Luận án Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khoan và xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập

dụng được phương pháp này. Do bài toán xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay – đập, không xác định được hàm đa biến giữa chi phí năng lượng riêng và các thông số ảnh hưởng đến quá trình khoan đá, nên sử dụng phương pháp này để tính toán là hợp lý. 30 Kết luận chương 1 1. Môi trường Đá ở Việt Nam được phân bố chủ yếu ở khu vực miền núi và trung du, được trải dài từ Bắc vào Nam, Đá Macma (granit, bazan...) phân bố ở Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và Nam Bộ, Đá trầm tích (đá vôi, cát kết, sét...) có nhiều nhất ở miền Bắc và Bắc Trung bộ. 2. Công trình Quân sự phần lớn được bố trí tại các vùng rừng núi thuộc các tỉnh Bắc Bộ như Hòa Bình, Quảng Ninh, Cao Bằng...; Bắc Trung Bộ như Thanh Hóa, Nghệ An...và vùng Tây Nguyên, nên trong quá trình thi công thường gặp các loại đá có độ cứng cao như đá macma hay đá trầm tích. Đặc biệt ở Hòa Bình chủ yếu là Đá trầm tích (đá vôi) có độ cứng cấp 3, cường độ chịu nén 1700 ÷ 2600 kg/cm2. 3. Khi thi công các công trình quân sự, chủ yếu sử dụng các thiết bị khoan đá xoay đập để phá đá nổ mìn. Kết quả nghiên cứu cho thấy tính đa dạng và phong phú của các loại thiết bị khoan đá xoay đập, vai trò quan trọng của thiết bị này khi thi công các công trình trong môi trường đá. 4. Các nghiên cứu về động lực học khoan xoay đập dẫn động thủy lực trong và ngoài nước còn mới, chủ yếu tập trung vào hiệu quả khoan của thiết bị khoan đập hoặc khoan xoay, chưa có công bố cụ thể nào về động lực học thiết bị khoan xoay đập. 5. Để nâng cao hiệu quả và khai thác thiết bị khoan đá xoay đập, cần phải nghiên cứu động lực học quá trình khoan. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số làm việc như tần số đập, lực đập, lực dẫn tiến, tốc độ quay và mô men xoắn trên choòng khoan đến hiệu quả làm việc của thiết bị khoan. Trên cơ sở đó, xác định bộ thông số làm việc hợp lý theo tiêu chí năng lượng riêng nhỏ nhất, ở môi trường đá có độ cứng nhau. 31 Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC Để nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực, cần phải xây dựng mô hình nghiên cứu trên cơ sở mô hình vật lý của thiết bị khoan và môi trường đá theo lý thuyết cơ học hệ nhiều vật; Thiết lập mô hình toán học mô tả chuyển động của cơ hệ ở trạng thái làm việc, xây dựng bộ thông số đầu vào phục vụ tính toán, xác định mối quan hệ giữa các thông số cơ lý của môi trường đá, các thông số làm việc của thiết bị: lực dẫn tiến, biên độ và tần số của lực đập, tốc độ và mô men quay choòng khoan với các thông số động lực học của thiết bị khoan. 2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC 2.1.1. Sự phá vỡ của đá khi chịu tải trọng va đập Các loại đá rắn chắc rất khó phá vỡ. Trong quá trình khoan, dạng tải trọng tác dụng lên đáy lỗ khoan có ý nghĩa quyết định. Tùy theo lực tác dụng của đầu mũi khoan vào đá, tính chất phá vỡ đá có thể khác nhau. Điều đó ảnh hưởng đến tốc độ khoét sâu lỗ khoan và lượng hao mòn của mũi khoan. Khi mũi khoan trượt trên bề mặt đáy lỗ khoan, sự khoét sâu lỗ khoan xảy ra rất chậm, chủ yếu là do sự mài mòn mũi khoan trên bề mặt của đá. Kiểu biến dạng này đưa đến sự phá vỡ đá trên bề mặt không hiệu quả. Trong trường hợp này gần như không có các phần tử đá tách ra khỏi đáy lỗ khoan. Nếu tăng tải trọng nén lên đầu mũi khoan, quá trình phá vỡ đá xảy ra mạnh hơn. Với một giá trị nào đó của áp suất tiếp xúc, các mối liên kết giữa các tinh thể trong đá bị phá hủy và hình thành các khe nứt đi từ bề mặt ăn sâu vào đá. Khi mũi khoan gặp vô số khe nứt, các hạt đá vỡ ra có kích thước lớn hơn nhiều so với khi phá vỡ bề mặt. Nhưng trong trường hợp này, mũi khoan vẫn chưa ăn 32 sâu vào đá mà vẫn tiếp tục trượt trên mặt đáy. Ở đây, đồng thời xảy ra hai quá trình – phá vỡ trên bề mặt và phá vỡ do mỏi, song thể tích đá tách ra khỏi đáy do hiện tượng mỏi chiếm ưu thế hơn, tiếp tục tăng áp suất tiếp xúc, sẽ xuất hiện các kẽ nứt xung quanh diện tích tiếp xúc và đá vỡ ra nhỏ hơn. Muốn cho mũi khoan tiến vào đá đến độ sâu lớn, cần phải tăng áp suất tiếp xúc cao hơn nữa. Khi đó, đá sẽ hoàn toàn bị phá vỡ, áp suất tại vị trí tiếp xúc giữa đầu mũi khoan với đá đạt đến giá trị độ cứng của đá. Nếu tiếp tục tăng áp suất lên nữa, đá bị phá hủy dưới mũi khoan sẽ bị chèn chặt và truyền áp lực ra mọi phía, do đó xảy ra hiện tượng gần giống như nổ, làm đá trên bề mặt bị phá hủy mạnh và tạo nên những vết lõm. Với tải trọng vừa đủ, đầu mũi khoan (thường có dạng hình nêm) ngập vào vết lõm vừa tạo thành và diện tích nén vào đá tăng lên. Trong trường hợp này, thể tích vùng chịu ứng suất tăng lên cùng với diện tích nén và xảy ra sự “nổ” mới, tạo thành phễu có kích thước lớn hơn. Biến dạng gây nên sự phá vỡ xảy ra dưới tác dụng của các lực ép và lực phá vỡ được gọi là biến dạng khối, đây là quá trình có hiệu quả cao và đặc trưng cho việc khoan nhiều loại đá nếu các kiểu dạng mũi khoan và tải trọng dọc trục được lựa chọn phù hợp với độ cứng của đá. Trong nghiên cứu phân tích và thiết kế thiết bị khoan xoay đập, điều rất quan trọng là nghiên cứu các biến đổi đặc trưng của đá khi chịu tải trọng động dạng va đập khác nhau. Trạng thái của đá dưới tác động của tải va đập thể hiện diễn biến phức tạp, đá cứng biến dạng tuyến tính cho đến khi vỡ, thường diễn ra một cách mãnh liệt và đột ngột, trong khi đá mềm không cho thấy tính tuyến tính này hoặc phá vỡ đột ngột. Điều này được chỉ ra trên đường cong đặc trưng ứng suất - biến dạng của đá cứng và mềm trong Hình 2.1. 33 Hình 2.1: Đường cong đặc trưng ứng suất – biến dạng của đá. 1– Đá cứng; 2– Đá mềm. 2.1.2. Các phương pháp khoan đá cơ học Căn cứ vào mục đích sử dụng thiết bị khoan khi khoan ở điều kiện địa chất đá cụ thể, có nhiều phương pháp khoan cơ học khác nhau được nghiên cứu áp dụng nhằm tối ưu hiệu quả khoan. Hiện nay trên thế giới có nhiều loại máy khoan đá khác nhau do các hãng khác nhau sản xuất, tuy cấu tạo của các máy khoan này khác nhau nhưng nguyên lý khoan đá ứng dụng một trong ba phương pháp khoan cơ bản đang được dùng phổ biến [10], [38] là: a) Nhóm 1: Phương pháp khoan cơ học (Hình 2.2), đá được phá vỡ dưới tác dụng cơ học trực tiếp của dụng cụ khoan (đầu khoan). Dấu hiệu chủ yếu của nhóm này là có sự tiếp xúc phá vỡ trực tiếp của mũi khoan với gương lỗ khoan. Theo đặc tính chuyển động và tác dụng của dụng cụ khoan vào đá người ta phân ra gồm khoan đập, khoan xoay, khoan đập xoay, khoan xoay đập, khoan xoay cầu và dụng cụ khoan phối hợp (cắt - cầu, đập - cầu...). b) Nhóm 2: Phương pháp khoan vật lý: đá được phá vỡ bằng những tác dụng vật lý, hoá lý như khoan nhiệt, điện, plazma, nổ, lazer, siêu âm, xung thuỷ lực... 34 c) Nhóm 3: Phương pháp khoan phối hợp, tác dụng cơ học kết hợp với tác dụng nhiệt, điện hoặc lý hoá. Trong thi công xây dựng công trình ở nước ta chủ yếu là những phương pháp cơ học, phương pháp này được thực hiện bằng cách dùng lực cơ học do dụng cụ khoan bằng thép tác dụng trực tiếp vào đá gây ra trong đá ứng suất vượt quá giới hạn bền và tách khỏi khối nguyên. Tùy theo dạng ngoại lực và cơ chế phá hủy của đá, khoan cơ học chia ra các dạng sau: Phương pháp khoan đập, phương pháp khoan xoay, phương pháp khoan đập xoay, phương pháp khoan xoay đập, phương pháp khoan cắt đập, phương pháp khoan cầu. Ở tất cả các phương pháp khoan này, dụng cụ khoan đều có dạng cần với chiều dài tùy theo chiều sâu lỗ khoan, đầu trực tiếp phá hủy đá gọi là mũi khoan. 1- Dây cáp; 2- Đầu khoan; 3– Cơ cấu đập quay; 4– Cần khoan; 5- Động cơ xoay; 6– Cơ cấu đập; 7– Phay hình nón; Pyđ – Năng lượng đập; MB – Mô men xoắn; Poc – Lực dọc trục; B – Tốc độ góc của đầu khoan. Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của các phương pháp khoan cơ học 35 Những đặc điểm tổng quát của các phương pháp khoan cơ học như sau: + Phương pháp khoan đập (Hình 2.2a): Được thực hiện do sự đập liên tiếp đầu khoan dạng hình nêm vào gương khoan với năng lượng một lần đập là Pyđ. Đối với khoan đập không có mô men quay đặt ở đầu khoan và lực dọc trục trên đầu khoan, đá phá vỡ là do bị đập và nứt vỡ. Phương pháp khoan đập thể hiện ở máy khoan đập cáp và búa khoan đập hơi ép. + Phương pháp khoan xoay (Hình 2.2b): đá bị phá vỡ do các lưỡi cắt của đầu khoan dưới tác dụng của mô men xoắn và lực dọc trục. Khi đó tuỳ thuộc vào tỷ số lực dọc trục và độ bền của đá, lưỡi đầu khoan sẽ cắt, làm vỡ hoặc mài trên bề mặt gương lỗ khoan. Ưu điểm của khoan xoay là quá trình khoan xảy ra liên tục và năng suất khoan cao trong đá mềm. Nhược điểm của phương pháp khoan này là vùng sử dụng bị hạn chế, năng suất giảm đáng kể trong đá cứng (n > 60 Mpa) + Phương pháp khoan đập xoay (Hình 2.2c): Đầu khoan được xoay liên tục và đập vào gương lỗ khoan với lực dọc trục Poc không lớn. Đá bị phá vỡ chủ yếu do tác dụng đập của đầu khoan. + Phương pháp khoan xoay đập (Hình 2.2d): Đầu khoan được xoay liên tục nhờ cơ cấu xoay độc lập, đồng thời được đập liên tục lên gương lỗ khoan với lực dọc trục lớn. Đá bị phá vỡ là do sự vỡ lở khi đầu khoan xoay với sự làm yếu sơ bộ bằng tác dụng đập của đầu khoan. + Phương pháp khoan cắt - đập (Hình 2.2e): Kết hợp với phương pháp khoan xoay và khoan đập xoay. Nó khác với phương pháp khoan đập xoay là điều chỉnh tự động tần số đập và công suất lên gương lỗ khoan khi khoan trong đá mềm, cơ cấu đập sẽ giảm số lần đập đến 0, khi đó đá bị phá vỡ do cắt. Khi khoan trong đá cứng, số lần đập tăng lên theo độ cứng đá. Trong trường hợp này đá bị phá vỡ là do đập. 36 + Phương pháp khoan cầu (Hình 2.2g): Mũi khoan cầu là một dụng cụ khoan đặc biệt khác so với những dụng cụ khoan của những phương pháp khoan trên. Mũi khoan cầu bao gồm các phay hình nón, trên đó có gắn nhiều hàng răng. Khi khoan, các răng của mũi khoan cầu đồng thời tham gia 3 chuyển động gồm: quay xung quanh trục đầu khoan, quay xung quanh phay hình nón và tịnh tiến vào gương lỗ khoan. Quá trình phá vỡ đá bằng đầu khoan cầu cũng phức tạp hơn nhiều so với những phương pháp khoan khác. Sự phá vỡ đá bằng đầu khoan cầu xảy ra như khi khoan đập (đối với đầu khoan thường) và như khi khoan xoay đập (đối với đầu khoan có sự trượt của răng). 2.1.3. Phương pháp khoan xoay đập Máy khoan xoay đập được sử dụng tại gương đào hầm mỏ có lực phá hủy đá dựa trên lực va đập. Choòng và mũi khoan được kết nối với búa khoan thủy lực, truyền năng lượng cho khối đá được khoan bằng các chuyển động va đập, xoay và dẫn tiến của búa khoan đá thủy lực. Va đập của mũi khoan với bề mặt đá ở đáy lỗ khoan làm nứt và vỡ vụn đá tại vùng tiếp xúc. Những mảnh đá vỡ bị nghiền nát bởi chuyển động quay của mũi và choòng khoan, được thoát ra ngoài qua khe hở giữa thành lỗ khoan và choòng khoan, lúc này mũi khoan dịch chuyển đến vị trí mới cho lần đập tiếp theo. Để đập và xoay có hiệu quả, mũi khoan phải luôn tiếp xúc và tạo ra lực nén trên bề mặt đá ở đáy lỗ khoan, điều này được thực hiện bởi cơ cấu dẫn tiến, đồng thời phải thổi đá đã bị nghiền nát vụn ra khỏi bề mặt tiếp xúc khi tiếp tục khoan. Vì vậy, tốc độ khoan của búa khoan đá thủy lực được xác định bởi hiệu suất phá vỡ đá và xả đá vụn ra khỏi lỗ khoan. Tuy nhiên, ảnh hưởng của yếu tố thứ hai là rất nhỏ, các nghiên cứu và thực nghiệm đã chứng minh rằng tốc độ khoan chủ yếu phụ thuộc vào trị số lực va đập. 37 Nguyên lý phá đá của thiết bị khoan đá xoay đập dựa trên tác động va đập của búa khoan thông qua choòng khoan để truyền tải năng lượng phá hủy đá ở đáy lỗ khoan bằng mũi khoan. Dựa vào nơi tác động của búa khoan vào mũi khoan (Hình 2.3), khoan xoay đập được phân loại thành hai nhóm lớn là khoan đập đỉnh và khoan đập đáy. Khoan đập đỉnh (Hình 2.3a): Trong quá trình khoan, búa tác động vào đỉnh choòng khoan, đồng thời choòng khoan thực hiện quá trình xoay để truyền năng lượng xuống mũi khoan làm phá hủy đá. Búa có thể được điều khiển bằng thủy lực hoặc khí nén. Khoan đập đáy (Hình 2.3b): Trong khi khoan, búa đập trực tiếp vào mũi khoan, choòng khoan vẫn thực hiện quá trình xoay. Quá trình xoay và đập được điều khiển bằng thủy lực hoặc khí nén. Hình 2.3: Phương pháp khoan đập đỉnh và khoan đập đáy Ưu điểm chính của khoan xoay đập là: - Có thể khoan được các đá từ mềm đến cứng, đặc biệt là đá cứng; - Đường kính lỗ khoan đa dạng; a) Khoan đập đỉnh b) Khoan đập đáy 38 * Các quá trình của khoan xoay đập. Khoan xoay đập dựa trên sự kết hợp của quá trình sau đây: - Quá trình đập: Dưới tác động của pít tông đập, tạo ra sóng xung kích được truyền tới các vấu của mũi khoan thông qua choòng khoan (khoan đập đỉnh) hoặc trực tiếp lên mũi khoan (khoan đập đáy). Kết quả là đá dưới vấu mũi khoan bị nứt và vỡ ra thành từng miếng nhỏ. - Quá trình xoay: Mũi khoan được xoay liên tục nhằm tác động vào đá ở các vị trí khác nhau, đồng thời nghiền đá thành các mẩu vụn (phoi đá) - Quá trình dẫn tiến: Luôn có một lực tác động vào choòng khoan, để duy trì sự tiếp xúc của mũi khoan với đá. - Quá trình làm sạch (thoát phoi). Các phoi đá được đẩy ra khỏi lỗ khoan bằng nước hoặc khí nén. * Cơ chế phá hủy đá trong khoan xoay đập [27] (Hình 2.4): Quanh vùng tiếp xúc của vấu khoan với đá, xuất hiện vùng ứng suất mới trong đá, xảy ra bốn cơ chế phá hủy quan trọng như sau: + Khi các vấu của mũi khoan bắt đầu tác dụng vào đá, đầu tiên xuất hiện một vùng đá bị nghiền nát (vùng 1, Hình 2.4). +Bắt đầu từ vùng đá bị nghiền nát, xuất hiện các vết nứt xuyên tâm phát triển ăn sâu vào đá, gây ra bởi ứng suất kéo (vùng 2, Hình 2.4). + Khi ứng suất trong khối đá đủ lớn (các vết nứt tồn tại song song với đáy lỗ khoan), các mảng vỡ lớn hơn của đá bị tách ra ở khoảng giữa các vấu của mũi khoan, gây ra bởi ứng suất cắt (vùng 3, Hình 2.4). + Ứng suất tác động lên khối đá có tính chu kỳ (ứng suất động) Nhìn vào cơ chế phá hủy đá ở trên ta thấy, bên cạnh ứng suất nén và ứng suất kéo (quá trình đập) còn có ứng suất cắt (quá trình xoay mũi khoan), đặc tính đàn hồi của đá sẽ trở lên rất quan trọng trong quá trình phá hủy đá dưới vấu khoan. 39 Hình 2.4: Cơ chế phá hủy đá trong khoan xoay đập. 2.1.4. Mô hình tương tác mũi khoan với đá Theo tài liệu [6], [9], [11], [20] coi môi trường đá là đàn - nhớt, dẻo, mô hình bao gồm mũi khoan khối lượng m3, mũi khoan chịu tác động của xung lực Fđ, môi trường đá có độ cứng tuyến tính k4, hệ số cản nhớt c4 và một lực ngưỡng tới hạn Fth (tại đó đá bị phá hủy). Độ cứng k4 đại diện cho tính chất đàn hồi và cản nhớt c4 đại diện cho độ nhớt của đá, x3 tọa độ trọng tâm mũi khoan, x4 tọa độ trọng tâm đá bị phá hủy. Hình 2.5: Mô hình tương tác mũi khoan với đá. Xoay Xoay Đập 1 1 1- Vùng đá bị nghiền nát; 2- Các vết nứt xuyên tâm; 3- Các mảnh vỡ tách rời. x k4 Fth c4 Fđ x4 x3 Mũi khoan Đá m3 40 Khi xung lực va đập Fđ tác dụng vào mũi khoan khối lượng m3, xuất hiện một lực đàn hồi trong vùng đàn - nhớt nhưng không có tác dụng di chuyển x4 và không vượt quá ngưỡng đá bị phá hủy. Khi tăng biên độ của Fđ, lực đàn hồi sẽ vượt quá ngưỡng phá hủy Fth, khi đó đá bị biến dạng dẻo với giả thiết rằng tất cả khối lượng đá bị cắt được loại bỏ ngay lập tức từ nghiền bề mặt. Phương trình động lực học: ñ 3 3 3 ñ k m x cx F F   (2.1) Fđ – Lực đập vào đầu mũi khoan, [20]; ñ n 1 F I (t nT)      (2.2) Trong đó: I – Biên độ xung lực Fđ; (t) – Hàm Dirac delta; T – Chu kỳ tác động; t – Thời gian tác động; n = 1, 2, 3, ñ k F - Lực cản do độ cứng của đá gây ra 3 4 3 4 th 4 4 3 4 th x khi k (x x ) F x 0 khi k (x x ) F        (2.3) + Giai đoạn đàn – nhớt: Trong giai đoạn biến dạng đàn hồi, lực cản ñ k F nhỏ hơn giá trị tới hạn Fth (ngưỡng phá hủy đá), tổng lực ñ k F chính là lực đàn hồi do độ cứng của đá gây ra ñ k 4 3 4 4 3 4 th F k (x x ) khi k (x x ) F    (2.4) + Giai đoạn dẻo – nhớt: Trong giai đoạn biến dạng dẻo, lực đàn hồi do độ cứng của đá gây ra đã vượt quá giá trị tới hạn Fth, đá bị phá hủy, tổng lực ñ k F đạt tới ngưỡng phá hủy của đá. ñ k th 4 3 4 th F F khi k (x x ) F   (2.5) 41 Kỹ thuật khoan xoay-đập cho hiệu suất rất cao khi khoan trong môi trường đá cứng như: đá sa thạch, đá vôi, đá granit (đá hoa cương), ... và vì vậy sử dụng mô hình đàn - nhớt, dẻo của đá là hoàn toàn hợp lý để nghiên cứu phá hủy đá trong quá trình khoan. 2.1.5. Các đặc trưng của máy khoan khảo sát Hình 2.6 biểu diễn một loại máy khoan xoay đập đang thi công trên gương khoan. Kết cấu của máy bao gồm: Nguồn động lực 1, vị trí điều khiển 2, cần khoan 3, thiết bị khoan được lắp trên giá khoan 4, các chân tựa 5 để máy khoan ổn định vị trí trong quá trình làm việc. 1- Nguồn động lực; 2- Buồng điều khiển; 3- Cần khoan; 4- Thiết bị khoan; 5- Chân tựa. Hình 2.6: Máy khoan đá xoay đập Khi máy khoan làm việc, tại một vị trí công tác xác định, máy được treo trên các chân tựa 5 và đứng cố định trên nền, giá khoan 4 tỳ chặt vào đá, lúc này thiết bị khoan chuyển động tịnh tiến trên giá khoan đưa mũi khoan tương tác với môi trường đá để phá đá. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án chỉ nghiên cứu quá trình làm việc của thiết bị khoan và coi giá khoan là cứng vững tuyệt đối. Mô hình kết cấu thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực bao gồm (Hình 2.7): Vỏ búa khoan, pít tông đập, choòng khoan, pít tông giảm chấn, chuôi búa, ống nối, mũi khoan, giá dẫn tiến búa khoan. 42 Hình 2.7: Mô hình kết cấu thiết bị khoan xoay đập dẫn động thủy lực Pít tông đập chuyển động tịnh tiến truyền lực đập đến mũi khoan để phá đá với tần số đập fđ thông qua chuôi búa và choòng khoan, chuyển động quay của chuôi búa truyền qua ống nối đến choòng khoan và mũi khoan để nghiền nát các mảnh đá ở đáy lỗ khoan thành hạt vụn. Mũi khoan xoay liên tục và được đập theo tần số xác định. Sóng năng lượng tác động tới mũi khoan sẽ truyền vào đá qua bề mặt tiếp xúc giữa các vấu khoan bằng thép và đá để phá hủy đá, ngoài ra lực dẫn tiến búa khoan và choòng khoan làm cho mũi khoan luôn tiếp xúc với đá. Khí nén hoặc nước có áp suất cao được dẫn theo lỗ bên trong choòng khoan đến các lỗ ở đầu mũi khoan để đẩy các mảnh đá vụn (phoi đá) thoát ra ngoài thông qua khe hở giữa choòng khoan và thành lỗ khoan. Để tránh mũi khoan bị phá hủy (gãy) khi lực cản phá vỡ đá trong lỗ khoan tăng đột ngột, các thông số dẫn động quay choòng khoan và dẫn tiến phải có mối quan hệ chặt chẽ với nhau, khi trị số lực cản tăng nhanh thì lực dẫn tiến phải giảm, thậm chí để tránh kẹt gẫy mũi khoan phải đảo chiều dẫn tiến. Trong thực tế khai thác sử dụng máy khoan đá ở nước ta hiện nay, việc phải thay cần khoan gẫy là thường xuyên, nguyên nhân chính là do sự phối hợp làm việc đồng thời của các thông số khoan chưa hợp lý trong những điều kiện làm việc cụ thể. Vỏ búa khoan Chuôi búa Bạc dẫn hướng Then hoa dẫn động quay Giá dẫn tiến búa khoan Khoang B Khoang A Ống nối Choòng khoan Mũi khoan Đá Pít tông giảm chấn Pít tông đập đập 43 Hình 2.8: Cụm choòng khoan Búa khoan đá thủy lực (Hình 2.9) lắp trên máy khoan đá xoay đập là thiết bị tạo ra năng lượng đập, tác động va đập liên tục lên đầu choòng khoan để tạo ra tải trọng nén lớn, đột ngột, dọc trục trong khoảng thời gian ngắn nhằm phá hủy đá. Pít tông đập được điều khiển bằng thủy lực, chuyển đổi động năng thành năng lượng đập bằng cách va chạm với đầu choòng khoan, năng lượng va đập này được truyền dọc theo chiều dài của choòng dưới dạng sóng áp lực đến vị trí tiếp xúc giữa mũi khoan và bề mặt đá đáy lỗ khoan, tại đây một phần năng lượng đi vào đá gây ra phá hủy đá, một phần năng lượng được phản xạ trở lại. Như vậy lực có ích trong việc phá vỡ đá tác động theo hướng chiều trục và theo phương đập. Để giữ mũi khoan luôn tiếp xúc với đá thì tốc độ dẫn tiến và lực đẩy cụm choòng khoan phải có giá trị phù hợp. Hình 2.9: Búa khoan thủy lực 44 Trong kỹ thuật khoan đá xoay đập, điều quan trọng là phải luôn duy trì sự tiếp xúc giữa mũi khoan với đá, nếu không duy trì được trạng thái này thì năng lượng sóng va đập phản xạ trở lại tác dụng lên khung máy, điều này dẫn đến tốc độ khoan thấp, làm hao mòn cả mũi khoan và máy. Năng lượng từ sóng va đập là nguyên nhân gây nhiệt và mòn các khớp giữa choòng khoan. Để quá trình tiếp xúc giữa đá và mũi khoan luôn được duy trì cần một mô men xoắn siết chặt các khớp giữa các choòng khoan. Búa khoan được gắn trên giá trượt, lực dẫn tiến tác dụng trực tiếp lên giá trượt này, đẩy giá trượt ép mũi khoan lên đá. Có hai hệ thống dẫn tiến khác nhau, thứ nhất là hệ thống dẫn động xích, hệ thống thứ hai cũng làm việc tương tự, nhưng thay thế cho truyền động xích, người ta sử dụng các xy lanh thủy lực. Căn cứ vào tính năng của từng loại máy khoan cụ thể, khi tính toán thiết kế sẽ lựa chọn hệ thống dẫn động phù hợp. 2.2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC 2.2.1. Các giả thiết xây dựng mô hình Để nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số: vận tốc góc choòng khoan, tần số đập, lực đập, vận tốc dẫn tiến đến hiệu quả khoan đá, cần tiến hành xây dựng mô hình tương tác giữa thiết bị khoan và đá. Để xây dựng mô hình, luận án sử dụng các giả thiết sau: + Máy khoan được định vị tại vị trí cố định; hệ thống cần khoan và giá khoan được định vị cố định tại vị trí của lỗ khoan; + Chuôi búa, mũi khoan, choòng khoan làm việc trong giới hạn đàn hồi và không bị biến dạng khi chịu xoắn; + Coi khớp nối giữa mũi khoan và choòng khoan, giữa choòng khoan với chuôi búa là khớp đàn hồi khi chịu tác dụng của lực dọc trục và không bị biến dạng khi chịu xoắn; 45 + Các phoi đá được thoát hết hoàn toàn sau mỗi chu kỳ đập của búa khoan vào môi trường đá; + Sử dụng đầu khoan phẳng gắn các mũi cắt có biên dạng chỏm cầu; + Coi đá là môi trường đàn – nhớt, dẻo; đồng nhất và đẳng hướng. 2.2.2. Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực Với các giả thiết trên, ứng dụng lý thuyết cơ học hệ nhiều vật để xây dựng mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực. Trong quá trình khoan phá đá tạo lỗ khoan, thiết bị khoan làm việc trong mặt phẳng thẳng đứng, để quan sát chuyển động của thiết bị khoan, gắn vào giá khoan một hệ tọa độ đề các cố định Oxyz có gốc tại đầu trên giá khoan, trục Ox trùng tâm trục choòng khoan. Từ mô hình kết cấu (Hình 2.7), qui ước thiết bị khoan – môi trường đá là cơ hệ gồm bốn vật như sau: vật thứ nhất là chuôi búa, vật hai là choòng khoan, vật ba là mũi khoan, và vật bốn là môi trường đá. Khi thiết bị khoan làm việc, cơ hệ gồm: chuôi búa-choòng khoan-mũi khoan thực hiện hai chuyển động: các phần tử trong hệ chuyển động quay cùng với nhau và toàn bộ hệ tịnh tiến tương đối so với giá khoan trong mặt phẳng thẳng đứng, cơ hệ này gồm ba khâu: Khâu 1 - chuôi búa khoan có khối lượng m1, chịu tác dụng của lực dẫn tiến Fdt, thông qua pít tông giảm chấn được mô hình hóa bởi hệ lò xo có độ cứng k1 và giảm chấn có hệ số cản nhớt c1, lực đập Fđ và mô men quay Mq. Khâu 2 - choòng khoan có khối lượng m2, liên kết với khâu 1 bằng ống nối được mô hình hóa: truyền lực dọc trục - hệ lò xo có độ cứng k2 và giảm chấn có hệ số cản nhớt c1; truyền mô men xoắn - hệ lò xo có độ cứng k2x và giảm chấn có hệ số cản nhớt c2x. Khâu 3 là mũi khoan có khối lượng m3, liên kết với khâu 2 bằng ống nối được mô hình hóa: truyền lực dọc trục - hệ lò xo có độ cứng k3 và giảm chấn có hệ số cản nhớt c3; truyền mô men xoắn - hệ lò xo có độ cứng k3x và giảm chấn có hệ số cản nhớt c3x. Vị trí của mỗi khâu được xác định bởi 2 thông số: các tọa độ xi và i. 46 Đối với môi trường đá, luận án sử dụng mô hình đàn - nhớt - dẻo của đá để nghiên cứu phá hủy đá trong quá trình khoan, khối lượng đá hấp thụ năng lượng từ mũi khoan được mô hình hóa bởi khối lượng m4, ở giai đoạn đàn – nhớt, trạng thái đàn hồi và cản nhớt của đá được mô hình hóa bằng lò xo có độ cứng k4 và giảm chấn có hệ số cản nhớt c4; ở giai đoạn dẻo nhớt, khi lực tác dụng lên bề mặt đá ở đáy lỗ khoan vượt quá giá trị tới hạn Fth thì đá bị chảy dẻo và phá hủy liên kết bên trong, lớp đá có khối lượng m4 bị tách ra khỏi khối đá và bị đẩy ra ngoài, khi đó dịch chuyển của bề mặt đá đáy lỗ khoan là x4; mũi khoan được dẫn tiến tiếp tục tiếp xúc với lớp đá tiếp theo cũng có khối lượng m4 và quá trình trên được lặp lại. Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực được xây dựng như trên Hình 2.10. Hình 2.10: Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực Trong đó: + Fđ - Lực đập của pít tông đập; + Fdt - Lực dẫn tiến choòng khoan; + Fth - Lực tới hạn phá hủy của đá; + Mq - Mô men quay choòng khoan; + Mc - Mô men cản quay tại đầu mũi khoan; + m1 - Khối lượng của chuôi búa khoan; 47 + m2 - Khối lượng của choòng khoan; + m3 - Khối lượng của mũi khoan; + m4 - Khối lượng của đá bị phá hủ