468-Article Text-1969-1-10-20221027.Pdf

THIẾT KẾ VI MÔ TƠ TỊNH TIẾN KIỂU TĨNH ĐIỆN DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ VI CƠ ĐIỆN TỬ MEMS Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật – ISSN 1859 0209 113 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG LƯỢNG NỔ ĐẾN MỨC ĐỘ ĐẬP VỠ ĐẤT ĐÁ[.]

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HÌNH DẠNG LƯỢNG NỔ ĐẾN

MỨC ĐỘ ĐẬP VỠ ĐẤT ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM

Đàm Trọng Thắng 1 , Nguyễn Trí Tá 1 , Vũ Xuân Bảng 1,

1Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn

Tóm tắt

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích lý thuyết tác dụng nổ trong môi trường rắn của lượng nổ tập trung, dài và phẳng, kết hợp với việc tiến hành thí nghiệm nổ trên mô hình thu nhỏ trong vật liệu bê tông, bài báo đã thiết lập được quy luật thực nghiệm và so sánh đánh giá

sự ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ đến mức độ đập vỡ đất đá và khuyến nghị giải pháp nâng cao hiệu quả nổ trong thực tiễn

Từ khóa: Hiệu quả nổ; mức độ đập vỡ đất đá; lượng nổ; thiết kế nổ mìn

1 Đặt vấn đề

Mức độ đập vỡ đất đá (MĐĐVĐĐ) là một thông số tổng hợp đặc trưng cho tỉ lệ thành phần cỡ hạt sau khi nổ Đá bị đập vụn càng nhỏ thì MĐĐVĐĐ càng lớn và ngược lại Các điều kiện tự nhiên, kỹ thuật và công nghệ của vụ nổ quyết định MĐĐVĐĐ và MĐĐVĐĐ lại ảnh hưởng đến hiệu quả của các khâu công nghệ xúc bốc, vận tải Trong lĩnh vực phá hủy đất đá phục vụ xây dựng công trình hay khai khoáng, việc nghiên cứu xoay quanh việc tối ưu hóa MĐĐVĐĐ trở thành một hướng trung tâm nhằm đáp ứng ngày càng tốt hơn hiệu quả kinh tế trong sản xuất Đến nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến MĐĐVĐĐ như chỉ tiêu thuốc nổ, đường kính lượng

nổ, chiều dài lượng nổ, số mặt thoáng Tuy nhiên, vẫn chưa có công trình nào nghiên cứu so sánh sự ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ đến MĐĐVĐĐ [1, 2] Trong thực tiễn hiện nay, đang áp dụng ba dạng lượng nổ cơ bản là lượng nổ tập trung, dài và lượng

nổ phẳng Vì vậy, việc nghiên cứu thực nghiệm và so sánh về sự ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ tập trung, dài và dạng lượng nổ phẳng (bằng tổ hợp các lượng nổ dài song song nhau) đến MĐĐVĐĐ khi cố định khối lượng thuốc nổ là một nội dung có tính cấp thiết

2 Cơ sở lý thuyết về ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ đến MĐĐVĐĐ

2.1 Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ đến quy luật phân bố năng lượng nổ

Theo lý thuyết thủy động lực học nổ, coi đất đá là môi trường không bị nén ép, tức mật độ không đổi trong quá trình chịu tác dụng nổ Khi nổ một lượng nổ đặt trong

 Email: vubang208@gmail.com

môi trường đất đá, dưới tác dụng của áp lực khí nổ, các phần tử đất đá xung quanh lượng nổ sẽ nhận được một trường tốc độ chuyển động theo ra bên ngoài, áp dụng định luật bảo toàn khối lượng, ta có phương trình sau [1]:

u

Vì môi trường giả thiết là không chịu nén nên ta có: 0; 0

   

Sau khi thay vào (1) và biến đổi nhận được:

    

Tích phân hai vế và biến đổi, ta có:

C

lnu ( 1) lnrlnC

1

ur  C

Điều kiện biên: Khi t = 0 thì r = r0 và u = u0, do đó: 1

u r  C 1 1

0 0

u r u r

hay:

1 0

0

r

u u

r

 

 

trong đó: u - vận tốc phần tử môi trường tại khoảng cách r tính từ tâm nổ; r0 - bán kính

lượng nổ; u0 - vận tốc phần tử môi trường tại mặt lượng nổ;  - chỉ số bậc hình dạng của

lượng nổ bằng 3, 2, 1 tương ứng với lượng nổ hình cầu, trụ và phẳng

Phân tích phương trình (2) chỉ ra rằng, tốc độ các hạt đất đá nhận được từ vụ nổ giảm dần theo khoảng cách Mức độ suy giảm tốc độ phụ thuộc vào hình dạng lượng nổ (Hình 1) với lượng nổ hình cầu (tập trung) trị số tốc độ giảm nhanh nhất, tiếp đến là lượng nổ hình trụ, lượng nổ phẳng







Hình 1 Quy luật phân bố tốc độ chuyển động của các hạt đất đá phụ thuộc vào

hình dạng lượng nổ theo lý thuyết thủy động lực học nổ

Trong thực tế, đất đá không phải là chất lỏng lý tưởng, vì vậy đường cong phân bố trường tốc độ của các dạng lượng nổ đều suy giảm nhanh hơn do tổn hao năng lượng

trong môi trường Môi trường sẽ bị phá hủy tại những điểm có tốc độ u lớn hơn tốc độ

tới hạn tương ứng với từng loại đất đá, nên tại các vị trí càng gần tâm nổ, tốc độ chuyển động càng lớn, tức động năng càng lớn thì MĐĐVĐĐ càng lớn và ngược lại

Từ phân tích này có thể thấy rằng, khi cố định khối lượng thuốc nổ thì hình dạng lượng nổ sẽ ảnh hưởng đến MĐĐVĐĐ So sánh các đường cong quy luật lý tưởng về trường tốc độ của ba dạng lượng nổ trên hình 1, có thể nhận thấy MĐĐVĐĐ sẽ giảm dần theo thứ tự từ dạng lượng nổ phẳng, trụ đến tập trung (cầu)

2.2 Cơ sở lý thuyết dự báo mức độ đập vỡ đất đá khi nổ

Các cục đất đá sau khi nổ mặc dù có thành phần kích thước hạt khác nhau, tuy nhiên tỉ lệ các cỡ hạt đều phân bố theo quy luật Quy luật đó phụ thuộc vào loại đá, các điều kiện tự nhiên và kỹ thuật nổ Theo dạng hàm toán học, hiện nay trên thế giới phổ biến sử dụng quy luật của Rozin-Ramle với sự điều chỉnh của I P Oxanhit dự báo thành phần cỡ hạt đất đá sau nổ mìn với sự phân bố cỡ hạt mang đặc trưng xác suất có dạng [1, 2, 4, 5]:

( w)

( ) 1    x

trong đó: P x( )- tỉ lệ cỡ hạt có kích thước x; x - kích thước cỡ hạt; φ - hằng số đập vỡ

đất đá phụ thuộc vào loại đá, điều kiện tự nhiên và điều kiện nổ (m2/J); w - lượng tiêu

hao năng lượng nổ đơn vị là năng lượng cần thiết để phá vỡ một đơn vị thể tích đất đá (J/m3); γ - hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào tính chất của đất đá Theo [1, 2] đối với đá

dễ nổ  0, 75, đối với đá mức độ khó nổ bình thường hay gọi là đá thông thường

1

  , đối với đá khó nổ  1,5, đối với đá rất khó nổ  2

Để thuận tiện việc sử dụng quy luật thành phần cỡ hạt sau nổ vào tính toán thông

số khoan nổ tối ưu, cần phải biết được kích thước trung bình của các cục đá sau nổ

(D tb) Trị số này được xác định theo phương pháp phân tích đo đạc trực tiếp ngoài hiện trường Tuy nhiên, đường kính trung bình của cục đá sau nổ có thể tính toán theo phương pháp xác suất thống kê, trong đó đường kính trung bình của cục đá sau nổ có thể xem như là kì vọng toán học của hàm phân bố cỡ hạt Khi đó, kích thước cục trung

bình là tổng của tích các trị số kích thước hạt x và trị số xác suất tương ứng của chúng

được mô tả dưới dạng:

( ) ( )

tb

D xP x d x



trong đó, P x( ) - xác suất các cục có kích thước x, nó chính là quy luật phân bố cỡ hạt

sau nổ, có thể xác định theo Rozin-Ramle có dạng (3)

Thay P x( ) từ (3) vào (4) nhận được:

1

tb

D xP x d x xxe dx (5)

Biểu diễn lượng tiêu hao năng lượng nổ đơn vị (w) qua chỉ tiêu thuốc nổ (q)

t

trong đó: q - tiêu tốn thuốc nổ đơn vị, kg/m3; e t - năng lượng riêng của thuốc nổ J/kg Giải tích phân trên và tiến hành phân tích cho phép rút ra dạng tổng quát mối quan

hệ giữa chỉ tiêu thuốc nổ và kích thước trung bình của cỡ hạt đá sau nổ có dạng:

tb

A q

D

trong đó ,A  - tương ứng là hằng số, chỉ số mũ phụ thuộc vào loại đất đá và điều kiện

nổ cần được xác định từ thực nghiệm

3 Nghiên cứu thực nghiệm

3.1 Mô tả mô hình thí nghiệm

Để đánh giá phân tích, so sánh MĐĐVĐĐ của ba loại hình dạng lượng nổ là tập trung, dài và dạng phẳng khi cố định khối lượng thuốc nổ Sử dụng mẫu thí nghiệm dạng vữa xi măng cát mịn M100 Kích thước của mẫu: 200x200x200 mm Quá trình đúc mẫu đặt sẵn các lỗ để đưa lượng nổ vào trong mẫu Việc lấy mẫu và thí nghiệm tuân thủ theo tiêu chuẩn TCVN 3105-1993 về lấy mẫu, chế tạo và bảo dưỡng mẫu thử Thông số đặc trưng của mẫu thí nghiệm và điều kiện nổ được phản ánh trong bảng 1, 2

Bảng 1 Thông số của mẫu thí nghiệm

TT

Loại mẫu

ứng với

lượng nổ

Kích thước:

dài x rộng x cao (mm)

Cách bố trí lượng nổ

Trọng lượng thể tích (kg/m 3 )

Ứng suất nén phá hủy (kG/cm 2 )

3 Dạng phẳng 200x200x200 Đặt trong các lỗ  6 1930 100

Bảng 2 Điều kiện nổ tương ứng với từng mẫu thí nghiệm

TT

Bố trí các dạng lượng nổ tương ứng với từng mẫu thí nghiệm Khối

lượng thuốc nổ TEN (g)

Chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng (kg/m 3 )

Kí

hiệu

mẫu

Cách bố

trí

Kí hiệu mẫu Cách bố trí

Kí hiệu mẫu Cách bố trí

1 2T 1 thỏi

thuốc nổ 2D Bó 2 dây nổ với nhau 2P cách các dây 2 cm 2 dây nổ, khoảng 4,8 0,6

2 3T 1 thỏi

thuốc nổ 3D

Bó 3 dây nổ với nhau 3P

3 dây nổ, khoảng cách các dây 2 cm 7,2 0,9

3 4T 1 thỏi

thuốc nổ 4D Bó 4 dây nổ với nhau 4P cách các dây 2 cm 4 dây nổ, khoảng 9,6 1,2

4 5T 1 thỏi

thuốc nổ 5D

Bó 5 dây nổ với nhau 5P cách các dây 2 cm 5 dây nổ, khoảng 12 1,5

5 6T 1 thỏi

thuốc nổ 6D

Bó 6 dây nổ với nhau 6P

6 dây nổ, khoảng cách các dây 2 cm 14,4 1,8

6 7T 1 thỏi

thuốc nổ 7D Bó 7 dây nổ với nhau 7P cách các dây 2 cm 7 dây nổ, khoảng 16,8 2,1

Hình 2 Mẫu thí nghiệm tại hiện trường

a, b) Mẫu thí nghiệm; c) Hố đào để nổ mẫu thí nghiệm; d) Kết quả nổ mẫu thí nghiệm

Các lượng nổ tập trung, dài, dạng phẳng đều sử dụng thuốc nổ Pentrit (TEN), gây

nổ bằng kíp điện nổ tức thời (kíp số 8) Nguồn điện gây nổ là máy điểm hỏa Với mẫu

nổ lượng nổ dài, ta ghép các dây nổ lại (loại 12 g/m), với lượng nổ dạng phẳng sử dụng dây nổ (loại 12 g/m) bố trí trong các lỗ 6, khoảng cách giữa các dây là 2 cm, đảm bảo khi nổ sẽ tạo ra sóng nổ phẳng (Hình 2 và 3)

Hình 3 Liên kết lượng nổ với mẫu thí nghiệm a) Lượng nổ tập trung; b) Lượng nổ dài; c) Lượng nổ dạng phẳng;

d) Đấu kíp nổ và đặt mẫu thí nghiệm vào hố đào

Công cụ phục vụ lấy số liệu thí nghiệm gồm: Cân tiểu ly để đo khối lượng nhóm cục đá sau nổ có cùng nhóm kích cỡ, bộ sàng tiêu chuẩn để phân loại nhóm kích cỡ cục

đá sau nổ

Hình 4 Xác định khối lượng nhóm cục đá sau nổ a) Bộ sàng tiêu chuẩn; b, c) Phân loại cỡ hạt sau khi sàng từng mẫu thí nghiệm

Phương pháp xác định kích thước trung bình của cục mẫu sau nổ sẽ dựa theo số liệu sàng mẫu và trọng lượng tương ứng với từng mắt sàng, được tính theo công thức sau:

100

i i tb

d

trong đó: d - đường kính trung bình của cấp cỡ hạt thứ i, m; i i - tỉ lệ cấp cỡ hạt thứ i

trong đống, % (  1 2 3  m100); m - số cấp cỡ hạt phân chia, m=10

3.2 Quy trình thí nghiệm

- Tiến hành nổ các mẫu thí nghiệm với khối lượng thuốc nổ tăng dần từ thấp đến cao theo bảng 2 Trong thí nghiệm này, mỗi dạng lượng nổ tiến hành nổ với 6 khối lượng thuốc nổ khác nhau (tương ứng với 6 chỉ tiêu thuốc nổ), mỗi loại mẫu thí nghiệm ứng với một dạng lượng nổ được tiến hành nổ 3 lần để lấy kết quả trung bình

- Phân loại kích thước hạt sau khi nổ bằng bộ sàng tiêu chuẩn

- Xác định khối lượng từng loại cỡ hạt bằng cân tiểu ly với độ chính xác 1 g

- Xác định tỉ lệ phần trăm từng cỡ hạt, xác định kích thước hạt trung bình

3.3 Kết quả thí nghiệm

Kết quả đo được sau nổ là tỉ lệ phần trăm các loại cỡ hạt thu được khi nổ mô hình thí nghiệm ở trên Trong thí nghiệm này, ta phân chia làm 10 cỡ hạt theo cỡ sàng gồm:

<2,5; 2,5-5; 5-10; 10-20; 20-30; 30-40; 40-50; 50-60; 60-70; >70 (mm)

Sau khi có được tỉ lệ % cỡ hạt với từng mẫu thí nghiệm, ta tính được đường kính trung bình cỡ hạt sau nổ của từng mẫu theo công thức (8) và lập thành bảng đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ tương ứng với các dạng lượng nổ khác nhau khi cùng sử dụng một khối lượng thuốc nổ (hay cùng một chỉ tiêu thuốc nổ)

Bảng 3 Đường kính trung bình cỡ hạt khi nổ các lượng nổ khác nhau (m)

Đường kính trung bình

cỡ hạt tương ứng với

dạng lượng nổ (m)

Chỉ tiêu thuốc nổ (kg/m 3 )

Với lượng nổ tập trung 0,0542 0,0424 0,0392 0,0273 0,0243 0,0195 Với lượng nổ dài 0,0477 0,0322 0,0283 0,0225 0,0211 0,0203 Với lượng nổ dạng phẳng 0,0315 0,0275 0,0254 0,0241 0,0231 0,0220

3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm

Từ số liệu ở bảng 3, ta xây dựng được đồ thị về mối quan hệ giữa kích thước cục

đá trung bình sau nổ vào chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng với ba dạng lượng nổ khác nhau là lượng nổ tập trung, lượng nổ dài và lượng nổ dạng phẳng (Hình 5)

Hình 5 Sự phụ thuộc đường kính trung bình của cỡ hạt đá sau nổ vào chỉ tiêu thuốc nổ

với 3 dạng lượng nổ tập trung, dài và phẳng

Xử lý số liệu trên theo phương pháp bình phương tối thiểu, cho phép rút ra quy luật về sự phụ thuộc xấp xỉ của kích thước trung bình của cục đá mẫu sau nổ vào chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng với các dạng lượng nổ khác nhau theo phương trình dưới đây: Đối với các mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ tập trung:

0,807 2

0, 0386 ; 0,9473

tb

Đối với các mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ dài:

0,691 2

0, 0318 ; 0,9719

tb

Đối với các mẫu thí nghiệm dùng lượng nổ dạng phẳng:

0,278 2

0, 027 ; 0,9947

tb

trong đó: D tb - kích thước trung bình của cục đá mẫu sau nổ, m; q - lượng tiêu hao thuốc

nổ khi phá hủy một đơn vị thể tích mẫu đá hay còn gọi là chỉ tiêu thuốc nổ đơn vị, kg/m3 Phân tích sự phụ thuộc của kích thước cục đá trung bình sau nổ vào tiêu hao thuốc

nổ đơn vị với 3 dạng lượng nổ tương ứng với các phương trình (9), (10), (11) và hình 5

ta nhận thấy khi tăng chỉ tiêu thuốc nổ thì kích thước trung bình của cục đá giảm dần, tức MĐĐVĐĐ tăng dần và ngược lại Đường cong quy luật thực nghiệm nhận được về

sự phụ thuộc của đường kính trung bình cỡ hạt vào chỉ tiêu thuốc nổ của lượng nổ dạng phẳng nằm thấp nhất, tiếp đến là đường cong của lượng nổ hình trụ, còn đường cong của lượng nổ tập trung trên cùng Mức độ chênh lệch giá trị giữa ba đường này tăng lên theo chiều giảm chỉ tiêu thuốc nổ và giảm xuống theo chiều tăng chỉ tiêu thuốc nổ Khi chỉ tiêu thuốc nổ lớn trên 1,5 kg/m3, năng lượng nổ dư thừa quá mức sẽ tổn hao để làm bay cục đá, vì vậy trên đồ thị gần đúng có thể coi ba đường này xem như tiến về vùng bão hòa và gặp nhau

4 Kết luận và khuyến nghị

Từ kết quả nghiên cứu trên, cho phép rút ra các kết luận sau:

Các quy luật thực nghiệm về sự phụ thuộc của đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ phụ thuộc vào chỉ tiêu thuốc nổ của lượng nổ tập trung, dài và dạng phẳng đều tuân theo quy luật chung về quy luật đập vỡ đất đá khi nổ mìn [5] Quy luật chung phản ánh mối quan hệ tỉ lệ nghịch phi tuyến giữa đường kính trung bình cỡ hạt đá sau nổ phụ thuộc vào chỉ tiêu thuốc nổ

Khi cùng một khối lượng thuốc nổ như nhau, thì mức độ đập vỡ đất đá của lượng

nổ dạng phẳng sẽ lớn nhất, tiếp đến là lượng nổ dài và cuối cùng là lượng nổ tập trung Như vậy, cùng một chỉ tiêu thuốc nổ như nhau thì khi bố trí lượng nổ ở dạng phẳng sẽ

có lợi hơn so với lượng nổ dài và lượng nổ tập trung, hay năng lượng của thuốc nổ sẽ được phân bố đồng đều hơn cho mục tiêu đập vỡ đất đá

Khi tăng lượng tiêu hao thuốc nổ đơn vị thì cỡ hạt đá phá ra càng nhỏ, năng lượng tiêu hao cho việc phá hủy đất đá trở nên bão hòa, ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ không đáng kể và ngược lại Do đó, ảnh hưởng của hình dạng lượng nổ đến mức độ đập

vỡ đất đá chỉ xảy ra trong miền tác dụng hiệu quả của năng lượng thuốc nổ sử dụng chủ yếu cho việc đập vỡ đất đá

Kết quả nghiên cứu cho phép khuyến nghị áp dụng các giải pháp bố trí lượng nổ dạng phẳng là có lợi nhất, tiếp đến là dạng trụ dài

Tài liệu tham khảo

1 Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung (2010) Nổ hóa học lý

thuyết và thực tiễn Khoa học và Kỹ thuật

2 Đàm Trọng Thắng, Vũ Trọng Hiếu, Lê Hồng Hải (2017) Nghiên cứu phương pháp xác

định hằng số đập vỡ đất đá khi nổ mìn Tạp chí Xây dựng, 7/2017

3 Кутузов Б Н., Рубцов В К (1970) Физика взрывного разрушения горных пород

Москва: МГГУ

4 Кутузов Б Н (1990) Лабораторные работы по дисциплине “Разрушение горных

пород взрывом” Москва: МГИ

5 Оксанич И Ф., Миронов П С (1982) Закономерности дробления горных пород

взрывом и прогнозирование гранулометрического состава Москва: Недра

STUDYING THE INFLUENCE OF THE CHARGE’S SHAPE

ON THE LEVEL OF ROCK FRAGMENTATION BY THE

EXPERIMENTAL RESEARCH METHOD

Abstract: Based on research and analysis detonation theory at solid environment of the

concentrated charge, long cylinder-shaped charge and slab charge, combined with the explosion test of small-scale models in the concrete materials, the article has established the experimental discipline, evaluated the influences of the charge’s shape and compared to the level of rock fragmentation and recommended the solutions to enhance the effectiveness of explosion in practice

Keywords: Effectiveness of explosion; the level of rock fragmentation; explosion;

blasting design

Ngày nhận bài: 22/3/2018; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 01/8/2018; Ngày duyệt đăng: 21/8/2018

