Luận án tiến sĩ nghiên cứu một số mô hình trí tuệ nhân tạo dự báo chấn động nổ mìn trong khai thác mỏ lộ thiên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu một số mô hình trí tuệ nhân tạo dự báo chấn động nổ mìn trong khai thác mỏ lộ thiên, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề

• Tác giả: Nguyễn Hoàng
• Người hướng dẫn: GS. Bùi Xuân Nam
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Khai thác mỏ
• Đề tài: Nghiên Cứu Một Số Mô Hình Trí Tuệ Nhân Tạo Dự Báo Chấn Động Nổ Mìn Trong Khai Thác Mỏ Lộ Thiên
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tính cấp thiết của đề tài

Chấn động nổ mìn là một trong những tác động tiêu cực đáng kể trong khai thác mỏ lộ thiên, gây ra nhiều hệ lụy cho môi trường và cộng đồng xung quanh. Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng việc sử dụng thuốc nổ với khối lượng lớn có thể dẫn đến các thiệt hại nghiêm trọng, như nứt nẻ nhà cửa và mất ổn định bờ mỏ. Đặc biệt, khi khoảng cách giữa mỏ và khu dân cư ngày càng thu hẹp, những tác động này càng trở nên nghiêm trọng hơn. Theo quy định của Bộ Công thương (QCVN 02:2008/BCT), việc giám sát chấn động nổ mìn phải được thực hiện để đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận. Tuy nhiên, các phương pháp thực nghiệm hiện tại chủ yếu dựa vào mối quan hệ tuyến tính, không đủ để phản ánh đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến chấn động. Do đó, việc áp dụng trí tuệ nhân tạo trong dự báo chấn động nổ mìn là cần thiết để cải thiện tính chính xác và hiệu quả trong việc bảo vệ môi trường và an toàn cho cộng đồng.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Luận án này đặt ra các mục tiêu rõ ràng nhằm phát triển một số mô hình trí tuệ nhân tạo để dự báo sóng chấn động nổ mìn cho các mỏ lộ thiên tại Việt Nam, cụ thể là mỏ than Núi Béo. Mục tiêu đầu tiên là cải thiện độ chính xác của các mô hình dự báo thông qua việc áp dụng các phương pháp trí tuệ nhân tạo hiện đại. Thứ hai, nghiên cứu sẽ làm sáng tỏ mối quan hệ giữa sóng chấn động nổ mìn và các thông số nổ mìn, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh các quy định hiện hành. Cuối cùng, nghiên cứu sẽ đánh giá hiệu suất của các mô hình trí tuệ nhân tạo đã phát triển, nhằm xác định mức độ ảnh hưởng của các biến đầu vào đến chấn động nổ mìn. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả khai thác mà còn bảo vệ môi trường và an toàn cho cộng đồng.

III. Cơ sở lý thuyết của các mô hình trí tuệ nhân tạo

Nghiên cứu này sử dụng nhiều mô hình trí tuệ nhân tạo khác nhau như mạng nơ-ron nhân tạo, mô hình rừng ngẫu nhiên, và hồi quy véc tơ hỗ trợ. Các mô hình này có khả năng xử lý và phân tích dữ liệu lớn, giúp nhận diện các mối quan hệ phi tuyến tính giữa các biến đầu vào. Mạng nơ-ron nhân tạo, ví dụ, cho phép xây dựng các cấu trúc phức tạp để dự báo chấn động nổ mìn với độ chính xác cao. Mô hình rừng ngẫu nhiên cung cấp khả năng phân loại và hồi quy hiệu quả, trong khi hồi quy véc tơ hỗ trợ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng chính đến chấn động. Việc áp dụng các mô hình này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong dự báo mà còn mang lại những hiểu biết sâu sắc hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến chấn động nổ mìn, từ đó hỗ trợ việc ra quyết định trong quản lý khai thác.

IV. Phát triển và ứng dụng mô hình

Luận án đã phát triển và thử nghiệm các mô hình trí tuệ nhân tạo như XGBoost, PSO-XGBoost, HKM-CA và FFA-ANN để dự báo chấn động nổ mìn tại mỏ than Núi Béo. Các mô hình này đã được áp dụng trong thực tế để thu thập và phân tích dữ liệu chấn động nổ mìn, đánh giá hiệu suất và mức độ chính xác của từng mô hình. Kết quả cho thấy rằng các mô hình lai có khả năng cải thiện đáng kể độ chính xác dự báo so với các mô hình đơn lẻ. Việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong dự báo chấn động nổ mìn không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại cho các công trình lân cận mà còn nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này thể hiện rõ sự cần thiết và tính khả thi của việc áp dụng công nghệ hiện đại trong ngành khai thác mỏ, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới cho các vấn đề tương tự trong tương lai.

V. Kết luận và khuyến nghị

Luận án đã chỉ ra rằng việc sử dụng trí tuệ nhân tạo trong dự báo chấn động nổ mìn có thể mang lại nhiều lợi ích cho ngành khai thác mỏ, đặc biệt trong việc bảo vệ môi trường và an toàn cho cộng đồng. Các mô hình được phát triển không chỉ nâng cao độ chính xác trong dự báo mà còn giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu một cách hiệu quả hơn. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo là tiếp tục phát triển và hoàn thiện các mô hình trí tuệ nhân tạo, đồng thời áp dụng chúng vào các mỏ khác để kiểm chứng và mở rộng ứng dụng. Bên cạnh đó, cần có sự hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để xây dựng một hệ thống giám sát và quản lý chấn động nổ mìn hiệu quả hơn, đảm bảo an toàn cho cả người dân và môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CÔNG TÁC NỔ MÌN TRÊN MỎ LỘ THIÊN VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN 1. Đặc điểm chung của công tác nổ mìn trên mỏ lộ thiên Khai thác lộ thiên là một trong những phương pháp khai thác mỏ phổ biến nhằm thu hồi tài nguyên khoáng sản có giá trị kinh tế trong lòng đất nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau của con người [6]. Quá trình khai thác lộ thiên được chia thành bốn công đoạn cơ bản: chuẩn bị đất đá - xúc bốc - vận tải - đổ thải. Trong đó, chuẩn bị đất đá được xem là khâu công nghệ đầu tiên nhằm phá vỡ đất đá và khoáng sản, đảm bảo cho các khâu công nghệ sau đó hoạt động được hiệu quả và năng suất [82].

Có thể được sử dụng các phương pháp sau để phá vỡ đất đá trên mỏ lộ thiên: khoan - nổ mìn, các thiết bị cơ giới (máy cày xới, đầu đập thủy lực, máy liên hợp phay cắt,…), điện trường, từ trường,… Tuy nhiên, khoan - nổ mìn vẫn là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng rộng rãi để phá vỡ đất đá trên các mỏ lộ thiên ở trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng do các ưu điểm vượt trội của nó về mặt kỹ thuật và kinh tế [90]. Trên các mỏ lộ thiên, công tác nổ mìn phải đảm bảo 9 yếu tố sau: 1- Đá được phá vỡ theo kích thước yêu cầu phù hợp với quá trình sản xuất sau đó. 2- Chất lượng và loại khoáng sản. 3- Sai lệch về độ cao của nền tầng là ít nhất.

4- Hình dạng và góc dốc của sườn tầng theo yêu cầu, có khả năng khoan và nạp mìn an toàn cho lần nổ sau. 5- Hình dạng và kích thước đống đá phù hợp với yêu cầu, tạo điều kiện thuận lợi cho công tác xúc bốc. 6- Khoảng cách bay xa và hướng dịch chuyển của đá phải theo đúng qui định, đặc biệt khi nổ văng vào khoảng trống đã khai thác. 8 7- Chấn động khi nổ mìn là ít nhất, đảm bảo độ ổn định tối đa của các công trình cũng như khối đá nằm gần bờ kết thúc của mỏ nhằm đạt được góc bờ kết thúc theo yêu cầu.

8- Đủ đất đá để công tác xúc bốc tiến hành được liên tục và có năng suất cao. 9- Hiệu quả kinh tế cao, có năng suất và an toàn cho công tác mỏ nói chung. Để phá vỡ đất đá hiệu quả trên các mỏ lộ thiên, các đặc tính của môi trường đất đá cần được xem xét kỹ lưỡng. Chúng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả công tác nổ mìn trên mỏ lộ thiên.

Trên cơ sở đó, sự phân loại đất đá có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp nổ mìn, thuốc nổ, vật liệu nổ,… Có nhiều quan điểm khác nhau để phân loại đất đá trên mỏ lộ thiên, tuy nhiên mỗi quan điểm đều được đưa ra dựa trên các tiêu chuẩn riêng phù hợp với những đặc thù thực tế áp dụng (theo độ nứt nẻ, độ nổ, theo năng suất khoan, theo độ bền kéo, nén hoặc theo tổ hợp một số tính chất của đất đá,. Một số phương pháp phân loại đất đá điển hình được sử dụng trong quá trình nổ mìn trên mỏ lộ thiên như phương pháp phân loại đất đá của giáo sư M.1), phương pháp phân loại đất đá theo độ khoan của giáo sư A.2) và phương pháp phân loại đất đá theo độ nổ (Bảng 1. Dựa trên các phương pháp phân loại đất đá này, công tác nổ mìn trên các mỏ lộ thiên có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong từng khu vực cụ thể. Phân loại đất đá của giáo sư M.

Protodiakonov [4, 15] Cấp Hệ số Mức độ Góc nội Loại đất đá đất đá f cứng ma sát Đất đá có mức Đá bazan, quaczit rất cứng và đặc. I 20 87o08 độ cứng rất cao Những loại đất đá đặc biệt cứng Đá granit rất cứng, poocfia, thạch II 15 Đất đá rất cứng anh, đá phiến silic, cát kết và đá 86o11 vôi cứng nhất 9 Cấp Hệ số Mức độ Góc nội Loại đất đá đất đá f cứng ma sát Granit đặc, cát kết, đá vôi rất cứng; IIIa 10 vỉa quặng thạch anh, conglomerat 84o18 cứng; quặng sắt rất cứng Đất đá cứng Đá vôi cứng, granit không cứng IIIb 8 lắm, cát kết cứng, đá hoa cương 82o53 cứng, đolomit, pirit IVa 6 Đất đá tương Cát kết thường, quặng sắt 80o32 IVb 5 đối cứng Đá phiến chất cát, cát kết phiến 78o41 Đá phiến sét cứng; cát kết và đá vôi Va 4 không cứng lắm; conglomerat 75o58 Đất đá cứng mềm trung bình Đá phiến các loại (không cứng Vb 3 71o34 lắm), macnơ đặc Đá phiến mềm; đá vôi rất mềm, đá phấn, muối mỏ, thạch cao; đất VIa 2 đóng băng, antraxit, macnơ 63o26 Đất đá tương thường, cát kết bị phá huỷ, cuội đối mềm được gắn kết, đất đá silic. Đất đá loại đá dăm; đá phiến bị phá VIb 1,5 huỷ, cuội dính kết, than đá cứng, 56o19 sét hoá cứng Sét, than đá mềm. Đất phủ cứng, VIIa 1,0 45o00 Đất đá mềm đất pha sét VIIb 0,8 Sét pha cát nhẹ, sỏi, đất lót 38o40 10 Cấp Hệ số Mức độ Góc nội Loại đất đá đất đá f cứng ma sát Đất trồng trọt, than bùn, á sét nhẹ, VIII 0,6 Đất mặt 30o58 cát ẩm Cát, đá lổ tích, sỏi nhỏ, đất đắp, IX 0,5 Đất xốp 26o30 than khai thác Cát chảy, đất đầm lầy, đất lót chảy X 0,3 Đất chảy 16o42 và các loại đất chảy khác.

Phân loại đất đá theo độ khoan [4, 15] Cấp đất đá theo Cấp đất đá theo Tốc độ khoan (mm/ph) khi khoan M. Protodiakonov độ khoan bằng choòng khoan Cấp f Thép Hợp kim - - 1 12 31 - - 2 15 40 I 20 3 20 50 - 18 4 26 60 II 15 5 30 75 IIa 12 6 40 90 IIIa 10 7 50 110 IIIb 8 8 65 130 IVa 6 9 85 160 IVb 5 10 110 200 11 Cấp đất đá theo Cấp đất đá theo Tốc độ khoan (mm/ph) khi khoan M. Protodiakonov độ khoan bằng choòng khoan Va 4 11 150 250 Vb 3 12 200 300 VIa 2 13 250 350 VIb 1,5 14 325 400 VIIa 1,0 15 425 500 VIIb 0,8 16 550 600 Bảng 1. Phân loại đất đá theo độ nổ [4, 15] Tỷ lệ phần trăm Độ bền Chỉ tiêu Khoảng cách các khối nứt có nén của Cấp đất chất nổ Mật độ trung bình kích thước đất đá, đá theo trung đất đá, giữa các vết độ nổ bình, > 500 > 1500 106 N/m2 g/cm3 nứt, m kg/m3 mm mm I 0,15 < 0,1 0÷2 0 10÷30 1,4÷1,8 II 0,225 0,1÷0,25 2÷16 0 20÷45 1,75÷2,35 III 0,32 0,2÷0,5 10÷52 0÷1 30÷65 2,25÷2,55 IV 0,45 0,45÷0,75 45÷80 0÷4 50÷90 2,5÷2,8 V 0,60 0,70÷1,00 75÷98 2÷157 70÷120 2,75÷2,90 VI 0,78 0,95÷1,25 96÷100 10÷30 110÷160 2,85÷3,00 12 VII 0,99 1,20÷1,50 100 25÷47 145÷205 2,95÷3,20 VIII 1,235 1,45÷1,70 100 43÷63 195÷259 3,15÷3,40 IX 1,525 1,65÷1,90 100 58÷78 235÷300 3,35÷3,60 XX 1,855 > 1,85 100 75÷100 > 285 > 3,55 1.

Cơ chế phá hủy đất đá bằng nổ mìn và sóng chấn động sinh ra do nổ mìn trên các mỏ lộ thiên Theo các nhà khoa học, để phá vỡ đất đá trên các mỏ lộ thiên một cách hiệu quả, cần phải hiểu rõ cơ chế phá hủy đất đá bằng phương pháp nổ mìn. Nó được xem như là chìa khóa để giải quyết hàng loạt các bài toán liên quan tới kỹ thuật trong quá trình thiết kế và thi công nổ mìn, đặc biệt khi nổ mìn phá vỡ đất đá trên các mỏ lộ thiên. Theo đó, có ba cơ chế phá hủy đất đá trên các mỏ lộ thiên bao gồm: Cơ chế phá hủy các loại đất đá mềm, đất đá cứng đồng nhất và đất đá có độ cứng không lớn [15]. Đối với cơ chế phá hủy đất đá mềm (độ cứng truyền âm ρ.s) bao gồm cát, á cát, các loại sét, á sét, đất thịt,.

độ bền nén và độ bền cắt rất nhỏ, do đó năng lượng phá huỷ không đáng kể. Chúng bị phá huỷ chủ yếu do động năng giãn nở của khí nổ trong buồng nổ. Nghiên cứu thực nghiệm về sự phá huỷ đất đá mềm bằng phương pháp nổ mìn được thực hiện trên mô hình bao gồm một hộp thuỷ tinh hữu cơ trong suốt, bên trong đổ đầy các lớp cát màu để có thể quan sát được quá trình biến dạng và chuyển động của các lớp cát xung quanh lượng thuốc nổ. Quá trình thí nghiệm được thực hiện bằng một lượng thuốc nổ azotua chì đặt cách lớp vỏ thuỷ tinh trong suốt từ 20÷50 mm.

Khi nổ, quá trình hình thành và phát triển của buồng khí trong các lớp cát được ghi lại bằng máy CKC với tốc độ 4000 hình/giây (Hình 1. Các kết quả cho thấy: xung quanh lượng thuốc nổ hình thành một quả cầu rỗng chứa đầy khí nổ. Quả cầu này có dạng không đối xứng với trục lớn theo hướng đường kháng ngắn nhất. Sự thay đổi hình dạng bề mặt được giải thích bởi sự khác nhau về sức kháng theo phương di chuyển của các phần tử cát, theo thời gian phần bán cầu dưới giãn nở và phần bán cầu trên giãn nở nhanh hơn, làm giảm chiều dày lớp cát và nâng buồng khí (quả cầu khí) lên.

Quá trình trên được mở rộng gần đến mặt tự do thì 13 lớp vỏ trên bị vỡ và khí nổ giãn nở đẩy bay các hạt cát ra xung quanh. Sau khi hết động năng dự trữ, các phần tử cát rơi xuống tạo thành hình phễu. Một phần cát rơi và lăn xuống hố phễu với góc dốc tự nhiên nhất định, phụ thuộc vào đặc điểm từng loại đất đá và làm giảm thể tích phễu. a) i ii iii iv v vi vii b) Hình 1.

Sơ đồ mô tả quá trình phá hủy đất đá mềm yếu [15] a- Minh họa hình ảnh ghi lại quá trình nổ; b- Sơ đồ mô tả quá trình biến dạng phá huỷ môi trường; I ÷ VII- Các pha hình thành phễu Đối với cơ chế phá hủy đất đá có độ cứng trung bình bằng nổ mìn (có độ cứng âm học ρ.s), đất đá bị phá huỷ bởi sóng ứng suất và áp lực khí nổ. Sự phá huỷ được lan truyền từ buồng nổ và từ mặt tự do. Dưới tác dụng của áp lực khí nổ lên buồng thuốc, một vùng biến dạng mạnh xung quanh buồng nổ được hình thành. Trong vùng này, đất đá bị phá huỷ mạnh và dẫn đến trạng thái dẻo.

Tiếp theo vùng biến dạng dẻo là vùng sóng đàn hồi. Hình dạng bề mặt sóng nén phụ thuộc vào tính chất cơ lý của đất đá và thuốc nổ. Khi sóng tới lan truyền qua các khe nứt trong đất đá, sự phản xạ của sóng tới tại bề mặt khe nứt được hình thành.