Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:133

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác, trình từ khai thác đảm bảo hiệu quả kinh tế và hạn chế vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp về góp phần nâng cao hiệu quả công tác quản lý Nhà nước đối với hoạt động khai thác cát lòng sông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: 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

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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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
1 MỞ ĐẦU Trong sự nghiệp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, đặc biệt là giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, ngành công nghiệp khai khoáng giữ vai trò quan trọng, góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng kinh tế cả về chiều sâu lẫn chiều rộng. Việt Nam là quốc gia có tiềm năng về tài nguyên khoáng sản làm vật liệu xây dựng. Trong đó, cát lòng sông là loại khoáng sản đang có nhu cầu lớn, phục vụ đắc lực cho ngành xây dựng, giao thông, thủy lợi và các ngành kinh tế khác. Theo dự báo, nhu cầu sử dụng cát có xu thế tăng nhanh trong thời gian tới. Trong những năm qua, hoạt động khai thác cát lòng sông đem lại nhiều lợi ích thiết thực, song cũng tác động tiêu cực đến môi trường như: gây xói lở bờ sông, đe dọa đến độ an toàn của giao thông đường thủy và các công trình xung quanh. Nguyên nhân của vấn đề này là quy mô khai thác nhỏ, công nghệ khai thác, trình tự khai thác và thiết bị khai thác chưa phù hợp với điều kiện mỏ. Bên cạnh đó, công tác quản lý, cấp quyền khai thác chưa gắn liền với các kết quả nghiên cứu khoa học và chưa xem xét tác động của hoạt động khai thác tới môi trường xung quanh. Xuất phát từ những bất cập nêu trên, việc lựa chọn đề tài của luận án tiến sĩ "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" là cần thiết và cấp bách nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nâng cao mức độ an toàn, giảm ô nhiễm môi trường, sử dụng hiệu quả, bền vững tài nguyên cát lòng sông. 1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu đề xuất công nghệ khai thác, trình từ khai thác đảm bảo hiệu quả kinh tế và hạn chế vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn. - Nghiên cứu đề xuất các giải pháp về góp phần nâng cao hiệu quả công tác quản lý Nhà nước đối với hoạt động khai thác cát lòng sông. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các mỏ cát nằm dưới lòng sông thuộc khu vực miền núi, trung du và hạ nguồn. Phạm vi nghiên cứu là tác động của hoạt động khai thác cát dọc theo dòng chảy của sông.
2 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu, phân tích tổng quan về công nghệ khai thác cát lòng sông tại Việt Nam và trên thế giới; - Nghiên cứu đặc điểm thành tạo và phân bố của các mỏ cát dưới lòng sông; - Nghiên cứu quy luật xói lở đất đá dưới tác động của hoạt động khai thác theo dọc theo dòng chảy của sông, xây dựng mối quan hệ bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn với các yếu tố tự nhiên – kĩ thuật; - Nghiên cứu đề xuất hoàn thiện công nghệ khai thác, trình tự khai thác và lựa chọn đồng bộ thiết bị đảm bảo hiệu quả kinh tế cho các doanh nghiệp và hạn chế vùng xói lở đất đá; - Đề xuất các giải pháp quản lý nhà nước trong lĩnh vực khai thác cát dưới lòng sông. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa để phát triển, hoàn thiện; - Sử dụng phương pháp giải tích, mô hình hoá toán và thực nghiệm; - Phương pháp phân tích, chọn lọc so sánh và kinh nghiệm chuyên gia. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5.1. Ý nghĩa khoa học: 1. Xây dựng được các sơ đồ công nghệ khai thác phù hợp với các mỏ cát lòng sông khu vực trung du - miền núi và các mỏ cát lòng sông khu vực hạ lưu. 2. Đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên, cấp quyền khai thác khoáng sản nhằm tăng cường hiệu quả công tác quản lý nhà nước đối với hoạt động khai thác cát lòng sông. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án giúp cho các đơn vị khai thác có giải pháp để hoàn thành kế hoạch sản xuất, đáp ứng yêu cầu thị trường và giúp các cơ chức năng xây dựng các chính sách quản lý hoạt động khai thác cát lòng sông nhằm sử dụng hợp lý tài nguyên khoáng sản, gắn liền với bảo vệ môi trường. 6. Những luận điểm bảo vệ 6.1. Bán kính vùng xói lở phía thượng nguồn và hạ nguồn khai trường chịu
3 ảnh hưởng của tính chất cơ lý đất đá và các thông số hình học của mỏ. Trong đó, các yếu tố cơ bản chi phối mạnh mẽ đến vùng xói lở đất đá là tốc độ dòng chảy, chiều sâu khai trường và đường kính cỡ hạt. 6.2. Tốc độ dòng chảy là nhân tố làm kéo dài cung độ vận tải, làm lệch hướng di chuyển của tầu chở cát, thời gian chu kì vận tải và dung tích tầu chở cát. 6.3. Điều kiện phân bố mỏ, ảnh hưởng của hoạt động khai thác đến môi trường xung quanh là cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý nhà nước đối với cát lòng sông. 7. Những điểm mới của luận án 7.1. Thiết lập được sự phụ thuộc của bán kính vùng xói lở đất đá phía thượng nguồn và hạ nguồn khai trường với tốc độ dòng chảy, chiều sâu mỏ và đường kính cỡ hạt đất đá trên cơ sở nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến vùng xói lở bằng phương pháp mô hình mô phỏng. 7.2. Phân loại các mỏ cát dưới lòng sông theo nguồn gốc thành tạo và tốc độ xói lở làm cơ sở phân tích lựa chọn công nghệ và thiết bị khai thác hợp lý đáp ứng sản lượng yêu cầu của các mỏ cát lòng sông ở Việt Nam. 7.3. Xây dựng sơ đồ công nghệ khai thác kết hợp với sàng tách đá tảng, cuội sỏi trực tiếp vào bãi thải trong, cho phép giảm khối lượng vận tải và hạn chế ảnh hưởng của hoạt động khai thác tới môi trường đối với các mỏ cát có lẫn cuội, tảng, sỏi khu vực trung du, miền núi. 7.4. Thiết lập mối quan hệ giữa lưu lượng tầu hút cát và dung tích tầu chở cát trong điều kiện ảnh hưởng của dòng chảy. 7.5. Đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên, cấp quyền khai thác cát lòng sông phù hợp điều kiện Việt Nam dựa trên các kết quả nghiên cứu về vùng xói lở đất đá và công nghệ, trình tự khai thác. 8. Bố cục của luận án Luận án ngoài phần mục lục và danh mục các bảng, biểu, hình vẽ gồm 114 trang đánh máy khổ A4; 15 biểu, bảng; 30 hình vẽ, ảnh chụp minh hoạ; 55 văn liệu tham khảo và các bản vẽ kèm theo. Bố cục của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 4 chương:
4 Chương 1: Tổng quan về công nghệ khai thác cát lòng sông tại Việt Nam và trên thế giới Chương 2: Nghiên cứu các yếu tố tự nhiên – kỹ thuật ảnh hưởng đến vùng xói lở khi khai thác cát lòng sông. Chương 3: Nghiên cứu công nghệ khai thác đảm bảo hiệu quả và giảm thiểu tác động đến vùng xói lở. Chương 4: Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên cát lòng sông ở Việt Nam.
5 LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Hồ Sĩ Giao và TS. Lại Hồng Thanh. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, phương pháp nghiên cứu, liên tục quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tác giả các công trình công bố ở trích dẫn trong luận án vì đã cung cấp nguồn tư liệu quý báu, những kiến thức liên quan trực tiếp trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Bộ môn Khai thác lộ thiên, Khoa Mỏ, các Phòng, Ban của nhà trường đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành chương trình học tập, nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học như PGS.TS. Bùi Xuân Nam, PGS.TS. Nguyễn Phương, TS. Lê Văn Quyển, TS. Vũ Đình Hiếu đã có những chỉ dẫn về khoa học và giúp đỡ, góp ý để luận án được hoàn thiện. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ của các chuyên gia, các nhà khoa học thuộc Bộ Tài nguyên và môi trường, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, Bộ Xây dựng, Tổng cục Địa chất và Khoáng sản Việt Nam, Viện Khoa học và Công nghệ Mỏ – Vinacomin, các doanh nghiệp khai thác cát tỉnh Đồng Tháp, Tiền Giang, thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Nghệ An, Tuyên Quang, Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Hà Nội và các đồng nghiệp đã góp ý, giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với những người thân trong gia đình đã động viên, khích lệ và chia sẻ khó khăn với tác giả trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tác giả luận án Nguyễn Xuân Quang
6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHAI THÁC CÁT LÒNG SÔNG TẠI VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát lòng sông trên thế giới và Việt Nam 1.1.1. Tổng quan về tình hình khai thác cát trên thế giới Ở các nước phát triển như Nga, Mỹ, Úc, Hà Lan, Ý … hoạt động khai thác cát lòng sông diễn ra nhịp nhàng và hiệu quả cao. Các mỏ thường có quy mô công suất lớn, đồng bộ thiết bị hiện đại. Công tác bảo vệ môi trường trong quá trình khai thác được chú trọng, hoàn thiện. Chính bởi hoạt động khai thác cát làm ảnh hưởng lớn tới môi trường, hệ sinh thái sông và điều kiện xã hội … vì vậy các nước phát triển đã ra nhiều cơ chế chính sách và tổ chức lại các cơ quan quản lý đối với các hoạt động này kể từ khâu thăm dò, quy hoạch, cấp phép khai thác, kiểm tra, hậu kiểm v.v… một cách chặt chẽ. Ví dụ như ở Mỹ, việc quản lý hoạt động khai thác cát lòng sông được giao cho quân đội, ở Úc được giao cho Ủy ban quản lý lưu vực sông … [15], [16]. Trong khi đó, ở các quốc gia đang phát triển như Trung Quốc, Myanma, Ấn Độ, Malaysia v.v…hoạt động khai thác cũng còn tồn tại nhiều bất cập, đặc biệt là lĩnh vực bảo vệ môi trường và khắc phục hậu quả công tác khai thác vẫn còn yếu kém. Ví dụ: Tại Trung Quốc: Trung Quốc là quốc gia có sản lượng khai thác cát lòng sông hàng năm rất lớn. Hoạt động khai thác cát phổ biến trên các con sông, trong đó sông Dương Tử là sông có hoạt động khai thác diễn ra sôi động, tại đây khai thác cát bắt đầu đươc khai thác từ đầu những năm 1970 với hàng trăm doanh nghiệp, tổ chức khai thác với quy mô lớn, nhỏ khác nhau. Quy mô sản lượng, tốc độ khai thác trên sông gắn liền với tốc độ phát triển đô thị hóa của khu vực. Thiết bị khai thác đa dạng với công suất lớn đến 500 tấn/giờ [16]. Tình trạng khai thác cát lòng sông ồ ạt đã gây nhiều hậu quả như xấu như: nhiều đoạn đê chống lũ vùng cửa sông bị xói lở, đặt các vùng đất thấp phía hạ du vào tình trạng nguy hiểm. Mặt khác, lòng dẫn diễn biến xói bồi không theo quy luật, tình trạng tranh dành mỏ, cạnh tranh thị trường, tai nạn giao thông thủy v.v…diễn ra phức tạp.
7 - Tại Ấn Độ: Trung bình mỗi năm có khoảng 11,73 triệu tấn cát, sỏi được khai thác từ 7 con sông ở phía Tây Nam của Ấn Độ và 0,4 triệu tấn cát từ các vùng bãi ngập lũ. Sản lượng khai thác hàng năm cao gấp gần 40 lần lượng cát bồi lắng tự nhiên. Hoạt động khai thác cát lòng sông tự phát, thiếu quy hoạch đã làm lòng sông bị hạ thấp với tốc độ 7÷15 cm/năm trong vòng 20 năm trở lại đây. Hậu quả là gây thiệt hại nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên của hệ thống sông. Thảm thực vật, hệ sinh thái sông đã bị thay đổi lớn, nguồn thức ăn, môi trường sống, và các loại động vật dưới sông giảm đi rõ rệt [16]. - Tại các nước Đông Nam Á: Thực trạng hoạt động sỏi diễn ra rất phổ biến ở các nước Lào, Thái Lan và Campuchia. Khối lượng khai thác các loại vật liệu lòng sông (cát, sỏi, đá) ở một số đoạn sông điển hình được biểu diễn trong bảng 1.1, trong đó, sản lượng cát khoảng trên 23 triệu m3/năm, chiếm 86.5%. Campuchia là nước khai thác cát nhiều nhất trên sông Mekong. Tại khu vực sông Cửu Long, cường độ khai thác tương đối cao, hàng năm có khoảng 28 triệu m3 cát được khai thác [15], [16]. Bảng 1.1. Khối lượng khai thác cát ở thượng lưu sông Mekong [16] TT Vị trí khai thác Khối lượng khai thác (m3/năm) 1 Thượng lưu Vientiane 87.000 2 Vientiane - Savanaketh 4.154.000 3 Savanaketh - Champasak 31.000 4 Campuchia: thượng lưu Kongpong Cham 580.000 5 Campuchia - Biên giới Việt Nam 18.0160.000 6 Tổng cộng 23.012.000 1.1.2. Tổng quan về tình hình khai thác, sử dụng cát tại Việt Nam Việt Nam là quốc gia có nhiều mỏ cát có trữ lượng khác nhau. Hoạt động khai thác diễn ra tại các con sông từ Bắc, Trung, Nam, từ miền núi, trung du đến đồng bằng và vùng cửa sông. Qua tìm hiểu thực tế và căn cứ vào các số liệu do ngành xây dựng công bố trong những năm vừa qua cho thấy [1], nhu cầu về xật liệu xây ở nước ta tăng rất
8 nhanh. Trong đó, cát xây dựng, chủ yếu là từ nguồn cát sông chiếm tỷ trọng lớn trong thành phần cốt liệu xây dựng. Theo Quy hoạch tổng thể phát triển vật liệu xây dựng Việt Nam đến năm 2020 được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số 121/2008/QĐ-2008 ngày 29 tháng 8 năm 2008 [12], công suất và sản lượng cát xây dựng được quy hoạch với xu hướng tăng theo giai đoạn theo Bảng 1.2. Bảng 1.2.Quy hoạch công suất và sản lượng cát xây dựng đơn vị: triệu m3 Năm 2010 Năm 2015 Năm 2020 Công suất Sản lượng Công suất Sản lượng Công suất Sản lượng 107 97 151 136 211 190 Theo thống kê của Bộ Xây dựng [1], [2], [4], hàng năm riêng nhu cầu tiêu thụ cát cho xây dựng đều vượt so với nhu cầu dự báo. Tiêu thụ cát xây dựng năm 2005 là 64,44 triệu m3, năm 2006 là 73,09 triệu m3, trong khi đó Quy hoạch dự báo trước đây đến năm 2010 nhu cầu mới chỉ có trên 35 triệu m3. Đối với cuội, sỏi xây dựng cũng lên tới vài chục triệu mét khối trên năm. Đến thời điểm hiện nay, trên địa bàn 63 tỉnh, thành phố trực thuộc trung ương có hàng trăm giấy phép khai thác cát xây dựng với trữ lượng và công suất khai thác lên tới hàng trăm triệu mét khối. Thực tế cho thấy nhu cầu sử dụng cát xây dựng của cả nước đang ngày càng tăng, tại khu vực các tỉnh đồng bằng Nam Bộ, Vùng kinh tế trọng điểm vùng đồng bằng sông Cửu Long và khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam đang triển khai nhiều dự án lớn về giao thông, phát triển hạ tầng và xây dựng các khu công nghiệp, khu đô thị vv…đòi hỏi nhu cầu sử dụng cát xây dựng và cát san lấp với khối lượng rất lớn; theo số liệu của Hội vật liệu xây dựng Việt Nam – VABM [1], [2], [15], [16], dự báo về nhu cầu sử dụng cát xây dựng đến 2020 đạt 190 triệu m3 riêng khu vực kinh tế trọng điểm phía Nam và khu kinh tế đồng bằng Sông Cửu Long được dự báo lên tới gần 100 triệu m3 và liên tục tăng lên theo hàng năm, trong khi đó nguồn cung cấp cát chủ yếu từ việc khai thác cát lòng sông tại các tỉnh đồng bằng Sông Cửu Long. Ngoài ra, tại khu vực này, hàng năm còn tiếp nhận một khối lượng lớn,
9 khoảng hàng chục triệu m3 cát nhiễm mặn được nạo vét từ các dự án khơi thông luồng, lạch của ngành giao thông, tuy nhiên số liệu về loại cát này còn chưa được thống kê đầy đủ, thêm vào đó, cát nhiễm mặn hầu như chỉ sử dụng để san lấp một số công trình lấn biển, chưa sử dụng được cho ngành xây dựng nên hiện tại hầu hết là phục vụ xuất khẩu. Tại khu vực miền Bắc, với nguồn tài nguyên tương đối dồi dào (khoảng trên 1 tỷ m3), cát có chất lượng tốt, phân bố chủ yếu ở hệ thống sông Hồng, sông Đà, sông Lô thuộc địa bàn các tỉnh như: Hà Nội, Vĩnh Phúc Phú Thọ, Tuyên Quang. Theo đánh giá, khối lượng tiêu thụ năm 2009 là 30 triệu m3, nhu cầu khai thác giai đoạn 2010 khoảng 40 triệu m3, giai đoạn 2015 khoảng trên 51 triệu m3 và giai đoạn 2020 khoảng trên 65 triệu m3. Tại khu vực miền Trung và Tây Nguyên, với đặc điểm chung của các sông thường là ngắn, độ dốc cao nên trữ lượng cát bồi đắp lớn đặc biệt là ở các cửa sông và một phần trôi ra biển. Trữ lượng, tài nguyên cát sông ở khu vực miền Trung qua tài liệu khảo sát, thăm dò được đánh giá ít hơn so với các khu vực khác (khoảng trên 300 triệu m3). Trong những năm vừa qua, tốc độ xây dựng ở khu vực miền Trung và Tây Nguyên còn chậm nên nhu cầu tiêu thụ cát sông không lớn, theo đánh giá, trung bình hàng năm khoảng 10 - 15 triệu m3, trong đó chủ yếu tập trung vào một số địa phương như: thành phố Đà Nẵng, Nha Trang - Khánh Hoà, Thanh Hoá, Nghệ An và một số địa phương khác. Như vậy, có thể nói hàng năm một lượng có thể lên tới hàng trăm triệu m3 cát lòng sông được khai thác phục vụ cho ngành xây dựng, giao thông với nhu cầu ngày càng tăng do cần phải đáp ứng cho các công trình đang xây dựng trên cả nước [1], [2]. Việc khai thác cát sông đòi hỏi cần phải được nghiên cứu, nhìn nhận một cách nghiêm túc nhằm có những giải pháp về công nghệ, quản lý, bảo vệ môi trường, thúc đẩy nền kinh tế phát triển bền vững. Bên cạnh đó, thêm một vấn đề đặt ra với các nhà quản lý là cần phải tổng hợp, thống kê một cách đầy đủ, toàn diện về các số liệu liên quan đến khối lượng cát sử dụng trong các lĩnh vực nhằm có những chính sách, chiến lược phù hợp cho công nghiệp khai thác cát nói chung và ngành khai khoáng nói riêng.
10 1.2. Tổng quan công nghệ khai thác cát lòng sông Xét về vị trí các khoáng sàng cát có thể phân bố tại ven sông, ven biển hoặc tại lòng sông; Xét về mức độ tương quan với mức nước thủy tĩnh của các con sông, các mỏ cát có thể tồn tại ở 3 dạng: Bãi nổi hoàn toàn, đáy của khoáng sàng cát cao hơn mực nước thủy tĩnh; bãi nổi một phần (một phần thân cát dưới nước, một phần trên cạn); bãi chìm hoàn toàn (toàn bộ thân cát nằm dưới nước). Hiện nay, trên thế giới công nghệ khai thác cát rất đa dạng, được nghiên cứu chi tiết phù hợp với điều kiện từng vùng và từng mỏ. Trong phạm vi luận án đi sâu nghiên cứu về công nghệ khai thác các mỏ cát phân bố dưới các lòng sông (ngập hoàn toàn). Các công nghệ khai thác cát lòng sông hiện đang áp dụng tại các nước tiên tiến trên thế giới được phân loại như sau [6], [17]: - Khai thác bằng cơ giới: sử dụng các thiết bị như máy xúc thủy lực gầu ngược, máy xúc gầu ngoạm, máy xúc gầu treo, tầu cuốc (hoạt động theo nguyên lý máy xúc nhiều gầu kiểu khung xích) lắp trên các phà nổi hoặc trên bờ sông xúc bốc lên các tầu chở cát hoặc đổ thành đống trên bờ sông. - Khai thác bằng sức nước: sử dụng tầu hút bùn, bơm bùn bơm lên các tầu chở cát hoặc các hố thu cát trên bờ sông. - Khai thác hỗn hợp: kết hợp cơ giới với sức nước để phát huy hiệu quả công tác khai thác cát lòng sông. 1.2.1. Công nghệ khai thác cát lòng sông bằng các thiết bị cơ giới 1.2.1.1. Khai thác bằng máy xúc thủy lực gầu ngược Các máy xúc thủy lực gàu ngược được đặt trên các phà nổi hoặc tại trên boong tầu, xúc bốc trực tiếp cát theo sơ đồ dưới mức máy đứng, quay và chất tải trực tiếp về phía sau tại tầu hoặc chất tải vào sà lan đi bên cạnh. Phương pháp này áp dụng chủ yếu tại các mỏ có sản lượng nhỏ, chiều sâu khai thác không lớn hoặc các mỏ có yêu cầu về cao về mức độ khai thác chọn lọc. Công nghệ này được áp dụng ở hầu hết các nước trên thế giới, các máy xúc thủy lực gàu ngược thường là máy xúc cần dài, có dung tích gầu từ 2,5÷5,0 m3 (Hình 1.1). [6], [17]