BÀI GIẢNG MÔN HỌC PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN – NỔ MÌN

MỞ ĐẦU Chất nổ là sản phẩm công nghiệp hoá học, ngược lại chất nổ là vật tư kỹ thuật là nguyên liệu đặt biệt cho ngành công nghiệp. Chất nổ đã trợ giúp đắc lực cho sự phát triển của một số ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp Mỏ nói riêng. Không chỉ ở Việt Nam mà tất cả các nước trên thế giới đều sử dụng chất nổ làm phương tiện có hiệu quả nhất để phá vỡ đất đá và khoáng sản cứng. Cách đây gần 1000 năm, con người đã tìm ra chất nổ đen có thành phần chủ yếu là Nitrat Kali (KNO3) kết hợp với lưu huỳnh (S) và than hoạt tính (C). Chất nổ này đã nhanh chóng được ứng dụng trong quốc phòng để sát thương đối phương, ứng dụng trong giao thông để phá vỡ các tảng đá dưới lòng sông ngăn cản tàu bè đi lại và được úng dụng trong công nghiệp Mỏ. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, công nghiệp chế tạo sản xuất chất nổ liên tục phát triển. Hiện nay ở nước ta có hai doanh nghiệp được Thủ tướng Chính phủ giao nhiệm vụ sản xuất và kinh doanh cung ứng vật liệu nổ công nghiệp: Công ty Hoá chất mỏ thuộc Tập đoàn CN Than và khoáng sản Việt Nam. Tổng cục công nghiệp quốc phòng – Bộ Quốc Phòng có các nhà máy Z131 , Z113, Z115, Z121 … Vật liệu nổ công nghiệp là loại vật tư kỹ thuật đặc biệt do Nhà nước thống nhất quản lý từ khâu sản xuất, cung ứng, sử dụng đến khâu xuất, nhập khẩu. Theo thông tư số 232009TTBCN của Bộ Công nghiệp ngày 11 082009 quy định về điều kiện người liên quan trực tiếp đến hoạt động vật liệu nổ công nghiệp, tiền chất thuốc nổ; hồ sơ, thủ tục cấp Giấy chứng nhận đủ điều kiện sản xuất, Giấy phép kinh doanh, Giấy phép xuất khẩu, nhập khẩu vật liệu nổ công nghiệp, tiền chất thuốc nổ; Giấy phép sử dụng vật liệu nổ công nghiệp, dịch vụ nổ mìn. Tài liệu nổ mìn được viết theo quy định tại QCVN 02:2008BCT và các tài liệu về kỹ thuật nổ mìn với mục đích đào tạo giám đốc điều hành và quản lý mỏ, chỉ huy nổ mìn, thợ mìn, thủ kho và thợ vận chuyển VLNCN. Nội dung tài liệu giới thiệu về cơ sở lý thuyết chất nổ, các chất nổ công nghiệp, tác dụng nổ trong môi trường, nguyên tắc tính toán lượng thuốc, các biện pháp kỹ thuật an toàn khi tiến hành công tác nổ mìn. Ngoài phần lý thuyết thi công nổ mìn người học còn phải thực tập tại cơ sở sản xuất về các công việc nổ mìn.

PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN – NỔ MÌN

Cách đây gần 1000 năm, con người đã tìm ra chất nổ đen có thành phần chủ yếu là Nitrat Kali (KNO3) kết hợp với lưu huỳnh (S) và than hoạt tính (C) Chất

nổ này đã nhanh chóng được ứng dụng trong quốc phòng để sát thương đối phương, ứng dụng trong giao thông để phá vỡ các tảng đá dưới lòng sông ngăn cản tàu bè đi lại và được úng dụng trong công nghiệp Mỏ Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học khác, công nghiệp chế tạo sản xuất chất nổ liên tục phát triển

Hiện nay ở nước ta có hai doanh nghiệp được Thủ tướng Chính phủ giao nhiệm vụ sản xuất và kinh doanh cung ứng vật liệu nổ công nghiệp:

- Công ty Hoá chất mỏ thuộc Tập đoàn CN Than và khoáng sản Việt Nam

- Tổng cục công nghiệp quốc phòng – Bộ Quốc Phòng có các nhà máy Z131, Z113, Z115, Z121…

Vật liệu nổ công nghiệp là loại vật tư kỹ thuật đặc biệt do Nhà nước thống nhất quản lý từ khâu sản xuất, cung ứng, sử dụng đến khâu xuất, nhập khẩu

Theo thông tư số 23/2009/TT-BCN của Bộ Công nghiệp ngày 11/08/2009 quy định

về điều kiện người liên quan trực tiếp đến hoạt động vật liệu nổ công nghiệp, tiền chất thuốc nổ; hồ sơ, thủ tục cấp Giấy chứng nhận đủ điều kiện sản xuất, Giấy phép kinh doanh, Giấy phép xuất khẩu, nhập khẩu vật liệu nổ công nghiệp, tiền chất thuốc nổ; Giấy phép sử dụng vật liệu nổ công nghiệp, dịch vụ nổ mìn

Tài liệu nổ mìn được viết theo quy định tại QCVN 02:2008/BCT và các tài liệu về kỹ thuật nổ mìn với mục đích đào tạo giám đốc điều hành và quản lý mỏ, chỉ huy nổ mìn, thợ mìn, thủ kho và thợ vận chuyển VLNCN

Nội dung tài liệu giới thiệu về cơ sở lý thuyết chất nổ, các chất nổ công nghiệp, tác dụng nổ trong môi trường, nguyên tắc tính toán lượng thuốc, các biện pháp kỹ thuật an toàn khi tiến hành công tác nổ mìn Ngoài phần lý thuyết thi công nổ mìn người học còn phải thực tập tại cơ sở sản xuất về các công việc nổ mìn

Tài liệu đã được cập nhập thông tin và chỉnh sửa hàng năm để phù hợp với điều kiện thực tế Mặc dù đã cố gắng, song không tránh khỏi những sai sót, rất mong nhận được

sự đóng góp giúp đỡ của quí độc giả và các bạn đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

PHẦN 1

TÍNH CHẤT CƠ LÝ VÀ PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ

1 Độ cứng: Đặc trưng bởi sức kháng chống lại sự xâm nhập của một vật thể cứng vào đá mà không để lại sự biến dạng

2 Độ mài mòn: Là khả năng của đá mài mòn kim loại hoặc hợp kim cứng khi ma sát với đá (phụ thuộc vào hàm lượng thạch anh có trong đá)

3 Độ dẻo: Là tính chất của đá thay đổi hình dạng và kích thước dưới tác dụng ngoại lực mà không bị phá hủy

4 Độ giòn: Là tính chất của đất đá bị phá vỡ mà không bị biến dạng dẻo

Rất cứng Cứng

120 - 200 Cứng vừa

5 Độ dính : Đặc trưng bởi sức kháng của đất đá chống lại những lực muốn tách một phần của nó ra khỏi nguyên khối

6 Độ hạt : Đặc trưng bởi độ lớn của các hạt khoáng vật tạo thành đá

Cỡ hạt lớn > 5mm; cỡ hạt trung bình 1 – 5 mm; cỡ hạt nhỏ < 1 mm;

7 Độ rỗng : Được đặc trưng bởi những lỗ hổng nhỏ nhất có trong đất đá

8 Độ chứa nước : Được đặc trưng bởi tính chất của đá giữ và thoát nước khi

khai thác khoáng sáng

9 Mật độ đất đá : Mật độ đất đá là khối lượng một đơn vị thể tích đất đá ở trạng

thái tự nhiên

10 Độ nở rời : Là tính chất của đá khi ở trạng thái bị phá vỡ có thể tích lớn hơn

so với thể tích nguyên khối

Tỷ số giữa thể tích đất đá tơi vụn với thể tích ban đầu của nó gọi là hệ

số nở rời (thường trong khoảng 1,35 – 1,6)

11 Độ ổn định : Là tính chất của sườn dốc đất đá giữ nguyên vị trí của nó mà

không bị phá hủy Để tăng độ ổn định của sườn dốc đất đá cần

sử dụng phương pháp nổ mìn tạo biên

1.2

12 Tính phân lớp: Là tính chất của đá tương đối dễ tách theo bề mặt phân chia lớp

13 Độ nứt nẻ: Đặc trưng tần số và sự phân bố nứt nẻ trong đá (nứt nẻ phân chia đất đá thành từng khối có kích thước khác nhau)

1.3

Phương pháp đánh giá độ nứt nẻ:

1 Phương pháp đo bề mặt: căng dây dọc theo gương tầng với chiều

dài nhất định và đếm số lượng vết nứt cắt trong khoảng dây đó Chỉ tính vết

nứt tự nhiên, không tính vết nứt nhân tạo Sau đó tính độ nứt nẻ riêng

n – số lượng vết nứt cắt qua trong khoảng dây đo;

L – chiều dài dây đo, m

2 Phương pháp đo mẫu khoan: đo chiều dài những đoạn mẫu khoan

và đếm các phần của đoạn mẫu theo vết nứt tự nhiên Sau đó xác định trị số nứt

n – số lượng các phần của đoạn mẫu theo vết nứt tự nhiên;

l – chiều dài đoạn mẫu, m

3 Phương pháp truyền âm: Xác định chỉ số truyền âm: là tỷ số giữa

tốc độ sóng dọc trong nguyên khối và tốc độ sóng dọc trong từng khối nứt nẻ

1, 0

n i

m

v A

PHÂN LOẠI ĐẤT ĐÁ MỎ

1 Phân loại đất đá theo độ kiên cố (độ cứng)

Cơ sở để phân loại dựa vào là hệ số độ kiên cố f, đặc trưng cho độ bền của đá khi nén 1 trục (Protodiaconov, 1911)

6

'

10 8 , 9 100

n n

2 Phân loại đất đá theo độ nứt nẻ

Đặc trưng bởi độ nứt nẻ riêng (số lượng các vết nứt trên 1 đơn vị chiều dài đo) hoặc khoảng cách trung bình giữa các vết nứt

3 Phân loại đất đá theo độ nổ

Dựa vào chỉ tiêu thuốc nổ (kg/m3) cần thiết để phá vỡ 1 m3 đất đá trong điều kiện chuẩn (loại thuốc nổ chuẩn, số mặt tự do chuẩn, mức độ đập vỡ

Cấp đất

đá

Hệ số độ cứng

II 15 Đá rất cứng Đá granit rất cứng, pocfia thạch anh, đá

phiến silic, cát kết và đá vôi cứng nhất

86 0 11

III 10 Đá cứng Granit đặc, cát kết và đá vôi rất cứng

Vỉa quặng thạch anh, Conglomerat cứng, đá hoa cứng, dolomit, pirit

84 0 18

IIIa 8 Như trên Đá vôi cứng, granit không cứng lắm, cát

kết cứng, đá hoa cứng, ddoolomit, pirit

Bảng 2 Phân loại đất đá theo độ nứt nẻ

Cấp

nứt nẻ

Mức độ nứt nẻ

Độ nứt nẻ riêng

Đường kính

TB các khối nứt, m

Tỷ lệ % các khối có kích thước lớn hơn (cm)

Bảng 3 Bảng phân loại đất đá theo độ nổ

Cấp đất

đá theo

độ nổ

Chỉ tiêu thuốc nổ

q, kg/m 3

K/c trung bình giữa các vết nứt, m

Tỷ lệ % các khối có kích thước lớn hơn

Độ bền của đá 10 6

(N/m 2 )

Mật độ

đấ đá (g/cm 3 )

Cấp đá theo phân loại của Protodia- conov

VIII 1,235 1,45-1,7 100 43-63 195-250 3,15-3,4 I

1.9

4 Phân loại đất đá theo mức độ khó khoan (T k )

Căn cứ vào tốc độ khoan đó, toàn bộ đất đá được chia làm 15 cấp: Phân loại đất đá trên cơ sở chỉ tiêu khó khoan Tk: Có kể tới sức kháng về nén, về cắt và dung trọng của đất đá

Cấp đất đá theo giáo sư

theo độ khoan

Tốc độ khoan (mm/ph) khi khoan bằng

choòng khoan Cấp

PHẦN 2

CÔNG TÁC KHOAN

2.1 PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN Quá trình khoan bao gồm việc phá vỡ đất đá ở gương lỗ khoan bằng dụng cụ khoan và đưa sản phẩm phá vỡ lên khỏi miệng lỗ khoan

Tính đa dạng của phương tiện và các phương pháp khoan đòi hỏi phải phân loại chúng theo những đặc điểm khác nhau:

2.1.1 Phân loại

- Khoan cơ học: đất đá bị phá vỡ do phát triển trong nó ứng suất cơ

Phương pháp khoan cơ học bao gồm: Khoan đập, khoan xoay, khoan đập – xoay, khoan xoay - đập, khoan siêu âm, nổ tạo lỗ khoan, khoan điện - thủy lực và khoan thủy lực

- Khoan nhiệt (khoan vật lý): sự phá vỡ xảy ra do phát triển trong đất

đá ứng suất nhiệt Phương pháp khoan nhiệt bao gồm: Khoan nhiệt, khoan plazma, khoan điện – nhiệt, khoan siêu âm,

2.1

b Theo nguyên tắc xoay choòng khoan

- Loại có cơ cấu xoay phụ thuộc (đập – quay)

- Loại có cơ cấu xoay độc lập (đập – xoay)

c Theo phương pháp sử dụng

- Loại khoan tay (  P hoặc  )

- Loại khoan cột (  K, kc)

- Loại khoan có giá đỡ (  T)

d Theo khối lượng

- Loại nhẹ : khối lượng m  18kg

- Loại trung bình : m = 20kg

- Loại nặng : m > 30kg

e Theo loại năng lượng sử dụng

- Búa khoan đập hơi ép

- Búa khoan đập thủy lực

- Búa khoan đập chạy điện Các loại máy khoan này ding trong các mỏ HL, LT Khoan với đường kính

lỗ khoan nhỏ, Kthác với quy mô, sản lượng nhỏ, phá đá quá cỡ, phá mô chân tầng

2.1.3 Máy khoan đập - xoay

Là những búa khoan và máy khoan có cơ cấu quay không phụ thuộc Phổ biến là các loại máy khoan trung bình và lớn đặt trên xe khoan di chuyển bằng bánh lốp hay xích

- Loại nhẹ : CPU-160

- Loại nặng: CPU-200 Các loại máy khoan này có thể khoan được các lỗ khoan đường kính tương ứng

là 85 – 105mm, 160 mm, 200 mm và hơn thế nữa Các thông số và đặc tính kỹ thuật xem bảng…

Bảng 2.1 Các loại máy khoan đang dùng ở các mỏ lộ thiên Việt Nam

Xoay cầu CBU - 250 MH 243  269

Xoay cầu Igersoll - Rand DM 45 – E 200

Xoay cầu Igersoll - Rand DML/LP 230

Xoay cầu Drill tech S – 245 200

Đập – Xoay (đập - đáy) Roc L8 Atlascopco 165

Đập – xoay (đập - đỉnh) Pantera, Cha 1100 89  127

2.4

 ECM350/VL140

 Ø 64mm TO 102mm

 AIR CONSUMPTION

21.2m3/min @ 7 bar

 RUGGED FOR QUARRY

AND SITE DEVELOPMENT

2.6

 ECM660 IV/HC160R

features

 High visibility cab

 Arm mounted drilling

HYDRAULIC CRAWLER product

Low ground clearance: 432 mm

Rod changer capacity: 6x4 m pipe

(89,120 mm)

Rotary head torque: 4067 Nm

Feed force, max: 43.6 kN

2.12

HYDRAULIC CRAWLER product

 Rotary head torque: 6100 Nm

 Feed force, max: 43.6 kN

2.13

ROTARY DRILL product line-up

• FOR LARGE HOLE DIAMETER (up

to 380mm)

• Available in single or multi-pass

• Either electrical or diesel engine

provides power

• Rotary head provides torque to drill

• Heavy & powerful hydraulic feed

system furnishing pulldown & pullback

force

• Can be equipped with a down hole

hammer (A high pressure air

compressor is needed)

2.14

ROTARY DRILL product line-up

ROTARY DRILL product line-up

 Diameter: 152 – 270 mm

 Hole depth: 55 m

 Engine: CAT/ CU (540 – 820 HP)

 Air Compressor: Ingersoll-Rand

 Feed speed max: 55.1 m/ min

 Pull Down: 27,000 kg

2.16

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHOAN

2.2.1 Phương pháp khoan xoay

Khi khoan xoay, dụng cụ khoan xoay xung quanh trục trùng với trục của lỗ khoan dưới một áp lực dọc trục Po tác dụng lên gương lỗ khoan (Giá trị của lực dọc trục (Po > n) phải lớn hơn giới hạn bền nén của đất đá trên mặt tiếp xúc giữa dụng cụ khoan với đất đá) Đất đá bị cắt theo từng

lớp xoắn vít do tác dụng của lực dọc trục Po và mô men xoay Mq Sản

phẩm phá vỡ được đưa ra khỏi lỗ khoan nhờ ty xoắn, hỗn hợp nước khí nén hoặc khí nén

Phương pháp khoan xoay bao gồm: khoan bằng lưỡi cắt dùng

tay và dùng máy, khoan bằng dụng cụ có gắn kim cương, khoan bằng bi

+ Ưu điểm: Quá trình khoan xảy ra liên tục và năng suất khoan cao trong đất đá mềm yếu

+ Nhược điểm: vùng sử dụng bị hạn chế, năng suất giảm đáng kể trong đất đá cứng (n > 6070 MPa)

2.17

2.2.2 Phương pháp khoan đập

Khi khoan đập, dụng cụ khoan đập lên gương lỗ khoan gây phá hủy đất đá Sau mỗi lần đập, dụng cụ khoan nhấc lên và quay đi một góc  đảm bảo phá vỡ toàn bộ tiết diện gương lỗ khoan và tạo thành tiết diện tròn

Sản phẩm phá vỡ được đưa ra khỏi lỗ khoan nhờ ty xoắn, hỗn hợp

nước khí nén hoặc khí nén

2.2.3 Phương pháp khoan đập - xoay

Khoan đập – xoay: Bằng máy khoan đập khí nén loại nặng với sự quay không phụ thuộc (lực đập tác dụng lên dụng cụ khoan trong khi nó xoay liên tục)

Cả hai trường hợp trên, đất đá ở gương bị phá vỡ chủ yếu do lực đập

Cần phân biệt khoan đập – quay và đập – xoay:

Khoan đập – quay: bằng búa khoan thường và búa khoan loại nặng có

cơ cấu quay phụ thuộc: giữa 2 lần đập liên tiếp dụng cụ khoan quay đi một góc nhất định (khoan đập – cáp cũng thuộc loại này)

2.18

2.2.4 Phương pháp khoan xoay - đập

Dụng cụ khoan được xoay liên tục dưới một áp lực dọc trục P0 rất lớn

sẽ đập vào gương lỗ khoan gây phá vỡ đất đá Sự phá hủy diễn ra do cả lực đập và cả mômen xoay Mp (là chủ yếu) Phoi khoan được lấy lên nhờ ty xoắn, hỗn hợp nước khí nén hoặc khí nén

2.2.5 Phương pháp khoan xoay - cầu

Có 2 loại đầu khoan:

- Đầu khoan thường (khoan đập) dùng cho lỗ khoan nông (khai thác

mỏ lộ thiên, hầm lò Còn đối với khoan dầu khí (khoan sâu): khoan có sự trượt của răng, đất đá bị phá vỡ theo cơ chế khoan xoay - đập

Phoi khoan được lấy lên bằng 3 cách như trên

2.19

1 2 3

2.3 Cơ cấu phá vỡ đất đá khi khoan đập

Cơ sở lý thuyết về khoan đập

Với đất đá có hệ số độ cứng f ≥ 6 thì sử dụng phương pháp khoan đập là hợp lý

Khi đập, lưỡi đầu khoan tác dụng vào đất đá đến độ sâu h và tạo thành rãnh có chiều rộng là a Sau mỗi lần đập, dụng cụ khoan được nâng lên khỏi gương

lỗ khoan và quay đi một góc  nhất định rồi đập tiếp tạo thành rãnh mới Khi lực đập và chiều sâu phá vỡ đủ lớn thì khối đá trong giới hạn góc  bị phá vỡ tại thời điểm tạo thành rãnh mới Sản phẩm phá vỡ được lấy

ra khỏi lỗ khoan nhờ nước hoặc không khí nén

2.20

a: Góc sắc của lưỡi w: Góc sắc của lưỡi, độ h: chiều sâu ngập lưỡi, cm

Khi khoan có 3 chế độ khoan với các kiểu khoan trên:

(

2

27,1

2

m n

d

f tg

d

ntg A v

n: giới hạn bề nén của đất đá kG/cm 2 d: đường kính choòng khoan

Khi tính tốc độ khoan cần kể đến hệ số tác dụng hữu ích truyền năng lượng đập từ píttông đập đến choòng khoan, hệ số đó được xác định theo công thức:

2 2 1

2 2

1

) (

) 1 (

m m

k m

2.4 DỤNG CỤ KHOAN

2.4.1 Đối với búa khoan đập khí nén đường kính nhỏ

- Dụng cụ khoan đập là choòng khoan gồm 2 loại: loại liền và loại có đầu khoan tháo lắp được

+ Loại liền: được chế tạo từ loại thép đặc biệt, một đầu dùng để phá vỡ đất

đá gọi là đầu khoan, còn đầu kia lắp với búa khoan gọi là đuôi choòng

+ Loại rời (có đầu khoan tháo lắp được): cần khoan có đuôi lắp với búa khoan và đầu khoan được gắn hợp kim cứng Đầu khoan rời được nối với cần khoan nhờ cơ cấu ren hoặc côn (góc côn 3 0 30’)

Để khoan đất đá mềm góc sắc của lưỡi 2  : là 90 0 , + đất đá cứng trung bình: 100 – 110 0

+ đất đá cứng: 120 0

Tùy thuộc vào độ cứng và cấu tạo của đất đá người ta sử dụng đầu khoan

có hình dạng khác nhau

Phổ biến là đầu khoan chữ thập (+) để khoan đất đá nứt nẻ mạnh

và chữ nhất (-) đảm bảo tốc độ khoan lớn nhất trong đá đặc xít, ít nứt nẻ

2.23

2.4.2 Đối với máy khoan đập - xoay

a Bộ phận đập hơi ép

Bộ phận đập hơi ép gồm: thân (xilanh hình trụ) pitston đập và choòng khoan Pitston đập thực hiện chuyển động tiến - lùi dưới tác dụng của áp lực khí nén hoặc nước – khí nén, nó đập vào đuôi choòng khoan với tần số 1500 lần/ph hoặc nhiều hơn

b Choòng khoan

Có thể phân loại theo các đặc trưng :

- Theo đường kính: có loại < 85mm, 100 – 105mm, 155 – 160mm, 190 – 200mm ;

- Theo số lưỡi phá hủy và sự phân bố chúng có :

+ Loại choòng; + Loại lưỡi: 3,4 lưỡi (chữ thập), loại chữ X, loại nhiều lưỡi

- Theo sự phân bố vị trí của lưỡi phá hủy có : + Loại 1 mức

+ loại 2 mức (có lưỡi vượt trước) + loại nhiều mức

- Theo dạng hợp kim cứng làm cốt có:

+ loại dạng tâm hình trụ + loại gắn vào hình trụ Loại 1 lưỡi vượt trước sẽ có tác dụng làm giảm nhẹ quá trình khoan và giảm độ cong lỗ khoan

Một trong những nguyên nhân cơ bản làm giảm tuổi thọ của choòng khoan là chất lượng các tấm hợp kim cứng không cao, chưa hoàn thiện công nghệ hàn, trình độ phục hồi dụng cụ khoan còn kém, đặc biệt là việc mài lại choòng khoan

2.24