2.2.4. Đo, ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn
Đối với khu vực nổ mìn tại mỏ đá vơi Hồng Sơn, các thông tin về việc ghi lưu dữ liệu được mơ tả trong Bảng 2-4 và Hình 2.4. Một số kết quả đo được thể hiện trên Hình 2.5 và Bảng 2-5. Trong đó, cột (a) là giá trị tương ứng với kết quả mô tả tại Hình 2.5 (a), và cột (b) là giá trị tương ứng với kết quả mơ tả tại Hình 2.5 (b). Dạng sơ đồ vi sai sử dụng được thể hiện trên Hình 2.6.
Bảng 2-4 Một số thơng tin về q trình ghi lưu dữ liệu chấn động khu vực mỏ đá vơi Hồng Sơn
Khu vực nổ mìn Mỏ đá vôi Hồng Sơn, Kim Bảng, Hà Nam
Điểm đặt máy đo Khu vực nhà dân (tiếp giáp danh giới mỏ).
Thiết bị đo Máy đo rung động Blastmate III
Thời gian ghi 2 – 3 giây.
Hướng đặt máy đo Ngược hướng khởi nổ
Điểm đo
Khu vực nổ mìn
Hình 2.4. Đo dữ liệu tại mỏ đá vơi Hồng Sơn
(a) (b) Hình 2.5 Một số kết quả đo ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn
Bảng 2-5 Một số thông số của các vụ nổ mìn có dữ liệu được ghi chép tại mỏ đá vôi Hồng Sơn
STT Loại thông số (đơn vị) (a) (b)
1 Tổng lượng thuốc nổ (Kg) 1136 2040
2 Lượng thuốc nổ trong một lỗ khoan (Kg/lỗ) 47,3 51
4 Khoảng cách các hàng – các lỗ (m) 3,3 – 3,8 3,3 – 3,8 5 Các mức thời gian của kíp vi sai (mili giây) 17, 25, 42 17, 25, 42
6 Khoảng cách đo (m) 530 517
7 Thời gian ghi dữ liệu (giây) 2 2
0 ms 25ms 17ms 143ms 126ms 101ms 118ms 42ms 67 ms 84ms 59ms 34ms 76ms 59 ms 101ms
Hình 2.6. Dạng sơ đồ vi sai được sử dụng ở mỏ Hồng Sơn
2.3. Xây dựng phương pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động truyền sóng chấn động
2.3.1. Cơ sở xây dựng phương pháp
Calvin J. Konya và Edward J. Walter [26] đã chỉ ra rằng, ở một khu vực nhất định, trong mỗi một giai đoạn, tốc độ lan truyền sóng chấn động gần như khơng đổi. Do đó, trong một vụ nổ mìn vi sai với nhiều điểm nổ ở vị trí khác nhau, được kích nổ ở những thời điểm khác nhau thì sẽ gây nên những đỉnh sóng chấn động khác nhau tại điểm đo theo thời gian. Như vậy, có thể nội suy ra vận tốc lan truyền của sóng chấn động từ việc phân tích mối quan hệ giữa các khoảng thời gian vi sai với khoảng thời gian giữa các đỉnh của sóng chấn động thu được và với khoảng cách giữa các điểm nổ và điểm đo.
Các yếu tố địa chất, địa hình, hướng khởi nổ ảnh hưởng tới sóng chấn động. Theo đó, sóng chấn động lan truyền trong mơi trường đất đá, nên địa chất, địa hình chính là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới vận tốc lan truyền sóng (mục 1.2.2.2). Tuy nhiên do các dữ liệu chọn lọc và phân tích được thu từ cùng một vụ nổ nên các yếu tố này là giống nhau, đường lan truyền của các sóng chấn động từ các điểm nổ tới
điểm đo khi đó được coi là như nhau bởi khoảng cách giữa các điểm nổ là rất nhỏ so với khoảng cách điểm nổ, điểm đo và vận tốc lan truyền sóng. Hướng khởi nổ cũng là yếu tố ảnh hưởng sóng chấn động, nhưng nó ảnh hưởng đến mức độ chấn động là chủ yếu, nên yếu tố này có thể tạm thời bỏ qua. Như vậy, khi xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động từ một vụ nổ mìn vi sai, các yếu tố ảnh hưởng bởi môi trường và phương pháp nổ có thể được bỏ qua.
2.3.2. Giải pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động động
Giả thiết rằng : Có 2 lượng thuốc nổ đặt tại 2 điểm A và B cách nhau một khoảng là a mét, và hai lượng nổ này được kích nổ với thời gian dãn cách vi sai là DT mili giây (điểm A nổ trước, điểm B nổ sau), thì tại điểm đo C, thiết bị đo sẽ nhận được hai đỉnh của sóng chấn động tương ứng với 2 lần kích nổ (Hình 2.7). Một trong số các trường hợp sau sẽ xảy ra:
- Nếu điểm đo C ở vị trí số 1 : khoảng cách CA=CB, hai đỉnh sóng là độc lập:
khoảng thời gian giữa hai đỉnh sóng sẽ xấp sỉ thời gian vi sai DT như mô tả ở trường hợp (1) - Hình 2.7. Kết luận rằng : Không thể xác định được vận tốc lan truyền sóng từ kết quả đo.
- Nếu điểm đo C ở vị trí số 2 : khoảng cách CA>CB, hai đỉnh sóng trùng vào
nhau như mơ tả ở trường hợp (2) - Hình 2.7. Ta có : Vận tốc lan truyền có thể được xác định theo công thức (CA-CB)/ DT.
- Nếu điểm đo C ở vị trí số 2 hoặc 3 : khoảng cách CACB, hai đỉnh sóng là
độc lập, khoảng thời gian giữa hai đỉnh sóng là Dt như mơ tả ở trường hợp (3) và (4) - Hình 2.7. Thì : Vận tốc lan truyền có thể được xác định theo công thức |CA-CB|/ |DT -Dt|. Trường hợp này có thể khẳng định rằng, đỉnh sóng xuất hiện trước tương ứng với điểm nổ trước do khoảng chênh lệch (CA-CB) rất nhỏ so với vận tốc lan truyền sóng và khoảng thời gian vi sai DT.
A B 1 DT(s), a(m) 2 DT Dt Dt 3 4 C C C C (1) (2) (3) (4)
Hình 2.7 Mơ tả lý thuyết về phương pháp tính tốn vận tốc lan truyền sóng chấn động do nổ mìn
- Nếu điểm đo C ở vị trí số 4 : khoảng cách CA-CB=AB=a (m), hai đỉnh sóng
là độc lập, khoảng thời gian giữa hai đỉnh sóng là Dt như mơ tả ở trường hợp (3) và (4) - Hình 2.7. Thì : Vận tốc lan truyền có thể được xác định theo cơng thức a/(DT -Dt).
2.3.3. Xây dựng quy trình và thuật tốn phân tích
Trong thực tế, các vụ nổ mìn vi sai được chia thành nhiều nhóm nổ, sơ đồ bố trí mạng nổ theo nhiều kiểu khác nhau, nên sóng chấn động lan truyền ra xung quanh là một tổ hợp rất phức tạp từ nhiều điểm nổ. Năng lượng từ các điểm nổ tương tác với nhau, nên tại điểm đo, có thể xuất hiện những đỉnh sóng cao hơn bình thường, có thể có những đỉnh sóng bị triệt tiêu hoặc có những đỉnh sóng khơng ứng với đợt nổ nào cả. Tất cả các trường hợp mất đỉnh sóng và đỉnh sóng khơng tương ứng được gọi là nhiễu trong phân tích dữ liệu. Loại bỏ được những thơng tin nhiễu này, kết quả phân tích sẽ chính xác hơn.
Theo đó, các vị trí lỗ khoan tương ứng là các điểm nổ trong một bãi nổ thường có khoảng cách đều nhau, vì thế phân tích sơ đồ vi sai của vụ nổ có thể giúp xác định quy luật khởi nổ của các điểm nổ với những chu kỳ thời gian nhất định. Đồng thời, vì vận tốc lan truyền sóng chấn động là như nhau nên các đỉnh sóng thu được tại điểm đo có thể xuất hiện quanh những dải tần số tương ứng với chu kỳ thời gian kích nổ. Lựa chọn các đỉnh sóng tương ứng với những miền tần số phân tích được sẽ giúp loại bỏ phần lớn các giá trị nhiễu có trong dữ liệu, đồng thời tạo nên quy trình phân tích cụ thể, tường minh và khoa học hơn. Mặc dù vậy, chưa thể khẳng định rằng, các giá trị nhiễu đã được loại bỏ hoàn toàn.
Do thiết bị đo chỉ bắt đầu ghi dữ liệu khi nhận thấy mức chấn động vượt quá giá trị giới hạn nhỏ nhất đặt trước nhằm loại bỏ các rung động nhiễu từ các nguyên nhân khác. Vì thế, có thể coi thời điểm 0 của dữ liệu chấn động ghi được tương ứng với điểm nổ đầu tiên của vụ nổ. Đó là mốc thời gian bắt đầu để xác định các chu kỳ tương ứng với chu kỳ kích nổ tại khu vực nổ.
Chấp nhận những thành phần tạo nên sai số còn lại, nghiên cứu thực hiện phân tích dữ liệu sóng chấn động từ các vụ nổ mìn vi sai. Nguyên tắc và quy trình phân tích trải qua 7 bước trước khi đưa ra giá trị trung bình ứng với vụ nổ, nó được mơ tả gắn gọn trên Hình 2.8. Trên cơ sở dữ liệu đo, quy trình phân tích được thực hiện trên nền tảng phần mềm Matlab 2013. Chi tiết các bước được diễn tả như sau :
Bước 1 : Chuẩn bị bộ dữ liệu về sóng chấn động mơ tả vận tốc dao động của phần
tử đất đá tại điểm đo. Bộ dữ liệu này được trích xuất ra từ dữ liệu lưu trữ tại máy đo Blastmate III bằng phần mềm Blastware10.72. Mỗi bộ dữ liệu tương ứng với kết quả đo của một vụ nổ. Tập hợp, thống kê kiểu sơ đồ vi sai được sử dụng trong các vụ nổ tương ứng với các bộ dữ liệu sóng chấn động đã có.
Bước 2 : Phân tích sơ đồ vi sai để các định quy luật thực hiện kích nổ với từng
nhóm nổ. Trên cơ sở đó, xác định các miền tần số ( các thời điểm ) tương ứng có thể xuất hiện các đỉnh sóng chấn động.
Xác định khoảng thời gian giữa các đỉnh theo từng nhóm tương ứng Lựa chọn, tập hợp nhóm các đỉnh sóng thuộc các miền tần số đã xác đinh
Đồng bộ các khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng với khoảng thời gian vi sai tương ứng
Phân tích sơ đồ vi sai để xác định quy luật kích nổ, các miền tần số ứng với các đỉnh sóng có thể xảy ra
Nội suy, xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động từ các khoảng thời gian này và khoảng cách giữa các hàng, các lỗ khoan
Xác định vận tốc trung bình, đưa ra kết quả
Tập hợp dữ liệu sóng chấn động mơ tả vận tốc dao động hạt đất đá, Và sơ đồ vi sai của vụ nổ
Hình 2.8 Quy trình phân tích dữ liệu sóng chấn động nổ mìn
Bước 3 -> Bước 4: Lựa chọn, tập hợp nhóm các đỉnh sóng có biên độ lớn nhất thuộc
các miền tần số đã xác định được ở Bước 2. Từ đó xác định khoảng thời gian giữa các đỉnh. Một thuật toán được xây dựng nhằm thực hiện hai bước này và đưa ra bảng liệt kê kết quả thu được. Dữ liệu đầu vào của thuật tốn là bộ dữ liệu sóng chấn động và các miền tần số giới hạn. Kết quả của thuật toán là các thời điểm xảy ra các đỉnh sóng cùng biên độ tương ứng của đỉnh đó và khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng trong cùng một nhóm. Đỉnh sóng được lựa chọn là đỉnh cao nhất thuộc miền tần số (vùng thời gian) đã giới hạn. Thuật toán lựa chọn và sắp xếp này được mơ tả trên Hình 2.9.
Bước 5 : Đồng bộ các khoảng thời gian xác định được ở bước 3 và bước 4 với các
n = Số phần tử
f = Miền tần số cần tìm, T=1/f = Chu kỳ lấy mẫu để xét T0 = Thời điểm bắt đầu xét
S = số mẫu đo trong 1 giây
Q[t] = mảng chứa thời điểm xuất hiện đỉnh sóng Vref = T.S (vị trí cần tìm đỉnh sóng)
Bắt đầu
Kết thúc Cập nhật bộ dữ liệu mới
gọi là mảng M[n]
i = Sta (giá trị đầu của biến chạy)
Giá trị đỉnh Max = 0; Thời điểm có đỉnh sóng Vt=i; Lấy trị tuyệt đối của các phần tử: M[n] = M[|n|]
i < Sto Đ S M[i] > Max Đ S Vt=i i= i+1 t = Vt.(1/S) SL_P= SL_P+1 Q[SL_P-1]=V(Max,t)
Sta = Vref – 0.05.S; Sto = Vref +0.05.S; (Khoảng lân cận để tìm đỉnh sóng ) SL_P=0 (số lượng đỉnh tìm được)
Đ S Vref < n
DeltaT[j]=Q[j+1]-Q[j] (Mảng chứa các khoảng thời
gian giữa các đỉnh sóng)
j=j+1
j < SL_P Đ S
j=j+1
Hình 2.9 Thuật tốn xác định vị trí các đỉnh sóng cao nhất và khoảng thời gian giữa chúng
Bước 6 : Áp dụng phương pháp tính nội suy được mơ tả trong Hình 2.7. Sai lệch
giữa thời gian vi sai với các khoảng thời gian xác định được từ bước 4 được coi là khoảng thời gian sóng chấn động lan truyền từ lỗ khoan này sang lỗ khoan khác. Từ đó, những giá trị tương đối về vận tốc trong từng trường hợp được xác định.
Bước 7 : Xác định giá trị trung bình của tập giá trị đã xác định được tử bước 6.
Kết quả này tạm gọi là vận tốc lan truyền trung bình của sóng ứng suất - chấn động ở khu vực nghiên cứu.
Dữ liệu mô tả rung động của hạt đất đá được thể hiện trên 3 phương ứng với 3 chiều không gian: dọc, đứng và ngang tương ứng của hệ trục LVT (Hình 1.4). Trong đó, hướng đo theo trục L có phương thẳng từ điểm đo về điểm nổ là phương chính để đo thành phần sóng dọc ( sóng nén – sóng P) trong các thành phần của sóng chấn động. Sóng P là sóng chính gây nên sự phá vỡ đất đá [25][26][66]. Để có thêm những hướng quan sát nhằm đánh giá được tốt hơn, các bước 3 - 4 được thực hiện theo 2 kiểu lựa chọn dữ liệu đầu vào khác nhau gồm :
- Kiểu 1 : Chỉ sử dụng kết quả tính từ dữ liệu sóng dọc (dữ liệu thuộc trục L). - Kiểu 2 : Sử dụng kết quả tính từ dữ liệu rung động tổng hợp của 3 phương
theo công thức 2 2 2
PPV L V T .
2.4. Phân tích dữ liệu
Theo yêu cầu của giải pháp và quy trình phân tích dữ liệu sóng chấn động đã xác định (mục 2.3.2 và 2.3.3), trước tiên, cần tìm được quy luật, chu kỳ khởi nổ của các điểm nổ. Điều đó đạt được qua việc phân tích sơ đồ vi sai của mỗi vụ nổ. Theo đó, có thể thứ tự kích nổ có thể hình thành nhiều nhóm quy luật khác nhau, tùy thuộc và mức độ phức tạp của sơ đồ vi sai.
2.4.1. Phân tích dữ liệu đo tại mỏ than Núi Béo, Quảng Ninh 2.4.1.1. Phân tích vụ nổ thứ nhất 2.4.1.1. Phân tích vụ nổ thứ nhất
Đây là vụ nổ có thơng số được mơ tả tại cột (a) Bảng 2-3 gọi tắt là NB1. Với tổng số lỗ khoan là 14 được chia thành 2 hàng, 7 lỗ trong một hàng. Theo đó, sơ đồ nguyên lý vi sai được mơ tả trong Hình 2.10.
0 ms 42 ms 84 ms 126 ms 168 ms 100 ms 142 ms 184 ms 226 ms 268 ms 210 ms 310 ms 252 ms 352 ms
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ NB1 được phân tích
Hình 2.11 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ NB1
Với sơ đồ nổ vi sai chỉ có hai hàng khá đơn giản (Hình 2.10), tác giả phân nhóm theo hàng ngang với hàng thứ nhất và thứ 2. Tất cả gồm 2 nhóm, có độ lệch nhau là 100ms. Có 6 khoảng thời gian vi sai trong mỗi nhóm và đều bằng 42 ms. Thời điểm nổ đợt nổ sau cùng cách thời điểm nổ của đợt nổ đầu tiên 252ms. Theo đó, nhóm thứ nhất chỉ ghi nhận các đỉnh sóng từ thời điểm 0ms đến lân cận 252ms tương ứng với khoảng thời gian xấp sỉ 42 ms giữa các đỉnh; nhóm thứ hai chỉ ghi nhận các đỉnh sóng từ thời điểm lân cận 100ms đến lân cận 352ms, khoảng thời gian giữa các đỉnh sóng cũng xấp sỉ 42ms.
L1 T: 0.008789 A: 1.78 T: 0.04102 A: 0.254 T: 0.0918 A: 1.02 T: 0.1113 A: 1.27 T: 0.126 A: 1.27 T: 0.1387 A: 0.381 T: 0.1738 A: 1.02 T: 0.1895 A: 1.52 T: 0.2139 A: 0.254 T: 0.2471 A: 0.635 T: 0.2275 A: 0.254 T: 0.3613 A: 0.762 T: 0.3066 A: 1.65 T: 0.2666 A: 2.79 T: 0.1113 A: 1.301 T: 0.001953 A: 3.076 T: 0.04395 A: 1.1 T: 0.09277 A: 1.118 T: 0.126 A: 1.295 T: 0.165 A: 1.208 T: 0.2158 A: 1.698 T: 0.1455 A: 1.205 T: 0.1904 A: 1.9 T: 0.3096 A: 2.005 T: 0.2666 A: 2.836 T: 0.3555 A: 0.9755
Hình 2.12 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ NB1
Với dữ liệu chấn động theo trục L và dữ liệu chấn động tổng hợp PPV (Hình 2.11), kết quả phân tích và xác định đỉnh sóng được mơ tả trên Hình 2.12. Các điểm được đánh dấu là các đỉnh xác định được, trong đó, các điểm màu đỏ là các đỉnh thuộc nhóm thứ nhất, các điểm màu xanh ứng với các đỉnh thuộc nhóm thứ hai. Thơng tin các đỉnh được mô tả, với T là giá trị thời gian cịn A là biên độ.
Q trình xác định các đỉnh sóng cho thấy, với dữ liệu theo trục L, ln có các