Bài giảng Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ: Phần 1 (Dùng cho trình độ Thạc sĩ)

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của bài giảng "Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ (Dùng cho trình độ Thạc sĩ)" cung cấp cho học viên những nội dung về: những vấn đề cơ bản của tác dụng phá vỡ đất đá bằng nổ mìn và nguyên tắc tính toán lượng thuốc nổ; điều khiển mức độ đập vỡ đất đá bằng nổ mìn;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ: Phần 1 (Dùng cho trình độ Thạc sĩ)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH BÀI GIẢNG NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG NỔ MÌN TRONG KHAI THÁC MỎ (DÙNG CHO TRÌNH ĐỘ THẠC SỸ) Quảng Ninh, 2018 1
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG NỔ MÌN TRONG KHAI THÁC MỎ Quảng Ninh, năm 2018 2
CHƯƠNG 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ TÁC DỤNG PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG NỔ MÌN VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN LƯỢNG THUỐC NỔ 1.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1. Phân loại lượng thuốc nổ Khối lượng thuốc chuẩn bị để nổ được chứa trong lỗ khoan, trong buồng mìn hay đắp ngoài đối tượng phá vỡ gọi là lượng thuốc nổ. Người ta phân chúng thành các loại sau: - Theo vị trí đặt thuốc: Lượng thuốc phân làm hai loại là lượng thuốc đắp ngoài và lượng thuốc phân bố ở bên trong lỗ khoan hoặc buồng mìn. Lượng thuốc đắp ngoài dùng chủ yếu để đập vỡ đất đá và quặng quá cỡ, còn lượng thuốc bên trong với mục đích phá vỡ đất đá để khai thác khoáng sản. - Theo cấu trúc, lượng thuốc được phân thành: Lượng thuốc tập trung và lượng thuốc dài. Lượng thuốc dài là lượng thuốc khi tăng chiểu dài của nó bán kính vùng phá vỡ hướng tâm không tăng lên. Lượng thuốc dài có: lt > 3 (lt: chiều dài lượng thuốc, m; dt: đường kính lượng thuốc, m). dt Đối với các loại thuốc khác nhau, đường kính lượng thuốc khác nhau và đất đá khác nhau thì trị số lt/ dt khác nhau. Do đó nguyên tắc này rất khó sử dụng trong thực tế. Người ta còn phân biệt lượng thuốc dài thành: Lượng thuốc liên tục (không phân chia thành từng đoạn) và lượng thuốc phân đoạn (phân thành từng phần bởi các khoảng trống không khí, bua hoặc nước). - Theo đặc tính lượng thuốc, người ta phân thành: + Lượng thuốc nén ép: Chỉ phá vỡ đất đá ở xung quanh lượng thuốc, trên bề mặt tự do không xuất hiện sự phá vỡ (hình 1.1.a). + Thuốc làm vỡ lở: Khi nổ đất đá xung quanh lượng thuốc và trên bề mặt bị phá vỡ (hình 1.1.b). + Lượng thuốc làm tơi vụn: khi nổ toàn bộ đất đá trong phễu nổ bị đập vỡ (hình 1.1.c). + Lượng thuốc làm văng xa: Khi nổ đất đá bị đập vỡ và văng ra khỏi giới hạn phễu nổ (hình 1.1.d). Có thể thay đổi đặc tính tác dụng của lượng thuốc bằng cách: giữ nguyên lượng thuốc nổ và giảm chiều sâu đặt lượng thuốc (hình 1.2.a) hoặc giữ nguyên chiều sâu đặt thuốc và tăng khối lượng thuốc nổ (hình 1.2.b). Trên hình 1.2 thể 3
hiện: 1,2,3 là ký hiệu lượng thuốc, 1 2,3 là hình dạng của buồng nổ hoặc phễu nổ tương ứng. a) b) c) d) Hình 1.1- Sơ đồ tác dụng nổ những lượng thuốc khác nhau Hình 1.2- Những phương pháp thay đổi đặc tính tác dụng nổ 1.1.2. Hình dạng và những yếu tố của phễu nổ Hình dạng của phễu nổ phụ thuộc vào tính chất của môi trường. Đối với lượng thuốc tập trung đơn độc, để đơn giản cho tính toán người ta coi phễu nổ có dạng hình nón tròn xoay và đỉnh là trung tâm lượng thuốc. Những yếu tố của phễu nổ bao gồm (hình 1.3). r W 2α R Hình 1.3- Những yếu tố của phễu nổ - Chiều sâu đặt thuốc (đường kháng nhỏ nhất) W: khoảng cách ngắn nhất từ trung tâm lượng thuốc đến bề mặt tự do; - Góc mở rộng của phễu nổ 2  ; - Bán kính phễu nổ r; - Bán kính tác dụng nổ R; - Chỉ số tác dụng nổ n: r n  tg  là chỉ số tác dụng nổ khi đó có: w n = 1, khi 2α = 900, r = w gọi là nổ tiêu chuẩn. 4
n > 1, khi 2α > 900, r > w gọi là nổ mạnh. n
Hình 1.4- Trình tự phá vỡ đất đá bằng nổ mìn 1-7 các pha dịch chuyển của đất đá Một phần đất đá lăn xuống dưới và phễu có góc dốc tự nhiên đặc trưng cho từng loại đất, thể tích phễu khi đó giảm đi. 1.2.2. Cơ cấu phá vỡ đất đá cứng đồng nhất bằng nổ mìn Tốc độ kích nổ của chất nổ lớn hơn rất nhiều so với tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá. Vì vậy bề mặt đất đá tiếp thu tác dụng nổ đồng thời trên toàn bộ diện tích tiếp xúc lượng thuốc với đất đá. Trên bề mặt ranh giới giữa lượng thuốc và đất đá sóng kích nổ chuyển thành sóng đập với biên độ lớn hơn. Sóng đập nghiền nát đất đá rất mạnh trong điều kiện nén các phía không đều đặn. Càng xa lượng thuốc thì biên độ sóng đập càng giảm. Tại những điểm của môi trường cách lượng thuốc khoảng 5  6 lần bán kính lượng thuốc thì sóng đập chuyển thành sóng đàn hồi. Tốc độ lan truyền của nó nhỏ hơn tốc độ lan truyền sóng đập và bằng tốc độ âm trong môi trường đất đá. Ứng suất trên mặt sóng nổ cao hơn nhiều so với độ bền của đất đá về nén, do đó sau khi sóng nổ truyền qua đất đá bị đập vỡ, thường kết cấu ban đầu của nó bị phá vỡ. Vùng này được đặc trưng là vùng tác dụng dẻo khi nổ. Nó thường giới hạn trong khoảng 10 – 12 lần bán kính lượng thuốc. Trong vùng này sau khi sóng nổ truyền qua, khí nổ với áp lực cực lớn (20  70).108 N/m2 gây ra tác dụng phá vỡ nhất định. Dưới tác dụng của sóng và khí nổ đất đá gần lượng thuốc bị nén ép và chuyển dịch nhanh sau mặt sóng ứng suất. Do đó mà tạo thành vùng biến dạng mạnh với hệ thồng nhiều nứt nẻ cắt nhau (hình 1.5). Hình 1.5. Sơ đồ phá vỡ đất đá cứng đồng nhất xung quanh lượng thuốc a. Vùng nghiền nát b. Vùng tạo thành nứt nẻ 6
Càng xa lượng thuốc thì ứng suất trên mặt sóng nổ càng giảm và ở khoảng cách nhất định nhỏ hơn sức kháng nén của đất đá, khi đó đặc tính biến dạng và phá vỡ môi trường thay đổi. Hình 1.6. Sơ đồ tạo thành nứt nẻ hướng tâm và nứt nẻ vòng xung quanh lượng thuốc Dưới tác dụng của sóng ứng suất và khí nổ (lan truyền từ lượng thuốc), theo đường hướng làm phát sinh ứng suất nén và theo hướng tiếp tuyến phát sinh ứng suất kéo, do đó trong đất đá xuất hiện những nứt nẻ hướng tâm (hình 1.6.a). Ngoài ra đất đá bị biến dạng dưới tác dụng áp lực cao, bán kính các vùng xung quanh lượng thuốc r1 và r2 tăng lên. Khi đó theo hướng tiếp tuyến đất đá chịu tác dụng của ứng suất kéo, ứng suất này làm phát triển nứt nẻ hướng tâm. Sự mở rộng khí nổ có ảnh hưởng nhất định đến sự mở rộng khe nứt. Qua thí nghiệm người ta đã xác định rằng khi nổ lượng thuốc nổ không nạp bua thì 30  40% sản phẩm khí nổ xâm nhập vào nứt nẻ, còn khi nổ lượng thuốc có bua thì hơn 70%. Tuy nhiên hiện nay chưa có khả năng xác định ảnh hưởng định lượng của khí nổ đến hiệu quả phá vỡ trong khối đá. Càng xa lượng thuốc thì ứng suất kéo tiếp tuyến càng giảm và sẽ nhỏ hơn sức kháng của đất đá. Vì vậy đến một khoảng cách nhất định thì đất đá không bị phá vỡ mà các phần tử của nó chỉ chuyển dịch dao động mà thôi. Sau khi giảm áp lực khí nổ ở trung tâm nổ thì đất đá không bị nén và nó chuyển dịch về phía trung tâm lượng thuốc, do đó bán kính của buồng hình cầu giảm và đất đá kề với buồng đó chịu ứng suất kéo theo đường hướng tâm. Điều đó tạo ra nhứng nứt nẻ vòng trong đất đá (hình 1.6.b) Khi nghiên cứu sơ đồ tác dụng nổ nén ép, giáo sư Pakrobski đã phân chia thành 4 giai đoạn tác dụng của sản phẩm kích nổ. 1. Giai đoạn 1: Sóng kích nổ (v = 4 - 6 km/s), truyền trên bề mặt tiếp xúc giữa thuốc với đất đá, sau đó nó chuyển thành sóng đập ( v = 3 – 5 km/s), ứng suất trên mặt sóng vượt giới hạn bền nén của đất đá. 7
Sóng đập phá vỡ đất đá thành những phần tử có kích thước nhỏ. Tại thời điểm mà tốc độ lan truyền của sóng đập bằng tốc độ của sóng dọc: E (1   ) C1   (1   )(1  2 ) Trong đó: (E- mô đun đàn hồi của đất đá,  - hệ số Poatxong,  - mật độ đất đá) thì sóng đập chuyển thành sóng đàn hồi và bắt đầu giai đoạn 2 của tác dụng động lực sóng đàn hồi. Khi nổ lượng thuốc , ứng suất trên mặt sóng đàn hồi lớn hơn giới hạn bền nén của đất đá, vì vậy mặt trước sóng đồng thời là bề mặt phá vỡ đất đá. 2. Giai đoạn 2: Buồng nổ chứa đầy sản phẩm nổ và vùng đất đá bị đập nhỏ được mở rộng, áp lực khí trong buồng nổ chuyển qua đất đá bị đập vỡ thành mặt trước của sóng đàn hồi. Trong quá trình lan truyền sóng đàn hồi ứng suất bị giảm dần. Tại thời điểm khi biên độ mặt trước sóng đàn hồi giảm bằng trị số bền động lực của đất đá thì bắt đầu giai đoạn 3. 3. Giai đoạn 3: Hình thành một số vùng biến dạng và phá vỡ đất đá: vùng đập nhỏ đất đá do tác dụng của sản phẩm nổ, vùng nứt nẻ hướng tâm, vùng biến dạng đàn hồi. Ở giai đoạn 3 người ta quan sát được mặt trước của sóng đàn hồi, mặt tạo thành nứt nẻ hướng tâm và mặt nghiền nhỏ đất đá. Cuối giai đoạn 3, trong vùng lân cận lượng thuốc phát sinh trạng thái ứng suất biến dạng cân bằng và từ sóng đàn hồi phát sinh sóng chấn động, biên độ của nó biến đổi theo quy luật:  nd r r    ;r  (1.1) r r* Trong đó:  nd - Giới hạn bền nén động lực của đất đá; r- Bán kính mặt trước của sóng chấn động; r* = (0,6  0,8) R- Bán kính vùng đập nhỏ đất đá cuối giai đoạn 2; R- Bán kính cuối cùng vùng đập nhỏ đất đá. Cuối giai đoạn 3 sự lan truyền ứng suất trong vùng nứt nẻ hướng tâm được miêu tả bằng những quan hệ:   dn r  2 ;      0 (1-2) r r (r  ;         r ) E Trong đó: r = r/r2 ; r2  r  ro; r2 - Bán kính cuối cùng của vùng đập nhỏ đất đá; 8
ro - Bán kính ngoài của vùng nứt nẻ hướng tâm. Nếu r = ro thì quan hệ giữa ro và r2 có dạng:  nd r  r2 (1-3) 2 k Về bản chất: ro là bán kính vùng tạo thành nứt nẻ, nghĩa là vùng bán kính đập vỡ điều chỉnh; còn r2 là bán kính buồng nổ tạo thành trong đất đá. Trị số 2r2/dt là hệ số mở rộng buồng mìn km, đối với đất đá cứng nó có giá trị từ 4  10. Như vậy từ (1-3) ta có: dt km  nd r  (1-4) 2 2 k 4. Giai đoạn 4: Do tác dụng nổ mà tạo thành những nứt nẻ vòng tiếp tuyến trong vùng nứt nẻ hướng tâm và vùng biến dạng đàn hồi. Nứt nẻ vòng được tạo thành trong những điều kiện sau đây: Từ buồng nổ, tại thời điểm nhất định, sản phẩm nổ theo các vết nứt truyền vào khí quyển nên áp lực giảm đáng kể, giải phóng cho đất đá khỏi bị nén trong vùng nứt nẻ hướng tâm vùng biến dạng đàn hồi. Khi đó các phần tử đất đá chuyển động về phía trung tâm lượng thuốc xuất hiện ứng suất kéo hướng tâm. Do ảnh hưởng của ứng suất này mà phát sinh nứt nẻ vòng quanh buồng nổ. Trong trường hợp nổ nén ép lượng thuốc dài quá trình phá vỡ đất đá gây ra hiện tượng tương tự. Khi nổ do không bị ngăn cản và dưới tác dụng của sóng ứng suất các phần tử đất đá ở gần bề mặt tự do được chuyển dịch tự do về phía bề mặt đó và kéo theo tất cả các phần tử xa bề mặt tham gia vào sự chuyển động này. Khi đó bắt đầu lan truyền sóng phản xạ theo đất đá. Trên mặt sóng phản xạ (còn gọi là sóng căng) phát sinh ứng suất kéo. Như vậy sóng căng là sóng nén được phản xạ từ bề mặt tự do và được lan truyền từ lượng thuốc ảo. (hình 1.7) Hình 1.7. Sơ đồ tạo thành sóng phản xạ ở bề mặt tự do 1- Lượng thuốc; 2- Sóng tới (nén) 3- Lượng thuốc ảo; 4- Sóng phản xạ 9
Trị số lượng thuốc ảo giống trị số lượng thuốc thật, nhưng nó được phân bố bên ngoài cách bề mặt tự do một khoảng bằng đường kháng nhỏ nhất của lượng thuốc thật. Vì sức kháng kéo của đất đá nhỏ hơn 10  30 lần sức kháng nén nên đất đá ở bề mặt tự do bị phá vỡ do sóng phản xạ với tạo thành nứt nẻ tiếp tuyến và phễu vỡ lở bề mặt. Toàn bộ thể tích đất đá trong phễu nổ bị đập vỡ do sự phá vỡ lan truyền từ bề mặt vào sâu trong khối đá cộng với sự phá vỡ xảy ra xung quanh lượng thuốc. Giáo sư Khanukaiev đã tìm ra các thông số của sóng ứng suất lan truyền trong đất đá khi nổ bằng cách sau (hình 1.8): Hình 1.8. Sơ đồ xác định các thông số của sóng ứng suất trong đất đá khi nổ lượng thuốc 1- Lượng thuốc nổ; 2- Đát trích Trên những thành thẳng đứng của giếng (kích thước 4x4x3m) chứa đầy nước, khoan lỗ khoan để chứa thuốc nổ và cách thành giếng 5 – 8 cm ở trong nước bố trí đát trích để ghi lại các thông số của sóng khúc xạ. Thông số của sóng ứng suất tìm được theo công thức: Pt t  (1.5) k 2 n Cn k (1.6)  n Cn   d Cd Trong đó:  nCn và  d C d - Mật độ và tốc độ sóng dọc tương ứng trong nước và trong đất đá; k- Hệ số khúc xạ;  t - Ứng suất hướng tâm trong đất đá; Pt - Áp lực trong nước. Tương tự có thể tiến hành đo trên các mẫu đất đá đặt trong giếng chứa nước. 10
1.2.3. Cơ cấu phá vỡ đất đá nứt nẻ bằng nổ mìn Đất đá nứt nẻ bị phá vỡ do tác dụng của áp lực khí nổ và của sóng ứng suất. Sự phá vỡ được lan truyền ngược nhau từ buồng mìn và từ bệ mặt tự do. Dưới tác dụng áp lực cao của khí nổ tại vị trí đặt thuốc tạo thành buồng nổ, vùng đất đá bị phá vỡ phân bố xung quanh buồng đó. Những khe nứt của đất đá là những bề mặt phân chia, nó cản trở sự lan truyền sóng ứng suất và sự lan truyền quá trình phá vỡ. Ở bề mặt của nỗi nứt nẻ ứng suất trong sóng giảm rất mạnh do sự phản xạ từng phần của nó (hình 1.9). σ 3 1 1 2 2 t Hình 1.9- Sơ đồ giảm trị số ứng suất khi nổ lượng thuốc trong đất đá nứt nẻ 1- Đất đá không nứt nẻ; 2- Đất đá nứt nẻ; 3- Bề mặt nứt nẻ trong đất đá Do đó ứng suất trong đất đá nứt nẻ ở xa lượng thuốc giảm rất nhiều, còn những nứt nẻ từ lượng thuốc được lan truyền đến một khoảng cách nhỏ hơn so với trong đất đá không nứt nẻ. Ngoài giới hạn của khối tiếp xúc với lượng thuốc, đất đá bị phá vỡ chủ yếu do sự va đập cơ học của khối. Vì vậy trong đất đá tạo thành một số tâm phá vỡ dưới tác dụng của sóng phản xạ và khí nổ. Như vậy trong đất đá nứt nẻ có 2 cơ cấu phá vỡ khi nổ: những khối nứt nẻ chứa lượng thuốc nổ hoặc ở gần trực tiếp với nó bị phá vỡ bởi sóng, còn những khối phân bố ngoài giới hạn vùng tác dụng của sóng bị phá vỡ bởi động năng va đập cơ học. Khi chiều sâu đặt lượng thuốc lớn, trên bề mặt tự do phát sinh dao động chấn động. Cuối giai đoạn tác dụng nổ, những phần tử hướng tâm có trạng thái ứng suất biến dạng, cũng như biên độ chuyển dịch của các phần tử bề mặt trên lượng thuốc có giá trị lớn hơn 2 lần so với chúng ở độ sâu W dưới lượng thuốc. Tốc độ và biên độ dịch chuyển các phần tử ở trên bề mặt tăng lên, khi đạt trị số W nhất định thì trên bề mặt đất đá bị vỡ lở. 0,7r2 nd W*   r* (1.7) k Sóng chấn động truyền đến bề mặt tự do (hình 1.10) thì phản lại dưới dạng sóng căng. 11
1- Mặt tự do 2- Lượng thuốc 3- Buồng nổ 4- Biên độ cực đại của sóng chấn động 5- Sóng chấn động nén tại thời điểm t1 và t2 6- Sóng phản xạ căng tại thời điểm t3 Hình 1.10. Sơ đồ phản xạ sóng chấn động từ bề mặt tự do Khi chiều sâu lượng thuốc đủ lớn thì ứng suất hướng tâm  r trong sóng phản xạ nhỏ hơn  k . Khi giảm W trị số  r tăng và khi W* = r* thì  r =  k và đất đá bị vỡ lở do sóng phản xạ. Đối chiếu thấy r*  ro , do đó đất đá bị vỡ lở trước khi tạo thành nứt nẻ hướng tâm. Khi nổ trong khối nứt nẻ thì ở bề mặt vết nứt xảy ra quá trình vỡ lở đất đá nếu chiều rộng của nứt nẻ  > 1mm (để đảm bảo sự phản xạ của sóng). Do nứt nẻ có thể phân bố dưới những góc khác nhau so với hướng sóng tới và bề rộng nứt nẻ có thể nhỏ hơn 1mm nên sự vỡ lở ở bề mặt nứt nẻ không phải lúc nào cũng xảy ra. Từ đó có thể xảy ra sự vỡ lở đất đá trên bề mặt nứt nẻ. Trị số r * là bán kính vùng đập vỡ không điều chỉnh, nghĩa là vùng trong đó có thể không xảy ra sự phá vỡ. Đối với lượng thuốc dài thì: 2   r*  0,7.r2 . nd  (1.7)’  k  So sánh (1.7) và (1.7)’ thấy rằng bán kính vùng đập vỡ không điều chỉnh khi nổ lượng thuốc nổ dài lớn hơn khi nổ lượng thuốc tập trung. Tiếp tục giảm chiều sâu đặt thuốc cho đến khi W < r * thì sự phân bổ đối xứng trạng thái ứng suất biến dạng gần lượng thuốc bị thay đổi. Vùng nứt nẻ hướng tâm có dạng quả lê và theo hướng đường kháng nhỏ nhất nứt nẻ phát triển mạnh (khi W = 2ro). Trên đường đó ứng suất kéo tiếp tuyến và hướng tâm đạt được giá trị cực đại. Chính vì thế mà nứt nẻ phá vỡ phát sinh đầu tiên trên đường kháng nhỏ nhất. Nếu W  2r0 thì tạo thành những nứt nẻ vòng, những nứt nẻ này tạo ra phễu nổ văng xa và làm vỡ đất đá. 12
Như vậy khi nổ lượng thuốc gần bề mặt tự do có thể phân thành 4 trường hợp: - W > r*: Nổ nén ép, không thể hiện sự phá vỡ nào trên bề mặt. - r*  W > 2r0: Đất đá trên bề mặt tự do bị vỡ lở - 2r0  W > 2.r0 : Đất đá ở bề mặt tự do bị vỡ lở và tạo thành nứt nẻ theo đường kháng nhỏ nhất (vùng nứt nẻ hướng tâm và vùng đập võ nhỏ đất đá có dạng quả lê). -W  2.r0 : Tạo ra phễu văng xa. 1.3. PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ KHI NỔ ĐỒNG THỜI VÀI LƯỢNG THUỐC Trong công nghiệp mỏ ít sử dụng nổ những lượng thuốc đơn độc. vì vậy cần biết đặc điểm tác dụng khi nổ đồng thời nhiều lượng thuốc. Thí nghiệm nổ trên mô hình cho thấy trước khi trường ứng suất gặp nhau môi trường xung quanh mỗi lượng thuốc thể hiện như khi nổ từng lượng thuốc đơn độc, sau đó xảy ra sự giao thoa của sóng ứng suất rất phức tạp và có sự khác nhau rõ ràng về cường độ đập vỡ đất đá theo đường nối các lượng thuốc và theo hướng của đường kháng nhỏ nhất. Khi sóng ứng suất gặp nhau thì trạng thái ứng suất của môi trường thay đổi nhiều. Khi nghiên cứu một phân tố của môi trường trên đường nối các lượng thuốc cạnh nhau (1.11a) ta thấy theo hướng vuông góc với đường đó chịu sự tác dụng của ứng suất kéo lớn hơn so với khi nổ lượng thuốc đơn độc. Điều đó làm tăng tác dụng nổ và tạo thành nứt nẻ chính theo đường nối hai lượng thuốc mà đất đá xung quanh nó không bị nghiền nát mạnh, đặc biệt khi hệ số khoảng cách giữa các lỗ khoan nhỏ. Hình 1.11. Sơ đồ trạng thái ứng suất những phần khác nhau của đất đá khi nổ đồng thời hai lượng thuốc a- Trên đường nối hai lượng thuốc b- ở sâu trong đất đá giữa hai lượng thuốc Thí nghiệm đã xác định rằng bán kính phá vỡ các khối nứt nẻ theo đường nối các lượng thuốc tăng lên 1,6  2 lần. Những khối đất bị phá vỡ chủ yếu bằng 13
nứt nẻ. Cuối kẽ nứt của khối này trùng với đầu kẽ nứt của khối tiếp theo. Hiệu quả này được sử dụng để nổ mìn tạo biên khi đào lò và khi chọn sơ đồ nổ vi sai trên mỏ lộ thiên. Có những vùng đất đá phân bố giữa các lỗ khoan và bề mặt tự do xảy ra sự bù trừ ứng suất và trạng thái ứng suất bị yếu đi so với khi nổ lượng thuốc đơn độc. Trong những vùng này (hình 1.11b) đất đá bị đập vỡ kém nhất. Khi hệ số khoảng cách m > 1 thì thể tích của vùng này là nhỏ nhất. Khi tiến hành nổ mìn cần giảm kích thước những vùng đập vỡ kém. Điều đó sẽ đạt được bằng cách tăng hệ số khoảng cách (m > 2) và nổ lượng thuốc theo thời gian khác nhau. Khi nổ đồng thời những lượng thuốc dài No1 và No2 thì trong mặt phẳng phân bố chúng ứng suất nén hướng tâm  r1 và  r 2 cũng như ứng suất kéo tiếp tuyến   1 và   2 trùng nhau về hướng, dấu. Vì vậy nứt nẻ giữa các lượng thuốc No1 và No2 trong mặt phẳng phân bố chúng được tạo thành với mức độ mạnh nhất. Càng xa mặt phẳng phân bố các lượng thuốc thì ứng suất  r1 và   1 phát sinh trong đất đá do nổ lượng thuốc nổ No1 sẽ không trùng với ứng suất tương ứng  r 2 và   2 do lượng thuốc nổ No2 sinh ra. Do đó ứng suất tổng sẽ giảm đi. Ta nghiên cứu ứng suất tổng phát sinh trong đất đá tại các điểm trên nửa vòng tròn có đường kính bằng khoảng cách giữa các lượng thuốc và tâm là điểm giữa của khoảng cách ấy. Trên vòng tròn này ứng suất  r1 sẽ trùng hướng với ứng suất   2 , còn   1 sẽ trùng hướng với ứng suất  r 2 . Vì vậy ứng suất tổng sẽ giảm và bằng:  1 =  r1 +   2 ;   2 =   1 +  r 2 Do những trị số  r và   khác nhau về dấu nên ứng suất tổng  1 và   2 về trị số tuyệt đối sẽ nhỏ hơn ứng suất  r1 và   1 . Tại điểm cách đều các lượng thuốc No1 và No2 có  r1 =  r 2 = -   1 = -   2 , nghĩa là tại điểm đó ứng suất tổng bằng không. Như vậy khi nổ đồng thời 2 lượng thuốc dài do sự tác dụng lẫn nhau mà phát sinh ứng suất cực đại trong mặt phẳng chứa các lượng thuốc nổ, còn tất cả những điểm còn lại ứng suất nhỏ hơn. Tại những điểm trùng với giao tuyến của các bán kính hợp một góc 45o với mặt phẳng chứa các lượng thuốc ứng suất bằng 0. Thực nghiệm chứng minh rằng khi khoảng cách giữa các lượng thuốc a  3r0 (r0 là bán kính vùng đập vỡ điều chỉnh) thì thể hiện sự tác dụng lẫn nhau của 2 lượng thuốc dài. Khi a  2,8r0 thì trạng thái ứng suất – biến dạng của đất đá xung quanh lượng thuốc cũng như đặc tính tác dụng của sản phẩm kích nổ thay đổi. Trong trường hợp này đất đá được tách ra khỏi nguyên khối với sự đập vỡ không đáng kể ở gần các lượng thuốc. Khi a > 3r0 thì đất đá bị đập vỡ như khi nổ những lượng thuốc đơn độc. 14
Vùng thứ nhất(a  2,8r0) được sử dụng khi nổ tạo biên và khi khai thác đá khối, còn vùng thứ 2 (a > 3r0) đập vỡ đất đá. Qui luật nêu trên chỉ ra rằng: Nâng cao chất lượng đập vỡ đất đá bằng cách bố trí các lượng thuốc gần nhau và nâng cao chỉ tiêu thuốc nổ chỉ có thể được thực hiện trong một giới hạn nhất định đối với mỗi loại đất đá. Khi tiếp tục bố trí các lượng thuốc gần nhau hơn thì có thể giảm chất lượng đập vỡ và tăng tỷ lệ cỡ hạt lớn. 1.4. PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ KHI NỔ VI SAI Nổ vi sai là nổ liên tiếp hàng loạt hay từng lượng thuốc riêng với thời gian dãn cách tính bằng phần nghìn giây. Đôi khi phương pháp này gọi là phương pháp mili giây. Những yếu tố chủ yếu quyết định hiệu quả nổ vi sai là thời gian dãn cách và trình tự phá vỡ đất đá. Nó thay đổi tùy thuộc vào tính chất đất đá, sơ đồ phân bố lượng thuốc, nhiệm vụ nổ (đập vỡ, chuyển dịch,…). Khi nổ vi sai xảy ra sự tác dụng lẫn nhau của các lượng thuốc cạnh nhau. Nổ vi sai tạo ra kết quả tốt là do sự giao thoa của sóng ứng suất, sự tạo thành mặt tự do phụ, sự va đập của các cục đá bay khi nổ những lượng thuốc cạnh nhau. Khi thời gian dãn cách nhỏ xảy ra sự giao thoa của sóng ứng suất, thời gian dãn cách trung bình – tạo thành mặt tự do phụ, thời gian dãn cách lớn – va đập của các cục đá bay. Như vậy tất cả những yếu tố kể trên được nghiên cứu như những yếu tố thành phần của một quá trình thống nhất. Dưới đây, chúng ta sẽ nghiên cứu những dạng cơ bản tác dụng tương hỗ khi nổ vi sai các lượng thuốc và vai trò của chúng trong việc cải thiện chất lượng phá vỡ đất đá. 1.4.1. Sự giao thoa của sóng ứng suất Sự giao thoa của sóng ứng suất xảy ra trong trường hợp hướng chuyển dịch các phần tử của đợt nổ trước và sau trùng nhau. Khi đó tổng chuyển dịch, ứng suất và cường độ phá vỡ đất đá tăng lên. Sóng ứng suất (hình 1.12) từ lượng thuốc lan truyền đến bề mặt tự do và phản xạ lại tạo thành sóng căng, sóng này lan truyền sâu vào khối đất đá. Lượng thuốc Q2 cần nổ tại thời điểm khi sóng căng của lượng thuốc thứ nhất đi qua vị trí phân bố lượng thuốc Q2. Khi đó lượng thuốc Q2 tác dụng dễ dàng hơn và hiệu quả phá vỡ đất đá tăng lên. Thời gian dãn cách (s) để đảm bảo giao thoa sóng ứng suất được xác định theo công thức của giáo sư G.I.Pakrôpski: a 2  4W 2 t vm 15
Trong đó: a- Khoảng cách giữa các lượng thuốc, m; W- Đường kháng nhỏ nhất, m; Vm- Tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá, m/s Q1’ W 1 2 2 W 1- Sóng nén (sóng tới) Q2 Q1 2- Sóng kéo (sóng phản xạ) Hình 1.12- Sơ đồ giao thoa của sóng ứng suất Khi nổ vi sai những lượng thuốc cạnh nhau Thời hạn dao động đàn hồi trong đất đá sau khi nổ trong vùng phá vỡ không vượt quá 6ms, trong khi đó thời gian giãn cách sử dụng thực tế để đảm bảo đập vỡ tốt đất đá chiếm 20  70 ms. Trong đất đá nứt nẻ càng xa lượng thuốc biên độ sóng ứng suất càng giảm đáng kể, và trị số của nó sẽ không đủ để đập vỡ đất đá. Vì vậy, sử dụng hiệu quả giao thoa ứng suất để tăng cường độ đập vỡ yêu cầu lựa chon thời gian dãn cách chính xác (đến 0,1 ms), do tốc độ sóng ứng suất, cường độ nứt nẻ và khoảng cách giữa các lượng thuốc thay đổi nên sử dụng hiệu quả này trong điều kiện thực tế tiến hành công tác nổ rất khó khăn. 1.4.2. Tạo thành mặt tự do phụ Mặt tự do phụ khi nổ loạt trước đảm bảo tạo thành sóng phản xạ trong đất đá khi nổ loạt sau. Điều đó làm tăng hiệu quả phá vỡ, làm yếu khối đá và làm dễ dàng cho sự phá vỡ, đất đá chuyển dịch về phía bề mặt tự do. Khi nổ lượng thuốc, thể tích phá vỡ tăng tỷ lệ với số lượng mặt tự do (hình 1.13) Hình 1.13. Sự thay đổi điều kiện tác dụng nổ phụ thuộc vào số lượng mặt tự do 16
δ W 1 2 Hình 1.14. Sơ đồ tạo thành mặt tự do phụ khi nổ vi sai 1- Lượng thuốc nổ tức thời, 2- Lượng thuốc nổ sau Đập vỡ đất đá thường xảy ra với sự tăng thể tích ban đầu chuyển dịch về phía mặt tự do. Khi chiều rộng khe hở không đủ sự phá vỡ sẽ khó khăn vì lúc đó sau khi nổ loạt trước đất đá gây sức kháng phụ cho đợt nổ sau. Vì vậy chiều rộng khe hở giữa phần đất đá bị phá vỡ và không bị phá vỡ cần tỷ lệ với đường kháng nhỏ nhất và hệ số nở rời của đất đá. Chiều rộng cần thiết để nhận được mặt tự do theo số liệu thực nghiệm bằng (1/20  1/30)W, (hình 1.14). Thời gian dãn cách giữa các đợt nổ được lựa chọn xuất phát từ điều kiện: với thời gian đó phần đất đá được tách ra khỏi nguyên khối đến khoảng cách đủ để khe hở trở thành mặt tự do, nghĩa là: t = t1 + t2 + t3 (1.8) Trong đó: t1- Thời gian lan truyền sóng ứng suất từ lượng thuốc đến mặt tự do, ms; t2- Thời gian tạo thành nứt nẻ theo biên lăng trụ phá vỡ, ms; t3- Thời gian chuyển dịch đất đá để tạo thành khe hở đủ rộng, ms. Thường t1 = 1  2 ms và nhỏ hơn nhiều so với t2 và t3. Vì vậy có thể lấy: t = t2 + t3 Từ sự miêu tả hình học ta có: t2 = W/vn.  .cos  Trong đó: vn- Tốc độ tạo thành nứt nẻ khi nổ, m/s;  = 0,5  1,0 - Hệ số nứt nẻ;  - Nửa góc đỉnh phễu nổ, trong tính toán lấy  = 45o. Đối với đất đá có vn = 1700  2000 m/s và lỗ khoan có đường kính 220  250 mm thì t2 = 15  10ms. Nếu coi thể tích đất đá bị phá vỡ bằng nổ mìn được chuyển dịch như một lăng trụ nguyên thì: t3= 10-6W2  tg  /d Trong đó:  - Mật độ đất đá, g/cm3. 17
Đối với đất đá có mật độ 2,2  2,8 g/cm3 và lỗ khoan đường kính 220  250 mm t3 = 10  15 ms. Như vậy thời gian dãn cách bằng 25  35 ms. Nổ thí nghiệm ở các xí nghiệp mỏ cho thấy rằng thời gian dãn cách trên gần với trị số hợp lý và nó giảm khi độ cứng đất đá tăng. Thời gian dãn cách khi nổ trong đường lò chuẩn bị (ms) có thể được xác định theo công thức thực nghiệm W t  31,5  64 C.   9,6 (1.9) 4 C. Trong đó: C- Tốc độ lan truyền sóng dọc trong đất đá, m/s;  - Mật độ đất đá, kg/m3. Khi nổ những đoạn thuốc trong lỗ khoan với thời gian khác nhau là sự phát triển nổ mìn vi sai. Khi đó mỗi phần của lượng thuốc không thể gây nổ những phần khác, còn thời gian dãn cách lấy trong giới hạn 10  25ms. Sơ đồ nổ như vậy cho phép cải thiện chất lượng đập vỡ đất đá và giảm tác dụng chấn động khi nổ.. 1.4.3. Sự va đập của các cục đá bay Hiện tượng này xảy ra khi những phần khác nhau của khối đá bị phá vỡ bằng nổ có tốc độ và hướng chuyển động khác nhau. Khi các cục đá va chạm nhau sẽ xảy ra sự đập vỡ phụ. Thực nghiệm đã chỉ ra rằng: chất lượng đập vỡ tốt nếu hướng bay của các cục đá cắt nhau với góc không nhỏ hơn 90 o. Trong trường hợp nổ theo hàng đất đá mặt trước của các đợt nổ sau (tốc độ 20  60 m/s) va đập với đất đá mặt sau của đợt nổ trước (tốc độ 3  6 m/s). Theo tính toán, khi tốc độ chuyển động khác nhau từ 15m/s trở lên sẽ đập vỡ các cục đá va chạm nhau. Nếu nổ với chỉ tiêu thuốc nổ lớn thì sự khác nhau về tốc độ sẽ lớn, đặc biệt khi nổ theo sơ đồ rạch và đối nhau. Khi nổ vi sai, quá trình phá vỡ đất đá bằng những lượng thuốc của đợt đầu tương tự như sự phá vỡ khi nổ một lượng thuốc. Do tác dụng nổ mà lăng trụ (phễu nổ) bị đập vỡ, dưới tác dụng áp lực dư của sản phẩm nổ lăng trụ đó được chuyển dịch. Lúc này đất đá ở trong tình trạng ứng suất. Khi nổ những lượng thuốc đợt 2 và các đợt tiếp theo với thời gian dãn cách nhỏ trong đất đá phát sinh tình trạng phức tạp về sự giao thoa của sóng ứng suất. Thời gian đất đá ở trong trạng thái ứng suất tăng lên, tác dụng chấn động giảm đi (do nổ đồng thời một số lượng nhỏ các lượng thuốc) và hậu xung giảm. 1.5. NGUYÊN TẮC CHUNG TÍNH TOÁN TÁC DỤNG PHÁ VỠ KHI NỔ MÌN 1.5.1. Khái niệm chung Bản chất của phương pháp được áp dụng để tính toán tác dụng phá vỡ khi nổ lượng thuốc nổ là xác định chỉ tiêu thuốc nổ tính toán cho 1 m3 (1T) đất đá (hoặc quặng) và xác định khối lượng đất đá (hoặc quặng) bị phá vỡ khi nổ. 18
Chỉ tiêu thuốc nổ phụ thuộc vào tính chất của đất đá (độ cứng và độ nứt nẻ) phương pháp tiến hành nổ (lỗ khoan lớn, lỗ khoan nhỏ, mìn buồng,…) và mục đích nổ (đâm xuyên, đập vỡ, văng xa…). Trị số của chỉ tiêu thuốc nổ được xác định trên cơ sở phân tích các đợt nổ công nghiệp, ở xí nghiệp mỏ người ta thành lập bảng phân loại đất đá theo độ nổ của chúng (thường từ 3  8 loại) và đối với mỗi loại được giới thiệu chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng. Khi xác định thể tích đất đá được phá vỡ thường người ta sử dụng phương pháp tính cơ bản và coi khối đất đá được nổ có dạng hình học nào đấy. Nhưng thể tích thực tế của đất đá phá vỡ không phù hợp với tính toán, do đó chỉ tiêu thuốc nổ đưa vào công thức tính toán khác với chỉ tiêu thuốc nổ thực tế. Để đơn giản ta sử dụng khái niệm chỉ tiêu thuốc nổ tính toán có tính đến những điều nêu trên, vì rằng độ không chính xác đó không ảnh hưởng đến kết quả cuối cùng khi nổ. Chúng ta sẽ nghiên cứu những nguyên tắc chung tính toán lượng thuốc tập trung và lượng thuốc dài khi nổ làm tơi vụn và văng xa đất đá, trên cơ sở đó sẽ trình bày những phương pháp tính toán lượng thuốc đối với những điều kiện cụ thể. 1.5.2. Tính toán đối với lượng thuốc tập trung làm tơi đất đá Giả thiết rằng phễu nổ có dạng hình nón, góc đỉnh của nó là 90o. Đó là phễu nổ tiêu chuẩn. Thể tích của nó (m3) bằng thể tích hình nón: 1 V=  r2 W 3 Đối với phếu tiêu chuẩn: n = 1, r = W, nếu lấy  = 3 ta sẽ được: 1 V= 3W2W = W3 3 Khi đó công thức tính lượng thuốc nổ có dạng: Qt = qtW3 (1.10) Trong đó qt- Chỉ tiêu thuốc nổ tính toán đối với phễu nổ tiêu chuẩn. Chỉ tiêu thuốc nổ này lấy làm tiêu chuẩn, nó đặc trưng cho độ nổ của đất đá. Ở các xí nghiệp mỏ người ta tiến hành phân loại đất đá theo độ nổ, trong đó chỉ tiêu thuốc nổ được xác định trong điều kiện tiêu chuẩn. Khi n < 1 đất đá bị phá vỡ với chỉ tiêu thuốc nổ nhỏ hơn, còn khi n > 1 đất đá bị phá vỡ với chỉ tiêu thuốc nổ lớn hơn so với khi nổ trong điều kiện tiêu chuẩn, vì rằng chỉ tiêu thuốc nổ phụ thuộc vào chỉ số tác dụng nổ. vì vậy người ta đưa hàm số chỉ số tác dụng nổ vào những công thức tính toán, hàm số này kể đến sự thay đổi chỉ tiêu thuốc nổ thực tế so với tiêu chuẩn (khi phễu nổ là tiêu chuẩn). Như vậy công thức tính lượng thuốc nổ có dạng: Q = f(n)qtW3 (1.11) f(n)>1 khi n >1; f(n) = 1 khi n = 1; f(n)
Liên hiệp công nghiệp nổ mìn toàn Liên Xô đã xác định rằng đối với lượng thuốc nổ làm tơi vụn đất đá có thể lấy f(n) = 0,33, nghĩa là trị số của lượng thuốc tập trung làm tơi vun đất đá được tính: Qtv = 0,33 qtw3 (1.12) Có rất nhiều công thức xác định trị số của hàm số f (n), nhưng đa số chúng không được sử dụng trong thực tế. Thường là chỉ tiêu thuốc nổ được tra theo bảng và làm chính xác trong quá trình tiến hành công tác nổ mìn có kể đến tính chất của đất đá và nhiệm vụ nổ. 1.5.3. Tính toán đối với lượng thuốc tập trung văng xa đất đá Khi xây dựng đập chắn nước và đôi khi trên mỏ lộ thiên người ta sử dung lượng thuốc làm văng xa phần lớn đất đá ra khỏi biên giới phễu nổ hoặc chuyển dịch chúng tới một khoảng cách nhất định. Sử dụng phương pháp này ở một loạt mỏ để đào hào đã cho phép giảm thời gian xây dựng và giá thành của chúng. Khi tính toán lượng thuốc văng xa thường sử dụng công thức của Bôreckov: Q = (0,4+0,6n3)w3 (1.13) Trong đó f(n)= 0,4+0,6n3 là hàm số chỉ số tác dụng nổ. Khi nổ văng xa n được lấy trong giới hạn từ 1,5  2,0. Khi W > 25m, giáo sư Pakrôvski đã đưa vào công thức Bôreckov hệ số điều chỉnh W / 25 . Q = (0,4+0,6n3)qt W / 25 W3 (1.14) Sở dĩ phải đưa hệ số điều chỉnh vào là vì cần thiết phải nâng trọng tâm khối nổ trong phễu đến độ cao H. H = W/3 + W/4 = 7W/12 Trong đó: W/3 – Khoảng cách từ trọng tâm khối nổ đến bề mặt tự do, m; W/4- Chiều cao tối thiểu cần thiết để nâng trong tâm lên khỏi mặt tự do đảm bảo văng xa bình thường, m; Khi tăng W trị số tốc độ văng xa cần phải tăng lên để đảm bảo nâng trọng tâm của khối văng xa đến độ cao lớn hơn so với những trị số W nhỏ (hình 1.15). Hình 1.15. Sơ đồ giải thích việc đưa hệ số điều chỉnh của G.I Pakrôvski vào công thức của M.M. Bôreckov 20