1 CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU NƯỚC THẢI MỎ 1.1 NƯỚC THẢI MỎ Khai thác mỏ dù theo phương thức (lộ thiên, hầm lò hay hỗn hợp) tạo khoảng trống hàng triệu mét khối lòng đất Do đó, đất đá bên xung quanh hầm lò dịch chuyển tới để lấp kín khoảng trống lập lại cân tự nhiên Quá trình đất đá dịch chuyển, biến dạng, phá hủy tạo vùng sập đổ, nứt vỡ lan tới bề mặt địa hình dẫn nước mưa, nước mặt xuống hầm lò nhanh đất đá nguyên khối hàng trăm, ngàn lần Nước mưa, nước mặt, nước đất chảy qua vùng đất đá nứt vỡ tương tác với khoáng vật quặng đất đá,… chảy vào mỏ trở thành nước thải mỏ Định hướng luận văn tập trung nghiên cứu nước thải mỏ, quan tâm đến tính ăn mòn nước thải mỏ than (than antraxit, than nâu, than bùn…) Tính axít nước thải mỏ than: Đặc trưng nước thải mỏ than có tính axít (tính ăn mòn) mức độ khác nhau, có nhiều ion H +, Fe2+, Fe3+, SO42-, TSS,… nước thải mỏ than Để đánh giá tính axít môi trường nước, người ta thường sử dụng số pH Theo nhà địa chất thuỷ văn Ba Lan Z Pazdro1964, môi trường nước chia ra: Bảng 1.1 Đặc tính môi trường nước phân theo Z Pazdro-1964 Chỉ số pH Đặc tính môi trường nước pH < a xít < pH < a xít yếu pH = trung tính < pH < bazơ yếu < pH < 14 bazơ Như vậy, nước thải mỏ than có độ pH < nước thải có tính a xít 2 1.2 NGHIÊN CỨU NƯỚC THẢI MỎ THAN TRÊN THẾ GIỚI Hiện nay, sau thuỷ điện dầu khí than đá nguồn lượng sơ cấp chủ lực nhiều quốc gia để đảm bảo an ninh lượng cung cấp nguyên liệu cho nhiều ngành kinh tế Trong phát triển công nghiệp khai thác than, có nhiều vấn đề liên quan tới nước mỏ bục nước, ngập mỏ, nước thải axít ăn mòn, nước thải ô nhiễm… Công tác nghiên cứu nước mỏ cách xử lý nước thải tiến hành nhiều nơi giới Có hai hướng nghiên cứu nước thải mỏ giới: 1- Nghiên cứu điều kiện hình thành, thành phần hóa học, ảnh hưởng nước thải mỏ để tìm giải pháp giảm thiểu lượng nước thải từ đầu nguồn (giảm lượng nước thải, giảm mức ô nhiễm) Nghiên cứu theo hướng này, giảm thiểu tác động ăn mòn nước mỏ axít mỏ…; 2- Theo dõi lưu lượng thành phần hoá học nước thải cuối nguồn để tìm biện pháp xử lý trước thải môi trường… Nghiên cứu theo hướng chủ động vừa nâng cao hiệu suất khai thác mỏ (giảm tác động ăn mòn) vừa giảm chi phí xử lý nước thải cuối nguồn Nghiên cứu xử lý cuối nguồn bị động, đối phó với luật môi trường (sẽ đóng cửa mỏ xả thải không qua xử lý) 1.2.1 Nghiên cứu nước mỏ Hoa Kỳ Các nhà khoa học thuộc quan Bảo vệ môi trường Mỹ (Jon Fripp, Dr Paul F Ziemkiewicz Hari Charkavorki…) nghiên cứu nước thải mỏ, đặc biệt nước thải có tính axit tới 2004 cho rằng: Nước thải từ mỏ than hoạt động chảy thoát dòng mặt Họ đưa cách giải thích sau hình thành nước thải mỏ: Các nhà khoa học Mỹ quan giải thích cụ thể nguồn hình thành nước thải mỏ có tính axit: Tại mỏ khai thác than, hoạt động khai đào bề mặt đào sâu mỏ làm tăng lượng oxy không khí tiếp xúc với vỉa than Nước thải mỏ có tính axit hình thành nước đất chảy vào tiếp xúc với lượng than lại sau khai thác đất đá vách trụ vỉa than giàu hợp chất 3 sunfua Các hợp chất sunfua vùng than thông thường pyrite (FeS 2) với khoáng vật khác (Green Lands-1998) Các khoáng vật sunfua ngậm nước bị oxy hóa tạo nước thải mỏ có tính axit cao Hình 1.1 Các mỏ than hoạt động West Virginia, Hoa Kỳ Hình 1.2 Nước thải axit mỏ thải tiểu bang Maryland, Hoa Kỳ Tóm lại: Nước thải mỏ hình thành than chứa nhiều pyrite sắt (sunfua) khai đào lộ ra, tiếp xúc với không khí nước tạo axit H 2SO4… Trong nước mỏ, hợp chất chứa sắt kết tủa tạo thành hydrroxyt sắt có màu đỏ, da cam màu vàng đọng đáy hệ thống thoát nước mỏ Nước thải mỏ có tính axit hòa tan khoáng vật nặng đồng, chì, thủy ngân… trước bơm chảy thoát ngoài… 1.2.2 Nghiên cứu nước mỏ Australia Các nhà khoa học đại học Wollongong, Australia có công trình “Nghiên cứu quản lý chất lượng nước thải mỏ than vùng IIlawarra, Australia” Vùng than IIlawarra, cách Wollongong 60 km phía Đông Bắc có 12 mỏ than hoạt động Hầu hết mỏ than nằm vùng hứng nước lưu vực cung cấp nước cho sông New South Wales Ba tháng lần họ lấy mẫu nước điểm quan trắc, đo độ pH, độ dẫn điện, tổng chất rắn hòa tan, BOD, Coliform thành phần bari nước thải Từ đó, họ cho nước thải mỏ cung cấp từ nguồn sau: + Nước thải bơm từ 03 lỗ khoan hạ thấp mực nước; 4 + Nước mặt nước mưa vào mùa mưa bão chảy tràn bề mặt mỏ; + Nước mặt nước mưa chảy tràn qua moong than, băng tải than; + Nước thải mỏ hình thành áp lực nước ngầm,… Một nghiên cứu khác chương trình phát triển bền vững ngành mỏ Australia tháng năm 2007 ra: Ngoài vấn đề khai thác, phương thức khai thác, địa hình, cấu trúc địa chất… để hình thành nên nước thải mỏ có tính axit phải có oxy hóa khoáng vật có chứa sunfua vỉa than Yếu tố dẫn đến oxy hóa sunfua than bao gồm: - Hàm lượng, phân bố, tính chất, hình thức tồn sunfua kim loại vỉa than; - Tốc độ cung cấp oxy từ khí cho điểm chứa sunfua kim loại theo phương thức đối lưu khuếch tán; - Thành phần hóa học nước lỗ rỗng tiếp xúc với điểm chứa sunfua kim loại có phản ứng, kể độ pH tỷ số sắt II / sắt III; - Nhiệt độ điểm phản ứng; - Khối lượng nước vi khuẩn điểm phản ứng Sau số nguồn hình thành nước thải mỏ: Các bãi thải: Các bãi thải mỏ than lộ thiên thường đổ thải địa hình cao, nơi mà chúng không ngập nước chứa chừng 5-10% nước Với bãi thải (được đổ trở lại moong khai thác), phần đá thải ngập nước đất Trong hai trường hợp, vùng đá thải chưa bão hòa nước bãi đá thải có chứa sunfua sắt có khả sinh nước thải mỏ có tính axit 5 Hình 1.3 Sơ đồ thành tạo di chuyển nước thải mỏ axit từ bãi thải (Ritchie 1994) Các đống than: Tính chất đống than (than đổ chất thành đống trời sân công nghiệp, nhà máy tuyển, kho than) nhìn chung tương tự bãi thải hàm lượng sunfua đống than đương nhiên cao Các đống than thường tồn thời gian ngắn mang chế biến đống đá than xít tồn mỏ nhiều năm (không tuyển tận thu) nguồn tiềm tàng tạo nước thải axit… Kho bãi, bể chứa bùn than: Các loại bùn than sinh tuyển than thường đổ hệ thống kho bãi chứa dạng bùn nhão Các bể chứa bùn than có sunfua nguồn sinh nước thải mỏ có tính axit chúng có kích thước hạt mịn Bờ mỏ moong lộ thiên: Bờ mỏ lộ thiên hay vách trụ vỉa than lộ vỉa hầm lò chứa khoáng vật chứa sunfua có khả sinh nước thải có tính axit Khai thác hạ thấp mực nước đất bờ mỏ xung quanh moong khai thác làm cho khoáng vật sunfua phơi lộ không khí Từ đó, nước thải axit hình thành bờ mỏ chảy xuống moong khai thác với nước đất Do đó, chất lượng nước bơm từ đáy moong, hầm chứa 6 giếng khoan hạ thấp mực nước đất trình khai thác thường có tính a xít (pH < 5) Trong lò chợ khấu than: Gió (không khí) chứa đầy oxy thổi vào lò chợ với tốc độ vài mét/giây, tác động tới khoáng vật sunphua than nguyên khối dập vỡ sũng nước,… tạo nước thải axít tương tự bờ moong khai thác Mọi loại sunfua phơi lộ không khí trình thoát nước, tháo khô mỏ nguồn tiềm tàng tạo nước thải axit 1.2.3 Nghiên cứu nước mỏ NewZealand Việc nghiên cứu nước thải mỏ axit NewZealand thực Dave Trumm, CRL Energy LTD, Christchurch, Winterbourn (1998), Lindsay, Kingsbury Pizey (2003), Harding Boothryd (2004), Darding (2005) Pope, Newman Craw (2006) Tại New Zealand, năm gần hồ thủy điện có giảm mực nước hồ chứa nên việc sử dụng than để phát điện đẩy mạnh Các nghiên cứu nước thải cho thấy khác nước thải mỏ axit New Zealand mỏ than miền Đông nước Mỹ: Có yếu tố là: địa hình cấu trúc địa chất có tồn khoáng vật sunfua Địa hình West Coast, New Zealand phát triển theo bậc từ mặt biển tới độ cao 700m, có lớp thực vật mỏng có mưa nhiệt đới Các mỏ thường vị trí cao hẻo lánh Địa hình cấu trúc địa chất New Zealand ảnh hưởng lớn đến nước thải mỏ khai thác than Các nghiên cứu nhiều năm tập trung vào địa hóa học nước thải axit mỏ ảnh hưởng tới hệ thống sinh vật sống nước Nhận xét chung Như vậy, vấn đề nước thải mỏ việc nghiên cứu chúng giới diễn điều kiện hình thành nước thải mỏ nào? Và cách giải thích chung chủ yếu từ oxy hóa khoáng vật có chứa pyrit, từ moong, hầm lò, đất đá thải yếu tố liên quan địa hình,… nhằm phục vụ cho công tác bảo vệ môi trường khu vực mỏ, đảm bảo phát triển bền vững,… 7 Ngoài nghiên cứu nước thải mỏ có tính axit, người ta nghiên cứu thành phần khác nước thải mỏ BOD, COD, TSS, Coliform,… Về ảnh hưởng nước thải mỏ hoạt động khai thác (trong có nước thải mang tính axit) chưa nghiên cứu cụ thể Chính vậy, nghiên cứu điều kiện hình thành ảnh hưởng nước thải mỏ khai thác than vấn đề mẻ cần nghiên cứu Tuy nhiên, giới họ đưa công nghệ xử lý nước thải mỏ nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tới môi trường phần đảm bảo trình khai thác bền vững 1.2.4 Nghiên cứu xử lý nước thải mỏ trước xả thải môi trường Các chuyên gia mỏ nghiên cứu thường áp dụng phương pháp xử lý nước thải mỏ sau đây: * Công nghệ hóa học Các nhà nghiên cứu đưa nhận định sau: Phương pháp hóa học xử lý nước thải mỏ gồm bước chính: + Điều hòa, kiểm soát lưu lượng đặc tính nguồn thải; + Trung hòa hóa chất; + Oxy hóa, làm kết tủa ion kim loại dạng hòa tan; + Lắng cặn hydroxit kim loại chất rắn lơ lửng khác; + Loại bỏ bùn cặn Tùy theo tính chất lưu lượng nước thải mỏ mà người ta áp dụng hệ thống khác hóa chất, chất trợ lắng khác Hiện nay, giới việc nghiên cứu nước thải mỏ, tác hại gây xử lý chúng, người ta áp dụng rộng rãi phương pháp hóa học Phương pháp phân thành dạng: Sục khí sử dụng hóa chất để trung hòa nước thải mỏ có tính axit kết tủa Fe, Mn 8 - Dạng sục khí Sục khí phương pháp xử lý hóa học đơn giản Khi sục khí Fe (II) Mn (II) dạng hòa tan oxy hóa kết tủa dạng Fe (III) Mn (IV) Mức độ oxy hóa chất phụ thuộc nhiều vào giá trị pH nước thải Sục khí tạo phản ứng oxy hóa Fe (II) thành Fe (III) pH >7,2; với Mn (II) thành Mn (IV) pH > 9,4 Những khu vực rộng lớn thường áp dụng kiểu thác nước để trộn lẫn không khí điều chỉnh pH Theo Dudeney (1994), hệ thống Denby Graige Colliery để xử lý nước thải mỏ Anh sử dụng thác nước hệ thống sục khí Các kết tủa Fe (III) Mn (IV) tạo thành hạt nhỏ phân tán Do đó, việc lắng đọng tác dụng trọng lực chậm Theo nghiên cứu ông thời gian lưu nước thải để hạt lắng xuống đáy phải 24 Sau đó, nước thải môi trường Để tăng khả lắng, cần cấp thêm chất trợ lắng (polyme hữu vô cơ) cho phép hạt kết tủa lại với tạo thành hạt to nên tốc độ lắng nhanh * Các hệ thống xử lý hóa chất điển hình Đặc tính chung nước thải mỏ than có tính axit cao, hàm lượng ion Fe, Mn dạng hòa tan cao Trên giới, công ty khai thác mỏ thường nghiên cứu chủ động dùng hóa chất để xử lý nước thải mỏ Các hóa chất có tính kiềm sử dụng để trung hòa chuyển hóa kim loại dạng hòa tan nước thải mỏ có tính axit Wildeman (1994) nghiên cứu nước thải mỏ đưa sơ đồ công nghệ chung cho việc xử lý nước thải mỏ có tính axit kiềm oxy hóa Fe 9 Lựa chọn chất kiềm: Đá vôi Na2CO3 Vôi NH3 NaOH Nước thải mỏ có tính axit tập trung, thu gom: Từ mỏ Nước chảy tràn bề mặt Bảo quản, nạp hóa chất: Dạng khô Dạng dung dịch Hòa trộn: Máy Công nhân Hòa trộn tự động Oxy hóa Fe: Sục khí, khuấy trộn Hóa chất oxy hóa Oxy hóa sinh học Bổ sung chất trợ lắng Cặn lắng: Gạn Ao, hồ lắng Máy tách Đập ngăn Bùn thải: Moong khai thác Phơi khô Lọc Máy ly tâm Xả thải Hình vẽ 1.4 Quy trình xử lý nước thải mỏ có tính axit kiềm oxy hóa Fe Wildemam Dưới số hệ thống xử lý nước thải mỏ than dùng loại hóa chất khác như: + Hệ thống dùng sữa vôi: Sữa vôi khuấy trộn nạp hệ thống “Aqua Fix Systems” dạng Silo 10 10 Hình 1.5 Hệ thống xử lý nước thải mỏ sữa vôi West Virginia - Mỹ + Hệ thống dùng Natri hydroxit (NaOH) Na2CO3: Hình 1.6 Dùng Na2CO3 để xử lý nước thải mỏ than Mỹ * Nghiên cứu xử lý sinh học Các chất ô nhiễm nước thải mỏ xử lý việc sử dụng phản ứng sinh học Giảm sunfat sinh học xem phương pháp để trung hòa nước thải mỏ có tính axit Đồng thời, kết tủa kim loại dạng sunfit Trên giới, công nghệ xử lý nước thải mỏ sinh học giai đoạn thử nghiệm 10 42 42 + Làm ngập lò đất đá với nước thải chảy vào lò dẫn tới đình trệ sản xuất mỏ Khe Chàm; + Sản lượng than khai thác giảm mạnh vào mùa mưa c Tác động nước thải thấm rỉ tới khối đá vây quanh ảnh hưởng tới hoạt động khai thác hầm mỏ Khe Chàm bao gồm: - Sụt lở mái dốc, bờ mỏ; - Biến dạng hầm lò; - Giảm độ bền khối đá; - Tăng tốc độ phong hóa đất đá vách trụ hầm lò; - Trương nở đất đá vách trụ vỉa than d Tác động nước thải tới môi trường địa chất ảnh hưởng tới hoạt động khai thác Khe Chàm bao gồm: - Làm cằn cỗi lớp phủ thực vật, suy giảm đa dạng sinh học; - Phát triển sụt lún, xói ngầm,… - Sản sinh nguồn nước có độ nhiễm bẩn cao Do trình nghiên cứu hạn chế, tác giả trình bày hết tất ảnh hưởng 04 tác động nêu nước thải tới hoạt động khai thác Ở đây, tác giả xin trình bày ảnh hưởng liên quan trực tiếp đến hoạt động sản xuất hoạt động khai thác than mỏ Khe Chàm Trong đó, tập trung vào đến vấn đề quan trọng ảnh hưởng nước thải mỏ hoạt động khai thác than mỏ Khe Chàm như: Ảnh hưởng nước thải đến hệ thống vận tải mỏ, hệ thống bơm, thiệt hại kinh tế; ảnh hưởng tới mái dốc bờ mỏ vào công trường,… 4.1 Tác động nước thải đến hệ thống vận tải mỏ ảnh hưởng tới khai thác than mỏ Khe Chàm Theo nghiên cứu Phan Bá Pháp, năm mỏ hầm lò vào mùa mưa, nhiều đoạn lò ngập sâu: lò dọc vỉa -225 V13-1, lò dọc vỉa -225 V13-2 mỏ than Khe 42 43 43 Chàm năm 2007… Trong trình điều tra khảo sát, tác giả đưa số tác động nước thải đến hệ thống vận tải mỏ Khe Chàm sau: 4.1.1 Trên mặt đất Khi xét đến tác động nước thải đến hệ thống vận tải mỏ than Khe Chàm phải xem xét mùa: mùa mưa mùa khô Trong mùa mưa, phá hủy đường mỏ xói mòn học gây lầy lội mặt đường bão hòa nước Trên nhiều đoạn đường mỏ không phủ đá, có xe bánh xích qua thời gian Người ta dùng số độ ẩm đất đá bề mặt (SMI) làm tiêu để đánh giá khả làm việc phương tiện giao thông Chỉ số độ ẩm đất đá mặt đường mỏ (SMI n) ngày thứ n, phụ thuộc vào số độ ẩm lưu lại ngày hôm trước (SMIn-1) cộng với lượng nước mưa đóng góp (P n) trừ độ hao hụt (Lossn) bốc thoát hơi: SMIn = SMI n - + P n - Loss n Từ nghiên cứu độ ẩm mưa, dòng chảy mặt gây số đường mỏ than Khe Chàm, số nhà nghiên cứu Phan Bá Pháp tới kết luận năm có khoảng 254 ngày làm việc đủ tiếng (69,6%), 63 ngày không làm việc với thiết bị vận tải bánh lốp mỏ (11,3%) Qua đây, tác giả thử tính ảnh hưởng nước thải tới hoạt động khai thác sau: Một ngày với tiếng vận chuyển than, với khoảng chuyến ngày Có 63 ngày không làm việc (không kể chủ nhật) ảnh hưởng nước thải tới đường vận chuyển (Phan Bá Pháp) Như vậy, có 315 chuyến vận tải không vận chuyển Do đó, theo cách tính toán mà không tiến hành xử lý nước thải mỏ vào mùa mưa làm ảnh hưởng đến đường vận chuyển gây số ảnh hưởng: - Làm chậm tiến độ kinh doanh than, ảnh hưởng đến kinh tế mỏ; - Nếu vận chuyển than xe bánh lốp gây số cố tai nạn lao động, hỏng xe vận tải, 43 44 44 4.1.2 Trong lò Tại đường lò khai thác mức tự chảy (nước khả tự chảy thoát theo rãnh nước) tăng đột biến dòng nước thải vào có số đường lò gây ngập Nó không gây ngập toàn mỏ Khe Chàm gây ách tắc hệ thống vận tải Ví dụ: lò dọc vỉa -225 V13-1 mỏ Khe Chàm tháng năm 2006: tác dụng mưa, nước thải chảy qua khe nứt đất đá gây ngập đường lò cục Nước thải làm ngập hệ thống đường ray vận tải than qua khu vực làm ách tắc trình vận tải than nhiều ngày Chiều dày lớp nước gây ngập đến 20 - 30 cm đường lò, chí đến 50 cm 4.1.3 Trên phương tiện vận tải than Vào mùa mưa, dòng nước thải vào lò tăng mạnh, tượng dính bám than máng cào lò chợ, goòng băng tải lò vận tải làm giảm suất vận tải 4.2 Tác động nước thải tới hoạt động khai thác than mỏ than Khe Chàm 4.2.1 Tác động tới hoạt động khoan nổ mìn Các khảo sát mỏ than Khe Chàm Nguyễn Văn Tráng (Viện KHCN Mỏ) xác định nguyên nhân gây khó khăn cho công việc nổ mìn láng ướt phoi, mưa bão, tụt lở lỗ khoan nạp thuốc Vào mùa mưa, nguyên nhân gây tổn thất tới 75 - 85% tổng số mét khoan Nó làm giảm độ bền choòng khoan máy khoan, thuốc nổ bị rửa trôi theo dòng nước thải thấm ra, mát bị nhiễm bẩn Mức độ tổn thất mét khoan biểu thị qua hệ số sử dụng mét khoan (K sd) Hệ số sử dụng mét khoan giảm 44 45 45 mức độ sũng nước lỗ khoan h n (tỷ lệ % cột nước lỗ khoan với chiều sâu lỗ khoan) tăng lên theo quan hệ xác định thực nghiệm sau: Ksd = - 0,473 hn + 81,1% (mỏ than Khe Chàm) Theo số liệu Viện KHCN Mỏ đất đá ngậm nước mỏ than Khe Chàm, suất khoan có quan hệ với mức độ ngậm nước đất đá theo quan hệ nghịch Dòng chảy ngầm ảnh hưởng tới quy trình nạp thuốc nổ, mật độ nạp tỷ lệ sử dụng thuốc nổ chịu nước Thuốc nổ ngâm lâu lỗ khoan giảm hiệu suất nổ Khi thuốc nổ bị rửa trôi, mát nhiễm bẩn mật độ nạp thực tế giảm so với thiết kế Trong lỗ khoan nước chảy vào làm váng than lên mặt cản trở chìm thuốc nổ xuống đáy lỗ khoan (hiện tượng gặp nổ vách vỉa) Trong hầm lò mỏ than Khe Chàm, lỗ khoan nạp mìn khoan vào cát kết nứt nẻ mạnh gặp nước phun dạng vòi làm thuốc nổ mìn nạp vào bật Tại điểm vậy, thường phải ngừng việc nạp thuốc sau vài ngày nước không phun mạnh Vào mùa mưa, tiến độ khoan, nạp thuốc mìn giảm xuống nhiều lần so với mùa khô Khi nổ mìn chậm tức tiến độ đào lò chậm, dẫn tới toàn kế hoạch khai thác bị ảnh hưởng Như vậy, dòng chảy làm tăng chi phí khoan lại lỗ khoan hỏng, tăng khối lượng thuốc nổ đắt tiền phải sử dụng làm chậm tiến độ khai đào mùa mưa, ảnh hưởng lớn đến trình khai thác 4.2.2 Tác động tới vỏ chống lò bê tông Theo nghiên cứu Viện KHCN Mỏ Trung tâm KH&CN Quốc gia mỏ than Khe Chàm neo bê tông cốt thép bị nước mỏ chảy qua bị ăn mòn mặt tiếp xúc với vỏ bê tông Theo Phan Vinh Giới (Viện KHCN Mỏ), nước có lò neo dẻo khoảng 5% khả chịu tải lò neo giảm xuống > 25 % 4.2.3 Tác động nước thải làm ngập mỏ, làm hư hại công trình mỏ + Làm ngập mỏ: Ta biết rằng, mưa rơi xuống, phần chảy tràn mặt sông, suối Một phần ngấm xuống đất qua khe nứt đất đá Khi khai thác hầm lò làm thông tầng chứa nước Do đó, nước thải thoát xâm nhập vào lò gây ngập mỏ: 45 46 46 Ví dụ: Mưa 280 mm đêm 28, sáng 29-5-2003 làm ngập mức lò -100 -55 mỏ Khe Chàm + Làm hư hại công trình mỏ: Trong mùa mưa nước thải thấm rỉ làm giảm độ bền khối đá, gây ra: trượt đổ máng rót than, sụt lún đường sắt, ô tô, sập đổ tuynen thoát nước, cửa lò nhiều lò chợ 4.2.4 Tác động rửa lũa, xói mòn ăn mòn nước thải hầm lò mỏ Khe Chàm 4.2.4.1 Tác động rửa lũa, xói mòn Với mức khai thác mỏ Khe Chàm, lượng nước mưa mùa mưa ngấm vào chiếm tới 50% thành phần dòng nước thải vào mỏ (chương 3) Thành phần nước mưa thấm xuyên chảy qua vùng khe nứt dẫn nước xói mòn, rửa lũa mang theo nước vào lò nhiều bùn đất trình hòa tan số khoáng vật vào nước mưa giàu oxy tự (tăng hàm lượng SO42-, tổng khoáng hóa) Ví dụ: Vào mùa mưa tháng 8/2003, lượng nước thải chảy vào - 100 Khe Chàm tới 40.000m3 nước Trọng lượng bùn trôi vào nước 1300m Chưa tính thành phần hòa tan lơ lửng nước hàm lượng bùn nước thải chảy vào lò khoảng 3,25% theo thể tích 4.2.4.2 Tác động ăn mòn Từ việc nghiên cứu thành phần hóa học nước thải mỏ Khe Chàm, tác giả xác định thành phần gây ăn mòn do: pH, TSS, SO42-,… Khi lượng nước mưa ngấm chiếm 50% tổng dòng chảy nước thải vào lò có gia tăng nhiệt độ độ ẩm lò nước mưa ngấm chuyển tải vào qua vùng khe nứt dẫn nước Hiện nay, nhiệt độ trung bình đường lò đá mỏ than Khe Chàm 29 đến 340 độ ẩm 92% đến 96% Trong lò chợ, giá trị cao Với nhiệt độ độ ẩm tạo điều kiện thuận lợi cho trình ăn mòn bê tông cốt 46 47 47 thép, ăn mòn với thiết bị kim loại dạng tinh thể, phá hủy bê tông, làm suy yếu liên kết bê tông cốt thép, neo deo cốt thép Theo nghiên cứu ăn mòn nước thải thấm rỉ với số neo thường dùng mỏ Khe Chàm hầm lò thấy: + Neo bê tông cố thép ngày sử dụng rộng rãi thay dần cho chống gỗ Cốt neo thường làm thép gai 25/2C thép cán nóng có hàm lượng Mn cao Khi chúng bị nước mỏ chảy qua bị ăn mòn mặt tiếp xúc với vỏ bê tông Theo thí nghiệm Viện KHCN Mỏ mỏ than Khe Chàm, tốc độ ăn mòn trình bày bảng sau: Bảng 4.1 Tốc độ ăn mòn cốt thép neo bê tông Thời gian tính ngày 10 ngày 15 ngày 30 ngày Mức ăn mòn 25,74 g/m2 39,9 g/m2 44,75 g/m2 55,61 g/m2 Neo bê tông cốt thép thường phải chịu lực sau Từ thời điểm neo chịu lực, tốc độ ăn mòn nước mỏ với cốt thép tăng 3-5 lần Khi lớp sản phẩm ăn mòn dày tới 10 - 20 µm lực bám dính hay khả chịu tải neo giảm xuống mức cho phép (nghĩa cần neo lại) Như phần giải thích chế ăn mòn hòa tan khoáng vật có chứa sunfua than nước đất Khi nước có tính axit độ pH giảm Trong nước thải mỏ bao gồm thành phần sắt mangan làm cho nước thải có màu vàng Những tác động gây ăn mòn phá hủy vỏ chống lò bê tông giảm tuổi thọ chống kim loại + Vỏ chống lò bê tông vỏ chống đắt tiền không chống phá hủy nước thải Thạch cao kết tinh lỗ hổng bê tông đất đá xung quanh sũng nước Nước thấm vào nhiều SO42- kết hợp với CaO bê tông gây tăng thể tích 2-3 lần Kết cuối tăng thể tích kết cấu bê tông bị phá hủy tới phải xây dựng lại vỏ chống Nước thải hầm lò mỏ Khe Chàm 47 48 48 thường có hàm lượng SO42- < 500mg/l hàm lượng Cl- không cao nên ăn mòn phá hủy bê tông xảy mạnh mẽ Vỏ bê tông neo cốt thép lò dày khoảng 1,5cm với phụ gia đóng rắn CaCl2 ≤ 3% xốp Các lỗ xốp max ≈ 0,5 - 0,6 mm hút ẩm, ngưng ẩm gây ăn mòn dẫn tới suy giảm liên kết cốt thép - áo bê tông + Neo chất dẻo cốt thép: Theo kết thí nghiệm Viện KHCN Mỏ nước có lỗ neo (khoảng 5%) khả chịu tải lỗ neo giảm xuống > 25% Các tác động nước mỏ Khe Chàm tới cột chống thủy lực, thiết bị động lực khác lò nghiên cứu thêm + Ăn mòn máy bơm thoát nước mỏ Dưới tác động nước thải mỏ, máy bơm hầm bơm - 100 hầm bơm - 225 mỏ Khe Chàm bị ăn mòn Sau thời gian bơm thoát nước thải, máy bơm bị ăn mòn (ảnh 4.10, 4.11) Chỉ sau thời gian ngắn trình bơm, hệ thống cánh quạt, bánh công tác máy bơm bị ăn mòn Máy bơm thoát nước thải hầm bơm -100 mỏ than Khe Chàm bị ăn mòn không hệ thống cánh quạt, bánh công tác mà bị ăn mòn số thiết bị khung bên Như vậy, gây tổn thất không nhỏ cho hoạt động khai thác, ảnh hưởng đến hoạt động thoát nước thải phục vụ khai thác mỏ Khi bơm nước có lẫn bùn (hàm lượng TSS tăng cao) thường làm tăng ma sát phận vận động máy nên loại nước lẫn bùn này, người ta phải dùng phương pháp bể lắng để loại bỏ bùn đất Đối với nước có tính axít thông thường axít Sunfuric, bơm loại nước có ngậm axít ăn mòn bơm loại bơm chất lượng bị hỏng nhanh (vỉa 14 Khe Chàm) Tác giả đánh giá cách tính toán lượng tổn thất ăn mòn máy bơm nước thải mỏ Khe Chàm xảy thấy rằng: Vào mùa mưa, lượng nước chảy vào mỏ nhiều Khi máy bơm nước thải bị hỏng (do bị ăn mòn) thường có máy bơm dự phòng Nhưng máy bơm nước thải bị hỏng hết (lượng máy bơm dự phòng không đủ), lúc nước thải làm ngập mỏ Một ngày mà 48 49 49 mỏ bị ngập không làm việc phải trả tiền lương cho công nhân triệu đồng / tháng (tương đương khoảng 200 nghìn đồng ngày) mà than không khai thác Như vậy, không xử lý kịp thời để ngập mỏ khoảng ngày theo cách tính toán chi phí cho công nhân khoảng 1.000.000 đồng người ngày Giả sử với 100 công nhân làm việc ngày theo tính toán ngày 100 triệu Trong ngày ngập mỏ, tổng thiệt hại khoảng 500 triệu đồng Đây chưa kể số lượng công nhân thực làm việc mỏ tính ngập ngày Dự báo để xảy tượng ngập mỏ năm ước tính lượng thiệt hại kinh tế lên đến hàng tỷ đồng Do đó, xử lý tính chất axit nước thải gây hỏng máy bơm mùa mưa tiết kiệm cho mỏ khối lượng tiền lớn 4.2.5 Tác động nước thải tới hệ thống thoát nước mỏ Trong hệ thống khai thác mỏ Khe Chàm có hệ thống thoát nước sau: Trong tất hệ thống thoát nước hệ thống thoát nước mỏ mức tự chảy thường có bể lắng, bể chứa với hệ thống bơm trục ngang thiết kế với mức dự phòng lớn điện với dòng nước thải chảy vào lò mức trung bình Trong thực tế, mức khai thác lò giếng, dòng chảy thải thường gây nhiều cố, như: 4.2.5.1 Dòng nước thải xâm nhập vào lò lớn lực chứa bơm ra: Làm nước thải ngập hầm bơm tràn đường lò vận tải 4.2.5.2 Hoạt động không bình thường hệ thống thoát nước trung tâm Quá trình xói mòn, rửa lũa mang theo dòng chảy vào lò nhiều bùn đất đá gây ra: + Làm giảm dung tích chứa nước dự phòng bể chứa vào thời điểm dòng chảy thải vào tăng mạnh; + Bùn không lắng hết bể lắng theo thiết kế: Bể lắng bùn có chức lắng bùn làm nước trước chảy sang bể chứa Bể lắng nằm ngang hoạt động theo nguyên tắc trọng lực: Các hạt đất đá lẫn nước thải với kích cỡ < 0,1 - 0,2mm 49 50 50 chảy qua hầm bơm với vận tốc ≤ 0,1 m/giây vận tốc tăng theo phương thẳng đứng lớn vận tốc chuyển động theo phương ngang dòng nước thải - Làm suy giảm hiệu suất hệ thống bơm Khi hàm lượng bùn nước thải mỏ bơm vượt 0,01% bơm trục ngang lò giếng nghiêng mỏ than Khe Chàm bị suy giảm công suất Bùn lắng ngăn cản nước thải chảy vào ống hút, làm giảm hiệu suất máy bơm trục ngang (không bơm nước bùn) Một lượng chất rắn chui vào bơm làm mòn bánh xe công tác, khoang bơm, làm giảm áp suất máy giảm tuổi thọ bơm nhanh chóng Khảo sát toàn hệ thống bơm -100 -225 Khe Chàm năm 2003 cho thấy bơm đạt hiệu suất có 40% so với thiết kế Các bánh xe công tác bơm mòn tới 19% trọng lượng bơm nước mỏ lẫn bùn làm đình trệ trình sản xuất mỏ - Lượng nước chảy vào lớn than khai thác Mức -100 mỏ than Khe Chàm năm 2003 bơm khoảng 2.907.020 m3 So với lượng than hầm lò khai thác để khai thác than phải bơm trung bình 31,74 m nước Ước tính bơm m nước thải cần kW điện chiếm tới 10 % giá thành sản xuất than tiền điện bơm thoát nước mỏ Ngoài ra, vào mùa mưa, lượng nước thải tăng lên làm sản lượng thai khai thác giảm mạnh 4.3 Tác động nước thải thấm rỉ tới khối đá vây quanh ảnh hưởng tới hoạt động khai thác hầm mỏ Khe Chàm 4.3.1 Sụt lở mái dốc, bờ mỏ + Thành phần dòng chảy đột biến đợt mưa liên tục tháng năm 2004 gây thiệt hại tới nhiều mỏ than hầm lò Quảng Ninh, có mỏ than Khe Chàm Nhiều đoạn đường ô tô nối mỏ Khe Chàm mỏ Mông Dương bị dòng chảy phái hỏng Tại mỏ Khe Chàm, ảnh hưởng nước thải vào mùa mưa trôi mét kè bờ mỏ phá hỏng đường vận tải,… 50 51 51 + Tác động tới độ ổn định mái dốc: Một tác động mưa hình thành dòng chảy không mái dốc Đây vấn đề chưa nghiên cứu nhiều vùng than Tuy nhiên, nhiều công trình xây dựng mái dốc trượt đổ vào mùa mưa (thời gian lúc mà đất đá mỏ gần bão hòa nước mưa) Tác động dòng thải thấm rỉ tới độ ổn định mái dốc (theo viện VNHIMI) lực đẩy áp lực nước hil (công thức dưới) Tác giả dựa vào công thức tính hệ số ổn định mái dốc tính hệ số ổn định cho mái dốc khu mỏ Khe Chàm I đánh giá khả trượt lở mái dốc (đường máng rót than phía mặt +32), số liệu lấy theo tài liệu tính toán Viện KHCN Mỏ - TKV, kết sau: G: Lực giữ (áp lực) đất đá; D: Lực đẩy nước áp lực Lực đẩy nước làm hệ số ổn định mái dốc giảm xuống 0,92 (khi hệ số ổn định n < 1,2 mái dốc trượt lở) Như vậy, theo tính toán trên, không xử lý nước thải chảy khu vực đường máng rót than gây trượt lở làm hỏng máng rót than cản trở trình sản xuất Nó gây thiệt hại nhiều đến kinh tế mỏ 4.3.2 Tác động nước thải tới biến dạng hầm lò Trong mùa mưa, nước mưa ngấm xuống làm lượng nước thải vào lò tăng lên Khi chúng thấm rỉ từ tầng chứa nước đất, đất đá quanh đường lò,… làm biến dạng hầm lò, gây số ảnh hưởng như: 51 52 52 + Ách tắc vận tải lò: Dòng nước thải vào lò tích tụ đoạn lò trũng làm ách tắc vận tải (như nói trên) + Lở vách, tụt nóc, bùng nền, lún nền, bóp hông, gãy chống: Dòng nước thải thoát đột biến hình thành có mưa liên tục vào thời đoạn bão hòa độ ẩm, ngấm vào lò qua vùng khe nứt dẫn nước, vùng phá hủy kiến tạo gây ra: dột lò mưa rào,… yếu bở rời, sập đổ hay xảy lở gương lò chợ Ví dụ: Nửa đầu tháng năm 1998 dòng nước thải chảy vào lò chợ vỉa 14a mỏ Khe Chàm làm lún nền, tụt nóc, sập lò tới 40 cột chống thủy lực đơn, khoảng 1,5 triệu đồng/ cột (hình 4.16) 4.3.3 Tác động nước thải thấm rỉ làm giảm độ bền khối đá Nước thải thấm làm sũng đường lò Khi đường lò bị sũng nước, dạng tan rã, hoá mềm, trương nở, chứa ẩm, hút nước, thải nước, mao dẫn, thấm nước độ bền số loại đá suy giảm liên kết đá bị suy yếu Một số thành phần đá bị tác động tính chất ăn mòn nước mỏ Một số loại đá bị trương nở bão hoà nước mỏ Khi độ ẩm tăng lên độ bền cát kết giảm - 5%, sét kết giảm từ - 10 lần, sét bão hoà nước có dạng dung dịch đặc sệt Các trình phát sinh nội ứng suất khối đá làm xuất vết nứt thứ sinh cuối làm cho độ bền đá (mô đun đàn hồi E, độ bền nén σn) giảm phá vỡ đá cấu trúc đá Viện nghiên cứu Than Kuzbat đưa hệ số giảm bền khối đá nước mỏ gây K2 vào công thức tính độ ổn định khối đá vây quanh đường lò: σn® η ξ K2 n= 52 53 53 γ H K1 Kb1 Kb2 Khi nghiên cứu mỏ Khe Chàm, tác giả Đào Văn Canh (Viện KHCN mỏ) sử dụng tỷ số độ bền nén đơn trục đá trạng thái bão hoà nước (σnđbh) trạng thái khô gió (σnđkg) để tính hệ số giảm bền khối đá nước thải mỏ gây ra: K = σnđbh/ σnđkg Theo khảo sát tác giả, có tới 50-60% chiều dài lò chuẩn bị mỏ than Khe Chàm có K nhỏ 0,75, tức khối đá ổn định theo cách phân loại V.V Rdevski Đó đoạn lò sũng nước, thường có tượng sập lở, dịch chuyển hông lò mùa mưa 4.3.4 Trương nở đá vách trụ vỉa than Là tượng biến dạng thường gặp đất đá sét, có khả thay đổi thể tích điều kiện áp lực tác động lên lớp đất đá lượng nước thải chảy ra, vào thay đổi gọi bùng nở Những loại đá bùng nở mỏ than Khe Chàm: mái dốc nơi phân bố loại đá chứa Fe-Mg, pensfat… có khả phân giải tạo đá sét chứa montmorilonit Trong hầm lò lớp đá sét chứa nhiều hạt sét montmorilonit, thuỷ mi ca, kao lanh, sét kết sét thường tập trung vách trụ vỉa than (theo nghiên cứu phòng Địa chất thủy văn, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ TKV mỏ Khe Chàm) Trong hầm lò bùng nở biểu dạng ép trồi hay đẩy lồi đất đá vào lò, thu hẹp tiết diện lò: bề rộng lò bị bóp lại gây khó khăn cho lại, vận tải, thông gió, bùng làm độ cao cáp điện chạy goòng hạ thấp dễ gây tai nạn, rãnh tiêu nước bị tắc gây ngập, vỏ chống bị phá huỷ sập lò xảy Hình 4.17 Hiện tượng trương nở làm đường lò bị thu hẹp mỏ than Khe Chàm (không thể lại đường đường lò) 53 54 54 Tại đoạn lò sũng nước có lò cũ tích nước bên trên, mức độ trương bùng diễn mạnh Tính chất trương nở đá sét thay đổi phụ thuộc vào thành phần khoáng hoá nước thải thấm rỉ từ nước đất Theo lý thuyết, ion đất đá chứa sét có khả trao đổi với nước thẩm thấu qua, riêng montmorilonit so với cao lanh hay đá sét khác trao đổi lớn hơn tới 10 lần Nếu thành phần khoáng hoá nước đá sét lớn nước bên trình trương nở diễn ra, ngược lại xảy co ngót Như vậy, ảnh hưởng nước thải thấm rỉ hầm lò lớn Đây vấn đề cần có đầu tư nghiên cứu 4.3.5 Biến dạng hầm lò, phá huỷ vỉ chống Kết cuối trình giảm bền, trương nở khối đá thường dẫn tới biến dạng hầm lò, phá huỷ vỉ chống Theo tài liệu Viện Khoa học Công nghệ Mỏ, khoảng 47% chiều dài lò chuẩn bị mỏ than khu vực Khe Chàm đào đá bột kết, sét kết, có mỏ than Khe Chàm I - loại đá biến dạng mạnh sũng nước Vào mùa mưa, đoạn lò đào đá bột kết, sét kết nằm qua khu vực sũng nước mạnh bị biến dạng bẹp nóc, hạ trần, bóp hông, vỏ chống bị phá huỷ Để trì hoạt động, phải tiến hành sửa chữa vỏ chống lò Hàng năm, mỏ Khe Chàm phải sửa chữa trung bình tới 3/4 số mét lò đào (73,2 %) bị biến dạng, chi phí đào chống lò chiếm tới 1/3 giá thành khai thác than (xem bảng 4.2) Bảng 4.2 Tổng hợp tình hình chống xén, sửa chữa đường lò Mỏ Năm Số mét lò đào Mét chống xén Tỷ lệ chống xén ( % ) Khe Chàm 1989 1832 242 13.4 1990 2108 279 13.3 1-9/91 1256 215 17.0 54 55 55 Nếu giảm độ sũng nước lò chuẩn bị, giảm số mét lò biến dạng phải sửa chữa vào mùa mưa tiết kiệm khoản chi phí lớn Ở đây, chưa tính thiệt hại gián tiếp ách tắc lò vận tải phải sửa chữa tới hoạt động khai thác than Các tầng chứa nước trầm tích chứa than nghèo nước Lượng nước từ cách chảy vào mỏ không đáng kể Khả dẫn nước nhận nước tầng chứa nước khác chảy đến tầng trầm tích chứa than nhỏ không gây ảnh hưởng lớn đến việc khai thác than, công trình khai thác than không đào xuyên qua tầng chứa than vào tầng hay phức hệ chứa nước khác có độ chứa nước cao bên cạnh Tuy vậy, phải đề phòng lượng nước thải chảy qua vùng sụt lún vào mỏ tăng lên đột ngột mùa mưa: Ngày 31 tháng năm 2003, mỏ Khe Chàm, mưa liên tục từ đêm tới 10h sáng, làm ngập hệ thống lò khai thác từ -100 trở lên… 4.4 Tác động nước thải tới môi trường địa chất ảnh hưởng tới hoạt động khai thác Khe Chàm bao gồm: - Làm cằn cỗi lớp phủ thực vật, suy giảm đa dạng sinh học; - Sản sinh nguồn nước có độ nhiễm bẩn cao Hình 4.18 Suối Đá Mài - nơi xả nước thải nhiều mỏ than có nguồn nước thải mỏ than Khe Chàm I Nước suối có mức độ ô nhiễm cao 55 56 56 56 ... liên quan tới nước mỏ bục nước, ngập mỏ, nước thải axít ăn mòn, nước thải ô nhiễm… Công tác nghiên cứu nước mỏ cách xử lý nước thải tiến hành nhiều nơi giới Có hai hướng nghiên cứu nước thải mỏ. .. công trình nghiên cứu TS Nguyễn Văn Chi nước thải mỏ số mỏ than hầm lò Quảng Ninh 1.3.2 Ở sở sản xuất mỏ than Cho đến nay, việc nghiên cứu nước thải mỏ than xây dựng công trình xử lý nước thải. .. 7 Ngoài nghiên cứu nước thải mỏ có tính axit, người ta nghiên cứu thành phần khác nước thải mỏ BOD, COD, TSS, Coliform,… Về ảnh hưởng nước thải mỏ hoạt động khai thác (trong có nước thải mang