Lê Ngọc Ninh với tiêu đề:“Nghiên cứu các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan nhằm nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá và giảm thiểu tác động môi trường khi nổ
Trang 1BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CĐ CÔNG NGHIỆP PHÚC YÊN
UBND TỈNH VĨNH PHÚC
SỞ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ
BÁO CÁO KẾT QUẢ
MỞ RỘNG MÔ HÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
NĂM 2009
Tên mô hình nhân rộng: Ứng dụng giải pháp nổ mìn khai thác mới nhằm nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá, giảm chấn động và ô nhiễm môi trường tại một số mỏ đá trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc
Mã số: 14/MHNRVP-2009
Người chủ trì Cơ quan chủ trì
HIỆU TRƯỞNG
TS LÊ NGỌC NINH VŨ VĂN DŨNG
Vĩnh Phúc, tháng 12 năm 2009
Trang 2BÁO CÁO KẾT QUẢ
MỞ RỘNG MÔ HÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂM 2009
Phần thứ nhất: Giới thiệu chung
1 Tên mô hình: Ứng dụng giải pháp nổ mìn khai thác mới nhằm nâng cao
hiệu quả phá vỡ đất đá, giảm chấn động và ô nhiễm môi trường tại một số mỏ đá trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc
Mã số: 14/MHNRVP-2009
2 Người chủ trì: TS Lê Ngọc Ninh
3 Cơ quan chủ trì: Trường Cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên
4 Người thực hiện (các chủ hộ): Công ty Cổ phần Đầu tư Tân Phát và
Công ty cổ phần đầu tư xây dựng Bảo Quân – Chi nhánh Vĩnh Phúc
5 Quy mô, địa điểm: Mỏ đá Minh Quang và Mỏ đá Bảo Quân, xã Minh
Quang, huyện Tam đảo, tỉnh Vĩnh Phúc
6 Phương pháp thực hiện: Nổ mìn thực nghiệm chứng minh
7 Kinh phí:
- Kinh phí khoa học: 120 triệu
- Kinh phí khác: không
8 Tiến độ thực hiện mô hình: 1 năm
9 Cơ sở lý luận và thực tiễn của mô hình:
9.1 Quá trình nghiên cứu
Mô hình: Ứng dụng giải pháp nổ mìn khai thác mới nhằm nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá, giảm chấn động và ô nhiễm môi trường tại một số mỏ
đá trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc là mô hình khoa học dựa trên kết quả nghiên
cứu của đề tài thuộc chuyên đề 2 cấp tiến sĩ của TS Lê Ngọc Ninh với tiêu
đề:“Nghiên cứu các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan nhằm nâng cao hiệu quả phá vỡ đất đá và giảm thiểu tác động môi trường khi nổ mìn ở một số mỏ lộ thiên Việt Nam”, chuyên ngành Kỹ
thuật khai thác mỏ lộ thiên, mã số: 62.53.05.01
Đề tài của chuyên đề được Hội đồng KH trường Đại học Mỏ - Địa chất đánh giá có chất lượng tốt với điểm bình quân đạt 9,8 điểm
Trang 3Kết quả nghiên cứu của đề tài đã được ứng dụng đầu tiên tại một số mỏ đá
lộ thiên, điển hình như mỏ đá Ao Ngươm (thuộc nhà máy xi măng 78, Hữu Lũng, Lạng sơn, mỏ đá vôi Hố Dùng, Hữu Lũng, Lạng Sơn…)
9.2 Kết quả nghiên cứu của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài này là phương pháp nổ mìn với lượng thuốc
nổ dài liên tục (hoặc phân đoạn khi cần thiết) nhưng có đường kính khác nhau nạp trong lỗ khoan, bao gồm có nhiều bài toán, cụ thể như sau:
9.2.1 Bài toán 1 Đất đá cứng đồng nhất
Trong bài toán này điều kiện cho trước như sau:
- Đất đá trong tầng cứng đồng nhất (tuy nhiên trong thực tế, phần đất đá phía trên thường bị nứt nẻ do ảnh hưởng của những đợt nổ trước) Các thông số của tầng đã được thiết kế cố định với chiều cao tầng là h và góc nghiêng sườn tầng
là (hình 1)
- Các thông số nổ mìn và những điều kiện được coi là cố định gồm: đường kháng chân tầng (W); khoảng cách giữa các lỗ và hàng khoan (a, b); đường kính
lỗ khoan (d); chiều dài bua (lb); loại thuốc nổ, phụ kiện nổ; phương pháp khởi nổ; chỉ tiêu thuốc nổ theo cách nổ truyền thống (lượng thuốc nổ dài liên tục) qt
- Các thông số nổ có thể điều chỉnh để thay đổi mức độ đập vỡ đất đá là: + Những thông số của cấu trúc lượng thuốc trong lỗ mìn;
+ Vật liệu làm bua mìn
Với điều kiện nêu trên ta có lượng thuốc nổ tính theo cách truyền thống là: Q = d2. lt/4 ; kg Trong đó:
d - đường kính của lỗ mìn, m
- mật độ nạp thuốc trong lỗ khoan, kg/m3
lt- chiều dài lượng thuốc nổ tính theo phương pháp truyền thống
Tuy nhiên, theo nguyên tắc tính toán lượng thuốc nổ thì lượng thuốc Q tính theo công thức Q = d2. lt/4 phải được kiểm tra theo công thức sau đây:
Q = W.a.h.qt ; kg
Như vậy, muốn nâng cao được hiệu quả nổ mìn thì nhiệm vụ của chúng ta là cần phải thay đổi cấu trúc của thuốc nổ trong lỗ mìn và thay đổi vật liệu làm bua Điều này sẽ liên quan đến tính chất đất đá trong tầng mỏ, chỉ tiêu thuốc nổ tính toán (qt), khối lượng thuốc nổ (Q)
Ta biết rằng: dọc theo chiều cao của tầng, đất đá phần phía trên bao giờ cũng
bị ảnh hưởng của những đợt nổ trước, thường chúng bị nứt nẻ và bị phân chia thành các khối khác nhau Nghĩa là lực liên kết giữa các khối bị yếu đi, năng lượng dùng để phá vỡ và làm văng xa chúng là nhỏ hơn so với đá nguyên khối Mặt khác, đất đá phần phía trên bao giờ cũng gần bề mặt tự do hơn và đường kháng cũng nhỏ hơn nên năng lượng của thuốc nổ dùng để phá vỡ chúng nhỏ hơn các phần đất đá phía dưới Dạng này thường thấy ở các tầng mỏ đá vôi và
Trang 4một số mỏ lộ thiên khác ở Việt Nam
Chúng ta cũng biết rằng, theo cơ cấu phá vỡ đất đá cứng đồng nhất bằng mìn khi nổ, xung quanh lỗ mìn bao giờ cũng hình thành 3 vùng khác nhau: vùng
nghiền nát (đất đá bị nghiện nát mạnh khi nổ) nằm kề sát với lượng thuốc, vùng
tạo thành nứt nẻ (vùng biến dạng mạnh với nhiều hệ thống nứt nẻ cắt nhau, làm
cho đất đá phá vỡ với nhiều kích thước khác nhau), vùng chuyển dịch dao động
(các phần tử đá chỉ chuyển dịch dao động mà không bị phá vỡ)
Như vậy, để nâng cao được mức độ đập vỡ đất đá, cần phải giảm bớt bán
kính vùng nghiền nát, tăng bán kính vùng tạo thành nứt nẻ và giảm bán kính
vùng chuyển dịch dao động Điều này chỉ thực hiện được khi nổ mìn vi sai giữa
các lượng thuốc, nổ mìn phân đoạn bằng lưu cột không khí và nổ mìn với lượng
thuốc có đường kính khác nhau trong lỗ khoan
Trong thực tế, chúng ta đã sử dụng nổ vi sai và nổ phân đoạn lượng thuốc
bằng lưu cột không khí và đã nâng cao được mức độ đập vỡ đất đá Tuy nhiên,
khi tiến hành nổ phân đoạn các lượng thuốc bằng lưu cột không khí, thường mất
nhiều thời gian thi công do phải làm làm ống chống hay chạc phân cách…
Phương pháp nổ mìn với lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ
khoan khắc phục được nhược điểm này như nội dung trình bày dưới đây:
Trên hình 1, để dễ tính toán và thi công nạp nổ, ta chia tầng thành 2 phần theo chiều cao Đối với phần đất đá phía trên, ta chỉ cần nạp lượng thuốc nổ vừa
đủ sức công phá và khả năng công nổ để phá vỡ hết thể tích đất đá này Muốn
vậy, đường kính lượng thuốc để phá vỡ phần đất đá phía trên phải lấy nhỏ hơn
đường kính lượng thuốc để nổ phần đất đá phía dưới
Khi chiều cao bua và vật liệu làm bua bảo đảm, trên suốt chiều cao của
cột thuốc nổ sẽ tồn tại một lượng thuốc có chiều dài là l1 và đường kính d1 vừa
đủ để phá vỡ phần đất đá phía trên Đất đá phần trên được phá vỡ trong trong
phạm vi phễu nổ có bán kính là r =ka (k - hệ số kể đến khả năng hình thành phễu
nổ của lượng thuốc nổ có chiều dài l1) Trong bài toán này, ứng với nổ mìn trên
mỏ lộ thiên, ta có r = ka ≤ (lb + 0,5 l1 hay ta có: (với a>lb) (1)
Trong đó, bán kính của phễu nổ r = k.a ( k > 1 thì phễu nổ mạnh, k < 1 phễu nổ
yếu, k = 1 phễu nổ chuẩn Khi k > 1 thì r > a và vùng không đập vỡ giữa các lỗ
khoan bị chồng chéo nhiều, còn khi k < 1 thì r < a và vùng không bị đập vỡ giữa
các lỗ khoan có thể tích lớn)
Tuỳ thuộc vào tình trạng của đất đá phần trên và năng lượng của cột thuốc
nổ có chiều dài l1 mà ta có phễu nổ yếu, phễu nổ mạnh hay phễu nổ chuẩn
Thể tích của đất đá nằm trong phễu nổ (V) có bán kính r = ka sẽ là:
(2)
3 1 2
2 1
2
), 5 , 0 (
3
1 ) 5 , 0 (
3
1
m l l
a k l
l r
) (
2
Trang 5Hình 1 Sơ đồ tính toán thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau
trong lỗ khoan khi đất đá cứng đồng nhất và nứt nẻ phía trên
W- đường cản chân tầng, m; C = 2 3 m - khoảng cách an toàn từ trục lỗ khoan hàng
ngoài đến mép trên sườn tầng, m; b - khoảng cách giữa 2 hàng lỗ khoan, m; l1 = chiều
cao cột thuốc nổ phía trên, m; l2 – chiều cao cột thuốc nổ phía đáy, m; h – chiều cao
tầng, m; - góc nghiêng sườn tầng, m
Vậy bài toán đặt ra cho chúng ta là tìm giá trị của d1 của lượng thuốc nổ
phần trên cần nạp trong lỗ mìn để đảm bảo hiệu quả phá vỡ và hiệu quả về
kinh tế Bài toán được giải quyết như sau:
+ Đường kính lượng thuốc phía trên (d1) được tính như sau:
Gọi p là sức chứa thuốc nổ của một mét đoạn lỗ khoan có chiều cao l1 thì
khối lượng thuốc nổ có chiều cao l1 sẽ là:
(3)
Với: - là mật độ của thuốc nổ khi đóng gói (dạng thỏi), kg/m3 d1 - là đường kính lượng thuốc phía trên, m Khi hình thành phễu nổ, lượng thuốc nổ cần phá hết phễu nổ là: (4)
Từ (3) và (4) ta suy ra:
(5)
Trong đó:
W
C
0,5l 1
lb
l1
l2
h
b
m l
q l l
ka d
l
q l l
a k d
q l l
a k l
d
b
b
b
; 3
) 5 , 0 (
2
3
) 5 , 0 (
4
) 5 , 0 (
3
1 4
1
1 1 1
1
1 2
2 2
1
1 1 2
2 1
2 1
1
kg l
d
2 1
1 1 2
2
3
1
q l l
a k
Trang 6q1 - là chỉ tiêu thuốc nổ tính cho phần đất đá phía trên, kg/m3
Như vậy công thức (5) biểu diễn mối quan hệ mật thiết giữa đường kính lượng thuốc phía trên với mật độ dạng thỏi của nó cũng như thông số l1 Để đảm bảo được cách tính này, ta cần phải lựa chọn loại thuốc dạng thỏi có đường kính
d = 42 150 mm và mật độ nạp ≥ 1g/cm3
Trên bảng 1 giới thiệu sự phụ thuộc giữa chiều cao (l1) và đường kính (d1) của lượng thuốc nổ phần trên với các thông số nổ mìn khi sử dụng lượng thuốc
nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan
Sau khi xác định được l1 và d1 , ta sẽ có chiều cao còn lại của cột thuốc phía dưới là: l2 = Lk – (lb + l1) ; m (6)
Và khối lượng thuốc nổ phía dưới (Q2) là:
Q2 = .d2 l2/4 ; kg (7)
Các thông số của tầng và các thông số nổ mìn
T
T
d
(mm)
a (m)
w (m)
h (m)
Lk
(m)
độ
l b
(m)
f C (m)
Khi thuốc
nổ có mật
độ nạp trong lỗ (kg/m3)
q 1
kg/m3
d 1
(mm)
l 1
(m)
1 150 5 5,5 10 11 70 3 9 -10 2 1050- 1150 0,38 120110 4
2 115 4,5 5 10 11 70 2,7 8-9 1,5 1050- 1150 0,34 10090 3,5
3 105 4 4 10 11 80 2,5 7 - 8 2 1050- 1150 0,32 8070 3
4 42 1,5 1,5 2,5 3 75 0,8 7- 8 0,8 1050- 1150 0,32 3025 1,4
Tuy nhiên, trong thực tế đất đá rất đa dạng và thay đổi liên tục trên suốt chiều cao tầng Vì vậy, tùy theo từng điều kiện đất đá mà ta có thể áp dụng theo những bài toán được đưa ra như sau:
9.2.2 Bài toán 2: Đất đá cứng đồng nhất, phân lớp với hướng cắm khác nhau
Cũng tương tự như bài toán 1, trong bài toán này ta xét 2 trường hợp:
- Trường hợp a: các mặt phân lớp có độ dốc từ nghiêng đến đứng và
hướng cắm của các lớp đá từ phía trong ra phía ngoài sườn tầng (hình 2.a1)
Trong trường hợp này, năng lượng dùng để phá vỡ đất đá phần trên cũng như phần dưới không lớn (dễ nổ mìn) do các khối đá có xu hướng trượt ra phía sườn tầng Bài toán này là hệ quả của bài toán 12 và thường gặp trong thực tế
Do vậy, ta áp dụng công thức (1) để tính chiều cao cột thuốc phía trên l1 và áp dụng công thức (2) để tính đường kính của cột thuốc nổ phía trên (d1) Mặt khác,
do phần đất đá phía dưới cũng dễ nổ nên để tiết kiệm thuốc nổ, ta có thể nổ phân đoạn lượng thuốc đáy (hình 2.a2)
Trang 7Hình 2.a1 Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan, khi đất đá cứng đồng nhất, phân lớp từ dốc
nghiêng đến dốc đứng và hướng cắm từ trong ra ngoài Riêng chiều cao cột không khí được tính theo kinh nghiệm khi nổ thực nghiệm: lkk = (0,15 0,3)lt, m (8)
Trong đó: lt - chiều dài lượng thuốc phía dưới
Hình 2.a2 Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan, khi nổ phân đoạn lượng thuốc nổ đáy, trong đất đá cứng đồng nhất, phân lớp từ dốc nghiêng đến dốc đứng, hướng cắm từ trong ra ngoài
Bài toán 2 thường áp dụng nhiều ở Việt Nam, cụ thể tại các mỏ đá vôi,
mỏ đá Riôlit phục vụ xây dựng
- Trường hợp b: các mặt phân chia lớp có độ dốc từ nghiêng đến đứng và hướng
cắm của các lớp đá từ phía ngoài vào trong tầng (hình 2.b)
l 1
l 2
l b
W
l 1
l 2
l b
0,5l 1
Trang 8Hình 2.b Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan, khi đất đá cứng đồng nhất, phân lớp từ dốc nghiêng đến dốc đứng và hướng cắm từ phía ngoài vào trong Đối với trường hợp này, năng lượng dùng để phá vỡ phần đất đá phía trên rất lớn (khó nổ mìn) do các khối đá có xu hướng trượt vào trong và làm tăng sức kháng, chống lại khả năng phá vỡ của chất nổ Đây là bài toán cũng thường gặp
ở thực tế Vì vậy, nếu áp dụng theo cách tính bài toán 1 sẽ dẫn đến không hiệu quả khi nổ Để giải bài toán này ta phải chọn loại thuốc nổ có sức công phá và khả năng công nổ lớn và áp dụng phương pháp nổ truyền thống (lượng thuốc nổ dài liên tục một loại thuốc nổ), hoặc sử dụng phương pháp nổ phân đoạn lượng thuốc, đồng thời lựa chọn vật liệu bua làm từ Kabenlis kết hợp với phoi khoan
và đá dăm để ngăn cản sự phụt bua sớm
9.2.3 Bài toán 3: Đất đá phân thành nhiều lớp có hệ số kiên cố khác nhau
Giả sử các lỗ khoan được khoan qua n lớp đất đá của tầng (hình 3) Trong
bài toán này, về mặt lý thuyết, ta có thể sử dụng nhiều loại thuốc nổ có đường kính khác nhau nổ cho mỗi lớp, nhưng điều này rất khó thực hiện trong thực tế
Do vậy ta vẫn áp dụng như bài toán 12 để tính Chỉ khác là giá trị hệ số kiên cố của đất đá và tỷ trọng đất đá lấy theo giá trị bình quân gia quyền (ftb, tb):
và
Trong đó:
f1 , f2…, fn là hệ số kiên cố của đất đá trong tầng thứ nhất, thứ 2…., thứ n
l1, l2,… li là chiều cao các lớp đất đá trong tầng nhất, thứ 2…., thứ n
i
n n tb
l
l f l
f l f
f
1
2 2 1
i
n n tb
l
l l
l
1
2 2 1
C
W
b
b
l 1
l2
l b
0,5l 1
Trang 9
Hình 3 Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác nhau trong lỗ khoan khi đất đá không đồng nhất phân thành nhiều lớp Tuy nhiên, trong bài toán này cần chú ý loại trừ lớp đất sét khi tính giá trị
hệ số độ độ cứng ftb và tỷ trọng tb cũng như thế nằm của các lớp đất đá và điều kiện địa chất thuỷ văn, sau đó mới tính chọn chỉ tiêu thuốc nổ cho phù hợp
Trong trường hợp đất đá vừa phân lớp vừa nứt nẻ, ta có thể áp dụng bài toán 2a để tiết kiệm thuốc nổ trong lỗ khoan
9.2.4 Bài toán 4: Khi đất đá phần trên mềm yếu hơn đất đá phần dưới
Trong trường hợp này, đất đá phần phía trên thường là lớp quặng mềm
hay đất đá mềm yếu Trong khi đó lớp đất đá phía dưới thuộc dạng cứng và khó
nổ mìn (hình 4)
Hình 4 Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác
nhau trong lỗ khoan khi đất đá phần trên mềm yếu hơn phần dưới
Líp 1
Líp 2
Líp n
W
0,5l 1
l b
l 1
l 2
h
b
f 1, h 1
f 2, h 2
f n, h n
W
0,5l 1
l b
l1
l 2
b
f 1 ; h 1
f 2 ; h 2
H 1
h
Trang 10Điều kiện đặt ra cho bài toán này là:
f1 < f2 và H1 0,5h Trong đó:
H1 - chiều dày nhỏ nhất của lớp quặng hay đất đá mềm phần trên, m
h - chiều cao tầng, m
Như vậy, để giải bài toán này ta áp nội dung bài toán 12 Tuy nhiên, để đơn giản trong tính toán, ta tính chỉ tiêu thuốc nổ riêng cho từng phần đất đá, dựa theo bảng phân loại đất đá theo độ nổ hoặc lấy theo thực tế
9.2.5 Bài toán 5: Khi đất đá phần dưới mềm yếu hơn đất đá phần trên
Trong trường hợp này, đất đá phía trên thuộc dạng cứng khó nổ mìn, đất đá phần dưới thường là lớp quặng mềm hay đất đá mềm yếu (hình 5) Điều kiện đặt ra cho bài toán này tương tự như bài toán 4là:
f1 > f2 và H1 0,5h (H1 - chiều dày nhỏ nhất của lớp đất đá cứng phần trên)
Đối với bài toán 5, nếu áp dụng nội dung như bài toán 1 sẽ dẫn đến sai lầm vì khi khối lượng thuốc nhỏ đi, năng lượng của nó sẽ không đủ để phá vỡ phần đất đá cứng phía trên Phương án giải cho bài toán 5 như sau:
- Lựa chọn chủng loại và chỉ tiêu thuốc nổ của tầng theo phần đất đá phía trên
và tiến hành xác định thông số của phần trên theo phương pháp nổ truyền thống Nghĩa là, đường kính lượng thuốc phía trên bằng đường kính lỗ khoan
- Chọn đường kính lượng thuốc của phần dưới (d2) nhỏ hơn đường kính lỗ khoan (d) Chọn chỉ tiêu thuốc nổ cho phần đất đá phía dưới (q2) dựa theo các bảng phân loại đất đá hoặc lấy theo thực tế
Hình 5 Sơ đồ tính toán các thông số của lượng thuốc nổ có đường kính khác
nhau trong lỗ khoan khi đất đá phần dưới mềm yếu hơn phần trên
W
C
0,5l 1
l b
l 1
l 2
b
f 1, h1
f 2 ; h 2
H 1
h
b
