Trong khai thác mỏ lộ thiên, phương pháp khoan nổ mìn (KNM) được sử dụng rộng rãi và chiếm tỉ trọng cao trong đập vỡ và làm tơi khoáng sản có ích (KSCI). KNM là khâu công nghệ đầu tiên và quan trọng trong quy trình công nghệ khai thác mỏ và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của các khâu công nghệ tiếp theo. Mục tiêu chính của KNM là đảm bảo tăng cường hiệu quả khai thác đất đá và khoáng sản có ích bằng cách đảm bảo cung cấp đủ khối lượng với chất lượng đập vỡ là tốt nhất, đồng thời giảm thiểu chi phí và hạn chế tiêu cực đến môi trường xung quanh [1–5]. Để đạt được các mục tiêu nêu trên, cần phải tiến hành tính toán chính xác các thông số nổ mìn trong quá trình thiết kế cũng như áp dụng các kỹ thuật nổ mìn hiện đại. Công tác KNM phải đảm bảo tuân thủ các yêu cầu về khối lượng đất đá cần làm tơi, kích thước cục đất đá phù hợp theo yêu cầu của sản xuất, tối thiểu hóa chi phí cho toàn bộ dây chuyền khai thác mỏ, đồng thời cần phải giảm thiểu và kiểm soát các ảnh hưởng có hại tới môi trường xung quanh. Tóm lại, việc tối ưu hóa mức độ đập vỡ đất đá, khoảng cách dịch chuyển, kích thước hình học của đống đá sau nổ mìn, đồng thời đảm bảo an toàn về rung chấn nền công trình, sóng đập không khí và đá văng. Các nỗ lực này nhằm đạt được hiệu quả tối đa và giảm thiểu tác động tiêu cực tới môi trường.

Trong nổ mìn khai thác mỏ lộ thiên chỉ có 20% đến 30% năng lượng nổ mìn được sử dụng để làm tơi và đập vỡ đất đá từ khối nguyên. Phần năng lượng còn lại, bị lãng phí dưới dạng đá bay, chấn động nền công trình, sóng đập không khí, tạo ra bụi và đập vỡ quá mức, …. [6–9]. Đá bay xuất hiện trong quá trình nổ mìn là mối nguy hiểm lớn nhất trong hoạt động nổ mìn. Đá bay chiếm khoảng một nửa tổng số vụ tai nạn liên quan đến nổ mìn trên các mỏ lộ thiên. Tác giả [10] chỉ ra rằng trên 40% các vụ tai nạn có tử vong và trên 20% các vụ tai nạn nghiêm trọng xảy ra trong khai thác mỏ ở Ấn Độ là do đá bay. Đá bay vượt ra khỏi khu vực bán kính vùng nguy hiểm là nguyên nhân của 25% các vụ tai nạn do nổ mìn khai thác mỏ lộ thiên ở Mỹ [11]. Dựa trên các số liệu thống kê về tai nạn cho thấy có tới 20%–40% các vụ tai nạn liên quan đến nổ mìn là do đá bay [12]. Những nguy hiểm và thiệt hại do đá bay gây ra là một vấn đề rất nghiêm trọng kể từ khi nổ mìn được sử dụng để làm tơi đất đá và KSCI. Một số hậu quả của đá bay là các đơn kiện của người dân sinh sống quanh khu vực nổ mìn, do đá bay gây ra các thương tích nghiêm trọng hoặc thậm chí tử vong. Ngoài ra, đá bay sinh ra trong nổ mìn cũng gây hư hỏng các công trình và làm hỏng hóc các thiết bị, thậm chí là phải đóng cửa mỏ.

Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đá bay trong nổ mìn khai thác mỏ có thể bao gồm một loạt các nguyên nhân, trong đó có những nguyên nhân có thể kiểm soát và không thể kiểm soát. Những nguyên nhân có thể kiểm soát bao gồm, các thiết kế nổ mìn thiếu chính xác, đường cản chưa chính xác, chiều cao cột bua chưa đủ, khoảng cách giữa các lỗ khoan chưa chính xác và sử dụng thuốc nổ có hiệu suất lớn. Đồng thời, các nguyên nhân không thể kiểm soát như điều kiện địa chất bất lợi (bao gồm các khe nứt, lỗ rỗng, các mặt phân lớp, các vị trí có địa chất yếu, ….), thời gian vi sai và trình tự vị sai không phù hợp, sự xuất hiện các nứt vỡ và đá rơi trên tầng, … cũng góp phần vào các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng đá bay [10-14]. Vì vậy, việc nghiên cứu ngăn chặn các điều kiện có thể dẫn tới hiện tượng đá bay là vấn đề cấp thiết, cần tiến hành các nỗ lực hướng đến giải quyết vấn đề này và đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình khai thác mỏ.

Hiện nay, hoạt động nổ mìn ngày càng tiến gần các khu dân cư, các công trình cần bảo vệ, các nguy cơ mất an toàn do hoạt động nổ mìn càng tăng cao. Nếu không kiểm soát những ảnh hưởng có hại do nổ mìn gây ra như chấn động nền công trình, sóng đập không khí, bụi và đặc biệt là đá bay sẽ dẫn tới những hậu quả nghiêm trọng. Đã có rất nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng đưa ra các phương pháp tính toán, dự đoán khoảng cách đá bay do nổ mìn gây ra nổ mìn khi xem xét các thông số nổ mìn thiết kế và một số yếu tố địa kỹ thuật. Bên cạnh đó, một số nhà nghiên cứu khác tiếp cận phân tích các điều kiện nổ mìn, các thông số nổ mìn thiết kế, điều kiện địa chất, hay tiếp cận dưới góc độ quản lý rủi ro, phân tích các số liệu thống kê tai nạn liên quan đến đá bay trong nổ mìn nhằm đưa ra các mô hình xác định phạm vi đá bay, mối tương quan giữa các thông số nổ mìn thiết kế với khoảng cách đá bay và sử dụng các thông số thiết kế nổ mìn là thông số đầu vào của các mô hình dự báo [15–21]. Nhiều nhà nghiên cứu đã cố gắng dự đoán khoảng cách đá bay trong thông qua các phương trình thực nghiệm [22–23]. Tuy nhiên, hiệu suất của các mô hình này chưa làm thỏa mãn trong quy mô thực địa dẫn tới thiếu chính xác và thiếu cơ sở khoa học.

Để dự báo khoảng cách đá bay, các nỗ lực phát triển các mô hình khác nhau đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện với các kết quả đầy hứa hẹn như áp dụng mạng nơ-ron nhân tạo và kỹ thuật logic mờ để dự đoán đá bay, sử dụng kỹ thuật máy học máy véc tơ hỗ trợ (SVS), phân tích xác xuất để để phân định ranh giới khu vực nguy hiểm của đá bay trong một mỏ lộ thiên [24–31]. Với sự ra đời của các công cụ khoa học, kỹ thuật và sự cải tiến (cả phần cứng và phần mềm) trong vài thập kỷ qua, góp phần cải thiện độ chính xác của các dự đoán [32]. Việc sử dụng các mô hình trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence - AI) như hệ thống suy luận mờ (FIS), mạng nơron nhân tạo (ANN), Hệ thống suy luận dựa trên mạng thích nghi mờ ANFIS (Adaptive Network-based Fuzzy Inference System) đã được triển khai thành công trong việc giải quyết các vấn đề địa kỹ thuật phức tạp, góp phần giảm những tác động tiêu cực của nổ mìn tới môi trường xung quanh [33–36]. Các mô hình phân tích AI dựa trên việc tận dụng tính chất linh hoạt của các dữ liệu, nhờ đó các mô hình có thể được hiệu chỉnh dễ dàng như một công cụ tiên lượng cho bất kỳ dữ liệu mới nào thu được. Lợi ích này làm cho AI trở thành một công cụ nhanh và mạnh trong việc giải quyết các vấn đề mối quan hệ phi tuyến của các thông số đầu vào và đầu ra và không được biết đến [37]. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm này, thì các mô hình sử dụng kỹ thuật AI cần thu thập một lượng lớn các thông số đầu vào, mặt khác việc đo vẽ khoảng cách đá bay do các vụ nổ là hết sức phức tạp và khó khăn. Cho đến nay, chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng việc mô hình mô phỏng hiện tượng đá bay trong nổ mìn…

Trong nghiên cứu này, một phương pháp mới đã được đề xuất để dự đoán khoảng cách đá bay trên cơ sởmô hình được tạo dựa trên phương pháp động lực hạt mịn (Smooth Particle Hydrodynamics - SPH), mô hình được phát triển bởi [38]. Phương pháp này được phát triển để tránh những hạn chế gặp phải trong các bài toán biến dạng cực trị bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Sự khác biệt chính của SPH và các phương pháp cổ điển là SPH không chia các điểm nút. Các hạt là phần tử đại diện cho đối tượng và mang tính chất chung và riêng tùy theo thuộc tính khai báo [39–40].

Bài báo thực hiện phân tích mô phỏng thử nghiệm đá bay do nổ mìn gây ra bằng phương pháp SPH trên phần mềm LS-Dyna cho mô hình 2D được xây dựng từ tuyến mặt cắt B2 của mỏ đá vôi Mông Sơn. Kết quả của mô hình cho thấy khả năng của phương pháp thủy động lực học hạt mịn trong việc phân tích chuyên sâu công tác nổ mìn.

Qua quá trình nghiên cứu, Phương pháp mô phỏng quá trình nổ mìn và xác định quỹ đạo bay, cũng như khoảng cách bay của đất đá trong quá trình nổ mìn sử dụng công cụ mô phỏng hiện chưa được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Việc áp dụng các công thức thực nghiệm để xác định khoảng cách đá bay là chưa phù hợp với điều kiện thực tế trong quá trình nổ mìn. Trong khi đó, việc áp dụng các thuật toán máy học và mô hình trí tuệ nhân tạo (AI) đòi hỏi việc thu thập một lượng lớn các thông số đầu vào. Bên cạnh đó, việc đo vẽ khoảng cách đá bay do các vụ nổ cũng gặp nhiều khó khăn và phức tạp.

Phương pháp mô hình số đã trở thành giải một pháp đáng tin cậy trong việc nghiên cứu, phân tích và đánh giá các tác động cơ học. Kết quả của mô hình đã chứng minh khả năng của phương pháp thủy động lực học hạt mịn trong việc phân tích chuyên sâu công tác nổ mìn. Sử dụng phương pháp này, các kỹ sư khai thác mỏ và nhà quản lý an toàn trong quá trình nổ mìn có thể dự đoán sơ bộ khoảng cách đá bay trong từng vụ nổ, dựa trên các điều kiện nổ mìn thực tế tại mỏ, thông qua việc nhập các thông số đầu vào cho mô hình mô phỏng.

Dựa trên phân tích quá trình tác dụng nổ mìn sử dụng phương pháp SPH 2D, được áp dụng trên tuyến mắt cắt B2 của mỏ đá vôi Mông Sơn, những kết quả đã thu được cho thấy rằng hiện tại mô hình thiết kế KNM của mỏ đang tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn do đá văng. Do đó, cần tiến hành nghiên cứu, tính toán và thay đổi các lại thông số KNM sao cho hợp lý. Tuy nhiên, để đạt được điều này, cần tiến hành thêm những nghiên cứu chi tiết và chuyên sâu hơn về việc áp dụng phương pháp SPH trên phần mềm LS-Dyna cho mô hình 3D, đồng thời cần xem xét nhiều trường hợp nổ mìn thực tế theo hộ chiếu thi công và thí nghiệm các tính chất cơ lý đá bổ sung theo thuộc tính đất đá tại mỏ phù hợp với vật liệu trong phần mềm hỗ trợ. Mục tiêu của việc này là để nâng cao mức độ chính xác của mô phỏng, đồng thời thiết lập thời điểm quan sát dài hơn để đảm bảo việc xác định đầy đủ các hiện tượng đá bay theo các hướng và theo các thời điểm của vụ nổ.