CHƯƠNG 5 TĂNG CƯỜNG CHẤT LƯỢNG NỔ MÌN PHÁ ĐÁ DƯỚI NƯỚC
7.2. TRIỂN VỌNG SỬ DỤNG NỔ HẠT NHÂN KHI KHAI THÁC KHOÁNG SẢN
7.2.1. Những vấn đề chung
Đã vài chục năm trôi qua kể từ khi thực hiện được phản ứng nhiệt hạch có điều khiển, nhưng trong công nghiệp mỏ chưa áp dụng rộng rãi nổ hạt nhân để khai thác khống sản. Trên thế giới chỉ có Mỹ và Liên Xơ (cũ) đã thực hiện một số lượng nhỏ các đợt thí nghiệm cơng nghiệp. Nguyên nhân chủ yếu cản trở việc sử dụng nổ hạt nhân với mục đích hịa bình khơng chỉ do tính chất phức tạp về mặt kỹ thuật, mà cịn do tính chất phức tạp về mặt chính trị xã hội.
Kết quả nghiên cứu của Viện vật lý địa cầu thuộc Viện hàn lâm khoa học Liên Xô (cũ) đã khẳng định: nổ hạt nhân là rẻ nhất, theo khối lượng năng lượng sinh ra thì nó rẻ hơn bất kỳ loại chất nổ hóa học nào. Ví dụ: khi nổ để so sánh lượng thuốc nhiệt hạch công suất 2MT với lượng thuốc TNT tương đương đã thấy rằng khối lượng nhiệt tương đương với 1 đơn vị giá thành khi nổ nhiệt hạch lớn hơn 400 lần.
Có thể sử dụng hạt nhân để mở vỉa và khai thác quặng trên mỏ lộ thiên, đập vỡ sơ bộ quặng nghèo để giảm khâu tiếp theo, khí hóa than hầm lị…
Có thể sử dụng hạt nhân để tạo ra những buồng ngầm do tác dụng nén ép khi nổ những lượng thuốc nổ đặt sâu.
Hiện nay sử dụng rộng rãi phương pháp địa công nghệ để khai thác khoáng sản. Ưu điểm của phương pháp này là loại trừ được lao động hầm lò nặng nhọc của thợ mỏ. Những kết quả đạt được trong lĩnh vực nổ hạt nhân có thể sử dụng để tạo ra và mở rộng khe nứt với thể tích khá lớn. Để đạt được điều đó cần nghiên cứu sử dụng nổ hạt nhân với sự khác nhau của công suất, khối lượng sự phân bố các thơng số và trình tự nổ của các thiết bị hạt nhân.
Những sơ đồ cơng nghệ sau đây có thể sử dụng rộng rãi: nén ép khí chứa những lượng thuốc đơn độc trong những lỗ khoan riêng biệt gần nhau, làm tơi vụn khi phân bố những lượng thuốc thành 1 hàng hoặc theo diện tích.
Sử dụng nổ hạt nhân để đập vỡ đất đá với mục đích nhận được thành phần cỡ hạt nhất định là nhiệm vụ cực kỳ nghiêm túc. Chỉ có khả năng đập vỡ đất đá bằng nổ hạt nhân ở vùng xa mặt tự do trong điều kiện kết quả nổ làm chuyển dịch một khối lượng lớn đất đá có liên quan tới sự tơi vụn khối đá bị phá vỡ.
Việc lựa chọn sơ đồ công nghệ nổ hạt nhân trong những điều kiện cụ thể cần dựa trên cơ sở bản chất tác dụng cơ học đến môi trường xung quanh khi nổ (vùng nóng chảy, đập vỡ, tạo thành nứt nẻ); các thông số chuyển dịch của khối đá; hiệu quả chấn động và phóng xạ; tính chất các cơng trình được tạo ra bằng nổ; công nghệ tiến hành công tác chuẩn bị; hiệu quả kinh tế của nổ hạt nhân.
Những thiết bị nhiệt hạch phù hợp nhất để sử dụng trong cơng nghiệp là những thiết bị có phần lớn năng lượng sinh ra khi nổ (9599%) được tạo ra do phản ứng tổng hợp hạt nhân nhẹ và một phần nhỏ (15%) do phản ứng tách hạt nhân nặng. Những vỏ đặc biệt của các thiết bị đó hấp thụ những dịng notron mạnh, đảm bảo có ít nhất sản phẩm phóng xạ.
Ở Mỹ đã chế tạo những thiết bị sau đây để sử dụng công nghiệp: lượng thuốc cơng suất nhỏ dưới 10 KT, đường kính 300 mm (giá thành 350 nghìn đơ la); cơng suất trung bình dưới 100 KT, đường kính 450 mm (giá thành 560.000 USD); Giá thành lượng thuốc hạt nhân tăng rất ít khi tăng năng lượng của nó.
Thiết bị hạt nhân được phân bố trong các giếng đứng, lò bằng và những lỗ khoan, đường kính 0,74,0 m, chiều sâu 1,32,5 km. Tuy nhiên cần thiết nghiên cứu và thiết kế tuân thủ tất cả những yêu cầu về an toàn đối với mỗi lần nổ hạt nhân.
7.2.2. Hiện tượng vật lý khi nổ hạt nhân và dự đốn các thơng số tác dụng cơ học của nó
Hiện tượng nổ hạt nhân dưới sâu được miêu tả bằng 4 pha. Ở 2 pha đầu, sau khi kích nổ lượng thuốc, hiện tượng xảy ra như khi nổ lượng thuốc hạt nhân tác dụng ngồi (hình 7.2 a, b). Những pha cuối cùng thể hiện nổ nén ép hồn tồn (hình 7.2 c, d). Phần chủ yếu của năng lượng sóng nổ được hấp thụ bởi đất đá trong vùng nổ dưới dạng nhiệt năng và cơ năng. Một phần nhỏ năng lượng (từ vài chục đến vài chục phần trăm) thể hiện dưới dạng sóng đàn hồi và chấn động.
Hình 7.2. Sơ đồ tạo thành ống phá hủy
a- t = 3s; b- t = 200 s; c- t = 3 s; d- Hình dạng cuối cùng
Ở cuối pha thứ 2 (300s), sau sóng đập xảy ra sự mở rộng bọt khí tiếp tục làm nóng chảy đất đá. Buồng hình cầu được mở rộng đến khi áp lực trong nó bằng áp lực đất đá nằm kề.
Khi nổ lượng thuốc hạt nhân công suất 100 KT ở độ sâu 800 m, bán kính buồng đến thời điểm này đạt 50 m, được bao phủ bên trong lớp đất đá nóng chảy gần 60 nghìn tấn với nhiệt độ hàng nghìn độ.
Pha thứ 3 bắt đầu từ thời điểm cân bằng áp lực trong buồng cầu và được kéo dài tùy thuộc vào tính chất đất đá, từ vài giây đến vài giờ. Trong giai đoạn này đất đá nóng chảy bắt đầu từ nóc và thành buồng rồi xuống dưới (mang theo 5580% những chất đồng vị phóng xạ), nó tích tụ ở đây, do giảm nhanh áp lực và nhiệt độ trung bình buồng nó được đơng cứng dưới dạng vật liệu thủy tinh khó hịa tan.
Nứt nẻ ở nóc và thành buồng xuất hiện khi giảm áp lực làm mất cân bằng tĩnh. Sau đó bắt đầu pha thứ 4 và đất đá nằm kề bị phá sập. Như vậy sự phá hủy đất đá xảy ra cho đến khi nó chứa đầy khoảng trống của buồng. Vùng phá hủy trong đất đá cứng có dạng ống thẳng đứng với nửa hình cầu ở 2 đầu.
Sự hình thành vùng phá hủy dạng ống kéo dài đến vài tháng phụ thuộc vào tính chất đất đá. Hệ số tơi vụn của đất đá phá hủy chiếm 1,31,35. Trong đất đá tơi vụn, mật độ của nó bằng mật độ bị phá hủy trong buồng.
Khi thiết kế nổ hạt nhân cơng nghiệp có tác dụng sâu, những thông số quan trọng là: bán kính buồng, chiều cao ống phá hủy, khối lượng đất đá bị đập vỡ do nổ và chứa đầy ống phá hủy, kích thước vùng nứt nẻ.
Những Thông số của ống phá hủy phụ thuộc vào công suất lượng thuốc hạt nhân, chiều sâu đặt thuốc và tính chất đất đá.
Bán kính buồng Rb được xác định theo cơng thức
4 / 1 3 / 1 ) . ( . h Q C Rb , Trong đó:
C- Hằng số phụ thuộc vào tính chất đất đá, với granit- C=60, đất- C=66, tuf-C=78;
- Mật độ đất đá;
h- Bề dày lớp đất phủ, m (h=d-HT-Rb). Trong đó:
d- Chiều sâu đặt thuốc; HT- Chiều cao ống phá hủy.
Chiều cao ống phá hủy được xác định theo công thức: HT= 4 3 . Rb. P P 1 , Trong đó:
P- Độ lỗ hổng của đất đá; hoặc theo công thức: HT = K.Rb;
K- Hệ số phụ thuộc tính chất đất đá (đối với đơlơmit - 3,2 tuf - 6,8). Thực nghiệm xác định rằng: vùng đất đá bị đập vỡ bằng 3Rb, đối với một số loại đất đá (như granit) thì đạt 4Rb.
Trong một số loại đất đá (giống như muối mỏ) không tạo thành ống phá hủy, ở đây chỉ tạo thành buồng gần như hình cầu, xung quanh nó là vùng khơng thấm nước.
7.2.3. Sử dụng nổ hạt nhân khi khai thác hầm lò
Sử dụng nổ hạt nhân tác dụng bên trong mở ra khả năng lớn để tạo ra công nghệ mới hiệu quả cao khai khác khống sản bằng phương pháp hầm lị.
Cơng nghệ mới thể hiện trình tự khai thác nối tiếp khống sàng lớn, cơng việc được tiến hành theo hướng dọc hoặc ngang, thể hiện vị trí khoảng khơng và kích thước thân quặng. Cơng nghệ khai thác hầm lò sử dụng nổ hạt nhân dựa trên cơ sở của hệ thống khai thác phá hủy khối cưỡng bức.
Bản chất của hệ thống này là sử dụng hiệu quả tạo thành ống phá hủy chứa đầy quặng đập vỡ. Theo mức độ tháo quặng ra khỏi ống phá hủy xảy ra sự bổ sung dần dần trữ lượng của nó nhờ hiện tượng tự phá hủy của vùng nứt nẻ mạnh.
Những yếu tố kết cấu và những thông số của hệ thống khai thác lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa chất mỏ cụ thể và những thông số tác dụng cơ học của nổ hạt nhân.
Có những phương án sau đây về sơ đồ cơng nghệ nổ hạt nhân: phân bố những lượng thuốc trong thân quặng cách nhau một khoảng cách nhất định rồi cho nổ liên tiếp, hoặc phân chia quặng thành từng khối và trong mỗi khối xác định nhóm lượng thuốc cho nổ đồng thời hoặc vi sai. Đặt và nổ các lượng thuốc theo các khối được tiến hành theo trình tự nhất định. Quyết định lựa chọn phương án dựa vào điều kiện an toàn chấn động trong vùng cụ thể.
Trên hình 7.3 thể hiện kết cấu hệ thống phá hủy cưỡng bức, sử dụng nhóm lượng thuốc phân bố trên cùng một mức và nổ đồng thời hay vi sai. Khi đó đảm bảo hiệu quả đập vỡ cao do có sự gặp nhau của sóng đập các lượng thuốc cạnh nhau.
Hình 7.3. Sơ đồ khai thác phá hủy cưỡng bức, sử dụng các nhóm lượng thuốc hạt nhân
1- Sự phá hủy bề mặt; 2- Tháo quặng từ ống phá hủy; 3- Lò Thượng tháo quặng 4- Lò cào quặng; 5- Lò vận chuyển; 6- Dự trữ quặng sẵn sàng
Nổ thí nghiệm các lượng thuốc hạt nhân trong đất đá cứng (granôđiôrit, granit) cho thấy: ở khoảng cách 1015 m dưới đáy ống phá hủy, khối đá thực tế khơng bị phá vỡ, điều đó cho phép chuẩn bị tầng bình thường. Việc tháo vật liệu đập vỡ ra khỏi ống phá hủy cho thấy độ cục của nó đáp ứng nhu cầu đặt ra.
Hệ thống phá hủy cưỡng bức có kết cấu và quy mô khác với hệ thống phá hủy theo tầng bình thường, kích thức của khoảnh khai thác đạt đến 1000 m theo phương nằm ngang và 300 m theo phương đứng, lớn hơn nhiều so với hệ thống khai thác tầng thông thường (tương ứng là 6090 m và 75120 m).
Sử dụng hệ thống phá hủy cưỡng bức bằng nổ hạt nhân yêu cầu thay đổi cơ bản hệ thống mở vỉa và chuẩn bị tầng để phá vỡ khối có trữ lượng lớn. Ngồi ra có thể sử dụng phương pháp này khi có trụ bảo vệ, nó cản trở sản phẩm phóng xạ văng vào khí quyển. Từ quan điểm hiệu quả chấn động cần lựa chọn khoảng cách an tồn tính từ tâm chấn.
Trong quá trình khai thác cần tuân thủ những biện pháp an tồn, khơng cho phép tiến hành công việc ở những khu vục có mật độ chất đồng vị phóng xạ cao.
Nguy hiển nghiêm trọng là tính phóng xạ của quặng phát sinh sau khi nổ, quặng này được tháo ra từ vùng phá hủy. Trên bề mặt cục quặng có thể có những chất đồng vị phóng xạ, nó có khả năng gây nhiễm phóng xạ đến sản phẩm cuối cùng.
Nổ hạt nhân có thể được sử dụng rộng rãi trong luyện kim mầu với mục đích đập vỡ sơ bộ quặng đồng và các loại quặng khác tại thân quặng, sau đó làm nóng chảy ngầm kim loại. Sử dụng phương pháp này để tăng cường khai thác dầu và khí khó lấy, khí hóa than và đá phiến cháy…
7.2.4. Điều kiện an tồn nổ hạt nhân cơng nghiệp
Nhiễm phóng xạ của khí quyển, nước mặt và nước dưới đất, sóng đập khơng khí, chấn động, nhiệt độ cao… là những vấn đề cơ bản phát sinh khi sử dụng nổ hạt nhân.
Nổ hạt nhân trong công nghiệp mỏ, nguy hiểm nhất là sinh ra mưa phóng xạ. Độ phóng xạ tạo ra là do phản ứng tách hạt nhân nặng và tổng hợp hạt nhân nhẹ. Ngoài ra do sự tác dụng tương hỗ của các nơtron tạo thành khí nổ với các vật liệu của thiết bị hạt nhân, với đất đá xung quanh thiết bị.
Để giảm mức độ phóng xạ có thể sử dụng những thiết bị hạt nhân “sạch”, trong đó 9599% sử dụng phản ứng tổng hợp (phản ứng nhiệt hạch), chỉ 15% là phản ứng tách hạt nhân. Vỏ của những thiết bị như vậy được chế tạo từ những vật liệu chứa Bo để hấp thụ nơtron sinh ra khi nổ hạt nhân.
Có ý nghĩa lớn là sử dụng yếu tố thời gian, cho phép giảm mức độ phóng xạ một cách tự nhiên. Để giảm vùng nhiễm xạ, chỉ nên nổ hạt nhân khi điều kiện thời tiết thuận lợi. Lượng thuốc cần đặt sâu đến mức đảm bảo khả năng chôn vùi cực đại sản phẩm phóng xạ dưới đất khi cơng nổ hữu ích lớn.
Tác dụng chấn động khi nổ hạt nhân là yếu tố quan trọng, nó quyết định khả năng tiến hành và hiệu quả sử dụng nổ hạt nhân ngầm trong vùng công nghiệp mới khai phá. Cường độ tác dụng chấn động khi nổ hạt nhân phụ thuộc vào công suất lượng thuốc, điều kiện mỏ địa chất của vùng và khoảng cách tính từ chấn tâm. Thực nghiệm cũng khẳng định rằng: chỉ một phần nhỏ năng lượng nổ thể hiện dưới dạng sóng chấn động.
Tóm lại, nổ hạt nhân trong cơng nghiệp mỏ gây ra khả năng ô nhiễm môi trường, sẽ được sử dụng trong tương lai chỉ trong những trường hợp đặc biệt với việc sử dụng những cơng nghệ an tồn mới. Mỗi lần nổ hạt nhân cần phải có bản thiết kế riêng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nhữ Văn Bách - Giáo trình: Phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn. Hà nội, 1990.
2. Nhữ Văn Bách - Giáo trình: Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ. Trường đại học Mỏ-Địa chất, Hà nội.
3. Nhữ Văn Bách - Áp dụng phương pháp nổ mìn văng định hướng để khai thác đá ở Việt Nam. Tuyển tập các cơng trình khoa học Đại học Mỏ - Địa chất, tập XXI.
4. Nhữ Văn Bách, Lê Văn Quyển - Nâng cao hiệu quả cơng tác khoan nổ mìn ở mỏ than Đèo Nai. Tạp chí cơng nghiệp mỏ, N0
3, 1991.
5. Nhữ Văn Bách - Phương pháp mới phân loại đất đá theo độ nổ. Thông báo khoa học của các trường đại học, N0
3, 1992.
6. Nhữ Văn Bách – Nghiên cứu hồn thiện phương pháp và cơng nghệ tách đá khối bằng khoan nổ mìn phục vụ sản xuất đá ốp lát. Báo cáo đề tài cấp Bộ B91 - 18 - 10, Hà nội, 1993.
7. Nguyễn Đình Ấu, Nhữ Văn Bách – Phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan nổ mìn. Nhà xuất bản giáo dục, 1998.
8. Nhữ Văn Bách, Nguyễn Đăng Tế - Xác định các thơng số nổ mìn buồng hợp lý khi xây dựng đường trên sườn dốc. Tuyển tập báo cáo – Hội nghị KHKT mỏ toàn quốc lần thứ 13, 2001.
9. Nhữ Văn Bách – Đặc điểm quá trình phá vỡ đất đá dưới nước bằng nổ mìn. Tạp chí cơng nghiệp mỏ, N0
3, 2003.
10. Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung – Nổ hóa học lý thuyết và thực tiễn, NXB KH-KT, 2010.
11. Agoskov M.I - Tương lai của khoa học mỏ. Moskva, Nauka, 1989 (Bản tiếng Nga).
12. Baron V. L – Kỹ thuật và cơng nghệ nổ mìn ở Mỹ, Moskva, Nhedra 1989 (Bản tiếng Nga).
13. Bogaski V. P, Phoritman A. G – Bảo vệ môi trường xung quanh khi nổ công nghiệp. Moskva, Nhedra, 1982 (Bản tiếng Nga).
14. Kutuzov B. N – Phá vỡ đất đá bằng nổ mìn. Moskva, Nhedra, 1992 (Bản tiếng Nga).
15. Tkatruk K. I, Phedorenko P.I – Cơng tác nổ mìn trong cơng nghiệp mỏ. Kiep, Vusa Skola, 1990 (Bản tiếng Nga).
16. Volol A. C – Cơ sở điều khiển tác dụng nổ nhờ màn chắn, Moskva, Nhedra, 1989 (Bản tiếng Nga).
17. Gour C. Sen-Blaasting Technology for Mining and Civil Engineers. UVSW PRESS Sydney, 1995
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... Error! Bookmark not defined.
CHƯƠNG 1. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TÁC DỤNG PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG NỔ MÌNVÀ