Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:180

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam" trình bày tổng quan về nổ mìn và sóng chấn động do nổ mìn; Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động nổ mìn; Xây dựng mô hình nhận dạng quan hệ giữa thời gian vi sai với vận tốc lan truyền trung bình của sóng chấn động; Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động cho nổ mìn trên mỏ lộ thiên ở Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT --------------------------- ĐÀO HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TRONG NỔ MÌN TẠI CÁC MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT --------------------------- ĐÀO HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TRONG NỔ MÌN TẠI CÁC MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. ĐẶNG VĂN CHÍ 2. PGS. TS. PHẠM VĂN HÒA Hà Nội, năm 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày … tháng … năm 2022 Tác giả Luận án Đào Hiếu
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp Mỏ và Dầu khí; Khoa Cơ Điện; Phòng Đào tạo Sau Đại học; Ban Giám hiệu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án với đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam”. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin cảm các anh Nguyễn Nho Chín, Nguyễn Đức Chính, nhân viên công ty Hoá Chất Mỏ Cẩm Phả đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình ghi chép, thu thập dữ liệu thực tế tại mỏ than Núi Béo. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, giảng viên, chuyên gia về lĩnh vực nổ mìn thuộc bộ môn Khai thác Lộ thiên, trường đại học Mỏ Địa chất đã nhiệt tình đóng góp ý kiến chuyên môn, và hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đặng Văn Chí và PGS. TS Phạm Văn Hoà đã dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án.
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .....................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .........................................................................................................ii MỤC LỤC ............................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................xii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NỔ MÌN VÀ SÓNG CHẤN ĐỘNG DO NỔ MÌN ………………………………………………………………………………...5 1.1. Tổng quan về nổ mìn ..................................................................................... 5 1.1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 5 1.1.2. Các hiệu ứng của nổ mìn vi sai................................................................ 6 1.1.2.1. Hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất ........................................................ 6 1.1.2.2. Tạo thành mặt tự do phụ ...................................................................... 7 1.1.2.3. Sự va đập của các cục đá bay khi nổ .................................................... 8 1.1.3. Một số dạng sơ đồ vi sai cơ bản .............................................................. 8 1.2. Sóng chấn động do nổ mìn............................................................................. 9 1.2.1. Cơ bản về sóng chấn động....................................................................... 9 1.2.2. Sóng chấn động do nổ mìn .................................................................... 10 1.2.2.1. Ảnh hưởng của khoảng cách và lượng thuốc một lần nổ tới mức độ chấn động .......................................................................................................... 11 1.2.2.2. Vận tốc lan truyền sóng chấn động .................................................... 14 1.2.2.3. Hiệu ứng của sóng chấn động ............................................................ 15 1.2.3. Điều khiển mức độ chấn động ............................................................... 18 1.3. Một số nghiên cứu thử nghiệm về quan hệ giữa thời gian vi sai với sóng ứng suất - sóng chấn động và hiệu quả đập vỡ. ............................................................. 20
iv 1.4. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại cho nổ mìn ở trong nước và trên thế giới ..................................................................................... 23 1.4.1. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới ........................................ 23 1.4.2. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong nước .......................................... 27 1.4.3. Nhận xét................................................................................................ 31 1.5. Kết luận tổng quan....................................................................................... 31 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC LAN TRUYỀN CỦA SÓNG CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN ........................................................................................ 34 2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 34 2.2. Thu thập dữ liệu sóng chấn động nổ mìn ..................................................... 35 2.2.1. Nguyên tắc thu thập dữ liệu................................................................... 35 2.2.2. Xác định khu vực nghiên cứu và giải pháp đo, ghi dữ liệu..................... 35 2.2.3. Đo, ghi dữ liệu tại mỏ than Núi Béo ...................................................... 36 2.2.4. Đo, ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn ................................................ 39 2.3. Xây dựng phương pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động ...................................................................................................... 41 2.3.1. Cơ sở xây dựng phương pháp ................................................................ 41 2.3.2. Giải pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động .............................................................................................................. 42 2.3.3. Xây dựng quy trình và thuật toán phân tích ........................................... 43 2.4. Phân tích dữ liệu .......................................................................................... 47 2.4.1. Phân tích dữ liệu đo tại mỏ than Núi Béo, Quảng Ninh ......................... 47 2.4.1.1. Phân tích vụ nổ thứ nhất .................................................................... 47 2.4.1.2. Phân tích vụ nổ thứ hai ...................................................................... 50 2.4.2. Phân tích dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn ............................................. 53 2.4.2.1. Phân tích vụ nổ thứ nhất .................................................................... 53 2.4.2.2. Phân tích vụ nổ thứ hai ...................................................................... 57 2.4.3. Nhận xét về kết quả phân tích dữ liệu.................................................... 60 2.5. Kết luận chương 2 ....................................................................................... 61
v CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG MỐI QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN VI SAI VỚI VẬN TỐC LAN TRUYỀN TRUNG BÌNH CỦA SÓNG CHẤN ĐỘNG ................................................................................................................... 63 3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 63 3.2. Nghiên cứu xây dựng phương pháp xử lý dữ liệu......................................... 67 3.2.1. Phân tích, xác định nguồn gây nhiễu ..................................................... 67 3.2.1.1. Nhiễu do cấu trúc đất đá, địa hình ...................................................... 67 3.2.1.2. Nhiễu do môi trường .......................................................................... 68 3.2.1.3. Nhiễu do thiết bị cảm biến ................................................................. 68 3.2.1.4. Nhiễu do các yếu tố khác ................................................................... 69 3.2.2. Các giải pháp xử lý dữ liệu.................................................................... 70 3.2.2.1. Bộ lọc Kalman (Kalman Filter _ KF) ................................................. 70 3.2.2.2. Thuật toán lọc Kalman mở rộng (Extent Kalman Filter _ EKF) ......... 71 3.2.2.3. Thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (Expectation Maximization _ EM )..... 72 3.2.3. Xây dựng giải pháp xử lý dữ liệu .......................................................... 73 3.3. Xây dựng mô hình nhận dạng ...................................................................... 76 3.3.1. Mạng ANN có một lớp ẩn ..................................................................... 77 3.3.2. Mạng ANN có hai lớp ẩn ...................................................................... 78 3.3.2.1. Thử nghiệm 1 .................................................................................... 78 3.3.2.2. Thử nghiệm 2 .................................................................................... 79 3.3.2.3. Thử nghiệm 3 .................................................................................... 80 3.3.3. Mạng ANN có 3 lớp ẩn ......................................................................... 81 3.4. Lựa chọn và kiểm chứng mô hình nhận dạng ............................................... 82 3.5. Thử nghiệm mô hình ................................................................................... 84 3.6. Nhận xét và kết luận chương 3..................................................................... 88 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH THỜI GIAN VI SAI VÀ DỰ BÁO MỨC ĐỘ CHẤN ĐỘNG CHO NỔ MÌN TRÊN MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM ................................................... 90 4.1. Đặt vấn đề và điều kiện áp dụng hệ thống nghiên cứu.................................. 90
vi 4.2. Phân tích, xác định tiêu chí và giải pháp cho hệ thống. ................................ 92 4.3. Xây dựng cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống.............................. 94 4.4. Những yêu cầu cơ bản cần giải quyết để xây dựng hệ thống ........................ 98 4.4.1. Sai số kết quả đo ................................................................................... 98 4.4.2. Đồng bộ tín hiệu, trao đổi dữ liệu giữa mô đun khởi nổ ( trung tâm ) và mô đun cảm biến đo chấn động ................................................................................ 99 4.4.3. Giải pháp về xử lý và phân tích dữ liệu ................................................. 99 4.4.4. Khả năng đáp ứng của thiết bị ............................................................. 100 4.5. Một số thử nghiệm ..................................................................................... 100 4.5.1. Thử nghiệm khả năng đo chấn động nổ mìn ........................................ 100 4.5.2. Thử nghiệm giải pháp xử lý dữ liệu ..................................................... 108 4.5.3. Nhận xét.............................................................................................. 114 4.6. Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động ứng dụng cho nổ mìn trên mỏ lộ thiên ở Việt Nam...................................... 114 4.6.1. Giải pháp xây dựng thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập ............... 115 4.6.2. Giải pháp xây dựng trạm cảm biến đo chấn động ................................ 120 4.7. Kết luận chương 4 ..................................................................................... 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 123 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................................................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 127 PHỤ LỤC............................................................................................................ 139 Phụ lục 1: Máy đo chấn động Blastmate ........................................................... 139 Phụ lục 2: Kết quả phân tích và tính toán vận tốc lan truyền sóng chấn động. .. 141 Phụ lục 3: Bộ dữ liệu được sử dụng để huấn luyện và kiểm tra mạng nơ ron .... 145 Phụ lục 4: Các chương trình ............................................................................. 158 Phụ lục 5: Các bản vẽ thiết kế và hình ảnh kết quả ........................................... 165
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AI – Artificial Intelligence – Trí tuệ nhân tạo. ANN - Artificial Neural Network – Mạng nơ ron nhân tạo. RF - Random Forest - Rừng ngẫu nhiên. SVR - Support Vector Regression - Hồi quy véc tơ hỗ trợ. CA - Cubist Algorithm – Thuật toán lập thể. XGBoost - Extreme Gradient Boosting Machine – Mô hình độ dốc tăng cường PSO - Particle Swarm Optimization algorithm - Thuật toán tối ưu bầy đàn. FFA - Firefly Algorithm - Thuật toán tối ưu đom đóm. KF – Kalman Filter – Bộ lọc Kalman. EKF – Extend Kalman Filter – Bộ lọc Kalman mở rộng. EM – Expectation Maximization – Thuật toán tối đa hóa kỳ vọng.
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ giao thoa của sóng ứng suất khi nổ vi sai những lượng thuốc cạnh nhau ........................................................................................................................ 6 Hình 1.2 Sơ đồ tác dụng của số mặt tự do và tạo mặt tự do phụ [6] ......................... 7 Hình 1.3 Các sơ đồ nổ vi sai [6]............................................................................... 9 Hình 1.4 Hệ trục tọa độ dùng cho mô tả sóng chấn động nổ mìn ........................... 10 Hình 1.5 Đồ thị quan hệ giữa Vận tốc dao động của hạt đất đá và khối lượng thuốc nổ tại một thời điểm [26] ....................................................................................... 13 Hình 1.6 Đồ thị quan hệ giữa Vận tốc dao động của hạt và Khoảng cách [26] ....... 13 Hình 1.7 Sự lan truyền sóng chấn động từ các điểm nổ có sử dụng thời gian vi sai [66]........................................................................................................................ 14 Hình 1.8 Sự cộng hưởng 2 sóng chấn động [30] .................................................... 17 Hình 1.9 Quá trình cộng hưởng 2 sóng chấn động [30] .......................................... 17 Hình 1.10. Các thiết bị công nghệ được sử dụng trong nổ mìn trên Thế giới [38] .. 25 Hình 1.11. Cấu trúc hệ thống và quy trình thiết kế, thi công một vụ nổ mìn với sự hỗ trợ của phần mềm BIMS (Blast Information Management System) của hãng Blasters Tool and Supply Co. .............................................................................................. 26 Hình 1.12. Một số công nghệ mới được áp dụng trong nổ mìn ở Việt Nam ........... 29 Hình 1.13. Một dạng máy nổ mìn điện đang được sử dụng trong thực tế ở ............ 30 Hình 2.1 Đo dữ liệu tại mỏ than Núi Béo............................................................... 37 Hình 2.2 Một số kết quả đo ghi dữ liệu chấn động tại mỏ Núi Béo ........................ 38 Hình 2.3 Dạng sơ đồ vi sai của các vụ nổ tại mỏ than Núi Béo .............................. 39 Hình 2.4. Đo dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn ........................................................ 40 Hình 2.5 Một số kết quả đo ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn ............................ 40 Hình 2.6. Dạng sơ đồ vi sai được sử dụng ở mỏ Hồng Sơn .................................... 41 Hình 2.7 Mô tả lý thuyết về phương pháp tính toán vận tốc lan truyền sóng chấn động do nổ mìn .............................................................................................................. 43 Hình 2.8 Quy trình phân tích dữ liệu sóng chấn động nổ mìn ................................ 45
ix Hình 2.9 Thuật toán xác định vị trí các đỉnh sóng cao nhất và khoảng thời gian giữa chúng..................................................................................................................... 46 Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ NB1 được phân tích ...... 48 Hình 2.11 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ NB1 ........... 48 Hình 2.12 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ NB1 .................................................................................................................. 49 Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ NB2 được phân tích ............ 50 Hình 2.14. Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ NB2 ........... 51 Hình 2.15 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ NB2 .................................................................................................................. 52 Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ HS1 được phân tích ....... 54 Hình 2.17 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ HS1............ 54 Hình 2.18 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ HS1 .................................................................................................................. 55 Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ HS2 được phân tích ........ 57 Hình 2.20 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ HS2............ 57 Hình 2.21 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ HS2 .................................................................................................................. 59 Hình 3.1 Sơ đồ tương đương mô tả vụ nổ mìn vi sai theo nguyên lý hệ thống có điều khiển ..................................................................................................................... 64 Hình 3.2. Mô hình nhận dạng trong cấu trúc và nguyên lý điều khiển, dự báo ....... 66 Hình 3.3. Nguyên lý hiệu chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động cho nổ mìn vi sai trên mỏ lộ thiên ở Việt Nam .................................................................. 66 Hình 3.4 Mô hình cấu trúc trạng thái ..................................................................... 70 Hình 3.5 Quy trình xử lý dữ liệu của bộ lọc Kalman [76] ...................................... 71
x Hình 3.6 Quy trình xử lý dữ liệu của bộ lọc Kalman mở rộng [82] ........................ 72 Hình 3.7 Nguyên lý thuật toán EM [82] ................................................................. 73 Hình 3.8. Mô hình cấu trúc hệ thống tương đương................................................. 74 Hình 3.9. Hình ảnh mô tả kết quả lọc dữ liệu vận tốc lan truyền và biên độ sóng bằng thuật toán EKF với bộ dữ liệu thu được ở mỏ Núi Béo .......................................... 75 Hình 3.10. Kết quả xử lý dữ liệu vận tốc lan truyền sóng chấn động khu vực mỏ Núi Béo bằng thuật toán EKF kết hợp EM ................................................................... 75 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc chung huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để nhận dạng hệ thống ........................................................................................................ 77 Hình 3.12 Quá trình và kết quả huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ANN với một lớp ẩn .......................................................................................................................... 78 Hình 3.13 Quá trình và kết quả huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ANN với hai lớp ẩn ở trường hợp 1 .................................................................................................. 79 Hình 3.14 Quá trình và kết quả huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ANN với hai lớp ẩn ở trường hợp 2 .................................................................................................. 80 Hình 3.15 Quá trình và kết quả huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ANN với hai lớp ẩn ở trường hợp 3 .................................................................................................. 80 Hình 3.16 Quá trình và kết quả huấn luyện mạng nơ ron nhân tạo ANN với ba lớp ẩn .............................................................................................................................. 81 Hình 3.17 Kết quả kiểm tra mô hình ...................................................................... 83 Hình 3.18. Sơ đồ cấu trúc mô tả các trường hợp thử nghiệm.................................. 85 Hình 3.19. Các kết quả thử nghiệm với trường hợp thứ 1: Hai giá trị thời gian vi sai giống nhau và thay đổi trong khoảng 8-22 ms........................................................ 86 Hình 3.20. Các kết quả thử nghiệm với trường hợp thứ 2 ...................................... 88 Hình 4.1 Thuật toán xác định thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động cho vụ nổ tiếp theo. Vrd là vận tốc rung động đỉnh; Tvs là thời gian vi sai; Chỉ số 0 là của vụ nổ kế tiếp; Chỉ số 1 của vụ nổ vừa thực hiện............................................................... 90 Hình 4.2 Cấu trúc hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai cho nổ mìn ........... 95
xi Hình 4.3 Nguyên lý, quy trình vận hành và hoạt động của hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai cho nổ mìn ..................................................................................... 98 Hình 4.4 MyRio1900 – cấu trúc và thông số kỹ thuật .......................................... 101 Hình 4.5 Giải thuật chương trình đọc dữ liệu cảm biến gia tốc viết cho MyRio 1900 ............................................................................................................................ 102 Hình 4.6 Thử nghiệm thiết bị đo trong phòng thí nghiệm và hệ trục tọa độ LVT . 103 Hình 4.7 Thử nghiệm thực tế tại các nhà dân nằm cạnh các khu vực khai thác .... 103 Hình 4.8 Kết quả phân tích số liệu nghiên cứu ..................................................... 106 Hình 4.9 Dữ liệu rung động theo các trục XYZ đo bằng Myrio tại mỏ Núi Béo bằng thuật toán EKF với 1 lần lọc (EKF 1round); Kết hợp 2 quy trình lọc thuận và ngược (EKF forward backward); và Lọc 2 vòng (EKF 2round) ...................................... 113 Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập ....................... 116 Hình 4.11 Thuật toán điều khiển của thiết bị khởi nổ đa kênh .............................. 119 Hình 4.12 Cấu trúc trạm cảm biến ....................................................................... 120 Hình 4.13 Thuật toán điều khiển của trạm cảm biến ............................................ 121
xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1 Thời gian dãn cách khi nổ vi sai nhiều hàng (theo M.F.Drukovanui) [2] 19 Bảng 1-2. Quy chuẩn hệ số tỷ lệ khoảng cách Ds [19]. .......................................... 19 Bảng 2-1 Các thông tin cơ bản về đối tượng nghiên cứu ........................................ 36 Bảng 2-2 Một số thông tin về quá trình ghi lưu dữ liệu chấn động khu vực vỉa khai thác lộ thiên, mỏ than Núi Béo .............................................................................. 37 Bảng 2-3 Một số thông số của các vụ nổ mìn có dữ liệu được ghi chép tại mỏ than Núi Béo ................................................................................................................. 38 Bảng 2-4 Một số thông tin về quá trình ghi lưu dữ liệu chấn động khu vực mỏ đá vôi Hồng Sơn .............................................................................................................. 39 Bảng 2-5 Một số thông số của các vụ nổ mìn có dữ liệu được ghi chép tại mỏ đá vôi Hồng Sơn .............................................................................................................. 40 Bảng 2-6 Các kết quả tính toán vận tốc lan truyền của vụ nổ NB1 (m/s)................ 50 Bảng 2-7 Các kết quả tính toán vận tốc lan truyền của vụ nổ NB2 (m/s)................ 53 Bảng 2-8 Các kết quả tính toán vận tốc lan truyền của vụ nổ HS1 (m/s) ................ 56 Bảng 2-9 Các kết quả tính toán vận tốc lan truyền của vụ nổ HS2 (m/s) ................ 59 Bảng 3-1. Bảng so sánh các kết quả thử nghiệm những cấu trúc mô hình mạng ANN .............................................................................................................................. 82
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nổ mìn là sử dụng năng lượng thuốc nổ để phá vỡ đất đá trong khai thác khoáng sản hoặc xây dựng công trình dân dụng, giao thông, thủy lợi với chi phí thấp, từ đó đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Khi một lượng thuốc nổ được kích nổ trong lỗ khoan, đất đá xung quanh sẽ bị nứt, tách ra và có thể bị dịch chuyển nếu năng lượng nổ tác dụng đủ lớn. Quá trình nổ của một lượng thuốc nổ về cơ bản là quá trình biến đổi hóa học của hợp chất trong thuốc nổ và quá trình oxy hóa trong đó oxy được lấy trực tiếp từ thành phần của thuốc nổ, do đó quá trình này xảy ra với tốc độ rất nhanh, sinh ra nhiều nhiệt và khí, gây nên hiện tượng tăng áp suất nhanh chóng tới một áp suất rất lớn dẫn tới sản sinh ra một công cơ học cực lớn phá vỡ môi trường xung quanh [2]. Để kích nổ một lượng thuốc nổ cần phải cung cấp một năng lượng ban đầu đủ lớn gọi là xung khởi nổ. Để tạo ra xung khởi nổ thì phải nổ một lượng thuốc nổ nhỏ gọi là kíp nổ. Kíp được kích nổ bằng cách dùng năng lượng cháy thông qua dây cháy (với kíp đốt) có tốc độ vài cm/s, hoặc dây dẫn tín hiệu nổ (với kíp phi điện) với tốc độ 2000m/s, hoặc có thể dùng nhiệt lượng thông qua mồi lửa điện (kíp điện). Trong ngành mỏ Việt Nam, phương pháp phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn đã được áp dụng từ lâu. Kích cỡ đá sau nổ có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả hoạt động của các thiết bị khác và giá thành của sản phẩm và môi trường xung quanh mỏ. Hiệu quả của một vụ nổ mìn ở mỏ lộ thiên được thể hiện qua các tiêu chí gồm [9][7][17]: - Đất đá sau nổ phải có kích thước cỡ hạt phù hợp với yêu cầu sản xuất - Sự sai lệch về cao độ, hình dạng của các tầng nổ là nhỏ nhất - Đảm bảo độ dốc sườn tạo điều kiện an toàn cho công tác nổ lần sau - Khoảng cách bay xa và hướng dịch chuyển của đất đá do nổ đúng như dự kiến - Chấn động do nổ làm ảnh hưởng môi trường là nhỏ nhất - Khối lượng sản phẩm sau nổ đủ để máy xúc hoạt động với năng suất cao trong khoảng thời gian qui định
2 Với chất lượng đập vỡ tốt hơn hẳn, phương pháp nổ mìn vi sai được sử dụng một cách phổ biến trong hầu hết các vụ nổ mìn. Bằng cách ứng dụng những công nghệ hiện đại với các thiết bị điện tử thông minh, chính xác; các phương pháp, kỹ thuật điều khiển mới nhất như trí tuệ nhân tạo (AI) và dữ liệu lớn (Big Data), các vụ nổ mìn vi sai trên thế giới được kiểm soát rất tốt [30][38][67][78][88]. Các mỏ ở Việt Nam hiện nay luôn cố gắng áp dụng các kinh nghiệm và phương pháp tiên tiến của các nước trên thế giới. Có nhiều công trình khoa học trong nước đã nghiên cứu hoàn thiện kỹ thuật nổ mìn, vật liệu nổ, chỉ tiêu thuốc nổ, phương pháp, công nghệ nổ…. Nhờ đó, chất lượng các vụ nổ cũng được nâng lên đáng kể. Tuy nhiên, mức độ áp dụng khoa học kỹ thuật mới còn rất nhiều hạn chế. Thực tế đã chứng minh trong nhiều lĩnh vực, khi công nghệ hiện đại được áp dụng, hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt. Do đó, việc sử dụng các công nghệ mới với các phương pháp điều khiển hiện đại đang được áp dụng trên thế giới là vấn đề rất cấp thiết cho công tác nổ mìn ở Việt Nam. Sự đặc thù của môi trường và địa chất cần những nghiên cứu với đối tượng cụ thể mới tận dụng được tối đa sự phát triển của khoa học công nghệ, và áp dụng một cách phù hợp. Do đó, đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam” mang tính cấp thiết và thời sự. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại để xác định giá trị thời gian vi sai hợp lý và đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống tự động hiệu chỉnh thời gian vi sai cho các vụ nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các phương pháp hiện đại để xác định và điều khiển thời gian vi sai cho các vụ nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam. - Phạm vi nghiên cứu là các vụ nổ mìn vi sai tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam. 4. Nội dung - Nghiên cứu về kỹ thuật nổ mìn vi sai. - Nghiên cứu mối quan hệ của sóng chấn động với giá trị thời gian vi sai.
3 - Nghiên cứu áp dụng phương pháp điều khiển hiện đại để xác định thời gian vi sai hợp lý. - Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai trong nổ mìn áp dụng cho mỏ lộ thiên ở Việt Nam. 5. Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng để thực hiện luận án là: - Nghiên cứu lý thuyết. - Nghiên cứu mô phỏng. - Tổng hợp dữ liệu thực tiễn. - Thực nghiệm. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Sử dụng phương pháp thống kê, kỹ thuật lọc Kalman và tối đa hoá kỳ vọng (EM) để phân tích dữ liệu sóng chấn động nổ mìn nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng. Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) để xây dựng mô hình nhận dạng quan hệ giữa thời gian vi sai và vận tốc lan truyền sóng chấn động. Ý nghĩa thực tiễn: Kết hợp mô hình nhận dạng và thuật toán để đề xuất thời gian vi sai phù hợp và dự báo mức độ chấn động cho khu vực nghiên cứu. Kết quả nghiên cứu là bước đi ban đầu để nâng cao công nghệ và kỹ thuật cho nổ mìn trên mỏ lộ thiên nói riêng và khai thác mỏ nói chung ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, các nghiên cứu có thể được mở rộng hơn, cho nhiều ứng dụng nổ mìn khác như: nổ mìn trong khai thác hầm lò, nổ mìn trong xây dựng, tạo hầm giao thông…. Giải pháp đề xuất có thể chuyển hoá thành thiết bị phù hợp với kỹ thuật và công nghệ trong nước, khả năng áp dụng cao. 7. Những luận điểm bảo vệ - Hiện trạng đất đá khu vực nổ có thể được nhận dạng một cách gián tiếp qua vận tốc lan truyền sóng chấn động sau nổ.
4 - Vận tốc lan truyền sóng chấn động từ một vụ nổ mìn vi sai có thể xác định được qua việc phân tích sơ đồ nổ kết hợp với dạng sóng chấn động thu được tại điểm đo. - Thuật toán sử dụng mạng nơ ron nhân tạo có thể xác định thời gian vi sai hợp lý và dự báo mức độ chấn động. 8. Điểm mới của luận án - Thuật toán xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động và hiệu chỉnh thời gian vi sai trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron. 9. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của luận án gồm 129 trang đánh máy không kể phụ lục, 12 bảng biểu, và 67 hình vẽ minh hoạ cùng 100 tài liệu tham khảo trong và ngoài nước được bố trí theo trình tự sau: Chương 1 – Tổng quan về nổ mìn và sóng chấn động do nổ mìn. Chương 2 – Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động nổ mìn. Chương 3 – Xây dựng mô hình nhận dạng quan hệ giữa thời gian vi sai với vận tốc lan truyền trung bình của sóng chấn động. Chương 4 – Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động cho nổ mìn trên mỏ lộ thiên ở Việt Nam. 10. Các công bố Theo hướng nghiên cứu của luận án, tác giả đã công bố 11 công trình trên các tạp chí và hội thảo trong và ngoài nước. Thông tin các công bố được trình bày trong “Danh mục các bài báo, công trình khoa học của tác giả” .
5 1.CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NỔ MÌN VÀ SÓNG CHẤN ĐỘNG DO NỔ MÌN 1.1. Tổng quan về nổ mìn 1.1.1. Giới thiệu Nổ mìn trong khai thác mỏ được thực hiện bằng cách khoan những hàng lỗ khoan vào đất đá, rồi nạp thuốc nổ vào đó. Các lượng thuốc nổ trong các lỗ khoan được kích nổ sẽ phá vỡ các cấu trúc đất đá. Khi tất cả các lượng nổ được kích nổ cùng thời điểm hoặc thời gian chênh lệch không quá 8ms được coi là nổ đồng thời. Khi các lượng nổ được kích nổ lần lượt cách nhau nhiều hơn 1 giây, thì được gọi là nổ chậm. Nổ mìn vi sai là nổ thứ tự từng lượng thuốc nổ và từng nhóm lượng thuốc nổ như nổ chậm nhưng với thời gian dãn cách tính bằng miligiây [16][17]. Nếu hai lượng thuốc nổ dãn cách nhau nhỏ hơn 1000ms gọi là nổ mìn vi sai. Nổ vi sai có những ưu điểm sau [6][16][17]: - Kích thước các cục đá phá ra đồng đều, phù hợp với thiết bị xúc bốc, ít để lại mô chân tầng. - Giảm lượng thuốc nổ, mở rộng được mạng lỗ khoan - Giảm các tác động nguy hiểm của nổ đến môi trường xung quanh ( như sóng chấn động, sóng xung kích lan truyền trong không khí, đá văng), do đó cho phép tăng quy mô vụ nổ. - Kết quả ứng dụng ở các bãi nổ lớn cho phép giảm 25% chi phí cho công tác khoan nổ [17]. - Có khả năng điều khiển hướng dịch chuyển của đất đá - Làm giảm chi phí trong công tác phá và dọn đất đá. Nổ vi sai được áp dụng lần đầu tiên năm 1934-1935 ở Đức. Sau đó được áp dụng rộng rãi trên thế giới cho đến nay bởi các ưu điểm của nó. Có nhiều giải pháp để tạo thời gian dãn cách vi sai nhưng tập trung vào ba đối tượng chính trong hệ thống mạng nổ, đó là thiết bị gây nổ, thiết bị truyền tín hiệu nổ và kíp nổ. [18]
6 1.1.2. Các hiệu ứng của nổ mìn vi sai 1.1.2.1. Hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất Quá trình phá hủy đất đá là do sóng ứng suất và áp lực khí nổ, vì vậy điều khiển thời gian vi sai sao cho làm xuất hiện sự giao thoa các sóng giữa các đợt nổ, để làm tăng ứng suất tổng hợp tác dụng lên khối đá. Khi hiệu ứng giao thoa xảy ra các giá trị về sự dịch chuyển, trạng thái ứng suất và cường độ phá vỡ được tăng lên. Khi nổ một lượng nổ đặt ở C1, thì phát sinh sóng ứng suất lan truyền từ tâm nổ tới bề mặt tự do, phân cách giữa môi trường đất đá và không khí, làm xuất hiện sóng phản xạ lan truyền từ bề mặt tự do vào sâu trong khối đá. Theo lý thuyết lượng nổ ảo, sóng phản xạ được xem như sóng tới có tính chất ngược lại, được lan truyền từ một lượng nổ ảo giả định được đặt đối xứng với tâm nổ quả mặt phân cách với môi trường (C1’) (Hình 1.1). [18] C1' R R C2 a C1 Hình 1.1 Sơ đồ giao thoa của sóng ứng suất khi nổ vi sai những lượng thuốc cạnh nhau Khi có 2 lượng nổ đặt ở C1 và C2 cách nhau một khoảng a, cách mặt tự do là R. Nếu cho lượng nổ ở C1 nổ trước, sóng ứng suất (sóng nén) lan truyền từ trung tâm nổ tới mặt tự do (gọi là sóng tới), sau đó phản xạ trở lại tạo thành sóng căng. Để có sự giao thoa ứng suất, phải điều khiển lượng nổ ở C2 nổ vào thời điểm sóng phản xạ của lượng nổ C1 đi qua vị trí C2. Khi đó lượng thuốc ở C2 tác dụng dễ dàng hơn và hiệu quả phá vỡ đất đá tăng lên. Thời gian dãn cách (vi sai - ms) để đảm bảo giao thoa sóng ứng suất được xác định theo công thức của giáo sư G.I.Pakropski [18][2]: