Phân bố tiêu hao công suất mũi khoan quay PDC đường kính nhỏ dùng khoan tháo khí, thoát nước trong mỏ than hầm lò

Bài viết Phân bố tiêu hao công suất mũi khoan quay PDC đường kính nhỏ dùng khoan tháo khí, thoát nước trong mỏ than hầm lò giới thiệu kết quả nghiên cứu phân bố tiêu hao công suất của mũi khoan PDC đường kính nhỏ khi khoan đá.

CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI PHÂN BỐ TIÊU HAO CÔNG SUẤT MŨI KHOAN QUAY PDC ĐƯỜNG KÍNH NHỎ DÙNG KHOAN THÁO KHÍ, THỐT NƯỚC TRONG MỎ THAN HẦM LÒ Tạ Ngọc Hải Hội Khoa học Công nghệ Mỏ Vũ Đức Quảng, Trần Hà Thương, Dương Tiến Thành, Phùng Khắc Sỹ Viện Cơ khí Năng lượng Mỏ- Vinacomin Email: djemore20@gmail.com TÓM TẮT Trong trình khoan, mũi khoan tác động vào đá, tạo lỗ khoan phục vụ khâu công nghệ khai thác mỏ, xây dựng cơng trình ngầm, xây dựng cơng nghiệp dân dụng,…Công suất tiêu hao cho mũi khoan, bao gồm công suất quay mũi khoan cắt đá cơng suất đẩy mũi khoan Để phục vụ tính tốn, thiết kế máy khoan, mũi khoan quay lựa chọn máy khoan, mũi khoan, chế độ khoan hợp lý phù hợp với đặc tính đá, cần nghiên cứu cơng suất tiêu hao cho trình khoan Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu phân bố tiêu hao cơng suất mũi khoan PDC đường kính nhỏ khoan đá Từ khóa: máy khoan xoay, phân bố cơng suất, mũi khoan PDC, mỏ than hầm lị ĐẶT VẤN ĐỀ Khoan sử dụng rộng rãi khai thác mỏ, xây dựng cơng trình ngầm, xây dựng công nghiệp dân dụng… để tạo lỗ khoan phục vụ nổ mìn mỏ lộ thiên, mỏ than hầm lị, ngồi cịn khoan để tháo nước, tháo khí lắp neo, lắp đặt thiết bị đường lị… Q trình phá đá khoan trình phức tạp, phụ thuộc vào chế phá đá mũi khoan: Cắt, ép vỡ, ép trượt, đập vỡ, nghiền…; Loại máy khoan: khoan xoay, khoan xoay- đập, khoan đập- xoay, khoan đập… [3] Với máy khoan, mũi khoan, trình phá đá kết hợp số chế phá hủy đá Tuy nhiên, loại máy khoan có chế phá đá chính, chi phối Đối với máy khoan xoay cắt, ép vỡ trượt, ép vỡ Tác động mũi khoan xoay lên đá gồm hai trình: quay lưỡi cắt để cắt, ép vỡ trượt đá đẩy mũi khoan ép vỡ đá Để tính tốn, thiết kế máy khoan xoay, mũi khoan xoay, cần quan tâm đến tiêu hao cơng suất cho hai q trình phụ thuộc vào đặc tính đá Trong mũi khoan xoay, mũi khoan dùng lưỡi cắt trụ tròn gắn hợp kim cứng PDC (polycrystalline diamond compact) dùng rộng rãi Nghiên cứu tiêu hao công suất loại mũi khoan vấn đề cần quan tâm 56 CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 2.NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Tình hình nghiên cứu Lĩnh vực sử dụng phù hợp mũi khoan xoay dùng để khoan đá có độ kiên cố không cao Qua nghiên cứu nhiều tác giả, khoảng áp dụng hiệu loại máy khoan theo thang đo độ kiên cố Protodiakonov M.M đá là: Khoan xoay f=(3÷10); khoan xoay- đập f=(5÷16); khoan đập- xoay f=(12÷20) hình H.1 [4] H.1 Khoảng áp dung hiệu máy khoan Khoan xoay; 2) Khoan xoay- đập; 3) Khoan đập- xoay Tác động lưỡi cắt mũi khoan xoay dạng cánh lên đá nhiều tác giả nghiên cứu từ lâu, tác động lưỡi cắt trụ tròn gắn hợp kim cứng PDC (lưỡi cắt PDC) số tác giả NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI công bố thời gian gần A.M Abdul-Rami et al nghiên cứu ảnh hưởng thay đổi tốc độ quay lực đẩy mũi khoan đến độ mòn lưỡi cắt PDC Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kết đưa mối quan hệ tốc độ quay, lực đẩy mũi khoan đến độ mịn lưỡi cắt PDC [1] Trong cơng trình [2] , Han Xiaoming et al, thiết lập mơ hình lực tác động lên lưỡi cắt PDC để tối ưu hóa thơng số hình học lưỡi cắt Cơng trình Lemesko M.A [5] tập hợp kết cơng trình nghiên cứu, nêu tập hợp, giới hạn thông số khoan xoay để nâng cao hiệu khoan Tài liệu [3] nêu loại mũi khoan, có khoan với lưỡi cắt PDC Đặc biệt sâu lĩnh vực cơng trình Neskromnukh v.v [5] Trong cơng trình thiết lập phương trình quan hệ độ sâu lát cắt với lực đẩy, quan hệ lực đẩy, lực cắt với chiều sâu lát cắt lưỡi cắt dạng cánh Đối với lưỡi cắt PDC nêu kết nghiên cứu trước lực đẩy lực cắt lưỡi cắt PDC, thiết lập phương trình quan hệ Tuy nhiên, cơng trình chưa nêu phương pháp thiết lập phương trình quan hệ lực đẩy chiều sâu lát cắt lưỡi cắt PDC Trong mô hình lực tác động lên lưỡi cắt, chưa tính đến lực ma sát lưới cắt đá 2.2 Quan hệ thông số lưỡi cắt PDC làm việc Để nâng cao hiệu làm việc lưỡi cắt nói riêng mũi khoan nói chung, quan hệ thông số sau cần phải nghiên cứu: Lực đẩy lưỡi cắt, lực cắt, chiều sâu lát cắt Sử dụng phương pháp nêu [1], [2], [6], xây dựng phương trình cho lưỡi cắt PDC Khi cắt đá, lực tác động lên lưỡi cắt PDC sau (hình H.2) CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ ; mm2 Trong đó: ; N [6] (1) σ tv - Độ bền trượt vỡ đá, MPa; - Hệ số ma sát đá; Đường kính lưỡi cắt trụ trịn, mm; - Chiều sâu lát cắt, mm; trượt vỡ đất đá, độ - Góc ; (2) Trong đó: f- Hệ số ma sát lưỡi cắt đất đá; Thiết lập phương trình cân lực biến đổi có: ; N (3) Phương trình (3) thiết lập cho quan hệ lực cắt ; lực nén thơng số liên quan đến tính chất học đá, thơng số hình học lưỡi cắt Bằng nghiên cứu thực nghiệm với lưỡi cắt PDC, đưa công thức thực nghiệm quan hệ lực cắt lực đẩy mũi khoan [6]: (4) Với góc âm lưỡi khoan PDC, lưỡi khoan làm việc tốt với đất đá độ kiên cố cao Khi đẩy lưỡi cắt vào đá, có lực tác động lên lưỡi cắt PDC sau (hình H.3) H.3 Sơ đồ lực tác động lên lưỡi cắt PDC đẩy vào đá Các thành phần lực tác động lên lưỡi cắt: lực đẩy P, phản lực N N2, lực ma sát Fms Fms2 - Ứng suất ép vỡ trượt đá, Trong đó: H.2 Sơ đồ lực tác động lên lưỡi cắt PDC cắt Các thành phần lực tác động lên lưỡi cắt: Lực nén P; lực cắt Fc; lực ma sát Fms Fmst; phản lực Py phản lực N; sâu lát cắt h Góc trước lưỡi cắt Chiều (5) , - Diện tích mặt tiếp xúc trước MPa; sau lưỡi cắt, mm2 Lập phương trình tính tốn gần diện tích , có: (6) CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 57 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI (7) Thiết lập phương trình cân lực Sau biến đổi có phương trình: ; N (8) Rút ; mm (9) 2.3 Tiêu hao công suất mũi khoan Công suất tiêu hao đẩy tiến mũi khoan vào đất đá H.4 Mũi khoan PDC a) Hình ảnh mũi khoan; b) Sơ đồ bố trí lưỡi cắt xác định theo công thức: ; kW Trong đó: - Lực đẩy lên mũi khoan, N; Tốc độ khoan, m/s (10) TT ; m/s Trong đó: Thơng số Đơn vị D64 D76 mm 64 76 - số lưỡi cắt vịng ngồi Đường kính mũi khoan D – Tốc độ quay mũi Tổng số lưỡi cắt Zt - 5 Số lưỡi cắt vòng 1: Z1 - 3 Số lưỡi cắt vòng 2: Z2 - Đường kính tâm lưỡi cắt vịng 1: D1 mm 51 61 Đường kính tâm lưỡi cắt vòng 2: D2 mm 34 37 (vòng thứ 1) mũi khoan ; khoan, rad/s, Có ; kW (10) – Lực đẩy lên mũi khoan, N; Trong đó: chiều sâu lắt cắt, mm Cơng suất tiêu hao quay mũi khoan cắt đất đá xác định theo công thức: ; kW ; Nmm - Lực cắt 01 lưỡi cắt; - Số Trong đó: lượng vịng bố trí lưỡi cắt; - Số lưỡi cắt vịng - Đường kính tâm lưỡi cắt thứ ngồi cùng; vịng thứ , mm Cơng thức tính cơng suất tiêu hao quay mũi khoan cắt đất đá ; kW (12) 2.3 Xác định phân bố tiêu hao công suất mũi khoan PDC đường kính nhỏ Sử dụng cơng thức (10) (12) tính tốn tiêu hao cơng suất mũi khoan PDC đường kính 64 mm 76 mm, với độ kiên cố đá khoảng làm việc hiệu khoan xoay f= (4÷10) theo thang đo Protodiakonov M.M Bố trí lưỡi cắt hình H.4 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 Thông số lưỡi cắt (11) Trong đó: - Mơ men cắt đất đá, Nmm Do mũi khoan bố trí lưỡi cắt nằm đường kính khác (hình H.4) Mơ men cắt tính theo cơng thức: 58 Thơng số mũi khoan Bảng Bảng Thông số mũi khoan PDC D64 D76 - -Loại Chốt trụ PDC -Đường kính d mm 15 13 -Góc cắt βc rad/(độ) 1,57/90 -Góc trước γt rad/(độ) -0,174/-10 -Góc sau γs rad/(độ) 0,174/10 -Góc lệch φlc rad/(độ) 0,087/5 Đặc tính đất đá tương ứng trình bày Bảng [3] Bảng Đặc tính đất đá Độ kiên cố f Ứng suất ép vỡ trượt σtx; MPa (N/mm ) 10 430 600 788 1123 Tiến hành tính tốn phân bố công suất với dải thông số: công suất khoan mũi khoan (bao gồm tiêu hao công suất quay mũi khoan công suất đẩy tiến mũi khoan) 2,2 kW; tần số quay mũi khoan (151÷571) r/min, tương đương tốc độ quay (15,8÷59,7)rad-1 Kết tính tốn trình bày Bảng Phân bố công suất thể đồ thị hình H.5 NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI 151 Độ kiên cố f 10 Nq,kW 1,99 2,05 2,09 2,11 Nt,kW 0,21 0,15 0,11 0,09 10 2,03 2,08 2,12 2,14 0,17 0,12 0,08 0,06 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ Bảng.3 Phân bố tiêu hao công suất mũi khoan Tần số quay mũi khoan; r/min 262 Mũi khoan D64 Pk,N Nq,kW Nt,kW Pk,N 9500 2,04 0,16 5620 9800 2,10 0,10 5780 10000 2,12 0,08 5850 10100 2,14 0,06 5900 Mũi khoan D76 8350 2,08 0,12 4925 8550 2,12 0,08 5030 8700 2,14 0,06 5080 8800 2,15 0,05 5100 a) 571 Nq,kW 2,10 2,13 2,15 2,16 Nt,kW 0,10 0,07 0,05 0,04 Pk,N 2660 2700 2730 2740 2,12 2,15 2,17 2,18 0,08 0,05 0,03 0,02 2130 2340 2360 2370 -Tiêu hao công suất để quay cắt đá tăng độ kiên cố tăng Độ kiên cố tăng từ f=8 lên f=10: với mũi khoan D64, tăng từ 1,99 kW lên 2,11 kW (90,5% lên 95,9%) công suất tiêu hao mũi khoan n=151 r/min tăng từ 2,1 kW lên 2,16 kW (95,5% lên 98,18%) n=571 r/min; với mũi khoan D76, tăng từ 2,03 kW lên 2,14 kW (92,27% lên 97,27%) công suất tiêu hao mũi khoan n=151 r/min tăng từ 2,12 kW tăng lên 2,18 kW (96,36% lên 99,1%) n=571 r/min; - Tiêu hao công suất để đẩy tiến mũi khoan giảm độ kiên cố tăng Công suất tiêu hao đẩy tiến mũi khoan không lớn, chiếm 1,8% đến 9,5% mũi khoan D64 0,9% đến 7,7% mũi khoan D76; -Với độ kiên cố đất đá, với tần số quay mũi khoan tiêu hao cơng suất quay mũi khoan tăng, ngược lại tiêu hao công suất đẩy tiến mũi khoan giảm 4.KẾT LUẬN b) H.5 Biểu đồ tiêu hao công suất mũi khoan a) D= 64 mm; b) D=76 mm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Qua phân tích kết tính tốn phân bố tiêu hao cơng suất mũi khoan PDC đường kính loại nhỏ D=64 mm D=76 mm, với công suất tiêu hao mũi khoan 2,2 kW, sở phương trình quan hệ lực đẩy mũi khoan với vận tốc quay, độ kiên cố đá, thơng số hình học mũi khoan lưỡi cắt cho thấy: - Đối với mũi khoan PDC D=64 mm PDC D=76mm công suất tiêu hao phần lớn để quay mũi khoan cắt đất đá, lên đến 99,1% Đối với mũi khoan xoay lưỡi cắt trụ trịn PDC, tiêu hao cơng suất mũi khoan chủ yếu để quay mũi khoan cắt đá, công suất tiêu hao quay mũi khoan tăng độ kiên cố tăng, công suất tiêu hao đẩy tiến mũi khoan giảm; Kết nghiên cứu tham khảo thiết kế khoan xoay dùng mũi khoan PDC loại nhỏ lựa chọn chế độ khoan phù hợp với điều kiện biến đổi độ kiên cố đá; Quá trình tác động mũi khoan xoay lưỡi cắt trụ trịn PDC q trình phức tạp cần nghiên cứu sâu thêm, nghiên cứu thực nghiệm để áp dụng hiệu vào thiết kế mũi khoan sử dụng khoan  CÔNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 59 CƠ KHÍ VÀ CƠ ĐIỆN MỎ NGHIÊN CỨU VÀ TRAO ĐỔI TÀI LIỆU THAM KHẢO A.M Abdul-Rami et al (2019), Investigation on the effect of changing rotary speed and weight bit on PDC cutter wear, Journal of Petroleum Explotation and Production Technology Xiaoming Han et al (2018), Influence of polycrystalline diamond compact bit geometric parameters on drilling perfomance during gas drainage borehole in soft coal seam, Advanced Mechanical Engineering, Vol.10 (I) 1÷9 Буткин В.Д., Демченко И.И (2012), Буровые машины и инструменты Сибирьский федеральный университет, Красноярск Гринько Д.А (2015), Метод расчёта и поддержания рациональных режимных параметров бурильной машины мехатронного класса, Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук, Южно-Российский государственный технический университет имени М.И Платова, Новочеркасск Лемешко М.А., Волков Р.Ю (2015), Анализ вращательного бурения, Молодой учёный №21(101) -2015, стр 179÷184 Нескромных В.В (2012), Разрушение горных пород при проведений геологоразведочных работ, Сибирьский федеральный университет, Красноярск POWER COSUMPTION DISTRIBUTION OF SMALL DIAMETER POLYCRYSTALLINE DIAMOND COMPACT BIT FOR DRILLING OF GAS AND WATER DRAINING BOREHOLES IN THE UNDERGROUND COAL MINES Ta Ngoc Hai, Vu Duc Quang, Tran Ha Thuong, Duong Tien Thanh, Bui Khac Sy ABSTRACT During the drilling, the drill bit impacts the rock, creating holes to serve the technological process in mining, industrial and civil construction, etc The power consumed in drilling is spent to the rotation and the force of the drill bit In order to design of rotary drilling machines and also to select drilling machines, drill bits, reasonable drilling modes suitable for rock properties, it is necessary to study the power consumption for each drilling process This paper introduces some research results on power consumption distribution of small diameter polycrystalline diamond compact bit during the rock drilling Keyword: rotary drill, power consumption distribution, PDC bit, coal underground mine Ngày nhận bài: 25/7/2021; Ngày gửi phản biện: 28/7/2021; Ngày nhận phản biện: 5/8/2021; Ngày chấp nhận đăng: 10/9/2021 Trách nhiệm pháp lý tác giả báo: Các tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm số liệu, nội dung công bố báo theo Luật Báo chí Việt Nam 60 CƠNG NGHIỆP MỎ, SỐ - 2022 ... tiêu hao quay mũi khoan cắt đất đá ; kW (12) 2.3 Xác định phân bố tiêu hao công suất mũi khoan PDC đường kính nhỏ Sử dụng cơng thức (10) (12) tính tốn tiêu hao cơng suất mũi khoan PDC đường kính. .. với mũi khoan xoay lưỡi cắt trụ trịn PDC, tiêu hao cơng suất mũi khoan chủ yếu để quay mũi khoan cắt đá, công suất tiêu hao quay mũi khoan tăng độ kiên cố tăng, công suất tiêu hao đẩy tiến mũi khoan. .. LUẬN Qua phân tích kết tính tốn phân bố tiêu hao cơng suất mũi khoan PDC đường kính loại nhỏ D=64 mm D=76 mm, với công suất tiêu hao mũi khoan 2,2 kW, sở phương trình quan hệ lực đẩy mũi khoan với