Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xác định chỉ tiêu thuốc nổ nhằm đảm bảo mức độ đập vỡ đất đá hợp lý cho một số mỏ khai thác vật liệu xây dựng của việt nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu xác định chỉ tiêu thuốc nổ nhằm đảm bảo đập vỡ đất đá hợp lý tại các mỏ vật liệu xây dựng Việt Nam.

• Tác giả: Nguyễn Đình An
• Người hướng dẫn: PTS. Nguyễn Đăng Tế
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Khai thác mỏ
• Đề tài: Nghiên cứu xác định chỉ tiêu thuốc nổ nhằm đảm bảo mức độ đập vỡ đất đá hợp lý cho một số mỏ khai thác vật liệu xây dựng của Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về công nghệ nổ mìn trong ngành khai thác mỏ

Nổ mìn là phương pháp phổ biến trong ngành khai thác mỏ, đặc biệt trong việc phá vỡ đất đá có độ kiên cố cao. Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như giao thông, thủy lợi, và xây dựng. Trong ngành khai thác mỏ, nổ mìn đóng vai trò quan trọng trong việc phá vỡ đất đá để khai thác khoáng sản. Các công nghệ nổ mìn chính bao gồm nổ mìn định hướng, nổ mìn buồng, và nổ mìn bằng lỗ khoan. Phương pháp nổ mìn bằng lỗ khoan lớn thẳng đứng hoặc nghiêng là phổ biến nhất. Lịch sử phát triển của nổ mìn gắn liền với sự phát triển của thuốc nổ, từ mục đích quân sự đến ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

1.1. Lịch sử phát triển của nổ mìn

Nổ mìn được sử dụng trong ngành khai thác mỏ từ giữa thế kỷ XVI. Ban đầu, thuốc nổ được sử dụng chủ yếu cho mục đích quân sự, sau đó mới được ứng dụng trong công nghiệp. Ở Việt Nam, phương pháp nổ mìn đã được áp dụng từ lâu trong các mỏ lộ thiên và hầm lò. Các mỏ này không ngừng cải tiến phương pháp và áp dụng kinh nghiệm tiên tiến từ các nước trên thế giới để nâng cao hiệu quả và chất lượng công tác nổ mìn.

1.2. Các loại thuốc nổ được sử dụng

Các loại thuốc nổ được sử dụng trong ngành khai thác mỏ ở Việt Nam đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Trước những năm 1980, các mỏ chủ yếu sử dụng thuốc nổ của Liên Xô như Amônit M11 và TNT. Từ cuối những năm 1980 đến đầu những năm 1990, các loại thuốc nổ từ Úc, Ấn Độ, và Trung Quốc như Powergel và Superdye được sử dụng rộng rãi. Trong nước cũng bắt đầu sản xuất các loại thuốc nổ như TNT và Zernôgranulit 79/21.

II. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu thuốc nổ

Chỉ tiêu thuốc nổ là một thông số quan trọng trong công tác nổ mìn, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả phá vỡ đất đá. Các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ tiêu thuốc nổ bao gồm tính chất cơ lý của đất đá, loại thuốc nổ, và các thông số kỹ thuật khác. Việc xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý giúp tối ưu hóa hiệu quả phá vỡ đất đá, giảm chi phí và tăng năng suất khai thác.

2.1. Tính chất cơ lý của đất đá

Tính chất cơ lý của đất đá là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chỉ tiêu thuốc nổ. Độ kiên cố, độ nứt nẻ, và độ khoan của đất đá quyết định lượng thuốc nổ cần sử dụng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng đất đá có độ kiên cố cao đòi hỏi chỉ tiêu thuốc nổ lớn hơn để đạt được mức độ phá vỡ mong muốn.

2.2. Loại thuốc nổ và công nghệ nổ mìn

Loại thuốc nổ và công nghệ nổ mìn cũng ảnh hưởng đáng kể đến chỉ tiêu thuốc nổ. Các loại thuốc nổ khác nhau có khả năng công nổ khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong chỉ tiêu thuốc nổ. Công nghệ nổ mìn vi sai phi điện được áp dụng rộng rãi trong các mỏ khai thác vật liệu xây dựng ở Việt Nam, giúp tối ưu hóa chỉ tiêu thuốc nổ và giảm thiểu tác động môi trường.

III. Mối quan hệ giữa chỉ tiêu thuốc nổ và mức độ đập vỡ đất đá

Mối quan hệ giữa chỉ tiêu thuốc nổ và mức độ đập vỡ đất đá là yếu tố then chốt trong việc xác định hiệu quả của công tác nổ mìn. Chỉ tiêu thuốc nổ càng cao, mức độ đập vỡ đất đá càng lớn. Tuy nhiên, việc tăng chỉ tiêu thuốc nổ cũng dẫn đến chi phí cao hơn và tác động môi trường lớn hơn. Do đó, việc xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý dựa trên mức độ đập vỡ đất đá yêu cầu là cần thiết.

3.1. Phân loại đất đá theo độ nổ

Phân loại đất đá theo độ nổ là cơ sở để xác định chỉ tiêu thuốc nổ. Các nghiên cứu đã phân loại đất đá dựa trên độ kiên cố, độ nứt nẻ, và độ khoan. Việc phân loại này giúp xác định chỉ tiêu thuốc nổ phù hợp với từng loại đất đá, đảm bảo hiệu quả phá vỡ và giảm thiểu chi phí.

3.2. Phương pháp xác định mức độ đập vỡ hợp lý

Phương pháp xác định mức độ đập vỡ đất đá hợp lý dựa trên chỉ tiêu thuốc nổ đã được nghiên cứu và áp dụng tại các mỏ khai thác vật liệu xây dựng ở Việt Nam. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng phần mềm thiết kế hộ chiếu nổ mìn và các công thức tính toán dựa trên mối quan hệ giữa chỉ tiêu thuốc nổ và các yếu tố ảnh hưởng.

IV. Nghiên cứu xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý cho các mỏ khai thác vật liệu xây dựng tại Việt Nam

Nghiên cứu xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý cho các mỏ khai thác vật liệu xây dựng tại Việt Nam đã được thực hiện dựa trên các yếu tố ảnh hưởng và kết quả thực nghiệm. Các nghiên cứu này đã xây dựng được phương pháp xác định chỉ tiêu thuốc nổ có cơ sở khoa học, giúp tối ưu hóa hiệu quả phá vỡ đất đá và giảm thiểu chi phí.

4.1. Phương pháp xác định chỉ tiêu thuốc nổ

Phương pháp xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý dựa trên mối quan hệ giữa chỉ tiêu thuốc nổ và các yếu tố ảnh hưởng như tính chất cơ lý của đất đá, loại thuốc nổ, và công nghệ nổ mìn. Các công thức tính toán và phần mềm thiết kế hộ chiếu nổ mìn đã được phát triển để hỗ trợ việc xác định chỉ tiêu thuốc nổ một cách chính xác.

4.2. Ứng dụng thực tế tại các mỏ khai thác vật liệu xây dựng

Các nghiên cứu đã được áp dụng thực tế tại các mỏ khai thác vật liệu xây dựng ở Việt Nam, giúp cải thiện hiệu quả công tác nổ mìn và giảm thiểu tác động môi trường. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của phương pháp xác định chỉ tiêu thuốc nổ hợp lý trong điều kiện thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHỈ TIÊU THUỐC NỔ VÀ CÁC THÔNG SỐ NỔ MÌN 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NỔ MÌN TRONG NGÀNH KHAI THÁC MỎ Nổ mìn là một dạng năng lượng dùng để phá vỡ đất đá cứng được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực như giao thông, thuỷ lợi, xây dựng và đặc biệt là ngành Khai thác mỏ với một khối lượng lớn. Khi khai thác những khoáng sản có ích bằng phương pháp lộ thiên hay hầm lò, hầu hết đều gặp đất đá có độ kiên cố f = 6 ÷ 14, và 70% khoáng sản cần phá vỡ (mà chủ yếu phá vỡ bằng nổ mìn). Chỉ tính riêng ngành Khai thác mỏ lộ thiên, để lấy được một tấn than cần phải phá vỡ 8 ÷ 10 m3 đất đá cứng, để sản xuất được 1 tấn ximăng cũng phải phá vỡ 1 tấn đá vôi.

Theo kế hoạch sản xuất từ năm 2015 hàng năm ta khai thác khoảng 60 triệu tấn than và sản xuất khoảng 70 trệu tấn ximăng. Để đạt sản lượng đó phải phá vỡ hàng trăm triệu m3 đất đá. Trong sản xuất mỏ lộ thiên phải qua các khâu công nghệ chính khoan nổ mìn, xúc bốc, vận tải, gia công chế biến. Tuỳ thuộc vào hệ thống khai thác, phương pháp mở vỉa, đồng bộ thiết bị, yêu cầu mục đích nổ mìn mà trong công nghệ sản xuất mỏ lộ thiên có các dạng công nghệ nổ mìn: Nổ mìn định hướng (Hình 1.1), nổ mìn buồng hay lỗ khoan làm tơi đất đá (Hình 1.2b), nổ mìn trong khai thác đá khối [2], [3], [10], [12], [13] (Hình 1.

Trong các công nghệ nổ mìn nói trên thì nổ mìn bằng lỗ khoan lớn thẳng đứng hay nghiêng để phá vỡ đất đá trên các tầng là phương pháp chủ yếu. Lịch sử và quá trình phát triển của công tác khoan nổ mìn có quan hệ 7 chặt chẽ với việc sản xuất chất nổ. Sơ khai khi chế tạo ra thuốc nổ người ta sử dụng vào mục đích quân sự, sau đó mới được ứng dụng vào sản xuất. Phải đến giữa thế kỷ XVI người ta mới sử dụng nổ mìn trong ngành khai thác mỏ [1], [3], [10].1a - Nổ định hướng bằng lượng thuốc phẳng Hình 1.1b - Nổ định hướng bằng buồng mìn về hai phía Hình 1.1c - Nổ định hướng bằng buồng mìn về một phía Ở Việt Nam, phương pháp phá vỡ đất đá bằng khoan nổ mìn đã được áp dụng từ lâu trong công nghiệp mỏ.

Ở các mỏ lộ thiên và hầm lò không ngừng sử dụng những phương pháp và kinh nghiệm tiên tiến của các nước trên thế giới để nâng cao hiệu quả và chất lượng của công tác khoan nổ mìn.2a - Nổ mìn buồng làm Hình 1.2b - Nổ mìn bằng lỗ khoan tơi đất đá làm tơi đất đá Hình 1.3- Nổ mìn khai thác đá khối Việc sử dụng thuốc nổ ở các mỏ khai thác lộ thiên được chia làm 3 giai đoạn [4], [22], [23]: - Giai đoạn trước những năm 80: chủ yếu sử dụng thuốc nổ của Liên Xô cũ như Amônit M11, No 6 JV, TNT và Zernôgranulit79/21, Grammônit. - Cuối những năm 80 đến đầu những năm 90: do khủng hoảng ở Liên Xô, Đông Âu và sự xâm nhập của thị trường các nước Úc, Ấn Độ, Thái Lan, Trung Quốc nên thuốc nổ thời kỳ này chủ yếu là Powergel, Energal, Anfo của Úc, WJ của Trung Quốc, Superdye của Ấn Độ. Trong nước cũng bắt đầu sản xuất một số loại thuốc nổ như: TNT, Zernôgranulit 79/21, Amônit phá đá 9 số 1, Sofanit, thuốc nổ chịu nước dạng Watergel (TFD-15 hoặc TNP-1). Các mỏ lộ thiên lớn chủ yếu dùng Powergel, ANFO, TNT và Zecnôgranulit 79/21.

Từ năm 1997 đến nay, do trong nước đã bắt đầu sản xuất được một số loại thuốc nhũ tương như EE-31, NT-13, ANFO chịu nước và các loại thuốc không chịu nước: ANFO thường, AD-1, Zernôgranulit 79/21 và một số loại thuốc khác nên xu hướng ở các mỏ chủ yếu chuyển sang tiêu thụ các loại thuốc do Việt Nam sản xuất. - Việc sử dụng thuốc nổ do Việt Nam ngày càng nhiều đặt ra cho chúng ta hai vấn đề đáng quan tâm: + Thứ nhất là tính năng kỹ thuật và những đặc tính năng lượng của chất nổ cụ thể về nhiệt lượng nổ, mật độ, khả năng công nổ và sức công phá, khả năng kích nổ ổn định và tốc độ kích nổ, độ bền nước, độ bền hoá - lý. + Thứ hai là giá thành thuốc nổ, nghĩa là phải tính toán xem thuốc nổ sử dụng có lợi về kinh tế sau khi đã cân nhắc về kỹ thuật. Việc lựa chọn chất nổ sử dụng ở các mỏ lộ thiên trong thời gian qua hầu như chưa có sự tìm hiểu so sánh thận trọng các vấn đề nêu trên như: tỷ lệ sử dụng thuốc nổ chịu nước vẫn chiếm phần lớn (từ 50÷ 80%), việc dùng thuốc nổ nội địa và nhập ngoại chưa có cơ sở so sánh đầy đủ, chưa chú ý đến tỷ lệ thuốc nổ, việc tính toán tỷ lệ chi phí phương tiện nổ theo tỷ lệ thuốc nổ (trước đây vẫn cho tỷ lệ 7 ÷ 10%) chưa được chú ý, vì vậy kết quả không đúng với thực tế.

Ngoài ra việc tính toán quy đổi thuốc nổ trong quá trình sử dụng cũng là vấn đề chưa được các mỏ quan tâm, chưa dựa trên cơ sở khoa học, vì vậy kết quả tính toán thông số và chất lượng nổ không theo ý muốn. Với sự thay đổi vật liệu nổ dùng ở các mỏ lộ thiên đã dẫn đến việc thay đổi về công nghệ nổ mìn, tính toán thông số và xác định hiệu quả kinh tế kỹ thuật của công tác nổ mìn. 10 Ở các mỏ, từ việc sử dụng phương tiện nổ điện (với kíp điện tức thời hay vi sai) thuần túy hoặc kết hợp điện với dây nổ đã chuyển sang dùng hệ thống dây truyền tín hiệu nổ với kíp nổ tức thời (hay vi sai ). Các phương tiện mới này đầu tiên được nhập từ Úc sau đó là từ Ấn Độ, hiện nay phương tiện nổ phi điện Việt Nam đã tự sản xuất được.

Phương pháp nổ vi sai với phương tiện nổ mới đã được áp dụng triệt để ở các mỏ lộ thiên lớn, (Hình 1.4- Phương tiện nổ phi điện được áp dụng tại mỏ đá vôi Ninh Dân Phương tiện nổ mới gồm có: Hệ thống dây truyền tín hiệu nổ sơ cấp (từ máy khởi nổ đến đầu bãi nổ) và thứ cấp (truyền tín hiệu nổ giữa các lỗ khoan, truyền tín hiệu nổ đến từng mồi nổ đặt trong lỗ khoan) [9]. + Loại sơ cấp ký hiệu LIL có chiều dài dây tín hiệu nổ 150, 300, 450 mét được gắn với kíp nổ tức thời. + Loại truyền tín hiệu nổ thứ cấp gồm hệ thống trên mặt ký hiệu TLD, nhận tín hiệu nổ từ hệ thống sơ cấp đến từng miệng lỗ khoan. Hệ thống này quyết định trình tự nổ vi sai giữa các lượng thuốc nổ trong bãi nổ.

Chiều dài dây tiêu chuẩn: 3,6m; 4,9m; 6,1m; 9m; 12m; 15m; 18m, được gắn với kíp nổ vi sai còn đầu kia được bóp bẹp để chống ẩm và được gắn miếng nhựa ghi thời gian chậm vi sai. Thời gian vi sai của kíp gồm: 5 ms, 9 ms, 17 ms, 25 ms, 42 ms, 65 ms và 100 ms. 11 Dây truyền tín hiệu nổ bên trong lỗ khoan ký hiệu LLHD, nhận tín hiệu nổ từ hệ thống trên mặt để làm nổ các lượng thuốc nổ nằm trong lỗ khoan. Dây có độ dài tiêu chuẩn 8,9m; 10m; 12m; 15m; 18m; 24m; 30m; 36m; 45m và 60m, một đầu gắn với kíp vi sai 200 ms, 400ms, 600ms, đầu kia cũng được bóp bẹp lại chống ẩm và cũng có miếng nhựa ghi thời gian chậm vi sai của kíp.

Kíp vi sai phi điện với độ chậm lớn đảm bảo chắc nổ, an toàn cho cả bãi mìn. Đặc điểm nổi bật khi sử dụng phương tiện nổ phi điện là kích nổ bằng ống truyền sóng nổ là quá trình lan truyền sóng nổ thực hiện trong ống, không bị khởi nổ bởi tĩnh điện, dòng điện rò và chịu được các tác động bên ngoài như va đập, cọ sát. Đấu ghép đơn giản, chắc chắn, khống chế được các sơ đồ vi sai phức tạp nhất, chỉ cần thay đổi thời gian vi sai giữa các lỗ, các hàng ta sẽ có các sơ đồ vi sai rất đa dạng phát huy tối đa tác dụng của vi sai (vừa tạo ra sự cộng hưởng ứng suất vừa phát huy được vai trò của mặt tự do). Dùng kíp dưới lỗ có thời gian vi sai lớn sẽ khắc phục được nhược điểm của nổ mìn vi sai bằng dây nổ là không gây cắt dây trên mặt do đất đá dịch chuyển.

Mặt khác do tạo ra trình tự nổ hầu như không trùng lặp giữa các LTN gần nhau và thậm chí cả bãi mìn sẽ làm giảm tác dụng có hại đến môi trường như sóng chấn động, sóng đập không khí và đá văng. - Mồi nổ: thường dùng ở mỏ là loại PPP-400, Pentôlit hoặc VE 05. - Máy khởi nổ phi điện (máy dập hạt nổ) trước đây được dùng phổ biến, gần đây được thay thế bằng kíp điện hoặc kíp nổ thường với dây cháy chậm. VAI TRÒ Ý NGHĨA CỦA CHỈ TIÊU THUỐC NỔ TRONG CÔNG TÁC NỔ MÌN Để đánh giá hiệu quả phá vỡ bằng nổ mìn thì một trong những chỉ tiêu cơ bản là độ cục của đống đá nổ hay MĐĐV đất đá.

Phụ thuộc vào đồng bộ thiết bị khai thác (dung tích gầu xúc, phương thức vận tải) mà yêu cầu thành phần cỡ hạt của đống đá nổ sao cho đạt hiệu quả cao nhất. 12 Mức độ đập vỡ: Để phá vỡ đất đá đạt được kích thước của các cục đá sau khi nổ đến một giá trị nào đó, cần phải chi phí một khối lượng năng lượng phù hợp. Chi phí năng lượng riêng, nghĩa là năng lượng cần thiết để phá vỡ một đơn vị thể tích đất đá. Đặc trưng cho chi phí năng lượng riêng gọi là chỉ tiêu thuốc nổ.

Chi phí năng lượng tăng thì MĐĐV tăng, đến một giá trị nào đó thì MĐĐV không tăng, ta gọi đó là hiện tượng bão hoà năng lượng. Nếu tiếp tục tăng chi phí năng lượng riêng thì thì năng lượng tiêu hao vô ích tăng lên cho việc văng xa đất đá, gây tác động mạnh địa chấn, sóng không khí. Vì vậy để đánh giá chất lượng của một vụ nổ người ta dùng khái niệm MĐĐV, hay thành phần cỡ hạt của đống đá nổ. Phụ thuộc vào đồng bộ thiết bị khai thác (dung tích gầu xúc, phương thức vận tải) mà yêu cầu thành phần cỡ hạt của đống đá nổ sao cho đạt hiệu quả cao nhất.

MĐĐV phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, một trong những yếu tố cơ bản đó là chỉ tiêu thuốc nổ.