Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam" do nghiên cứu sinh Đào Hiếu thực hiện tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất (Hà Nội, năm 2022), thuộc ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, mã số ngành 9520216, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Phạm Văn Hòa và TS. Đặng Văn Chí.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong khai thác khoáng sản lộ thiên tại Việt Nam, phương pháp khoan nổ mìn đóng vai trò chủ đạo nhằm phá vỡ đất đá phục vụ công tác xúc bốc và vận chuyển. Kích thước hạt đất đá sau nổ, độ ổn định bờ dốc, mức độ chấn động và khoảng cách đất đá văng có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả kinh tế và an toàn môi trường xung quanh mỏ. Phương pháp nổ mìn vi sai (khởi nổ các lượng thuốc cách nhau khoảng thời gian tính bằng mili giây) được áp dụng phổ biến nhằm giảm chấn động và tăng cường hiệu quả đập vỡ.

Tuy nhiên, tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam, việc xác định thời gian vi sai hiện nay chủ yếu dựa trên các công thức kinh nghiệm thực nghiệm hoặc tra bảng cố định kết hợp hiệu chỉnh thủ công. Thiết bị khởi nổ phần lớn là các phương tiện truyền thống, có sai số thời gian tương đối lớn (khoảng 1-2 ms theo QCVN 01:2019/BCT) và tính linh hoạt thấp. Trong khi đó, đặc thù địa chất đất đá luôn tồn tại tính không đồng nhất, nứt nẻ và phân lớp phức tạp. Việc áp dụng các công nghệ điều khiển hiện đại, thuật toán xử lý dữ liệu và trí tuệ nhân tạo để tự động nhận dạng trạng thái đất đá và hiệu chỉnh thời gian vi sai phù hợp với từng vụ nổ vẫn còn rất hạn chế và chưa tạo thành giải pháp đồng bộ trong nước. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại để xác định thời gian vi sai hợp lý và xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh cho các mỏ lộ thiên mang tính cấp thiết cao.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án

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.

Để đạt được mục tiêu này, luận án tập trung giải quyết 4 nội dung nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu về kỹ thuật nổ mìn vi sai.
  2. 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.
  4. 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.

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 các mỏ lộ thiên ở Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu: Các vụ nổ mìn vi sai tại các mỏ khai thác lộ thiên ở Việt Nam, với dữ liệu thực nghiệm được đo đạc, thu thập tại khu vực khai thác lộ thiên mỏ than Núi Béo (Quảng Ninh) và mỏ đá vôi Hồng Sơn thuộc Công ty xi măng Bút Sơn (Hà Nam).

Các luận điểm bảo vệ của luận án

  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.
  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.
  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.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Kỹ thuật nổ mìn vi sai được ghi nhận áp dụng lần đầu tiên vào năm 1934-1935 tại Đức và sau đó phát triển rộng rãi trên toàn cầu. Các công trình nghiên cứu cơ bản về sóng nổ và tương tác vi sai đã làm rõ nhiều khía cạnh vật lý:

  • Hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất: Giáo sư G. Pakropski đã thiết lập công thức tính thời gian vi sai tối ưu để bảo đảm giao thoa sóng ứng suất: $$t = \frac{\sqrt{a^2 + 4R^2}}{v_m}$$ (trong đó: $a$ là khoảng cách giữa các lượng thuốc, $R$ là đường kháng nhỏ nhất, $v_m$ là tốc độ lan truyền sóng ứng suất trong đất đá).
  • Quy luật lan truyền dao động hạt và chấn động: Các nghiên cứu của Nichols, Johnson, Duvall cùng công trình của Konya và Edward J. Walter đã xác lập quan hệ hàm mũ giữa vận tốc dao động của hạt đất đá ($v$), khối lượng thuốc nổ một lần nổ ($W$) và khoảng cách từ tâm nổ đến điểm đo ($d$): $$v = H \left(\frac{d}{\sqrt{W}}\right)^{-1{,}6}$$
  • Nghiên cứu thực nghiệm về thời gian vi sai và mức độ đập vỡ:
    • Rossmanith chỉ ra rằng tương tác của sóng ứng suất và các vết nứt có thể nâng cao mức độ đập vỡ, nhưng đòi hỏi thời gian vi sai rất ngắn.
    • Katsabanis và cộng sự tiến hành thí nghiệm trên các mẫu đá với thời gian vi sai từ 0 đến 4000 $\mu\text{s}$, kết luận rằng mức độ đập vỡ tối ưu đạt được khi tỷ lệ giữa thời gian vi sai và đường cản chân tầng nằm trong khoảng từ 4 ms/m đến 10 ms/m.
    • Sjoberg sử dụng mô hình mô phỏng số kiểm tra giả thuyết Rossmanith và kết luận tương tác sóng ứng suất chỉ mang tính cục bộ; mức độ đập vỡ đạt hiệu quả cao khi sử dụng thời gian vi sai tương đối dài khi sóng ứng suất đã đi qua lỗ liền kề.
    • Johansson và Ouchterlony khảo sát dải thời gian vi sai 0-146 $\mu\text{s}$ trên mô hình hai hàng lỗ, chứng minh ứng suất sinh ra từ hàng nổ trước làm thay đổi mức độ đập vỡ của hàng sau.
    • Johnson thí nghiệm trên các khối bê tông có va chạm sóng xung kích, chỉ ra rằng va chạm trực diện sóng xung kích có thể làm gia tăng mật độ và giảm mức độ đập vỡ; thời gian vi sai tối ưu phải dài hơn thời gian tương tác sóng đơn thuần.
    • Yang và Rai thử nghiệm thực tế tại mỏ đá vôi Century Cements (Raipur, Ấn Độ) với các mẫu vi sai 17 ms và 25 ms (tương ứng 8 ms/m và 12 ms/m), chứng minh mẫu 17 ms mang lại mức độ đập vỡ đồng đều hơn.
  • Ứng dụng công nghệ điều khiển và phần mềm: Blasters Tool and Supply Co. phát triển hệ thống phần mềm quản lý và phân tích dữ liệu BIMS (Blast Information Management System); việc điều khiển thời gian vi sai chính xác được thực hiện nhờ kíp nổ điện tử có chip vi xử lý hoặc hệ thống bộ điều khiển trung tâm kết hợp các bộ điều khiển trung gian.

Các hướng nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, các nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học vào bài toán dự báo chấn động nổ mìn đã được triển khai qua các công trình ứng dụng: Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN), Rừng ngẫu nhiên (Random Forest - RF), Hồi quy véc-tơ hỗ trợ (Support Vector Regression - SVR), Thuật toán lập thể (Cubist Algorithm - CA), Mô hình tăng cường độ dốc (XGBoost), Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) và Tối ưu hóa đom đóm (FFA). Một số tác giả trong nước đã đề xuất các mô hình lai như HKM-CA, PSO-XGBoost và FFA-ANN để nâng cao độ chính xác dự báo rung chấn. Về công nghệ thực tế, mỏ đa kim Núi Pháo đã bước đầu thử nghiệm kíp nổ điện tử với khả năng chỉnh định thời gian vi sai vô cấp.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù đã có các công trình ứng dụng AI trong dự báo, phần lớn các nghiên cứu trong nước vẫn dừng lại ở mức độ mô phỏng trên các bộ dữ liệu tĩnh, quy mô nhỏ, chưa làm rõ quy trình xử lý và lọc nhiễu dữ liệu đo. Bên cạnh đó, chưa có công trình nào giải quyết bài toán nhận dạng gián tiếp trạng thái đất đá thông qua việc trích xuất vận tốc lan truyền sóng chấn động từ các vụ nổ trước để tự động tính toán, hiệu chỉnh thời gian vi sai cho vụ nổ kế tiếp theo cấu trúc điều khiển phản hồi thích nghi phù hợp với điều kiện trang thiết bị và kinh tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm nền tảng

  • Lý thuyết sóng nổ và sự chuyển hóa năng lượng: Năng lượng nổ trong lỗ khoan chuyển hóa thành sóng ứng suất phá vỡ đất đá trong phạm vi bãi nổ và sóng chấn động lan truyền ra môi trường xung quanh. Sóng chấn động gồm sóng khối (sóng nén dọc $P$, sóng cắt ngang $S$) và sóng bề mặt (sóng Rayleigh $R$). Trong đó, thành phần sóng dọc $P$ lan truyền trực tiếp theo phương nối tâm nổ đến điểm đo (trục $L$) có vận tốc lan truyền lớn nhất ($V_P \approx 2 V_S$) và phản ánh trực tiếp tính chất đàn hồi, mật độ, độ nứt nẻ của môi trường đất đá.
  • Hệ tọa độ ba chiều mô tả rung chấn (LVT):
    • Trục dọc ($L$ - Longitudinal): Phương từ điểm nổ đến điểm đo.
    • Trục ngang ($T$ - Transverse): Phương vuông góc với trục dọc trên mặt phẳng ngang.
    • Trục đứng ($V$ - Vertical): Phương thẳng đứng vuông góc với mặt phẳng $L-T$.
  • Hệ số tỷ lệ khoảng cách ($D_s$): Được xác định theo công thức $D_s = d / \sqrt{W}$, biểu thị tương quan an toàn giữa khoảng cách $d$ (m) và khối lượng thuốc nổ lớn nhất trên một thời điểm vi sai $W$ (kg). Quy chuẩn QCVN 01:2019/BCT quy định ngưỡng an toàn $D_s$ theo từng dải khoảng cách.
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 $D_s \ge 29{,}4$
  • Kỹ thuật xử lý tín hiệu và lọc nhiễu:
    • Bộ lọc Kalman (Kalman Filter - KF).
    • Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) xử lý các trạng thái phi tuyến.
    • Thuật toán Tối đa hóa kỳ vọng (Expectation Maximization - EM) ước lượng tham số và khử nhiễu tín hiệu chấn động.
  • Mô hình nhận dạng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Cấu trúc mạng nơ-ron truyền thẳng đa lớp được sử dụng để học mối quan hệ phi tuyến giữa các tham số đầu vào (thời gian vi sai, hiện trạng đất đá) và đầu ra (vận tốc lan truyền sóng chấn động, vận tốc rung động đỉnh).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp:

  1. Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích cơ chế đàn hồi, động học phá hủy của sóng ứng suất và cơ chế lan truyền sóng chấn động trong môi trường địa chất phân lớp; thiết lập thuật toán xác định đỉnh sóng và thuật toán điều khiển chu trình kín.
  2. Nghiên cứu mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng và ngôn ngữ lập trình để xây dựng, huấn luyện và kiểm chứng các cấu trúc mạng ANN (1 lớp ẩn, 2 lớp ẩn, 3 lớp ẩn) kết hợp bộ lọc EKF-EM.
  3. Tổng hợp dữ liệu thực nghiệm: Thu thập số liệu rung chấn thực tế từ các vụ nổ vi sai toàn phần tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn bằng thiết bị đo chuyên dụng Blastmate III. Tiến hành chế tạo mạch thử nghiệm trên nền phần cứng nhúng MyRIO-1900 của National Instruments để đo gia tốc chấn động ba trục.
Thông số nghiên cứu Đối tượng 1: Mỏ than Núi Béo Đối tượng 2: Mỏ đá vôi Hồng Sơn
Địa điểm TP. Hạ Long, Tỉnh Quảng Ninh Huyện Kim Bảng, Tỉnh Hà Nam
Đặc điểm cấu trúc Đất đá mỏ than, vỉa than xen kẹp đất đá Khối đá vôi trầm tích
Kiểu vụ nổ Nổ vi sai toàn phần Nổ vi sai toàn phần
Thiết bị đo chấn động Máy đo chấn động Blastmate III Máy đo chấn động Blastmate III
Đơn vị phối hợp thực hiện Công ty Hóa chất mỏ Cẩm Phả Trung tâm nghiên cứu Cơ Điện Mỏ

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 vi sai và các hiện tượng vật lý liên quan. Nổ mìn vi sai là phương pháp kích nổ các nhóm lượng thuốc với khoảng dãn cách thời gian tính bằng mili giây ($t < 1000$ ms; nếu dãn cách $\le 8$ ms được coi là nổ đồng thời). Ba hiệu ứng cơ bản được phân tích gồm:

  • Hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất: Nâng cao trạng thái ứng suất tổng hợp khi sóng phản xạ từ mặt tự do gặp sóng tới của lượng thuốc kế tiếp.
  • Tạo thành mặt tự do phụ: Lượng thuốc nổ trước tạo khe hở và mặt thoáng phụ cho lượng thuốc nổ sau, thời gian dãn cách $t = t_1 + t_2 + t_3$ (thời gian truyền sóng, tạo nứt nẻ và chuyển dịch đất đá).
  • Sự va đập của các cục đá bay khi nổ: Tăng mức độ đập vỡ phụ khi các mảnh đá chuyển động cắt nhau với góc không nhỏ hơn $90^\circ$.

Chương này trình bày các sơ đồ nổ vi sai cơ bản: vi sai qua hàng, vi sai theo dạng sóng (qua hàng qua lỗ), vi sai theo nêm thang, vi sai theo nêm tam giác, vi sai theo nêm tròn và sơ đồ vi sai qua lỗ đặt tải nổ 4 lần. Đồng thời, tác giả tổng hợp bảng tra cứu thời gian dãn cách khi nổ vi sai nhiều hàng của M. Drukovanui theo hệ số độ cứng đất đá $f$ và đường kháng chân tầng $R$:

Loại đất đá Độ cứng $f$ Thời gian vi sai (ms) ứng với $R = 1{,}5 \div 3$ m Thời gian vi sai (ms) ứng với $R = 3 \div 4{,}5$ m Thời gian vi sai (ms) ứng với $R = 4{,}5 \div 6$ m Thời gian vi sai (ms) ứng với $R = 6 \div 8$ m Thời gian vi sai (ms) ứng với $R = 8 \div 10$ m
Cứng và rất cứng 12 - 20 12 - 15 19 - 21 25 - 31 31 - 37 37 - 44
Cứng trung bình 8 - 14 19 - 21 25 - 31 31 - 37 37 - 40 43 - 50
Dính kết và mềm 4 - 8 25 - 31 31 - 37 37 - 40 43 - 50 50 - 65

Chương 1 cũng tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, chỉ ra sự cần thiết phải xác định quy trình nghiên cứu gồm 6 bước: (1) Lựa chọn khu vực thu thập dữ liệu; (2) Phân tích dữ liệu xác định vận tốc lan truyền sóng; (3) Xử lý lọc nhiễu dữ liệu; (4) Xây dựng mô hình nhận dạng ANN; (5) Đề xuất thời gian vi sai và dự báo chấn động; (6) Thiết kế hệ thống thực nghiệm.

Chương 2: Nghiên cứu xác định vận tốc lan truyền của sóng chấn động nổ mìn

Chương 2 tập trung vào việc thu thập dữ liệu rung chấn và xây dựng thuật toán phân tích dạng sóng để trích xuất vận tốc lan truyền sóng chấn động. Dữ liệu sóng rung động được ghi nhận liên tục trong khoảng thời gian 2 giây tại mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn bằng máy đo Blastmate III.

Tác giả xây dựng phương pháp phân tích dựa trên sự kết hợp giữa sơ đồ vi sai thực tế (khoảng cách hình học giữa các hàng lỗ, thời gian dãn cách thiết kế của kíp) và đồ thị dao động sóng trên trục $L$ cùng vận tốc rung động tổng hợp PPV (Peak Particle Velocity). Thuật toán tự động tìm kiếm các điểm cực đại (đỉnh sóng) tương ứng với từng thời điểm kích nổ. Vận tốc lan truyền sóng chấn động được xác định thông qua tỷ số giữa khoảng cách dịch chuyển của tâm nổ tới điểm đo và độ trễ thời gian xuất hiện các đỉnh sóng tương ứng.

Kết quả tính toán vận tốc lan truyền trung bình được thể hiện qua các vụ nổ thực nghiệm:

  • Tại mỏ than Núi Béo: Phân tích chi tiết hai vụ nổ ký hiệu NB1 (bảng tính toán 2-6) và NB2 (bảng tính toán 2-7). Vận tốc sóng chấn động lan truyền trong khối đất đá vỉa than biến thiên và phản ánh mức độ nứt nẻ của địa tầng khai thác.
  • Tại mỏ đá vôi Hồng Sơn: Phân tích hai vụ nổ ký hiệu HS1 (bảng tính toán 2-8) và HS2 (bảng tính toán 2-9). Do tính chất đá vôi có độ cứng và tính đồng nhất cao hơn, vận tốc sóng chấn động đo được có giá trị và độ ổn định khác biệt rõ rệt so với khu vực mỏ than.

Kết quả phân tích khẳng định: hoàn toàn có thể xác định được vận tốc lan truyền sóng chấn động trung bình thông qua xử lý tín hiệu đo chấn động kết hợp sơ đồ mạng nổ vi sai.

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 dữ liệu và nhận dạng hệ thống phi tuyến. Tác giả phân tích 4 nhóm nguồn gây nhiễu chính trong tín hiệu đo sóng chấn động:

  1. Nhiễu do cấu trúc địa chất, tính không đồng nhất và địa hình bãi nổ.
  2. Nhiễu do điều kiện môi trường xung quanh (thời tiết, sóng âm không khí).
  3. Nhiễu do thiết bị cảm biến và sai số lắp đặt tiếp xúc đầu đo.
  4. Nhiễu do các yếu tố ngẫu nhiên khác trong quá trình nổ mìn.

Để loại bỏ nhiễu, luận án ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) kết hợp thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (EM). Quy trình lọc EKF kết hợp EM đã làm mượt các đường đặc tính biên độ và vận tốc lan truyền, trích xuất chính xác các đặc trưng trạng thái từ dữ liệu thực tế mỏ Núi Béo.

Tiếp đó, tác giả xây dựng mô hình mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để nhận dạng mối quan hệ giữa thời gian vi sai ($T_{vs}$), vận tốc lan truyền sóng chấn động trung bình ($V_{tb}$) và mức độ rung động:

  • Khảo sát mạng ANN có một lớp ẩn.
  • Khảo sát mạng ANN có hai lớp ẩn với 3 trường hợp cấu hình số lượng nơ-ron khác nhau.
  • Khảo sát mạng ANN có ba lớp ẩn.

Dựa trên bảng so sánh các chỉ số sai số của các cấu trúc mạng ANN, tác giả lựa chọn cấu trúc tối ưu và tiến hành kiểm chứng. Mô hình được thử nghiệm trong hai trường hợp:

  • Trường hợp 1: Hai giá trị thời gian vi sai bằng nhau và biến thiên trong khoảng 8 - 22 ms.
  • Trường hợp 2: Các giá trị thời gian vi sai độc lập thay đổi giữa các hàng lỗ mìn. Kết quả thử nghiệm cho thấy mô hình ANN đã nhận dạng chính xác xu thế biến đổi của mức độ chấn động và vận tốc lan truyền sóng theo thời gian vi sai.

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 hoàn thiện giải pháp kỹ thuật bằng việc thiết kế cấu trúc hệ thống tự động làm việc theo nguyên lý điều khiển vòng kín thích nghi. Thuật toán xác định thời gian vi sai ($T_{vs0}$) và dự báo mức độ chấn động đỉnh ($V_{rd0}$) cho vụ nổ tiếp theo được xây dựng trên cơ sở dữ liệu đo đạc ($V_{rd1}, T_{vs1}$) và vận tốc sóng tính toán được từ vụ nổ vừa diễn ra.

Hệ thống đề xuất gồm các khối chức năng chính:

  • Thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập: Đóng vai trò mô-đun trung tâm, cho phép thiết lập và kích nổ từng kênh kíp nổ với độ trễ thời gian vi sai chính xác tuyệt đối theo chương trình điều khiển.
  • Trạm cảm biến đo chấn động thông minh: Được thiết kế dựa trên bo mạch nhúng MyRIO-1900 của hãng National Instruments kết hợp cụm cảm biến gia tốc ba trục. Tác giả xây dựng giải thuật thu thập dữ liệu tốc độ cao và xử lý sơ bộ tín hiệu trên MyRIO-1900.
  • Giải thuật lọc tín hiệu thời gian thực: Thử nghiệm xử lý dữ liệu chấn động ba trục XYZ tại mỏ Núi Béo bằng ba phương án lọc: EKF một vòng (EKF 1round), EKF kết hợp lọc thuận - ngược (EKF forward-backward) và EKF hai vòng (EKF 2round).
  • Thử nghiệm thực tế: Thiết bị đo được thử nghiệm kiểm chuẩn trong phòng thí nghiệm trên hệ tọa độ LVT và đo kiểm nghiệm chấn động thực tế tại các công trình nhà dân nằm liền kề khai trường khai thác.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác lập cơ sở khoa học cho việc nhận dạng gián tiếp trạng thái đất đá bãi mìn thông qua vận tốc lan truyền trung bình của sóng chấn động nổ mìn trích xuất từ các vụ nổ vi sai.
  2. Xây dựng thuật toán phân tích dạng sóng chấn động kết hợp sơ đồ mạng nổ để xác định chính xác vận tốc lan truyền sóng dọc $P$.
  3. Ứng dụng thành công thuật toán lọc Kalman mở rộng (EKF) kết hợp thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (EM) để xử lý nhiễu dữ liệu chấn động nổ mìn.
  4. Thiết lập mô hình nhận dạng hệ thống dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) mô tả chính xác quan hệ phi tuyến giữa thời gian vi sai, vận tốc lan truyền sóng và mức độ chấn động đất đá.

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Đề xuất quy trình và thuật toán tự động hiệu chỉnh thời gian vi sai cho vụ nổ kế tiếp và dự báo mức độ rung động mặt đất, giúp kiểm soát an toàn công trình lân cận mỏ.
  2. Thiết kế giải pháp phần cứng hệ thống tự động gồm thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập và trạm đo chấn động nhúng trên nền tảng MyRIO-1900. Giải pháp có tính khả thi kỹ thuật cao, chi phí hợp lý, phù hợp với năng lực công nghệ và điều kiện sản xuất tại các mỏ lộ thiên Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án thực hiện với giả thiết các thông số nổ khác (đường kính lỗ khoan, chỉ tiêu thuốc nổ, cấu trúc cột thuốc, loại thuốc nổ) là cố định; sự thay đổi của sóng chấn động phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái đất đá và thời gian vi sai.
  • Dữ liệu thực nghiệm mới được thu thập và kiểm chứng trên hai dạng địa chất đại diện (mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn); chưa bao phủ toàn bộ các dạng khoáng sản và cấu trúc địa chất phức tạp khác trên cả nước.
  • Việc thử nghiệm hệ thống phần cứng MyRIO-1900 và thiết bị khởi nổ mới dừng lại ở quy mô mẫu thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và đo kiểm tra rung chấn thực tế cục bộ, chưa triển khai kích nổ tự động đại trà tại các bãi mìn quy mô công nghiệp lớn.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo

  • Mở rộng phạm vi ứng dụng thuật toán và mô hình nhận dạng cho các loại hình nổ mìn khác như: nổ mìn khai thác hầm lò, nổ mìn đào hầm giao thông, công trình thủy điện và xây dựng ngầm.
  • Tích hợp mạng truyền thông không dây diện rộng công nghiệp để kết nối trực tuyến thời gian thực giữa nhiều trạm đo chấn động xung quanh mỏ với thiết bị khởi nổ trung tâm.
  • Hoàn thiện đóng gói thiết bị đo và khởi nổ chuyên dụng đáp ứng các tiêu chuẩn phòng nổ và môi trường khắc nghiệt của ngành mỏ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Khai thác mỏ, Kỹ thuật Địa chất, Xây dựng công trình ngầm và Mỏ: Có thể tham khảo phương pháp luận kết hợp giữa lý thuyết xử lý tín hiệu hiện đại (EKF, EM, ANN) với bài toán cơ học đá - nổ mìn thực tế.
  • Kỹ sư thiết kế khoan nổ mìn và cán bộ kỹ thuật tại các mỏ khai thác lộ thiên: Tham khảo phương pháp phân tích dạng sóng chấn động để trích xuất vận tốc sóng, từ đó có cơ sở khoa học để lựa chọn thời gian vi sai tối ưu thay vì chỉ tra bảng kinh nghiệm.
  • Các nhà phát triển thiết bị đo lường và điều khiển công nghiệp: Tham khảo cấu trúc thiết kế trạm cảm biến gia tốc trên bo mạch MyRIO-1900 và thuật toán điều khiển thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao luận án lại sử dụng vận tốc lan truyền sóng chấn động để nhận dạng hiện trạng đất đá khu vực nổ?

Sóng ứng suất (thành phần trực tiếp đập vỡ đá) có vận tốc rất cao nhưng khoảng cách truyền ngắn và nằm hoàn toàn trong vùng nguy hiểm phá hủy của bãi nổ nên không thể đo trực tiếp. Sóng chấn động là giai đoạn tiếp nối của sóng ứng suất, lan truyền xa ra môi trường xung quanh và đo đạc được bằng cảm biến. Do sóng chấn động truyền qua khối đá từ điểm nổ đến điểm đo, vận tốc lan truyền của nó (đặc biệt là sóng dọc $P$) phản ánh trung thực tính chất cơ lý, mật độ và độ nứt nẻ của khối đất đá, cho phép nhận dạng gián tiếp hiện trạng đất đá bãi nổ.

2. Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) và thuật toán EM đóng vai trò gì trong luận án?

Tín hiệu chấn động nổ mìn thu được tại thực địa bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn nhiễu: tính không đồng nhất của địa chất, nhiễu môi trường, độ rung lắc của cảm biến và các sai số ngẫu nhiên. Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) kết hợp thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (EM) được sử dụng để lọc bỏ các thành phần nhiễu phi tuyến, làm mượt các đường đặc tính biên độ và vận tốc sóng, từ đó trích xuất chính xác quy luật biến thiên của dữ liệu phục vụ huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo.

3. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được xây dựng và lựa chọn như thế nào trong Chương 3?

Tác giả đã thiết kế và thử nghiệm so sánh nhiều cấu trúc mạng ANN truyền thẳng gồm: mạng 1 lớp ẩn, mạng 2 lớp ẩn (với 3 trường hợp cấu hình số nơ-ron khác nhau) và mạng 3 lớp ẩn. Dựa trên đánh giá định lượng về sai số huấn luyện và kiểm tra, cấu trúc mạng tối ưu đã được lựa chọn để mô hình hóa chính xác mối quan hệ giữa thời gian vi sai đầu vào với vận tốc lan truyền sóng trung bình và biên độ rung động đầu ra.

4. Hệ thống tự động đề xuất trong Chương 4 gồm những thành phần phần cứng nào?

Hệ thống gồm hai khối phần cứng cơ bản:

  • Thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập: Cho phép điều khiển xuất xung kích nổ chính xác tới từng kíp nổ theo thời gian vi sai đã được tính toán.
  • Trạm cảm biến đo chấn động thông minh: Xây dựng trên nền tảng bo mạch điều khiển và thu thập dữ liệu MyRIO-1900 của National Instruments, tích hợp cảm biến gia tốc ba trục XYZ và chạy giải thuật lọc tín hiệu số trực tiếp.

5. Luận án đã thu thập dữ liệu thực nghiệm tại những cơ sở nào và bằng thiết bị gì?

Dữ liệu sóng chấn động thực tế được thu thập tại hai mỏ lộ thiên có điều kiện địa chất khác nhau: Mỏ than Núi Béo (TP. Hạ Long, Quảng Ninh) và Mỏ đá vôi Hồng Sơn thuộc Công ty xi măng Bút Sơn (Kim Bảng, Hà Nam). Thiết bị đo chuyên dụng được sử dụng là máy đo chấn động Blastmate III (Instantel).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đào Hiếu đã giải quyết trọn vẹn bài toán ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại và trí tuệ nhân tạo vào lĩnh vực nổ mìn vi sai tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam. Bằng việc kết hợp phương pháp xử lý tín hiệu EKF-EM, mô hình nhận dạng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) và phân tích dữ liệu thực nghiệm từ mỏ than Núi Béo và mỏ đá vôi Hồng Sơn, công trình đã xác lập thuật toán nhận dạng trạng thái đất đá gián tiếp qua vận tốc sóng chấn động để tối ưu hóa thời gian vi sai. Giải pháp thiết kế hệ thống tự động gồm trạm đo chấn động trên nền MyRIO-1900 và thiết bị khởi nổ đa kênh độc lập đã mở ra hướng đi thiết thực nhằm nâng cao chất lượng đập vỡ đất đá, giảm thiểu chấn động môi trường và hiện đại hóa công nghệ khai thác mỏ lộ thiên trong nước.