Biên giới khai thác lộ thiên mỏ sắt Thạch Khê và quan điểm chia giai đoạn áp dụng bờ dừng tạm

1. Các điều kiện khai thác mỏ Thạch Khê

1.1. Trữ lượng địa chất mỏ

Bảng 1: Trữ lượng địa chất mỏ Thạch Khê

1.2. Đặc điểm địa chất công trình

Đặc điểm địa chất công trình của mỏ rất phức tạp, gồm có 3 tổ hợp đất đá: yếu, chắc, trung bình và cứng chắc.

- Tổ hợp đất đá yếu có chiều dày từ 26 – 227 m, liên kết các tầng trầm tích cát rời rạc tơi xốp kỷ Đệ tứ và trầm tích sét cát mềm yếu Neogen. Chúng bao phủ toàn bộ diện tích mỏ, nằm vây quanh thân quặng và phủ lên trên quặng và đá cứng.

- Tổ hợp đất đá cứng trung bình liên kết vùng rạn nứt phong hoá trong vùng đá vôi có cacstơ, vùng tiếp xúc đá granit với đá sừng, độ sâu phân bố từ 100 – 400 m.

- Tổ hợp đất đá cứng, là những lớp trầm tích đặt sít, những khối đá granít cứng chắc những vùng đá vôi chưa bị phong hoá.

Kết quả nghiên cứu cho thấy điều kiện địa chất công trình khai thác mỏ rất phức tạp bởi các nguyên nhân: tồn tại những lớp trầm tích kỷ Neogen và Đệ tứ dày rất yếu, có nguy cơ trượt lún và trượt trôi trong lớp sét mềm yếu, nguy cơ trượt lở, trôi mép tầng và bở mỏ trên toàn bộ bề mặt lớp cát khi có mưa lớn và gió bão; có sự phá vỡ kiến tạo của đất đá cứng trở thành bở vụn, có cacstơ, gây nguy cơ bục nước bờ mỏ và gây trượt sập lớn; có các mặt yếu phân lớp rất lớn gây nguy cơ trượt trôi mặt dốc bờ mỏ.

1.3. Đặc điểm địa chất thuỷ văn

Đặc điểm địa chất thuỷ văn của mỏ Thạch Khê cũng rất phức tạp, do nước có liên kết thuỷ lực, moong khai thác kề bờ biển Vịnh Bắc Bộ cách chu tuyến moong 0,5 km, cách sông Thạch Đồng 2 km, khí hậu vùng phức tạp, mưa bão lớn theo mùa và kéo dài. Khi lập “Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi dự án khai thác, tuyển và chế biến quặng sắt mỏ Thạch Khê Hà Tĩnh (năm 2004), các chuyên gia CHLB Nga bằng phương pháp mô hình hoá, ứng dụng chương trình Modflow của chương trình GMS đã mô hình hoá việc thấm tĩnh và thấm động trên đất đá không đồng nhất, độ sâu đáy moong mô hình hoá – 450 m, độ sâu kết thúc khai thác lộ thiên tính toán được là – 370m. Kết quả tính toán lượng nước chảy vào mỏ bằng mô hình hoá (không có các công trình tháo khô) như bảng 2.

2. Xác định biên giới mỏ lộ thiên

Việc xác định biên giới mỏ lộ thiên khi lập BCNC tiền khả thi năm 2004 đã được các chuyên gia CHLB Nga tiến hành nhờ ứng dụng chương trình NPV Scheduler của Đức và mô hình hoá khối nhỏ (15x20x20 m). Đối với mỗi địa khối, chương trình sẽ xác định tính toán theo các số liệu đầu vào như sau. Các giá trị không biến đổi gồm có: Giá bán quặng, chất lượng tinh quặng, các chi phí chế biến (tuyển khoáng, vê viên, tạo cục, chi phí chung, chi phí thương mại, các loại thuế).

Các giá trị biến đổi theo độ sâu khai thác gồm có: giá thành khai thác Cp = 35,8 + 0,07H, Rup; giá thành bóc đất đá cứng: Cp = 28 + 0,09H, Rup; giá thành bóc đất đá xốp: Cp = 29,38 + 0,11H, Rup. Trong đó: H - Độ sâu khai thác, m.

Độ sâu đáy moong được xác định trong báo cáo là dựa trên nguyên tắc tổng lợi nhuận cực đại đạt được từ việc khai thác và tuyển quặng đại đạt được từ việc khai thác và tuyển quặng manhetit giàu và quặng ôxy hoá giàu để có được sản phẩm tinh quặng cho sản xuất quặng thiêu kết hoặc là quặng vê viên. Kiểm tra sự thay đổi trữ lượng trong moong khai thác khi đưa đáy mỏ xuống sâu như bảng 3.

Sau khi xác định được biên giới khai thác lộ thiên có tổng lợi nhuận cực đại (NPV max), các nhà tư vấn đã xác lập kế hoạch đầu tư xây dựng mỏ và sản xuất một giai đoạn về không gian, thời gian, vốn xây dựng ban đầu từ điểm mở mỏ trên mặt (năm thứ nhất xây dựng cơ bản) đến kết thúc mỏ đạt độ sâu cuối cùng là - 370 m. Thời gian tồn tại của mỏ khi sản lượng 5 triệu tấn tinh quặng/năm sẽ là 58 năm, trong đó thời gian xây dựng cơ bản là 6 năm, 1 năm chuẩn bị đạt sản lượng.

3. Quan điểm về chia giai đoạn biên giới khai thác lộ thiên mỏ Thạch Khê

3.1. Quan điểm của Vụ thẩm định dự án xây dựng và công trình thuộc Uỷ ban Nhà nước CHLB Nga

Kết quả thẩm định cho rằng: “... Trong báo cáo tiền khả thi cần phải xác định phạm vi triển vọng tối đa của khai thác lộ thiên, sau đó chọn ra phạm vi moong khai thác trước tiên đối với trữ lượng quặng sắt giầu, đảm bảo khai thác bởi công suất ổn định trong vòng 20 - 25 năm. Đáy của moong giai đoạn này sẽ không thấp hơn - 190m. Độ sâu đáy moong ban đầu đến - 180 m, cho phép không giảm công suất khai thác quặng của mỏ là 5 triệu tấn/năm mà giảm được 10% khối lượng công tác cơ bản, và còn giảm được 10 - 12% khối lượng bóc đất hàng năm của thời đoạn này. Sau 15 - 20 năm kể từ khi bắt đầu khai thác moong có thể chuyển sang xây dựng mỏ giai đoạn 2...”

3.2. Nghiên cứu của Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim

Năm 1989 một số chuyên gia của Viện Nghiên cứu Mỏ và Luyện kim (nay là Viện KH&CN Mỏ - Luyện kim) sau khi lập Dự án gọi vốn đầu tư nước ngoài mỏ Thạch Khê, đã nghiên cứu xem xét thêm về biên giới cuối cùng khai thác lộ thiên theo tiêu chuẩn tổng lợi nhuận hiện tại thực lớn nhất NPV → Max, và NPV → 0 (hoặc là xí nghiệp khai thác mỏ có hiệu quả trên vốn đầu tư là lớn nhất, hoặc là tiết kiệm tài nguyên và kinh doanh hoà vốn quy chuyển). Các chuyên gia đã cho rằng biên giới cuối cùng của mỏ có sự phụ thuộc vào sản lượng và có thể từ - 400 m đến sâu hơn - 500 m. Do còn nhiều hạn chế về sử dụng công nghệ tin học lúc đó nên kết quả nghiên cứu có thể dao động đáng kể.

Sau khi xác định chiều sâu kết thúc khai thác lộ thiên bằng (có thể sâu hơn) - 400 m, nhóm nghiên cứu đã thiết kế các bình đồ phân tầng chi tiết, xuất phát trên mặt mỏ là tầng - 10 m, chiều cao các tầng h = 15 m, và tầng cuối cùng đạt cốt - 400 m. Trên bình đồ phân tầng bố trí hào mở vỉa, hào vận tải. Tính toán khối lượng quặng (gốc giầu, và deluvi riêng rẽ), lượng đất đá trong biên giới với 2 chế độ công tác có góc ở bờ công tác: Φ = 15 và Φ = 0. Vẽ biểu đồ V = f (P), phân tích biểu đồ V = f (P); Thiết kế sự phát triển của moong khai thác lộ thiên thành 3 giai đoạn.

Giai đoạn 1 có độ sâu đáy moong đạt cốt - 160 m, hào mở vỉa bám lộ vỉa đầu phía Bắc của mỏ, xuất phát của hào ban đầu khoảng từ tuyến T79 - T84. Các thông số của hệ thống khai thác đảm bảo bố trí thiết bị và đạt sản lượng 5 triệu tấn tinh quặng/năm. Khối lượng bóc đất ban đầu Vo = 21 triệu m ³, hệ số bóc sản xuất bình quân giai đoạn 1 bằng 5,15 m ³/m ³.

Giai đoạn 2 có cốt đáy moong cuối giai đoạn đạt cốt - 250 m. Để công tác khai thác bình thường và hệ số bóc sản xuất bình ổn, cần bắt đầu cải tạo bờ moong Vo ₂= 28 triệu m ³, trữ lượng quặng khai thác được trong biên giới tạm đạt 20,3 triệu m ³(thể trọng của quặng γ = 4,18 tấn/m ³), trữ lượng đất bóc thải đạt 126,9 triệu m ³, hệ số bóc sản xuất bình ổn của giai đoạn 2 = 4,88 m ³/m ³. Giai đoạn 1 tồn tại > 20 năm. Giai đoạn 3 đạt biên giới kết thúc khai thác lộ thiên tính toán - 400 m. Khối lượng bóc đất cải tạo bờ dừng tạm bằng 39 triệu m3, hệ số bóc sản xuất bình ổn giai đoạn 3 bằng 4,80 m ³/m ³.

Nhờ có áp dụng bờ dừng tạm mà khối lượng xây dựng mỏ ban đầu (bóc đất mở vỉa) giảm đáng kể như nêu trên và đẩy lùi về thời đoạn sau gần 10 năm.

Chi phí đầu tư các giếng khoan sâu hạ thấp mực nước cũng được đẩy lùi về thời đoạn sau. Chi phí sản xuất khi áp dụng bờ dừng tạm được giảm ở giai đoạn đầu do mặt mỏ hẹp làm giảm chi phí điện năng rất đáng kể dùng cho bơm nước mưa.

3.3. Nghiên cứu của Sun Global Mining Co., LTD

Năm 2005 các chuyên gia nghiên cứu về mỏ của công ty khi lập đề án đã trình bày quan điểm: Dựa vào thế phân bố quặng xác định biên giới khai thác toàn bộ khu mỏ từ độ sâu - 375 m trở lên khai thác lộ thiên, phần còn lại - 375 m trở xuống sẽ khai thác hầm lò. Việc khai thác phân thành 3 giai đoạn: giai đoạn 1 khai thác với biên giới hẹp lộ thiên, giai đoạn 2 khai thác biên giới rộng lộ thiên (biên giới kết thúc), giai đoạn 3 khai thác hầm lò.

Để đạt được mục tiêu khai thác đạt sản lượng sớm nhất, tạm thời gác lại công việc bóc đất đá ở các tầng khai thác phía Đông trong giai đoạn thứ nhất. Khi khai thác gặp quặng và đạt được công suất thiết kế mới quay lại bóc tác đất đá mở rộng tầng và đẩy nhanh tốc độ xuống sâu, tránh không để biên giới tạm bị “khai thác chết”. Từ năm thứ 6 bắt đầu mở rộng biên giới hẹp, từ năm thứ 17 mở rộng biên giới giai đoạn 2.

Ngay từ năm thứ 3, lượng quặng khai thác được đã đạt 3,8 triệu tấn; khối lượng đất đá bóc năm thứ nhất và thứ 2 xây dựng mỏ và kể cả năm thứ 3 là 60,2 triệu tấn (khoảng > 23 triệu m ³).

Những năm sản xuất bình ổn (từ năm thứ 6 trở đi), sản lượng khai thác biên giới hẹp và biên giới rộng đều đạt > 10 triệu tấn/năm.

4. Kết luận

- Do tại mỗi thời điểm nghiên cứu và tính toán có sự khác nhau ở mức độ tiến bộ về KHCN, phương tiện thiết bị và sự phát triển của công nghệ thông tin dẫn đến các con số của kết quả tính toán cụ thể có sự chênh lệch nhất định.

- Các đơn vị nghiên cứu nêu ra ở trên đều đồng nhất một quan điểm: Mỏ Thạch Khê được khai thác lộ thiên với biên giới cuối cùng dao động trong khoảng từ 375 m (theo chỉ tiêu đánh giá tổng lợi nhuận cao nhất) đến 550 m (theo quan điểm tiết kiệm tài nguyên).

- Điều chú ý là giải pháp chia giai đoạn áp dụng bờ dừng tạm được các nhà nghiên cứu đặt vấn đề và tìm các giải pháp để thiết kế cơ sở ứng dụng, mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí và thời gian đầu tư.

- Nhà đầu tư Mỏ sắt Thạch Khê cần quan tâm tạo điều kiện và khuyến khích các nhà khoa học trong nước tiếp tục nghiên cứu sâu thêm về biên giới mỏ Thạch Khê và các giải pháp tối ưu để đạt được mục đích đầu tư hiệu quả cao nhất. Hiện nay, bằng cách phương tiện thiết bị và công nghệ thông tin hiện đại, có thể cho ra được kết quả chính xác, tin cậy, làm cơ sở chắc chắn cho chiến lược đầu tư xây dựng mỏ Thạch Khê trong tầm tay, phát triển sản xuất có hiệu quả cao nhất và bền vững.