1. Đặt vấn đề
Ở nước ta, phương pháp khoan nổ mìn vi sai tạo biên đã và đang góp phần đẩy nhanh tốc độ đào hầm lò, nhất là đào hầm lò trong đá rắn. Tuy nhiên, khi các khâu công tác chính: khoan lỗ mìn, xúc bốc đá giải phóng gương và gia cường khối đá xung quanh đã được đầu tư cơ giới hoá cao độ, thì chính trình độ thiết kế hộ chiếu khoan nổ mìn lại đang tạo ra giới hạ vô hình, không những chỉ với tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn nói riêng, mà còn cả với tốc độ đào hầm lò nói chung. Cho nên hiệu quả đầu tư cơ giới hóa hiện nay vẫn còn chưa rõ rệt.
Thực tiễn cho thấy phương pháp khoan nổ mìn hiện nay vẫn còn không ít nhược điểm. Bên cạnh một số nhược điểm dường như phổ cập: tiến độ chu kỳ (L¬CK) hạn chế, hệ số sử dụng chiều sâu lỗ mìn (η) thấp, hệ số thừa diện tích mặt cắt ngang (μ) cao; còn có thể gặp một số nhược điểm khác: gây nứt nẻ cho khối đá xung quanh, đá nổ ra vừa không đều, vừa không tập trung, thậm chí còn gây hư hỏng cả một số trang bị và kết cấu gần gương…
Để khắc phục những nhược điểm này, chúng ta cần nghiên cứu cải thiện đồng bộ nhiều công việc và thay đổi nhiều vật tư thi công khác nhau. Ở đây chỉ nghiên cứu cơ sở tăng mức khoan sâu nổ nhiều, khi đào toàn gương hầm lò trong đá liên kết rắn chắc; góp phần hạn chế những nhược điểm chính của phương pháp khoan nổ mìn hiện nay xoay quanh 3 vấn đề cơ bản sau:
- Giảm đường cản nhỏ nhất của khối đá theo từng phía của từng phát mìn (W).
- Giảm tổng chi phí thuốc nổ để đào hầm lò (Q).
- Tăng tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn tiến gương (LCK).
2. Khái niệm về các biện pháp góp phần giảm W
Với mỗi phát mìn dài đường kính nhỏ (d) trong điều kiện này, các giá trị W ở cả phía miệng và phía các sườn đều phải được chọn trên cơ sở cân đối các yêu cầu cơ bản:
- Tăng hiệu quả nổ.
- Giảm chi phí chung.
- Thoả mãn các tiêu chuẩn an toàn vệ sinh lao động.
- Chống nổ phụt gây nguy hại cho hầm lò và cho môi trường.
Việc giảm W ở phía miệng mỗi phát mìn có thể thực hiện bằng biện pháp nạp nổ phân đoạn vi sai. Khi đó năng lượng nổ được phân phối đều hơn và hiệu quả hơn. Nhờ chia được cả thuốc nổ và nút mìn thành những phát mìn phân đoạn nhỏ để nổ vi sai với nhau, vừa làm giảm được W phía miệng chúng, vừa tăng được sóng nổ cho các phát mìn nổ vi sai sau, cho nên có thể giảm được Q, mà đá nổ ra đều hơn.
Còn việc giảm W phía sườn mỗi phát mìn có thể thực hiện độc lập hoặc phối hợp 2 biện pháp: khoan lỗ trống cạnh này và nổ vi sai trước đó 1 hay một số phát mìn cạnh khác. Nhờ vậy, góc các chóp phễu nổ được mở rộng sang phía cạnh đã có lỗ trống hoặc đã nổ vi sai trước; đá nổ ra nhiều hơn, đều hơn; làm tăng hệ số sử dụng chiều sâu các lỗ mìn trung bình (η = LCK/ lKcosα). Trong đó:
lK - Chiều dài các lỗ mìn trung bình
α - Góc nghiêng của các lỗ mìn trung bình so với phương pháp tuyến của mặt gương); làm lệch hướng đá bay ra, tạo diều kiện tập trung chúng ở gần gương hơn, mở ra khả năng giảm được Q.
Như vậy, để công nghệ của chúng ta sạch hơn, mọi thiết kế khoản nổ mìn đều phải thực hiện giảm W bằng cả 2 biện pháp: dùng các lỗ khoan trống và nạp nổ phân đoạn vi sai thích hợp.
3. Nhiệm vụ của các lỗ khoan trống và các phát mìn
3.1. Mỗi lỗ khoan trống lân cận 1 hoặc một số phát mìn có nhiệm vụ: Giảm W; Mở rộng góc chóp phễu nổ; Tăng hệ số η = LCK/lcosα để tăng LCK. Tăng độ đồng đều và độ tập trung đá nổ ra. Giảm Q.
Hiệu quả của lỗ khoan trống phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố sau:
- Thể tích khối đá kẹp giữa và miền phân bố giá trị W.
- Thể tích lỗ trống.
- Đặc tính của khối dá.
- Loại phát mìn được lỗ khoan trống góp phần giảm W.
3.2. Nhiệm vụ của mỗi phát mìn
Khi mỗi lỗ mìn chỉ chứa 1 phát mìn (thuốc nổ nạp liên tục, cũng như nạp phân đoạn nhưng bố trí kíp nổ đồng thời hoặc dây nổ tăng cường), khái niệm tên lỗ mìn tương ứng với khái niệm tên phát mìn chứa trong nó: lỗ mìn đột phá, lỗ mìn phá, lỗ mìn biên.
Những gương khoan nổ mìn có các lỗ mìn trung bình và sâu lK≥ 1,8 m, để nâng cao hiệu quả khoan nổ mìn, mỗi lỗ mìn cần đảm bảo nạp phân đoạn ít nhất thành 2 phát mìn. Chỉ khi lỗ mìn quá sâu: 4 ≤ lK ≤ 5 m; thêm vào đó hoặc đá có tính dai, hoặc thuốc nổ thuộc loại kém nhạy VN ≤ 4 km/s; mới nên bố trí mỗi lỗ mìn phân đoạn thành 3 phát mìn. Ngoài ra để tiện thi công và tiết kiệm phụ kiện nổ, thông thường nên bố trí mỗi lỗ mìn có 2 phát mìn. Khi đó khái niệm về các lỗ mìn phá và các lỗ mìn biên vẫn coi như không đổi. Nhưng khái niệm về các lỗ mìn đột phá cần được điều chỉnh rộng ra: lỗ mìn đột phá là lỗ mìn có phát mìn được nổ đột phá (nổ đầu tiên hoặc trong loạt đầu tiên trên gương. Trong lỗ này có thể không có hoặc có thêm 1 hay một số phát nổ vi sai tiếp sau.
3.3. Ảnh hưởng của lỗ khoan trống đến các phát mìn khác nhau
3.3.1. Mỗi phát mìn đột phá đều có nhiệm vụ khó khăn hơn mỗi phát mìn nổ vi sai tiếp sau, dù có chung các điều kiện khác: Phải chuyển khối đá liền kề từ trạng thái tĩnh (không mang sóng nổ) sang trạng thái động với 2 miền liên tiếp: miền phá huỷ dòn đột phá, nằm trực tiếp bên phát mìn và miền biến dạng đàn hồi, nằm bên ngoài miền phá huỷ dòn đó.
Biện pháp dùng lỗ khoan trống hợp lý cùng với biện pháp nạp nổ mìn phân đoạn vi sai hợp lý sẽ giúp chiều dài từng phân đoạn nút trong lỗ mìn và giảm W phía cạnh phát mìn, cho nên sẽ đem lại hiệu quả cao cho việc nổ đột phá, đặc biệt sẽ giảm lượng thuốc nổ đột phá, giảm khối lượng cùng với sức mạnh và độ văng xa của đá nổ ra. Tuy nhiên, để lỗ khoan trống có tác dụng gần như mặt tự do thứ 2, diện tích mặt cắt ngang lỗ thoáng nằm trong vùng sống nổ va đập cần lớn gấp (4 - 6) lần diện tích mặt cắt ngang lỗ mìn nhỏ đã chọn. Vì thế, nếu sử dụng một lỗ khoan trống thì lỗ này phải có đường kính : D ≥ (90 - 110 mm). Đây là yêu cầu gây khó khăn quá lớn cho công tác khoan nổ man:
- Phải có thiết bị khoan lỗ lớn, nhưng do khối lượng công việc khoan lỗ này không lớn, tỷ lệ thời gian hoạt động khoan lỗ lớn trong mỗi chu kỳ tiến gương hầm lò là không nhiều, nên hiệu suất sử dụng thiết bị thấp, trong khi vốn đầu tư là rất cao.
- Đầu và cuối mỗi chu kỳ khoan lỗ lớn đều phải có giai đoạn chuyển tiếp để trao đổi trang thiết bị và chuẩn bị hiện trường.
Để tạo khoảng trống hiệu quả theo yêu cầu này, tốt nhất là sử dụng (4 - 6) lỗ khoan trống nhỏ cùng đường kính với lỗ mìn, rồi bố trí chúng cách đều nhau và vây quanh lỗ mìn đột phá theo bán kính nghịch biến với độ bền khối đá trong khoảng : 20 cm ≤ (rđp = Wmin) ≤ 30 cm.
3.3.2. Mỗi phát mìn phá đều có nhiệm vụ tiếp thêm sóng nổ vào khối đá liền kề đang biến dạng đàn hồi (bởi 1 hoặc một số phát mìn nổ vi sai trước ở vùng lân cận) nhằm tạo ra 2 miền liên tiếp: miền phá huỷ dòn mở rộng miền đã phá huỷ vi sai trước (có thể do phát mìn đột phá, cũng có thể do 1 hoặc một số phát mìn phá nào đó đã nổ vi sai trước) và miền biến dạng đàn hồi nằm ngoài miền phá huỷ dòn mới hình thành. Như vậy, mọi phát mìn phá đều đã có thêm mặt tự do thứ 2 đủ lớn là mặt bao miền phá huỷ dòn nổ vi sai trước và đều đã được giảm W phía miệng bằng biện pháp nạp nổ mìn phân đoạn vi sai theo từng lỗ mìn. Hiệu quả của biện pháp dùng lỗ khoan trống để tạo thêm mặt tư do phụ cho chúng, nói chung là rất thấp. Vì thế trong thực tế, không nên sử dụng lỗ khoan trống để giảm bền cho vùng đá này (NTP = 0).
3.3.3. Các phát mìn biên nằm trong các lỗ mìn biên, được bố trí liên tiếp trong mặt nón, cắt mặt biên cần đào, theo đường lân cận biên mặt gương mới, tương ứng theo hướng dẫn nêu trong các tài liệu. Chúng được điều khiển nổ theo từng loạt tương ứng với số phân đoạn trong mỗi lỗ mìn, nhằm thực hiện 2 nhiệm vụ theo 2 miền tương ứng mới liên tiếp nhau:
- Tạo sóng nổ xung kích cộng hưởng với sóng nổ lan truyền từ các phát nổ trên gương đã nổ vi sai trước, để gây kéo đứt đột ngột phần đá đó khỏi mặt biên cần đào của hầm lò và gần như không gây nứt nẻ cho khối đá nằm ngoài mặt biên đó.
- Tiếp thêm sóng nổ xung kích vào phần đá đang có sóng biến dạng nằm giữa vùng đá bị kéo đứt và vùng đá đã bị phá huỷ dòn do các phát nổ vi sai trước nhằm phá huỷ dòn tiếp vùng đá đó.
Như vậy các phát mìn biên tuy nhiệm vụ có phức tạp hơn và đòi hỏi chính xác hơn, nhưng cũng đều có mặt tự do thứ 2 và đều được giảm W phía miệng theo các biện pháp như đối với các lỗ mìn phá, cho nên biện pháp dùng lỗ khoan trống để tạo thêm mặt tự do phụ cho chúng, nói chung cũng ít hiệu quả. Tuy nhiên do yêu cầu tạo biên, khi các lỗ mìn biên quá mạnh, phải bố trí xa nhau, không đáp ứng yêu cầu nổ tách của các phát mìn gần nhau, vẫn có thể sử dụng các lỗ khoan trống ngắn nằm xen giữa các phát mìn biên để xác định mặt phá huỷ kéo và tăng độ đồng đều của đá vỡ rời.
4. Biện pháp tăng tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn toàn gương (LCK)
Khi lỗ mìn nạp nổ liên tục, LCK không những phụ thuộc vào tổ chức chu kỳ và năng suất từng công việc trong chu kỳ, mà còn phụ thuộc vào kích thước nhỏ nhất (B) của mặt gương đào.
Khi đào toàn gương trong đá liên kết rắn chắc bằng CNKNMLN, giá trị LCK phụ thuộc trước hết vào 2 công tác chính là khoan gương và xúc bốc đá giải phóng gương. Như vậy, khi 2 công tác này đã được cơ giới hoá đạt năng suất cao, thoả mãn được yêu cầu đặt ra, chúng ta có thể chọn LCK trên cơ sở biểu thức:
LCK = ηlKcosα
Khi B hạn chế, nếu lỗ mìn nạp nổ liên tục thì LCK phải đảm bảo tương ứng với góc nghiêng của các lỗ khoan đột phá:
LCK ≤ (0,5 0,75)√S
Hơn nữa khi lỗ mìn nạp liên tục để sử dụng thuốc nổ kém nhạy giá rẻ và an toàn (VN ≤ 4 km/s); đồng thời để đảm bảo mỗi lỗ mìn chỉ cần kích nổ bởi 1 kíp nổ, quan hệ giữa đường kính lỗ mìn D, chiều dài lỗ mìn lK và chiều dài liều thuốc nổ trong lỗ lth còn cần đảm bảo:
Khi: D = (40 - 60) mm thì lK ≤ 2,5 m và lth≤ 2,0 m.
Khi: D = (25 - 32) mm thì lK ≤ 2,0 m và lth≤ 1,6 m.
Như vậy, khi năng lực khoan và xúc bốc cho phép; vừa để vượt qua hạn chế của chất lượng thuốc nổ và kích thước B, vừa để tăng LCK, giảm tổng số chu kỳ, vừa để giảm Q, giảm độ văng xa của đá vỡ rời, giảm thời gian đưa gương về trạng thái an toàn và tăng hiệu quả sử dụng thiết bị thi công, tốt nhất nên áp dụng biện pháp nạp nổ phân đoạn vi sai toàn gương (cả theo từng phân đoạn lỗ mìn và theo miền liên tiếp trên gương).
5. Số lượng lỗ khoan từng nhóm
5.1. Số lỗ mìn đột phá (NĐP): Khi điều kiện chung không đổi, kết quả so sánh các suất thuốc nổ bình quân để phá vỡ 1 m3 đá theo từng nhóm phát mìn khác nhau trên gương hầm lò là:
qđp (0) < qdp (c) < qp , qb
Trong đó: qđp(0) và qđp(c) - Các suất thuốc nổ bình quân để nổ đột phá 1 m3 đá trên gương hầm lò khi không có (0) và khi có (c) biện pháp giảm W.qp và qb - Các suất thuốc nổ bình quân để nổ 1 m3 đá trên gương theo yêu cầu nổ phá và theo yêu cầu nổ tạo biên, khi đã thực hiện nạp nổ phân đoạn vi sai cả theo từng phân đoạn trong lỗ mìn và theo từng nhóm lỗ mìn.
Rõ ràng với cùng 1 thể tích đá cần phá vỡ khi tiến gương hầm lò, cần giảm thiểu khối đá cần nổ đột phá. Từ đó suy ra: chỉ nên nổ đột phá bằng 1 phát mìn là phân đoạn thuốc nổ có quy mô tối thiểu, miễn sao đảm bảo nút mìn và W phía miệng lỗ mìn đủ kích thước theo tiêu chuẩn an toàn: Khi lth ≤ 50 cm thì chiều dài nút lnut = lth. Khi lth > 50 cm thì lnut ≥ 50 cm. Nếu hầm lò đào trong đá, cần đảm bảo hệ số nạp mìn (an) là: (an = lth/lnut + lth) ≤ 0,8. Nếu hầm lò đào trong than và diệp thạch cháy, nhưng không xuất khí cháy nổ, cần đảm bảo: (an = lth/lnut + lth) ≤ 0,65. Nếu hầm lò đào trong than và diệp thạch cháy xuất khí cháy nổ, cần đảm bảo: (an = lth/lnut + lth) ≤ 0,55. Như vậy, mỗi chu kỳ tiến gương hầm lò chỉ nên bố trí một lỗ mìn đột phá (NĐP = 1).
Xem xét những sơ đồ nổ đột phá có từ 2 lỗ mìn đột phá trở lên, chúng ta thấy đó là những sơ đồ nổ đột phá chưa chú ý giảm tiêu hao thuốc nổ và bảo vệ môi trường; cho nên cần loại bỏ dần. Riêng những sơ đồ nổ đột phá bằng 1 nhóm lỗ mìn nạp liên tục, nổ vi sai theo từng lỗ mìn (điển hình là 2 sơ đồ nổ đột phá vi sai theo đường xoắn Canada và theo dẻ quạt); Chúng ta thấy đó là những sơ đồ nổ đột phá tiến bộ, nhưng do vừa khó xác định vị trí các lỗ mìn trong nhóm, vừa khó phân bổ các lỗ mìn quanh chúng; vừa chưa chú ý tới ảnh hưởng của W phía miệng lỗ mìn và ảnh hưởng của yêu cầu tăng LCK khi kích thước gương hạn chế; Nên chúng vẫn chưa tương xứng với khả năng cơ giới hoá cao các công tác khoan nổ mìn và xúc đá tại gương.
5.2 Số lỗ mìn tạo biên (Nb): Trên thực tế có thể xác định theo các hướng dẫn tương ứng với từng trường hợp: mặt biên hở (không tính mặt nền) và mặt biên kín.
Tuy nhiên để có thêm cơ sở chọn khoảng cách giữa các lỗ mìn biên cùng với biện pháp tăng khả năng tạo chính xác và giảm độ nứt nẻ cho khối đá ngoài mặt biên, chúng ta xem xét các phương án đặc biệt sau đây:
5.2.1. Chọn mật độ và đặc tính các lỗ mìn tạo biên giống các lỗ mìn phá, rồi giảm W cho các lỗ mìn tạo biên bằng các lỗ khoan trống ngắn (0,5lk) xen giữa các lỗ mìn tạo biên. Giả định số lỗ mìn biên trong điều kiện này là . Khi đó chúng ta có thể nhận định:
- Đây là phương án dễ thực hiện các công việc: khoan, nạp và điều khiển nổ.
- Tỷ lệ giữa tổng chiều dài các lỗ khoan trống xen giữa các lỗ mìn biên so với tổng chiều dài các lỗ mìn biên (k') khá lớn: khi mặt biên hở: k'= [0,5 : ]; còn khi mặt biên kín: k' = 0,5.
- Do đường kính các liều thuốc nổ trong tất cả các lỗ mìn đều bằng nhau, cho nên dễ gây nứt nẻ lớn cho khối đá ngoài mặt biên đào.
5.2.2. Chọn tỷ lệ giữa diện tích mặt gương công tác của mỗi lỗ mìn biên so với diện tích mặt gương công tác của mỗi lỗ mìn phá là k2 < 1, chúng ta suy ra:
- Tỷ lệ giữa lượng thuốc nổ trong mỗi lỗ mìn biên so với lượng thuốc nổ trong mỗi lỗ mìn phá cũng tương ứng là k2 < 1.
- Khoảng cách giữa các lỗ mìn biên với nhau cũng như với các lỗ mìn phá đều giảm đi so với khoảng cách giữa các lỗ mìn phá một tỷ lệ là k.
- Tỷ lệ giữa đường kính liều thuốc nổ biên và đường kính liều thuốc nổ phá, cũng như tỷ lệ giữa đường kính lỗ mìn biên và đường kính lỗ mìn phá đều là k.
- Hệ số tăng số lỗ mìn biên cũng như hệ số tăng tổng chiều dài các lỗ mìn biên là k1 = (1/k).
5.2.3. Như vậy, khi k' ≥ k1 phương án 2 đều lợi hơn phương án 1. Nói chung phương án 1 chỉ nên áp dụng khi k' < k1 . Tuy nhiên điều này rất khó thực hiện. Vì thế thông thường đều nên áp dụng phương án 2, kết hợp với nạp nổ phân đoạn theo yêu cầu chung. Trường hợp đặc biệt, nếu điều kiện khoan lỗ không cho phép giảm đồng bộ đường kính các lỗ mìn biên, có thể áp dụng biện pháp tình thế: giảm đường kính các liều thuốc nổ tạo biên, rồi sử dụng túi nạp mìn 2 lớp vỏ cách nước - vỏ ngoài phù hợp với quy cách lỗ khoan thực tế, vỏ trong để nạp các liều thuốc nổ tạo biên có đường kính đã chọn, giữa 2 lớp vỏ được bơm đầy nước.
5.3. Số lỗ mìn phá và số lỗ khoan trống: số lỗ mìn phá (Np) có thể xác định theo hướng dẫn trong tài liệu. Còn số lỗ khoan trống (NT) chỉ cần chọn theo yêu cầu giảm W xung quanh 1 lỗ mìn phá, cho nên cần chọn theo 2 điều kiện: tổng số lỗ khoan trống nằm trong khoảng (10 ÷ 20) lỗ khoan chung, đồng thời đảm bảo NT = (4 ÷ 6) lỗ .
6. Kết luận
Biện pháp kết hợp nạp nổ mìn phân đoạn vi sai tất cả các lỗ mìn kết hợp với (4 ÷ 6) lỗ khoan trống và tỷ lệ trong khoảng (10 ÷ 20) lỗ khoan chung trên gương chính là biện pháp góp phần làm sạch hơn CNKNMLN khi đào toàn gương hầm lò trong đá liên kết rắn chắc bởi vì:
- Giảm được W cho từng phát mìn
- Giảm được Q
- Tăng độ đồng đều của đá vỡ rời.
- Tạo phương bay chủ đạo cho đá nổ vỡ rời gần song song với mặt gương, vừa đỡ gây hư hại cho các kết cấu chống giữ và các trang thiết bị làm việc gần gương, vừa tạo thuận lợi cho mọi bước công tác tiếp theo.
- Giảm xung lực đối với khối đá bên ngoài mặt biên, góp phần giảm lượng nứt nẻ cho khối đá đó.

Nguồn: TC Xây dựng, số 11/2008