Đánh giá ảnh hưởng của mặt thoáng đến mức độ đập vỡ đất đá trong đường hầm từ kết quả thí nghiệm trên mô hình nổ điện

Bài viết Đánh giá ảnh hưởng của mặt thoáng đến mức độ đập vỡ đất đá trong đường hầm từ kết quả thí nghiệm trên mô hình nổ điện trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm, phân tích, đánh giá so sánh mức độ đập vỡ đất đá trên mô hình nổ điện cho hai trường hợp nổ một mặt thoáng và hai mặt thoáng.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 49, 01-2015, tr.59-64 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MẶT THOÁNG ĐẾN MỨC ĐỘ ĐẬP VỠ ĐẤT ĐÁ TRONG ĐƯỜNG HẦM TỪ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM TRÊN MƠ HÌNH NỔ ĐIỆN VŨ TRỌNG HIẾU, ĐÀM TRỌNG THẮNG, Học viện Kỹ thuật Quân Tóm tắt: Mức độ đập vỡ đất đá tiêu kinh tế kỹ thuật tổng hợp công tác khoan nổ mìn Cơng tác khoan nổ cơng trường lộ thiên quan tâm đến vấn đề này, nhiên cơng trình nghiên cứu mức độ đập vỡ khoan nổ mìn đường hầm Mặt khác việc đánh giá hiệu kinh tế công tác khoan nổ đường hầm chưa xem xét toàn diện ảnh hưởng mức độ đập vỡ đất đá sau nổ đến hiệu kinh tế dây chuyền khoan – nổ - xúc bốc – vận tải Chính vậy, báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm, phân tích, đánh giá so sánh mức độ đập vỡ đất đá mơ hình nổ điện cho hai trường hợp nổ mặt thống hai mặt thống Kết phân tích thực nghiệm cho phép đánh giá qui luật đập vỡ đất đá phụ thuộc vào lượng riêng để phá hủy đơn vị thể tích đất đá, rút hệ số ảnh hưởng số mặt thoáng, làm sở kế thừa lý thuyết mức độ đập vỡ đất sau nổ phá đá lộ thiên, để áp dụng vào cơng trình ngầm Đặt vấn đề Mức độ đập vỡ đất đá (MĐĐVĐĐ) nổ mìn tiêu kinh tế kỹ thuật tổng hợp, phản ánh mức độ tối ưu thông số khoan nổ hiệu kinh tế dây chuyền sản xuất khoan nổ - xúc bốc - vận tải Trên giới đến sở lý luận qui luật MĐĐVĐĐ nổ mìn điều kiện lộ thiên hồn thiện, điều góp phần thuận lợi giải toán kinh tế kỹ thuật đảm bảo tối ưu toàn dây chuyền sản xuất [1, 4] Tuy nhiên vấn đề đề cập hạn chế công tác nổ thi cơng đường hầm, điều làm khó khăn giải tốn kinh tế tối ưu thi cơng đường hầm [1, 2, 3] Phân tích q trình phá hủy đất đá nổ nhận thấy, chất yếu tố ảnh hưởng đến trình vật lý học phá hủy đất đá nổ điều kiện lộ thiên đường hầm số lượng mặt thoáng [1, 4] Khi nổ điều kiện lộ thiên thơng thường có hai mặt thống, sóng nén tới kết hợp với sóng kéo phản xạ từ mặt thống đóng vai trò lớn q trình phá hủy đất đá, nổ đường hầm mặt thống nằm miệng lỗ khoan, vai trò sóng nén tới chiếm vai trò so với sóng phản xạ kéo Đây lý tạo khác biệt MĐĐVĐĐ nổ mìn điều kiện đường hầm lộ thiên Chính lý trên, để kế thừa qui luật MĐĐVĐĐ điều kiện nổ lộ thiên giải toán tối ưu kinh tế nổ mìn đường hầm, việc nghiên cứu ảnh hưởng số lượng mặt thoáng đến MĐĐVĐĐ nhiệm vụ có ý nghĩa khoa học thực tiễn Cơ sở lý thuyết mối quan hệ ba thông số tiêu thuốc nổ, số mặt thoáng MĐĐVĐĐ 2.1 Mối quan hệ tiêu thuốc nổ với MĐĐVĐĐ Để phá hủy khối lượng đất đá xác định phạm vi bán kính giới hạn cần tiêu hao lượng lượng xác định Cùng với tăng mức độ phá hủy khối đất đá tăng lượng phá hủy tăng tiêu thuốc nổ Các cơng trình nghiên cứu điều kiện tầng đá lộ thiên, khẳng định MĐĐVĐĐ tỉ lệ đồng biến với tiêu thuốc nổ hay gọi lượng tiêu tốn lượng nổ [1, 4] Hiện có nhiều cơng thức xác định mối quan hệ này, nhiên công tác thiết kế kỹ thuật phổ biến sử dụng công thức thực nghiệm Liên đồn nổ mìn Nga mơ tả mối 59 quan hệ tiêu thuốc nổ với cỡ đá nổ (hay MĐĐVĐĐ), tính chất lý đá điều kiện nổ [1, 4]: 2/5  0,5  q  0,13 f  0,  3,3d0 d3     k ,(1) d  H  f – hệ số bền lớp phủ đất đá bề mặt theo M.M Protodiakonov; d0 – kích thước khối đá riêng biệt trước nổ phá, m; d3 – đường kính khối thuốc nổ, m; dн – kích thước cho phép cục đất đá, m;  - mật độ khối đất đá, tấn/m3; k – hệ số tính tới sức công phá thuốc nổ 2.2 Mối quan hệ MĐĐVĐĐ với tiêu thuốc nổ số lượng mặt thống khối đá nổ mìn MĐĐVĐĐ khơng phụ thuộc vào tiêu thuốc nổ, mà phụ thuộc vào số lượng mặt thoáng xung quanh lượng nổ điều kiện liên quan vụ nổ Sự khác biệt nổ điều kiện lộ thiên cơng trình ngầm số lượng mặt thống xung quanh lượng nổ Số lượng mặt thoáng điều kiện quan trọng công tác thi công khoan nổ ảnh hưởng đến tiêu thuốc nổ MĐĐVĐĐ Như biết, nổ phá đất đá đường hầm tiêu thuốc nổ lớn dẫn đến đất đá bị đập vụn so với nổ lộ thiên Hiện nổ lộ thiên, biến đổi quan hệ MĐĐVĐĐ với tiêu thuốc nổ lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị mặt thoáng nghiên cứu biểu diễn dạng sau [1]: Dtb  1/( w.ch K1.K2 K3.K4 K5 K6 w.ch ) , (2) Dtb  1/( K1.K2 K3.K4 K5 K6 w.ch et qt ) , (3) đó: Dtb - đường kính trung bình cục đá sau nổ, m; q - tiêu thuốc nổ, kg/m3 Ta có q  w / et ; w - lượng tiêu hao lượng phá hủy đơn vị thể tích đất đá, J/m3; et - lượng riêng chất nổ, J/kg; 60  ch - số đập vỡ chuẩn xác định loại đất đá, m2/J; K1 , K , K , K , K - hệ số hiệu chỉnh tương ứng loại thuốc nổ, đường kính thuốc, hướng lỗ khoan, số hàng lỗ khoan; K - hệ số hiệu chỉnh số mặt tự Khi có mặt tự K =1 Khi có mặt tự K =2 Cơng thức (2) (3) phản ánh qui luật tăng số mặt tự tiêu thuốc nổ đơn vị lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị giảm MĐĐVĐĐ MĐĐVĐĐ tăng giá trị tiêu thuốc nổ hay lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị Từ mối quan hệ tiêu thuốc nổ, số mặt thống MĐĐVĐĐ trình bày nhận thấy chất nổ đường hầm khác nổ lộ thiên yếu tố hạn chế mặt thống hạn chế q trình bay văng đất đá theo phương vng góc với trục đường hầm Quan sát thực tiễn nhận thấy nổ đường hầm mặt thoáng MĐĐVĐĐ lớn hai mặt thống Lý tiêu thuốc nổ điều kiện đường hầm thông thường lớn điều kiện lộ thiên Tuy nhiên vấn đề ảnh hưởng mặt thoáng đến MĐĐVĐĐ nổ đường hầm, chưa thấy có cơng trình nghiên cứu cụ thể Chính vậy, kết nghiên cứu thực nghiệm mơ hình nổ điện điều kiện đường hầm mặt thoáng hai mặt thống góp phần làm sáng tỏ vấn đề Mơ tả kết thí nghiệm mơ hình nổ điện Kế thừa phương pháp thí nghiệm nổ điện Trường đại học tổng hợp Mỏ quốc gia Matxcova để tiến hành xây dựng mơ hình thí nghiệm, dụng cụ tạo xung nổ điện thiết kế chế độ đặt lượng có cơng suất thay đổi phạm vi từ đến 500J [2, 5] Mẫu thử nghiệm thạch cao gồm loại 2, tương ứng bố trí nổ theo điều kiện mặt thống mặt thống có kích thước đặc tính xem bảng hình Bảng Thơng số mẫu thí nghiệm STT Tên mẫu Kích thước dài x rộng x cao (mm) Loại Loại 30x30x60 40x40x80 Trọng lượng thể tích g/cm3) 1,21 1,21 Cường độ chịu nén (kg/cm2) 40 40 Vận tốc sóng dọc (m/s) 810 810 Các mẫu thạch cao trộn cát đúc khuôn sắt, khuôn sắt giống biên đường hầm điều kiện nổ diễn sau lỗ khoan tạo biên nổ trước Chi tiết mô tả [2] Mỗi lần nổ mức lượng khác nhau, tiến hành phân loại cỡ cục đá mẫu vỡ nhờ hệ thống sàng tiến hành xác định thông số đặc trưng cho kết nổ mô tả bảng Bảng Kết nổ mô hình nổ điện Một mặt thống Tên tổ mẫu Dtb (cm) Thể tích phá (cm3) 1L1 2L1 3L2 4L1 5L2 6L2 7L1 8L2 9L2 10L1 11L2 12L1 13L2 14L2 15L1 16L1 17L2 18L1 19L2 20L1 3,41 3,33 3,22 3,02 2,80 2,40 2,31 2,27 2,11 1,92 1,75 1,68 1,59 1,52 1,45 1,42 1,42 1,42 1,42 1,42 12,75 14,00 15,42 18,42 25,08 27,25 29,50 30,83 32,33 32,83 34,17 34,83 35,42 37,33 37,67 39,92 40,67 40,25 40,33 40,50 Năng lượng nổ (J) 60,00 70,00 80,00 100,00 140,00 170,00 190,00 210,00 230,00 260,00 300,00 330,00 360,00 400,00 420,00 460,00 470,00 480,00 490,00 500,00 Hai mặt thoáng Tiêu hao Tên tổ lượng mẫu đơn vị q, (J/cm3) 4,71 21L2 5,00 22L1 5,19 23L2 5,43 24L1 5,58 25L1 6,24 26L2 6,44 27L1 6,81 28L2 7,11 29L1 7,92 30L2 8,78 31L1 9,47 32L1 10,16 33L2 10,71 34L1 11,15 35L2 11,52 36L1 11,56 37L2 11,93 38L1 12,15 39L2 12,35 40L1 Dtb (cm) Thể tích phá (cm3) Năng lượng nổ (J) 3,42 3,37 3,35 2,92 2,53 2,23 2,02 1,83 1,79 1,74 1,68 1,65 1,61 1,57 1,53 1,48 1,48 1,48 1,48 1,48 12,67 14,67 20,55 26,50 29,83 34,83 36,17 36,75 37,00 37,42 37,92 38,00 39,17 39,50 40,25 41,08 41,00 41,17 41,00 40,92 60,00 70,00 100,00 130,00 160,00 200,00 220,00 260,00 280,00 300,00 310,00 330,00 350,00 370,00 430,00 460,00 470,00 480,00 490,00 500,00 Tiêu hao lượng đơn vị q, (J/cm3) 4,74 4,77 4,87 4,91 5,36 5,74 6,08 7,07 7,57 8,02 8,18 8,68 8,94 9,37 10,68 11,20 11,46 11,66 11,95 12,22 Phân tích, đánh giá kết thực nghiệm Xử lý số liệu theo phương pháp bình phương tối thiểu, cho phép rút qui luật phụ thuộc xấp xỉ kích thước trung bình cục đá mẫu sau nổ tiêu tốn lượng phá hủy đơn vị thể tích mẫu có dạng phương trình [2]: 61 Hình Sự phụ thuộc thực tế thể tích phá hủy mẫu nổ trường hợp mặt thoáng hai mặt thoáng Đối với đường hầm mặt thoáng: Dtb  14,039.w0,945 ; R  0,982 , Đối với đường hầm hai mặt thoáng: Dtb  13,709.w 0,974 ; R  0,902 , (4) (5) đó: Dtb - kích thước trung bình cục đá mẫu sau nổ, cm; w - lượng tiêu hao lượng phá hủy đơn vị thể tích mẫu đá hay gọn tiêu lượng nổ đơn vị, J/cm3 So sánh phụ thuộc thực tế thể tích mẫu bị phá hủy mẫu vào tiêu hao lượng nổ điện đơn vị trường hợp mặt thoáng hai mặt thoáng phản ánh hình Phân tích hình nhận thấy đường cong trường hợp hai mặt thoáng nằm bên mặt thoáng Điều phản ánh qui luật nổ đường hầm tiêu thuốc nổ nổ gương hầm hai mặt thoáng nhỏ mặt thống Phân tích phụ thuộc kích thước cục đá trung bình sau nổ vào tiêu hao lượng nổ đơn vị trường hợp mặt thoáng hai mặt thoáng thể tương ứng phương trình (3) (4) hình 2, nhận thấy tăng lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị kích thước trung bình cục đá giảm dần, tức MĐĐVĐĐ tăng dần ngược lại Khi tiêu hao lượng nổ đơn vị tăng đến giá trị giới hạn (wgh2) hình đường cong trường hợp hai mặt thoáng gần đạt trạng thái bão hòa, đường cong nằm song song với trục hồnh 62 Điều có nghĩa tiếp tục tăng lượng tiêu hao lượng nổ lớn giá trị tới hạn (wgh2) mức đập vỡ đá trường hợp hai mặt thống gần bão hòa Nói cách khác miền gia tăng lượng nổ chuyển thành cơng dạng cơng vơ ích đá văng sóng xung kích Phân tích hình nhận thấy tăng tiêu hao lượng nổ lớn giá trị giới hạn (wgh2) kích thước cục đá trung bình trường hợp nổ mặt thoáng tiếp tục giảm đạt bão hòa trị số lớn wgh2 Điều phản ánh qui luật thực tiễn nổ không gian bị nén ép kìm hãm văng đất đá, kéo theo kìm hãm lượng ngồi khơng khí Cả hai trường hợp nổ mặt thống hai mặt thoáng, giảm lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị kích thước trung bình cục đá tăng, tức MĐĐVĐĐ giảm Về phương diện lý thuyết lượng tiêu hao thuốc nổ đơn vị dần khơng kích thước trung bình cục đá tăng lên vô (bằng khối đá nguyên khối) kích thước trung bình khối nứt ngun khối Tuy nhiên thực tế lượng tiêu hao thuốc nổ đơn vị giảm đến giá trị đó, ngồi tổn thất thơng thường, lượng nổ gây biến dạng tương đối không đủ đạt đến giá trị tới hạn, tức xung quanh lượng nổ đất đá xem khơng bị phá hủy Vì thí nghiệm lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị wth hai đường cong hai trường hợp gặp Điểm gọi điểm tới hạn Có nghĩa lượng tiêu hao lượng nổ nhỏ wth hai trường hợp khơng chịu ảnh hưởng mặt thoáng, tác dụng học giống nổ môi trường vô tận, đất đá hồn tồn chịu tác dụng phá hủy sóng nén tới Hình So sánh phụ thuộc kích thước cục đá trung bình vào lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị trường hợp mặt thống hai mặt thống Đường khơng liền nét đường cong thực tế; Đường liền nét đường cong lý thuyết (xấp xỉ) Trị số qth qgh2 tương ứng với Eth Egh2 hình Từ kết thí nghiệm mơ hình, đối chiếu với góc nhìn từ thực tiễn, cho miền hiệu công tác nổ nằm phạm vi từ wth đến wgh2 hình Trong miền từ wth đến wgh2 tiến hành so sánh hai trường hợp nổ mặt thoáng hai mặt thoáng, đường cong mơ tả qui luật phụ thuộc kích thước trung bình cục đá sau nổ vào lượng tiêu hao lượng nổ đơn vị trường hợp mặt thoáng nằm trường hợp hai mặt thoáng Điều tỏ trị số lượng tiêu hao thuốc nổ, MĐĐVĐĐ trường hợp hai mặt thống lớn mặt thống Nói cách khác nổ gương nhiều mặt thống mức độ đập vụn đất đá có lợi trường hợp mặt thống Như thấy để kế thừa qui luật đập vỡ đất đá nổ mìn lộ thiên, cần tìm hệ số so sánh MĐĐVĐĐ trường hợp nổ gương mặt thoáng so với gương hai mặt thống Giá trị bình qn hệ số toàn miền (wth, wgh2) xác định sau: w gh2 D tb K mDtb  ( w).dw wth w gh2 D tb1 (6) ( w).dw wth KmDtb  13, 709.28, 461.w 0,026 14, 039.18,182.w   14,039.18,182w wth w 0,055 gh 0, 026 gh2 0, 055 gh2 13,709.38,461 w wgh wth    wth0,026 (6’) w Phân tích số liệu đồ thị hình nhận trị số gần sau: wgh2  10,69 J/cm3; K mDtb 0, 055 th wth  4,77 J/cm3 Thay trị số vào phương trình (5’) ta có: KmDtb  0,91  0,9 , (7) Như hệ số so sánh MĐĐVĐĐ trường hợp nổ gương mặt thoáng so với gương hai mặt thoáng K mDtb  0,9 , điều 63 phản ánh ảnh hưởng mặt thoáng đến mức độ khó đập vỡ MĐĐVĐĐ nổ gương mặt thoáng nhỏ gương hai mặt thoáng 0,9 lần Kết chứng minh vai trò mặt tự phụ sóng phản xạ việc nâng cao hiệu nổ phá đá Kết cho phép ứng dụng qui luật đập vỡ đất đá công trường lộ thiên cho đường hầm Nếu chọn hệ số K3=1 trường hợp chuẩn để so sánh, cơng thức (3) (4) sử dụng biểu diễn mối quan hệ trường hợp nổ đường hầm mặt thoáng với hệ số K3 chuyển thành ký hiệu K mDtb đặc trưng cho ảnh hưởng mặt thoáng đến MĐĐVĐĐ, viết lại dạng: Dtb  1/( K1.K2 KmDtb K4 K5 K6 w.ch ) , (8) Dtb  1/( K1.K K mDtb K4 K5 K6 w.ch et qt ) ,(9) đó: nổ đường hầm mặt thoáng K mDtb  0,9 ; nổ đường hầm hai mặt thoáng K mDtb  ; nổ đường hầm ba mặt thoáng K mDtb  Kết luận Như miền hợp lý ứng dụng thực tế (từ wth đến wgh2), MĐĐVĐĐ phụ thuộc vào yếu tố tiêu thuốc nổ, phụ thuộc vào số lượng mặt thống khối đá nổ mìn Cùng tiêu thuốc nổ MĐĐVĐĐ tăng tăng số lượng mặt thoáng ngược lại Khi nổ đường hầm gương mặt thoáng, MĐĐVĐĐ nhỏ trường hợp gương hai mặt thoáng điều kiện Hệ số ảnh hưởng mặt thoáng đến MĐĐVĐĐ rút từ mơ hình nổ đường hầm mặt thoáng K mDtb xấp xỉ 0,9 Kết cho phép hoàn thiện hướng kế thừa thành qui luật MĐĐVĐĐ nổ điều kiện lộ thiên, để rút qui luật MĐĐVĐĐ nổ đường hầm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung, 2010 Nổ hóa học lý thuyết thực tiễn Nhà xuất Khoa học kỹ thuật [2] Đàm Trọng Thắng, Vũ Trọng Hiếu Nghiên cứu mức độ đập vỡ đất đá thi công đường hầm mô hình nổ điện Tuyển tập báo cáo khoa học - Hội nghị khoa học lần thứ 21 Trường đại học Mỏ - Địa chất, tháng 11/2014 [3] А.Н Панкратенко, 2002 Технология строительства выработок больщого поперечного сечения, Mocквa [4] Кутузов Б.Н Разрушение горных пород взрывом - Взрывные технологии в промышленности МГГУ, Москва 1994 [5] Кутузов Б.Н Лабораторные работы по дисциплине “ Разрушение горных пород взрывом” МГИ, Москва 1990 SUMMARY The effect of free surface on degree of fragmentated rock by blasting in underground based on electrical explosion model Vu Trong Hieu, Dam Trong Thang, Military Technical Academy The degree on fragmentated rock is one of all technical and economic indicators of the synthetic drilling and blasting This issue was very interested in the drilling blasting on opencast site, however, very little research on it in tunnel drilling blasting On the other hand, the evaluation of economic efficiency of the drilling explosion in the tunnel is not a comprehensive review of the extent of the impact degree of smashing of rock and soil after explosion them on the economic efficiency of the whole chain: drilling - explosion - loading - transport Hence, this paper presents the results of empirical research, analysis, evaluation and compared the degree on fragmentated rock based on electrical explosion model between two cases explosion: one free surface and two free surface The empirical analysis allows evaluation law of fragmentated rock which depending on the specific energy to destroy a unit volume of rock, which lead to obtain the coefficient affecting of number of the free surface, as a basis for explosion theory to apply to the underground 64 ... nổ gương mặt thoáng so với gương hai mặt thoáng K mDtb  0,9 , điều 63 phản ánh ảnh hưởng mặt thoáng đến mức độ khó đập vỡ MĐĐVĐĐ nổ gương mặt thoáng nhỏ gương hai mặt thoáng 0,9 lần Kết chứng... hợp mặt thoáng hai mặt thoáng phản ánh hình Phân tích hình nhận thấy đường cong trường hợp hai mặt thoáng nằm bên mặt thoáng Điều phản ánh qui luật nổ đường hầm tiêu thuốc nổ nổ gương hầm hai mặt. .. qt ) ,(9) đó: nổ đường hầm mặt thoáng K mDtb  0,9 ; nổ đường hầm hai mặt thoáng K mDtb  ; nổ đường hầm ba mặt thoáng K mDtb  Kết luận Như miền hợp lý ứng dụng thực tế (từ wth đến wgh2), MĐĐVĐĐ