Tại sao mỏ đá của bạn lại quan trọng

Tác giả: Morgan Lane, RESPEC
Đăng trên Global Cement Magazine số tháng 6/2024, Tr.16-19
Người dịch: Nguyễn Thị Kim Lan.

Các mỏ đá nhà máy xi măng thường cung cấp gần 90% nguyên liệu thô cần thiết cho sản xuất xi măng, nhưng do chúng chỉ chiếm khoảng 10% tổng chi phí hoạt động, chúng dễ dàng bị bỏ qua. Kể cả hiện nay, rất nhiều nhà khai thác mỏ đá chỉ quan tâm đến mỏ đá khi phát sinh các vấn đề về trữ lượng hoặc chất lượng nguyên liệu. Bài viết này trình bày cách thức để tất cả các nhà khai thác mỏ đá có thể hiểu rõ hơn về nguồn tài nguyên tự nhiên của họ thông qua việc tạo ra mô hình khối (block modeling) và lên kế hoạch khai thác mỏ.
Để  hiểu rõ hơn về chất lượng và trữ lượng ‘quặng’, các nhà khai thác mỏ đá nhà máy xi măng thường tạo ra một block model thể hiện trữ lượng mỏ của họ. Block Model là một tập hợp các khối 3D chứa các số liệu hóa học và địa chất dựa vào các số liệu công tác khoan. Mô hình 3D có thể được tô màu theo thành phần hóa học, vị trí và/hoặc các thuộc tính về loại đá.
Ngoài ra, mức độ tin cậy khác nhau có thể được ấn định cho dữ liệu của một block riêng lẻ dựa vào khoảng cách khoan của block, các đứt gãy, và các đặc điểm địa chất khác. Các block có độ tin cậy cao về thành phần hóa học tương ứng và các dữ liệu địa chất của chúng có khả năng trở thành Nguồn Tài Nguyên Đo Được. Các block có độ tin cậy vừa phải có khả năng trở thành Nguồn Tài Nguyên Được Chỉ Định, và các block có độ tin cậy thấp có khả năng trở thành Nguồn Tài Nguyên Khả Suy. Hình 1 đưa ra một ví dụ về block model có chứa từng loại nguồn tài nguyên. 

Các block model được tạo ra bởi các đợt khoan khảo sát. Cho dù thiết kế dạng lưới tọa độ được ưa thích hơn, các giải pháp tiếp cận khác cũng có thể được sử dụng.  Bên cạnh việc bố trí các đợt khoan khảo sát, việc thiết kế đợt khoan xuyên thấu đáy hố đào được cho phép là cần thiết. Việc thu thập dữ liệu và ghi nhật ký lỗ khoan chính xác cũng quan trọng vì bất kỳ model nào sẽ chỉ hiệu quả khi có dữ liệu làm cơ sở cho nó.
Khoan lấy lõi là phương pháp khoan được ưa thích hơn để phát triển một block model nguồn tài nguyên cho báo cáo tài nguyên và trữ lượng. Tùy thuộc vào trữ lượng và ngành, việc khoan tuần hoàn ngược có thể chấp nhận được trong những trường hợp nhất định. Các dạng khoan khác (ví dụ khoan nổ mìn và khoan bằng guồng xoắn) có thể được áp dụng để hỗ trợ kiểm chứng block model nguồn tài nguyên nhưng không nên sử dụng để báo cáo tài nguyên hoặc trữ lượng. Việc hiểu rõ sự phân lớp địa chất, sự đứt gãy, và bề mặt nước ngầm trong vùng và địa phương là quan trọng khi thiết kế một đợt khoan. Hình 2 minh họa tính phức tạp của việc lập mô hình một số mỏ đá do các đứt gãy trong khi vẫn đảm bảo việc khoan thăm dò đủ để xác định từng khối trữ lượng.
Dữ liệu
Sau khi một block model đã được tạo ra, việc hiểu rõ loại dữ liệu có thể trích xuất ra được là cần thiết. Dữ liệu quan trọng nhất là trữ lượng và chất lượng của quặng. Có một số dạng báo cáo nguồn tài nguyên, và báo cáo quan trọng nhất chính là mức độ tin cậy, như đã đề cập đến ở trên. Các block model cũng có thể phân tích độ nhạy của trữ lượng quặng đối với các giới hạn ngưỡng hóa học khác nhau hoặc các thông số thực sự quan trọng. Bảng 1 cho thấy một ví dụ về độ nhạy của một mỏ đá nhà máy xi măng đối với hàm lượng magie oxit (MgO) trong nguyên liệu cấp cho nhà máy. Khi giới hạn ngưỡng tối đa của MgO tăng lên, sẽ có sẵn thêm các nguồn tài nguyên bên trong mỏ đá, làm tăng tuổi thọ còn lại của mỏ.
Ngưỡng tích lũy MgO (%) Khối lượng tăng dần (triệu tấn) Khối lượng tích lũy (triệu tấn) Khối lượng trên mức trung bình (triệu tấn) Tuổi thọ mỏ đá (Năm @ 1,9 triệu tấn/năm)

Bảng 1: Phép phân tích độ nhạy của magie oxit (MgO).
Các block model cũng có thể tạo ra các bản đồ hỗ trợ người quản lý mỏ đá trực quan hóa các trữ lượng. Các lát cắt dọc, được biết đến là các tiết diện, thường được sử dụng. Như đã chỉ ra ở Hình 3, các tiết diện này có thể hiển thị các thông số hóa học với các phạm vi nồng độ khác nhau, sự phân lớp địa chất hoặc mức độ tin cậy của một khối. Những thông tin tương tự có thể được chỉ ra theo lát cắt ngang thông qua block model, được biết đến là bản đồ cấp độ. Như đã chỉ ra ở Hình 4, bản đồ cấp độ có thể nhóm các khối lại để đại diện cho một bậc thềm đầy đủ, một phạm vi cao độ cụ thể, hoặc một lớp địa chất cụ thể. Tiết diện và bản đồ cấp độ là các thông số đầu ra quan trọng giúp xác định ‘các điểm nóng’ hóa học trước khi xảy ra bất kỳ vấn đề tiềm ẩn nào đối với các mục đích phối trộn; nhờ vậy có thể phát triển một kế hoạch thỏa đáng.

Phát triển kế hoạch khai thác mỏ
Sau khi một block model được tạo ra cho một mỏ đá, các hoạt động sẽ phát triển kế hoạch khai thác mỏ dựa vào block model. Các kế hoạch khai thác mỏ có thể bao gồm từ thiết kế tuần tự chỉ ra nơi khai thác theo từng giai đoạn cho đến hướng dẫn về tổng số nguyên liệu sẵn có còn lại trong mỏ đá, hoặc thậm chí cả việc đánh giá tài sản cho các mục đích đầu tư (hoặc kiện tụng).

Các hoạt động khai thác mỏ diễn ra dưới các hình thức khác nhau, như từ bề mặt đến dưới lòng đất, xe tải-và-xẻng xúc mỏ lộ thiên, và khấu liền vỉa dưới lòng đất. Khi tạo ra một kế hoạch khai thác, phương pháp khai thác mỏ là một trong những yếu tố quan trọng nhất phải cân nhắc. Xe tải-và-xẻng xúc mỏ lộ thiên, khai thác theo đường đồng mức và khai thác kiểu dải dây kéo là một số phương pháp khai thác mỏ thông thường được áp dụng trong các hoạt động bề mặt, thường được sử dụng nhiều nhất trong ngành xi măng. Hầm khai thác-và-trụ chống, khấu liền vỉa, và khai thác giếng sâu là các phương pháp khai thác thường được sử dụng trong khai thác mỏ dưới lòng đất. Việc cân nhắc và lựa chọn thỏa đáng phương pháp khai thác có ảnh hưởng đáng kể tới thiết kế khai thác mỏ, lựa chọn thiết bị, các mục tiêu sản xuất và tổng chi phí khai thác mỏ.
Bên cạnh việc khai thác trữ lượng và ước tính nguồn tài nguyên bằng block model, các kế hoạch khai thác mỏ phải xem xét một số cân nhắc và nguyên tắc khác, như cấu tạo thủy văn và địa kỹ thuật, kỹ thuật môi trường, phân tích tài chính, các khoản thuế và cấp phép. Các nguyên tắc này thường được đưa vào trong kế hoạch khai thác mỏ nhờ hiểu rõ các giới hạn khai thác tối đa, các tuyến đường tiếp cận và các tuyến đường dốc, khai thác và xử lý phế liệu, chi phí vốn và chi phí hoạt động cũng như nghĩa vụ khôi phục mỏ.
Kế hoạch khai thác mỏ nói lên điều gì với các nhà khai thác
Mỏ đá vôi xi măng trung bình yêu cầu thiết kế tuần tự của các kế hoạch khai thác mỏ chỉ ra nơi khai thác trong một thời hạn nhất định, thường là hàng năm hoặc hàng quý. Đối với thiết kế tuần tự của kế hoạch khai thác mỏ, bản đồ tiến triển khai thác mỏ tương tự như Hình 5 là một trong số những dữ liệu đầu ra quan trọng nhất trong kế hoạch khai thác mỏ. Số liệu tiến triển cung cấp cho nhà khai thác mỏ các thông tin về nơi khai thác, từ lò bằng đến hầm mỏ, khi nào khai thác (hàng năm hay hàng quý), và có thể mong đợi được những gì từ khối về năng suất và chất lượng hóa học. Bản đồ tiến triển có thể được tạo ra theo từng năm hoặc theo từng lò bằng. Ngoài các số liệu tiến triển, các bản vẽ phối cảnh điạ hình sẽ thay đổi ra sao vào thời điểm kế hoạch khai thác hoàn thành có thể giúp các nhà khai thác hình dung ra mỏ đá sẽ phát triển như thế nào theo thời gian.
Tại sao mỏ đá của bạn lại quan trọng
Tài sản quan trọng nhất mà một hoạt động đạt được nhờ hiểu rõ mỏ đá chính là sự hiểu biết các cơ hội mở rộng, các khu vực có vấn đề, và thành phần hóa học mong đợi trong liệu cấp đưa tới nhà máy. Sự hiểu biết này cho phép mỏ đá và nhà máy chủ động xử lý các thách thức sắp tới thông qua việc lập kế hoạch và cấp ngân sách cho các giải pháp thỏa đáng. Nhà máy cũng có thể lập kế hoạch tiếp nhận nguyên liệu mà liên tục đạt được mức nồng độ hóa chất mục tiêu thay vì liệu cấp có khả năng dao động lớn về nồng độ hóa chất hàng tuần (hoặc thậm chí từng ngày).
Hình 6 cho thấy một mỏ đá gần kết thúc vòng đời có tuổi thọ còn lại khoảng 10 năm trong kịch bản cơ sở của ‘Khu vực cho phép (Ngoại trừ Lò bằng 5).’ Dựa vào block model, mỏ đá đã thực hiện khoan thăm dò thêm và đã xác định được nguyên liệu ở ngay cạnh mỏ đá có nồng độ hóa chất tốt hơn so với khu vực được cho phép của mỏ đá. Với việc khai thác thăm dò thêm và lập mô hình này, nhà khai thác xác định được một số cơ hội mở rộng có thể tăng tuổi thọ nguyên liệu còn lại của mỏ đá đang hoạt động với chi phí giảm đáng kể.

Hình 7 cho thấy một mỏ đá đã cố tình không khai thác nguyên liệu được coi là có chất lượng hóa chất quá kém để phối trộn vào liệu cấp. Việc để lại các khu vực nguyên liệu ‘không thể phối trộn được’ này trong mỏ đá đã gây cản trở sự phát triển của mỏ đá qua việc tạo ra các điểm nghẽn và khoảng cách vận chuyển xa hơn. Kết quả là, chi phí nhiên liệu tăng lên và sản lượng thì thấp đi. Sau khi mỏ đá được lập mô hình khối, nhà khai thác đã nhận thấy rằng, mặc dù các khu vực chưa được khai thác có chất lượng hóa chất thấp hơn nhưng nguyên liệu ở đó không có nghĩa là ‘không thể phối trộn được’. Với kế hoạch khai thác mỏ phù hợp, mỏ đá hiện đang phát triển vượt qua các khu vực có vấn đề. Kết quả là nguồn tài nguyên và tuổi thọ của mỏ đá tăng lên, khoảng cách vận chuyển ngắn hơn và ít phế liệu hơn.
Kết luận
Phương pháp lập block model và kế hoạch khai thác mỏ trong các mỏ đá mang lại một số giải pháp cho các nhà sản xuất xi măng để tối ưu hóa hoàn toàn các nguồn tài nguyên tự nhiên hiện có của họ. Nguyên liệu cấp ít biến động hơn, tầm nhìn  hoạt động lớn hơn, chi phí hoạt động thấp hơn và nguồn tài nguyên kéo dài hơn chỉ là một vài ví dụ về tối ưu hóa.