Giảm lượng đá vụn rơi ra khi nổ mìn khai thác mỏ: Tại sao sử dụng nhiều thuốc nổ hơn không phải là giải pháp

Nếu bạn đã từng làm công việc nổ mìn bề mặt một thời gian, bạn sẽ hiểu cảm giác đó. Bạn bước đến đống đá vụn sau khi nổ mìn, và chúng ở đó — nửa tá tảng đá to bằng ô tô cỡ nhỏ, nằm ngay chỗ hàng đầu tiên vừa được đặt. Người điều khiển máy xúc nhìn bạn với vẻ mặt khó hiểu. Người quản lý dự án bắt đầu tính toán chi phí thiệt hại thứ cấp trong đầu. Và chắc chắn, sẽ có người nói điều bạn không muốn nghe: "Có lẽ lần sau chúng ta nên thêm nhiều thuốc nổ hơn."

Đây là bài học tôi rút ra được một cách khó khăn, sau khi đã dùng hết lượng thuốc nổ ANFO đủ để xây một mỏ đá nhỏ: vấn đề đá tảng hầu như không bao giờ do thiếu thuốc nổ. Vấn đề nằm ở chỗ năng lượng bị dồn vào sai chỗ. Bịt kín các chỗ rò rỉ, và hiện tượng vỡ vụn sẽ tự diễn ra.

Bước một: Khảo sát kỹ địa hình trước khi thay đổi bất kỳ thông số nào.

Trước khi bạn thay đổi khoảng cách giữa các lỗ, trước khi bạn điều chỉnh hệ số bột, trước khi bạn làm bất cứ điều gì với các con số, hãy đi bộ dọc theo mặt bàn làm việc. Thực sự quan sát nó.

Hàng lỗ phía trước và phần trên của bệ đá là nơi xuất hiện những tảng đá lớn, và có lý do cho điều đó. Hàng lỗ phía trước bắn vào đá đã bị hư hại — do vụ nổ trước đó, do quá trình phong hóa kéo dài hàng tháng, do sự giãn nở bề mặt. Còn phần bệ đá phía trên thì sao? Câu chuyện cũng tương tự từ trên xuống dưới. Những khu vực này chằng chịt các khe nứt hở và các vết nứt nhỏ li ti mà bạn không thể nhìn thấy từ khoảng cách 20 mét, nhưng chúng sẽ làm mất đi toàn bộ năng lượng nổ của bạn.

Khi sóng xung kích tác động vào một vết nứt hở, nó không truyền qua vết nứt một cách trơn tru. Sóng xung kích phản xạ, tán xạ và mất áp suất. Khí thoát ra sau đó — thứ thực sự gây ra sự phá vỡ đá trong một vụ nổ được thiết kế đúng cách — thoát thẳng vào vết nứt thay vì tạo áp suất lên thành giếng khoan. Kết quả cuối cùng: chất nổ phát nổ, mặt đất rung chuyển, và đá giữa các vết nứt không chịu đủ áp suất duy trì để bị vỡ.

Điều tương tự cũng xảy ra ở các ranh giới địa chất. Khi gặp phải một lớp đất sét, một đới đứt gãy, hoặc một mạch đá bị phong hóa, sóng ứng suất sẽ dừng lại đột ngột. Đá ở phía bên kia ranh giới đó sẽ bị đẩy ra nguyên vẹn và rơi xuống đống đá vụn như một tảng đá lớn mà đội phá đá thứ cấp của bạn sẽ phải nguyền rủa trong ba ngày tiếp theo.

Vậy bước đầu tiên không phải là điều chỉnh bất cứ thứ gì. Đó là đi dọc theo luống đất và đánh dấu các khu vực có vấn đề trên bản phác thảo được phun sơn: hàng đất phía trước bị nứt ở đây, đường nứt đất sét ở đó, lớp đá phủ bị phong hóa ở phía trên. Nếu bạn không biết năng lượng đang bị thất thoát ở đâu, bạn không thể bịt các lỗ hổng.

Bước hai: Hai thông số thực sự tạo nên sự khác biệt

Khi bạn đã biết được những khu vực nào sẽ gây khó khăn cho mình, bạn có thể điều chỉnh một cách thông minh thay vì mù quáng.

Thông số đầu tiên cần đề cập đến là kiểu bố trí lỗ khoan. Một số lượng đáng ngạc nhiên các mỏ đá vẫn sử dụng kiểu bố trí mà bạn có thể gọi là truyền thống: khoảng cách lỗ khoan nhỏ với tải trọng tương đối lớn. Quan điểm cho rằng các lỗ khoan gần nhau sẽ tạo ra sự phân mảnh tốt hơn. Thực tế thì ngược lại: khoảng cách nhỏ với tải trọng lớn tạo ra các khoảng trống năng lượng ở chân bậc đá, và những khoảng trống đó tạo ra chính xác những tảng đá và tàn dư ở chân bậc đá mà mọi người đều ghét.

Hãy đảo ngược lại. Khoảng cách lớn, tải trọng nhỏ. Kéo dài khoảng cách giữa các lỗ nhưng đưa hàng lỗ gần hơn về phía mặt tự do. Bạn sẽ nhận được hai lợi ích cùng một lúc: tải trọng giảm giúp hàng lỗ phía trước vỡ gọn gàng xuống sàn thay vì để lại phần thừa, và khoảng cách rộng hơn — miễn là được tính toán để tạo ra sự chồng lấp năng lượng tối đa giữa các lỗ liền kề — sẽ bao phủ khối đá mà không gây lãng phí sự chồng lấp của kiểu khoan dày đặc. Sự phân mảnh sẽ đồng đều hơn, và bạn sẽ khoan ít lỗ hơn trên mỗi mét khối. Điều đó giúp tiết kiệm tiền ở cả hai khía cạnh.

Thông số thứ hai là hệ số thuốc nổ, và điều quan trọng là không được coi nó như một con số duy nhất cho toàn bộ quá trình nổ. Hàng đá phía trước bị nứt vỡ sẽ được tăng lượng thuốc nổ lên — nhiều hơn 10% đến 20% thuốc nổ trên mỗi mét khối so với mức cơ bản. Bạn không tăng thuốc nổ chỉ để tăng sức mạnh; bạn đang bù đắp cho sự thất thoát năng lượng qua những vết nứt có sẵn. Đá nguyên vẹn phía sau hàng đá phía trước vẫn giữ nguyên mức cơ bản. Và gần bức tường dốc cuối cùng, bạn thực sự cần giảm hệ số thuốc nổ — sự ổn định của sườn dốc là vấn đề an toàn, không phải là chỉ số sản xuất, và việc nổ quá mức gần chu vi là cách tạo ra các vết nứt hình nêm xuất hiện sau sáu tháng.

Điều chỉnh từng bước nhỏ và thử nghiệm. Thêm 10% vào khu vực có vấn đề, nổ mìn, kiểm tra đống đá vụn. Vẫn còn đá tảng? Tăng lên 15%. Đừng vội tăng lên 25% chỉ vì thiếu kiên nhẫn. Nổ mìn quá mức không chỉ lãng phí tiền bạc mà còn tạo ra đá văng, rung động quá mức và vách đá phía sau lởm chởm khiến cho lần khoan tiếp theo khó khăn hơn.

Bước ba: Giữ lại một ít bùn để làm lớp đệm

Phương pháp nổ mìn sạch bề mặt — nơi mà mọi tàn dư của vụ nổ trước đó đều được dọn sạch trước khi tiến hành vụ nổ tiếp theo — là phương pháp mặc định tại nhiều địa điểm vì nó trông gọn gàng. Đây cũng là một trong những yếu tố đóng góp lớn nhất vào sản lượng đá tảng cao, và đây là lý do.

Khi hàng đá đầu tiên bắn vào khoảng không, không có gì cản trở chuyển động của đá ngoại trừ quán tính của chính đá. Năng lượng nổ được chia thành hai phần: sóng ứng suất làm vỡ đá tại chỗ, và sự giãn nở khí đẩy các mảnh đá vỡ về phía trước. Vì không có gì phía trước bệ đỡ, giai đoạn giãn nở khí tiêu tốn phần lớn năng lượng vào việc đẩy đá ra ngoài – tăng tốc đá ra xa khỏi mặt bệ, mà không gặp lực cản. Các mảnh vỡ bay đi, rơi xuống, nằm yên đó thành những khối nguyên vẹn vì không có va chạm, không có sự nghiền nát giữa các hạt, không có gì biến những mảnh lớn thành mảnh nhỏ.

Phương pháp nổ mìn tạo lớp đệm – để lại một dải đất đá vụn rộng từ 2 đến 4 mét áp sát mặt khai thác – làm thay đổi hoàn toàn các quy luật vật lý. Hàng máy phía trước sẽ bắn vào lớp đất đá vụn này thay vì vào không khí. Các mảnh đá vỡ đập mạnh vào đống đất đá vụn được giữ lại, va chạm với nhau, và động năng lẽ ra bị lãng phí khi bắn ra được chuyển hóa thành sự phá vỡ thứ cấp thông qua va đập và nghiền nát. Kết quả là thu được các mảnh đá nhỏ hơn, ít đá văng hơn và một đống đất đá vụn chặt hơn, dễ đào hơn.

Để phương pháp này hoạt động hiệu quả, cần có một vài điều kiện đúng: lượng bùn giữ lại phải đủ đặc để tạo ra lực cản thực sự — bùn tơi xốp, lỏng lẻo sẽ không đáp ứng được. Hệ số bột cần tăng từ 10% đến 20% vì bạn đang thực hiện nhiều công việc hơn (phá vỡ khi gặp lực cản cần nhiều năng lượng hơn so với phá vỡ trong không gian tự do). Và thời gian chờ giữa các hàng cần dài hơn một chút so với khi phun trực tiếp để các mảnh vỡ của mỗi hàng có thời gian va chạm và nghiền nát vật liệu đệm trước khi hàng tiếp theo đến.

Bước bốn: Đừng quên những gì đang xảy ra ở cấp cao nhất

Vùng chèn lót — phần trên cùng của lỗ khoan được lấp đầy bằng vật liệu trơ thay vì thuốc nổ — có tác dụng kiểm soát đá văng, và điều này là không thể thiếu từ góc độ an toàn. Nhưng nó lại tạo ra một vấn đề: cột thuốc nổ bắt đầu ở vị trí thấp hơn trong lỗ khoan, có nghĩa là phần trên cùng của bậc thang nhận được ít năng lượng nổ trực tiếp hơn. Đoán xem đợt đá tảng tiếp theo sẽ đến từ đâu.

Bạn không thể rút ngắn phần thân cọc để khắc phục vấn đề này — đó là cách gây ra hiện tượng nứt vỡ mặt vách và đá văng. Nhưng đây là một mẹo thực tế hiệu quả: đặt một lượng thuốc nổ nhỏ bên trong cột thân cọc, định vị sao cho lượng năng lượng vừa đủ để làm nứt vùng cổ cọc mà không làm bật thân cọc ra. Không cần nổ hết cỡ — chỉ cần đủ để làm nứt tảng đá trên cùng, khiến nó vỡ cùng với phần còn lại của tảng đá thay vì vỡ thành một khối rắn do sự giãn nở của khí. Tôi đã thấy kỹ thuật này làm giảm số lượng tảng đá rơi xuống hơn một nửa trên các sườn dốc nơi mà đá rơi ở vùng cổ cọc là một vấn đề kinh niên.

Nhân tiện, hãy đồng bộ trình tự khởi tạo của bạn với kiểu lỗ mới. Khoảng cách lớn với tải trọng nhỏ hoạt động tốt nhất với độ trễ điện tử từng hàng — mỗi hàng đều có một đường truyền sạch đến bộ đệm, các mảnh vỡ va chạm và hàng tiếp theo đến trước khi đống mảnh vụn ổn định và mất đi sức cản.

Điều này có liên quan gì đến việc phá vỡ đá O2?

Tất cả những gì tôi vừa mô tả đều dựa trên giả định bạn đang sử dụng thuốc nổ thông thường trong thiết lập nổ mìn tiêu chuẩn. Nhưng các nguyên tắc — giải phóng năng lượng có kiểm soát, giảm thiểu rò rỉ qua các vết nứt, sử dụng sự giãn nở có kiểm soát thay vì sự phá vỡ tự do — chính xác là những gì làm cho các hệ thống phá đá không dùng thuốc nổ trở nên hiệu quả.

Hệ thống nổ mìn bằng oxy hoạt động dựa trên một cơ chế hoàn toàn khác: sự giãn nở do thay đổi pha của oxy lỏng thay vì sự nổ hóa học. Nhưng các nguyên lý vật lý về việc phá vỡ đá hiệu quả thì giống nhau. Sự giãn nở có kiểm soát khi gặp lực cản tạo ra sự phân mảnh tốt hơn so với sự giãn nở không kiểm soát. Các vết nứt có sẵn sẽ làm mất năng lượng cho dù bạn sử dụng ANFO hay LOX. Và việc hiểu rõ khối đá trước khi thiết kế vụ nổ là yếu tố quyết định giữa một đống đá vụn sạch sẽ và một bãi đá tảng, bất kể bạn sử dụng chất gì để phá đá.

Đối với các mỏ đá gần cơ sở hạ tầng nhạy cảm, nơi đá văng, rung động và giấy phép là những ràng buộc nghiêm ngặt, hệ thống O2 giải quyết được những vấn đề mà việc nổ mìn giảm chấn và kiểm soát cẩn thận hệ số thuốc nổ chỉ có thể giải quyết một phần. Không có đá văng nghĩa là không cần phải thỏa hiệp về việc chèn đá. Việc giải phóng năng lượng được kiểm soát có nghĩa là không có khí thoát ra ngoài qua các vết nứt. Và khoảng cách an toàn giảm từ hàng trăm mét xuống còn một trăm mét — điều này, trên một mỏ đá được bao quanh bởi đường xá và các tòa nhà, có thể là sự khác biệt giữa việc vận hành và không vận hành.