Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở việt nam, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng dụng

• Tác giả: Đào Hiếu
• Người hướng dẫn: Phạm Văn Hòa
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nổ mìn

Nổ mìn là một phương pháp quan trọng trong khai thác khoáng sản, đặc biệt là tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam. Quá trình này bao gồm việc khoan lỗ vào đất đá và nạp thuốc nổ vào đó. Khi thuốc nổ được kích nổ, nó sẽ tạo ra một lực lớn, phá vỡ cấu trúc đất đá xung quanh. Việc nổ mìn có thể được thực hiện đồng thời hoặc theo thứ tự, với thời gian dãn cách giữa các vụ nổ. Nổ mìn vi sai, với thời gian dãn cách tính bằng miligiây, cho phép kiểm soát tốt hơn kích thước và hình dạng của các cục đá sau nổ. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo nghiên cứu, việc áp dụng công nghệ nổ mìn hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế trong khai thác khoáng sản.

1.1. Hiệu ứng của nổ mìn

Nổ mìn tạo ra nhiều hiệu ứng khác nhau, bao gồm sóng chấn động và sự dịch chuyển của đất đá. Sóng chấn động do nổ mìn có thể gây ra những ảnh hưởng không mong muốn đến các công trình lân cận. Do đó, việc điều khiển mức độ chấn động là rất quan trọng. Các nghiên cứu cho thấy rằng khoảng cách và lượng thuốc nổ sử dụng có ảnh hưởng lớn đến mức độ chấn động. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại có thể giúp giảm thiểu tác động này, đảm bảo an toàn cho lao động và môi trường xung quanh.

II. Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động

Việc xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các vụ nổ mìn. Nghiên cứu này tập trung vào việc thu thập dữ liệu từ các vụ nổ tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn. Các phương pháp phân tích dữ liệu được sử dụng bao gồm kỹ thuật lọc Kalman và mạng nơ ron nhân tạo (ANN). Kết quả cho thấy rằng vận tốc lan truyền sóng chấn động có thể được xác định chính xác thông qua việc phân tích sơ đồ nổ và dạng sóng chấn động thu được. Điều này không chỉ giúp cải thiện quy trình nổ mìn mà còn nâng cao hiệu quả kinh tế trong khai thác khoáng sản.

2.1. Phân tích dữ liệu

Phân tích dữ liệu thu thập được từ các vụ nổ cho thấy mối quan hệ giữa thời gian vi sai và vận tốc lan truyền sóng chấn động. Việc sử dụng các thuật toán hiện đại như EM (Expectation Maximization) giúp tối ưu hóa quá trình phân tích, từ đó đưa ra các dự báo chính xác về mức độ chấn động. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ hiện đại trong nổ mìn không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn đảm bảo an toàn cho lao động và môi trường.

III. Xây dựng mô hình nhận dạng mối quan hệ giữa thời gian vi sai và vận tốc lan truyền

Mô hình nhận dạng mối quan hệ giữa thời gian vi sai và vận tốc lan truyền sóng chấn động được xây dựng dựa trên dữ liệu thu thập từ các vụ nổ. Việc áp dụng mạng nơ ron nhân tạo (ANN) cho phép xác định chính xác thời gian vi sai hợp lý, từ đó dự báo mức độ chấn động cho các vụ nổ tiếp theo. Mô hình này không chỉ giúp cải thiện quy trình nổ mìn mà còn có thể được áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong khai thác khoáng sản. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng công nghệ hiện đại trong nổ mìn có thể nâng cao đáng kể hiệu quả kinh tế và an toàn lao động.

3.1. Ứng dụng công nghệ trong nổ mìn

Việc ứng dụng công nghệ hiện đại trong nổ mìn, như trí tuệ nhân tạo và dữ liệu lớn, đã cho thấy những kết quả tích cực. Các thiết bị điện tử thông minh giúp kiểm soát tốt hơn các vụ nổ, từ đó giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu này khẳng định rằng việc áp dụng các công nghệ mới là cần thiết để nâng cao hiệu quả và an toàn trong khai thác khoáng sản tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam.

IV. Nghiên cứu giải pháp xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai

Hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai được đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả của các vụ nổ mìn. Hệ thống này sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu chấn động và điều chỉnh thời gian vi sai một cách tự động. Việc áp dụng hệ thống này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình nổ mìn mà còn đảm bảo an toàn cho lao động và giảm thiểu tác động đến môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ thống tự động có thể cải thiện đáng kể hiệu quả kinh tế trong khai thác khoáng sản.

4.1. Thử nghiệm hệ thống

Các thử nghiệm được thực hiện tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn cho thấy hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai hoạt động hiệu quả. Kết quả cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ hiện đại trong nổ mìn có thể nâng cao đáng kể hiệu quả kinh tế và an toàn lao động. Hệ thống này có thể được mở rộng và áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau trong khai thác khoáng sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.

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”. TỔNG QUAN VỀ NỔ MÌN VÀ SÓNG CHẤN ĐỘNG DO NỔ MÌN 1. Tổng quan về nổ mìn 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. Các hiệu ứng của nổ mìn vi sai 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 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.Pakropski [18][2]: 7 a2  4R 2 t (1-1) vm Trong đó: a là khoảng cách giữa các lượng thuốc; R là đường kháng nhỏ nhất (là khoảng cách từ trọng tâm lượng thuốc nổ đến mặt thoáng theo phương ngang, cũng chính là khoảng cách giữa các hàng); và vm là tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá. Tốc độ lan truyền trong khối đá bằng khoảng 4000-5000 m/s, đường cản thông thường bằng 1-8m, thời gian để sóng phản xạ truyền đến lượng thuốc 2 từ 0,5-5ms (không vượt quá 6ms) [24][25][26]. Để hiệu ứng giao thoa tối ưu, khoảng thời gian vi sai cần chính xác đến 0,1ms.

Tuy nhiên, đất đá là môi trường không đồng nhất đẳng hướng, trong khối đá tồn tại nhiều nứt nẻ làm giảm nhanh tốc độ lan truyền và biên độ sóng ứng suất làm cho sóng ứng suất tồn tại trong khoảng thời gian rất nhỏ, khoảng lan truyền ngắn (trong phạm vi bãi nổ). Do đó, việc xác định tốc độ sóng ứng suất là bài toán không hề đơn giản, dẫn đến khó khăn trong sử dụng hiệu ứng này. Tạo thành mặt tự do phụ Các nghiên cứu về sự ảnh hưởng của mặt tự do phụ đến cơ chế phá hủy đất đá đã chỉ ra rằng: - Khối lượng đất đá phá hủy tỷ lệ thuận với số mặt tự do (Hình 1. - 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, đất đá chuyển dịch về phía bề mặt tự do.2 Sơ đồ tác dụng của số mặt tự do và tạo mặt tự do phụ [6] a,b,c – khối lượng đất đá bị phá vỡ khi có 1,2,3 mặt tự do 1 – lượng nổ nổ trước, 2 – lượng nổ nổ sau 8 Khi chiều rộng khe hở do hàng nổ trước không đủ lớn, sự phá vỡ khó khăn hơn vì lúc đó 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 [2]. 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 [2]: t = t1+t2+t3 (ms). Trong đó: t1 là thời gian lan truyền sóng ứng suất từ vị trí đặt lượng thuốc nổ đến mặt tự do (ms); t2 là thời gian tạo thành nứt nẻ theo biên lăng trụ phá vỡ (ms); và t3 là thời gian chuyển dịch đất đá để tạo thành khe hở đủ rộng (ms).

Sự va đập của các cục đá bay khi nổ Hiện tượng này xảy ra khi các 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 chỉ ra rằng, chất lượng đập vỡ tốt nếu hướng bay của các cục đá cắt nhau một góc không nhỏ hơn 90 độ. Trong trường hợp nổ theo hàng, đất đá mặt trước của các đợt nổ sau (tốc độ 20-60m/s) va đập với đất đá mặt sau của đợt nổ trước (tốc độ 3-6m/s).

Khi nổ vi sai, quá trình phá vỡ đất đá bằng những lượng thuốc của đợt đầu tương tự như phá vỡ đất đá của 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 tác dụng của sóng 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 sự phức tạp về sự giao thoa của sóng ứng suất.

Thời gian đất đá ở trong trạng thái tác dụng ứng suất tăng lên, làm tăng hiệu quả nổ. Một số dạng sơ đồ vi sai cơ bản Sơ đồ vi sai là sơ đồ mô tả thứ tự điều khiển các lượng nổ theo thời gian. Việc lựa chọn sơ đồ này phụ thuộc vào điều kiện nổ, điều kiện địa chất, mục đích và yêu cầu của vụ nổ, một phần phụ thuộc vào phương tiện vi sai. Trong sơ đồ cũng thể hiện thứ 9 tự nổ theo thời gian vi sai.

Một số dạng sơ đồ vi sai cơ bản được mô tả trong Hình 1. 50 125 75 35 100 50 0 75 25 35 50 0 50 0 0 0 25 c) a) b) 168 160 ms ms 126 101 118 ms ms ms 84 67 59 76 ms ms ms ms 50 0 25 50 75 0 25 75 42ms 25ms 0 ms 17ms 34ms d) e) f) Hình 1.3 Các sơ đồ nổ vi sai [6] a) - Vi sai qua hàng ; b) – Vi sai theo dạng sóng (còn gọi là vi sai qua hàng qua lỗ) ; c) – Vi sai theo nêm thang ; d) – Vi sai theo nêm tam giác; e) – Vi sai theo nêm tròn; f) – Sơ đồ vi sai qua lỗ đặt tải nổ 4 lần 1. Sóng chấn động do nổ mìn 1. Cơ bản về sóng chấn động Sóng chấn động là sóng rung động lan truyền trên bề mặt trái đất.

Những sóng này đại diện cho việc truyền năng lượng qua lớp vỏ cứng của trái đất. Ngoài các sóng chấn động được tạo ra tự nhiên (do động đất thường gọi là địa chấn), còn có sóng chấn động nhân tạo (do nổ mìn, đóng cọc,… còn được gọi là rung động) [25][26]. Bỏ qua trường hợp địa chấn, những “rung động” nhân tạo được gọi chung là sóng chấn động. Sóng chấn động được chia thành hai nhóm cơ bản sóng lan truyền trong đất đá (body waves – sóng khối) và sóng lan truyền trên bề mặt (surface waves – sóng bề mặt).

10 Sóng khối truyền qua khối đá, xuyên sâu vào bên trong khối đá. Sóng khối gồm hai loại : sóng nén (Compressional waves – viết tắt là P) và sóng cắt (Shear waves – viết tắt là S). Sóng bề mặt truyền đi trên bề mặt khối đá. Độ sâu mà khối đá bị ảnh hưởng bởi chuyển động sóng là khoảng một chiều dài của một chu kỳ sóng.