MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, ở nước ta đã đưa nhiều mỏ
sét vào khai thác để phục vụ công nghiệp sản xuất xi măng, gốm sứ và gạch tuy
nen. Có thể kể ra đây một vài mỏ đã được khai thác với quy mô công nghiệp. Ở
huyện Kiến Lương, tỉnh An Giang có hai mỏ của các Công ty Xi măng Sao Mai và Hà
Tiên I. Ở Trúc Thôn, tỉnh Hải Dương có hai mỏ của Công ty Gang thép Thái Nguyên
và sắp tới có hai mỏ của Công ty Nguyên liệu thuộc Tổng công ty Thuỷ tinh và Gốm
xây dựng sẽ đưa vào hoạt động.
Các mỏ trên tuy ở xa nhau nhưng về địa chất thuỷ văn
có chung một đặc điểm là thế nằm của lớp sét nằm ngang, gần mặt đất và phủ lên
trên tầng chứa nước có áp với thành phần đất đá chứa nước là cát lẫn sạn. Do có
những đặc điểm trên, nên sét được khai thác bằng phương pháp lộ thiên và khi lập
báo cáo khả thi khai thác mỏ luôn phải cân nhắc giữa hai vấn đề phòng và chống
bục nước qua đáy moong từ tầng chứa nước có áp bên dưới.
I. NGUYÊN TẮC
CƠ BẢN KHI LỰA CHỌN BIỆN PHÁP PHÒNG HAY CHỐNG BỤC NƯỚC QUA ĐÁY MOONG
Để phòng ngừa quá trình bục nước qua đáy moong từ
tầng chứa nước có áp nằm dưới khi khai thác sét phải để lại một lớp bảo vệ với
bề dày nhất định. Lớp đó còn được gọi là trụ bảo vệ.
Trong trường hợp không có trụ bảo vệ hoặc tính sai
trụ bảo vệ, nước từ tầng chứa nước có áp sẽ bục qua đáy vào moong. Khi đó phải
tìm biện pháp để thoát nước khỏi moong hay chống lại quá trình bục nước.
Việc quyết định để lại hay bỏ trụ bảo vệ phải được
tính toán cân nhắc giữa lợi nhuận thu được từ khai thác trữ lượng sét phải để
lại làm trụ bảo vệ và chi phí để thực thi biện pháp tháo khô mỏ. Nếu không để
trụ bảo vệ thì sản lượng khai thác sét và đi liền là hiệu quả kinh tế sẽ tăng,
nhưng lại phải chi phí để tháo khô nước bục qua đáy. Ngược lại, để trụ bảo vệ
thì sản lượng khai thác sẽ giảm, bù lại, không phải tiêu tốn để thoát nước mỏ.
Như vậy, trong trường hợp này, nguyên tắc cơ bản khi lựa chọn biện pháp phòng
hay chống bục nước là hiệu quả kinh tế và tính hợp lý khi khai thác tài nguyên.
Trong trường hợp lớp sét dày, phân bố rộng, gần mặt
đất, lớp phủ sẽ phải bóc bỏ mỏng, tầng chứa nước có áp nằm dưới có bề dày và áp
lực thuỷ tĩnh lớn, phân bố rộng thì để lại trụ bảo vệ khi khai thác là hợp lý
nhất. Trong trường hợp này, để tăng sản lượng khai thác, hoàn toàn có thể phát
triển mỏ theo diện tích.
Trong trường hợp lớp sét mỏng lại nằm sâu dưới mặt
đất, nghĩa là lớp phủ phải bóc bỏ dày, tầng chứa nước có áp mỏng, phân bố hạn
hẹp, áp lực thuỷ tĩnh yếu, lượng nước dự báo bục qua đáy không lớn, khi khai
thác có thể không cần để trụ bảo vệ. Do lớp phủ phải bóc bỏ dày, nên hạn chế
phát triển mỏ theo diện tích, mở rộng theo chiều sâu để khai thác hết thân
khoáng sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn.
II. TÍNH TOÁN
TRỤ BẢO VỆ ĐỀ PHÒNG BỤC NƯỚC QUA ĐÁY MOONG
Động lực sinh ra hiện tượng bục nước qua đáy moong từ
các tầng chứa nước có áp nằm dưới là do áp lực đẩy nổi. Vấn đề này đã được đề
cập trong các công trình [1, 2, 4]. Để tránh hiện tượng này phải tạo thế cân
bằng giữa áp lực địa tĩnh và thuỷ tĩnh. Áp lực địa tĩnh có liên quan với chiều
dày của trụ bảo vệ và khối lượng thể tích tự nhiên của đất đá. Áp lực đẩy nổi
của nước phụ thuộc vào tỷ trọng của nước và áp lực dư trên mái tầng chứa nước.
Mối quan hệ trên được biểu diễn dưới dạng biểu thức:
t.gd = gn.(h +
t) (1)
DH = h + t (2)
trong đó:
gd - Khối lượng tự nhiên của đất; t - Bề dày của trụ
bảo vệ (xem Hình 1); gn -
Khối lượng riêng của nước; h - Chiều cao cột nước trên đáy moong; DH - áp lực dư trên mái tầng chứa nước.
Từ (1) dễ dàng xác định được bề dày của trụ bảo vệ:
(3)
III. TÍNH LƯU
LƯỢNG NƯỚC BỤC QUA ĐÁY MOONG KHI KHÔNG ĐỂ TRỤ BẢO VỆ
Vấn đề lượng nước bục qua đáy moong từ các tầng chứa
nước có áp đã được trình bày trong công trình [4]. Trong tính toán, moong khai
thác được xem là một “giếng lớn” có bán kính bằng bán kính của đáy moong. Nước
chỉ chảy qua đáy. Trong tính toán, đáy “giếng lớn” được xem là phẳng hoặc có
dạng bán cầu.
Khi đáy giếng phẳng, lưu lượng chảy qua đáy được xác
định theo công thức:
Q = 4r .
K . S (4)
Khi đáy giếng có dạng bán cầu, lưu lượng chảy qua đáy
được xác định theo công thức:
Q = 4pr . K . S (5)
Trong các công thức trên: Q - Lưu lượng của dòng thấm; S - Trị số hạ thấp mực nước trong
moong khi hạ thấp đến đáy lớp sét thì sẽ bằng áp lực dư trên mái của tầng chứa
nước có áp (S = DH); K - Hệ số thấm của tầng chứa nước có áp; r - Bán kính “giếng lớn”. Tuỳ
thuộc vào tỉ số giữa chiều dài (L) và chiều rộng (B) của moong có thể xác định r
theo các công thức:
khi L : B < 2 ¸ 3
(6)
khi L : B > 2
¸ 3 (7)
Trong trường hợp moong khai thác là một hình chữ nhật
có thể xác định r theo công thức Girinski [4]:
(8)
trong đó b: F - Diện tích của moong; P - Chu vi của
moong; h - Hệ số phụ thuộc vào tỉ số 
,
Khi = 0 ; 0,2 ; 0,4 tương ứng h = 1 ; 1,12 ; 1,16.
Khi ³ 0,6 thì h = 1,18.
IV. TÍNH TRỤ
BẢO VỆ VÀ LƯỢNG NƯỚC CHẢY VÀO MOONG KHAI THÁC SÉT Ở MỎ TRÚC THÔN, HẢI DƯƠNG
Như đã trình bày ở trên, Công ty Nguyên liệu thuộc
Tổng công ty Thuỷ tinh và Gốm xây dựng chuẩn bị mở 2 moong khai thác sét tại
Trúc Thôn. Moong I có diện tích 8,6 ha (86.000 m2), moong II - 21,4
ha (214.000 m2).
Trong khu mỏ Trúc Thôn, theo kết quả nghiên cứu của
Lê Đức Hoạt và Nguyễn Sơn Thủy [2], tồn tại 3 đơn vị chứa nước và cách nước:
1. Tầng chứa nước lỗ hổng
trong trầm tích Đệ tứ
Tầng chứa nước phân bố rất rộng trong khu mỏ và nằm
trực tiếp trên lớp sét cách nước của trầm tích Neogen, có thành phần là cát
thạch anh hạt nhỏ đến thô. Bề dày của tầng chứa nước thay đổi trong khoảng 2 -
13,8 m, trung bình 4,35 m. Chiều sâu mực nước tĩnh dao động trong phạm vi 0,00 -
3,17 m, trung bình 1,15 m. Hệ số thấm của cát chứa nước 0,9 - 1,326 m/ng, trung
bình 1,11 m/ng. Do bề dày của tầng chứa nước mỏng, nên lượng nước chảy vào moong
từ tầng này không đáng kể.
2. Lớp cách nước trong trầm
tích Neogen
Trong diện tích khu mỏ, lớp sét có diện phân bố khá
rộng. Trên cùng là sét màu vàng đến xám trắng, dày 1 - 8 m, trung bình 4,5 m.
Nằm giữa là sét có màu sặc sỡ, dày 2 - 9 m, trung bình 5,5 m. Dưới cùng là sét
màu xám phớt lục đến xám trắng, dày 2 - 7 m, trung bình 4,5 m.
Khối lượng tự nhiên của sét là 1,8 - 2,29 g/cm3, trung bình: 2,01 g/cm3.
Khối lượng riêng của sét là 2,64 - 2,78 g/cm3,
trung bình: 2,71 g/cm3. Bề dày chung của lớp sét là 2 - 23,5 m, trung
bình: 12,8 m.
3. Tầng chứa nước lỗ hổng
trong trầm tích Neogen
Đây là tầng chứa nước có áp, phân bố rộng trong khu
mỏ và là nguồn duy nhất sinh ra hiện tượng bục nước qua đáy moong. Đất đá chứa
nước là cát, sạn, sỏi và cát - bột, bột - cát. Bề dày của tầng chứa nước thay
đổi trong khoảng 5-10 m, trung bình 5,2 m. Cao trình mực áp lực (+1,52) -
(+5,56) m, trung bình: (+3,17) m. Cao trình mái tầng chứa nước (-17,42) -
(-7,24) m, trung bình: (-11,81) m. Như vậy, áp lực dư trên mái tầng chứa nước
trung bình là 14,98 m.
Từ kết quả hút nước thí nghiệm đã xác định được hệ số
thấm là 12,98 - 102,49 m/ng, trung bình: 50 m/ng.
Nước nhạt, có độ khoáng hoá: 0,024 - 0,0439 g/l.
4. Tính trụ bảo vệ và lưu
lượng nước chảy vào moong khai thác
Với khối lượng tự nhiên của sét gđ
= 2,01 g/cm3, khối lượng riêng của nước nhạt gn = 1
g/cm3, áp lực dư trên mái tầng chứa nước DH = 14,98 m, từ (2) tính được chiều dày của trụ bảo vệ t = 
= 7,5 m.
Với diện tích của moong khai thác F = 40.000 m2
từ (6) tính được r = 113 m. Moong khai thác có đáy phẳng, hệ số thấm của đất đá
chứa nước trung bình Ktb = 50 m/ng, từ (3) tính được lưu lượng chảy qua đáy: Q =
4 x 113 x 50 x 14,98 = 338.548 m3/ng.
Từ kết quả tính toán trên ta có một vài nhận xét:
- Với bề dày trung bình của lớp sét là 12,8m, bề dày
của trụ bảo vệ: 7,5 m, thì để trụ bảo vệ là không hợp lý về kinh tế.
- Với diện tích moong khai thác 40.000 m2,
lưu lượng nước chảy qua đáy moong đạt 338.548 m3/ng. Chi phí để thoát
lượng nước trên không phải là ít.
- Để giảm chi phí thoát nước mà vẫn khai thác triệt
để tài nguyên, trong giai đoạn đầu mỏ được mở trên diện tích 40.000 m2,
nhưng chỉ khai thác đến chiều sâu phải để trụ bảo vệ. Sau đó để hạn chế lượng
nước chảy vào moong, diện tích moong sẽ thu hẹp lại chỉ còn 5.000 m2.
Khi đó, lượng nước phải thoát sẽ giảm đi 8 lần và chỉ còn 42.319 m3/ng.
Sau khi khai thác hết trụ bảo vệ, phần moong khai thác được hoàn thổ sẽ quay
sang phần khác.
KẾT LUẬN
Từ kết quả nghiên cứu trên có thể rút ra một số kết
luận sau:
1. Để tránh hiện tượng bục nước qua đáy từ tầng chứa
nước lỗ hổng trầm tích Neogen ở mỏ sét Trúc Thôn các moong khai thác cần để lại
một trụ bảo vệ với chiều dày trung bình 7,5 m.
2. Nếu không để lại trụ bảo vệ khi mở moong khai thác
với diện tích đáy moong 40.000 m2 sẽ phải thoát một lượng nước
338.548 m3/ng, tính ra 1 m2 sẽ phải thoát 8,5 m3/ng.
3. Khai thác bằng cách chia ra các moong nhỏ, khai
thác xong hoàn thổ và tiến hành theo kiểu cuốn chiếu là giải pháp hợp lý khi
khai thác sét ở mỏ Trúc Thôn, Hải Dương.
VĂN LIỆU
1. P.P.
Klimentov, M.V. Syrovatko, 1966. Địa
chất thuỷ văn các mỏ khoáng sản rắn. II :
172-204. Nxb Nedra, Moskva (tiếng Nga).
2. Lê Đức
Hoạt, Nguyễn Sơn Thủy, 2003. Báo cáo địa chất đánh giá chất lượng và trữ lượng
sét ceramic khu I và khu II mỏ sét Trúc Thôn - Hải Dương. Trung tâm Thông tin - Lưu trữ Địa chất, Hà Nội.
3. V.A.
Mironenko, V.M. Shestakov, 1974. Cơ
sở thuỷ địa cơ học. Nxb Nedra, Moskva, tr. 238-244.
4. I.A.
Skabalonvitch, 1960. Tính toán địa
chất thuỷ văn theo động lực học nước dưới đất. Nxb Gosunautresnik, Moskva, tr. 285-288 (tiếng Nga).