Từ giai đoạn thăm dò đến khi đóng cửa mỏ: Quản lý vòng đời tài nguyên khoáng sản được hỗ trợ bởi công nghệ viễn thám.

Công nghệ viễn thám, với những ưu điểm như không tiếp xúc, phạm vi rộng, đa thời gian và độ phân giải cao, đã trở thành phương tiện hỗ trợ cốt lõi cho việc quản lý tích hợp "không gian-máy bay-mặt đất-giếng khoan" đối với tài nguyên khoáng sản trong suốt vòng đời của chúng, bao gồm các giai đoạn chính như thăm dò địa chất, xây dựng mỏ, khai thác mỏ, đóng cửa mỏ và phục hồi sinh thái. Bài báo này, dựa trên các tiêu chuẩn quốc gia hiện hành như "Quy tắc chung về thăm dò địa chất khoáng sản rắn" (GB/T 13908-2020), "Phân loại trữ lượng tài nguyên khoáng sản rắn" (GB/T 17766-2020) và "Thông số kỹ thuật giám sát và đánh giá việc cải tạo đất mỏ và phục hồi sinh thái" (GB/T 43935-2024), trình bày chi tiết một cách hệ thống các hướng ứng dụng cụ thể và các trường hợp điển hình của công nghệ viễn thám đa/siêu phổ, InSAR và viễn thám UAV theo từng giai đoạn. Các ứng dụng bao gồm trích xuất thông tin biến đổi trong giai đoạn thăm dò, khảo sát môi trường cơ bản trong giai đoạn xây dựng, giám sát động và cảnh báo sớm thiên tai địa chất trong giai đoạn khai thác, và đánh giá hiệu quả phục hồi thảm thực vật và phục hồi sinh thái trong giai đoạn đóng cửa mỏ. Hơn nữa, nghiên cứu này phân tích ưu điểm, hạn chế và xu hướng tích hợp thông minh của công nghệ viễn thám kết hợp với tổng quan tài liệu, cung cấp tài liệu tham khảo cho công tác thăm dò khoáng sản và quản lý bền vững.

Theo Điều 4.2 của GB/T 13908-2020, thăm dò địa chất được chia thành khảo sát tổng quát, khảo sát chi tiết và thăm dò. Nhiệm vụ cốt lõi của giai đoạn khảo sát tổng quát là khoanh vùng các khu vực triển vọng và ước tính trữ lượng tài nguyên. Giai đoạn khảo sát chi tiết tập trung vào việc xác minh dị thường và kiểm soát ước tính trữ lượng tài nguyên. Giai đoạn thăm dò dành riêng cho việc chứng minh trữ lượng tài nguyên và nộp báo cáo nghiên cứu khả thi. Công nghệ viễn thám đóng vai trò chủ đạo và lập kế hoạch trong quá trình này. Phương pháp kỹ thuật chủ yếu dựa vào việc giải thích cấu trúc vĩ mô, nhận dạng thạch học và trích xuất thông tin biến đổi khoáng hóa để thực hiện sàng lọc quy mô lớn nhanh chóng. Viễn thám siêu phổ/đa phổ (WorldView-3, GF-5, ASTER) có thể trích xuất chính xác các khoáng chất biến đổi thủy nhiệt như vết sắt, nhóm hydroxyl (Fe-OH, Mg-OH) và cacbonat (ví dụ: kaolinit, sericit), từ đó khoanh vùng quầng biến đổi như các chỉ số thăm dò khoáng sản gián tiếp. Kết hợp với dữ liệu DEM để giải thích các đứt gãy, nếp gấp và cấu trúc vòng, các khu vực khoáng hóa thuận lợi có thể được xác định nhanh chóng (Chen và cộng sự, 2023). Trong giai đoạn khảo sát và thăm dò chi tiết, các mô hình địa chất ba chiều độ phân giải cao được xây dựng bằng công nghệ siêu phổ/lidar UAV để tối ưu hóa bố trí các lỗ khoan, rãnh và hố, và hỗ trợ ước tính sơ bộ về trữ lượng tài nguyên. Chen và cộng sự (2023) đã tiến hành một nghiên cứu về trích xuất thông tin biến đổi thủy nhiệt tại khu vực Beishan-Tongshan thuộc tỉnh Cam Túc bằng cách sử dụng dữ liệu WorldView-3. Họ đã xác định và phân loại thành công các dị thường biến đổi với cường độ khác nhau bằng cách sử dụng phân tích thành phần chính và khớp đặc trưng quang phổ. Nghiên cứu này đã khẳng định mức độ phù hợp cao giữa các dị thường viễn cảm và kết quả lấy mẫu thực địa, cung cấp dữ liệu hỗ trợ độ chính xác cao cho việc lựa chọn khu vực mục tiêu và xác minh trên mặt đất trong giai đoạn khảo sát tổng quát.

Hình 1. Kết quả trích xuất dị thường biến đổi đa băng tần của WorldView-3.

(Chen và cộng sự, 2023)

A: Bất thường Mg-OH; B: Bất thường Fe-OH;

C: Bất thường về nhuộm sắt; D: Bất thường về cacbonat

Hình 1 thể hiện sự phân vùng chi tiết của từng loại hình biến đổi thông qua so sánh phân bố không gian, cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho việc bố trí tuyến đường khảo sát và công tác lập bản đồ cũng như kiểm chứng kỹ thuật trong giai đoạn khảo sát tổng quát.

Hình 2. Bản đồ phân bố các dị thường biến đổi thủy nhiệt được trích xuất từ ​​dữ liệu WorldView-3 tại khu vực Tongshan (Chen và cộng sự, 2023)

Hình 2 thể hiện các màu sắc khác nhau được sử dụng để chỉ ra cường độ của các dị thường Fe-OH, Mg-OH, vết ố sắt và cacbonat. Các điểm kiểm chứng thực địa chồng lên nhau (chấm xanh lá cây) và vị trí khu vực khai thác (hình ngũ giác màu tím) thể hiện rõ mối quan hệ chồng chất giữa sự biến đổi và kiến ​​tạo, trực tiếp hướng dẫn việc xác định ranh giới các khu vực mục tiêu.

Các nghiên cứu khả thi, thiết kế mỏ và xây dựng cơ sở hạ tầng được thực hiện theo tiêu chuẩn GB/T 17766-2020. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám ở giai đoạn này tập trung vào khảo sát hiện trạng môi trường – dựa trên ảnh vệ tinh đa thời điểm, thu thập dữ liệu hiện trạng sử dụng đất, thảm thực vật, địa hình và sinh thái trước khi xây dựng để hỗ trợ định lượng cho Đánh giá Tác động Môi trường (EIA); và sử dụng viễn thám UAV độ phân giải cao để tạo ra mô hình địa hình ba chiều (DTM/DSM) nhằm hỗ trợ lựa chọn vị trí đặt nhà máy, đường sá, hồ chứa chất thải và bãi thải, tránh các nguy cơ địa chất tiềm tàng (GB/T 43935-2024, Điều 6.1), từ đó đạt được mục tiêu phòng ngừa rủi ro môi trường sớm và tuân thủ các quy định xây dựng xanh.

Trong giai đoạn khai thác quy mô lớn, cần phải giám sát động thái sản xuất, các mối nguy hiểm về an toàn và tác động môi trường theo thời gian thực (phù hợp với yêu cầu của tiêu chuẩn DZ/T 0392-2022 "Thông số kỹ thuật giám sát môi trường mỏ bằng viễn thám"). Công nghệ viễn thám có thể thực hiện giám sát động với tần số cao.

1. Giám sát tiến độ khai thác và sử dụng đất – Dựa trên ảnh vệ tinh/UAV đa nguồn, quá trình mở rộng các mỏ lộ thiên, động lực tích tụ lớp đất phủ, biến dạng đập chứa chất thải và sự chuyển đổi loại hình sử dụng đất có thể được theo dõi chính xác. Mi và cộng sự (2019) đã sử dụng dữ liệu ảnh Landsat liên tục và bộ phân loại rừng ngẫu nhiên trong khu vực khai thác than ở vùng ngoại ô phía nam tỉnh Sơn Tây để định lượng hóa sự thay đổi sử dụng đất và lớp phủ do khai thác mỏ ngầm và cải tạo đất từ ​​năm 1987 đến năm 2017, đồng thời mô tả chính xác đặc điểm mô hình không gian của sự mở rộng khu vực khai thác và phục hồi thảm thực vật.

Hình 3. Phân loại sử dụng đất/che phủ đất liên tục từ năm 1987 đến năm 2017.(Mi và cộng sự, 2019)

2. Cảnh báo sớm thảm họa địa chất và giám sát biến dạng — Công nghệ InSAR là công cụ cốt lõi để giám sát sạt lở mái dốc, lún khu vực khai thác và ổn định đập chứa chất thải, cho phép quan sát biến dạng liên tục trong thời gian dài với độ chính xác ở mức milimét. Fadhillah và cộng sự (2024) đã sử dụng kỹ thuật InSAR kết hợp tán xạ cải tiến (ICOPS) tại mỏ quặng sắt lộ thiên Moksan ở Triều Tiên, kết hợp với thuật toán tối ưu hóa học sâu để xử lý dữ liệu chuỗi thời gian Sentinel-1. Kết quả giám sát cho thấy độ lún tích lũy của bãi thải phía đông đạt 170 cm, và của bãi thải phía tây đạt 70 cm, với tốc độ lún hàng năm tối đa vượt quá 15 cm/năm. Nghiên cứu này, thông qua bản đồ tốc độ biến dạng không gian-thời gian và phân tích mặt cắt, đã tiết lộ quy luật tiến hóa không gian-thời gian của độ lún do khai thác mỏ gây ra, cung cấp bằng chứng định lượng cho cảnh báo sớm ổn định mái dốc và phòng chống thảm họa.

Hình 4. Bản đồ phân bố tốc độ biến dạng tích lũy InSAR của mỏ quặng sắt lộ thiên Mushan (Fadhillah et al., 2024)

Sự thay đổi màu sắc trong sơ đồ thể hiện tỷ lệ biến dạng trung bình hàng năm, khi được chồng lên ranh giới khu vực khai thác, sẽ hỗ trợ trực tiếp cho công tác quản lý an toàn trong giai đoạn sản xuất.

Hình 5. Phân tích hồ sơ biến dạng tích lũy InSAR của khu vực mỏ quặng sắt lộ thiên Mushan từ năm 2016 đến năm 2022 (Fadhillah et al., 2024).

(a) và kết quả biến dạng mặt cắt của các khu vực bãi đổ rác phía đông A–Aʹ; (b) và B–Bʹ; (c) và các khu vực bãi đổ rác phía tây C–Cʹ; (d) và D–Dʹ I.

Các đường biểu diễn đa dạng trong hình thể hiện sự sụt lún tích lũy và thay đổi độ cao tại các thời điểm khác nhau, định lượng các đặc điểm không gian-thời gian của biến dạng do khai thác mỏ gây ra.

3. Đánh giá chất lượng sinh thái – Bằng cách xây dựng chỉ số sinh thái viễn thám chuyên dụng, có thể định lượng được đặc điểm của tình trạng căng thẳng thực vật, ô nhiễm đất và nước, và sự phân mảnh cảnh quan. Song và cộng sự (2023) đã xây dựng Chỉ số sinh thái viễn thám quặng sắt (IM-RSEI) dựa trên dữ liệu Landsat cho khu vực quặng sắt đông dân cư ở Qian'an-Qianxi, tích hợp bảy chỉ số: độ che phủ thực vật, độ xanh của đất trống, độ ẩm, các hạt carbon đen, nhiệt độ bề mặt, oxit sắt và sự phân mảnh cảnh quan. Nghiên cứu này cho thấy chất lượng sinh thái có xu hướng "xấu đi rồi cải thiện" trong giai đoạn từ năm 1992 đến năm 2018, với giá trị IM-RSEI trung bình của khu vực khai thác (0,5412) thấp hơn đáng kể so với vùng đệm xung quanh, khẳng định tác động tiêu cực của hoạt động khai thác mỏ đối với hệ sinh thái xung quanh.

Hình 6. Phân bố không gian của IM-RSEI tại QR từ năm 1992 đến năm 2018 (Song và cộng sự, 2023)

Sau khi mỏ đóng cửa, việc nghiệm thu phục hồi và quản lý dài hạn phải được thực hiện theo quy định tại Chương 8 của GB/T 43935-2024. Ở giai đoạn này, công nghệ viễn thám trở thành công cụ để đánh giá hiệu quả và bảo vệ lâu dài. Các ứng dụng chính bao gồm: giám sát quá trình phục hồi thảm thực vật và cải tạo đất dựa trên chỉ số NDVI và EVI đa thời gian; theo dõi động thái sụt lún còn lại trong khu vực khai thác bằng công nghệ InSAR; và định lượng hiệu quả của việc định hình lại địa hình, cải tạo đất, hóa học đất và nước, và phục hồi hệ sinh thái thông qua các chỉ số RSEI/IM-RSEI, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc nghiệm thu phục hồi (Điều 8.4 của GB/T 43935-2024). Hu và cộng sự (2022) đã giám sát tình trạng phục hồi thảm thực vật của khu vực cải tạo bãi thải mỏ than lộ thiên Antaibao dựa trên dữ liệu Landsat đa thời gian, và định lượng độ che phủ thực vật và xu hướng tăng trưởng sinh khối sau khi cải tạo bằng cách sử dụng bản đồ phân bố không gian-thời gian NDVI. Nghiên cứu này đã xác nhận sự gia tăng đáng kể về độ che phủ thực vật sau khi cải tạo bằng cách so sánh bản đồ NDVI trước và sau khi cải tạo.

Hình 7. Phân tích chuỗi thời gian của chỉ số NDVI ở các thang đo không gian-thời gian tại bãi chôn lấp phía nam (Hu et al., 2022)(a) Kết quả phân tích hồi quy đơn biến; (b) Kết quả phân tích xu hướng Sen+MK.

SI, NSI, NSD và SD lần lượt biểu thị sự tăng đáng kể, không tăng đáng kể, không giảm đáng kể và giảm đáng kể.

Ưu điểm của công nghệ viễn thám trong toàn bộ vòng đời của các mỏ khoáng sản nằm ở tính chất không tiếp xúc, hiệu quả ở cấp độ vĩ mô, thân thiện với môi trường và ít gây xáo trộn. Nó có thể hình thành một hệ thống công nghệ khép kín với việc xác minh thực địa, thăm dò địa vật lý và địa hóa, và kiểm soát kỹ thuật (Chương 5 của GB/T 13908-2020; Điều 4.2 của GB/T 43935-2024). Việc ứng dụng tích hợp trí tuệ nhân tạo và công nghệ hợp nhất dữ liệu đa nguồn (vệ tinh + UAV + InSAR) giúp nâng cao hơn nữa độ chính xác và độ tin cậy của việc giám sát viễn thám (Chen và cộng sự, 2023; Song và cộng sự, 2023). Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế - nó chỉ phản ánh thông tin bề mặt và lớp đất nông và yêu cầu xác minh bằng cách lấy mẫu thực địa; vấn đề mất tính nhất quán ở các khu vực địa hình phức tạp vẫn cần được tối ưu hóa. Trong tương lai, sự tích hợp các công nghệ "viễn thám + thiết bị đầu cuối điều khiển công nghiệp + Internet vạn vật + trí tuệ nhân tạo" sẽ thúc đẩy sự chuyển đổi thông minh trong quản lý mỏ khoáng sản trong toàn bộ vòng đời của nó.

Tài liệu tham khảo

[1] GB/T 13908-2020. Quy tắc chung về thăm dò địa chất các mỏ khoáng sản rắn [S]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn Trung Quốc, 2020.

[2] GB/T 17766-2020. Phân loại trữ lượng tài nguyên khoáng sản rắn [S]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn Trung Quốc, 2020.

[3] GB/T 43935-2024. Quy chuẩn kỹ thuật giám sát và đánh giá việc cải tạo đất mỏ và phục hồi sinh thái [S]. Bắc Kinh: Nhà xuất bản Tiêu chuẩn Trung Quốc, 2024.

[4] DZ/T 0392-2022. Quy chuẩn kỹ thuật giám sát môi trường mỏ bằng cảm biến từ xa [S]. Bắc Kinh: Bộ Tài nguyên thiên nhiên, 2022.

[5] Chen C, Gao L, Xie F, Xia F, Li S. Trích xuất thông tin bị biến đổi do thủy nhiệt bằng cách sử dụng dữ liệu WorldView-3: nghiên cứu trường hợp Huitongshan, Tây Bắc Cam Túc, Trung Quốc[J]. Frontiers in Earth Science, 2023, 11: 1250591.

[6] Song W, Gu HH, Song W, et al. Đánh giá môi trường ở các khu vực khai thác mỏ dày đặc bằng cách sử dụng thông tin viễn thám trên các vùng Qian'an và Qianxi, Trung Quốc[J]. Chỉ số sinh thái, 2023, 146: 109814.

[7] Fadhillah MF, Hakim WL, Lee SK, et al. Phân tích đa thời gian về sự sụt lún đất do hoạt động khai thác mỏ lộ thiên bằng cách sử dụng phương pháp giao thoa tán xạ kết hợp cải tiến với tối ưu hóa thuật toán học sâu[J]. Báo cáo khoa học, 2024, 14: 6311.

[8] Hu JM, Ye BY, Bai ZK, et al. Giám sát từ xa việc phục hồi thảm thực vật tại mỏ lộ thiên Antaibao[J]. Viễn thám, 2022, 14(22): 5634.

[9] Mi J, Yang Y, Zhang S, et al. Theo dõi sự thay đổi sử dụng đất/che phủ đất trong khu vực khai thác mỏ ngầm và trồng rừng thông qua phân loại Landsat liên tục[J]. Viễn thám, 2019, 11(14): 1719.