1.3.1. Lý luận cơ bản về nổ phá.
Hiện tượng nổ phá là do thuốc nổ bị kích thích (bị đập, gặp tia lửa, nhiệt độ cao) lập tức phát sinh ra phản ứng hóa học, thuốc biến thành khí, đồng thời sinh ra nhiệt độ rất cao 1663 ÷ 4273P0PK (1500 ÷ 4000P0PC), thể tích khí tăng lên rất lớn, do đó áp suất tăng rất cao (6000 ÷ 8000at). Áp lực lớn đó sinh ra sóng xung kích rất mạnh, phá hoại môi trường xung quanh.
Như trên đã nói, hiệu quả nổ mìn chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố, nên việc nghiên cứu tác dụng phá hoại của thuốc nổ trong môi trường là một vấn đề hết sức phức tạp. Vì vậy để nghiên cứu dễ dàng ta giả thiết:
Môi trường là đồng đều tức là tác dụng nổ phá gây ra trong môi trường trên mọi phương đều như nhau:
- Môi trường đất đá là vô hạn.
- Bao thuốc có dạng hình cầu
Trên cơ sở những giả thiết đó, ta có thể tạm thời phân chia phạm vi môi trường chịu tác dụng của nổ phá ra làm 4 vùng giới hạn bởi 4 mặt cầu có cùng tâm là tâm nổ. Dùng mặt cắt đi qua tâm nổ ta có thể biểu thị tác dụng của nổ phá như hình sau:
1 2 3 4
Hình 1.10: Sơ đồ tác dụng của nổ phá
1. Vùng nén ép hay nát vụn (vùng gần tâm nổ);
2. Vùng văng đi (vùng trung gian);
3. Vùng long rời (vùng xa tâm nổ);
4. Vùng chấn động.
- Trong vùng nén ép (hay nát vụn) đất đá chịu áp lực là nhiệt độ rất cao nên tạo thành lỗ hổng hình cầu có thành vách vững chắc, tất cả các khe nứt riêng biệt đều mất đi. Nếu là đá thì sẽ bị nát vụn.
- Trong vùng văng đi, năng lượng nổ không những làm cho môi trường bị phá vỡ mà còn có thể bị văng đi một khoảng cách nhất định nếu gần mặt thoáng (mặt đất tự nhiên, thành vách hố đào. v.vv…).
- Trong vùng long rời, năng lượng nổ chỉ có thể tạo thành các hệ thống khe nứt, phá hoại kết cấu của môi trường.
Trong vùng chấn động, năng lượng nổ chỉ có thể làm cho các phần tử đất đá bị dịch chuyển mà không phá vỡ được liên kết của chúng.
Trong thực tế người ta tổng hợp 3 vùng đầu tiên thành một vùng gọi là vùng phá hoại. Bán kính ứng với vùng này gọi là bán kính phá hoại hay bán kính tác dụng nổ phá và được kí hiệu là R. Vùng phá hoại hay R là một chỉ tiêu để đánh giá hiệu quả nổ phá. Vùng chấn động có ý nghĩa trong việc đánh giá tác dụng của địa chấn do nổ mìn gây ra đối với khối đất đá hoặc các công trình xung quanh. Mặt khác cũng nên hiểu rằng sự phân chia ở trên chỉ là khái niệm để giải thích tác dụng của nổ phỏ, giữa cỏc vựng đú khụng cú một ranh giới rừ rệt.
1.3.2. Tác dụng của mặt thoáng đối với nổ phá – sự hình thành phễu nổ.
1.3.2.1. Tác dụng của mặt thoáng đối với nổ phá.
Trong trường hợp môi trường là bán vô hạn (có nghĩa là gần nguồn nổ có một mặt thoáng nào đó) thì hiện tượng phá hoại đất đá có khác với những điều đã trình bày ở trên. Sóng nén đi đến mặt thoáng được phản xạ lại. Thực chất của sóng phản xạ là sự giãn nở của đất đá được lan truyền từ mặt thoáng trở lại. Ứng suất kéo do sóng phản xạ gây ra có trị số tuyệt đối nhỏ hơn ứng suất nén do sóng nén gây ra một ít. Sức chịu kéo của đất đá so với sức chịu nén lại nhỏ hơn nhiều. Vì vậy sóng phản xạ có tác dụng phá vỡ đất đá mạnh hơn nhiều so với sóng nén. Qua đây ta thấy mặt thoáng có tác dụng nâng cao hiệu quả đập vỡ đất đá của nổ mìn lên rất nhiều thông qua tác dụng của sóng phản xạ và chính vì vậy mà người ta hết sức chú ý tạo được nhiều mặt thoáng khi bố trí nổ mìn. Sự phá hoại của đất đá khi nổ mìn có một mặt thoáng được mô tả như hình sau:
1
Hình 1.11. Sơ đồ các vùng phá hoại của đất đá khi nổ có một mặt thoáng.
1. Các khe nứt do sóng phản xạ gây ra;
2. Vùng phá hoại ở gần mặt thoáng dưới tác dụng của sóng phản xạ.
1.3.2.2. Sự hình thành phễu nổ.
Khi khoảng cách từ tâm nổ đến mặt thoáng nhỏ hơn bán kính phá hoại R, một phần đất đá bị phá hoại do sự hình thành các khe nứt đã nói ở trên sẽ được chuyển động về phía mặt thoáng. Phương vận tốc chuyển động của đất đá tại một điểm nào đó trùng với bán kính R đi qua điểm đó. Năng lượng mà các chất khí nổ tàng trữ lại thường vào khoảng 50% tổng năng lượng của nổ phá và một phần được biến thành động năng của đất đá. Trường hợp đất đá có vận tốc chuyển động lớn thì chúng sẽ văng đi xa và hình thành phễu nổ.
Phễu nổ là một khái niệm quan trọng để xem xét tác dụng của nổ phá. Các đặc trưng của phễu nổ gồm:
- Đường cản ngắn nhất W: là khoảng cách ngắn nhất từ tâm khối thuốc nổ đến mặt thoáng.
- Bán kính phá hoại R: là khoảng cách từ tâm khối thuốc nổ đến mép phễu nổ mìn.
- Bán kính phễu nổ r.
- Độ sâu nhìn thấy h: là độ sâu thực tế của phễu sau khi đất đá đã nổ ra rơi trở lại và lấp một phần.
Khi tính toán lượng thuốc nổ người ta coi như đất đá chỉ bị phá hoại trong phạm vi của hình nón lật ngược có đỉnh là tâm khối thuốc nổ.
1 2
Hình 1.12. Sơ đồ phễu nổ.
W – đường cản lớn nhất; R – bán kính phá hoại;
r – bán kính phễu nổ; h – độ sâu nhìn thấy;
1. Đất đá rơi trở lại sau khi nổ;
2. Phạm vi phá hoại theo giả thiết.
Ngoài ra từ r và W người ta đưa ra một thông số rất quan trọng trong tính toán, đó là tỉ số r/W. Tỉ số này được gọi là chỉ số tác dụng nổ phá và ký hiệu là n:
W
n= r (1.1)
Khi n > 1 người ta gọi là nổ mìn văng mạnh. Phễu nổ trong trường hợp này gọi là phễu nổ văng mạnh và khối thuốc nổ tương ứng được gọi là bao thuốc nổ mạnh.
Khi n = 1 có nổ mìn văng tiêu chuẩn. Phễu nổ lúc này được gọi là phễu nổ tiêu chuẩn và khối thuốc nổ là bao thuốc tiêu chuẩn.
Khi 0,75 < n < 1 là nổ mìn văng yếu. Phễu nổ là phễu phễu nổ văng yếu và khối thuốc là bao thuốc văng yếu.
Khi n ≤ 0,75, tuy đất đá được đập vỡ nhưng không bị văng đi, mặt đất chỉ bị lồi lên chứ không hình thành phễu nổ. Khối thuốc lúc này gọi là bao thuốc nổ om.
Về phương pháp nổ mìn còn chia ra:
- Nổ mìn lỗ nông.
- Nổ mìn lỗ sâu.
- Nổ mìn bầu.
- Nổ mìn hầm.
Đối với thi công đường hầm người ta thường dùng phương pháp nổ mìn lỗ nông. Việc bố trí nổ mìn đào hầm thường sử dụng 3 loại lỗ mìn.
- Lỗ mìn rãnh: để tạo mặt thoáng.
- Lỗ mìn phá: để phá đá.
- Lỗ mìn sửa hay viền: để tạo gương hầm có đường viền theo yêu cầu thiết kế.
Khi thiết kế nổ mìn để tạo ra gương hầm phải chú ý đến tác động của khối thuốc nổ Q đến sự phá hoại các hạt đá ở xung quanh gương hầm. Để ngăn cản sóng nổ phá hoại đất đá, trong thi công đào hầm đã áp dụng kỹ thuật vi sai và nổ mìn viền – mục đích của lớp mìn viền nhằm tạo ra khe nứt dọc theo chu vi gương hầm, tạo sự phân cách giữa khối đào với môi trường đất đá xung quanh trước khi sóng nổ của khối đào xuất hiện – lý do khi đi qua khoảng không của đường viền, tốc độ của sóng nổ giảm, dẫn đến sức phá hoại nhỏ đi. Ngoài ra để bảo đảm an toàn các vật ở cách xa tâm nổ, người ta còn tính toán lượng thuốc nổ cho phép ở một quy mô vụ nổ.