CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC ĐÁ KHỐI BẰNG KHOAN NỔ MÌN
3.2. CÁC NGUYÊN LÝ NỔ TÁCH ĐÁ KHỐI
3.4.2. Các yếu tố kỹ thuật và công nghệ
3.4.2.1. Ảnh hưởng của chất lượng khoan:
Chất lƣợng bãi khoan hay mức độ chính xác khâu khoan so với thiết kế có ảnh hưởng rất quan trọng đến chất lượng mặt tách khi nổ. Rõ ràng, khi khoan mà có lỗ bị nghiêng lệch ra khỏi mặt phẳng phân bố các lỗ khoan, mà thực tế rất dễ xảy ra, nhất là khi khoan sâu, thì khi nổ chẳng những mặt tách sẽ lồi lõm theo đường khoan, làm cho mặt tách không bằng phẳng, mà còn vì sự sai lệch này sẽ dẫn tới khó tách hơn. Còn sự phân bố các lỗ khoan với khoảng cách không đều nhau thì sẽ dẫn đến việc phức tạp khi nạp thuốc, và phân bố năng lƣợng thuốc trên mặt phẳng tách sẽ không đồng đều, ảnh hưởng đến chất lượng nổ.
Việc khoan có giàn định hướng cho phép đạt được độ chính xác cao, đặc biệt là hàng lỗ khoan ngang, do đó khi nổ tách sẽ tạo ra mặt tách bằng phẳng hơn. Khi dùng giàn khoan định hướng thì chiều sâu lỗ khoan có thể tăng lên mà vẫn đảm bảo chất lƣợng mặt tách.
3.4.2.2. Ảnh hưởng của số mặt tự do:
Trong nổ tách đá khối, số mặt tự do càng nhiều thì khối đá càng dễ tách ra hơn, và chỉ tiêu thuốc nổ cần sử dụng cũng nhỏ hơn. Điều này do càng nhiều mặt tự do, cũng tương đương với việc càng ít mặt giữ (cản), nên lực giữ của khối đá càng ít và đơn giản, năng lƣợng nổ cần thiết cũng sẽ giảm theo. Muốn nổ tách đƣợc khối thì tối thiểu khối đá phải có 02 mặt tự do, đây cũng là trường hợp nổ tách khó nhất, vì lực giữ của khối đá sẽ là một tổng hợp nhiều lực phức tạp, năng lƣợng sử dụng để nổ tách cũng phải lớn để thắng đƣợc các lực giữ này.
Khi nổ tách đá khối, số mặt tự do có các trường hợp sau: 02 mặt, 03 mặt, 04 mặt và 05 mặt; trong đó, hiện tại hầu hết các mỏ đá khối ở Việt Nam đang khai thác các lớp đá tảng lăn và đá mặt, nên hầu hết là tách đá ở trường hợp có 4, 5 mặt tự do, tức là còn dễ tách. Khi khai thác đến đá gốc, thì phổ biến nhất là trường hợp có 03
mặt tự do, sẽ khó tách hơn. Trường hợp 02 mặt tự do chỉ gặp khi tách băng đầu tiên của tầng.
3.4.2.3. Ảnh hưởng của các thông số khoan:
a. Chiều sâu lỗ khoan: lk
Chiều sâu lỗ khoan thẳng đứng và ngang khác nhau, cũng nhƣ chiều cao tầng, có liên quan trực tiếp đến kích thước block đá yêu cầu, và hệ thống khe nứt nằm ngang, thẳng đứng.
Chiều sâu lỗ khoan quá nhỏ, thể tích khối đá khai thác đƣợc nhỏ, nhƣng lại dễ xuất hiện hiện tƣợng gãy cạnh; nhƣng quá sâu thì dễ xuất hiện vết nứt sâu trong quá trình nổ tách, ảnh hưởng xấu đến những khối đá khai thác sau.
Căn cứ vào kinh nghiệm khai thác các mỏ đá khối, thông thường lấy Lthẳng đứng = 0,75 – 0,9H; Lnằm ngang = 0,8 – 0,9B.
b. Đường cản: w
Để tránh cho khối đá bị vụn nát khi nổ, nâng cao độ nguyên khối và độ thu hồi của khối đá tách ra, đường cản ngắn nhất phải lớn hơn khoảng cách lỗ nạp thuốc, theo kinh nghiệm thực tế ở các mỏ thì:
Trong đó: a là khoảng cách lỗ nạp thuốc, cm.
3.4.2.4. Ảnh hưởng của loại thuốc nổ và phương tiện nổ sử dụng:
Ảnh hưởng của loại thuốc nổ đến hiệu quả nổ tách đá khối trước tiên phải nói đến sức công phá, mặt khác thuốc nổ dùng cho nổ mìn tách phải đủ mạnh để tạo ra ứng suất có khả năng làm vỡ khối đá theo mặt phẳng các trục lỗ khoan, nghĩa là phải có một năng lƣợng nổ cần thiết, thể hiện bằng nhiệt lƣợng nổ, theo đặc trƣng này có thể quy ƣớc phân các loại thuốc nổ ra thành 03 nhóm: mạnh (nhiệt lƣợng nổ
1.000 kcal/kg), trung bình ( 900-1.000 kcal/kg), và yếu (900 kcal/kg).
Qua các kết quả thực nghiệm trên thế giới chứng tỏ rằng, với các thông số tối ƣu đã lựa chọn khi nổ tách, thì nếu thay bằng những loại thuốc nổ khác sẽ có ảnh hưởng khác nhau tới chất lượng mặt tách, và dù trong trường hợp nào, khi thay đổi
loại thuốc nổ với các thông số khác không đổi thì chất lƣợng mặt tách cũng sẽ xấu đi.
Nhìn chung, đối với tất cả các loại thuốc nổ sử dụng đều có một chỉ tiêu thuốc nổ dài tối ƣu ứng với các thông số a và K đã lựa chọn, khi tăng chỉ tiêu thuốc nổ dài từ trị số tối ưu trở lên thì độ lồi lõm của mặt tách tăng lên và theo hướng lõm vào khối đá nền; còn khi trị số thấp hơn trị số tối ưu thì mặt tách lại có xu hướng lõm vào mặt khối đá tách ra.
Các tính chất khác của thuốc nổ có ảnh hưởng đến hiệu quả nổ tách như đường kính tới hạn và vỏ bao thuốc, mật độ thuốc, loại, thành phần, độ hạt, xung lƣợng ban đầu đã đƣợc đề cập đến ở mục 3.1.1.
Nhằm đảm bảo không bị rạn nứt hay vi khe nứt ở xung quanh vách lỗ khoan ảnh hưởng đến độ thu hồi và chất lượng khối đá, cần lựa chọn các loại thuốc nổ có sức công phá nhỏ và năng lƣợng không quá lớn là phù hợp với mục đích của công tác nổ tách.
Vì sức công phá phụ thuộc vào mật độ nạp và tốc độ kích nổ, còn áp lực khí nổ cũng phụ thuộc vào mật độ nạp nổ, cho nên muốn giảm sức công phá và cả áp lực khí nổ gây nứt nẻ lớp đá xung quanh vách lỗ khoan khi nổ mìn tách đá khối, có thể bằng các phương pháp làm giảm đi mật độ nạp, như sử dụng hệ số không ngẫu hợp K, sử dụng phương pháp nạp phân đoạn bằng không khí, sử dụng bua nước, hay bằng một số phương pháp kinh nghiệm khác.
Sơ đồ 3-6 có trục tung là tỷ số giữa mật độ thuốc và mật độ nạp, trục hoành là cường độ kháng nén của đá, nó cho thấy rằng mật độ nạp thuốc sẽ tăng lên theo tỷ lệ thuận với cường độ kháng nén của đá khi sử dụng cùng loại thuốc nổ. Đối với cùng loại đá thì mật độ nạp sẽ phải tăng lên khi nhiệt lƣợng nổ của thuốc nổ giảm.
Về phương tiện nổ, dây nổ vẫn là một trong những phương tiện nổ được áp dụng rộng rãi trên mỏ lộ thiên và được xem như là một phương tiện nổ truyền thống. Trong nổ tách đá khối, dây nổ vừa đóng vai trò là phương tiện nổ, lại vừa đóng vai trò là chất nổ, vì chỉ tiêu thuốc nổ sử dụng trong nổ tách là rất nhỏ. Ở đây, ta chỉ xét đến vai trò của dây nổ như là một phương tiện nổ. Các nhà khoa học Nga
Sơ đồ 3-5. Sự thay đổi áp lực nổ theo thời gian
1- Lượng thuốc hạt nhỏ và lèn chặt; 2- Lượng thuốc rời thô.
( V.N. Môxinhet, I.A. Tagaev) đã tiến hành thí nghiệm với chất nổ Amonit No6 với 03 phương tiện nổ khác nhau và đưa ra kết luận sau:
Sơ đồ 3-6. Toán đồ để xác định mật độ nạp thuốc khi nổ tách với các loại thuốc nổ khác nhau [12]
2
t1 t2 t sec
s x
P kG/cm2
[s 0.04
0.06 0.08 0.10 0.12 0.14
1100
Q=1200 kal/kg 1000
900
?/d
0.02
0 400 800 1200 1600 2000 2400 kG/cm2
- Nếu kích nổ bằng kíp điện thông thường thì tốc độ kích nổ của chất nổ là 3.400 – 3.500 m/s.
- Nếu kích nổ bằng mồi nổ Detonit – 10A thì tốc độ kích nổ của chất nổ là 5.600 m/s.
- Nếu kích nổ bằng 02 sợi dây nổ đặt dọc toàn bộ chiều dài lƣợng thuốc thì tốc độ kích nổ của chất nổ đạt 7.200 – 7.300 m/s.
Trong nổ tách đá khối, ta có sử dụng phương tiện kích nổ thuốc bằng kíp nổ và dây nổ, kích nổ cho lượng thuốc nổ có đường kính nhỏ, do đó cần lưu ý đến kết quả thí nghiệm đầu và cuối ở trên.
Ngoài ra, cần lưu ý đến việc sử dụng dây nổ đặt dọc chiều dài lỗ khoan để kích nổ cho lƣợng thuốc nhỏ sẽ dẫn đến tổn thất năng lƣợng hữu ích của chất nổ; nếu dùng dây nổ có đường kính lớn, năng lượng cao để kích nổ cho thỏi thuốc đường kính nhỏ thì dây nổ có thể gây ra hiệu ứng hông tiêu cực, gây cháy hoặc dập tắt kích nổ do chất nổ bị chèn ép hay làm cho năng lƣợng nổ không đƣợc giải phóng đầy đủ.
3.4.2.5. Ảnh hưởng của phương pháp nổ:
Các phương pháp nổ khác nhau sẽ có chất lượng và hiệu quả nổ tách khác nhau.
Sở dĩ như vậy là vì mỗi phương pháp có mức độ sử dụng năng lượng nổ nhất định vào mục đích tách đá bằng cách điều khiển về kết cấu không gian của các lƣợng thuốc nổ.
Theo kết cấu không gian của lượng thuốc nổ có các phương pháp nổ lượng thuốc liên tục, phương pháp nổ phân đoạn bằng bua, phân đoạn bằng không khí, phân đoạn bằng cột nước.
Theo thời gian thứ tự kích nổ giữa các lượng thuốc có phương pháp nổ tức thời, nổ chậm, nổ vi sai. Tuy nhiên, trong nổ tách đá khối, hầu như chỉ dùng phương pháp nổ tức thời; nổ chậm, nổ vi sai sử dụng tách đá có hiệu quả không tốt vì sẽ xảy ra sự phân bố năng lƣợng sóng ứng suất không cân đối trên mặt phẳng tách, đồng thời lại có chi phí cao.
Phương pháp nổ mìn điện tức thời lượng thuốc liên tục là phương pháp cổ điển nhất trong khai thác đá xây dựng. Tuy nhiên, trong khai thác đá khối ngoài phương
pháp nổ tách bằng dây nổ, ở nước ta chưa sử dụng phương pháp nạp liên tục vì chỉ tiêu thuốc nổ sử dụng trong nổ tách là rất nhỏ và chƣa có chế tạo lƣợng thuốc dây.
Đây cũng là một hướng cần lưu ý vì trong nổ tách thì một trong các nguyên tắc quan trọng khi nạp thuốc là phân bố đều năng lƣợng nổ trên suốt chiều dài lỗ khoan, và nếu có lượng thuốc dây thì sự phân bố này có mức độ đồng đều lý tưởng nhất.
Phương pháp nổ mìn điện tức thời phân đoạn bằng bua, cũng là một trong các phương pháp sử dụng phổ biến ở các mỏ đá khối hiện nay, nó bảo đảm phân bố đều hơn năng lƣợng nổ trong lỗ khoan khi chỉ sử dụng lƣợng thuốc nổ nhỏ bằng các loại thuốc nổ công nghiệp hiện nay. Ngoài ra, nó còn có thể điều chỉnh tùy tình hình thực tế của lỗ khoan và khối đá mà gia giảm các lƣợng thuốc cũng nhƣ vị trí đặt cho phù hợp, nhằm đạt hiệu quả nổ tốt.
Phương pháp nổ mìn điện tức thời phân đoạn bằng không khí: đây là phương pháp sử dụng phổ biến nhất, do nó có những ưu điểm so với phương pháp trên. Thật vậy, khi có khoảng trống không khí làm cho áp lực đỉnh nhọn ban đầu và nhiệt độ nổ ban đầu giảm đi, đồng thời kéo dài thời gian tác dụng nổ, giúp phân bố năng lượng nổ đồng đều hơn trong toàn lỗ khoan so với phương pháp trên.
Phương pháp nổ mìn thủy lực: nổ thủy lực là nổ lượng thuốc trong môi trường nước, sử dụng bua nước, có tác dụng tốt khi nổ tách. Một số thí nghiệm và các kết quả nổ thực nghiệm ở các mỏ đã cho thấy rằng, khi nổ mìn bằng bua nước hoặc trong môi trường nước thì các mặt tách có độ nhẵn phẳng hơn khi nạp bua bằng vật liệu rắn. Do bua nước sẽ làm giảm áp lực mặt đầu sóng bảo vệ cho thành lỗ khoan, và phân bố đều năng lƣợng nổ trên suốt chiều dài lỗ khoan. Ngoài ra, nổ thủy lực còn làm cho mặt khối đá tách ra sạch hơn, không bị bám khói thuốc, và giảm tác động của nổ mìn đến môi trường.
3.4.2.6. Ảnh hưởng của các thông số lượng thuốc:
a. Chỉ tiêu thuốc nổ: q
Khi nổ tách đá khối, có các loại chỉ tiêu thuốc nổ sau: chỉ tiêu thuốc nổ dài (qd), chỉ tiêu thuốc nổ mặt (qm), và chỉ tiêu thuốc nổ khối (qk). Tất nhiên, khi đất đá càng khó tách thì chỉ tiêu thuốc nổ sử dụng càng lớn.
- Chỉ tiêu thuốc nổ dài qd (kg/m): là lƣợng thuốc nổ nạp trên 01 mét dài của lỗ khoan khi nổ tách. Chỉ tiêu thuốc nổ dài tối ƣu là chỉ tiêu mà khi khoảng cách giữa các lỗ mìn lớn nhất, với sự tiêu hao vật liệu nổ ít nhất, vẫn bảo đảm đƣợc yêu cầu về chất lƣợng nổ tách. Về lý thuyết, việc tính toán chỉ tiêu thuốc nổ dài rất phức tạp, liên quan đến tính chất cơ lý đá, tính chất vật liệu nổ sử dụng, khoảng cách lỗ, đường kính lỗ…Trong thực tế, người ta thường cố gắng xây dựng công thức tính toán theo kinh nghiệm tổng kết để xác định chỉ tiêu thuốc nổ dài, nhằm phục vụ cho thực tế thi công ở mỏ đƣợc dễ dàng và thuận lợi hơn. Ví dụ: căn cứ trên lý thuyết thứ 4 đã trình bày trong tiểu mục 3.2.4 là nguyên lý tạo mặt tách theo động lực học vết nứt, Wang Xung Ling đã đề xuất xác định chỉ tiêu thuốc nổ dài theo công thức sau [11]:
Sơ đồ 3-7. Xác định chỉ tiêu thuốc nổ dài giới hạn cho phép khi nổ tách với các loại đá có tính chất cơ lý khác nhau [12]
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
200 400 600 800 800 1200 1400 1600
0 0.2 0.4
Trong đó: a là chiều dài khe nứt khối đá khi bắt đầu hình thành, a = 0,0025 – 0,025; là tỷ số giữa khỏang cách và đường kính lỗ; dk là đường kính lỗ.
Trong sơ đồ 3-7, trục tung là chỉ tiêu thuốc nổ dài (kg/m); trục hoành là cường độ kháng nén của đá (kg/cm2). Phần dưới đường giới hạn mang trị số dương đảm bảo chất lƣợng nổ tách; phần trên mang trị số âm là chỉ tiêu vƣợt quá giới hạn cho phép và không đảm bảo chất lƣợng khối đá nổ tách. Đoạn thẳng biểu thị chỉ tiêu thuốc nổ dài giới hạn tương ứng với cường độ kháng nén của đá.
- Chỉ tiêu thuốc nổ mặt qm (kg/m2): là lƣợng thuốc nổ cần thiết dùng để tạo ra 01 đơn vị diện tích mặt tách. Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất và sử dụng phổ biến nhất khi nổ mìn tách đá khối. Thông thường chỉ tiêu thuốc nổ mặt ở mặt phẳng đứng sẽ thấp hơn ở mặt ngang do lực giữ nhỏ hơn. Theo GS. TS. Nhữ Văn Bách, chỉ tiêu thuốc nổ mặt cũng sẽ khác nhau tùy thuộc vào vị trí khu vực nạp thuốc của khối đá cần tách. Ngoài ra, theo tác giả, chỉ tiêu thuốc nổ mặt là lƣợng thuốc nổ cần thiết để tách đƣợc một đơn vị diện tích mặt đá, tùy thuộc vào loại đá và các tính chất của nó, loại và tính chất của vật liệu nổ sử dụng; còn phải xét đến yếu tố lực cản (lực giữ) tại vị trí nạp, như vậy nó còn liên quan đến các yếu tố khác như đường cản, vị trí khu vực nạp trên mặt phẳng tách và trong khối, vị trí mặt tách, trọng lƣợng khối đá…
- Chỉ tiêu thuốc nổ khối qk (kg/m3): là khối lƣợng thuốc nổ cần thiết để nổ tách ra một đơn vị khối đá. Chỉ tiêu này chỉ có ý nghĩa đối với nổ mìn phá; còn trong nổ tách thì không có ý nghĩa quan trọng. Trong nổ tách, chỉ tiêu này thường được lấy theo kinh nghiệm và không chính xác. Thường chỉ tiêu này trong nổ tách chỉ mang tính chất tham khảo, dùng để hiệu chỉnh lƣợng thuốc mới dùng.
b. Đường kính lỗ, đường kính lượng thuốc: dk, dt
Khi nổ mìn tách đá khối thường sử dụng búa khoan cầm tay, đường kính lỗ khoan thường từ 36 – 42mm, đường kính càng nhỏ thì tốc độ khoan cao, tiêu hao vật tƣ ít, và khoảng cách lỗ khoan cũng nhỏ, đảm bảo mặt tách ra bằng phẳng hơn, nâng cao độ thu hồi khối.
Ngoài ra, đường kính lỗ khoan lựa chọn phải thỏa mãn đạt hệ số không ngẫu hợp tốt nhất với đường kính thỏi thuốc. Vì thế, phải xem xét cân đối các yếu tố ảnh hưởng để lựa chọn đường kính lỗ khoan phù hợp nhất.
c. Cấu trúc lượng thuốc:
Sử dụng loại vật liệu nổ khác nhau, phương pháp nổ khác nhau, loại đá khác nhau, thì cấu trúc lƣợng thuốc cũng khác nhau. Bao gồm lƣợng thuốc liên tục, lƣợng thuốc tập trung, lƣợng thuốc phân đoạn, khoảng cách lƣợng thuốc liên tục, số lƣợng phân đoạn, thông số hình học thỏi thuốc, cấu tạo thỏi thuốc …. Tùy theo trường hợp cụ thể trong thực tế mà tính chọn cấu trúc lượng thuốc cho phù hợp nhất nhằm đảm bảo hiệu quả nổ tách tốt nhất.
Theo tác giả, sau khi đã tính chọn đƣợc khoảng cách lỗ, chỉ tiêu thuốc nổ, hệ số không ngẫu hợp hợp lý, thì điều quan trọng tiếp theo để đạt đƣợc chất lƣợng nổ tách cao nhất chính là sử dụng cấu trúc lƣợng thuốc thế nào để đạt đƣợc sự phân bố đều năng lƣợng của thuốc nổ trên dọc chiều dài của lỗ khoan. Do hiện nay chƣa có chế tạo lƣợng thuốc dây, nên tốt nhất là dùng dây nổ, hoặc phải dùng cách chế tạo lại thành từng đoạn thuốc nạp phân bố đều theo chiều dài trục lỗ khoan là hợp lý nhất trong trường hợp phải sử dụng thuốc nổ công nghiệp.
d. Chiều dài bua: lb
Do tính chất khai thác nổ tách đá khối phải đảm bảo độ nguyên khối. Khi nạp bua quá dài và chặt là không cần thiết, sẽ làm cho khí thể nổ gây tác dụng không tốt ở miệng lỗ khoan, sinh ra phễu phá hoại, nhƣng chiều dài bua quá ngắn thì không đạt hiệu quả dự tính. Vì thế, lựa chọn chiều dài bua phải tính đến loại thuốc nổ sử dụng và đường cản.
e. Vật liệu làm bua:
Vật liệu làm bua sử dụng trong nổ tách đá khối có các loại sau: rắn, lỏng.
Nhƣ trên đã phân tích, nếu sử dụng bua rắn thì bua nên làm bằng các vật liệu rắn hạt nhỏ, sét pha, cát pha.
Sử dụng bua lỏng (nước) có tác dụng tốt khi nổ tách. Một số thí nghiệm đã cho thấy rằng, khi nổ mìn bằng bua nước hoặc trong môi trường nước thì các mặt tách