Xây dựng mô hình tính toán ổn định bãi thải khi có tác động của dòng nước mặt

 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
17 KHCNM SỐ 3/2019 * CNKT LỘ THIÊN
Tóm tắt: 
Với khối lượng đất đá đổ thải hàng năm lớn, khi đó diện tích các bãi thải mở rộng, chiếm dụng 
đất đai, chiều cao bãi thải tăng, hiện tượng sụt lún và mất an toàn xuất hiện nhiều hơn. Trên cơ 
sở đánh giá, khảo sát tính chất cơ lý đất đá thải, các yếu tố ảnh hưởng, sẽ xây dựng mô hình tính toán 
ổn định bãi thải khi có tác động của dòng nước mặt. 
1. Mở đầu
Theo kế hoạch phát triển ngành, sản lượng 
mỏ lộ thiên nói chung và mỏ than lộ thiên nói riêng 
vẫn chiếm một tỷ trọng lớn: Khoảng 35¸40% đối 
với than, 98% đối với kim loại, 100% đối với phi 
kim loại, vật liệu xây dựng, Tuy nhiên, trong 
những năm qua do nhu cầu về nguồn nguyên 
liệu để phát triển xã hội, sản lượng các mỏ ngày 
càng tăng cao, bên cạnh việc tăng về sản lượng 
thì tỷ lệ đất đá bóc là rất lớn, một số mỏ khai 
thác than có hệ số bóc lên tới (12÷15) m3/tấn. 
Do đó lượng đất đá thải là rất lớn và ngày một 
tăng. 
Căn cứ vào các kết quả nghiên cứu về ảnh 
hưởng của các yếu tố tự nhiên – kỹ thuật đến độ 
ổn định của bãi thải, chúng ta thấy các bãi thải 
của các mỏ lộ thiên nước ta thường xuyên chịu 
ảnh hưởng của các đợt mưa bão; đặc biệt khi 
chiều cao tầng thải lớn và bãi thải nằm trong các 
khu vực thu nước. Sự có có mặt của nước tác 
động trực tiếp đến độ ổn định của bãi thải và thể 
hiện dưới 2 dạng: Thứ nhất gây thấm ướt đất 
đá dẫn đến gia tăng khối lượng, thể tích và giảm 
độ kết dính giữa các hạt đất đá tạo nên áp lực 
đẩy nổi trong khối đá; Thứ hai gây đọng nước 
mặt tầng dẫn đến tràn nước sườn tầng, gây xói 
ngầm đất đá trong một hay nhiều sườn tầng. 
Tuỳ thuộc vào lượng mưa sau một trận mưa, 
mức độ ảnh hưởng đến khối đá thải sẽ khác 
nhau. Đặc biệt, khi chiều cao tầng thải lớn và bãi 
thải nằm trong các khu vực thu nước.
Chính vì vậy, việc tính toán độ ổn định của bãi 
thải khi có tác động của dòng nước mặt cho các 
bãi thải mỏ than lộ thiên thuộc TKV là cần thiết. 
Xác định độ ổn định bãi thải sẽ giúp cho các nhà 
quản lý mỏ cũng như các sở ban ngành dễ dàng 
kiểm soát, dự báo quy mô, phạm vi các rủi ro 
gây ảnh hưởng tới các công trình xung quanh 
trong quá trình đổ thải trên các mỏ lộ thiên. Từ 
đó, đề xuất các giải pháp xử lý phù hợp.
2. Hiện trạng công tác đổ thải và tính chất 
đất đá thải
2.1 Hiện trạng công tác đổ thải
Trong những năm qua, do nhu cầu về nguồn 
nguyên liệu phục vụ sản xuất, dẫn tới khối lượng 
đổ thải tăng cao, có những bãi thải đã tiến tới gần 
sát khu dân cư, tiềm ẩn nhiều hiểm họa về môi 
trường cũng như ảnh hưởng tới cuộc sống của 
các hộ dân sống quanh bãi thải. Gần đây nhất, 
đợt mưa lũ cuối tháng 7 và đầu tháng 8/2015 
tại Quảng Ninh, qua khảo sát thực tế tại các bãi 
thải của các mỏ, khai trường lộ thiên thấy rằng: 
Nhiều nơi như các bãi thải ngoài Đông Cao Sơn, 
bãi thải Chính Bắc, v.v...và các bãi thải trong do 
ảnh hưởng của nước mưa, nên các sườn tầng 
bãi thải bị sạt lở, trôi lấp xuống các công trình 
phía dưới ảnh hưởng đến các công trình sông, 
suối, v.v...tác động đến môi trường sinh thái khu 
mỏ. Đến nay, nhiều bãi thải như Đông Cao Sơn, 
Bãi thải Chính Bắc, bãi thải trong Núi Béo, Cọc 
Sáu, v.v... đã đổ với khối lượng tới hàng trăm 
triệu m3 đất đá, chiều cao bãi thải tới vài trăm 
mét, số lượng tầng thải nhiều. Tổng khối lượng 
đất bóc các mỏ lộ thiên vùng Quảng Ninh còn lại 
khoảng 2,0 tỷ m3, trữ lượng than khai thác còn 
lại 268,3 triệu tấn. Trong những năm tới, sản 
lượng mỗi mỏ lộ thiên đạt từ 1,5÷3,5 triệu tấn 
than/năm, đất bóc từ 10÷50 triệu m3/năm. Các 
mỏ lộ thiên vùng Hòn Gai cơ bản sẽ kết thúc 
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH BÃI THẢI 
KHI CÓ TÁC ĐỘNG CỦA DÒNG NƯỚC MẶT 
 TS. Đoàn Văn Thanh, ThS. Phạm Xuân Tráng 
 Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin
 Biên tập: TS. Lưu Văn Thực
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
KHCNM SỐ 3/2019 * CNKT LỘ THIÊN18
khai thác vào năm 2017÷2025; các mỏ vùng 
Cẩm Phả thời gian khai thác đến năm 2038.
Khối lượng đất đá thải của các mỏ than lộ 
thiên thuộc TKV theo quy hoạch đến năm 2030 
thể hiện trên bảng 1 [2].
Hiện nay, hầu hết các mỏ than lộ thiên của 
TKV sử dụng hình thức đổ thải với công nghệ 
đổ thải bãi thải cao, kết hợp giữa ôtô – máy 
gạt. Quá trình thải đá gồm các công việc theo 
trình tự như sau: Ô tô đổ đất đá trực tiếp xuống 
suờn hoặc lên mặt tầng thải, máy gạt đẩy đất 
đá xuống suờn tầng thải (hoặc san nó theo bề 
mặt), duy trì duờng ô tô trên tầng thải. Các bãi 
thải này thường có chiều cao từ (60÷150)m, có 
nơi đến 270 m, góc dốc sườn bãi thải tương 
đối lớn (300÷400). 
2.2. Đặc điểm tính chất đất đá thải
Đất đá bãi thải tại các mỏ than lộ thiên gồm các 
loại đá trong địa tầng trầm tích chứa than như: 
Cuội kết, sạn kết, cát kết, bột kết, sết kết, sét than. 
Đất đá thải lẫn trong đó một lượng nhỏ đất từ bề 
mặt của tầng phủ, chiếm khoảng 10%.
Sự phân bố đất đá trong bãi thải là không 
đồng đều. Tuy nhiên, do động năng của các hạt 
đất đá thải khi rơi xuống từ xe vận chuyển và 
từ khâu san gạt nên từ mặt bãi thải xuống độ 
sâu 1,5 m tập trung chủ yếu các loại đá có kích 
cỡ nhỏ (bụi lắng, cát, dăm sỏi), tỷ lệ các hạt đá 
có kích thước nhỏ hơn 15 mm chiếm 40÷50%. 
Dọc theo sườn dốc trở xuống, tỷ lệ các hạt đá 
có kích thước nhỏ giảm dần, đến khoảng giữa 
sườn dốc của bãi thải tỷ lệ các hạt đá có kích 
thước hạt lớn hơn 500 mm chiếm trên 60%. 
Những tảng đá có đường kính lớn tập trung ở 
phía dưới sườn dốc. Khi xuống dưới chân bãi 
thải các tảng đá to thường lăn cách chân bãi 
một khoảng cách nhất định. Khu vực sát chân 
bãi thường là các loại đá có kích thước lớn hơn 
800 mm.
Do quy trình đổ thải là từ trên cao xuống nên 
đất đá hạt nhỏ thường tập trung ở phía trên, cỡ 
hạt lớn tập trung dưới chân bãi thải. Những cỡ hạt 
rất lớn thường lăn xuống dưới chân bãi thải và 
tách xa chân bãi thải nên tạo cho bề mặt sườn bãi 
Bảng 1. Khối lượng đất đá thải của các mỏ lộ thiên thuộc TKV theo quy hoạch [2] 
TT Tên mỏ
Khối lượng đất đá thải theo năm, 103m3
2019÷2020 2021÷2025 2026÷2030 Còn lại
1 Đèo Nai 35.000 33.629
2 Cọc Sáu 40.300 40.300
3 Cao Sơn 54.00 305.480 325.000 325.000
4 Đèo Nai-Cọc Sáu 99.000 142.900 108.591
5 Tây Nam Đá Mài (Khe Chàm II) 57.000 31.800
6 Hà Tu 127.000 270.000 38.500 38.500
7 Na Dương 32.000 80.000 80.000 417.700
8 Khánh Hòa 16.000 40.000 40.000 38.000
Bảng 2. Kết quả xác định tính chất đất đá thải [1]
TT Tên bãi thải
Dung trọng, t/m3 Lực dính kết, kPa Góc nội ma sát, độ
Tự nhiên Bão hòa Tự nhiên Bão hòa Tự nhiên Bão hòa 
1 Đông Cao Sơn 2,228 2,376 125 4 28 25,80
2 Bàng Nâu 2,082 2,180 130 5 28 25,80
3 Mông giăng 2,274 2,428 120 5 21 19,24
4 Đông khe Sim- Nam Khe Tam 2,292 2,428 128 6 23 21,10
5 Chính Bắc 2,207 2,350 135 4 23 21,10
6 Vách Toòng Danh 1,956 2,095 62 2 20 18,31
7 Bãi thải mỏ Khánh Hoà 2,294 2,420 98 4 28 26,74
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
19 KHCNM SỐ 3/2019 * CNKT LỘ THIÊN
thải dạng lõm với góc dốc trung bình khoảng 300 ÷ 
400 . Kết quả tính xác định tính chất đất đá thải tại 
một số bãi thải được tổng hợp trong bảng 2 [1].
3. Ảnh hưởng của lực thấm đến ổn định 
sườn tầng thải
Nước mưa ngấm xuống bãi thải sẽ: 
- Bốc thoát hơi ra không khí dưới tác động của 
nắng và gió; 
- Ngấm vào bên trong các hạt đất đá, lấp kín 
các lỗ rỗng. Lượng nước này không đáng kể, 
chỉ thoát ra khi bị nung nóng;
- Lưu thông tự do trong khoảng rỗng giữa các 
tảng, hạt đất đá và tự chảy về phía có địa hình 
thấp hơn (theo phương nằm ngang) do tác động 
của trọng lực ra khỏi bãi thải dưới dạng xuất lộ, 
lượng nước này rất lớn, một phần nhỏ chảy qua 
các khe nứt tầng đá gốc. 
Đất đá cũng như các dạng vật thể khác khi bị 
nước nhấn chìm chúng sẽ bị mất trọng lượng. 
Đất đá thải bao gồm cát, sạn sỏi, cuội và đá 
dăm, đều có trị số lỗ rỗng rất lớn. Do đó, khi 
đất đá bị sũng nước, thì các lỗ rỗng của chúng 
hoàn toàn bị lấp đầy nước. Nước chứa trong 
các khe nứt sẽ dẫn đến hiện tượng xói ngầm. 
Quá trình lôi cuốn các hạt đất đá và rửa trôi đất 
đá có tính hòa tan dưới tác dụng của nước dưới 
đất, sau đó gây ra hiện tượng sụt lún bề mặt. 
Với sườn tầng thải là mái đất đá rời, khi ở 
trạng thái khô hoàn toàn hoặc sũng nước, chỉ 
cần các hạt đất ở mái dốc duy trì được sự ổn 
định của sườn tầng thải. Nhưng, khi mực nuớc 
ngầm đột nhiên dâng cao, thì sẽ có hiện tuợng 
nước thấm từ trong bãi thải ra và áp lực thuỷ 
động do dòng nuớc thấm sinh ra sẽ lôi theo hạt 
đất, làm cho sườn tầng thải mất ổn định. 
Theo [3], sườn dốc khi có dòng thấm sẽ 
kém ổn định hơn khi không có dòng thấm, hệ 
số ổn định K sẽ giảm khoảng ½ lần. Như vậy, 
khi không có dòng thấm chỉ cần a ≤ j là sườn 
tầng thải ổn định, còn khi có dòng thấm thì yêu 
cầu sườn tầng thải phải thoải hơn, tức là a < 
arctg(0,5tgj) mới đảm bảo ổn định. Như vậy, khi 
có dòng thấm thì góc dốc sườn bãi thải sẽ giảm 
từ aS = j ÷ arctg(0,5tgj). Với góc dốc sườn bãi 
thải ở trạng thái ổn định, aT = j = 23
0, thì góc dốc 
sườn bãi thải khi có dòng thấm phụ thuộc vào 
áp lực thủy động của dòng nước aS = 12 ¸ 23
0. 
Trên hình 1, thể hiện sự thay đổi dòng thấm 
vào tính chất đất đá, đối với lớp đất đá mới đổ 
thải tốc độ dòng thấm rất lớn, lớp đất đá góc tốc 
độ dòng thấm rất nhỏ. Nước thấm qua bãi thải 
đều xuất lộ ở chân bãi thải.
4. Xây dựng mô hình tính toán ổn định bãi 
thải khi có tác động của dòng nước mặt
Với đặc tính của các bãi thải mỏ lộ thiên 
được cấu tạo bởi đất đá cứng trên nền cứng 
nằm ngang - nghiêng, khi đó mô hình kiểm toán 
ổn định bãi thải được lựa chọn hợp lý là theo 
mô hình trượt trong môi trường đồng nhất. Mặt 
trượt có dạng cong đều theo dạng cung trụ tròn. 
Phương pháp tính toán được áp dụng là phương 
pháp cộng đại số các lực. Theo lý thuyết cân 
bằng giới hạn mô hình kiểm toán ổn định được 
xác định theo công thức:
Với: Ni= PiCosαi ; Pi=PiSinαi. 
Trong đó: Ni- lực pháp tuyến trọng lực của 
block tính toán thứ i, t/m; Ti- lực tiếp tuyến trọng 
lực của block tính toán thứ i, t/m; ji- góc ma sát 
trong của khối block tính toán thứ i, độ; Ci- lực 
dính liên kết trong block tính toán thứ i, t/m2; Li- 
chiều dài cung trượt tính toán thứ i, m; αi- góc 
nghiêng của mặt trượt so với đường nằm ngang 
của phần tử thứ i, độ.
Bản chất của phương pháp này là chia nhỏ 
lăng trụ trượt thành những phần tử song song 
với nhau theo phương thẳng đứng. Số lượng 
các phần tử cần chia phụ thuộc vào mặt mái 
dốc cụ thể. Sau khi chia lăng trụ trượt thành các 
phần tử, tiến hành tính toán lực gây trượt và lực 
chống trượt theo các phần tử riêng biệt, cuối 
cùng lấy tổng đại số cho toàn lăng trụ, đưa vào 
Hình 1. Sự phụ thuộc dòng thấm vào tính chất đất 
đá bãi thải khi có tác động của dòng nước mặt
THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
KHCNM SỐ 3/2019 * CNKT LỘ THIÊN20
công thức để tính toán. Nếu trị số n <1, bãi thải 
không ổn định; Nếu n =1, bãi thải ở trạng thái 
cân bằng giới hạn; n > 1, bãi thải ổn định tạm 
thời; n ≥ 1,3, bãi thải ổn định với thời gian từ 20 
năm trở lên.
Để đảm bảo các bãi thải ổn định, các thông 
số của bãi thải được tính toán đảm bảo ổn định 
khi lưu lượng mưa từ 400÷436,8 mm/ngày 
(tương tự như trận mưa cuối tháng 7 đầu tháng 
8 năm 2015 tại Quảng Ninh). Việc tính toán độ 
ổn định bãi thải được thực hiện bằng phần mềm 
Geoslope. 
Với tính chất đất đá thải thể hiện trong bảng 
2, giả định với dữ liệu đầu vào chung các bãi 
thải cho chương trình: tỷ trọng của đất đá γ (t/
m3), lực tương tác dính kết trong của đất đá C (t/
m2), góc ma sát trong của đất đá thải φ (độ), độ 
rỗng đất đá (%) được xem xét trong điều kiện 
bình thường theo hiện trạng bãi thải đang tồn tại 
và trong điều kiện đất đá thải chịu tác động của 
dòng nước mặt thể hiện trong bảng 3. Kết quả 
tính toán ổn định thể hiện trong bảng 4. 
Kết quả xây dựng mô hình tính toán độ ổn định 
sườn dốc bãi thải theo điều kiện bình thường và 
khi có tác động của dòng nước mặt cho trường 
hợp đổ thải đạt cốt cao thiết kế (chiều cao bãi 
thải 270 m) thể hiện trong bảng 4 và hình 3. 
Kết quả tính toán trong bảng 4 và hình vẽ 2 
cho thấy, trong điều kiện bình thường lực dính 
kết C = 125 kPa góc dốc sườn bãi thải α = 220 
Hình 2. Sơ đồ tính toán ổn định bãi thải
Bảng 3. Giả định một số chỉ tiêu cơ lý đất đá thải 
TT Lực dínhkết (kPa)
Góc nội
ma sát (độ)
Dung
trọng (g/cm3)
Độ rỗng
(%) Ghi chú
1 125 28 2,20 15,0 Bình thường
2 95 24 2,24 14,5
Chịu tác động 
dòng nước mặt
3 65 22 2,29 14,2
4 35 20 2,32 14,0
5 19 18 2,37 13,5
6 5 16 2,42 13,0 Bão hòa
Bảng 4. Kết quả tính toán ổn định bãi thải khi có tác động của dòng nước mặt
TT
Chiều 
cao bãi 
thải, m
Góc dốc 
bãi thải, 
độ
Chiều 
cao 
tầng 
thải, m
Góc dốc 
sườn tầng 
thải, độ
Chiều 
rộng mặt 
tầng thải
Lực dính
kết
(kPa)
Hệ số ổn 
định, n
Ghi chú
1 270 23 30 36 30 125 1,649 Ổn định
2 270 23 30 36 30 95 1,497 Ổn định
3 270 23 30 36 30 65 1,344 Ổn định
4 270 23 30 36 30 35 1,201 Ổn định
5 270 23 30 36 30 19 1,035 Cân bằng giới hạn
6 270 23 30 36 30 5 0,928 Không ổn định
 Hình 3. Kết quả tính toán ổn định bờ mỏ khi có tác
động của dòng nước mặt bằng phần mềm Geoslope
 THÔNG TIN KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MỎ
21 KHCNM SỐ 3/2019 * CNKT LỘ THIÊN
÷ 230, hệ số ổn định bãi thải n = 1,649 bãi thải 
ở trạng thái ổn định. Dưới tác động của dòng 
nước mặt, theo thời gian, đất đá bị trương nở 
làm mất lực dính kết C = 125 ÷ 5 kPa, khi đó hệ 
số ổn định bãi thải giảm xuống n = 1,649÷0,928. 
5. Kết luận
Theo kế hoạch khai thác, các bãi thải mỏ 
than lộ thiên sẽ tiếp tục được mở rộng và đổ 
thải lên cao. Trong khi đó, khí hậu ngày càng 
biến đổi phức tạp, các trận mưa, lũ có xu thế 
kéo dài nhiều ngày với vũ lượng lớn. Khi đất 
đá thải bão hòa nước sẽ làm tăng nguy sạt lở 
và mất an toàn cho các công trình xung quanh. 
Nếu đổ thải theo các thông số thiết kế, các bãi 
thải ổn định trong trạng thái bão hòa nước. Tuy 
nhiên, khi trạng thái bão hòa nước hoàn toàn (C 
= 0÷5 kPa) tồn tại trong khoảng thời gian dài thì 
hiện tượng trượt lở hoàn toàn xảy ra, khi đó bãi 
thải không ổn định. 
Tài liệu tham khảo:
[1] Viện KHCN Mỏ - Vinacomin (2016), nghiên 
cứu độ ổn định, lựa chọn thông số, trình tự đổ thải, 
các giải pháp thoát nước và các công trình bảo vệ 
phù hợp với tình hình biến đổi khí hậu tại các bãi thải 
mỏ than lộ thiên thuộc TKV.
[2] Công ty Cổ phần tư vấn Đầu tư mỏ và 
Công nghiệp – Vinacomin (2015), Phương án 
khai thác hợp lý 3 mỏ Cọc Sáu – Đèo Nai – Cao 
Sơn.
[3] Viện KHCN Mỏ - Vinacomin (2019), nghiên 
cứu xác định các dạng trượt lở và khoảng cách 
ảnh hưởng đối với các công trình dưới chân bãi 
thải khi có tác động của dòng nước mặt.
Model building to calculate the stability of the dumping site when there is an 
impact of surface water flow
 Dr. Doan Van Thanh, MSc. Pham Xuan Trang
 Institute of Mining Science and Technology – Vinacomin
Summary:
Due to the large volume of annual waste rock and soil, leading to expansion of dumping sites, 
land occupation, increase of the height of dumping site, subsidence, unsafe phenomenon more and 
more. Based on assessment and survey of mechanical and physical properties of waste rock and 
soil, influence factors, the authors will build a model to calculate the stability of the dumping site 
when there is an impact of surface water flow.