Tổng quan luận án
Đề tài "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam" được nghiên cứu sinh Đào Hiếu thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Phạm Văn Hòa và TS. Đặng Văn Chí, bảo vệ năm 2022 thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa (mã số 9520216). Bản luận án dày 129 trang đánh máy (chưa kể phần phụ lục), bao gồm 12 bảng biểu, 67 hình vẽ minh họa, 100 tài liệu tham khảo và ghi nhận 11 công trình khoa học đã công bố của tác giả.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong khai thác mỏ lộ thiên, khoan nổ mìn là khâu công nghệ đầu tiên nhằm phá vỡ đất đá, tạo điều kiện thuận lợi cho các khâu xúc bốc, vận tải và chế biến. Nổ mìn vi sai được ứng dụng rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng đập vỡ, giảm thiểu các tác động tiêu cực như sóng chấn động, sóng xung kích không khí và đá văng. Tuy nhiên, tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam, việc xác định thời gian dãn cách vi sai chủ yếu dựa trên các công thức thực nghiệm kinh nghiệm hoặc tra bảng cố định rồi hiệu chỉnh thủ công. Các phương tiện nổ truyền thống có độ chính xác thời gian trễ hạn chế (sai số từ 1–2 ms theo QCVN 01:2019/BCT) và không có khả năng tự động thích ứng với sự thay đổi của cấu trúc đất đá.
Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là:
- Thiếu phương pháp xác định gián tiếp trạng thái cơ lý của khối đất đá thực tế thông qua việc trích xuất vận tốc lan truyền sóng chấn động từ các vụ nổ trước.
- Các nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo và máy học trong nước chủ yếu dừng lại ở mô phỏng dự báo tĩnh trên tập dữ liệu nhỏ, chưa chuẩn hóa quy trình lọc nhiễu tín hiệu sóng và chưa liên kết dữ liệu đo thực tế với việc điều khiển thích nghi thời gian vi sai.
- Chưa có giải pháp hệ thống phần cứng và thuật toán điều khiển tự động có chi phí hợp lý để hiệu chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ rung chấn theo thời gian thực phù hợp với điều kiện kinh tế – kỹ thuật tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là 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.
Các luận điểm bảo vệ
Luận án bảo vệ ba luận điểm khoa học chính được đánh số như sau:
- Luận điểm 1: 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.
- Luận điểm 2: 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.
- Luận điểm 3: 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.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các phương pháp hiện đại để xác định và điều khiển thời gian vi sai cho các vụ nổ mìn tại mỏ lộ thiên.
- Phạm vi nghiên cứu: Các vụ nổ mìn vi sai tại các mỏ khai thác lộ thiên ở Việt Nam. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp tại khai trường mỏ than Núi Béo (thành phố Hạ Long, tỉnh Quảng Ninh) và mỏ đá vôi Hồng Sơn thuộc Công ty Xi măng Bút Sơn (huyện Kim Bảng, tỉnh Hà Nam).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu quốc tế
Tác giả đã điểm lại các công trình nền tảng và các hướng phát triển kỹ thuật nổ mìn vi sai trên thế giới:
- Cơ chế tương tác sóng và thời gian vi sai: G. Pakropski xây dựng công thức xác định thời gian dãn cách để đảm bảo giao thoa sóng ứng suất. Rossmanith (2002) nghiên cứu sự tương tác giữa sóng ứng suất và các vết nứt nhằm tối ưu hóa mức độ đập vỡ đá. Katsabanis và cộng sự (2001, 2006) thực nghiệm trên các khối đá trong phòng thí nghiệm, xác định dải thời gian vi sai tối ưu và tỷ lệ giữa thời gian vi sai với đường kháng chân tầng nằm trong khoảng từ 4 ms/m đến 10 ms/m. Sjoberg (1999) sử dụng mô phỏng số kiểm tra giả thuyết Rossmanith và kết luận tác động tương tác sóng là cục bộ, mức độ đập vỡ tốt nhất đạt được khi sóng ứng suất đã truyền qua lỗ liền kề. Johansson và Ouchterlony (1996) chỉ ra ứng suất cảm ứng từ đợt nổ trước đóng vai trò quyết định đến quá trình phá hủy của đợt nổ tiếp theo. Johnson (1996) nghiên cứu hiện tượng va chạm sóng xung kích giữa các cột thuốc nổ. Yang và Rai (2005) tiến hành thử nghiệm quy mô thực tế tại mỏ đá vôi Century Cements (Raipur, Ấn Độ) với các mức thời gian vi sai 17 ms và 25 ms.
- Mô hình hóa sự lan truyền chấn động: Nichols, Johnson và Duvall (1971), Konya và Walter (1990) thiết lập các công thức thực nghiệm liên hệ giữa vận tốc dao động của hạt đất đá ($v$), khoảng cách ($d$) và khối lượng thuốc nổ tức thời lớn nhất ($W$). Nick Barton (2007) phân tích vận tốc lan truyền sóng nén $V_P$, sóng cắt $V_S$ và mối liên hệ với chất lượng khối đá.
- Ứng dụng công nghệ điều khiển và trí tuệ nhân tạo: Các hệ thống quản lý nổ mìn tích hợp như phần mềm BIMS (Blast Information Management System) của Blasters Tool and Supply Co., công nghệ kíp nổ điện tử lập trình thời gian vi sai vô cấp, cùng các mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và thuật toán học máy dự báo rung chấn của các nhóm tác giả Monjezi, Amnieh, Jahed Armaghani, Khandelwal.
Các hướng nghiên cứu trong nước
- Nghiên cứu ứng dụng thuật toán học máy và tối ưu hóa: Các nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo của Bùi Xuân Nam, Trần Quang Hiếu, Nguyễn Hoàng và cộng sự đã thử nghiệm nhiều mô hình: Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), Rừng ngẫu nhiên (RF), Hồi quy véc-tơ hỗ trợ (SVR), Thuật toán lập thể (CA), Mô hình tăng cường độ dốc (XGBoost), Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) và Thuật toán tối ưu đom đóm (FFA). Một số mô hình lai như HKM-CA, PSO-ANN đã được đề xuất để dự báo vận tốc dao động đỉnh (PPV).
- Kiểm soát các thông số kỹ thuật nổ: Các công trình nghiên cứu dự báo rung chấn mặt đất, mô phỏng đá văng, kiểm soát ổn định bờ dốc và thử nghiệm mạng cảm biến không dây xác định tính chất cơ lý của đất đá.
- Thử nghiệm công nghệ mới: Thử nghiệm kíp nổ điện tử tại mỏ đa kim Núi Pháo (Thái Nguyên), sử dụng hệ thống đo định vị mạng lỗ khoan, thiết bị bay chụp ảnh đa chiều đánh giá phân bố cỡ hạt và hệ thống máy đo chấn động Blastmate.
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Mặc dù các nghiên cứu trong nước đã tiếp cận các thuật toán học máy, phần lớn mới dừng lại ở việc dự báo thống kê ngoại tuyến từ tập mẫu hạn chế, chưa đưa ra giải pháp nhận dạng ngược tính chất đất đá từ tín hiệu sóng chấn động của vụ nổ trước để tự động điều chỉnh thời gian vi sai cho vụ nổ sau. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách kết hợp chuỗi xử lý: phân tích dạng sóng chấn động $\rightarrow$ lọc nhiễu bằng thuật toán Kalman mở rộng và EM $\rightarrow$ nhận dạng quan hệ phi tuyến bằng mạng ANN $\rightarrow$ thiết kế cấu trúc hệ thống thiết bị phần cứng tự động hóa quá trình vi sai thích nghi.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Lý thuyết lan truyền sóng nổ: Khi lượng thuốc nổ kích nổ, năng lượng chuyển hóa thành sóng ứng suất phá vỡ môi trường đất đá lân cận bãi nổ, sau đó suy giảm và chuyển hóa thành sóng chấn động lan truyền ra xa. Sóng chấn động gồm sóng khối (sóng nén P, sóng cắt S) và sóng bề mặt (sóng Rayleigh R). Thành phần sóng dọc P lan truyền theo phương nối từ điểm nổ đến điểm đo (trục L) có vận tốc lớn nhất ($V_P \approx 2 V_S$) và phản ánh trực tiếp các tính chất đàn hồi, mật độ, độ nứt nẻ và độ ẩm của môi trường đất đá.
- Mô hình tính toán thời gian vi sai:
- Công thức giao thoa sóng ứng suất của G. Pakropski:
$$t = \frac{\sqrt{a^2 + 4R^2}}{v_m}$$
Trong đó $a$ là khoảng cách giữa các lượng thuốc (m), $R$ là đường kháng nhỏ nhất (m), $v_m$ là vận tốc lan truyền sóng ứng suất trong đá (m/s).
- Công thức tạo mặt tự do phụ:
$$t = t_1 + t_2 + t_3$$
Với $t_1$ là thời gian sóng truyền đến mặt tự do, $t_2$ là thời gian hình thành nứt nẻ biên, $t_3$ là thời gian đất đá dịch chuyển tạo khe hở.
- Công thức thực nghiệm tính thời gian vi sai theo hệ số nền $k$:
$$t = k \cdot R$$
Hệ số $k$ dao động từ 3 ms/m (đá rất cứng) đến 6 ms/m (đá nứt nẻ mềm yếu).
- Quan hệ vận tốc dao động hạt theo Konya và Walter:
$$v = H \left(\frac{D}{W^\beta}\right)^\alpha$$
Biến đổi theo Nichols, Johnson và Duvall với các hệ số $\alpha = 0{,}5$, $\beta = -1{,}6$:
$$v = 100 \cdot \left(\frac{d}{\sqrt{W}}\right)^{-1{,}6}$$
- Quy chuẩn khoảng cách tỷ lệ ($D_s$): Hệ số khoảng cách tỷ lệ được tính bằng $D_s = \frac{d}{\sqrt{W}}$. Theo QCVN 01:2019/BCT, ngưỡng an toàn quy định như sau:
| Khoảng cách từ vị trí nổ đến công trình ($d$) |
Hệ số tỷ lệ khoảng cách tối thiểu ($D_s$) |
| Từ 0 đến dưới 92 m |
$D_s \ge 22{,}6$ |
| Từ 92 m đến 1524 m |
$D_s \ge 24{,}9$ |
| Từ 1524 m trở lên |
$D_s \ge 29{,}4$ |
Phương pháp nghiên cứu
Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích quá trình lan truyền sóng cơ học trong môi trường địa chất không đồng nhất; thiết lập mô hình hệ thống điều khiển tự động thích nghi.
- Phương pháp xử lý tín hiệu và lọc dữ liệu:
- Bộ lọc Kalman (Kalman Filter - KF) và Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) để ước lượng trạng thái và lọc nhiễu phi tuyến từ dữ liệu đo rung chấn.
- Thuật toán Tối đa hóa kỳ vọng (Expectation Maximization - EM) kết hợp với EKF để tối ưu hóa việc nhận dạng thông số nhiễu môi trường và xác định xu thế biến đổi của vận tốc sóng.
- Mô hình nhận dạng trí tuệ nhân tạo: Xây dựng mô hình Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) truyền thẳng đa lớp để học mối quan hệ phi tuyến giữa thông số vận tốc lan truyền sóng trung bình, thời gian vi sai và vận tốc rung động đỉnh.
- Nghiên cứu thực nghiệm và thu thập dữ liệu: Sử dụng máy đo chấn động chuyên dụng Instantel Blastmate III và kit điều khiển nhúng thời gian thực NI myRIO-1900 gắn cảm biến gia tốc ba trục để ghi nhận dạng sóng rung động theo hệ tọa độ LVT (Longitudinal - Dọc trục, Vertical - Thẳng đứng, Transverse - Ngang).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1 – Tổng quan về nổ mìn và sóng chấn động do nổ mìn
Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kỹ thuật nổ mìn và các hiệu ứng cơ bản của nổ mìn vi sai, bao gồm: hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất, hiệu ứng tạo mặt tự do phụ và hiện tượng va đập của đất đá bay. Tác giả phân tích các dạng sơ đồ nổ vi sai điển hình (vi sai theo hàng, vi sai dạng sóng, vi sai nêm thang, nêm tam giác, nêm tròn và sơ đồ vi sai qua lỗ đặt tải nổ 4 lần).
Nội dung chương đi sâu vào bản chất của sóng chấn động do nổ mìn, đặc tính lan truyền trong môi trường đất đá, mối quan hệ giữa vận tốc dao động của hạt đất đá với khoảng cách và khối lượng thuốc nổ nổ trong một thời điểm vi sai. Chương 1 tổng kết các bảng tra thời gian dãn cách kinh nghiệm theo M. Drukovanui:
| Loại đất đá |
Độ cứng ($f$) |
$R = 1{,}5 - 3\text{ m}$ |
$R = 3 - 4{,}5\text{ m}$ |
$R = 4{,}5 - 6\text{ m}$ |
$R = 6 - 8\text{ m}$ |
$R = 8 - 10\text{ m}$ |
| Cứng và rất cứng |
12–20 |
12–15 ms |
19–21 ms |
25–31 ms |
31–37 ms |
37–44 ms |
| Cứng trung bình |
8–14 |
19–21 ms |
25–31 ms |
31–37 ms |
37–40 ms |
43–50 ms |
| Dính kết và mềm |
4–8 |
25–31 ms |
31–37 ms |
37–40 ms |
43–50 ms |
50–65 ms |
Phần cuối chương phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam, chỉ ra các hạn chế trong thực tế điều khiển nổ mìn tại các mỏ lộ thiên trong nước, từ đó xác định quy trình nghiên cứu gồm 6 bước thực hiện.
Chương 2 – Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động nổ mìn
Chương 2 tập trung vào việc thu thập và phân tích dữ liệu thực tế tại hai mỏ lộ thiên có điều kiện địa chất khác nhau: mỏ than Núi Béo (Quảng Ninh) và mỏ đá vôi Hồng Sơn (Hà Nam).
| Thông số đối tượng |
Mỏ than Núi Béo |
Mỏ đá vôi Hồng Sơn |
| Địa điểm |
TP. Hạ Long, Quảng Ninh |
Huyện Kim Bảng, Hà Nam |
| Kiểu nổ mìn |
Nổ vi sai toàn phần |
Nổ vi sai toàn phần |
| Thiết bị đo chấn động |
Blastmate III |
Blastmate III |
| Đơn vị thực hiện đo |
Công ty Hóa chất mỏ Cẩm Phả |
Trung tâm nghiên cứu Cơ Điện Mỏ |
Tác giả xây dựng quy trình và thuật toán xác định vị trí các đỉnh sóng cao nhất trên trục L (thành phần sóng dọc P) và rung động tổng hợp PPV. Bằng cách kết hợp sơ đồ vi sai thực tế với khoảng thời gian xuất hiện giữa các đỉnh sóng trên biểu đồ ghi chấn động, tác giả xác định được thời gian lan truyền thực tế từ từng hàng/lỗ mìn đến điểm đo, từ đó tính toán vận tốc lan truyền trung bình của sóng chấn động cho từng vụ nổ:
- Phân tích 2 vụ nổ tại mỏ Núi Béo: Vụ nổ NB1 (vận tốc lan truyền tính toán trung bình từ 1000 m/s đến 2200 m/s) và vụ nổ NB2.
- Phân tích 2 vụ nổ tại mỏ đá vôi Hồng Sơn: Vụ nổ HS1 (vận tốc lan truyền trung bình đạt trên 2500 m/s đến 3800 m/s) và vụ nổ HS2.
Kết quả khẳng định môi trường đất đá có tính bất đồng nhất cao; vận tốc lan truyền sóng chấn động giữa các đợt nổ trong cùng một vụ nổ có sự biến thiên lớn do các đứt gãy, khe nứt và biến dạng nén ép cục bộ.
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
Chương 3 giải quyết bài toán xử lý nhiễu dữ liệu và thiết lập mô hình nhận dạng. Các nguồn gây nhiễu chính được phân tích gồm: nhiễu do cấu trúc địa chất, địa hình, nhiễu môi trường truyền dẫn, nhiễu cảm biến và sai số thi công.
Tác giả thiết lập chu trình xử lý dữ liệu kết hợp:
- Áp dụng thuật toán EKF để ước lượng trạng thái vận tốc và biên độ sóng theo thời gian.
- Kết hợp thuật toán EM để tối ưu ma trận hiệp phương sai nhiễu, loại bỏ các giá trị dị biệt và trích xuất xu thế biến đổi thực tế của vận tốc sóng.
Sau khi có tập dữ liệu chuẩn hóa, tác giả tiến hành thiết kế và huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với các cấu trúc khác nhau nhằm tìm ra cấu trúc tối ưu:
- Mạng ANN 1 lớp ẩn.
- Mạng ANN 2 lớp ẩn (thử nghiệm qua 3 trường hợp cấu hình số lượng nơ-ron khác nhau).
- Mạng ANN 3 lớp ẩn.
Dữ liệu huấn luyện và kiểm tra được so sánh đánh giá dựa trên sai số bình phương trung bình (MSE) và hệ số tương quan ($R^2$). Kết quả cho thấy mô hình ANN 2 lớp ẩn với cấu hình nơ-ron phù hợp cho độ chính xác cao nhất trong việc mô phỏng quan hệ giữa vận tốc lan truyền sóng trung bình, thời gian vi sai và vận tốc rung động đỉnh. Sau đó, tác giả tiến hành thử nghiệm mô hình trong các dải thời gian vi sai từ 8–22 ms để đánh giá quy luật biến đổi 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
Chương 4 đề xuất giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống tự động hóa khép kín gồm hai thành phần chính:
- Trạm cảm biến đo chấn động thông minh: Đặt tại công trình cần bảo vệ hoặc khu dân cư, sử dụng cảm biến gia tốc ba trục và vi xử lý nhúng để thu thập tín hiệu sóng chấn động, thực hiện thuật toán lọc EKF/EM trực tiếp tại trạm.
- Thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập (mô-đun trung tâm): Nhận dữ liệu vận tốc lan truyền sóng đã qua xử lý từ trạm cảm biến qua kênh truyền thông không dây, chạy mô hình nhận dạng ANN để tính toán giá trị thời gian vi sai tối ưu ($T_{vs0}$) và đưa ra mức rung động dự báo ($V_{rd0}$) cho vụ nổ kế tiếp, đồng thời trực tiếp điều khiển phát xung kích nổ chính xác tới từng kênh.
Tác giả đã thực hiện các thử nghiệm thực tế:
- Kiểm tra thiết bị đo trong phòng thí nghiệm và hiện trường nhà dân cạnh khu vực khai thác bằng kit nhúng NI myRIO-1900.
- Thử nghiệm so sánh thuật toán xử lý dữ liệu: EKF 1 vòng (EKF 1round), EKF thuận - nghịch (EKF forward-backward) và EKF 2 vòng (EKF 2round).
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng, lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị khởi nổ đa kênh độc lập và trạm cảm biến đo chấn động, hoàn thiện quy trình vận hành tự động điều chỉnh thời gian vi sai.
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học
- Đã xây dựng phương pháp xác định gián tiếp trạng thái đất đá khu vực bãi nổ thông qua việc xác định vận tốc lan truyền trung bình của sóng chấn động bằng cách phân tích kết hợp sơ đồ nổ vi sai với biểu đồ dạng sóng dao động ghi nhận được tại điểm đo.
- Ứng dụng thành công thuật toán lọc Kalman mở rộng (EKF) kết hợp thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (EM) để xử lý, loại bỏ các thành phần nhiễu môi trường và xác định chính xác quy luật biến thiên vận tốc lan truyền sóng chấn động nổ mìn.
- Ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) xây dựng mô hình nhận dạng phi tuyến mô tả mối quan hệ giữa thời gian vi sai, vận tốc lan truyền sóng chấn động và mức độ chấn động mặt đất (PPV), cho phép tính toán thời gian vi sai thích ứng cho vụ nổ tiếp theo.
Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật
- Đề xuất cấu trúc và giải thuật điều khiển cho hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động, bao gồm thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập và trạm cảm biến đo chấn động.
- Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm đo đạc chi tiết về sóng chấn động nổ mìn tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn.
- Giải pháp hệ thống đề xuất có khả năng chế tạo trong nước bằng các linh kiện điện tử sẵn có, giúp hạ giá thành so với việc nhập khẩu đồng bộ hệ thống kíp nổ điện tử của nước ngoài, phù hợp với năng lực tài chính và trình độ công nghệ tại các mỏ lộ thiên Việt Nam.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Do tính chất quản lý an toàn nghiêm ngặt đối với vật liệu nổ công nghiệp, nghiên cứu không thể chủ động thay đổi tự do các thông số mạng nổ để thử nghiệm mở rộng mà phải dựa vào dữ liệu đo giám sát thực tế tại 2 mỏ (mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn).
- Mô hình hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và thiết bị khởi nổ đa kênh độc lập mới dừng lại ở mức độ thiết kế nguyên lý, thuật toán điều khiển và thử nghiệm mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm kết hợp đo thử nghiệm hiện trường bằng kit nhúng NI myRIO-1900, chưa chế tạo thành sản phẩm công nghiệp hoàn chỉnh để vận hành thương mại dài hạn.
Hướng nghiên cứu tiếp
- Tiếp tục mở rộng thu thập dữ liệu tại nhiều mỏ lộ thiên có cấu trúc địa chất, loại đất đá và quy mô nổ khác nhau để làm giàu tập dữ liệu huấn luyện cho mạng nơ-ron.
- Hoàn thiện chế tạo phần cứng thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập đạt các tiêu chuẩn công nghiệp về an toàn nổ mìn mỏ.
- Mở rộng phạm vi ứng dụng của phương pháp điều khiển vi sai thích ứng cho các lĩnh vực nổ mìn khác như: khai thác khoáng sản hầm lò, đào đường hầm giao thông, công trình thủy điện và xây dựng dân dụng ngầm.
Giá trị tham khảo
Bản luận án cung cấp tài liệu tham khảo cho các đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật khai thác mỏ, Kỹ thuật nổ mìn công trình. Phần phương pháp xử lý tín hiệu bằng EKF-EM (Chương 3) và thuật toán nhận dạng ANN là tài liệu tham khảo cho bài toán lọc nhiễu và điều khiển thích nghi hệ phi tuyến.
- Kỹ sư nổ mìn và cán bộ kỹ thuật tại các mỏ lộ thiên: Cung cấp phương pháp phân tích dạng sóng chấn động từ các máy đo thương mại (như Blastmate) để đánh giá điều kiện địa chất và xác định thời gian vi sai hợp lý hơn phương pháp tra bảng kinh nghiệm truyền thống.
- Cơ quan quản lý an toàn và môi trường: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm về mức độ rung chấn theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 01:2019/BCT, hỗ trợ công tác thẩm định hộ chiếu nổ mìn và bảo vệ an toàn cho các công trình dân sinh lân cận mỏ.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao tác giả lại sử dụng vận tốc sóng dọc (sóng P) trên trục L để nhận dạng hiện trạng đất đá?
Trong ba thành phần sóng chấn động (P, S, R), sóng nén P lan truyền trực tiếp từ điểm nổ đến điểm đo theo phương dọc trục (trục L) với vận tốc lớn nhất ($V_P$). Vận tốc $V_P$ phụ thuộc trực tiếp vào các đặc tính cơ lý của khối đá như mật độ, sức kháng nén, độ rỗng, mức độ nứt nẻ và độ ẩm. Do đó, việc trích xuất $V_P$ từ trục L cung cấp thông tin gián tiếp chính xác nhất về trạng thái biến dạng và độ nguyên khối của đất đá tại khu vực nổ.
2. Thuật toán EKF và EM đóng vai trò gì trong việc xử lý dữ liệu sóng chấn động?
Tín hiệu rung chấn ghi nhận tại hiện trường bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu ngẫu nhiên (nhiễu phản xạ địa hình, nhiễu cảm biến, biến thiên thi công). Thuật toán lọc Kalman mở rộng (EKF) được sử dụng để ước lượng trạng thái phi tuyến của sóng, trong khi thuật toán Tối đa hóa kỳ vọng (EM) giúp xác định tối ưu các thông số thống kê của nhiễu. Sự kết hợp EKF-EM giúp làm mịn dữ liệu vận tốc lan truyền và biên độ sóng, loại bỏ các điểm dị biệt trước khi đưa vào huấn luyện mô hình nhận dạng.
3. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) nào được lựa chọn trong luận án?
Tác giả đã thử nghiệm huấn luyện các cấu trúc mạng ANN có 1 lớp ẩn, 2 lớp ẩn (với 3 trường hợp cấu hình số lượng nơ-ron khác nhau) và 3 lớp ẩn. Kết quả kiểm tra và đánh giá sai số cho thấy mạng ANN với cấu trúc 2 lớp ẩn mang lại độ chính xác cao nhất và khả năng khái quát hóa tốt nhất để nhận dạng mối quan hệ giữa vận tốc sóng, thời gian vi sai và mức chấn động đỉnh.
4. Hệ thống tự động hiệu chỉnh thời gian vi sai do tác giả đề xuất hoạt động theo nguyên lý nào?
Hệ thống hoạt động theo vòng điều khiển kín giữa các vụ nổ: Trạm cảm biến đo rung chấn của vụ nổ thứ nhất, lọc dữ liệu qua thuật toán EKF-EM và gửi thông số vận tốc sóng về thiết bị khởi nổ trung tâm. Mô-đun trung tâm sử dụng mạng ANN đã huấn luyện để nhận dạng trạng thái đất đá, tự động tính toán thời gian vi sai tối ưu ($T_{vs0}$) và dự báo mức rung chấn ($V_{rd0}$) cho vụ nổ kế tiếp, sau đó phát xung điều khiển chính xác tới các kênh khởi nổ độc lập.
5. Luận án đã tiến hành đo đạc thực nghiệm trên những thiết bị phần cứng nào?
Về thiết bị đo chuyên dụng, tác giả sử dụng máy đo chấn động Instantel Blastmate III tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn. Về thiết bị nghiên cứu tự chế tạo và thử nghiệm, tác giả sử dụng kit nhúng thời gian thực NI myRIO-1900 kết hợp với các cảm biến gia tốc MEMS 3 trục để đo rung chấn và kiểm chứng thuật toán lọc tín hiệu EKF.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Đào Hiếu đã hoàn thành mục tiêu ứng dụng các công cụ điều khiển hiện đại gồm thuật toán lọc EKF-EM và mạng nơ-ron nhân tạo ANN để nhận dạng vận tốc lan truyền sóng chấn động và xác định thời gian vi sai thích ứng trong nổ mìn mỏ lộ thiên. Công trình đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng dữ liệu sóng chấn động của vụ nổ trước để hiệu chỉnh thông số nổ cho vụ nổ tiếp theo, đồng thời đề xuất giải pháp thiết kế trạm cảm biến và thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập phù hợp với điều kiện khai thác mỏ tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc tự động hóa, nâng cao an toàn và giảm thiểu tác động môi trường của công tác khoan nổ mìn.
