b) Bóc tách đá khối bằng nêm thủy lực
16.2.8. Bóc tách đá khối bằng phương pháp khoan nổ mìn a) Bóc tách đá khối bằng chất nổ
a) Bóc tách đá khối bằng chất nổ
Khoan nổ mìn là phương pháp hiệu quả nhất trong tất cả phương pháp đã nêu trên, đặc biệt khi khai thác đá cứng ( loại granite) với độ bền cao và ít nứt nẻ, địa hình phức tạp, hoặc khi cần tách những khối tảng kích thước lớn (Hình 16.15).
Bản chất của phương pháp là: khoan những lỗ khoan theo mặt tách, sau đó nạp thuốc và tiến hành nổ. Do tác dụng của sóng ứng suất và áp lực khí nổ, đá bị tách theo đường nối giữa các lỗ khoan. Sử dụng phương pháp khoan nổ mìn để tách đá khối khi khai thác đá granite cho phép tăng năng suất lao động và giảm giá thành khai thác 2,02,5 lần.
Khi sử dụng phương pháp này, các thơng số khoan nổ mìn có liên quan chặt chẽ với kích thước của khối, độ cứng đất đá, và sự phân bố nứt nẻ. Chiều sâu khoan phụ thuộc vào hệ thống nứt nẻ nằm ngang trong đá khai thác. Tăng chiều sâu lỗ khoan cho phép tăng tỷ lệ thu hồi khối đá tự nhiên, nhưng chiều sâu lỗ khoan phụ thuộc vào chiều cao tầng, trong khi đó chiều cao tầng bị giới hạn bởi khoảng cách các mặt nứt nẻ nằm ngang. Trong trường hợp khơng có mặt nứt nằm ngang, cần tạo ra mặt nằm ngang. Hiệu quả của phương pháp này phụ thuộc nhiều vào mức độ chính xác khi khoan.
Hình 16.15. Khai thác đá khối bằng phương pháp nổ mìn
Hiện nay, để tiến hành nổ, người ta thường sử dụng thuốc đen hoặc dây nổ, nổ đồng thời tất cả những lỗ khoan. Thuốc đen có tính chất đẩy tốt khi nổ, khối đá tách ra không bị phá hủy. Khi sử dụng dây nổ, xung quanh dây nổ tạo ra khe hở khơng khí, điều đó làm giảm áp lực khí nổ, và đảm bảo tạo mặt nứt chỉ theo đường nối giữa các lỗ khoan.
Khi sử dụng phương pháp khoan nổ mìn để khai thác đá khối cần đảm bảo sau khi nổ mìn đá cịn lại trong ngun khối và khối đá được tách ra không bị phá hủy, kết cấu của nó được bảo tồn.
Cơng tác khoan nổ mìn sử dụng trong khai thác đá khối với mục đích hồn tồn khác với trong khai thác đá xây dựng. Ở đây năng lượng chất nổ cắt đá theo các mặt được định vị trước bằng các lỗ khoan, tách khối đá ra khỏi nguyên khối, và phải bảo tồn tính ngun vẹn của nó.
Như vậy, khi sử dụng phương pháp khoan nổ mìn để khai thác đá khối cần đảm bảo sau khi nổ tạo ra các mặt tách bằng phẳng nối các lỗ khoan, khối đá không bị phá hủy, không nứt nẻ nhỏ, và ứng suất dư trong khối do nổ mìn gây ra.
Với đặc điểm và mục đích đó, khi khai thác đá khối, các thơng số khoan nổ mìn cơ bản cần được xác định hợp lý là:
- Khoảng cách a giữa các lỗ khoan (m);
- Mật độ nạp thuốc, lượng thuốc nạp trong 01 lỗ khoan Q, và cấu trúc của nó.
- Chỉ tiêu thuốc nổ mặt qm (kg/m2): chỉ tiêu thuốc nổ mặt là chi phí thuốc nổ để tạo ra 01 đơn vị diện tích mặt tách.
* Khoảng cách giữa các lỗ khoan
Mục đích nổ mìn khai thác đá khối là tạo ra mặt cắt nối các lỗ khoan. Chất lượng tạo mặt cắt phụ thuộc rất nhiều vào khoảng cách a giữa các lỗ khoan.
Ta có:
(16-3)
Trong đó: []n là giới hạn bền nén của đất đá, kg/cm2; là hệ số poisson ( đối với đất đá = 0 – 0,3); []k là giới hạn bền kéo của đất đá, kg/cm2; k là hệ số phụ thuộc vào tính chất đất đá, k = 1,0 – 2,0.
2. * Xác định lượng thuốc trong lỗ khoan
Căn cứ vào mật độ chất nổ (g/cm3) và đường kính lỗ khoan d (cm), ta xác định được sức chứa của 1 mét dài lỗ khoan:
2 2 5 , 78 4 100 d d P 100, g/m (16-4) Từ đó, lượng thuốc nạp cho một lỗ khoan được xác định:
Q = P (l - lb) , g/lỗ (16-5)
Trong đó: l- chiều sâu lỗ khoan, m; lb - chiều dài bua, m.
Chỉ tiêu thuốc nổ mặt (qm) là chi phí thuốc nổ để tạo ra một đơn vị diện tích mặt tách:
S Q qm , g/m2 (16-6)
Trong đó: Q là tổng lượng thuốc nổ, g; S là tổng diện tích mặt tách, m2.
Khi đã xác định được qm hợp lý thì lượng thuốc nổ trong lỗ khoan “Q” có thể tính theo cơng thức:
Q = qmal , g/lỗ (16-7)
Nếu đá càng khó tách thì qm càng phải lớn, khi đó cần giảm khoảng cách giữa các lỗ khoan “a” và tăng Q.
Ở Thụy Điển, khi khai thác đá khối thường sử dụng chất nổ gurit với đường kính thỏi thuốc 17 và 11mm. Khi đó khoảng cách giữa các lỗ khoan được xác định bằng thực nghiệm phù hợp với từng loại đá (Bảng 5.15).
* Xác định lượng thuốc trong lỗ khoan
Căn cứ vào mật độ chất nổ (g/cm3) và đường kính lỗ khoan d (cm), ta xác định được sức chứa của 1 mét dài lỗ khoan:
2 2 5 , 78 4 100 d d P 100, g/m (16-8) Từ đó, lượng thuốc nạp cho một lỗ khoan được xác định:
Q = P (l - lb) , g/lỗ (16-9)
Trong đó: l- chiều sâu lỗ khoan, m; lb - chiều dài bua, m.
Chỉ tiêu thuốc nổ mặt (qm) là chi phí thuốc nổ để tạo ra một đơn vị diện tích mặt tách:
S Q qm , g/m2 (16-10)
Trong đó: Q là tổng lượng thuốc nổ, g; S là tổng diện tích mặt tách, m2.
Khi đã xác định được qm hợp lý thì lượng thuốc nổ trong lỗ khoan “Q” có thể tính theo cơng thức:
Q = qmal , g/lỗ (16-11)
Nếu đá càng khó tách thì qm càng phải lớn, khi đó cần giảm khoảng cách giữa các lỗ khoan “a” và tăng Q.
Ở Thụy Điển, khi khai thác đá khối thường sử dụng chất nổ gurit với đường kính thỏi thuốc 17 và 11mm. Khi đó khoảng cách giữa các lỗ khoan được xác định bằng thực nghiệm phù hợp với từng loại đá (Bảng 16.7).
b) Bóc tách đá khối bằng dây nổ
Bóc tách đá khối bằng dây nổ thực chất cũng là bóc tách bằng chất nổ mạnh được định hình (chế tạo sẵn) với đường kính nhỏ trong vỏ bọc bằng các lớp sợi bơng (Hình 5.12).
Để bóc tách các khối đá bằng dây nổ, đầu tiên người ta khoan các lỗ khoan song song và cách đều theo các mặt phẳng cần tách với khoảng cách từ 15cm đến 40 cm, tùy theo độ cứng của đá, độ nhạy và mật độ chất nổ nạp trong dây nổ sử dụng (Bảng 16.7). Đường kính lỗ khoan thơng thường 28 ÷ 33 mm. Trong mỗi lỗ khoan người ta nạp từ 1 đến 2 dây nổ, tùy
theo mật độ chất nổ trong dây nổ và sau đó, tiến hành khởi nổ các dây nổ làm cho khối đá bị tách ra theo mặt phẳng chạy qua các trục lỗ khoan.
Bảng 16.7- Khoảng cách lỗ khoan khi nổ tách đá khối ở Thụy Điển [3]
Loại đá Đường kính thỏi thuốc gurit, mm
Khoảng cách giữa các lỗ
khoan, m
Loại đá Đường kính thỏi thuốc gurit, mm Khoảng cách giữa các lỗ khoan, m Granite 17 0,350,4 Diabaz 11 0,150,25 11 0,150,25 Đá hoa 11 0,20,25 Diabaz 17 0,350,4
Các dây nổ trong một mặt phẳng tách cần được điều khiển nổ đồng loạt. Cách đấu ghép dây nổ giới thiệu ở hình 5.14. Thơng thường các khối đá tách có 3 mặt tự do, 3 mặt phải tách. Khi tiến hành nổ tách bằng dây nổ: mặt đáy nổ trước, 2 mặt đứng nổ sau, thời gian vi sai giữa 2 lần nổ ∆t = 25 ÷ 40 ms. Để đảm bảo nổ đồng loạt, các dây nổ trong một mặt phẳng tách chỉ nên đấu qua một kíp vi sai (hoặc 2 kíp đấu chùm). Qua nghiên cứu thực tế người ta còn thấy rằng: nếu các lỗ khoan được đổ đầy nước (nổ trong mơi trường nước) thì mặt tách của các tảng đá có độ nhẵn lớn hơn khi nổ bình thường (khơng có nước trong lỗ khoan).
Ở nhiều nước, trong khai thác đá khối người ta thường sử dụng dây nổ thay cho chất nổ. Trong trường hợp này, khoảng cách giữa các lỗ khoan thường được xác định theo công thức thực nghiệm sau:
(16-12)
Trong đó: N là số sợi dây nổ trong lỗ khoan; d là đường kính lỗ khoan; Cp là tốc độ lan truyền sóng dọc trong đất đá.
Dây nổ (Hình 16.16) được phát minh ra từ năm 1879, có cấu tạo gồm ruột (2) là bằng thuốc nổ mạnh (chất khởi nổ nhóm 2) như TEN, gecxoghen (Nga), hoặc PETN (Úc) – pentaerithritol tetranitrate. Chính giữa dây theo chiều dài có dây chỉ hướng (1) để lượng thuốc được phân bố đều. Bao bên ngoài lõi thuốc là các lớp sợi lanh (3,4), và những lớp sợi vải (5,6), các lớp sợi này tạo ra độ bền chịu va đập, chịu kéo cho dây nổ. Để nâng cao độ ổn định với nước, các lớp ngoài được phủ bằng sáp, ở lớp ngoài cùng của dây nổ chịu nước được phủ một lớp vỏ polychlovinin (6). Màu của dây nổ thường là đỏ, hay trắng sọc đỏ (Nga, Việt Nam), xanh (Úc). 1 2 3 4 5 6 A A A - A
Hình 16.16 - Cấu tạo dây nổ
1. Dây chỉ hướng; 2. Thuốc TEN; 3, 4, 5. Lớp chỉ tết; 6. Lớp nhựa phủ ngoài. 2.
Dây nổ khơng nhạy với tia lửa và ma sát, phải kích nổ nó bằng kíp nổ vì khơng thể khởi nổ bằng phương pháp đốt. Năng lượng giải phóng của chúng phụ thuộc vào khối lượng thuốc nổ TEN (PETN) trong lõi, thay đổi từ 1,5 g/m đến 70 g/m. Dây nổ tiêu chuẩn có lượng thuốc 10 g/m và tốc độ nổ 7.000 m/s.
Theo công suất, người ta chia dây nổ làm 03 loại:
- Dây nổ có cơng suất nhỏ: ( đường kính thường bằng 4mm) có trọng lượng lõi thuốc TEN trên 1 m dài dây là 2, 3, 6g. Loại này sử dụng kết hợp với mồi nổ trung gian nhạy về kích nổ để khởi nổ lượng thuốc. Khi nổ phần dây nổ đi trong lượng nổ, năng lượng nổ không làm xáo trộn cột chất nổ.
- Dây nổ có cơng suất trung bình: khối lượng chất nổ TEN trên 1m dài dây từ 1020g. Loại này có thể kích nổ trực tiếp lượng nổ nhạy về khởi nổ.
- Dây nổ có cơng suất cao: khối lượng chất nổ TEN trên 1m dài dây trên 20g. Loại này có thể khởi nổ trực tiếp lượng nổ có độ nhạy về khởi nổ thấp.
Thơng thường dùng dây nổ có cơng suất thấp để lắp mạng nổ trên mặt, loại công suất trung bình và cao dùng trong các lỗ khoan. Đối với nổ tách đá khối, thường dùng dây nổ có cơng suất trung bình và cao với lượng thuốc TEN trên 01 m dài dây từ 8 – 36 g/m.