Khai thác than là gì? Các nghiên cứu khoa học về Khai thác than

Định nghĩa về khai thác than

Khai thác than là quá trình lấy than đá từ lòng đất nhằm phục vụ mục đích năng lượng và công nghiệp. Đây là một trong những ngành công nghiệp khai khoáng có lịch sử lâu đời, đóng vai trò then chốt trong cuộc cách mạng công nghiệp và hiện vẫn còn quan trọng ở nhiều quốc gia, đặc biệt là các nền kinh tế đang phát triển.

Than là một loại nhiên liệu hóa thạch được hình thành từ sự phân hủy và nén ép sinh khối thực vật trong điều kiện yếm khí qua hàng triệu năm. Dưới áp lực và nhiệt độ cao, xác thực vật bị biến đổi dần thành than bùn, sau đó thành các loại than có hàm lượng carbon cao hơn. Than được sử dụng rộng rãi trong ngành điện lực, luyện kim, hóa chất và xi măng.

Có hai hình thức khai thác than chủ yếu:

• Khai thác lộ thiên: Áp dụng cho các vỉa than nằm gần mặt đất, thường dưới 100 mét. Phương pháp này có chi phí rẻ, năng suất cao nhưng gây tổn hại nghiêm trọng đến môi trường.
• Khai thác hầm lò: Dành cho các vỉa than sâu, cần đào đường hầm vào lòng đất. Tuy chi phí cao hơn nhưng ít ảnh hưởng đến cảnh quan bề mặt.

Các loại than và giá trị năng lượng

Than không phải là một vật liệu đồng nhất. Tùy vào mức độ biến chất và hàm lượng carbon, than được phân thành nhiều loại khác nhau với giá trị nhiệt năng riêng biệt. Dưới đây là bảng phân loại cơ bản:

Loại than	Hàm lượng carbon (%)	Nhiệt trị (kJ/kg)	Đặc điểm chính
Than bùn (Peat)	50–60	< 15,000	Chưa biến chất nhiều, độ ẩm cao, dễ cháy không ổn định
Than non (Lignite)	60–70	15,000–20,000	Màu nâu, mềm, nhiều khí và tro
Than bitum	70–85	24,000–35,000	Thường dùng trong nhiệt điện, phổ biến nhất
Than antraxit	86–97	> 35,000	Cháy lâu, sinh nhiều nhiệt, ít tro

Mức năng lượng sinh ra từ đốt cháy than có thể được tính theo công thức:

$Q = m \cdot H$

Trong đó:

• Q: năng lượng sinh ra (kJ)
• m: khối lượng than (kg)
• H: nhiệt trị của loại than (kJ/kg)

Các phương pháp khai thác than

Tùy theo điều kiện địa chất và chiều sâu của vỉa than, các kỹ sư mỏ sẽ chọn một trong hai phương pháp chính là khai thác lộ thiên hoặc khai thác hầm lò. Cả hai đều có hệ thống công nghệ và quy trình an toàn riêng biệt.

Khai thác lộ thiên sử dụng máy xúc, máy khoan, xe tải trọng lớn để bóc lớp đất đá phủ bên trên. Phương pháp này chiếm ưu thế tại các nước có địa hình bằng phẳng hoặc vỉa than gần mặt đất như Úc, Indonesia, Trung Quốc. Ưu điểm:

• Chi phí khai thác thấp
• Dễ cơ giới hóa và tự động hóa
• Tỷ lệ thu hồi than cao

Tuy nhiên, nhược điểm là tàn phá nghiêm trọng đến môi trường đất, nước, thảm thực vật và động vật hoang dã.

Khai thác hầm lò cần xây dựng các đường hầm ngang hoặc nghiêng để tiếp cận các vỉa than sâu. Phương pháp này phổ biến ở các nước như Ba Lan, Việt Nam, Nga, nơi địa chất phức tạp. Đặc điểm:

• An toàn lao động phức tạp do nguy cơ sập hầm, cháy nổ khí mỏ
• Chi phí đầu tư ban đầu cao
• Cần hệ thống thông gió và bơm nước liên tục

Dù vậy, khai thác hầm lò ít gây thay đổi lớn đến cảnh quan tự nhiên ở bề mặt.

Quy trình khai thác và vận chuyển

Quá trình khai thác than không chỉ bao gồm việc lấy than ra khỏi lòng đất mà còn là một chuỗi hoạt động kỹ thuật phức tạp từ khảo sát địa chất đến xử lý than sau khai thác. Quy trình điển hình gồm các bước sau:

1. Khảo sát và thăm dò địa chất
2. Lập kế hoạch mỏ và thiết kế khai thác
3. Khoan, nổ mìn hoặc đào hầm tiếp cận vỉa than
4. Bóc tách than và bốc xúc bằng máy móc
5. Vận chuyển than thô đến nhà máy sơ chế
6. Sàng lọc, rửa than, phân loại theo kích cỡ và độ tro

Trong các mỏ hiện đại, việc vận chuyển thường được tự động hóa với hệ thống băng tải, xe tự hành, thậm chí robot giám sát hầm lò. Nhiều công ty như Caterpillar cung cấp giải pháp điều khiển từ xa giúp giảm rủi ro cho công nhân.

Vận chuyển than sau khai thác có thể thực hiện bằng đường sắt, tàu biển hoặc xe tải hạng nặng tùy theo quy mô mỏ và khoảng cách tới điểm tiêu thụ. Ở một số nước, các cảng than chuyên dụng được xây dựng gần khu vực khai thác để tối ưu logistics.

Ảnh hưởng môi trường

Khai thác than, đặc biệt là khai thác lộ thiên, gây ra hàng loạt hệ lụy môi trường nghiêm trọng cả trong ngắn hạn lẫn dài hạn. Tác động đầu tiên và dễ thấy nhất là việc phá hủy thảm thực vật tự nhiên. Khi loại bỏ lớp đất phủ để tiếp cận vỉa than, toàn bộ hệ sinh thái bề mặt như rừng, đồng cỏ, suối tự nhiên... bị xóa sổ gần như hoàn toàn.

Ngoài ra, quá trình đào bới và vận chuyển cũng làm phát sinh bụi mịn (PM2.5, PM10), gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí tại khu vực mỏ và vùng dân cư lân cận. Các hạt bụi này có thể xâm nhập vào phổi người và động vật, làm tăng nguy cơ mắc bệnh hô hấp mãn tính, đặc biệt là đối với trẻ em và người già.

Một trong những hệ quả nghiêm trọng khác là hiện tượng thoát nước axit mỏ (acid mine drainage). Khi nước mưa hoặc nước ngầm tiếp xúc với đá chứa lưu huỳnh trong quá trình khai thác, phản ứng oxy hóa xảy ra, tạo ra axit sulfuric và kim loại nặng độc hại như arsen, cadmium, chì… Các chất này thấm vào đất, nước ngầm, hoặc chảy ra sông suối, phá hủy toàn bộ đời sống thủy sinh.

Một nghiên cứu của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) chỉ ra rằng các vùng gần mỏ than có tỷ lệ ô nhiễm thủy sinh cao gấp 3 đến 5 lần so với các khu vực không khai thác. Tại một số vùng, sự đa dạng sinh học gần như biến mất do pH nước giảm mạnh và hàm lượng kim loại vượt ngưỡng an toàn.

Không kém phần đáng lo ngại là lượng khí nhà kính được phát thải từ khai thác và đốt than. Các khí chính bao gồm:

• CO₂ (carbon dioxide): sinh ra trong quá trình đốt cháy than để tạo nhiệt
• CH₄ (methane): rò rỉ trong quá trình khai thác, đặc biệt ở các mỏ hầm lò
• NO_x và SO₂: gây mưa axit và ô nhiễm tầng ozone

An toàn lao động và sức khỏe

Ngành công nghiệp khai thác than là một trong những ngành có mức độ nguy hiểm nghề nghiệp cao nhất. Tai nạn mỏ thường xuyên xảy ra và để lại hậu quả thảm khốc. Các nguyên nhân phổ biến bao gồm: sập hầm, nổ khí mêtan, nhiễm độc khí CO, và tai nạn do thiết bị cơ giới.

Đặc biệt, khí methane (CH₄) tích tụ trong các đường hầm hẹp có thể dễ dàng bốc cháy khi gặp tia lửa điện hoặc lửa hàn. Nhiều vụ nổ mỏ từng khiến hàng trăm công nhân thiệt mạng. Do đó, hệ thống thông gió, cảnh báo khí độc, và hệ thống cứu hộ là bắt buộc tại tất cả các mỏ than hầm lò hiện đại.

Ngoài rủi ro tức thì, người lao động ngành than còn đối diện với các bệnh nghề nghiệp mãn tính như:

• Bệnh bụi phổi than (pneumoconiosis)
• Bệnh phổi tắc nghẽn mãn tính (COPD)
• Giảm thính lực do tiếng ồn lớn kéo dài

Theo dữ liệu từ Cục An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA), các mỏ than có tỷ lệ mắc bệnh phổi nghề nghiệp cao gấp 6 lần so với ngành xây dựng. Việc cải tiến thiết bị bảo hộ cá nhân và giám sát sức khỏe định kỳ là biện pháp quan trọng nhằm bảo vệ người lao động.

Kinh tế và chính sách năng lượng

Than vẫn giữ vai trò quan trọng trong cân bằng năng lượng toàn cầu. Theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), năm 2023, than cung cấp khoảng 35% sản lượng điện toàn cầu. Các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia và Nam Phi vẫn phụ thuộc lớn vào nguồn năng lượng này.

Tuy nhiên, xu hướng chuyển dịch năng lượng đang đặt ra thách thức lớn cho ngành than. Nhiều quốc gia phát triển đã công bố kế hoạch đóng cửa tất cả nhà máy điện than vào năm 2030–2040. Ví dụ:

• Đức dự kiến loại bỏ hoàn toàn than vào năm 2038
• Canada cấm xây mới nhà máy điện than không có công nghệ thu giữ CO₂
• Liên minh châu Âu tăng thuế carbon lên các sản phẩm sử dụng than

Dù vậy, than vẫn đóng vai trò quan trọng trong an ninh năng lượng và là nguồn thu ngân sách đáng kể tại nhiều địa phương. Việc xây dựng chính sách chuyển đổi công bằng cho lao động ngành than, đồng thời phát triển năng lượng tái tạo thay thế là điều kiện tiên quyết để quá trình “phi than hóa” không gây rối loạn xã hội.

Xu hướng tương lai

Ngành than toàn cầu đang phải thích nghi với áp lực kép: giảm phát thải và duy trì cung ứng năng lượng ổn định. Một số xu hướng công nghệ đáng chú ý đang được triển khai:

• Than sạch (Clean Coal Technology): cải thiện hiệu quả đốt, giảm lượng khí thải độc hại
• Công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS): tách CO₂ từ khí thải và lưu trữ dưới lòng đất
• Ứng dụng trí tuệ nhân tạo: tối ưu quy trình khai thác và bảo trì thiết bị

Một số dự án CCS lớn đang triển khai trên thế giới:

Tên dự án	Quốc gia	Công suất lưu trữ CO2 (triệu tấn/năm)
Boundary Dam	Canada	1
Petra Nova	Hoa Kỳ	1.4
Sleipner	Na Uy	1

Dù tiềm năng công nghệ còn nhiều, chi phí đầu tư lớn và rào cản chính sách vẫn là thách thức cho quá trình chuyển đổi xanh của ngành than. Việc đầu tư song song vào năng lượng mặt trời, gió và thủy điện là con đường dài hạn được khuyến khích theo hướng phát triển bền vững.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Energy Information Administration – Coal Explained
2. International Energy Agency – Coal 2023 Report
3. U.S. Environmental Protection Agency – Coal and the Environment
4. Encyclopedia Britannica – Coal Mining
5. Caterpillar – Coal Mining Technology
6. World Coal Association
7. Occupational Safety and Health Administration