 lớp theo TCVN 8863:2011.

- Kết quả thử nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cố đất đá bãi thải Đông Cao Sơn bằng xi măng để làm móng đường ô tô sẽ được tiếp tục nghiên cứu ở phần tiếp theo.

Ngoài ra,hoàn toàn có thể tận dụng những loại đá có kích cỡ lớn (lớn hơn 50mm) của bãi thải Đông Cao Sơn như là một nguồn vật liệu đá để tiếp tục tuyển chọn và gia công, nghiền sàng thành các loại đá hộc, cấp phối đá dăm dùng trong xây dựng đường ô tô.

5. Kết luận

Qua kết quả nghiên cứu bước đầu và những phân tích trên đây có thể rút ra những kết luận bước đầu sau đây:

- Đất đá thải từ khai thác than ở Quảng Ninh có trữ lượng rất lớn và hàng năm lại tăng thêm nhưng vẫn chưa có những nghiên cứu thỏa đáng và triệt để khắc phục tình trạng gây ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên thiên nhiên ở nơi đây;

- Kết quả khảo sát và thí nghiệm đất đá thải tại bãi thải Đông Cao Sơn đã chỉ ra rằng hoàn toàn có thể sử dụng nguồn vật liệu này trong xây dựng nền móng đường ô tô;

- Đã đề xuất sử dụng đất đá thải từ các mỏ than ở Quảng Ninh theo hướng: (1) Dùng làm vật liệu san lấp mặt bằng; (2) Dùng đá to làm nguồn vật liệu để sản xuất các loại đá thành phẩm dùng trong xây dựng nói chung, trong đó có xây dựng đường ô tô; (3) Dùng đất đá thải có kích cỡ 150mm trở xuống để đắp nền đường ô tô; (1) Dùng đất đá thải có kích cỡ khoảng 50mm trở xuống gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô; (4) Dùng đất đá thải có kích cỡ khoảng 37,5mm trở xuống gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô hoặc mặt đường GTNT;

- Tiếp tục bổ sung các nghiên cứu làm rõ hiệu quả kinh tế kỹ thuật của giải pháp gia cố đất đá thải bằng xi măng dùng trong xây dựng móng đường ô tô;

- Nghiên cứu khả năng sử dụng đất đá thải tại các mỏ than ở Quảng Ninh như là một nguồn vật liệu dùng trong xây dựng đường tô là một trong những đề tài có hướng đi đúng, khả thi, góp phần vào việc bảo vệ môi trường cho khu vực Quảng Ninh, đồng thời tiết kiệm được tài nguyên cho đất nước.

Tài liệu tham khảo

[1]. Báo cáo tổng kết đề tài “Tuyển chọn một số loài cây và kỹ thuật gây trồng để cố định các bãi thải ở các mỏ than vùng Đông Bắc”.

[2]. Quy hoạch phát triển ngành Than Việt Nam đến năm 2020, có xét triển vọng đến năm 2030 theo Quyết định 60/QĐ-TTg phê duyệt năm 2012.

[3]. TS. Nguyễn Anh Tuấn, ThS. Hoàng Minh Hùng và nnk (2010), Nghiên cứu sản xuất vật liệu xây dựng từ sít thải các nhà máy tuyển than, Thông tin Khoa học công nghệ mỏ, số 1+2.

[4]. ThS. NCS. Đỗ Văn Thái, Báo cáo tổng quan đề tài NCS “Nghiên cứu sử dụng đá thải tại các mỏ than tỉnh Quảng Ninh gia cố chất kết dính vô cơ làm móng đường ô tô”.

Huy Khang - Hữu Trí - Văn Thái