Các yếu tố kỹ thuật và công nghệ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT, KỸ THUẬT,

2.2. Các yếu tố kỹ thuật và công nghệ

Hiệu quả nổ mìn cao hay thấp được đánh giá thông qua phần năng lượng hữu ích dùng để đập vỡ (khi mục đích nổ là đập vỡ) đất đá so với tổng số năng lượng nổ của lượng thuốc nổ, gọi là hệ số sử dụng hữu ích năng lượng nổ:

w

 W

 (2.2)

trong đó:

W: năng lượng tham gia đập vỡ;

w: toàn bộ thế năng của chất nổ.

Thông thường hệ số này rất nhỏ (từ vài % đến 15, 20%). Phần năng lượng nổ còn lại bị tổn thất dưới nhiều dạng như: tổn thất hóa năng dư, gây sóng chấn động, sóng đập không khí, làm văng xa đất đá, nghiền vụn quá mức cần thiết,…

Tổn thất hóa năng dư thường xảy ra khi lượng thuốc kích nổ không hết, khi dùng thuốc nổ kích nổ kém đặt trong lỗ khoan đường kính nhỏ hoặc dùng thuốc mồi không đủ công suất, khi nạp mìn không cẩn thận, không đảm bảo mật độ nạp,…Nhiều khi tổn thất này rất lớn.

Tổn thất dưới dạng gây sóng chấn động thường rất lớn khi nổ mìn đồng loạt, khi bố trí lượng thuốc không đều, không cân đối. Sóng đập không khí là dạng tổn thất do sản phẩm khí nổ bị phụt ra ngoài không khí, không tham gia đập vỡ đất đá, thường là do lấp bua không cẩn thận, không đảm bảo chiều cao cột bua, chất lượng bua kém.

Tổn thất năng lượng nổ dưới dạng nghiền quá vụn đất đá là do sử dụng loại thuốc không hợp lý, lượng thuốc nạp tập trung không đều, sử dụng đường kính lỗ khoan chưa hợp lý, mạng lỗ khoan chưa hợp lý, phương pháp nổ không phù hợp.

Như vậy để giảm bớt tổn thất năng lượng nổ và nâng cao hiệu quả nổ phải giải quyết hàng loạt các vấn đề, gọi chung là các phương pháp điều khiển năng lượng nổ.

Khi nổ mìn làm tơi đất đá trên mỏ lộ thiên, việc điều khiển năng lượng nổ là hoàn thiện công tác nổ mìn nói chung, cần phải dựa trên cơ sở áp dụng các biện pháp điều khiển nổ phù hợp thì mới đem lại hiệu quả nổ tối đa. Điều khiển đập vỡ đất đá bằng nổ mìn là tạo ra trong môi trường đất đá các thông số sóng ứng suất đảm bảo cường độ đập vỡ đất đá nhất định.

Xuất phát từ những yếu tố cơ bản xác định quá trình hình thành trường ứng suất có thể đưa ra các hướng cơ bản để hoàn thiện công tác nổ mìn:

+ Hoàn thiện loại thuốc nổ trên phương diện tạo ra xung lực nổ hợp lý (do kể tới sự kéo dài vùng phản ứng hóa học).

+ Hoàn thiện kết cấu lượng thuốc nổ.

+ Hoàn thiện các thông số khoan nổ (đường kính lỗ khoan, chỉ tiêu thuốc nổ, các thông số bố trí lượng thuốc nổ và sơ đồ phân bố mạng lỗ khoan trên tầng,…).

+ Áp dụng phương pháp nổ mìn vi sai.

+ Lựa chọn sơ đồ vi sai và thời gian vi sai thích hợp.

2.2.2. Ảnh hưởng của các thông số hệ thống khai thác (HTKT)

- Thông số quan trọng nhất là chiều cao tầng (H): Khi tăng chiều cao tầng đến mức hợp lý không những cải thiện được công tác mỏ mà còn làm tăng năng suất khoan, tăng suất phá đá của 1 mét dài lỗ khoan, tăng bán kính vùng đập vỡ của lượng thuốc (do tăng chiều cao cột thuốc), giảm

chiều sâu khoan thêm (tăng hệ số sử dụng lỗ khoan), giảm chi phí thuốc nổ và phương tiện nổ,...

- Kích thước khu vực cần nổ: Đặc trưng là chiều dài L và chiều rộng A. Tỷ lệ giữa chiều dài và chiều rộng bãi nổ ảnh hưởng tới hiệu quả nổ mìn. Khi L nhỏ mà A lớn sẽ làm giảm hiệu quả nổ do sức cản bên sườn gia tăng, ngược lại khi L lớn và A nhỏ thì chất lượng đập vỡ sẽ không tốt do ảnh hưởng của hàng đầu tiên lớn (hàng đầu tiên thường xuất hiện đá quá cỡ và mô chân tầng).

- Số hàng mìn (n): n liên quan chặt chẽ tới các đại lượng trên, đặc biệt là chiều rộng khoảnh khai thác A (chiều rộng bãi nổ). Khi n tăng lên thì sẽ tăng chất lượng nổ, tăng năng suất khoan và hệ số sử dụng mét khoan, ngược lại khi n quá nhỏ sẽ tồn tại nhiều mô chân tầng và đá quá cỡ, năng suất khoan cũng giảm theo.

2.2.3. Ảnh hưởng của các loại thuốc nổ sử dụng

Quá trình kích nổ thuốc nổ có đặc điểm: tốc độ cao (gần như tức thời), toả nhiều nhiệt và thoát nhiều khí, vì vậy khi nổ chất nổ tạo ra cũng rất lớn. Năng lượng nổ gây đập vỡ đất đá thể hiện dưới hai dạng: khả năng công nổ (KNCN) và sức công phá (SCP), KNCN phụ thuộc vào nhiệt lượng nổ của thuốc nổ và chúng tỷ lệ thuận với nhau. Để đánh giá KNCN người ta dựng thí nghiệm trong bom chì và xác định KNCN bằng cm3. KNCN thể hiện tác dụng nổ ở phạm vi rộng. Dùng KNCN để quy đổi thuốc nổ khi tính toán các thông số nổ mìn.

Còn SCP của thuốc nổ thể hiện tác dụng nổ ở phạm vi hẹp, SCP phụ thuộc vào tốc độ kích nổ và mật độ thuốc nổ.

Mỗi loại thuốc nổ đều có đặc tính chung và riêng. Để phân biệt người ta dùng các đại lượng: nhiệt lượng nổ (hay năng lượng riêng của thuốc nổ), tốc độ kích nổ, mật độ thuốc nổ, khả năng công nổ, sức công phá, khả năng chịu nước.

Mỗi loại thuốc nổ có đặc tính năng lượng nổ khác nhau, khi nổ chúng tạo ra xung nổ có dạng khác nhau, chính xung nổ sẽ làm hình thành một trường ứng suất trong đất đá. Với mỗi loại đất đá sẽ cần một xung lực nổ thích hợp ứng với một loại thuốc nổ nào đó để đạt được hiệu quả đập vỡ cao nhất.

Theo K.P.Stanhiucôvich: xung lực nổ xác định theo công thức:

0. 0

27

16 M E

I  (2.3) trong đó:

Mo: là khối lượng thuốc nổ, kg;

Eo: là năng lượng nổ của thuốc nổ trong lỗ khoan, Kcal;

Eo = q.Mo, Kcal;

q: là năng lượng riêng của thuốc nổ, Kcal/kg.

Suy ra ta có:

E q q

M

I o o 1

27. . 16 27.

16 

 (2.4) Từ công thức (2.4) ta thấy khi thuốc nổ có năng lượng riêng nhỏ sẽ

nhận được xung lớn tác dụng vào đất đá nếu như năng lượng chung Eo của thuốc nổ so sánh là như nhau.

Mặt khác khi 2 loại thuốc nổ có áp lực nổ tối đa tác dụng lên thành lỗ khoan khác nhau P1 P2 có thể nhận được xung nổ như nhau (I1 = I2)

I1 = K1.P1.T1

I2 = K2.P2.T2

trong đó:

P1, P2: là áp lực nổ tối đa ứng với loại thuốc nổ 1 và 2;

T1, T2: là thời gian tác dụng nổ của sản phẩm nổ lên thành lỗ khoan tương ứng với thuốc nổ 1 và 2.

Giả thiết K1 = K2, khi I1 = I2 ta có:

1 2 2

1

P P T

T  (2.5) Từ công thức (2.5) ta nhận thấy thời gian tác dụng của sản phẩm nổ tỷ lệ nghịch với áp lực nổ tối đa trong lỗ khoan.

Để nhận được xung nổ như nhau khi dựng hai loại thuốc nổ khác nhau thì ta phải nạp vào lỗ khoan một khối lượng thuốc nổ:

1 2 02

01 q

M q

M  (2.6) trong đó:

M01, M01: tương ứng là khối lượng thuốc nổ 1 và 2;

q1, q2: tương ứng là năng lượng riêng của thuốc nổ 1 và 2.

2.2.4. Ảnh hưởng của các thông số lượng thuốc nổ 2.2.4.1 Chỉ tiêu thuốc nổ q (kg/m3)

Khi nổ mìn làm tơi đất đá trên mỏ lộ thiên thì chỉ tiêu thuốc nổ là lượng thuốc nổ cần thiết để đập vỡ 1 đơn vị thể tích đất đá thành những cục có kích thước nhất định. Chỉ tiêu thuốc nổ phụ thuộc vào loại đất đá, loại thuốc nổ, chiều cao tầng, đường kính lỗ khoan, các thông số mạng nổ, phương pháp nổ và yêu cầu mức độ đập vỡ. Chỉ tiêu thuốc nổ là đại lượng rất quan trọng, là thông số cơ bản điều khiển mức độ đập vỡ, quyết định tới giá thành và hiệu quả sản xuất nói chung.

Nhìn chung khi tăng chỉ tiêu thuốc nổ thì chất lượng đập vỡ tăng lên, tạo điều kiện cho khâu xúc bốc và các khâu về sau làm việc hiệu quả hơn. Tuy nhiên với mỗi một loại đá thì chỉ tiêu thuốc nổ cũng chỉ có thể tăng lên đến một giá trị nhất định, mà khi tiếp tục tăng nữa thì chất lượng đập vỡ cũng không tăng lên, mà ngược lại nó còn làm cho chất lượng bãi nổ xấu đi, do năng lượng còn dư này sẽ dùng vào việc làm văng xa đất đá, gây khó khăn cho công tác mỏ nói chung và công tác xúc bốc nói riêng.

Vấn đề đặt ra là phải tính toán được chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý, sát với thực tế trên cơ sở mối quan hệ với nhiều đại lượng khác nhau về cả tự nhiên, kỹ thuật và kinh tế.

2.2.4.2. Đường kính lượng thuốc nổ và đường kháng (dk và W)

Đường kính lượng thuốc nổ là đại lượng xuất phát để tính chọn các thông số nổ mìn khác. Giữa đường kính và đường kháng có mối quan hệ rất mật thiết, việc lựa chọn đường kính lượng thuốc thích hợp và tỷ số W/dk

hợp lý sẽ mang lại hiệu quả nổ mìn rõ rệt. Khi dk lớn thì mức độ tập trung năng lượng nổ cao và ngược lại.

Đường kháng của lượng thuốc nổ khi nổ mìn trên mỏ lộ thiên, do kể tới khả năng của lượng thuốc nổ khắc phục sức kháng lớn nhất ở mức nền tầng, người ta thường dùng khái niệm đường kháng chân tầng (Wct).

Thông qua nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm người ta đã xác định được rằng: nếu cố định đường kính lỗ khoan và tăng dần trị số đường kháng thì tiết diện phễu phá huỷ tăng lên, đạt trị số cực đại sau đó giảm đến bán kính vùng phá huỷ hình trụ trong môi trường liên tục nếu cứ tiếp tục tăng đường kháng (Hình 2.1).

Hình 2.1: Sự thay đổi tiết diện vùng đập vỡ khi thay đổi tỷ số W/dk (dk = const) W1< W2 < W3 < W4

Như vậy, giữa đường kháng và đường kính lượng thuốc nổ có mối quan hệ chặt chẽ thể hiện qua công thức:

Wct = Kw.dk (2.7)

0 y

x

W1 W2

0 y

x

0 y

x W3

0 y

x W4

Ở đây Kw là hệ số phụ thuộc vào tính chất đất đá (độ kiên cố, độ nứt nẻ), phụ thuộc vào tính chất của lượng thuốc nổ (loại thuốc nổ, mật độ, nhiệt lượng,…).

k ct

w d

K  W (2.8)

Đối với mỗi loại đất đá sẽ tồn tại một trị số Kw hợp lý đảm bảo bán kính vùng đập vỡ là tối đa và hậu xung là tối thiểu. Đây là điều rất quan trọng khi xác định các thụng số bố trí lượng thuốc nổ.

2.2.4.3. Chiều sâu khoan thêm, chiều cao cột thuốc và chiều dài bua Ba đại lượng trên có quan hệ rất mật thiết với nhau và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả nổ mìn. Khi nổ mìn lỗ khoan lớn trên mỏ lộ thiờn, lỗ khoan thường được chia thành 3 phần chủ yếu theo chiều dài và mỗi phần có một chức năng riêng.

+ Chiều sâu khoan thêm Lkt vùng (III) có chức năng chủ yếu để đảm bảo duy trì mức nền tầng theo thiết kế.

+ Chiều dài bua Lb vùng (I) là phần lỗ khoan chứa vật liệu tạo ra sức kháng chống phụt sản phẩm nổ ra khỏi lỗ khoan, giúp quá trình kích nổ xảy ra hoàn toàn và nâng cao hiệu quả nổ, đảm bảo an toàn.

+ Chiều cao cột thuốc cơ bản Ltcb vùng (II) có nhiệm vụ chính là đập vỡ đất đá (hình 2.2).

Trên quan điểm nâng cao hệ số sử dụng lỗ khoan để nạp thuốc, phân bố đồng đều năng lượng nổ và mở rộng vùng đập vỡ có điều khiển thì cần phải giảm vùng (I) và vùng (III) đến mức tối thiểu và tăng vùng (II) đến mức tối đa. Điều này liên quan trực tiếp đến chiều cao tầng cần thiết tối thiểu để đảm bảo hiệu quả nổ.

h

Lb

Ltcb

Lkt

Hình 2.2: Kết cấu các phần chức năng cơ bản của lượng thuốc trong lỗ khoan khi nổ trên tầng

2.2.4.4. Hệ số khoảng cách giữa các lượng thuốc nổ

Khi nổ mìn nhiều lượng thuốc nổ cạnh nhau, chất lượng đập vỡ không những phụ thuộc vào thông số của mỗi lượng thuốc riêng biệt, mà nó còn phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa các lượng thuốc nổ. Nếu hệ số khoảng cách giữa các lượng thuốc nổ (hệ số làm gần)

Wct

m  a nhỏ quá sẽ tồn tại vùng ứng

suất giảm, làm chất lượng đập vỡ kém. Ngược lại nếu m lớn quá sẽ làm cho mặt tầng không bằng phẳng.

Ở đây cần phân biệt m và mtt, hệ số làm gần m là trị số ứng với sơ đồ mạng lỗ khoan trên tầng theo vị trí xác định của mặt tự do sườn tầng.

Còn khi nổ mìn vi sai, do có rất nhiều sơ đồ điều khiển nổ vi sai, cho nên tỷ số khoảng cách giữa các lượng thuốc nổ đồng thời (att) với đường kháng giữa các nhóm thuốc nổ đồng thời (Wtt) mới là trị số làm gần thực (mtt):

tt tt

tt W

m  a (2.9)

Như vậy trị số m là xác định khi có sơ đồ mạng lỗ khoan xác định, còn mtt thì phụ thuộc vào sơ đồ vi sai sử dụng. Giá trị m khi nổ tức thời thường bằng m = (0,7  0,9), khi nổ vi sai m = (1  1,3); còn trị số mtt tuỳ thuộc vào sơ đồ vi sai có thể thay đổi từ 1,3 đến 4 cá biệt có trường hợp đến 8.

2.2.5. Sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan trên tầng

Đây là sự bố trí hình học mạng lỗ khoan trên bình đồ. Có nhiều sơ đồ phân bố, để phân biệt ta chỉ cần xem xét vị trí tương đối của 4 lỗ khoan gần nhau:

+ Khi nổ mạng ô vuông thì 4 lượng thuốc nằm ở 4 đỉnh của hình vuông có cạnh là a.

+ Khi nổ mạng chữ nhật thì 4 lượng thuốc nằm ở 4 đỉnh của hình chữ nhật có cạnh là a và b.

+ Khi nổ mạng tam giác đều thì 4 lượng thuốc nổ nằm ở 4 đỉnh của hình thoi cạnh là a.

Rõ ràng phân bố mạng lỗ khoan theo ô vuông hợp lý hơn theo hình chữ nhật, mạng tam giác đều hợp lý hơn mạng tam giác cân. Vì vậy ở đây ta chỉ xét hai sơ đồ mạng ô vuông và mạng tam giác đều.

Để khẳng định sơ đồ nào hợp lý hơn ta chỉ cần tính diện tích phần trùng nhau (phần gạch chéo) trong hai sơ đồ, nếu sơ đồ nào có phần diện tích trùng nhau nhỏ hơn chứng tỏ sơ đồ đó hợp lý hơn. Bởi vì bố trí mạng lỗ mìn theo sơ đồ đó thì năng lượng nổ được phân bố đều hơn, rộng hơn, thể tích đá nổ ra lớn hơn, làm cho hiệu quả nổ tăng lên.

Theo tính toán (với điều kiện cạnh của hình tam giác đều và cạnh hình vuông là bằng nhau, đường kính của các lượng thuốc nổ và điều kiện nổ theo 2 sơ đồ là như nhau). Tổng diện tích phần trùng nhau trong sơ đồ mạng ô vuông có giá trị là: Sv = 2,28R2. Tổng diện tích phần trùng nhau trong sơ đồ tam giác đều có giá trị: Stg = 0,9R2. So sánh ta thấy diện tích phần trùng nhau trong sơ đồ bố trí mạng lỗ

khoan ô vuông lớn hơn sơ đồ bố trí mạng lỗ khoan tam giác đều là 2,5 lần. Điều đó chứng tỏ bố trí mạng lỗ khoan theo sơ đồ tam giác đều hợp lý hơn theo sơ đồ ô vuông.

Một đặc điểm nữa là khi nổ mìn vi sai mạng tam giác đều sẽ thủ tiêu vùng ứng suất thấp (nếu dùng mạng ô vuông với sơ đồ vi sai qua hàng thì vẫn tồn tại vùng này). Như vậy sử dụng mạng tam giác đều là hợp lý hơn cả.

2.2.6. Ảnh hưởng của vị trí điểm khởi nổ

Vị trí điểm khởi nổ cũng có ảnh hưởng đáng kể tới chất lượng đập vỡ:

Khi vị trí điểm khởi nổ ở phía trên thì thời gian tác dụng nổ ngắn, hậu xung về phía sau lượng thuốc tăng gây khó khăn cho đợt khoan nổ lần sau, dễ để lại mô chân tầng.

Khi kích nổ từ dưới lên thì thời gian tác dụng nổ kéo dài, phần chân tầng phá huỷ tốt vùng ứng suất phát sinh mạnh và có hướng phá thuận lợi, tác dụng hậu xung giảm.

2.2.7. Ảnh hưởng của phương pháp nổ

Các phương pháp nổ khác nhau sẽ cho chất lượng đập vỡ và hiệu quả nổ khác nhau. Sở dĩ như vậy là vì mỗi phương pháp có mức độ sử dụng năng lượng nổ nhất định vào mục đích phá đá bằng cách điều khiển về kết cấu không gian của các lượng thuốc nổ hoặc về giãn cách thời gian nổ giữa các lượng thuốc.

Theo kết cấu không gian của lượng thuốc nổ dài, tập trung, phẳng.

Theo thời gian thứ tự kích nổ trong một lượng thuốc và giữa các lượng thuốc nổ có các phương pháp nổ tức thời, nổ chậm, nổ vi sai.

Để phù hợp với điều kiện nổ mìn trên mỏ lộ thiên. ở đây ta chỉ đề cập tới một số phương pháp nổ mìn có ý nghĩa thực tế đó là: phương pháp nổ mìn tức thời lượng thuốc liên tục (hoặc phân đoạn), phương pháp nổ mìn vi sai lượng thuốc liên tục (hoặc phân đoạn).

2.2.7.1. Phương pháp nổ mìn tức thời lượng thuốc liên tục

Đây là phương pháp nổ đồng loạt các lượng thuốc nổ có kết cấu liên tục đặt trong lỗ khoan lớn.

Lượng thuốc nổ được đặt trong lỗ khoan thẳng đứng hay xiên.

Lượng thuốc nổ phân bố thành một hay nhiều hàng. Để kích nổ đồng loạt các lượng thuốc nổ có thể dùng các phương tiện nổ sau: điện, dây nổ, dây truyền tín hiệu nổ với kíp nổ tức thời.

Đây là phương pháp cổ điển đã được duy trì rất lâu. Bây giờ ta đi phân tích những ảnh hưởng của nó tới chất lượng đập vỡ.

Khi nổ mìn tức thời trên tầng chỉ có một hàng lỗ khoan ngoài cùng có 2 mặt tự do là mặt sườn tầng và mặt tầng, còn các hàng trong đều ở trạng thái bí mặt tự do (chỉ có một mặt tự do đó là mặt tầng), vì vậy tác dụng đập vỡ do sóng phản xạ kéo là không đáng kể. Điều đó làm giảm hiệu quả đập vỡ, các thông số nổ mìn phải thu hẹp lại. Do các hàng trong bí mặt tự do lên phải tăng chi phí thuốc nổ lên từ 15%

đến 20% vì vậy làm tăng chi phí khoan nổ. Mặt khác luôn tồn tại vùng ứng suất giảm nên chất lượng đập vỡ kém. Thời gian khối đá ở trong trạng thái rất ngắn, khối đá ở trong chế độ chịu tải nổ một lần do đó chất lượng đập vỡ kém, sóng chấn động và đá bay lớn.

2.2.7.2. Phương pháp nổ mìn vi sai lượng thuốc liên tục

Phương pháp nổ mìn vi sai là cách điều khiển năng lượng nổ có hiệu quả trên cơ sở kéo dài thời gian tác dụng nổ, tăng số lần đặt tải nổ, tạo ra mặt tự do mới và tạo ra các va đập cơ học phụ khi đất đá dịch chuyển.

Cơ sở lý thuyết của phương pháp nổ mìn vi sai như sau:

Khi nổ lượng thuốc nổ I, trường ứng suất mà nó sinh ra còn đang tồn tại trong khối đá do lượng thuốc nổ thứ II đảm nhiệm thì lượng thuốc nổ thứ II nổ, vì vậy tạo ra sự giao thoa cộng hưởng ứng suất giữa 2 lượng thuốc nổ I và II, làm kéo dài thời gian tác dụng nổ. Mặt khác tác dụng nổ