Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập để thi công các lỗ khoan ngang

Bài viết Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập để thi công các lỗ khoan ngang trình bày một số kết quả nghiên cứu về công nghệ khoan xoay - đập nhằm gia tăng tốc độ cơ học trong việc thi công các lỗ khoan ngang. Mời các bạn tham khảo.

Tạp chí KHKT Mỏ - Địa chất, số 54, 4/2016, (Chuyên đề Khoan - Khai thác), tr.56-61 NGHIấN CU P DỤNG CÔNG NGHỆ KHOAN XOAY - ĐẬP ĐỂ THI CÔNG CÁC LỖ KHOAN NGANG NGUYỄN TRẦN TUÂN, TRIỆU HÙNG TRƯỜNG, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Trong phạm vi báo, tác giả trình bày số kết nghiên cứu công nghệ khoan xoay - đập nhằm gia tăng tốc độ học việc thi công lỗ khoan ngang Một nguyên nhân khiến tốc độ học thấp chiều dài chất lượng lỗ khoan khó đạt thiết kế tổn thất tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan tăng chiều dài khoan Điều giải thích nhiều nguyên nhân như: tăng trọng lượng cột cần khoan (tăng chiều dài cột cần khoan), lực ma sát momen xoắn trình khoan Khi tăng tốc độ quay cột cần khoan (xấp xỉ 300 vòng/ph) cộng với bổ sung nguồn lượng đập (nđ = 800 ÷ 1600 lần/ph), tổn thất tải trọng chiều trục giảm từ 1,8-2 lần lỗ khoan sâu từ 300m -500m khoan bị giảm tăng trọng lượng cột cần Đặt vấn đề Hiện nay, cơng trình khoan ngang theo chiều dài lỗ khoan lực ma sát Đây áp dụng rộng rãi để khoan thăm dò tài đặc điểm khác biệt so cơng nghệ ngun khống sản, khoan giếng kỹ thuật, khoan thẳng đứng khoan tháo nước, tháo khí mỏ than khai 2.1 Đặc điểm cơng nghệ khoan ngang thác hầm lò Tuy nhiên, thi công lỗ 2.1.1 Sự tổn thất tải trọng chiều trục lên dụng khoan ngang công nghệ khoan xoay cụ phá hủy đá truyền thống gặp khơng khó khăn tổn Đặc điểm khoan ngang khác thất tải trọng chiều trục làm giảm tốc độ học khoan thẳng đứng cột cần khoan trạng khoan; phức tạp trình khoan lỗ thái nén Khi bị nén, cột cần khoan bị uốn (hình khoan bị xiên lệch so với phương nằm ngang 1) Chiều dài cung uốn chiều dài nửa bước sập lở thành lỗ khoan không ổn định v.v sóng bị khống chế thành lỗ khoan tải Các yếu tố ảnh hưởng tới tiến độ thời trọng chiều trục Từ hình cho ta thấy chiều dài gian thi cơng lỗ khoan Vì vậy, việc nghiên cứu bước sóng ngắn, tăng số lượng điểm áp dụng công nghệ khoan xoay- đập để bổ sung tiếp xúc lên thành lỗ khoan Như vậy, tăng nguồn lượng phá hủy đá, tăng tốc độ lực ma sát, tăng mô men xoắn cột cần, dẫn tới học khoan; tăng chiều dài chất lượng lỗ tăng công suất quay cột cần khoan, tổn thất tải khoan thiết kế việc cần thiết, có tính trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan khoa học đáp ứng kịp thời nhu cầu sản xuất lớn Những phức tạp thi công lỗ khoan ngang Công nghệ khoan ngang công nghệ o khoan tăng tải, nén ép, lỗ khoan dễ bị xiên lệch so với phương nằm ngang Trong lỗ khoan ngang khơng có áp suất cột dung dịch; phần thành lỗ khoan luôn trạng thái dễ sập lở; mùn khoan lắng đọng phần dọc Hình Hình dạng cột cần khoan bị nén theo thành lỗ khoan Trong trình khoan, cột lỗ khoan ngang cần khoan làm việc trạng thái nén có R - phản lực thành lỗ khoan điểm xu hướng tỳ lên phần thành lỗ khoan; tiếp xúc, N; Po- Tải trọng chiều trục, N; đồng thời tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi l - độ uốn cần khoan, m 56 Chiều dài nửa bước sóng l lực nén ép R cột cần khoan điểm tiếp xúc thành lỗ khoan xác định theo công thức [1]: L l N (1) R 2M l (2) đó: l- chiều dài nửa bước sóng, m; L- chiều dài cột cần khoan, m; N- số lượng nửa bước sóng; R- lực ép cột cần điểm tiếp xúc, N; M- momen xoắn cột cần khoan, N.m Sự tổn thất tải trọng chiều trục Pt tác dụng lên mũi khoan phụ thuộc vào lực R xác định theo công thức [1]: Pt   Rf (3) R đó: - lực ép cần khoan lên thành lỗ khoan, N; f- hệ số ma sát, f= 0,4-0,6 Lực ép cần khoan vào lỗ khoan phụ thuộc vào tải trọng chiều trục, mômen uốn độ uốn cần khoan lỗ khoan Tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan xác định theo công thức sau: Pk  P  Pc  Pt (4) đó: Pk - tải trọng chiều trục thực tế tác dụng lên mũi khoan, N; P0 - tải trọng tối đa cho phép đầu máy khoan phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật máy khoan, N; Pc - trọng lượng cần khoan, N; Pc xác định sau: Pc  qL (5) q- trọng lượng riêng mét cần, N/m; L- chiều dài cột cần khoan hay chiều dài lỗ khoan, m Thay giá trị Pc, Pt từ biểu thức (3), (5) vào (4.) ta có: Pk  P0  qL   Rf  (6) Từ biểu thức (6) ta thấy P0 phụ thuộc vào đặc tính kỹ thuật thiết bị khoan đại lượng không thay đổi loại máy khoan Nếu tăng chiều sâu khoan tăng trọng lượng cần khoan dẫn tới giảm tải trọng chiều trục tác dụng lên mũi khoan Từ biểu thức (6) ta xác định khả chiều dài khoan lỗ khoan ngang phù hợp với loại máy (biểu thức 7) L P0  Pk   Rf q (7) Sự tổn thất tải trọng chiều trục phụ thuộc vào chiều dài lỗ khoan ngang thay đổi tốc độ quay cột cần khoan trình bày hình Các kết nghiên cứu [1, 2] cho thấy phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan khơng có tính chất tuyến tính; cường độ tổn thất tải trọng chiều trục phụ thuộc vào tốc độ quay cột cần khoan, khe hở cột cần khoan đường kính lỗ khoan Khe hở nhỏ, cường độ tổn thất nhỏ; đồng thời tăng tốc độ quay cột cần khoan, tổn thất áp lực giảm Qua kết phân tích trên, ta thấy muốn tăng tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan cần lựa chọn thiết bị phù hợp với điều kiện khoan ngang có khả truyền tải trọng chiều trục tối đa phù hợp với chiều dài lỗ khoan Lựa chọn cấu trúc lỗ khoan, đường kính mũi khoan, cần khoan cách hợp lý để giảm mô men uốn tăng chiều dài độ uốn cần khoan lỗ khoan Hình Sự phụ thuộc tổn thất tải trọng chiều trục vào chiều dài lỗ khoan ngang Dưới tác dụng tải trọng chiều trục, cột cần khoan bị uốn, lực ép cột cần khoan vào thành lỗ khoan R (hình 3) xác định theo cơng thức: R  Pk sin  (8) đó: β- góc hợp vectơ Pk P k ' phụ thuộc vào cường độ tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan số lượng điểm tiếp xúc cần khoan với thành lỗ khoan 57 cứng sang đá mềm Hình 4, hình hình mơ tả xu hướng cong lệch lỗ khoan lệch tâm trục lỗ khoan dụng khoan Hình Sơ đồ lực tác dụng lên thành lỗ khoan ngang Ngoài ra, cột cần quay tạo lực ly tâm F1 Lực F1 xác định theo công thức [1, 2]: F1  5,1.104 qn 2l  Dlk  d  (9) q-trọng lượng riêng mét cần khoan, N/m; n- tốc độ quay cột cần khoan, v/ph; l- chiều dài nửa bước sóng; Dlk - đường kính lỗ khoan, m; d - đường kính cần khoan, m Từ kết nghiên cứu trên, ta nhận thấy tăng chiều dài lỗ khoan L , tăng trọng lượng cần khoan mà tải trọng tối đa cho phép P0 đầu máy khoan không tăng dẫn đến triệt tiêu tải trọng chiều trục thực tế Pk tác dụng lên dụng cụ phá huỷ đá Như vậy, nguyên nhân dẫn tới tổn thất tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan khoan ngang tăng trọng lượng chiều dài cột cần khoan (tăng chiều sâu lỗ khoan) lực ma sát q trình khoan; từ dẫn tới giảm tốc độ học khoan tăng chiều dài lỗ khoan 2.1.2 Đặc điểm cong xiên lỗ khoan ngang Các kết nghiên cứu [1] cho thấy hướng cong cường độ cong lỗ khoan ngang phụ thuộc vào gia tăng tải trọng chiều trục tác dụng lên dụng cụ khoan Còn tăng tốc độ quay cột cần khoan làm cho dụng cụ khoan làm việc ổn định lỗ khoan có xu hướng giảm độ cong Hướng cong cường độ cong lỗ khoan ngang điều kiện địa chất mỏ ổn định phụ thuộc nhiều vào khe hở khoảng không gian vành xuyến thành lỗ khoan dụng cụ khoan, phụ thuộc vào góc lệch trục lỗ khoan dụng cụ khoan Trong khoan ngang, dụng cụ khoan ln có xu hướng theo hướng trúc xuống Vì vậy, khả thân lỗ khoan bị lệch so với phương thiết kế lớn xu hướng cong tăng Đặc biệt khoan đá cứng mềm xen kẽ chuyển từ đá 58 Hình Hiện tượng cong lỗ khoan ngang lệch tâm dụng cụ khoan mũi khoan kim cương; dụng cụ khoan;  - góc lệch tâm a) b) Hình Hướng cong lỗ khoan ngang a hướng lỗ khoan theo thiết kế; b hướng thực tế lỗ khoan Hình Khả lỗ khoan bị lệch hướng gặp đá có độ cứng khác mũi khoan; đá cát kết; đá kết Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy [1, 3, 4], thi công lỗ khoan ngang dài 800 m với góc lệch ban đầu +50 giao điểm hướng cong trúc xuống với phương nằm ngang thường xẩy chiều sâu 300m – 350m (hình 5) 2.1.3.Các dạng phức tạp khoan ngang Thực tế cho thấy lỗ khoan ngang khơng tồn cột nước rửa, trường hợp sử dung dịch sét để khoan Vì vậy, dọc thành lỗ khoan phía ln ln có xu hướng bị sập lở; kích thước đá sập lở phụ thuộc vào tính chất lý đá, mức độ phân lớp đá, mật độ hướng khe nứt khối đá bao quanh thành lỗ khoan Vấn đề ổn định bền vững thành lỗ khoan ngang đến chưa chuyên gia nước quan tâm nghiên cứu [1, 2] Từ hình ta thấy tác dụng áp suất mỏ ( Pm   H ), lớp đá bị tách khỏi mặt phân lớp gẫy theo mặt khe nứt Trong lỗ khoan ngang thành lỗ khoan luôn trạng thái bị nén tác dụng áp suất mỏ lực đập cần khoan trình khoan Khối đá phía thành lỗ khoan chia thành vùng (hình 8) Vùng vùng ổn định không bị ảnh hưởng phá huỷ biến dạng khối đá; vùng tương đối ổn định bị ảnh hưởng biến dạng đá vùng Vùng vùng đá nứt nẻ tác dụng va đập trực tiếp cần khoan q trình khoan ln ln có xu hướng sập xuống lỗ khoan Hình Hình dạng thành lỗ khoan ngang tầng đá nứt nẻ thành lỗ khoan; thành lỗ khoan Trong thực tế, tượng trương nở, sập thành lỗ khoan tác dụng áp suất mỏ Dưới tác dụng áp suất mỏ chiều trục, tầng sét bị biến dạng dẻo làm thành lỗ khoan bị chảy sệ đường kính lỗ khoan bị thu hẹp Ở trạng thái tĩnh, phần thành lỗ khoan ngang chiều sâu Z , cách tâm lỗ khoan khoảng cách r (hình 8) chịu lực tác dụng: (10)  Z   0Z đó:  - trọng lượng riêng đá, N/m3 ; z - khoảng cách lỗ khoan so với mặt đất,m Ứng suất ngang  r hông thành lỗ khoan xác định theo công thức: r =  z   Z (11)  đó:   - hệ số lực đẩy hông; 1   - hệ số Poisson Giá trị hệ số  thay đổi tùy theo loại đá, sét từ 0,35 - 0,40; cát kết từ 0,15 0,20; đá cacbonát từ 0,25 - 0,30 Trong lỗ khoan ngang, rãnh phụ hang hốc thường xuất thành lỗ khoan đặc biệt khoan qua địa tầng liên kết yếu tầng sét-acgilit, vỉa than Nguyên nhân trọng lượng cột cần ln ln có xu hướng tỳ lên thành thành lỗ khoan kết hợp với nhiều lần kéo thả dụng cụ khoan Kích thước rãnh khơng phụ thuộc vào tính chất đất đá mà phụ thuộc vào kích thước cần khoan Chiều rộng rãnh tương đương với đường kính cần khoan, độ sâu rãnh phụ thuộc vào độ bền vững thành lỗ khoan Hình Sơ đồ tác dụng cần khoan với thành lỗ khoan ngang trình khoan Hình Trạng thái khối đá bao quay thành lỗ khoan ngang vùng đá ổn định không bị ảnh hưởng phá huỷ; vùng đá bị ảnh hưởng biến dạng khối đá vùng 3; vùng đá bị nứt nẻ, biến dạng không ổn định tác động cần khoan; r- bán kính lỗ khoan Hình mô tả trạng thái tiếp xúc cần khoan với thành lỗ khoan ngang trình khoan Từ hình ta xác định chiều dài cung tiếp xúc cần khoan với thành lỗ khoan theo công thức sau: l  0,0175 r (12) đó:  - góc ơm mùn khoan với cần khoan; r - bán kính cần khoan 59 Khi diện tích tiếp xúc S bề mặt cần khoan với thành lỗ khoan: (13) S  0, 0175  r L L- chiều dài bề mặt cần khoan tiếp xúc với thành lỗ khoan, m Lực cản F xác định theo công thức: F  SFo (14) Fo - Lực tác dụng 1cm tiếp xúc, N/cm2 Từ công thức ta thấy lực F lớn tiêu hao công suất máy khoan cho quay cột cần, giảm tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan phá huỷ đá gây khó khăn cho kéo đẩy cột cần khoan Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập để thi công lỗ khoan ngang Trong khoan xoay - đập, tốc độ học không phụ thuộc vào tải trọng chiều trục, tốc độ quay cột cần khoan truyền cho dụng cụ phá hủy đá mà phụ thuộc vào lực đập (năng lượng đập) búa đập truyền cho dụng cụ phá hủy đá Tải trọng chiều trục lực đập truyền cho mũi khoan lựa chọn phụ thuộc vào tính chất lý đá, đặc tính kỹ thuật thiết bị khoan cấu đập, đặc tính kỹ thuật mũi khoan Lực đập Pđ cấu đập (búa đập) tạo nên vi khe nứt trình phá hủy đá Sự hình thành hệ thống vi khe nứt hay vùng phá hủy sơ làm giảm độ bền khối đá tăng hiệu phá hủy đá Tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan khoan ngang xoay đập xác định theo công thức [1] : Po  k..St Ps (15) đó: k - hệ số ma sát mũi khoan với đá Hệ số k thay đổi phụ thuộc vào tính chất đá, tính chất nước rửa cấu trúc mũi khoan Trong loại đá, loại mũi khoan rửa dung dịch sét, hệ số k  0,5  0,3 ; rửa nước lã k  0,35  0, ;   0,17  0, 23 ; hệ số đặc trưng cho thay đổi diện tích tiếp xúc hạt cắt mũi khoan với đá; St - diện tích hạt cắt mũi khoan, cm2; PS - độ cứng đá, N/cm2 Tốc độ vòng lựa chọn theo công thức thực nghiệm O V Ivanov [1] sau: 60 19,1(3,64  0,0038Ps ) (16) D đó: n - tốc độ quay cột cần, v/ph; D - đường kính lưỡi khoan, mm Lực đập Pđ lượng đập Ay , tần số n = đập n đ đại lượng đặc trưng cho cấu đập (búa đập) Khi lựa chọn cần vào đặc tính cấu đập tính chất đất đá, tải trọng chiều trục lượng đập truyền cho mũi khoan cách hợp lý tăng hiệu phá huỷ đá trình khoan xoay - đập Năng lượng cấu đập truyền cho mũi khoan xác định theo công thức: n Ay   l i a y (17) i 1 n Ay - lượng đập, N.m;  l - tổng chiều i 1 i dài bề mặt hạt cắt tiếp xúc với đá, cm; a y - tỷ chi phí lượng đập cho 1cm hạt cắt, N.m/cm Giá trị a y phụ thuộc vào cấp đá theo độ khoan: VI-VII:10; VIII-IX:10-15; X- 15-20; XI- 22-25 Mối liên hệ tốc độ quay cột cần khoan tần số đập xác định theo công thức [1]: n n y (18)  Dtb n - tốc độ quay cột cần khoan, v/ph; n y - số lần đập phút;  - khoảng cách dịch chuyển hạt cắt hai lần đập, mm; Dtb- đường kính trung bình mũi khoan, mm Khoảng dịch chuyển  lựa chọn phụ thuộc vào tính chất lý đá tần số đập cấu đập [1,3,4] Đối với đá cấp VI-VII theo độ khoan,  = 70mm - 90mm; đá cấp VIII-IX theo độ khoan,  = 60mm - 80mm; đá cấp IXXI theo độ khoan,  = 40mm - 60mm Dung dịch dùng khoan xoay - đập nước lã; lưu lượng nước rửa lựa chọn theo kinh nghiệm thực tế: 40-60 l/ph Kết nghiên cứu kinh nghiệm thực tế khoan lỗ khoan ngang mỏ than hầm lò Mạo Khê thiết bị khoan xoay - đập RPD130SL-F2W dụng cụ ống mẫu luồn PS - 89 cho thấy tốc độ học tăng gấp 1,7 lần so với phương pháp khoan xoay truyền thống Từ kinh nghiệm thực tế khoan lỗ khoan ngang phương pháp khoan xoay, chuyên gia [1, 2] lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập phụ thuộc vào tính chất lý đá trình bày bảng Bảng Các thông số chế độ khoan xoay - đập (tải trọng chiều trục PO, tốc độ quay dụng cụ khoan n, lưu lượng nước rửa Q tần số đập nđ) Loại đá Bột kết hạt nhỏ mịn, cấp VI-VII theo độ khoan, Bột kết, cát kết hạt nhỏ mịn,ít mài mòn, cấp VIII-IX theo độ khoan, Bột kết, cát kết, sạn kết, mài mòn, nứt nẻ, cấp IX-XI theo độ khoan P0 , N 3000-5000 n, v/ph 200-250 Q, l/ph 40-50 nđ, lần/ph 800 - 900 7000-9000 200-300 40-50 1000 - 1200 7000-13000 200-300 40-50 1000 - 1600 Kết luận Từ kết nghiên cứu, ta rút số kết luận bản: - Một nguyên nhân dẫn tới tổn thất tải trọng chiều trục truyền cho mũi khoan khoan ngang tăng chiều sâu khoan tăng trọng lượng cột cần khoan (tăng chiều dài cột cần khoan), lực ma sát mô men xoắn q trình khoan; từ dẫn tới giảm tốc độ học khoan tăng chiều dài lỗ khoan Khi tăng tốc độ quay cột cần khoan, tổn thất tải trọng chiều trục giảm, tăng tốc độ quay cột cần khoan gấp lần tổn thất tải trọng chiều trục giảm từ 1,8-2 lần lỗ khoan sâu từ 300m-500m [1] - Chế độ công nghệ khoan xoay - đập lựa chọn vào tính chất lý đá đặc tính kỹ thuật thiết bị khoan, đặc tính kỹ thuật đầu đập Khi khoan ngang thiết bị khoan RPD-130SL-F2W ống mẫu luồn PS-89 cho phép tăng tốc độ học gấp 1,7 lần so với khoan xoay truyền thống điều kiện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trần Tuân, 2014 Nghiên cứu cơng nghệ khoan ngang hợp lý để tháo khí Mê tan mỏ than hầm lò vùng Mạo Khê, Luận án tiến sỹ kỹ thuật [2] Nguyễn Xuân Thảo nnk, 2004 Nghiên cứu lựa chọn đồng thiết bị xây dựng quy trình khoan thăm dò tháo nước phù hợp mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, Báo cáo tổng kết đề tài, Viện KHCN Mỏ, Hà Nội [3] Heinz W F, 2000 Diamond Drilling handbook – SADA [4] Lui Guangzhi, 1992 Diamond Drilling handbook - Beijing china ABSTRACT Applied research percusion - rotary drilling technology to carry out any horiziontal bore holes Nguyen Tran Tuan, Trieu Hung Truong, Hanoi University of Mining and Geology In this paper, some results of the researches on rotary drilling technology are presented for enhancing the rate of penetration (ROP) in horizontal drilling One of reasons for low ROP as well as the unsatisfied length and quality of borehole is the loss of weight on bit as drilling interval increases It can result from several issues, such as the increasing in weight of drilling string, friction and torque during drilling operation When the increasing in rotary speed of drilling string (approximately 300 round/minute) in conjunction with the addition of source of percusion energy (nđ = 800 ÷ 1600 times/minute) occurs, the loss of weight on bit declines from 1,8 to times for 300-500-meter-long holes 61 ... chiều trục truyền cho mũi khoan phá huỷ đá gây khó khăn cho kéo đẩy cột cần khoan Nghiên cứu áp dụng công nghệ khoan xoay - đập để thi công lỗ khoan ngang Trong khoan xoay - đập, tốc độ học không... tượng cong lỗ khoan ngang lệch tâm dụng cụ khoan mũi khoan kim cương; dụng cụ khoan;  - góc lệch tâm a) b) Hình Hướng cong lỗ khoan ngang a hướng lỗ khoan theo thi t kế; b hướng thực tế lỗ khoan. .. lần so với phương pháp khoan xoay truyền thống Từ kinh nghiệm thực tế khoan lỗ khoan ngang phương pháp khoan xoay, chuyên gia [1, 2] lựa chọn chế độ công nghệ khoan xoay - đập phụ thuộc vào tính