THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 113 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG LƯỢNG NỔ ĐẾN MỨC ĐỘ ĐẬP VỠ ĐẤT ĐÁ[.]
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG LƯỢNG NỔ ĐẾN MỨC ĐỘ ĐẬP VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM Đàm Trọng Thắng1, Nguyễn Trí Tá1, Vũ Xuân Bảng1, 1Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Tóm tắt Trên sở nghiên cứu phân tích lý thuyết tác dụng nổ môi trường rắn lượng nổ tập trung, dài phẳng, kết hợp với việc tiến hành thí nghiệm nổ mơ hình thu nhỏ vật liệu bê tông, báo thiết lập quy luật thực nghiệm so sánh đánh giá ảnh hưởng hình dạng lượng nổ đến mức độ đập vỡ đất đá khuyến nghị giải pháp nâng cao hiệu nổ thực tiễn Từ khóa: Hiệu nổ; mức độ đập vỡ đất đá; lượng nổ; thiết kế nổ mìn Đặt vấn đề Mức độ đập vỡ đất đá (MĐĐVĐĐ) thông số tổng hợp đặc trưng cho tỉ lệ thành phần cỡ hạt sau nổ Đá bị đập vụn nhỏ MĐĐVĐĐ lớn ngược lại Các điều kiện tự nhiên, kỹ thuật công nghệ vụ nổ định MĐĐVĐĐ MĐĐVĐĐ lại ảnh hưởng đến hiệu khâu công nghệ xúc bốc, vận tải Trong lĩnh vực phá hủy đất đá phục vụ xây dựng cơng trình hay khai khoáng, việc nghiên cứu xoay quanh việc tối ưu hóa MĐĐVĐĐ trở thành hướng trung tâm nhằm đáp ứng ngày tốt hiệu kinh tế sản xuất Đến nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến MĐĐVĐĐ tiêu thuốc nổ, đường kính lượng nổ, chiều dài lượng nổ, số mặt thống Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu so sánh ảnh hưởng hình dạng lượng nổ đến MĐĐVĐĐ [1, 2] Trong thực tiễn nay, áp dụng ba dạng lượng nổ lượng nổ tập trung, dài lượng nổ phẳng Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm so sánh ảnh hưởng hình dạng lượng nổ tập trung, dài dạng lượng nổ phẳng (bằng tổ hợp lượng nổ dài song song nhau) đến MĐĐVĐĐ cố định khối lượng thuốc nổ nội dung có tính cấp thiết Cơ sở lý thuyết ảnh hưởng hình dạng lượng nổ đến MĐĐVĐĐ 2.1 Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng hình dạng lượng nổ đến quy luật phân bố lượng nổ Theo lý thuyết thủy động lực học nổ, coi đất đá môi trường không bị nén ép, tức mật độ khơng đổi q trình chịu tác dụng nổ Khi nổ lượng nổ đặt Email: vubang208@gmail.com 113 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 môi trường đất đá, tác dụng áp lực khí nổ, phần tử đất đá xung quanh lượng nổ nhận trường tốc độ chuyển động theo bên ngoài, áp dụng định luật bảo tồn khối lượng, ta có phương trình sau [1]: u u u ( 1) 0 t r r r (1) Vì mơi trường giả thiết khơng chịu nén nên ta có: 0; 0 t r Sau thay vào (1) biến đổi nhận được: u u ( 1) r r 0 Tích phân hai vế biến đổi, ta có: u u ( 1) r ln C r ln u ( 1) ln r ln C ur 1 C Điều kiện biên: Khi t = r = r0 u = u0, đó: u0 r0 1 C; u.r 1 u0 r0 1 1 r hay: u u0 r (2) đó: u - vận tốc phần tử mơi trường khoảng cách r tính từ tâm nổ; r0 - bán kính lượng nổ; u0 - vận tốc phần tử môi trường mặt lượng nổ; - số bậc hình dạng lượng nổ 3, 2, tương ứng với lượng nổ hình cầu, trụ phẳng Phân tích phương trình (2) rằng, tốc độ hạt đất đá nhận từ vụ nổ giảm dần theo khoảng cách Mức độ suy giảm tốc độ phụ thuộc vào hình dạng lượng nổ (Hình 1) với lượng nổ hình cầu (tập trung) trị số tốc độ giảm nhanh nhất, tiếp đến lượng nổ hình trụ, lượng nổ phẳng Hình Quy luật phân bố tốc độ chuyển động hạt đất đá phụ thuộc vào hình dạng lượng nổ theo lý thuyết thủy động lực học nổ 114 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Trong thực tế, đất đá khơng phải chất lỏng lý tưởng, đường cong phân bố trường tốc độ dạng lượng nổ suy giảm nhanh tổn hao lượng môi trường Môi trường bị phá hủy điểm có tốc độ u lớn tốc độ tới hạn tương ứng với loại đất đá, nên vị trí gần tâm nổ, tốc độ chuyển động lớn, tức động lớn MĐĐVĐĐ lớn ngược lại Từ phân tích thấy rằng, cố định khối lượng thuốc nổ hình dạng lượng nổ ảnh hưởng đến MĐĐVĐĐ So sánh đường cong quy luật lý tưởng trường tốc độ ba dạng lượng nổ hình 1, nhận thấy MĐĐVĐĐ giảm dần theo thứ tự từ dạng lượng nổ phẳng, trụ đến tập trung (cầu) 2.2 Cơ sở lý thuyết dự báo mức độ đập vỡ đất đá nổ Các cục đất đá sau nổ có thành phần kích thước hạt khác nhau, nhiên tỉ lệ cỡ hạt phân bố theo quy luật Quy luật phụ thuộc vào loại đá, điều kiện tự nhiên kỹ thuật nổ Theo dạng hàm toán học, giới phổ biến sử dụng quy luật Rozin-Ramle với điều chỉnh I P Oxanhit dự báo thành phần cỡ hạt đất đá sau nổ mìn với phân bố cỡ hạt mang đặc trưng xác suất có dạng [1, 2, 4, 5]: P( x) e( w) x (3) đó: P( x) - tỉ lệ cỡ hạt có kích thước x; x - kích thước cỡ hạt; φ - số đập vỡ đất đá phụ thuộc vào loại đá, điều kiện tự nhiên điều kiện nổ (m2/J); w - lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị lượng cần thiết để phá vỡ đơn vị thể tích đất đá (J/m3); γ - hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tính chất đất đá Theo [1, 2] đá dễ nổ 0, 75 , đá mức độ khó nổ bình thường hay gọi đá thơng thường , đá khó nổ 1,5 , đá khó nổ Để thuận tiện việc sử dụng quy luật thành phần cỡ hạt sau nổ vào tính tốn thơng số khoan nổ tối ưu, cần phải biết kích thước trung bình cục đá sau nổ (Dtb) Trị số xác định theo phương pháp phân tích đo đạc trực tiếp ngồi trường Tuy nhiên, đường kính trung bình cục đá sau nổ tính tốn theo phương pháp xác suất thống kê, đường kính trung bình cục đá sau nổ xem kì vọng toán học hàm phân bố cỡ hạt Khi đó, kích thước cục trung bình tổng tích trị số kích thước hạt x trị số xác suất tương ứng chúng mô tả dạng: 115 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Dtb xP( x)d ( x) (4) đó, P( x) - xác suất cục có kích thước x, quy luật phân bố cỡ hạt sau nổ, xác định theo Rozin-Ramle có dạng (3) Thay P( x) từ (3) vào (4) nhận được: Dtb xP( x)d ( x) x x 1e x dx (5) Biểu diễn lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị (w) qua tiêu thuốc nổ (q) w et q , J/m3 (6) đó: q - tiêu tốn thuốc nổ đơn vị, kg/m3; et - lượng riêng thuốc nổ J/kg Giải tích phân tiến hành phân tích cho phép rút dạng tổng quát mối quan hệ tiêu thuốc nổ kích thước trung bình cỡ hạt đá sau nổ có dạng: q A Dtb (7) A, - tương ứng số, số mũ phụ thuộc vào loại đất đá điều kiện nổ cần xác định từ thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm 3.1 Mơ tả mơ hình thí nghiệm Để đánh giá phân tích, so sánh MĐĐVĐĐ ba loại hình dạng lượng nổ tập trung, dài dạng phẳng cố định khối lượng thuốc nổ Sử dụng mẫu thí nghiệm dạng vữa xi măng cát mịn M100 Kích thước mẫu: 200x200x200 mm Q trình đúc mẫu đặt sẵn lỗ để đưa lượng nổ vào mẫu Việc lấy mẫu thí nghiệm tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 3105-1993 lấy mẫu, chế tạo bảo dưỡng mẫu thử Thông số đặc trưng mẫu thí nghiệm điều kiện nổ phản ánh bảng 1, Bảng Thông số mẫu thí nghiệm Loại mẫu ứng với lượng nổ Tập trung Kích thước: dài x rộng x cao (mm) 200x200x200 Dài Dạng phẳng TT 116 Đặt tâm mẫu Trọng lượng thể tích (kg/m3) 1930 Ứng suất nén phá hủy (kG/cm2) 100 200x200x200 Đặt trục mẫu 1930 100 200x200x200 Đặt lỗ 6 1930 100 Cách bố trí lượng nổ Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Bảng Điều kiện nổ tương ứng với mẫu thí nghiệm Bố trí dạng lượng nổ tương ứng với mẫu thí nghiệm Tập trung TT Kí hiệu mẫu 2T 3T 4T 5T 6T 7T Cách bố trí thỏi thuốc nổ thỏi thuốc nổ thỏi thuốc nổ thỏi thuốc nổ thỏi thuốc nổ thỏi thuốc nổ Dạng phẳng Dài Kí hiệu mẫu 2D 3D 4D 5D 6D 7D Cách bố trí Bó dây nổ với Bó dây nổ với Bó dây nổ với Bó dây nổ với Bó dây nổ với Bó dây nổ với Kí hiệu mẫu 2P 3P 4P 5P 6P 7P Cách bố trí dây nổ, khoảng cách dây cm dây nổ, khoảng cách dây cm dây nổ, khoảng cách dây cm dây nổ, khoảng cách dây cm dây nổ, khoảng cách dây cm dây nổ, khoảng cách dây cm Khối lượng thuốc nổ TEN (g) Chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng (kg/m3) 4,8 0,6 7,2 0,9 9,6 1,2 12 1,5 14,4 1,8 16,8 2,1 a) b) c) d) Hình Mẫu thí nghiệm trường a, b) Mẫu thí nghiệm; c) Hố đào để nổ mẫu thí nghiệm; d) Kết nổ mẫu thí nghiệm Các lượng nổ tập trung, dài, dạng phẳng sử dụng thuốc nổ Pentrit (TEN), gây nổ kíp điện nổ tức thời (kíp số 8) Nguồn điện gây nổ máy điểm hỏa Với mẫu nổ lượng nổ dài, ta ghép dây nổ lại (loại 12 g/m), với lượng nổ dạng phẳng sử dụng dây nổ (loại 12 g/m) bố trí lỗ 6, khoảng cách dây cm, đảm bảo nổ tạo sóng nổ phẳng (Hình 3) a) b) c) d) Hình Liên kết lượng nổ với mẫu thí nghiệm a) Lượng nổ tập trung; b) Lượng nổ dài; c) Lượng nổ dạng phẳng; d) Đấu kíp nổ đặt mẫu thí nghiệm vào hố đào 117 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Công cụ phục vụ lấy số liệu thí nghiệm gồm: Cân tiểu ly để đo khối lượng nhóm cục đá sau nổ có nhóm kích cỡ, sàng tiêu chuẩn để phân loại nhóm kích cỡ cục đá sau nổ a) b) c) Hình Xác định khối lượng nhóm cục đá sau nổ a) Bộ sàng tiêu chuẩn; b, c) Phân loại cỡ hạt sau sàng mẫu thí nghiệm Phương pháp xác định kích thước trung bình cục mẫu sau nổ dựa theo số liệu sàng mẫu trọng lượng tương ứng với mắt sàng, tính theo cơng thức sau: Dtb d i 100 i ,m (8) đó: d i - đường kính trung bình cấp cỡ hạt thứ i, m; i - tỉ lệ cấp cỡ hạt thứ i đống, % ( 1 3 m 100 ); m - số cấp cỡ hạt phân chia, m=10 3.2 Quy trình thí nghiệm - Tiến hành nổ mẫu thí nghiệm với khối lượng thuốc nổ tăng dần từ thấp đến cao theo bảng Trong thí nghiệm này, dạng lượng nổ tiến hành nổ với khối lượng thuốc nổ khác (tương ứng với tiêu thuốc nổ), loại mẫu thí nghiệm ứng với dạng lượng nổ tiến hành nổ lần để lấy kết trung bình - Phân loại kích thước hạt sau nổ sàng tiêu chuẩn - Xác định khối lượng loại cỡ hạt cân tiểu ly với độ xác g - Xác định tỉ lệ phần trăm cỡ hạt, xác định kích thước hạt trung bình 3.3 Kết thí nghiệm Kết đo sau nổ tỉ lệ phần trăm loại cỡ hạt thu nổ mô hình thí nghiệm Trong thí nghiệm này, ta phân chia làm 10 cỡ hạt theo cỡ sàng gồm: 70 (mm) Sau có tỉ lệ % cỡ hạt với mẫu thí nghiệm, ta tính đường kính trung bình cỡ hạt sau nổ mẫu theo cơng thức (8) lập thành bảng đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ tương ứng với dạng lượng nổ khác sử dụng khối lượng thuốc nổ (hay tiêu thuốc nổ) 118 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Bảng Đường kính trung bình cỡ hạt nổ lượng nổ khác (m) Đường kính trung bình cỡ hạt tương ứng với dạng lượng nổ (m) Chỉ tiêu thuốc nổ (kg/m3) 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 Với lượng nổ tập trung 0,0542 0,0424 0,0392 0,0273 0,0243 0,0195 Với lượng nổ dài 0,0477 0,0322 0,0283 0,0225 0,0211 0,0203 Với lượng nổ dạng phẳng 0,0315 0,0275 0,0254 0,0241 0,0231 0,0220 3.4 Phân tích kết thí nghiệm Từ số liệu bảng 3, ta xây dựng đồ thị mối quan hệ kích thước cục đá trung bình sau nổ vào tiêu thuốc nổ tương ứng với ba dạng lượng nổ khác lượng nổ tập trung, lượng nổ dài lượng nổ dạng phẳng (Hình 5) Hình Sự phụ thuộc đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ vào tiêu thuốc nổ với dạng lượng nổ tập trung, dài phẳng Xử lý số liệu theo phương pháp bình phương tối thiểu, cho phép rút quy luật phụ thuộc xấp xỉ kích thước trung bình cục đá mẫu sau nổ vào tiêu thuốc nổ tương ứng với dạng lượng nổ khác theo phương trình đây: Đối với mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ tập trung: Dtb 0,0386.q 0,807 ; R2 0,9473 (9) Đối với mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ dài: Dtb 0,0318.q 0,691; R2 0,9719 (10) 119 Journal of Science and Technique – ISSN 1859-0209 Đối với mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ dạng phẳng: Dtb 0,027.q 0,278 ; R2 0,9947 (11) đó: Dtb - kích thước trung bình cục đá mẫu sau nổ, m; q - lượng tiêu hao thuốc nổ phá hủy đơn vị thể tích mẫu đá hay cịn gọi tiêu thuốc nổ đơn vị, kg/m3 Phân tích phụ thuộc kích thước cục đá trung bình sau nổ vào tiêu hao thuốc nổ đơn vị với dạng lượng nổ tương ứng với phương trình (9), (10), (11) hình ta nhận thấy tăng tiêu thuốc nổ kích thước trung bình cục đá giảm dần, tức MĐĐVĐĐ tăng dần ngược lại Đường cong quy luật thực nghiệm nhận phụ thuộc đường kính trung bình cỡ hạt vào tiêu thuốc nổ lượng nổ dạng phẳng nằm thấp nhất, tiếp đến đường cong lượng nổ hình trụ, cịn đường cong lượng nổ tập trung Mức độ chênh lệch giá trị ba đường tăng lên theo chiều giảm tiêu thuốc nổ giảm xuống theo chiều tăng tiêu thuốc nổ Khi tiêu thuốc nổ lớn 1,5 kg/m3, lượng nổ dư thừa mức tổn hao để làm bay cục đá, đồ thị gần coi ba đường xem tiến vùng bão hòa gặp Kết luận khuyến nghị Từ kết nghiên cứu trên, cho phép rút kết luận sau: Các quy luật thực nghiệm phụ thuộc đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ phụ thuộc vào tiêu thuốc nổ lượng nổ tập trung, dài dạng phẳng tuân theo quy luật chung quy luật đập vỡ đất đá nổ mìn [5] Quy luật chung phản ánh mối quan hệ tỉ lệ nghịch phi tuyến đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ phụ thuộc vào tiêu thuốc nổ Khi khối lượng thuốc nổ nhau, mức độ đập vỡ đất đá lượng nổ dạng phẳng lớn nhất, tiếp đến lượng nổ dài cuối lượng nổ tập trung Như vậy, tiêu thuốc nổ bố trí lượng nổ dạng phẳng có lợi so với lượng nổ dài lượng nổ tập trung, hay lượng thuốc nổ phân bố đồng cho mục tiêu đập vỡ đất đá Khi tăng lượng tiêu hao thuốc nổ đơn vị cỡ hạt đá phá nhỏ, lượng tiêu hao cho việc phá hủy đất đá trở nên bão hịa, ảnh hưởng hình dạng lượng nổ khơng đáng kể ngược lại Do đó, ảnh hưởng hình dạng lượng nổ đến mức độ đập vỡ đất đá xảy miền tác dụng hiệu lượng thuốc nổ sử dụng chủ yếu cho việc đập vỡ đất đá Kết nghiên cứu cho phép khuyến nghị áp dụng giải pháp bố trí lượng nổ dạng phẳng có lợi nhất, tiếp đến dạng trụ dài 120 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật – ISSN 1859-0209 Tài liệu tham khảo Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hồng Tuấn Chung (2010) Nổ hóa học lý thuyết thực tiễn Khoa học Kỹ thuật Đàm Trọng Thắng, Vũ Trọng Hiếu, Lê Hồng Hải (2017) Nghiên cứu phương pháp xác định số đập vỡ đất đá nổ mìn Tạp chí Xây dựng, 7/2017 Кутузов Б Н., Рубцов В К (1970) Физика взрывного разрушения горных пород Москва: МГГУ Кутузов Б Н (1990) Лабораторные работы по дисциплине “Разрушение горных пород взрывом” Москва: МГИ Оксанич И Ф., Миронов П С (1982) Закономерности дробления горных пород взрывом и прогнозирование гранулометрического состава Москва: Недра STUDYING THE INFLUENCE OF THE CHARGE’S SHAPE ON THE LEVEL OF ROCK FRAGMENTATION BY THE EXPERIMENTAL RESEARCH METHOD Abstract: Based on research and analysis detonation theory at solid environment of the concentrated charge, long cylinder-shaped charge and slab charge, combined with the explosion test of small-scale models in the concrete materials, the article has established the experimental discipline, evaluated the influences of the charge’s shape and compared to the level of rock fragmentation and recommended the solutions to enhance the effectiveness of explosion in practice Keywords: Effectiveness of explosion; the level of rock fragmentation; explosion; blasting design Ngày nhận bài: 22/3/2018; Ngày nhận sửa lần cuối: 01/8/2018; Ngày duyệt đăng: 21/8/2018 121