Hiệu ứng hướng
Năng lượng được phát ra từ điểm nổ, được đo bằng rung động của mặt đất và vận tốc hạt cực đại, tỏa ra mọi hướng xung quanh. Nếu mặt đất là môi trường đồng nhất,
năng lượng truyền đi theo mọi hướng là như nhau, thì mức rung động ở mọi hướng cũng sẽ bằng nhau. Tuy nhiên, thực tế, việc truyền rung động không lý tưởng vì những thay đổi trong cấu trúc trái đất, rung động thay đổi khi truyền đi theo các hướng khác nhau. Cấu trúc địa chất, các khe nứt, đứt gãy… sẽ thay đổi mức độ và tần số rung động.
Ngoài ra, các yếu tố liên quan đến thiết kế sơ đồ mạng nổ cũng ảnh hưởng đến mức chấn động. Theo đó, việc lựa chọn thứ tự nổ trước – sau theo thời gian vi sai gây ra hiện tượng cộng hưởng theo hướng. Xét từ tâm vụ nổ, mức độ chấn động theo hướng đó cao hơn những hướng cịn lại. Ví dụ, nếu một vụ nổ được khởi nổ với những lỗ đầu tiên phía bên trái bãi nổ, qua thời gian vi sai tiến dần về phía bên phải của bãi nổ. Khi đó, theo hướng về phía bên phải của bãi nổ, mức độ chấn động đo được là cao nhất.
Như vậy, để có được thơng tin chính xác về khu vực nổ cho bãi nổ tiếp theo, cần nhiều hơn một máy đo chấn động để đo ít nhất 2 hướng khác nhau từ vụ nổ. Các dữ liệu thu thập và tích lũy của các vụ nổ trước sẽ là cơ sở quý giá cho việc thiết kế vụ nổ tiếp theo. [26]
Hiệu ứng của chiều dài bước sóng và tần số
Khi có một chấn động xảy ra và truyền đi, ngồi mức độ chấn động, thì vấn đề cũng phải quan tâm là vùng ảnh hưởng của nó. Đó là một khoảng bằng từ 1 đến 2 lần chiều dài bước sóng. Chiều dài bước sóng được xác định bởi tích của vận tốc lan truyền (V) và khoảng thời gian chu kỳ (T) theo công thức (1-6) [30].
L =V.T
(1-6) Trong đó: L là chiều dài bước sóng ( m); V là vận tốc lan truyền (m/s); và T là chu kỳ (s).
Khi có 2 sóng chấn động giống nhau lan truyền theo hướng ngược nhau (Hình 1.8a), hiện tượng giao thoa sẽ diễn ra. Trong q trình giao thoa sẽ có thể xảy ra cộng
hưởng. Khi đó hai sóng trùng khớp với nhau làm biên độ sóng tăng lên gấp đơi (Hình 1.8b). [30]
a. Hai sóng chấn động lan truyền ngược
chiều b. Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng Hình 1.8 Sự cộng hưởng 2 sóng chấn động [30]
a. Quá trình giao thoa và cộng hưởng b. Sóng dao động tổng hợp Hình 1.9 Q trình cộng hưởng 2 sóng chấn động [30]
Q trình giao thoa sóng và xảy ra hiện tượng cộng hưởng (Hình 1.8) được mơ tả chi tiết hơn về ngun lý (Hình 1.9a) và dạng tổng hợp sóng (Hình 1.9b). Có thể thấy
rằng, chiều dài bước sóng có thể thay đổi từ chiều dài bước sóng của một sóng đơn đến gần bằng tổng chiều dài hai bước sóng đơn. Khi đó tần số giảm đi gần một nửa. Như vậy, có thể kết luận như sau:
- Khu vực có mức chấn động lớn nhất với vận tốc dao động hạt cao nhất nằm giữa qng đường dịch chuyển của 2 sóng. Càng ra phía ngồi, mức chấn động càng giảm.
- Khoảng thời gian của chu kỳ sóng có thể tăng lên gần gấp đơi, và tần số giảm đi gần một nửa. Mức độ chấn động tăng.
1.2.3. Điều khiển mức độ chấn độngThiết lập thời gian vi sai Thiết lập thời gian vi sai
Đó là giải pháp chia tổng lượng thuốc sẽ nổ thành những nhóm nhỏ hơn, sau đó tạo ra những khoảng thời gian trễ phù hợp giữa các lần nổ (thời gian vi sai) cho từng nhóm thay vì nổ tất cả đồng thời. Khi tổng lượng thuốc nổ tính trên một thời điểm nổ vi sai giảm, mức độ chấn động sẽ giảm. Và khi số nhóm lượng thuốc nổ trên tổng lượng thuốc nổ càng nhiều, số khoảng thời gian vi sai sẽ nhiều tương ứng, thì mức độ chấn động sẽ càng giảm.
Đất đá trong tự nhiên là môi trường tồn tại nhiều yếu tố ngẫu nhiên, khơng theo quy luật. Vì vậy, các cơng thức lý thuyết khó phù hợp với thực tiễn. Hơn nữa, thơng số thời gian vi sai tìm ra từ các quan điểm chưa thống nhất làm cho người sử dụng khó áp dụng. Hiện nay, thời gian vi sai được tính theo cơng thức thực nghiệm (cơng thức (1-2)) hoặc sử dụng các dạng bảng tra được xây dựng từ thực nghiệm trước đó. Tuy nhiên, vì là thực nghiệm nên tại mỗi khu vực, các giá trị lại được hiệu chỉnh thông qua các hệ số điều chỉnh phù hợp với các điều kiện nổ tương ứng.
Công thức thực nghiệm để xác định thời gian vi sai đơn giản nhất như sau [2]:
t = k.R (ms) (1-7)
Trong đó: k là hệ số phụ thuộc tính chất của đất đá (ms/m), đối với đá rất cứng k = 3, đá cứng k = 4, đá cứng vừa k = 5, đá nứt nẻ mềm yếu k = 6. Gọi tắt là hệ số nền. R là đường kháng chân tầng (m).
d W
Bảng 1-1 Thời gian dãn cách khi nổ vi sai nhiều hàng (theo M.F.Drukovanui) [2]
Loại đất đá Độ cứng f
Thời gian vi sai (ms) theo kích thước đường kháng chân tầng R(m) 1,5-3 m 3-4,5 m 4,5-6 m 6-8 m 8-10 m Cứng và rất cứng 12-20 12-15 19-21 25-31 31-37 37-44 Cứng trung bình 8-14 19-21 25-31 31-37 37-40 43-50 Dính kết và mềm 4-8 25-31 31-37 37-40 43-50 50-65 Điều chỉnh hệ số tỷ lệ khoảng cách phù hợp
Lựa chọn hệ số tỷ lệ khoảng cách phù hợp là phương pháp thứ hai để giảm mức độ chấn động. Gọi Ds là hệ số tỉ lệ khoảng cách theo khối lượng thuốc của một lần nổ với
Ds = . Với d là khoảng cách từ điểm nổ đến điểm đo và W là khối lượng thuốc nổ tối đa trên một thời điểm nổ vi sai.
Theo văn phòng mỏ Hoa Kỳ khuyến cáo và yêu cầu rằng, Ds= 50 là giới hạn an toàn cho các vụ nổ; Khi Ds lớn (Ds>50) tức mức độ chấn động ở mức an toàn; Khi Ds nhỏ (Ds<25) tức mức độ chấn động ở mức rất nguy hiểm. [66]. Còn theo Quy chuẩn Việt Nam (QCVN 01:2019/BCT) các vụ nổ phải đáp ứng tiêu chuẩn giới hạn an tồn được mơ tả trong Bảng 1-2. [19].
Bảng 1-2. Quy chuẩn hệ số tỷ lệ khoảng cách Ds [19].
Khoảng cách từ vị trí nổ mìn đến cơng trình gần nhất Hệ số tỷ lệ
Từ 0 đến dưới 92 m Ds ≥ 22,6
Từ 92 m đến 1524 m Ds ≥ 24,9
1524 m trở lên Ds ≥ 29,4
Việc điều chỉnh Ds đơi khi có thể dẫn tới một vụ nổ khơng thể thực hiện được (hoặc hiệu quả nổ gần như khơng có) do sự giới hạn về khoảng cách. Khi đó, việc lựa
chọn Ds phải được tiến hành cùng với việc phân tích dữ liệu chấn động do các vụ nổ trước đó ở cùng khu vực.
Những dữ liệu đo chấn động sẽ chỉ ra mức độ an toàn phù hợp với khu vực nổ, theo đó, sẽ xác định được giá trị Ds trung bình của khu vực. Trong nhiều trường hợp, Ds của một khu vực có thể nhỏ hơn nhiều so với giá trị được qui định.
Thực tế cho thấy mức độ chấn động thu được tại cùng một điểm đo là khác nhau khi thực hiện hai vụ nổ có thơng số như nhau trên cùng một khu vực. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mức độ chấn động và hiệu quả các vụ nổ. Do đó việc thiết kế các bãi nổ mìn cần những thơng tin, tham số chính xác; các thơng số thiết kế, lựa chọn phù hợp và vụ nổ xảy ra đúng như thiết kế sẽ vừa đem lại hiệu quả cao, vừa giảm được mức độ chấn động.
1.3. Một số nghiên cứu thử nghiệm về quan hệ giữa thời gian vi sai với sóngứng suất - sóng chấn động và hiệu quả đập vỡ. ứng suất - sóng chấn động và hiệu quả đập vỡ.
Phương pháp nổ mìn vi sai dựa trên các tính chất về sự lan truyền sóng ứng suất ở khoảng cách ngắn. Theo Rossmanith, các thử nghiệm với quy mơ phịng thí nghiệm chỉ ra rằng sự tương tác của sóng ứng suất và các vết nứt tiếp theo có thể được sử dụng để làm tăng mức độ đập vỡ. Để tạo ra hiệu ứng giao thoa, thời gian vi sai phải ngắn hơn đáng kể so với thông thường. Tuy nhiên, do các đứt gãy của đá trong tự nhiên, thời gian trễ phải được lựa chọn dựa trên đặc tính cụ thể của đá tại khu vực nổ. Các thơng tin này khơng được xác định chính xác cho mỗi vụ nổ, nên việc thiết kế một vụ nổ với mục tiêu tương tác là rất khó. Đó cũng là lý do chính của việc khơng thể mơ hình hóa vụ nổ bằng phương pháp cơ học tính tốn [79].
Sóng ứng suất lan truyền trong khối đá gồm hai phần là sóng dọc P và sóng cắt S. Mỗi sóng đều có nửa chu kỳ đầu là nén và nửa chu kỳ sau là kéo. Ở khu vực gần xung quanh điểm nổ, 2 sóng này chồng lên nhau; khi lan rộng ra ngồi, chúng tách ra vì tốc độ sóng P lớn hơn sóng S. Với hai lỗ cách nhau một khoảng, sự tương tác cơ bản của các sóng ứng suất từ hai lỗ là: P1-P2, S1-S2, P1-S2, P2-S1. Sự tương tác có thể
xảy ra nhiều lần khi sử dụng thuốc nổ phù hợp, tạo dao động ứng suất trong khoảng thời gian đáng kể. Trường ứng suất và biến dạng do lỗ mìn phụ thuộc vào tốc độ sóng trong khối đá [80].
Katsabanis và cộng sự đã thực hiện các thử nghiệm trên các khối đá kích thước 92cm x 36cm x 21cm trong phịng thí nghiệm. Khoảng cách lỗ là 10,2 cm, đường kính lỗ 11mm, chiều sâu lỗ 18cm. Khoảng thời gian vi sai được thí nghiệm thay đổi trong dải 0-4000 micro giây. Kết quả cho thấy, mức độ đập vỡ giảm xảy ra khi nổ đồng thời (thời gian vi sai bằng 0), mức độ đập vỡ tăng dần khi thời gian vi sai tăng lên. Có ít sự thay đổi khi thời gian vi sai tăng từ 10 micro giây đến 1ms. Cục đá vỡ lại trở nên lớn hơn khi thời gian vi sai dài do các cục đá bị phân tách ổn định bởi các vết nứt [50][51]
Sjoberg [83] đã sử dụng các phương pháp mô phỏng và các cơng cụ tính tốn để kiểm tra giả thuyết của Rossmanith trên mơ hình có đường kính lỗ là 311mm, chiều cao cột thuốc là 8m và 11m với các mức độ vi sai, lượng thuốc và khoảng cách các lỗ thay đổi. Sjoberg kết luận rằng, có một tác động nhỏ từ tương tác sóng ứng suất nhưng là cục bộ, không cải thiện đáng kể mức độ đập vỡ; và với thời gian vi sai tương đối dài khi sóng ứng suất đã đi qua lỗ thứ hai dẫn đến mức độ đập vỡ nhiều nhất.
Johansson và Ouchterlony [48] sử dụng các mơ hình mẫu trong phịng thí nghiệm để nghiên cứu việc sử dụng độ trễ ngắn để tạo ra tương tác sóng xung kích nhằm cải thiện mức độ đập vỡ. Mơ hình có 2 hàng, mỗi hàng 5 lỗ sâu 10mm, khoảng cách các hàng là 110mm. Dựa trên vận tốc sóng P đo được là 3800m/s thì thời gian sóng lan tới lỗ lân cận là khoảng 28 micro giây. Dải thời gian vi sai thí nghiệm nằm trong khoảng từ giá trị thời gian mà sóng P chưa đi đến lỗ liền kề đề giá trị thời gian mà sóng S đã đi qua lỗ liền kề, ứng với khoảng 0-146 micro giây. Họ phát hiện ra rằng, hàng lỗ thứ 2 có mức độ đập vỡ khác biệt đáng kể và đồng đều hơn so với hàng đầu tiên, vì sự xâm nhập ngược của các vết nứt từ hàng đầu tiên. Điều này cho thấy ứng suất trước đó trong khối đá đóng vai trị quan trọng làm thay đổi mức độ đập vỡ khi thực hiện một kích nổ tiếp theo.
Katsabanis và cộng sự [51] thực hiện lại các nghiên cứu trên một mẫu đá khác. Các khối đá có kích thước 60cm x 40cm x 25cm. Lỗ khoan có đường kính 12mm, sâu 23cm, cách nhau 10,5cm. Thời gian vi sai được thí nghiệm từ dưới 100micro giây trở lên. Kết quả cho thấy, thời gian vi sai rất ngắn tạo ra mức độ đập vỡ kém. Mức độ đập vỡ tối ưu đạt được khi tỉ lệ “thời gian vi sai/đường cản chân tầng” nằm trong khoảng từ 4ms/m tới 10ms/m. Thời gian vi sai dài hơn, mức độ đập vỡ trở nên thô hơn.
Johnson [49] nghiên cứu sự tác động của hiện tượng va chạm sóng xung kích trong khối đá và trong cột nổ. Các thí nghiệm được thực hiện trên các khối bê tơng nhỏ, chia thành ba nhóm, sử dụng các dây nổ 50gr/ft. Thử nghiệm thứ nhất, dây nổ xuyên qua tâm khối và kích nổ từ một đầu của khối bê tơng để khơng xảy ra va chạm sóng. Thử nghiệm thứ hai, dây nổ vẫn xuyên qua tâm khối nhưng được kích nổ ở hai đầu để tạo ra sự va chạm sóng nổ xuyên qua tâm khối bê tơng. Thử nghiệm thứ 3 khơng có thuốc nổ ở tâm khối đá mà chỉ có ở 2 đầu. Kích nổ hai đầu để tạo ra sóng xung kích di chuyển qua khối bê tơng và va chạm nhau ở trung tâm của khối. Việc kích nổ đồng thời và có thời gian vi sai đều được thực hiện. Thử nghiệm này tương tự những gì xảy ra giữa các lỗ nổ trong thực tế. Kết quả cho thấy, thử nghiệm thứ 2 tạo thành vết nứt xuyên tâm tương tự như thử nghiệm 1 nhưng có thêm một vết nứt ngang qua tâm. Đối với thử nghiệm thứ 3, tại trung tâm khối, nơi khơng có thuốc nổ nhưng có sự va chạm của sóng xung kích các mảnh vỡ lớn hơn. Như vậy, sự va chạm của sóng xung kích giữa các lỗ nổ làm giảm mức độ đập vỡ. Các hạt chuyển động theo hướng áp lực làm gia tăng mật độ bê tông tại điểm xảy ra va chạm sóng, dẫn đến sự giảm mức đập vỡ và tăng mức độ văng.
Các kết quả thử nghiệm đó đi đến một kết luận rằng, mức độ đập vỡ tốt nhất đạt được khi sử dụng thời gian dãn cách vi sai dài hơn nhiều so với thời gian có thể tạo ra tương tác sóng, nhưng nếu dài q thì mức độ đập vỡ lại giảm [49].
Yang và Rai [98] đã nghiên cứu sự ảnh hưởng của thời gian vi sai giữa các hàng đối với mức độ đập vỡ và phân bố kích thước hạt trên quy mơ đầy đủ tại mỏ đá vôi
Century Cements ở Raipur, Ấn Độ. Hai mẫu thời gian vi sai được thử nghiệm là 17ms và 25ms tương ứng với tỉ lệ “thời gian vi sai/đường cản chân tầng” là 8ms/m và 12ms/m. Việc đo kích thước và phân bố cỡ hạt được thực hiện bằng phần mềm phân tích ảnh kỹ thuật số. Kết quả cho thấy, mẫu vi sai 17ms cho độ đập vỡ tốt hơn. Kết quả này cho thấy sự khác nhau về thời gian vi sai ảnh hưởng tới mức độ đập vỡ đất đá. Tuy nhiên, đây là hai mẫu thời gian vi sai trung bình, khơng đại diện cho phạm vi thời gian ngắn và dài.
1.4.Tình hình nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại cho nổ mìn ởtrong nước và trên thế giới trong nước và trên thế giới
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển và hỗ trợ của công nghệ điện tử, các kỹ thuật điều khiển hiện đại đang thể hiện vai trò ngày một lớn hơn. Các kỹ thuật về máy học, và trí tuệ nhân tạo (AI) được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ đời sống xã hội đến công nghiệp sản xuất, chế tạo. Và vì thế, lĩnh vực nổ mìn cũng khơng phải là ngoại lệ.
Trong phạm vi của đề tài, các nghiên cứu được công bố về giải pháp áp dụng công nghệ, kỹ thuật điều khiển hiện đại được quan tâm. Ngoải ra, việc ứng dụng những thiết bị hiện đại trong các vụ nổ mìn sẽ cho thấy mức độ ứng dụng kỹ thuật, công nghệ mới trong thực tế sản xuất. Kết quả nghiên cứu chỉ thực sự có giá trị khi được áp dụng vào thực tế.
1.4.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới
Trên thế giới, các nghiên cứu được trải rộng trên tất cả mọi khía cạnh đang giúp