CHƯƠNG 5 TĂNG CƯỜNG CHẤT LƯỢNG NỔ MÌN PHÁ ĐÁ DƯỚI NƯỚC
6.1. PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CƠNG TÁC NỔ MÌN ĐẾN MƠ
6.1.1. Tác dụng chấn động khi nổ mìn
6.1.1.1. Nguy hiểm về chấn động khi nổ mìn
Cơng tác nổ mìn trong cơng nghiệp mỏ và xây dựng một phần được tiến hành gần các tịa nhà, các cơng trình cơng nghiệp và dân dụng, các đường lị, bờ
mỏ, đập nước… chấn động phát sinh khi nổ ảnh hưởng xấu đến kết cấu thiết bị cơng nghiệp đang hoạt động, các cơng trình, hệ thống thơng tin liên lạc, …
Theo tác dụng, chấn động do nổ mìn và do động đất có nhiều điểm giống nhau. Thực tế với chấn động khi nổ mìn, biên độ và tốc độ dịch chuyển có sự lặp lại ít hơn, nghĩa là có thời hạn dao động nền đất đá nhỏ hơn. Tuy nhiên khi nổ một số lượng lớn các lượng thuốc liên tiếp với thời gian giãn cách nhỏ (vi sai) thời hạn dao động chung có thể tăng đến 12 s. Điều đó trở nên nguy hiểm cho các cơng trình, vì rằng khi đó sẽ tăng đáng kể sự chuyển dịch và tốc độ dao động những chi tiết riêng của các cơng trình.
Khi khai thác mỏ, việc lặp đi lặp lại cơng tác nổ mìn có ảnh hưởng rất lớn đến cơng trình, vì rằng cơng trình cũng như đất đá có khả năng giữ lại kết quả tác dụng của những đợt nổ trước ở mức độ nhất định. Dĩ nhiên điều đó liên quan đến sự phát sinh và tích lũy những nứt nẻ nhỏ mà thực tế đầu tiên khơng có. Dần dần cơng trình có thể bị phá hủy.
Từ đó ta có thể kết luận rằng: để đảm bảo điều kiện an tồn, cơng tác nổ mìn cần thực hiện theo cơng nghệ có cơ sở khoa học về an tồn chấn động, có tính đến khả năng đất đá truyền chấn động cho các cơng trình, bờ mỏ, các đường lò. Khi thiết kế và xây dựng những xí nghiệp mới cần tính tốn đánh giá nền đất trong mối quan hệ chấn động và tải trọng động bổ sung khi tác dụng sóng chấn động.
6.1.1.2. Khái niệm chung về sóng chấn động
Khi nổ mìn ta quan sát thấy sự truyền sóng năng lượng từ lượng thuốc nổ vào đất đá xung quanh. Từ tác dụng sóng đập của sản phẩm nổ mở rộng được lan truyền sóng dọc trong đất đá. Khi đó những phần tử đất đá được chuyển động theo đường lan truyền sóng gây ra sự nén - kéo liên tiếp trong đất đá. Vì vậy sóng dọc đơi khi cịn gọi là sóng nén - kéo. Ngồi sóng dọc trong đất đá cịn lan truyền sóng ngang, nó gây cho các phần tử môi trường chuyển động theo hướng vng góc với hướng lan truyền sóng. Những sóng này gây ra sự biến dạng trượt trong đất đá, vì vậy nó cịn được gọi là sóng trượt.
Với sóng ngang những phần tử mơi trường dao động theo quỹ đạo dạng elíp trong mặt phẳng tiếp xúc với mặt sóng. Tỷ số giữa trục lớn và nhỏ của elíp và đặc tính phân cực của sóng đối với mơi trường đồng nhất khơng thay đổi.
Tốc độ lan truyền của sóng dọc được xác định:
2 1 1 10 1 g p E C (6.1) Trong đó: E- Môđun đàn hồi, N/m2; g- Gia tốc rơi tự do, m/s2;
- Mật độ môi trường, kg/m3;
- Hệ số Pốt xơng.
Thực tế Cp thay đổi từ 300 m/s (trong đất đá yếu hoặc nứt nẻ) đến 7000 m/s (trong đất đá cứng đặc).
Tốc độ lan truyền của sóng ngang CS phụ thuộc vào độ cứng, độ dính, độ phá hủy của đất đá và được xác định.
1 20 g S E C (6.2) Thực tế CS thay đổi từ 0,2 đến 0,7 Cp.
Nếu trong đất đá lan truyền nhóm sóng chiều dài khác nhau thì tốc độ sóng riêng khác nhau. Tuy nhiên có vùng mà ở đó sự chuyển dịch các phần tử là lớn nhất. Đó là nhân của nhóm sóng, nó lan truyền với tốc độ nhất định - gọi là tốc độ của nhóm.
Gần bề mặt phân chia đất đá có thể phát sinh những sóng thuộc nhóm 2 gọi là sóng mặt, nó bao gồm: sóng Relei và sóng Liép.
Sóng Relei đặc trưng bởi sự tương hỗ giữa biến dạng thể tích và biến dạng trượt. Các phần tử bề mặt dao động trong những mặt phẳng thẳng đứng song song với hướng lan truyền sóng, theo quỹ đạo elíp với trục lớn dài gấp 1,5 lần trục nhỏ. Tốc độ sóng Relei CR thường bằng 0,92 CS. Xa bề mặt vào sâu trong mơi trường, sóng Relei giảm dần. Ở độ sâu bằng 1,5 2,0 lần chiều dài của sóng mặt, biên độ dao động nhỏ hơn 1020 lần so với trên mặt.
Sóng Liép gây cho các phần tử mặt đất dao động trong mặt nằm ngang theo hướng vng góc với hướng truyền sóng.
Quỹ đạo dao động các phần tử có dạng rất phức tạp. Trên hình 6.2 thể hiện quỹ đạo chuyển động các phần tử nền đất khi nổ tức thời lượng thuốc, trên quỹ đạo đó có đánh dấu những điểm ứng với những thời điểm khác nhau từ (01,0s).
Hình 6.2. Quỹ đạo chuyển động nền đất trong mặt phẳng nằm ngang khi nổ lượng thuốc 4.400 kg ở khoảng cách 560 m
Những mốc thời gian trên quỹ đạo dao động của các phần tử khẳng định: những biên độ cực đại xuất hiện muộn hơn. Thời hạn dao động phụ thuộc nhiều vào điều kiện thực hiện nổ, tính chất đất đá tại vị trí quan sát và thời gian dãn cách khi nổ vi sai, nó được thay đổi từ 12 đến 1215s.
6.1.1.3. Đánh giá tác dụng chấn động khi nổ mìn
Tiêu chuẩn tổng quát nhất đánh giá tác dụng chấn động khi nổ mìn là tốc độ dao động riêng của các tịa nhà, các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp, nó là thơng số chủ yếu quyết định tác dụng chấn động của các loại sóng khác nhau đối với cơng trình.
Để xác định tốc độ chuyển dịch của nền đất có thể sử dụng cơng thức của Xađôvski. m R Q k V 3 (6.3) Trong đó:
m = 13- Phụ thuộc vào khoảng cách đến vị trí nổ;
k = 50600- Phụ thuộc vào tính chất của mơi trường, các thơng số đặc tính chất nổ và cơng nghệ nổ mìn;
Q- Khối lượng thuốc nổ đồng thời, kg;
R- Khoảng cách từ lượng thuốc đến điểm đo, m.
Trên cơ sở những số liệu thực nghiệm, Xađơvski đã giới thiệu cơng thức tính tốc độ dao động của nền đất ở vùng trung bình và xa vị trí nổ như sau:
* Đối với lượng thuốc tập trung: 1,5 3 3200 Q/R n f V (6.4) Trong đó: f(n)- Hàm số chỉ số tác dụng nổ. * Đối với lượng thuốc dài phân đoạn:
V = (250 150)(3 Q/R)1,5 (6.5)
Khi nổ vi sai, hiệu quả chấn động phụ thuộc vào thời gian chậm T và số lượng nhóm thuốc N. Nếu khối lượng thuốc nổ trong các nhóm như nhau thì có thể sử dụng cơng thức sau để xác định tốc độ dao động.
V =
N k
(3 Q/R)1,5 (6.6)
Sự biến dạng và phá hủy cơng trình xảy ra khi tốc độ dao động V vượt quá trị số xác định Vcf nào đấy.
Lựa chọn tốc độ dao động cho phép Vcf xuất phát từ điều kiện sao cho khi nổ lặp lại nhiều lần các cơng trình khơng bị hư hỏng hoặc tích lũy những biến dạng kín.
Khi nổ mìn cần đảm bảo an tồn về chấn động cho các cơng trình gần vị trí nổ (đảm bảo V Vcf).
Khoảng cách an tồn đó khi nổ lượng thuốc tập trung được xác định như sau:
rc = k 3 Q, m (6.7)
Trong đó:
Q- Khối lượng thuốc nổ, kg;
k- Hệ số phụ thuộc vào tính chất nền cơng trình cần bảo vệ (k = 320);
- Hệ số phụ thuộc vào chỉ số tác dụng nổ, = (0,6 1,2).
Khi nổ vi sai thì khối lượng thuốc nổ cho phép trong mỗi mức chậm được xác định theo công thức:
Qc = (2/3) Qm (6.8)
Trong đó: Qm- Khối lượng cho phép lớn nhất khi nổ tức thời, kg. Khối lượng thuốc nổ tổng cộng khi nổ vi sai được xác định:
Qc = (2/3) Qm N (6.9)
Trong đó: N- Số mức chậm khi dãn cách thời gian giữa các lần nổ không nhỏ hơn 50 ms.
6.1.2. Tác dụng của sóng đập khơng khí đến mơi trường xung quanh khi nổ mìn
6.1.2.1. Cơ chế tạo thành sóng đập khơng khí khi nổ mìn
Khi nổ 1 kg chất nổ tạo thành 1 m3 khí (sau khi làm lạnh 0oc). Nhiệt độ ban đầu của khí là 2000 – 5000oC, áp lực tại thời điểm nổ đạt hàng trăm nghìn át. Ở trạng thái như vậy khí được mở rộng rất mạnh. Nếu lượng thuốc hở thì khí được mở rộng tất cả các phía với tốc độ ban đầu đạt 8 km/s. Tuy nhiên tác dụng khí nổ trong khí quyển bị hạn chế bởi sức cản của khơng khí. Vì vậy đến một khoảng cách nào đó đám mây của sản phẩm khí mở rộng có dạng hình cầu (hình 6.3). Khi đó một phần sản phẩm khí nổ hịa với khơng khí xung quanh, đẩy và nén khơng khí, vùng nén được chuyển động với tốc độ bằng tốc độ chuyển động của sản phẩm khí nố. Càng ra xa tốc độ của nó càng giảm và từ khoảng cách 815 bán kính lượng thuốc vùng nén tiếp tục lan truyền với tốc độ siêu âm.
Sự thay đổi áp lực trong vùng nén sau khi tách nó khỏi sản phẩm khí nổ thể hiện hình 6.4, ở phần trước bước nhảy là mặt sóng đập. Bề dày của mặt sóng, nghĩa là vùng trong đó áp lực, nhiệt độ khơng khí tăng nhanh, thường bằng 10-410-5 cm. Sau mặt sóng là vùng nén chuyển động, áp lực trong đó theo mức độ xa mặt sóng giảm dần đến áp suất khí quyển và xa hơn chuyển thành sóng căng. Những sóng như vậy gọi là sóng đập khơng khí.
Hình 6.4. Sự thay đổi áp lực khơng khí sau mặt sóng đập
Tốc độ lan truyền sóng nén trong khơng khí phụ thuộc vào áp lực. Mặt sóng có áp lực lớn nhất, tốc độ lớn nhất, nó vượt q tốc độ âm trong khơng khí. Trên mặt phân chia sóng nén và sóng căng áp lực bằng áp suất khí quyển, tốc độ chuyển động của khơng khí bằng 0.
Hình 6.5. Biểu đồ xác định áp lực trên mặt sóng đập khơng khí khi nổ lượng thuốc trong mơi trường khí quyển
Trong sóng căng có áp lực, mật độ và nhiệt độ khơng khí nhỏ hơn so với trong khí quyển, khí chuyển động về phía ngược lại, nghĩa là về phía trung tâm nổ. Tốc độ chuyển động của nó phụ thuộc vào mức độ khác nhau của áp suất khí quyển và áp lực trong sóng căng. Điều đó dẫn đến sự kéo dài sóng nén và sóng căng khi xa trung tâm nổ.
Những thơng số của sóng đập khơng khí khi nổ lượng thuốc trong khí quyển là:
1. Áp lực trên mặt sóng: Ta có thể phân sóng đập khơng khí thành 3 dạng:
dạng cầu, dạng trụ, dạng phẳng. Khi nổ lượng thuốc hình cầu hoặc gần như cầu, sóng được lan truyền dưới dạng hình cầu mở rộng, bề mặt của nó là mặt sóng.
Năng lượng sóng đập nhận được từ khí nổ bị tiêu hao dần để đốt nóng và lơi kéo vào sự chuyển động của một khối lượng khơng khí càng tăng. Điều đó dẫn đến giảm áp lực trên mặt sóng.
Trên cơ sở nhiều thí nghiệm, M.A Xađơvski đã giới thiệu cơng thức tính áp lực (kg/cm2) trên mặt sóng khi nổ lượng thuốc trơtin:
R Q R Q R Q P 3 1 2 3 2 3 2,7 0,84 7 (6.10) Trong đó:
Q- Khối lượng thuốc nổ, kg; R- Khoảng cách, m.
Áp lực trên mặt sóng đập khơng khí khi nổ lượng thuốc hở có thể xác định theo biểu đồ (hình 6.5).
Khi nổ lượng thuốc nằm trên mặt đất, thể tích khơng khí được sóng lơi kéo vào chuyển động giảm 2 lần. Trong trường hợp này theo MA Xađơvski thì:
R Q R Q R Q P 3 1 2 3 2 3 4,3 1,1 14 (6.11)
Ảnh hưởng đến trị số áp lực trên mặt sóng đập phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Loại thuốc nổ, cấu trúc và dạng lượng thuốc, các thông số và phương pháp khởi nổ chúng, tính chất của đất đá, sự phân bố đối tượng bảo vệ…, khi nổ trong hầm lị cường độ sóng đập cịn phụ thuộc vào sức cản trên đường truyền sóng. Các thơng số sóng đập khi nổ trên mặt đất được quyết định nhiều bởi điều kiện thời tiết tại thời điểm nổ cũng như vật cản trở đường truyền sóng…
Thực nghiệm đã chỉ ra rằng: khi nổ lượng thuốc đắp ngoài, 3050% năng lượng nổ chuyển thành sóng đập. Đối với trường hợp này có thể sử dụng cơng thức sau đây để xác định áp lực dư (Pa) trên mặt sóng:
P = (5,3 2,4)km 5 , 1 3 R Q .105 (6.12)
Trong đó: km- Hệ số tính đến ảnh hưởng của thời tiết.
Khi nổ mìn buồng, cường độ sóng đập mạnh nhất trong trường hợp phụt bua, khi nổ lan truyền theo những đường lò, áp lực trên mặt sóng có thể đạt 50kg/cm2. Trong trường hợp này 45% năng lượng nổ tạo thành sóng đập khơng khí. Nếu nổ với chất lượng tốt thì tỷ lệ đó là 26%.
Khi nổ lượng thuốc dài trong lỗ khoan phân bố vng góc với mặt tự do thì các thơng số của sóng cao hơn 58 lần so với lượng thuốc bố trí trong song song với bề mặt đó. Khi phân bố vng góc, 1054% năng lượng nổ tạo thành sóng đập khơng khí.
Đối với lượng thuốc trong lỗ khoan, áp lực trên mặt sóng đập khơng khí khi nổ được xác định: P = (5,32,4)kmkn n 5 , 1 23 R d .103 (6.13) Trong đó:
kn- Hệ số tính đến ảnh hưởng của bua, kn=1,0 khi lỗ khoan chứa thuốc đến miệng, kn=0,04 khi chiều dài bua bằng 20d;
d- Đường kính lỗ khoan;
n- Số lượng lỗ khoan nổ đồng thời.
2. Thời gian tác dụng của sóng đập khơng khí
Đây là đặc tính quan trọng, vì rằng mức độ và tính chất phá hủy cơng trình, ngồi áp lực dư cịn được xác định bằng thời gian tác dụng của nó.
Kết quả tính tốn và thực nghiệm cho phép xác định sự phụ thuộc của thời gian và tác dụng của sóng đập khơng khí vào khối lượng và khoảng cách khi nổ lượng thuốc trong khí quyển:
6 0015 , 0 R Q ,s (6.14) 6 3 2 R Q C R ,s (6.15)
Trong đó: C- Tốc độ âm trong khơng khí, m/s. Khi coi 6
3
R
Q khác 1 khơng nhiều thì thấy: thời gian tác dụng của áp lực dư của sóng đập khơng khí nhỏ hơn hai lần thời gian chuyển động của sóng từ vị trí nổ đến điểm nghiên cứu.
3. Xung lượng của sóng đập khơng khí
Những phương pháp hiện nay tính độ bền của cơng trình đối với xung lượng của sóng được sử dụng đúng khi tải trọng nhanh với thời gian tác dụng của sóng khơng vượt q 4 chu kỳ dao động riêng của kết cấu.
Khi nổ lượng thuốc trôtin hở, xung lượng riêng được xác định: I = 40
R Q2/3
, kg.s/m2 (6.16)
Nếu lượng thuốc phân bố trên mặt đất thì: I = 63
R Q2/3
Xung lượng riêng tỷ lệ với tốc độ bay của sản phẩm khí nổ, tốc độ này tỷ lệ với căn bậc 2 của năng lượng nổ riêng. Vì vậy khi sử dụng loại thuốc khác trơtin thì vế phải của hai cơng thức trên phải nhân với trị số
t sd
Q Q
.
Khi gặp vật cản vơ tận sóng đập khơng khí phản xạ lại. Tại thời điểm phản xạ áp lực lên vật cản tăng. Áp lực trên mặt sóng phản xạ có thể xác định theo công thức của S.V. Izmailốp:
P P P P / 7 1 6 2 fx , KG/cm2 (6.18)
Từ công thức trên ta thấy rằng khi phản xạ sóng đập khơng khí áp lực được tăng, có thể tăng lên 8 lần.
Có thể sử dụng cơng thức trên để tính áp lực sóng phản xạ, nếu hướng chuyển động của sóng vng góc với bề mặt phản xạ. Nếu góc nghiêng vượt quá