Nghiên cứu các quá trình cơ học xuất hiện khi phá hủy đất đá dưới đáy nước

Chương 1. TỔNG QUAN CÔNG TÁC NỔ DƯỚI NƯỚC 6 1.1. Phân loại các dạng nổ dưới nước

1.3. Tình hình nghiên cứu về nổ dưới nước trên thế giới

1.3.2 Nghiên cứu các quá trình cơ học xuất hiện khi phá hủy đất đá dưới đáy nước

Vì khi nổ mìn phá đá dưới nước, bao giờ cũng đồng thời xuất hiện tác dụng nổ trong ba môi trường là đất đá, lớp nước bên trên và không khí. Tùy theo điều kiện vụ nổ cụ thể mà đặc tính cường độ sóng nổ xuất hiện ở ba môi trường sẽ ở mức độ khác nhau. Chính vì vậy việc nghiên cứu quá trình cơ học xảy ra khi nổ phá đá dưới nước và đặc tính tải trọng của sóng xung kích lan truyền trong nước, mà cùng xuất hiện trong quá trình nổ phá đá là các nội dung không thể tách rời hệ thống lý luận về nổ phá đá dưới nước.

Thực tế cho thấy, công tác nổ mìn phá đá dưới đáy nước có ý nghĩa quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống kinh tế xã hội và áp dụng cả trong quân sự.

Theo đặc tính tác dụng cơ học phá hủy đá dưới nước và vị trí bố trí lượng nổ so với mặt đáy nước có thể chia làm ba trường hợp sau:

a) Tác dụng cơ học của lượng nổ gián tiếp

Tác dụng cơ học của nổ gián tiếp, về bản chất là tác dụng của các lƣợng nổ khi bố trí ở gần đáy nước hoặc gần chướng ngại công trình, với khoảng cách tương đối đủ gần để vẫn xảy ra sự biến dạng hay phá hủy đáy nước ở một mức độ nhất định. Trong thực tế, lƣợng nổ gián tiếp đƣợc sử dụng trong làm sạch luồng lạch, làm tơi xốp các lớp bồi tích, lèn đất hoặc cũng có thể là quả mìn hay thủy lôi đáy nước…, như hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ dạng tác động cơ học của nổ nên nền đáy nước, khi lượng nổ đặt gần mặt đáy nước

Hiện nay vấn đề tác dụng cơ học của lượng nổ khi đặt gần chướng ngại dưới nước, chủ yếu dựa theo phương pháp cân bằng xung nổ. Công thức thực nghiệm điển hình của công binh Nga khi phá chướng ngại dạng cụm cọc gỗ bố trí không xa nhau lắm (nhƣ các cột chân cầu), thì khối lƣợng lƣợng nổ cần thiết để phá đứt cụm cọc khi lƣợng nổ bố trí giữa cụm cọc có dạng [57]:

. 2

. 30K D r

C  g m , (kg) (1.12) Trong đó: Kg - hệ số phụ thuộc vào độ bền và độ ẩm của gỗ [57];

Dm - đường kính (bề dày) cây gỗ lớn nhất, (m);

r - khoảng cách từ tâm lƣợng nổ đến cây gỗ xa nhất, (m);

Công thức (1.12) chỉ áp dụng khi r >2Dm.

Trong công tác làm tơi lớp đất đá yếu hoặc lớp bồi tích ở đáy nước, đã giới thiệu thông số khoảng cách nhỏ nhất từ lượng nổ đến bề mặt đáy nước mà đảm bảo không bị phá hủy thành phễu văng có dạng [50]:

hk. 3 Q  (1.13) Trong đú: k và à là hệ số phụ thuộc vào loại đất đỏ và thuốc nổ. Khi sử dụng thuốc nổ Trotyl có Đối với nền đáy là cát – sỏi và đá đổ bờ kè k=0,35, à=1,95.

Đối với trường hợp này bản chất phá hủy đáy nước hay chướng ngại là do tác dụng của sóng xung kích ở vùng gần lƣợng nổ. Việc tính toán các tham số trong xung kích tương tự như trường hợp nổ trong nước với sự kể đến hệ số ảnh hưởng của mặt nước và đáy nước như công thức (1.11).

b) Tác dụng cơ học của lượng nổ đặt trực tiếp trên đáy nước hoặc tiếp xúc với chướng ngại công trình dưới nước

Trong thực tiễn chỉ có một số loại vũ khí thủy lôi mới nổ ở vị trí trong môi trường nước, còn đa số các trường hợp là lượng nổ được đặt trên nền đáy nước hoặc chôn trong đất đá dưới nước, nhằm mục tiêu phá hủy hiệu quả đất đá phục vụ nhu cầu khai thác và cải tạo tự nhiên của con người. Thậm chí ngay cả các vũ khí quân sự bao giờ cũng cũng muốn tiến sát mục tiêu nhất để phá hủy.

Khi sử dụng phương pháp này chỉ có một phần nhỏ năng lượng tham gia vào phá đá, còn phần lớn năng lƣợng nổ đƣợc chuyển thành sóng xung kích trong nước, sóng xung kích trong không khí và sóng chấn động. Nhìn chung bán kính tác dụng phá hủy do sóng nổ của lượng nổ đáy nước hầu hết rút ra từ thực nghiệm đều tuân theo qui luật đồng dạng và có thể viết dưới dạng [17]:

- Đối với lƣợng nổ tập trung:

3 .

K Q R  kn

(1.14) - Đối với lƣợng nổ dài:

y y ny

K Q R k .



(1.15) trong đó: Q- khối lƣợng thuốc nổ, kg;

K, Ky- hệ số đặc trƣng cho tiêu tốn năng lƣợng nổ để phá hủy một đơn vị thể tích đất đá tương ứng của lượng nổ tập trung và lượng nổ dài, kg/m3. Hệ số này phụ thuộc vào loại đất đá và loại chất nổ;

kn, kny- hệ số xét đến ảnh hưởng của nước tương ứng của lượng nổ tập trung và dài.

Các công thức trên chỉ áp dụng trong phạm vi chiều dày lớp phá (tức R) nhỏ hơn 0,5m và điều chỉnh ảnh hưởng chiều sâu nước bên trên lượng nổ đến bán kính phá hủy qua hệ số ảnh hưởng của chiều sâu lớp nước kn hoặc kny. Tuy nhiên hai hệ số này vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu một cách đầy đủ.

Khác với lượng nổ đặt trong nước, để tính toán tác động của sóng xung kích trong nước do nổ lượng nổ đáy nước, cần phải xác định được tỷ lệ phần năng lượng nổ tiêu hao chuyển thành sóng xung kích lan truyền trong nước.

Trên cơ sở đó xác định được lượng nổ tương đương (Qtđ) để tính áp suất của sóng nổ trong nước. Ví dụ khi áp dụng công thức của R.Cole có dạng [34]:

13 , 1 3

6.( )

10 . 3 ,

53 r

Pm  Qtđ

(1.16) trong đó: Qtđ=λ.Q hoặc Qtđ=(1-η1-η2).Q

λ – hệ số năng lượng nổ truyền vào môi trường nước;

η1- hệ số sử dụng năng lƣợng nổ hữu ích để phá đá;

η2 – hệ số năng lƣợng nổ chuyển thành sóng xung kích trong không khí.

Các hệ số λ, η1 và η2 phụ thuộc vào các điều kiện nổ (địa chất nền đáy, chiều sâu chôn thuốc, chiều sâu nước, loại thuốc nổ…).

Phương pháp sử dụng lượng nổ tương đương cũng đã được áp dụng trong tính toán an toàn cho công trình nổ mìn xây dựng cảng Cái Lân [19].

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, lần đầu tiên Viện Địa vật lý của Nga đã công bố kết quả và chỉ ra rằng, khi sử dụng lƣợng nổ đặt trên đáy nước, thì trị số áp suất trên mặt sóng xung kích trong nước tăng đáng kể so với phương pháp nổ khác [56].

c) Tác dụng cơ học của lượng nổ đặt đặt trong lỗ khoan

Hình 1.3. Lượng nổ đặt trong lỗ khoan dưới nước

Đây là phương pháp sử dụng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới khi phá chiều dày lớp đất đá lớn. Phương pháp có ưu điểm hiệu quả phá đá cao, có khả năng áp dụng công nghệ nổ vi sai và đặc biệt sóng xung kích lan truyền vào nước rất nhỏ so với các phương pháp khác.

Bán kính vùng phá hủy phụ thuộc vào khối lƣợng thuốc nổ tính trên một mét dài lỗ khoan (p) hoặc khối lƣợng thuốc nổ, chiều dày tầng phá (H) và đặc tính đất đá thông qua chỉ tiêu thuốc nổ qtt có dạng [2,7,50]:

tt

p q

m p

R  , (m), với m = (0,7 ÷ 0,9); (1.17) Hoặc q H

R Q

tt

p  

(1.18) Khi phá đá bằng lƣợng nổ trong lỗ khoan, áp suất cực đại trên mặt sóng xung kích trong nước có thể xác định theo phương pháp lượng nổ tương đương (1.16) hoặc theo công thực nghiệm của Nga có dạng sau [50]:

07 , 0 63 , 1 3

) 5 , 2 5 , 14 (













 

 R

pm Q