Trong ngành khai thác mỏ tiềm ẩn nhiều rủi ro, ổn định địa kỹ thuật là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động. Dù là khai thác hầm lò sâu hay mỏ lộ thiên có độ dốc lớn, việc hiểu rõ hành vi của khối đá là nền tảng cho mọi quyết định kỹ thuật và quản lý chi phí.

Ảnh: phil_berry/Shutterstock.com

Thử nghiệm địa kỹ thuật cung cấp dữ liệu chính xác về đặc tính cơ học và vật lý của đất đá, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình thiết kế và vận hành. Khác với các công trình dân dụng, môi trường khai thác mỏ đòi hỏi các phương pháp thử nghiệm chuyên biệt, có khả năng thích ứng với điều kiện ứng suất cao và biến động địa chất phức tạp. Những phương pháp này giúp đảm bảo thiết kế an toàn, ổn định mái dốc, tối ưu hóa quy trình đào và quản lý chất thải hiệu quả – đặc biệt trong việc xây dựng và vận hành hồ chứa quặng đuôi.

Địa kỹ thuật tập trung vào thành phần và hành vi của đất đá, được thực hiện bởi các kỹ sư có chuyên môn cao trong lĩnh vực cơ học đất và đá. Trong khai thác mỏ, họ chịu trách nhiệm khảo sát, thiết kế và giám sát các công trình mỏ ngầm, mỏ lộ thiên, bãi thải và cơ sở lưu trữ quặng đuôi.

Thông qua sự phối hợp liên ngành giữa kỹ sư địa kỹ thuật, kỹ sư mỏ và nhà địa chất thủy văn, địa kỹ thuật góp phần đảm bảo hoạt động khai thác mỏ diễn ra một cách an toàn, bền vững và hiệu quả.

Mục đích của thử nghiệm địa kỹ thuật trong khai thác mỏ

Trong hoạt động khai thác mỏ, việc nắm bắt đầy đủ các điều kiện địa chất tại khu vực bề mặt và dưới bề mặt là yếu tố then chốt để đảm bảo thiết kế kỹ thuật hiệu quả, duy trì ổn định công trình và khảo sát các hoạt động khai thác mỏ. Các điều kiện này được khảo sát thông qua các thử nghiệm địa kỹ thuật như kỹ thuật đặc trưng hóa hiện trường, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và phân tích chuyên sâu.

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của thử nghiệm địa kỹ thuật là phân tích độ ổn định mái dốc. Việc hiểu rõ khả năng ổn định của các sườn mỏ không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả khai thác mà còn quyết định sự an toàn của người lao động. Quá trình này thường bao gồm việc lấy mẫu từ sườn mỏ và thực hiện các thí nghiệm nhằm đánh giá các đặc tính cơ học của đất đá, như thử nghiệm cắt trực tiếp, kéo tách kiểu Brazil và thử nghiệm cường độ nén một trục.

Ngoài ra, phân tích các đặc điểm dưới bề mặt cũng là một dạng thử nghiệm địa kỹ thuật quan trọng trong lĩnh vực khai thác mỏ. Thông qua các kỹ thuật khảo sát vật lý, điện hoặc hóa học, các lớp cấu trúc ngầm có thể được xác định, lập bản đồ và mô tả chi tiết. Những thông tin này đóng vai trò thiết yếu trong công tác hướng dẫn và giám sát hoạt động khai thác khoáng sản.

Các phương pháp thử nghiệm địa kỹ thuật trong khai thác mỏ

Trong số các phương pháp thử nghiệm địa kỹ thuật được ứng dụng riêng cho ngành khai thác mỏ, hai kỹ thuật chủ đạo hiện nay là Đánh giá khối đá (Rock Mass Rating – RMR) và khoan lõi (core drilling). Cả hai phương pháp đều đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định đặc điểm cơ lý của khối đá và điều kiện địa chất khu vực mỏ.

Khoan lõi – Cơ sở dữ liệu nền tảng cho thiết kế và đánh giá địa kỹ thuật mỏ

Khoan lõi là một trong những phương pháp hiệu quả và được ứng dụng rộng rãi nhất trong khảo sát địa chất công trình và địa chất mỏ. Bằng cách sử dụng mũi khoan gắn kim cương, kỹ thuật này cho phép cắt xuyên qua lớp đá dưới bề mặt, thu hồi các mẫu đá hình trụ liên tục (lõi khoan), phản ánh chính xác điều kiện địa chất tại từng độ sâu cụ thể.

Trong quá trình khoan, trụ đá được cắt tạo thành lõi liền mạch và đi vào ống khoan ngay phía trên mũi khoan. Các mẫu lõi thu được cho phép phân tích định lượng đặc điểm địa chất – từ cấu trúc, thành phần đến các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định của khối đá.

Giá trị cốt lõi của phương pháp khoan lõi nằm ở lượng dữ liệu địa chất có độ tin cậy cao mà nó mang lại, bao gồm:

- Chỉ số chất lượng đá (RQD) – phản ánh mức độ nứt vỡ của khối đá, là thông số đầu vào quan trọng trong phân loại khối đá.

- Ghi nhận thạch học và cấu trúc địa chất – bao gồm phân lớp, khe nứt, đứt gãy và hiện tượng khoáng hóa, giúp xác định tiềm năng quặng và các yếu tố ảnh hưởng đến sự ổn định của công trình.

- Tỷ lệ thu hồi lõi – chỉ số ban đầu đánh giá mức độ liên kết hay phân mảnh của đá, hỗ trợ đánh giá điều kiện thi công và ổn định mỏ.

- Độ nguyên vẹn mẫu cho thí nghiệm cơ lý – lõi khoan chất lượng cao có thể dùng để thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, như thí nghiệm cường độ nén một trục (UCS), thí nghiệm ba trục (Triaxial Test) và các chỉ tiêu cơ học khác.

Các bản ghi lõi khoan không chỉ đơn thuần là dữ liệu mô tả những gì nằm dưới lòng đất – chúng đóng vai trò như bản thiết kế nền tảng cho việc nhận diện rủi ro, đánh giá tiềm năng tài nguyên và tối ưu hóa giải pháp thiết kế trong các dự án khai thác mỏ.

Đánh giá khối đá: Từ dữ liệu thực địa đến thiết kế kỹ thuật

Sau khi thu thập dữ liệu địa chất, bước tiếp theo trong quy trình thiết kế là chuyển hóa thông tin thô thành cơ sở kỹ thuật thông qua hệ thống Đánh giá khối đá (RMR).

Được phát triển từ những năm 1970 bởi Z.T. Bieniawski, RMR là một trong những phương pháp phân loại khối đá phổ biến và có độ tin cậy cao. Phương pháp này tích hợp 5 chỉ tiêu chính để tạo ra giá trị từ 0 đến 100. Các phép đo này bao gồm:

- Cường độ nén một trục (UCS): Được tính toán dựa trên cường độ của khối đá chịu được lực nén một trục, giá trị UCS càng cao thì khối đá càng chịu ứng suất.

- Chỉ số chất lượng đá (RQD): Đây là một chỉ số được sử dụng để đánh giá mức độ nứt nẻ và chất lượng của khối đá, dựa trên tỷ lệ phần trăm chiều dài của các đoạn mẫu đá nguyên vẹn (≥ 10 cm) so với tổng chiều dài của lõi khoan, với tỷ lệ phần trăm cao hơn thể hiện chất lượng đá tốt hơn.

- Khoảng cách giữa các khe nứt (J): Được tính bằng cách xác định khoảng cách giữa các khe nứt hoặc mặt phân cách đáng kể trong khối đá. Khoảng cách này ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và khả năng chịu lực của khối đá. Nếu các khe nứt nằm gần nhau, khối đá sẽ yếu hơn do sự giảm liên kết giữa các phần tử. Ngược lại, nếu khoảng cách lớn, khối đá có thể chịu lực tốt hơn.

- Tình trạng khe nứt (Jn): Đo các điều kiện bề mặt của các khe nứt bên trong khối đá bao gồm độ nhẵn, độ gồ ghề, mức độ phong hóa, và sự lấp đầy của vật liệu trong khe nứt. Những yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng trượt và độ bền của khối đá. Ví dụ, nếu khe nứt được lấp đầy bởi vật liệu yếu hoặc phong hóa, khối đá sẽ dễ bị phá hủy hơn.

- Điều kiện nước ngầm (GSI): Đo mức độ bão hòa nước trong khối đá và sự hiện diện của nước trong các khe nứt để dánh giá ảnh hưởng của nước ngầm đối với sự ổn định và hành vi của khối đá.

Dựa trên điểm RMR tổng hợp trong khoảng từ 0 đến 100, các khối đá được phân loại thành năm cấp chất lượng, từ “Rất kém” đến “Rất tốt”, mỗi cấp đi kèm với các khuyến nghị kỹ thuật tương ứng.

Ví dụ: Một khối đá có RMR 45 sẽ được coi là "Kém", thường yêu cầu hỗ trợ có hệ thống trong các hoạt động khai thác.

Trong lĩnh vực khai thác mỏ, RMR đóng vai trò then chốt trong nhiều hạng mục thiết kế, bao gồm:

- Thiết kế hệ thống chống đỡ trong mỏ ngầm (như bu lông neo, lớp bê tông phun),

- Phân tích ổn định mái dốc,

- Thiết kế đường hầm và đường lò,

- Đánh giá và tối ưu hóa độ dốc của hố khai thác.

Ứng dụng của địa kỹ thuật trong khai thác mỏ

Địa kỹ thuật đóng vai trò thiết yếu trong hầu hết các khía cạnh của hoạt động khai thác mỏ, từ thiết kế công trình đến quản lý an toàn và môi trường.

Đối với mỏ hầm lò, công tác địa kỹ thuật khởi đầu bằng việc xây dựng hồ sơ đặc điểm địa chất toàn diện. Các kỹ sư địa kỹ thuật phối hợp chặt chẽ với các nhà địa chất để phân tích thành phần địa chất tại hiện trường – bao gồm loại đất đá, đứt gãy và tính toàn vẹn cấu trúc. Ngoài ra, các đặc tính cơ học của đá cũng được đánh giá nhằm dự đoán phản ứng của chúng dưới tác động của tải trọng và thiết bị khai thác. Việc hiểu rõ cơ chế nứt vỡ và biến dạng của đá khi thi công là yếu tố cốt lõi trong thiết kế trục khai thác, hầm lò và các công trình ngầm, đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành.

Trong mỏ lộ thiên, mối quan tâm hàng đầu của kỹ sư địa kỹ thuật là độ ổn định mái dốc. Thông qua các phương pháp khảo sát, phân tích và giám sát hiện đại, họ có thể dự báo và kiểm soát nguy cơ sập dốc. Các biện pháp gia cố chủ động, như lưới thép, bu lông neo hoặc bê tông phun, thường được áp dụng để tăng cường ổn định sườn dốc và bảo vệ an toàn lao động cho thợ mỏ.

Ngoài thiết kế và ổn định công trình, kỹ sư địa kỹ thuật còn tham gia vào quản lý chất thải mỏ. Họ chịu trách nhiệm thiết kế các công trình lưu giữ và xử lý chất thải như đập chứa quặng đuôi và hồ lắng. Khi được thiết kế đúng chuẩn, các hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc cô lập chất thải nguy hại, ngăn ngừa ô nhiễm và đảm bảo tuân thủ các quy định môi trường trong suốt vòng đời khai thác mỏ.

Thách thức và đổi mới trong ứng dụng địa kỹ thuật trong khai thác mỏ

Các kỹ sư địa kỹ thuật trong lĩnh vực khai thác mỏ liên tục phải đối mặt với những thách thức mang tính đặc thù và tổng thể. Mỗi dự án khai thác là một trường hợp riêng biệt, với điều kiện địa chất không giống nhau, đòi hỏi phương pháp tiếp cận linh hoạt và chính xác. Trong bối cảnh khai thác mỏ vốn tiềm ẩn nhiều rủi ro, kỹ sư địa kỹ thuật chịu áp lực lớn trong việc đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người lao động, ngay cả trong các tình huống khẩn cấp hay sự cố bất ngờ.

Song song với yêu cầu về an toàn mỏ, ngành địa kỹ thuật mỏ ngày càng chú trọng tới vấn đề bảo vệ môi trường. Trước sự giám sát chặt chẽ của cơ quan quản lý và áp lực khai thác có trách nhiệm của cộng đồng, các kỹ sư không chỉ phải đảm bảo tuân thủ các quy định mà còn phải tích cực tìm kiếm giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu tác động của khai thác đến hệ sinh thái xung quanh.

Để đáp ứng những đòi hỏi ngày càng cao, ngành đang chứng kiến làn sóng đổi mới mạnh mẽ. Các công nghệ viễn thám hiện đại như ảnh vệ tinh độ phân giải cao, cảm biến địa kỹ thuật và lidar đang được tích hợp để theo dõi và đánh giá địa hình theo thời gian thực. Cùng với đó, năng lực xử lý và phân tích dữ liệu lớn đang được nâng cao nhờ các công cụ phân tích tiên tiến. Đặc biệt, các thuật toán học máy và trí tuệ nhân tạo đang mở ra hướng tiếp cận mới trong dự đoán hành vi của khối đá, mô hình hóa độ ổn định và đề xuất các phương án gia cố nền móng, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu quả của thiết kế kỹ thuật.

Kết luận

Địa kỹ thuật và các phương pháp thử nghiệm là nền tảng quan trọng giúp đảm bảo an toàn, tối ưu hiệu suất và giảm thiểu tác động môi trường trong hoạt động khai thác mỏ. Thông qua việc phân tích điều kiện địa chất, đánh giá độ ổn định công trình và thiết kế hệ thống xử lý chất thải, các kỹ sư địa kỹ thuật đóng vai trò không thể thay thế trong vòng đời khai thác mỏ. Với sự hỗ trợ của các công nghệ tiên tiến, ngành địa kỹ thuật mỏ đang không ngừng đổi mới để thích ứng, phát triển và đóng góp bền vững cho ngành công nghiệp khai khoáng trong tương lai./.