Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của lực đập P đến tuổi thọ của đầu mũi khoan khi khoan đất đá tạo lỗ nổ mìn trong hầm lò vùng than Quảng Ninh. Kết quả nghiên cứu được dùng để tính toán mũi khoan, các chi tiết, cụm chi tiết bộ giá khoan và tính ứng suất, biến dạng một số cụm chi tiết của thiết bị khoan.
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH PHẦN LĨNH VỰC CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - CƠNG NGHỆ THƠNG TIN Phương pháp xác định ảnh hưởng lực đập P đến tuổi thọ đầu mũi khoan khoan đất đá tạo lỗ nổ mìn vùng than Quảng Ninh A method for determining the percussive force P Impacting on the bit’s lifespan used to drill blastholes at QuangNinh coal mines Lê Quý Chiến1,*, Phạm Quang Tiến1, Đào Đức Hùng1, Bùi Duy Khng2 Khoa Cơ khí động lực, Trường Đại học Cơng nghiệp Quảng Ninh Phịng Đào tạo, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh * Email: chienkhaothicnqn@gmail.com Tel: 0868.595.686; Mobile: 0902.002.123 Tóm tắt Từ khóa: Bộ giá khoan; Đầu mũi khoan; Độ mịn; Khai thác than; Nổ mìn; Tạo lỗ Công tác xây dựng đường lò khai thác hầm lò vùng than Quảng Ninh Một phương pháp phổ biến phương pháp khoan nổ mìn Việc tạo lỗ khoan nổ mìn thực phương pháp khoan đập Trong trình khoan, mũi khoan tiếp xúc với đất đá tùy theo độ kiên cố đất đá, lực đập mũi khoan tác động vào đất đá yếu tố ảnh hưởng đến độ mòn mũi khoan Trong báo cáo này, nhóm tác giả trình bầy kết nghiên cứu ảnh hưởng lực đập P đến tuổi thọ đầu mũi khoan khoan đất đá tạo lỗ nổ mìn hầm lị vùng than Quảng Ninh Kết nghiên cứu dùng để tính toán mũi khoan, chi tiết, cụm chi tiết giá khoan tính ứng suất, biến dạng số cụm chi tiết thiết bị khoan Abstract Keywords: Drilling tripod; Drill bit; Wear resistance; Coal mining; Blasting; Create blasthole At present, drilling-blasting method is the most popular method to build the development shafts at Quang Ninh underground coal mines Percussion drilling method is often chosen In drilling process, the bit impacts the rock and creates the percussive force which will, depending on the rock strength, influence on its wear resistance In this paper, the authors will present a research result of the impact of the percussive force P on the drill bit’s lifespan which is used to create blastholes at Quang Ninh underground coal mines This research result can be used for designing and analysis of drilling tools, components as well as checking for strength of drilling components ĐẶT VẤN ĐỀ Theo chiến lược phát triển ngành Than, tầm nhìn đến năm 2025; sản lượng than khai thác hầm lò khoảng 60 triệu tấn/năm, chiếm tỉ lệ ngày lớn Để đạt mục tiêu đó, ngành Than phải đẩy mạnh việc xây dựng đường lò * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 phục vụ cho công tác khai thác Hiện nay, thi công đường lị ngành Than chủ yếu dùng cơng nghệ khoan nổ mìn Để tăng suất, tăng tuổi thọ chi tiết máy khoan cần thiết phải nghiên cứu, thiết kế chi tiết máy, tính tốn số thơng số chi tiết, xác 246 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH định lực đập, ứng suất, biến dạng số cụm chi tiết máy khoan, đặc biệt đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn thi cơng đường lò dùng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh Mũi khoan đập dùng để phá vỡ đất đá tạo thành lỗ khoan Mũi khoan chế tạo thép bon dụng cụ có hàm lượng bon từ 0.7 đến 1% phương pháp rèn sau mài sắc Khi phần lưỡi cắt có gắn hợp kim cứng mũi khoan chế tạo phương pháp đúc Khi khoan, mũi khoan bị mịn lưỡi đường kính ma sát với đất đá khoan, đường kính nhỏ dần, góc sắc trở thành tù, khơng mài thay mũi khoan khơng thể tiếp tục khoan Sự mịn mũi khoan phụ thuộc vào nhiều thơng số như: Góc sắc, độ kiên cố đất đá khoan, xung lực đập, góc xoay sau lần đập, vật liệu làm mũi khoan, tần số đập…Việc xác định tuổi thọ mũi khoan, chịu ảnh hưởng nhiều thông số nêu có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn nhằm tăng suất, hạ giá thành 1m khoan góp phần chủ động việc lập kế hoạch sản xuất, bảo dưỡng, sửa chữa mua sắm thiết bị Việc nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan nâng cao hiệu suất khoan cần nghiên cứu quy luật ảnh hưởng tham số đến độ mòn đầu mũi khoan, lực đập thông số ảnh hưởng lớn đến độ mòn đầu mũi khoan tuổi thọ dụng cụ khoan Trong giới hạn báo cáo này, nhóm tác giả nêu phương pháp xác định ảnh hưởng lực đập P đến tuổi thọ đầu mũi khoan khoan đất đá tạo lỗ nổ mìn khai thác than hầm lò NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu tạo đầu mũi khoan đập [1]: Dụng cụ khoan đập đầu mũi khoan choòng khoan chế tạo từ loại thép đặc biệt, đầu dùng để phá vỡ đất đá gọi đầu mũi khoan, đầu lắp với máy gọi chng Thân chng có lỗ để dẫn khí nén nước tới đầu khoan để thổi phoi Thân choòng làm nhiệm vụ truyền lực dọc trục gồm lực đẩy lực đập tới đầu khoan; định hướng cho lỗ khoan; phoi Có hai dạng chng khoan: Chng khoan liền Chng khoan có đầu mũi khoan tháo lắp Đầu mũi khoan [1]: Đầu mũi khoan dùng để phá vỡ đất đá tạo thành lỗ khoan gồm nhiều loại Hình loại khoan đập kiểu chữ thập [1] Mũi khoan chế tạo thép bon dụng cụ có hàm lượng bon từ 0.7% đến 1% phương pháp rèn sau mài sắc [3] Khi phần lưỡi cắt có gắn hợp kim cứng mũi khoan chế tạo phương pháp đúc Khi khoan, mũi khoan bị mòn lưỡi đường kính ma sát với đất đá khoan, đường kính nhỏ dần, góc sắc trở thành tù, khơng mài thay mũi khoan khơng thể tiếp tục khoan Sự mòn mũi khoan phụ thuộc vào nhiều thông số như: độ kiên cố đất đá khoan f, xung lực đập (lực dọc trục Pk), góc sắc lưỡi cắt α, vật liệu làm mũi khoan, tần số đập… Hình Hình dáng đầu mũi khoan đập có lưỡi dạng chữ thập [2] Tuỳ thuộc vào độ kiên cố cấu tạo đất đá, chọn đầu mũi khoan đập có góc sắc sau: để khoan đất đá mềm, góc sắc lưỡi α = 900, đất đá cứng trung bình α = 1000 1100 đất đá cứng α = 1200 Đầu mũi khoan có lưỡi dạng chữ thập dùng để khoan đất đá nứt nẻ mạnh Đầu khoan rời bao gồm loại có đường kính sau: 28, 32, 36, 40, 42, 44, 46, 52, 60, 65, 75, 85 mm,[1] Trong trình khoan, đầu mũi khoan dễ bị mịn lưỡi mịn đường kính, phục hồi cách mài phải đảm bảo giữ thơng số hình học phải tạo trước diện tích mịn thích hợp khoảng 0,2 mm 2.2 Thiết bị đối tượng nghiên cứu - Thiết bị đầu mũi khoan: + Máy khoan đập khí nén, gá đặt giá khoan có thiết bị điều khiển điện, thiết bị thủy khí thiết bị đo kèm (hình 2); + Đầu mũi khoan đập khí nén hình chữ thập (hình 3); - Các thơng số ban đầu + Đá vùng Quảng Ninh, thuộc loại đá cát kết thường có độ kiên cố f = (6 ÷ 8) Các mẫu đá đưa vào phân tích theo bảng phụ lục [3]; 247 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH + Máy khoan: áp suất khí nén p = (0,4÷0,48) MPa, tần số đập (18802000) lần/phút, tốc độ chng khoan (360÷600) vịng/phút; lực đập (80÷90) kN; + Đường kính mũi khoan d = 42mm; góc sắc α = (100÷120) độ 2.3 Mơ hình thực nghiệm cách tiến hành Để nghiên cứu thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng thông số công nghệ đến hiệu suất tuổi thọ dụng cụ khoan, nhóm tác giả thiết kế chế tạo thiết bị thử nghiệm sử dụng máy nén khí làm nguồn cung cấp lượng Phần tử phân phối khí cụ thể van phân phối, có nhiệm vụ phân phối dịng khí nén đến thiết bị cơng tác xy lanh lực máy khoan Van chiều có tác dụng dẫn dịng khí theo chiều chặn dòng chảy theo hướng ngược lại, van phân phối cho đường dẫn khí nén vào xy lanh theo chiều định phần tử khí nén khác (bình tích khí nén; hệ thống đường ống dẫn; van điều khiển; van an toàn đồng hồ đo ) Bộ thiết bị đo thông số khoan (bộ chuyển đổi, cảm biến hành trình, xử lý tín hiệu đo, hình vi tính ) phụ tải, toàn lắp đặt giá khung thép chắn Thiết bị thử nghiệm có thành phần gồm: thiết bị gá lắp máy khoan đập, hệ thông đo tham số khoan đập phần mềm điều khiển, thu thập xử lý số liệu Thiết bị thử nghiệm có cấu tạo hình gồm phận chi tiết chính: - Máy khoan đập khí nén 38 có cấu tạo đồng bộ: có cấu xy lanh khí nén để ấn mũi khoan vào lỗ khoan đưa mũi khoan khỏi lỗ khoan; đầu khoan lắp giá khoan 10 dẫn tiến cấu tạo thép định hình (giá khoan xy lanh khí nén chỉnh theo yêu cầu thực tế) Cụm đầu khoan trượt với giá khoan - Cụm giá đỡ đầu khoan liên kết với giá khung bu lơng, quay quanh đường tâm (hình 2), Hình Thiết bị thử nghiệm khoan (thiết kế Inventor [7]) 1- Bu lông; 2- Bu lông; 3- Bu lông; 4- Bu lông; 5- Mặt trên; -Thanh đỡ Xi lanh; - Xi lanh; 8- Trục di chuyển; 9- Hộp điiều khiển điện; 10- Khối chuyển động; 11- Đệm Xi lanh; 12- Thanh đỡ; 13 - Bu lông; 14- Bu lông; 15- Bu lông; 16- Trụ đỡ trái; 17- Bu lông; 18- Bánh xe; 19- Thanh giằng giữa; 20Thanh giằng dọc; 21- Thanh trượt; 22- Chân đỡ; 23- Thanh giằng ngang; 24- Bu lông; 25- Bu lông; 26- Tay quay điều khiển; 27- Trục vít me; 28- Chân đỡ; 29- Đai ốc vít me; 30- Đệm; 31- Thanh di chuyển; 32- Đá mẫu; 33- Đầu mũi khoan đá; 34- Choòng khoan; 35- Thanh giằng ngang; 36- Trụ đỡ phải; 37 - Vòng kẹp giữ máy khoan; 38- Máy khoan đập; 39- Giá đỡ xi lanh - Toàn cụm nêu liên kết với giá khung bu lông, khớp nối bạc; * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 248 - Giá khung mơ hình thiết bị chế tạo thép hộp định hình phun sơn, ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP QUẢNG NINH tồn mơ hình thiết bị di chuyển bánh xe 18; Mẫu vật liệu đầu mũi khoan chọn để nghiên cứu mẫu đầu mũi khoan đập dạng đầu chữ thập lấy Công ty than vùng Quảng Ninh Kết cấu mẫu đầu mũi khoan đập hình * Đầu mũi khoan thử nghiệm Hình Mẫu đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập kN từ 80 đến 90 kN Mỗi thử nghiệm tiến 2.4 Kết nghiên cứu thử nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng lực đập hành 05 lần, sau lọc giá trị bất thường, giá góc sắc đến cường độ mòn đầu mũi khoan, tiến trị đo lấy trung bình cộng giá trị đo hành thử nghiệm xác định cường độ mòn Tổng hợp kết đo cường độ mòn mũi đầu mũi khoan thay đổi góc sắc đầu mũi khoan tương ứng với giá trị góc sắc lực khoan giá trị [100, 105, 110, 115, 120] độ, đập bảng tương ứng với 21 giá trị lực đập cách 0,5 Bảng Cường độ mòn ih (%) mũi khoan theo lực đập Pk góc sắc α Góc sắc Lực đập Pk 80 81,0 82,0 83,0 84,0 85,0 86,0 87,0 88,0 89,0 89,5 90,0 1000 1050 1100 1150 1200 0,1202 0,1220 0,1240 0,1260 0,1280 0,1301 0,1320 0,1340 0,1360 0,1380 0,1390 0,1402 0,1262 0,1326 0,1402 0,1531 0,1280 0,1340 0,1420 0,1550 0,1300 0,1360 0,1440 0,1570 0,1320 0,1380 0,1460 0,1590 0,1340 0,1400 0,1480 0,1610 0,1360 0,1422 0,1501 0,1632 0,1380 0,1440 0,1520 0,1650 0,1400 0,1460 0,1540 0,1670 0,1420 0,1480 0,1560 0,1690 0,1440 0,1500 0,1580 0,1780 0,1450 0,1510 0,1590 0,1790 0,1460 0,1523 0,1605 0,1766 hàm cường độ mịn ih theo lực đập Pk góc * Xây dựng phương trình quy hoạch thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng lực đập sắc sau [3]: góc sắc tới cường độ mịn đầu mũi khoan ih 0,7688 0,0112 0,00446.Pk + 5,137.105 Trên sở số liệu thử nghiệm đo xác +1,823.105.Pk +2,67.105 Pk2 (1) định cường độ mòn đầu mũi khoan theo lực đập So sánh sai số hồi quy thực nghiệm bảng góc sắc bảng 1, chọn hàm hồi quy thực hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm dạng đa thức bậc hai hai biến số, sử nghiệm kiểm tra tương thích theo dụng phương pháp hồi quy thực nghiệm cực tiểu tiêu chuẩn Fisher [4] bình phương nhỏ [4], xác định công thức hồi quy thực nghiệm biểu diễn quan hệ Bảng So sánh sai số kiểm tra tương thích 249 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH Góc sắc (độ) 100 Pk (kN) 80,0 ih TN (%) 0,1202 ih HQ (%) 0,1215 Sai số ih(%)* 0,0108 Góc sắc (độ) 110 Pk (kN) 90,0 ih TN (%) 0,1523 ih HQ (%) 0,1527 Sai số ih(%)* 0,0026 100 85,0 0,1301 0,1303 0,0015 115 80,0 0,1402 0,1409 0,0050 100 90,0 0,1402 0,1405 0,0021 115 85,0 0,1501 0,1511 0,0067 105 80,0 0,1262 0,1254 0,0063 115 90,0 0,1605 0,1627 0,0137 105 85,0 0,1360 0,1347 0,0096 120 80,0 0,1531 0,1525 0,0039 105 90,0 0,1460 0,1454 0,0041 120 85,0 0,1632 0,1632 0,0000 110 80,0 0,1326 0,1318 0,0060 120 90,0 0,1766 0,1752 0,0079 110 85,0 0,1422 0,1416 0,0042 Từ công thức thực nghiệm (1) vẽ đồ thị 3D biểu diễn quan hệ cường độ mòn ih vào đồng thời lực đập Pk góc sắc như hình 4, đồ thị 2D phản ánh phụ thuộc cường độ mịn ih vào góc sắc số lực đập khác hình phụ thuộc vào lực đập số góc sắc khác hình Hình Đồ thị quan hệ cường độ mịn với góc sắc lực đập khác Hình Đồ thị quan hệ cường độ mịn ih với góc sắc α lực đập Pk Hình Đồ thị quan hệ cường độ mịn với lực đập góc sắc khác NHẬN XÉT Từ công thức thực nghiệm (1) cho thấy, hệ số lực đập Pk 0,00446>0 , có nghĩa khoảng độ kiên cố xét cường độ mòn ih biến thiên đồng biến với độ kiên cố f, tức độ kiên cố tăng, cường độ mịn tăng Cịn hệ số góc sắc 0,0112 , có nghĩa khoảng góc sắc xét cường * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 độ mòn ih biến thiên nghịch biến với góc sắc, tức góc sắc tăng, cường độ mịn có xu hướng giảm Cũng công thức thực nghiệm (1), hệ số đại lượng bậc hai lực đập Pk2 2,67.105 , góc sắc 5,137.105 tích hai đại lượng .Pk 1,823.105 Do hệ số 250 ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH dương cho thấy cường độ mòn biến thiên đồng biến với đại lượng bậc hai Như vậy, thấy khoảng lực đập góc sắc xét, hàm cường độ mịn có xu hướng tăng theo tăng lên đại lượng với mức tăng nhanh lực đập góc sắc có giá trị lớn Sự ảnh hưởng lực đập góc sắc tới cường độ mòn thể rõ đồ thị 3D hình đồ thị 2D Hình Xét định lượng, với lực đập định máy khoan, tăng góc sắc từ (100120) độ, cường độ mòn tăng khoảng 0,021% Còn với loại mũi khoan có góc sắc định, điều chỉnh lực đập máy khoan (80 ÷ 90) kN, cường độ mòn tăng khoảng 0,029%, với mức tăng khoảng góc sắc từ (115 120) độ tăng gần gấp hai lần mức tăng khoảng (100115) độ (hình 5) Như vậy, đất đá vùng mỏ than Quảng Ninh (có độ kiên cố phổ biến khoảng f=6 ÷ 8), để nâng cao hiệu suất khoan cần phải tăng lực đập, nên điều chỉnh máy khoan cho có lực đập cao, nhiên cường độ mòn mũi khoan tăng nhẹ để giảm mức độ tăng cần phải sử dụng mũi khoan có góc sắc nhỏ, tốt 115 độ Như với vùng góc sắc xác định hợp lý khoảng lân cận 110 độ cho phép điều chỉnh lực đập máy khoan mức cao để bảo đảm nâng cao hiệu suất khoan KẾT LUẬN Với kết nghiên cứu nêu đưa ảnh hưởng lực đập góc sắc tới cường độ mịn đầu mũi khoan, cho phép tính tốn, lựa chọn xác định độ mòn đầu mũi khoan theo hướng tăng tuổi bền, đảm bảo cho thiết bị khoan làm việc theo yêu cầu đặt khoan lỗ nổ mìn phục vụ đào đường lò xây dựng, khai thác mỏ hầm lò vùng than Quảng Ninh Nhằm tăng suất, hạ giá thành góp phần chủ động việc lập kế hoạch sản xuất, sửa chữa thiết bị khoan TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đình Ấu, Nhữ Văn Bách (1998), Phá vỡ đất đá phương pháp khoan-nổ mìn NXB Giáo dục [2] Trần Bá Bảo (1997), Sổ tay thiết kế khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [3] Lê Quý Chiến (2015), Luận án tiến sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu xác định số thông số hợp lý đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”, Trường Đại học mỏ - Địa chất [4] Nguyễn Văn Kháng (2008), Phương pháp qui hoạch thực nghiệm, NXB Giao thông-VT [5] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vương (2009), Sức bền vật liệu, NXB Giáo dục, Hà Nội [6] MATLAB toàn tập, Ebooks team, www.updatesofts.com [7] Autodesk: Positioning Mechanical Dsktop and Autodesk Inventor Autodesk White paper, (1999) THÔNG TIN TÁC GIẢ TS Lê Quý Chiến, giảng viên Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh; Email: chienkhaothicnqn@gmail.com 0868.595.686 Địa liên lạc: Lê Quý Chiến - Khoa Cơ khí động lực, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh - Yên Thọ - Đông Triều - Quảng Ninh./ 251 * HNKHCN Lần VI tháng 05/2020 ... số đến độ mòn đầu mũi khoan, lực đ? ?p thông số ảnh hưởng lớn đến độ mòn đầu mũi khoan tuổi thọ dụng cụ khoan Trong giới hạn báo cáo này, nhóm tác giả nêu phương ph? ?p xác định ảnh hưởng lực đ? ?p P. .. đ? ?p P đến tuổi thọ đầu mũi khoan khoan đất đá tạo lỗ nổ mìn khai thác than hầm lò NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Cấu tạo đầu mũi khoan đ? ?p [1]: Dụng cụ khoan đ? ?p đầu mũi khoan choòng khoan chế tạo từ... lực đẩy lực đ? ?p tới đầu khoan; định hướng cho lỗ khoan; phoi Có hai dạng chng khoan: Chng khoan liền Chng khoan có đầu mũi khoan tháo l? ?p Đầu mũi khoan [1]: Đầu mũi khoan dùng để phá vỡ đất đá