Bài giảng nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá bằng nổ mìn trong khai thác mỏ phần 2 (dùng cho trình độ thạc sĩ)

64 CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ NỔ MÌN KHAI THÁC VẬT LIỆU XÂY DỰNG 4 1 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NỔ MÌN VĂNG ĐỊNH HƯỚNG KHI KHAI THÁC ĐÁ VÔI 4 1 1 Khái niệm về phương pháp nổ mìn văng định[.]

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ NỔ MÌN

KHAI THÁC VẬT LIỆU XÂY DỰNG

4.1 TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ NỔ MÌN VĂNG ĐỊNH HƯỚNG KHI KHAI THÁC ĐÁ VÔI

4.1.1 Khái niệm về phương pháp nổ mìn văng định hướng

Phương pháp khai thác không vận tải nói chung và phương pháp khai thác không vận tải trên tầng khấu theo lớp xiên nói riêng đều sử dụng năng lượng chất nổ để vận chuyển đất đá trên một khoảng cách nhất định Trong những trường hợp này các yếu tố của hệ thống khai thác liên quan chặt chẽ với các thông số khoan nổ mìn Phương pháp nghiên cứu ở đây thực chất là áp dụng công nghệ nổ mìn định hướng để hất phần lớn đất đá xuống chân tuyến và tạo hệ thống tầng trên núi đảm bảo hiệu quả và an toàn cho công tác khoan nổ mìn tiếp theo Việc tính toán các thông số hệ thống khai thác ở đây phải gắn liền với việc tính các thông số nổ mìn văng xa định hướng

Khi nổ mìn văng xa định hướng sử dụng 2 phương pháp: nổ mìn buồng và

nổ lượng thuốc phẳng Ưu điểm cơ bản của phương pháp nổ lượng thuốc phẳng

so với nổ mìn buồng là cải thiện tốt những thông số như hướng văng và độ tập trung của đất đá sau khi nổ Hướng văng được đặc trưng bởi hệ số fv (là tỷ số giữa khối lượng đá văng theo hướng đã định và toàn bộ khối lượng đất đá được chuyển trên bề mặt tự do) Độ tập trung của đống đá sau khi nổ (ft) là tỷ số giữa khối lượng đất đá được văng đến vị trí đã định và toàn bộ khối lượng đất đá được chuyển dịch trên bề mặt tự do Hệ số ft đối với sơ đồ lượng thuốc phẳng trong những điều kiện thuận lợi có thể lớn hơn 90%

Chúng ta so sánh đặc điểm chuyển động của đất đá khi nổ mìn buồng và

nổ lượng thuốc phẳng (hình 4.1)

Hình 4.1 Sơ đồ văng khi nổ lượng thuốc phẳng và tập trung ở sườn dốc

- Khi nổ mìn buồng lượng thuốc được nạp tập trung

- Với hệ thống lượng thuốc phẳng thì các lượng thuốc được phân bố trong cùng một mặt phẳng Trong hình vẽ đường nét đứt thể hiện quỹ đạo chuyển động của đất đá khi nổ mìn buồng, còn đường nét liền là quỹ đạo chuyển động của đất đá khi nổ lượng thuốc phẳng

Khi nổ mìn buồng đất đá được văng về tất cả mọi phía, do đó một phần đáng kể đọng lại trong giới hạn mỏ - với địa hình như hình 4.1 thì chỉ phần đất

đá trong giới hạn bóc văng ra khỏi giới hạn mỏ và vẫn còn đất đá trong giới hạn phải dọn bằng máy gạt Rõ ràng trong những điều kiện nhất định, hướng bay ban đầu của nó vuông góc với mặt phẳng lượng thuốc Khi thay đổi góc nghiêng và khối lượng cần thiết của lượng thuốc thì có thể đạt được độ xa và hướng theo yêu cầu Mặt khác khi nổ lượng thuốc nổ phẳng thì hệ số tác dụng nổ hữu ích lớn hơn so với khi nổ mìn buồng vì khi đó toàn bộ khối nổ chuyển động với tốc

độ như như nhau (trừ một phần nhỏ thể tích của nó ở 2 đầu lượng thuốc), còn khi nổ mìn buồng thì có sự khác nhau lớn về građian tốc độ làm phát sinh lực

ma sát biến năng lượng chuyển động tịnh tiến thành biến dạng dẻo và nhiệt Hơn nữa khi nổ mìn buồng trong điều kiện khai thác đá vôi không thể tạo được tầng theo mong muốn Như vậy sử dụng phương pháp nổ hệ thống lượng thuốc phẳng có nhiều ưu việt về khả năng hất đất đá về 1 phía, về mức độ tập trung của đống đá, về chất lượng đập vỡ và tạo tầng theo thiết kế

4.1.2 Đặc điểm nổ lượng thuốc phẳng khi chỉ tiêu thuốc nổ khác nhau

Đặc điểm chuyển động của đất đá khi nổ lượng thuốc phẳng phụ thuộc chủ yếu vào tỷ số giữa các kích thước của lượng thuốc, khối lượng của nó, chiều sâu đặt thuốc và góc nghiêng của lượng thuốc Kết quả nghiên cứu của A.A.Trenhigôpski cho thấy (hình 4.2):

Hình 4.2 Sơ đồ đá bay khi nổ lượng thuốc tác dụng phẳng

1- Cột thuôc nổ; 2- Thể tích buồng khí nổ 3- Ranh giới khi nổ khí đạt được áp lực khí quyển

L

- Nếu khối lượng của lượng thuốc phẳng tương đối nhỏ, chiều dài và chiều rộng của nó lớn hơn nhiều so với bề dày của lớp đất đá cần nổ văng thì ranh giới phân chia giữa sản phẩn nổ và đất đá chuyển dịch sẽ song song với mặt phẳng lượng thuốc Khi đó tất cả các phần tử của đất đá (trừ một phần rất nhỏ kề sát 2 đầu lượng thuốc), Được chuyển động với tốc độ như nhau về hướng và độ lớn

Có thể coi rằng biên thể tích đất đá trong suốt quá trình chuyển dịch song song với vị trí ban đầu của nó trước khi nổ Trường hợp này xảy ra khi:

4





quw

L

4





quw

B

Trong đó:

L và B- Chiều dài và chiều rộng hệ thống lượng thuốc phẳng;

q- Chỉ tiêu thuốc nổ;

u- Thể tích riêng của sản phẩm nổ khi mở rộng đoạn nhiệt đến áp suất khí quyển (u = 1 m3/kg);

w- Chiều dầy lớp đất đá cần nổ

Các thông số không thứ nguyên X và Y tương đối nhỏ mà chỉ tiêu thuốc

nổ lớn thì buồng khí ở giai đoạn cuối của sự mở rộng có dạng lồi, do đó đất đá được bay theo phương hướng tâm với tốc độ giảm từ tâm lượng thuốc phẳng đến các đầu đống đá tạo thành sau khi nổ có dạng elip

- Nếu kích thước lượng thuốc nhỏ và chỉ tiêu thuốc nổ rất lớn thì đặc tính văng xa khi nổ lượng thuốc phẳng tương tự như khi nổ lượng thuốc tập trung, trong trường hợp này có:

4.1.3 Xác định những yếu tố của hệ thống khai thác và các thông số khoan nổ mìn

Đối với phương pháp khai thác nêu trên thường sử dụng phương pháp nổ mìn văng xa định hướng với hệ thống lượng thuốc phẳng, việc xác định các thông số được tiến hành theo lý thuyết nổ văng xa định hướng của A.A.Tenhigốpki

Ta tính toán cho trường hợp thứ nhất, tức là tuân theo điều kiện (4.1) và (4.2), vì trong trường hợp này đất đá bay với tốc độ tương đối nhỏ có thể bỏ qua ảnh hưởng của lực cản không khí

a- Chỉ tiêu thuốc nổ:

Ta ký hiệu tọa độ trọng tâm của đống đá sau khi nổ so với trọng tâm khối

nổ là D và S Đất đá đồng thời tham gia 2 chuyển động Ta gọi thời gian chuyển

động của trọng tâm khối nổ nừ khi nổ đến khi rơi xuống mặt nằm ngang là T, trong thời gian đó trọng tâm chuyển động theo đường OP Đường này gọi là độ

xa nghiêng: DH = VoT (Vo là tốc độ văng ban đầu) Với gia tốc không đổi, trọng tâm được chuyển theo đường PO1 = L và L = 0,5.g.T2 (g là gia tốc rơi tự do)

Từ đó ta có:

L

g D

V o H

2

Thực tế để tính toán có thể sử dụng 2 thông số D và S



Sin

D

D H  ; L = S+D cotg Khi đó:

  , 

2

1

gDf

Trong đó:     2 

sin

1 ,

ctg

f



Với:

D

S



Tốc độ V0 và chỉ tiêu thuốc nổ q có mối liên hệ:



V2 qe t

0

2

1

(4.9) Trong đó:

- Mật độ đất đá;

et- Năng lượng riêng của chất nổ;

- Hệ số tác dụng nổ hữu ích (Đối với đất đá cứng trung bình có thể lấy

=0,3)

Từ công thức (4.6) và (4.9) ta có:

e

g f

q

t







 4 ,

b- Góc nghiêng của lượng thuốc phẳng (của lỗ khoan):

Phương pháp nổ mìn lỗ khoan nghiêng cải thiện chất lượng đập vỡ đất đá,

có hiệu quả khi chuyển dịch đất đá bằng nổ mìn Trong nhiều trường hợp thực tế hiệu quả văng cực đại với lỗ khoan nghiêng 45o Ta so sánh trường hợp:

o

45



90



 (hình 4.3)

Nghiên cứu 1 phân tố đất đá nằm trên độ cao H1 (nửa chiều dài lỗ khoan),

độ văng cực đại khi o

45



q g

e



 2

Hình 4.3 Sơ đồ đá bay khi nổ lượng thuốc thẳng đứng a,

và lượng thuốc nghiêng b

Nếu véctơ tốc độ ban đầu song song với phương nằm ngang (lỗ khoan đứng) thì độ xa là:

q H g

e





Từ đó ta có:

1 0

45

gH

q e D





 Nếu = 2500kg/m3

= 0,3, et=4,3.106

kg

J

, H1=10m và q=0,31,0 3

m kg

Thì: D45/D0 = 1,25 2,3

Như vậy cùng 1 chỉ tiêu thuốc nổ thì độ văng xa khi sử dụng lỗ khoan nghiêng lớn hơn trung bình 2 lần so với lỗ khoan đứng

Nhược điểm của lỗ khoan đứng là đất đá ở nửa phần dưới của tầng bay với góc âm so với phương nằm ngang, vì vậy nó rơi gần vùng nổ mà không chuyển đến độ xa dự định Trị số hợp lý 0 phụ thuộc vào điều kiện địa hình khi sử dụng sơ đồ khai thác không vận tải, phụ thuộc vào thông số S và D, vào hàm f( , )

Như trên ta đã biết chỉ tiêu thuốc nổ tỷ lệ với f( , ) (Hình 4.4) thể hiện biểu đồ hàm số f( , ) theo  và  có thể là dương (nếu trọng tâm khối nổ trên trọng tâm đống đá sau khi nổ), có thể âm (nếu trọng tâm khổi nổ thấp hơn trọng tâm đống đá)

Từ biều đồ thấy rằng hàm số f( , ) có cực tiểu ứng với góc nghiêng hợp

lý (đường nét đứt), chỉ tiêu thuốc nổ tương ứng sẽ cực tiểu Vì vậy để đảm bảo giá thành nhỏ nhất khi sử dụng lượng thuốc phẳng cần lựa chọn góc nghiêng

 hợp lý Trị số  0 dao động trong giới hạn từ 13o 75o khi thay đổi  từ -2 đến

2 Từ biểu đồ ta thấy nếu vị trí rơi của đất đá cao hơn vị trí nổ thì chỉ tiêu thuốc

nổ tăng và giá thành công tác nổ cũng sẽ tăng

Hình 4.4 Đồ thị hàm góc nghiêng và hệ số -f ((  ,  )

c- Kết cấu cột thuốc và bua:

- Khi nạp bua bình thường (hình 4.5a) thì toàn bộ đất đá nằm trên đường A-A nhờ xung lượng theo phương thẳng đứng, do đó thể tích này không văng vào bị trí dự định

Hình 4.5 Sơ đồ đá bay khi nạp thuốc mìn một phần (a)

và nạp toàn bộ lỗ khoan (b); 1- Bua; 2- Thuốc nổ

- Khi nạp lỗ khoan đầy chất nổ thì khối lượng đất đá văng trực tiếp đến vị trí dự định tăng đáng kể (hình 4.5b) Tuy nhiên nếu không có bua hoặc chiều dài bua nhỏ thì hao phí năng lượng nổ đáng kể qua miệng lỗ khoan

Như vậy bua phải đáp ứng yêu cầu không phụt, tăng hiệu quả nổ Khi chiều dài nhỏ, bua phải có khả năng “tự khóa” Tính chất “tự khóa” của bua có trong trường hợp khi nó được phân bố thành một số đoạn nhỏ bằng những

“lượng thuốc khóa”

Bua “tự khóa” (còn gọi là “bua tích cực”) cần đồng thời đáp ứng 2 điều kiện:

- Nó phải chứa 12 “lượng thuốc khóa”

- Chiều dài lb không nhỏ hơn 0,5b

d- Khoảng cách giữa các hàng và các lỗ:

- Khi nổ hệ thống lượng thuốc phẳng đất đá được tách ra theo mặt phẳng phân bố các lượng thuốc, trong trường hợp khoảng cách giữa các lượng thuốc không vượt quá một giới hạn nào đấy thì xảy ra sự trùng hợp các buồng khí và tất cả đất đá phân bố giữa bề mặt lượng thuốc và mặt tự do được văng đến giới hạn nhất định Kết quả thực nghiệm nổ cho thấy rằng sẽ nhận được mặt phẳng tách đất đá nếu khoảng cách lượng thuốc không vượt quá trị số sau:

A = wn3

2

Trong đó:

n- Chỉ số tác dụng nổ;

w- Chiều sâu đặt thuốc (đường kháng nhỏ nhất)

Trong thực tế có thể lây m = a/w = 0,81,2

- Từ hình 5.5b, để nhận được iB cực đại ta có thể sử dụng công thức:

H

b U

U

4

2 sin





 2 sin

1

4 i B H



Trong đó:

IB- Chỉ số chuyển dịch bằng nổ;

UB- Khối lượng đất đá được chuyển dịch đến vị trí dự định;

U- Toàn bộ khối lượng đất đá được phá vỡ bằng nổ;

b- Khoảng cách giữa các hàng;

H- Chiều cao tầng nổ

Nếu iB = 0,9 thì



2 sin

4 , 0



H b

Từ đó ta có:



2 sin

4 , 0

H

e- Số lượng lỗ khoan 1 đợt nổ:

- Trị số B của hệ thống lượng thuốc phẳng bằng chiều dài lỗ khoan:

` B = Llk =



sin

H

; w = b.sin



2 sin

4 , 0



H b

Như vậy, theo công thức (4.2) ta có

4 5









qutg quw

L

Có nghĩa là:



utg

q

4

5

- Trị số L trong công thức (4.1) được tính như sau:

L = a.N Trong đó:

a- Khoảng cách giữa các lỗ khoan;

N- Số lượng các lỗ khoan trong hàng

Như vậy:  .  4

quw

N a

a

quw

N  4

f- Trình tự nổ và thời gian giãn cách:

Khi nổ nhiều hàng phải đảm bảo điều kiện: nổ hàng trước không cản trở đến sự văng xa của hàng sau Điều đó đạt được khi nổ mìn vi sai theo trình tự bắt đầu từ hàng 1

Thời gian dãn cách t cần đảm bảo cho sản phẩm nổ của đợt nổ trước kịp

mở rộng đến áp suất khí quyển Ta ký hiệu thời gian mở rộng sản phẩm nổ là t’

và t = t’

Trị số t’ được tính như sau:

V

H C

Trong đó:

Hk- chiều dày buồng khí theo hướng vuông góc với mặt phẳng lượng thuốc khi mở rộng đoạn nhiệt sản phẩm nổ đến áp suất khi quyển;

V- Tốc độ ban đầu của đất đá;

Ct- Hệ số tính đến sự chuyển động của đất đá không tức thời mà nó xảy ra trong toàn bộ quá trình mở rộng buồng khí Ta đã biết:

quw



 2





t t

e

q uw C t

2

Ta so sánh thời gian giãn cách giữa 2 trường hợp: nổ tơi vụn và nổ văng với các thông số w = 5m, =2500kg/m3, q = 0,8 kg/m3, et = 4,3.106j/kg, U = 1m3/kg Ct = 1,5;  = 0,3 Ta nhận được t = 210 ms, trong khi đó nếu nổ tơi vụn thì t = 25 ms Rõ ràng rằng để đảm bảo hiệu quả văng xa cực đại thì thời gian giãn cách giữa các đợt nổ tăng lên 10 lần so với nổ tơi

g- Đường cản và đường kính lỗ khoan

Đường kháng theo chân tầng có thể tính theo công thức:

d k

Trong đó:

d- Đường kính lỗ khoan;

kt- Hệ số nứt nẻ của đất đá (kt = 1,01,3);

- Mật độ lượng thuốc, kg/dm3;

m- Hệ số làm gần các lỗ khoan

Thực tế thưởng lấy:

Rõ ràng đường kháng w có quan hệ chặt chẽ với đường kính d

Đường kính lỗ khoan được sử dụng để lựa chọn phương pháp nổ, các thông số nổ, lựa chọn loại máy khoan, sơ đồ cơ giới hóa công tác nổ mìn… Lựa chọn đường kính lỗ khoan là một trong những nhiệm vụ cơ bản khi thiết kế công tác khoan nổ mìn Khi lựa chọn cần tính đến những yếu tố sau:

1- Đánh giá định lượng về việc cải thiện mức độ đập vỡ đất đá khi giảm đường kính lượng thuốc trong các loại đất đá có độ nổ khác nhau

2- Đánh giá năng suất và giá thành khoan khi khoan những lỗ khoan có đường kính khác nhau trong đất đá có độ cứng khác nhau

3- Đánh giá khả năng kích nổ của chất nổ trong lượng thuốc nổ đường kính khác nhau và một loạt những yếu tố khác

Yếu tố 2 và 3 thực hiện với mục đích đánh giá chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật, tuy nhiên để kết luận chung về lĩnh vực sử dụng hợp lý lỗ khoan thì cần phải chú

ý đến yếu tố thứ 1 Đây là yếu tố chủ yếu, vì nếu thiếu nó thì sẽ dẫn đến kết luận như nhau và hợp lý là chỉ tăng đường kính lỗ khoan

Với cùng một điều kiện thì cường độ đập vỡ đất đá tỷ lệ với đường kính lỗ khoan:

Trong đó:

dcp- Kích thước trung bình của cỡ hạt đống đá nổ mìn;

k- Hệ số tỷ lệ;

Rõ ràng về phương diện tăng cường độ đập vỡ đất đá thì sử dụng lỗ khoan đường kính nhỏ là hợp lý, còn xét về những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác thì sử dụng lỗ khoan đường kính lớn là phù hợp

Trường Đại học Mỏ Matxcova đã hoàn thiện phương pháp lựa chọn đường kính lỗ khoan dựa trên cơ sở so sánh chỉ tiêu thuốc nổ khi nổ trong nguyên khối

và khi nổ những cục đá quá cỡ bằng lượng thuốc trong lỗ khoan nhỏ Chỉ tiêu thuốc nổ khi nổ khối và khi nổ những cục riêng biệt được tính với cùng một loại chất nổ cùng một loại kích thước cục, nó tuân theo quy luật:

cp bd a q

q





0

0

' Trong đó:

q0- Chỉ tiêu thuốc nổ (a mô nít No6) khi nổ trong khối, kg/m3; q’0- Chỉ tiêu thuốc nổ những cục riêng biệt, kg/m3;

dcp-Đường kính trung bình của khối nứt trong nguyên khối, m;

a,b- Những hệ số thực nghiệm, bằng tương ứng 0,4 và 1 Phân tích thấy rằng: độ đập vỡ đất đá kém đi nếu tăng độ khối (giảm độ nứt nẻ) của đất đá Vì vậy đối với đất đá nứt nẻ cần chọn lỗ khoan đường kính nhỏ để có khả năng tăng

độ đập vỡ khi nổ

Đường kính lỗ khoan được lựa chọn có tính đến loại đất đá theo mức độ nứt nẻ, theo độ cứng và kích thước cho phép của cỡ hạt đất đá nổ (bảng 4.1)

Bảng 4.1 Đường kính lỗ khoan hợp lý theo loại đất đá

và kích thước cho phép của cục đá

Độ khối

(cấp nứt nẻ)

của đất đá

Tỷ số giữa kích thước khối nứt trong nguyên khối và kích thước của cục hợp quy cách

Tác dụng nổ yêu cầu

Đường kính khoan,

mm

Nâng chất lượng

nổ yêu cầu

Sơ đồ nổ vi sai thích hợp

Khối nhỏ

(I  II) 1

Tách khối nứt ra khỏi nguyên khối không cần đập vỡ

250 Thấp Qua hàng

Khối trung

bình (III) 1 2

Đập vỡ khối nứt lớn ít nhất thành 2 phần

190  250 Trung

bình

Sơ đồ rạch

và đường chéo với m lớn (m=a/w) Khối lớn

(IV  V) 2

Đập vỡ mạnh những khối nứt nẻ lớn

150

Trung bình và cao

nt