Luận án Nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông ở Việt Nam nhằm đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và phục vụ công tác quản lý

Nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông ở Việt Nam nhằm đảm bảo an toàn, bảo vệ môi trường và phục vụ công tác quản lý

1. i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG Ở VIỆT NAM NHẰM ĐẢM BẢO AN TOÀN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG VÀ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017
2. ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN XUÂN QUANG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG Ở VIỆT NAM NHẰM ĐẢM BẢO AN TOÀN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG VÀ PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ Ngành: Khai thác mỏ Mã số: 62.52.06.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. HỒ SĨ GIAO 2. TS. LẠI HỒNG THANH HÀ NỘI - 2017
3. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ TRONG LUẬN ÁN ........................................ viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN ....................................................... ix MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...................................................................................... 1 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 1 3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................... 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................................................ 2 5.1. Ý nghĩa khoa học: ...................................................................................................... 2 5.2. Ý nghĩa thực tiễn: ....................................................................................................... 2 6. Những luận điểm bảo vệ ................................................................................................ 2 7. Những điểm mới của luận án ......................................................................................... 3 8. Bố cục của luận án ........................................................................................................ 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI .................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát lòng sông trên thế giới và Việt Nam .................. 6 1.1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát trên thế giới .................................................... 6 1.1.2. Tổng quan về tình hình khai thác, sử dụng cát tại Việt Nam ..................................... 7 1.2. Tổng quan công nghệ khai thác cát lòng sông ............................................................ 10 1.2.1. Công nghệ khai thác cát lòng sông bằng các thiết bị cơ giới .................................... 10 1.2.1.1. Khai thác bằng máy xúc thủy lực gầu ngược ........................................................ 10 1.2.1.2. Khai thác bằng máy xúc gầu thuận ....................................................................... 11 1.2.1.3. Khai thác bằng máy xúc gầu ngoạm hoặc máy xúc gầu treo ................................. 12
4. iv 1.2.1.4. Khai thác bằng tàu cuốc ....................................................................................... 13 1.2.2. Công nghệ khai thác cát lòng sông bằng các thiết bị thủy lực .................................. 15 1.2.2.1. Khai thác bằng bơm bùn ...................................................................................... 15 1.2.2.2. Khai thác bằng tàu hút bùn .................................................................................. 17 1.2.3. Công nghệ khai thác hỗn hợp .................................................................................. 18 1.3. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu công nghệ khai thác cát lòng sông ................... 18 1.4. Kết luận Chương 1 .................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ TỰ NHIÊN - KĨ THUẬT ẢNH HƯỞNG ĐẾN VÙNG XÓI LỞ KHI KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG .................................... 24 2.1. Cơ sở lý thuyết về sự hình thành vùng xói lở đất đá khi khai thác cát dưới lòng sông 24 2.1.1. Xác định các thông số vùng xói lở phía hạ nguồn ................................................... 28 2.1.2. Xác định các thông số vùng xói lở phía thượng nguồn ............................................ 31 2.1.3. Xác định các thông số khối trầm tích trong ranh giới khai trường ........................... 33 2.2. Thực nghiệm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến vùng xói lở ................................ 34 2.2.1. Mô hình thực nghiệm ............................................................................................. 34 2.2.2. Quá trình thực hiện công tác nghiên cứu ................................................................. 35 2.2.3. Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên – kĩ thuật ảnh hưởng đến vùng xói lở ..................... 36 2.2.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy ......................................................................... 36 2.2.3.2. Ảnh hưởng của đường kính cỡ hạt ....................................................................... 38 2.2.3.3. Ảnh hưởng của độ dốc lòng sông ......................................................................... 40 2.2.3.4. Ảnh hưởng của chiều dài khai trường .................................................................. 41 2.2.3.5. Ảnh hưởng của chiều sâu khai trường .................................................................. 43 2.3. Thiết lập sự phụ thuộc bán kính vùng xói lở với các thông số tự nhiên - kĩ thuật ........ 45 2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 48 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ KHAI THÁC ĐẢM BẢO HIỆU QUẢ KINH TẾ VÀ GIẢM THIỂU VÙNG XÓI LỞ ............................................................................ 50 3.1. Khái quát về tiềm năng cát lòng sông ở Việt Nam ..................................................... 50 3.1.1. Tiềm năng, trữ lượng cát xây dựng ......................................................................... 50
5. v 3.1.2. Nguồn gốc thành tạo và đặc điểm phân bố .............................................................. 55 3.1.3. Đặc điểm địa chất một số mỏ cát dưới lòng sông .................................................... 56 3.1.4. Dự báo nhu cầu khai thác, sử dụng cát lòng sông ở Việt Nam ................................. 61 3.1.5. Cân đối cung – cầu cát xây dựng ............................................................................ 61 3.2. Phân loại mỏ phục vụ công tác lựa chọn công nghệ khai thác .................................... 62 3.3. Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ khai thác phù hợp điều kiện Việt Nam .................. 63 3.3.1. Công nghệ khai thác bằng máy xúc thủy lực gàu ngược .......................................... 64 3.3.2. Công nghệ khai thác bằng tầu hút bùn .................................................................... 69 3.4. Lựa chọn đồng bộ thiết bị khai thác ........................................................................... 74 3.5. Tính toán minh họa về khoảng cách an toàn cho mỏ cát trên sông Tiền, đoạn gần cầu Mỹ Thuận, thuộc địa phận tỉnh Vĩnh Long ....................................................................... 82 3.5.1. Đặc điểm khu vực tính toán .................................................................................... 82 3.5.2. Chế độ dòng chảy ................................................................................................... 83 3.5.3. Tài nguyên cát ........................................................................................................ 83 3.6. Kết luận Chương 3 .................................................................................................... 86 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN CÁT LÒNG SÔNG Ở VIỆT NAM ................................................................. 88 4.1. Thực trạng công tác quản lý khai thác cát lòng sông .................................................. 88 4.1.1. Khái quát chung ..................................................................................................... 88 4.1.2. Thực trạng hệ thống chính sách, pháp luật đối với hoạt động quản lý khai thác cát lòng sông ......................................................................................................................... 89 4.1.2.1. Ưu điểm ............................................................................................................. 90 4.1.2.2. Tồn tại, hạn chế .................................................................................................. 91 4.1.3. Hiện trạng công tác cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sông ............................... 97 4.2. Cơ sở khoa học và thực tiễn để đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên cát lòng sông ...................................................................................................... 100 4.2.1. Sự thay đổi chế độ thủy văn và bán kính vùng phá hủy ......................................... 100 4.2.2. Sự thay đổi trữ lượng mỏ ...................................................................................... 100
6. vi 4.2.3. Cơ sở về hệ thống chính sách, pháp luật về quản lý tài nguyên cát lòng sông ........ 101 4.3. Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên cát lòng sông ............... 102 4.3.1. Về vấn đề kỹ thuật ................................................................................................ 102 4.3.1.1. Đối với công tác thăm dò, đánh giá trữ lượng ....................................................102 4.3.1.2. Đối với công tác thiết kế khai thác mỏ ...............................................................103 4.3.1.3. Đối với công nghệ khai thác ..............................................................................103 4.3.2. Về vấn đề quản lý ................................................................................................. 104 4.3.3. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo...................................................................... 105 4.4. Kết luận Chương 4 .................................................................................................. 106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................ 108 1. Kết luận ..................................................................................................................... 108 2. Kiến nghị ................................................................................................................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 110 CÁC CÔNG TRÌNH CÓ LIÊN QUAN CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ........................ 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 118
7. vii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả đề xuất trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Xuân Quang
8. viii DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU ĐỒ TRONG LUẬN ÁN Bảng 1.1 Khối lượng khai thác vật liệu đáy sông ở thượng lưu sông Mekong Bảng 1.2. Quy hoạch công suất và sản lượng cát xây dựng Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật một số loại tàu cuốc 1 gầu Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật của một số máy bơm bùn có công suất lớn Bảng 1.5. Phạm vi sử dụng các loại thiết bị khai thác cát lòng sông Bảng 2.1. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ dòng chảy đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.2. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước cỡ hạt đất đá đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.3. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc lòng sông đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.4. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dài khai trường đến bán kính vùng xói lở Bảng 2.5. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của chiều sâu khai trường đến bán kính vùng xói lở Bảng 3.1: Trữ lượng cát xây dựng ở các vùng Bảng 3.2 Bảng thống kê và tính giá trị trung bình thành phần độ hạt cát sỏi sông Gâm thuộc các Xuân Quang, xã Ngọc Hội, thị trấn Vĩnh Lộc Bảng 3.3. Kích thước độ hạt của cát sỏi tại khu vực xã Trị Quận, huyện Phù Ninh, tỉnh Phú Thọ Bảng 3.4: Thành phần độ hạt mỏ cát trên sông Tiền Bảng 3.5: Nhu cầu cát xây dựng ở Việt Nam đến 2015 và đến 2020
9. ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRONG LUẬN ÁN Hình 1.1. Khai thác cát lòng sông bằng máy xúc thuỷ lực gàu ngược Hình 1.2. Công nghệ khai thác tại các bãi cát nổi một phần và nổi hoàn toàn bằng máy xúc gầu thuận đặt trên tầu (phà) nổi Hình 1.3. Khai thác cát lòng sông tại Liên bang Nga và Ukraina Hình 1.4. Sơ đồ hoạt động của tàu cuốc 1 gầu hoạt động theo nguyên lý chu kỳ Hình 1.5. Sơ đồ công nghệ khai thác các mỏ cát có chiều sâu ngập nước lớn Hình 1.6. Mô hình khai thác cát bằng bơm bùn lắp trên phà nổi (a) và bằng bơm bùn lắp trên máy xúc thủy lực (b) Hình 1.7. Sơ đồ bố trí thiết bị trên tàu hút Hình 1.8. Công nghệ khai thác theo chiều sâu khai thác 19 Hình 1.9. Trình tự khai thác của tàu hút bùn Hình 1.10. Mô tả hình sự hình thành dòng bùn khi hướng khai thác xuôi dòng (a) và ngược dòng chảy (b) Hình 2.1. Sơ đồ hình thành vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn khi khai thác cát dưới lòng sông Hình 2.2. Sơ đồ biểu hiện sự thay đổi của các thông số thủy văn và vùng xói lở khi khai thác khoáng sản dưới lòng sông Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý hình thành vùng chuyển động xoáy của dòng chảy tại ranh giới thượng nguồn là hạ nguồn Hình 2.4. Sơ đồ xác định các thông số vùng xói lở phía hạ nguồn Hình 2.5. Sơ đồ xác định các thông số vùng xói lở phía thượng nguồn Hình 2.6. Sơ đồ hình thành vùng xói lở và trầm tích đất đá tại phía thượng nguồn khai trường (a) và phía hạ nguồn khai trường (b) Hình 2.7. Mô hình thực nghiệm nghiên cứu vùng xói lở khi khai thác cát dưới lòng sông Hình 2.8. Minh họa hình ảnh trước (a) và sau thực nghiệm (b)
10. x Hình 2.9. Sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn vào tốc độ dòng chảy Hình 2.10. Sự phụ thuộc của bán kính vùng phá hủy phía thượng nguồn và hạ nguồn vào đường kính cỡ hạt đất đá Bảng 2.3. Các thông số thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của độ dốc lòng sông đến bán kính vùng xói lở Hình 2.11. Sự phụ thuộc của bán kính vùng phá hủy phía thượng nguồn và hạ nguồn vào độ dốc lòng sông Hình 2.12. Sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở vào chiều dài khai trường Hình 2.13. Sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở vào chiều sâu khai thác Hình 2.14. Sơ đồ xác định điểm bán kính vùng sạt lở phía thượng nguồn Hình 3.1. Bản đồ phân bố các hệ thống sông ở Việt Nam Hình 3.2. Đặc điểm các vùng của lưu vực sông Hình 3.2. Sơ đồ công nghệ khai thác các mỏ cát sa khoáng khu vực vùng thượng nguồn bằng máy xúc thủy lực gàu ngược lắp trên phà nổi Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý xác định chiều sâu xúc của máy xúc thủy lực gàu ngược khi đặt trên phà nổi Hình 3.5. Sơ đồ công nghệ khai thác cát dưới lòng sông bằng tầu hút bùn Hình 3.6. Sơ đồ xác định chiều rộng gương công tác của tàu hút bùn Hình 4.1 – Sơ đồ quy trình quản lý, cấp phép thăm dò, khai thác cát lòng sông