Luận án: Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT --------------------------- ĐÀO HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TRONG NỔ MÌN TẠI CÁC MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT --------------------------- ĐÀO HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI TRONG NỔ MÌN TẠI CÁC MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM Ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số ngành: 9520216 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PHẠM VĂN HÒA Hà Nội, năm 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà nội, ngày … tháng … năm 2022 Tác giả Luận án Đào Hiếu ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên Bộ môn Tự động hoá xí nghiệp Mỏ và Dầu khí; Khoa Cơ Điện; Phòng Đào tạo Sau Đại học; Ban Giám hiệu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận án với đề tài “ Nghiên cứu ứng dụng điều khiển hiện đại trong nổ mìn tại các mỏ lộ thiên ở Việt Nam”.

Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó. Tôi xin cảm các anh Nguyễn Nho Chín, Nguyễn Đức Chính, nhân viên công ty Hoá Chất Mỏ Cẩm Phả đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình ghi chép, thu thập dữ liệu thực tế tại mỏ than Núi Béo. Tôi xin cảm ơn các cán bộ, giảng viên, chuyên gia về lĩnh vực nổ mìn thuộc bộ môn Khai thác Lộ thiên, trường đại học Mỏ Địa chất đã nhiệt tình đóng góp ý kiến chuyên môn, và hỗ trợ tôi trong quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.

Đặng Văn Chí và PGS. TS Phạm Văn Hoà đã dành nhiều tâm huyết trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC.

iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC HÌNH VẼ .viii DANH MỤC BẢNG BIỂU .xii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ NỔ MÌN VÀ SÓNG CHẤN ĐỘNG DO NỔ MÌN ………………………………………………………………………………. Tổng quan về nổ mìn. Các hiệu ứng của nổ mìn vi sai.

Hiệu ứng giao thoa sóng ứng suất. Tạo thành mặt tự do phụ. Sự va đập của các cục đá bay khi nổ. Một số dạng sơ đồ vi sai cơ bản.

Sóng chấn động do nổ mìn. Cơ bản về sóng chấn động. Sóng chấn động do nổ mìn. Ảnh hưởng của khoảng cách và lượng thuốc một lần nổ tới mức độ chấn động.

Vận tốc lan truyền sóng chấn động. Hiệu ứng của sóng chấn động. Điều khiển mức độ chấn động. Một số nghiên cứu thử nghiệm về quan hệ giữa thời gian vi sai với sóng ứng suất - sóng chấn động và hiệu quả đập vỡ.

Tình hình nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại cho nổ mìn ở trong nước và trên thế giới. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới. Tình hình nghiên cứu, ứng dụng trong nước. Kết luận tổng quan.

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC LAN TRUYỀN CỦA SÓNG CHẤN ĐỘNG NỔ MÌN. Thu thập dữ liệu sóng chấn động nổ mìn. Nguyên tắc thu thập dữ liệu. Xác định khu vực nghiên cứu và giải pháp đo, ghi dữ liệu.

Đo, ghi dữ liệu tại mỏ than Núi Béo. Đo, ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn. Xây dựng phương pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động. Cơ sở xây dựng phương pháp.

Giải pháp phân tích dữ liệu nhằm xác định vận tốc lan truyền sóng chấn động. Xây dựng quy trình và thuật toán phân tích. Phân tích dữ liệu. Phân tích dữ liệu đo tại mỏ than Núi Béo, Quảng Ninh.

Phân tích vụ nổ thứ nhất. Phân tích vụ nổ thứ hai. Phân tích dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn. Phân tích vụ nổ thứ nhất.

Phân tích vụ nổ thứ hai. Nhận xét về kết quả phân tích dữ liệu. Kết luận chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH NHẬN DẠNG MỐI QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN VI SAI VỚI VẬN TỐC LAN TRUYỀN TRUNG BÌNH CỦA SÓNG CHẤN ĐỘNG.

Nghiên cứu xây dựng phương pháp xử lý dữ liệu. Phân tích, xác định nguồn gây nhiễu. Nhiễu do cấu trúc đất đá, địa hình. Nhiễu do môi trường.

Nhiễu do thiết bị cảm biến. Nhiễu do các yếu tố khác. Các giải pháp xử lý dữ liệu. Bộ lọc Kalman (Kalman Filter _ KF).

Thuật toán lọc Kalman mở rộng (Extent Kalman Filter _ EKF). Thuật toán tối đa hóa kỳ vọng (Expectation Maximization _ EM ). Xây dựng giải pháp xử lý dữ liệu. Xây dựng mô hình nhận dạng.

Mạng ANN có một lớp ẩn. Mạng ANN có hai lớp ẩn. Mạng ANN có 3 lớp ẩn. Lựa chọn và kiểm chứng mô hình nhận dạng.

Thử nghiệm mô hình. Nhận xét và kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH THỜI GIAN VI SAI VÀ DỰ BÁO MỨC ĐỘ CHẤN ĐỘNG CHO NỔ MÌN TRÊN MỎ LỘ THIÊN Ở VIỆT NAM. Đặt vấn đề và điều kiện áp dụng hệ thống nghiên cứu.

Phân tích, xác định tiêu chí và giải pháp cho hệ thống. Xây dựng cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Những yêu cầu cơ bản cần giải quyết để xây dựng hệ thống. Sai số kết quả đo.

Đồng bộ tín hiệu, trao đổi dữ liệu giữa mô đun khởi nổ ( trung tâm ) và mô đun cảm biến đo chấn động. Giải pháp về xử lý và phân tích dữ liệu. Khả năng đáp ứng của thiết bị. Một số thử nghiệm.

Thử nghiệm khả năng đo chấn động nổ mìn. Thử nghiệm giải pháp xử lý dữ liệu. Xây dựng hệ thống tự động điều chỉnh thời gian vi sai và dự báo mức độ chấn động ứng dụng cho nổ mìn trên mỏ lộ thiên ở Việt Nam. Giải pháp xây dựng thiết bị khởi nổ điện tử đa kênh độc lập.

Giải pháp xây dựng trạm cảm biến đo chấn động. Kết luận chương 4. 122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 123 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ.

125 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 139 Phụ lục 1: Máy đo chấn động Blastmate. 139 Phụ lục 2: Kết quả phân tích và tính toán vận tốc lan truyền sóng chấn động. 141 Phụ lục 3: Bộ dữ liệu được sử dụng để huấn luyện và kiểm tra mạng nơ ron.

145 Phụ lục 4: Các chương trình. 158 Phụ lục 5: Các bản vẽ thiết kế và hình ảnh kết quả. 165 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT AI – Artificial Intelligence – Trí tuệ nhân tạo. ANN - Artificial Neural Network – Mạng nơ ron nhân tạo.

RF - Random Forest - Rừng ngẫu nhiên. SVR - Support Vector Regression - Hồi quy véc tơ hỗ trợ. CA - Cubist Algorithm – Thuật toán lập thể. XGBoost - Extreme Gradient Boosting Machine – Mô hình độ dốc tăng cường PSO - Particle Swarm Optimization algorithm - Thuật toán tối ưu bầy đàn.

FFA - Firefly Algorithm - Thuật toán tối ưu đom đóm. KF – Kalman Filter – Bộ lọc Kalman. EKF – Extend Kalman Filter – Bộ lọc Kalman mở rộng. EM – Expectation Maximization – Thuật toán tối đa hóa kỳ vọng.

viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ giao thoa của sóng ứng suất khi nổ vi sai những lượng thuốc cạnh nhau .2 Sơ đồ tác dụng của số mặt tự do và tạo mặt tự do phụ [6] .3 Các sơ đồ nổ vi sai [6].4 Hệ trục tọa độ dùng cho mô tả sóng chấn động nổ mìn .5 Đồ thị quan hệ giữa Vận tốc dao động của hạt đất đá và khối lượng thuốc nổ tại một thời điểm [26] .6 Đồ thị quan hệ giữa Vận tốc dao động của hạt và Khoảng cách [26] .7 Sự lan truyền sóng chấn động từ các điểm nổ có sử dụng thời gian vi sai [66].8 Sự cộng hưởng 2 sóng chấn động [30] .9 Quá trình cộng hưởng 2 sóng chấn động [30]. Các thiết bị công nghệ được sử dụng trong nổ mìn trên Thế giới [38]. Cấu trúc hệ thống và quy trình thiết kế, thi công một vụ nổ mìn với sự hỗ trợ của phần mềm BIMS (Blast Information Management System) của hãng Blasters Tool and Supply Co. Một số công nghệ mới được áp dụng trong nổ mìn ở Việt Nam.

Một dạng máy nổ mìn điện đang được sử dụng trong thực tế ở .1 Đo dữ liệu tại mỏ than Núi Béo.2 Một số kết quả đo ghi dữ liệu chấn động tại mỏ Núi Béo .3 Dạng sơ đồ vi sai của các vụ nổ tại mỏ than Núi Béo. Đo dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn .5 Một số kết quả đo ghi dữ liệu tại mỏ đá vôi Hồng Sơn. Dạng sơ đồ vi sai được sử dụng ở mỏ Hồng Sơn .7 Mô tả lý thuyết về phương pháp tính toán vận tốc lan truyền sóng chấn động do nổ mìn .8 Quy trình phân tích dữ liệu sóng chấn động nổ mìn .9 Thuật toán xác định vị trí các đỉnh sóng cao nhất và khoảng thời gian giữa chúng. Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ NB1 được phân tích .11 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ NB1 .12 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ NB1 .13 Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ NB2 được phân tích.

Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ NB2 .15 Kết quả xác định nhóm các đỉnh sóng theo trục L và tổng hợp PPV của vụ nổ NB2. Sơ đồ nguyên lý về thời gian vi sai của vụ nổ HS1 được phân tích .17 Dạng sóng chấn động đầy đủ thu được trên trục L và rung động tổng hợp PPV trong 2 giây ghi dữ liệu xét trên cùng một hướng trục của vụ nổ HS1.