CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐẬP
2.1. NGUYÊN LÝ PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ CỦA KHOAN ĐẬP
2.1.1. Nguyên tắc khoan đập:
Khi đập, đầu khoan tác dụng vào đất đá, tiến vào đất đá với độ sâu h và tạo thành rãnh có chiều rộng là a, Hình (2.1).
Hình 2.1. Sơ đồ phá vỡ đất đá khi khoan đập.
1- Vùng đập vỡ 2- Lớp phá vỡ 3- Vùng nứt nẻ 4- Vùng vỡ lở
Sau mỗi lần đập, dụng cụ khoan được nâng lên khỏi gương lỗ khoan và quay đi một góc nhất định rồi lại đập tiếp tạo thành rãnh mới. Khi lực đập P và chiều sâu phá vỡ h đủ lớn thì khối đất đá trong giới hạn góc ω bị đẩy trượt và phá vỡ tại thời điểm tạo thành rãnh mới. Như vậy việc xác định góc quay ω hợp lý rất quan trọng vì:
- Nếu góc quay quá nhỏ thì phần diện tích đất đá gần trung tâm chịu tác dụng đập lại nhiều lần tốn công vô ích.
- Nếu góc quay quá lớn thì phần diện tích đất đá giữa hai lần đập sẽ không bị phá huỷ.
Góc quay ω phụ thuộc vào góc sắc đầu khoan α, lực đập P, độ bền nén của đất đá… Khi chế tạo máy góc quay ω đã được xác định theo kinh nghiệm (máy khoan khí nén cầm tay).
Cơ cấu phá vỡ đất đá khi khoan đập gồm các vùng:
- Vùng 1: Khi năng lượng đập đủ lớn thì biên của vùng này có dạng tròn gọi là vùng đập vỡ.
h
a
- Vùng 2: Là vùng đất đá bị phá vỡ bởi các vết nứt hướng tâm.
- Vùng 3: Tại đây đất đá không bị phá huỷ mà chỉ bị nứt do các vết nứt ở vùng 2 kéo dài, vùng này gọi là vùng nứt nẻ
- Vùng 4: Đất đá bị phá vỡ bởi các vết nứt cong lộ ra mặt tự do, vùng này bị phá vỡ do thắng độ bền cắt của đất đá. Vùng này gọi là vùng vỡ lở.
Tuy khoan đập có nhiều phương pháp tính khác nhau, để xác định các thông số của khoan đập thường xác định các thông số cơ bản một cách tương đối.
Từ hình 2.1, dưới tác dụng của lực dọc trục P, đất đá bị phá vỡ trên diện tích có chiều rộng là:
m tg h
a ;
. 2
2
(2-1) Trong đó: α- góc sắc đầu khoan; độ.
Khi đó diện tích đất đá bị phá vỡ sau 1 lần đập sẽ là:
2; . . 2
1 .
tg h d d a S
(2-2)
Để phá vỡ đất đá và tiến sâu vào đất đá thì dụng cụ khoan phải cần một lực là:
P = Fn + Fm; (2-3) Trong đó:
Fn- Lực để thắng độ bền nén của đất đá.
Fn = S1.σn = ; . 2 . .
2dn htg (2-4) Fm- Lực để khắc phục lực ma sát khi dụng cụ khoan tiến sâu vào đất đá.
Fm = 2.d.h.σn.fms; (2-5) fms- hệ số ma sát giữa thép và đất đá = 0,3 ÷ 0,5 Từ (2-3, 2-4, 2-5) ta có:
m f tg d h P
m n
; 2 )
.(
. .
2
(2-6)
Khi đó công đập Ađ = P.h; thay P từ công thức (2-6) ta có công 1 lần đập là:
2 );
( . . .
2 2 n ms
d dh tg f
A (2-7)
Và công đập trong 1 phút là:
At = P.h.n = ). ;
( 2 . . .
2dh2n tg fms n (2-8) Trong đó: n - số lần đập trong 1 phút.
Mặt khác thể tích đất đá bị phá vỡ sau 1 lần đập là:
V1 = S1.h = a.d.h = ; . 2 .
2 2
tg h
d (2-9)
Như vậy thể tích đất đá bị phá vỡ trong 1 phút là:
Vf = V1.n = ; . 2 . .
2 2
tg h n d
Khi đó tốc độ khoan được xác định:
. ; . 2 . . 8 . . 4
2
2 d
tg n h d
V S
v Vf f
(2-10)
S- diện tích của gương khoan;
4 .d2 S Từ công thức (2-7 vào ( 2-10) ta có:
; 2 )
( .
. 2 . . 27 , 1
2
ms n
d
f tg d
tg n A v
(2-11)
Từ (2-11) cho thấy tốc độ khoan phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Năng lượng 1 lần đập, tần số đập, đường kính lỗ khoan, độ bền nén của đất đá, góc sắc đầu khoan… Tuy nhiên công thức này chỉ xác định tốc độ khoan một cách tương đối gần đúng, vì vẫn chưa tính đến hiệu suất đập η:
;
) (
) 1 (
2 2 1
2 2
1
m m
k m m
(2-12)
Trong đó: m1, m2- Khối lượng của bộ phận đập và dụng cụ khoan.
k - Hệ số hồi phục k = 0,55 ÷ 0,56.
2.1.2. Dụng cụ khoan đập:
Dụng cụ của khoan đập là choòng khoan được chế tạo từ loại thép đặc biệt, một đầu dùng để phá vỡ đất đá gọi là đầu khoan, còn đầu kia lắp với máy gọi là đuôi choòng. Thân choòng có lỗ để dẫn khí nén hoặc nước tới đầu khoan để thổi phoi. Thân choòng làm nhiệm vụ:
- Truyền lực dọc trục gồm lực đẩy và lực đập tới đầu khoan.
- Định hướng cho lỗ khoan.
- Thoát phoi.
1. Choòng khoan liền:
Được chế tạo từ loại thép đặc biệt gồm đầu khoan liền với thân choòng như
hình 2-
2.
Hình 2.2. Choòng khoan liền có đầu khoan dạng chữ thập.
A- Đầu khoan B- Cần khoan C- Đuôi choòng
2. Choòng khoan có đầu khoan tháo lắp được:
Có cấu tạo tương tự choòng khoan liền, nhưng đầu khoan được chế tạo rời với thân choòng. Đầu khoan được nối với thân choòng nhờ cơ cấu ren hoặc côn (Góc côn 3030’). Đầu khoan gắn hợp kim cứng. Tuỳ thuộc vào độ cứng và cấu tạo của đất đá, ta chọn đầu khoan có góc sắc như sau:
- α = 900 : Để khoan đất đá mềm.
- α = 1000 1100 : Để khoan đất đá cứng trung bình.
- α = 1200 : Để khoan đất đá cứng.
Tuỳ thuộc vào độ cứng và cấu trúc của đất đá mà sử dụng các đầu khoan có hình dạng khác nhau như hình 2.3.
Hình 2.3. Các hình dạng đầu khoan.
- Đầu khoan có dạng chữ nhất (-): Có tốc độ khoan cao nhất, thường được sử dụng trong đất đá đặc sít, ít nứt nẻ. Dễ bị kẹt choòng trong đất đá nứt nẻ nhiều.
- Đầu khoan có lưỡi dạng chữ thập (+): Được sử dụng rộng rãi nhất dùng để khoan đất đá nứt nẻ mạnh.
- Ngoài ra còn có đầu khoan hình sao nhưng trong thực tế ít sử dụng.
Đầu khoan rời gồm những loại đường kính như sau: 28, 32, 36, 40, 44, 46, 52, 60, 65, 75, 85 mm.
Trong quá trình khoan đầu khoan dễ bị mòn lưỡi và mòn đường kính, đường kính nhỏ dần, góc sắc trở thành tù, có thể phục hồi bằng cách mài nhưng phải đảm bảo giữ các thông số hình học của nó và phải tạo trước diện tích mòn thích hợp khoảng 0,2 mm.
3. Bộ choòng:
Khi khoan các lỗ khoan sâu không thể dùng ngay choòng dài. Khi đó người ta phải dùng bộ choòng bao gồm các choòng có chiều dài ngắn khác nhau và đường kính đầu khoan khác nhau.
Choòng ngắn nhất khoan đầu tiên gọi là choòng đột phá, nhằm giảm độ rung, xác định chính xác hướng lỗ khoan, thuận tiện khi tạo lỗ và dễ thao tác khi khoan. Độ chênh lệch về chiều dài của các choòng liên tiếp gọi là bước chiều dài với ΔL = 0,3 ÷ 0,9 m. Trong thực tế thường sử dụng ΔL = 0,5 m.
Đồng thời, trong quá trình khoan đầu khoan sẽ mòn về đường kính, để thuận lợi khi lắp choòng mới, tránh kẹt khi khoan thì đường kính đầu khoan của choòng sau phải nhỏ hơn đường kính đầu khoan của choòng khoan trước. Độ chênh lệch về đường kính đầu khoan liên tiếp gọi là bước đường kính, thường từ 1 3 mm.
4. Choòng nối tiếp:
Khi khoan ở các vị trí có không gian chật hẹp không thể dùng choòng dài để khoan các lỗ khoan sâu được, người ta phải dùng choòng nối tiếp. Choòng nối tiếp là choòng gồm nhiều đoạn được nối với nhau bằng ống nối choòng nhờ cơ cấu ren.
2.1.3. Năng suất và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khoan:
1. Năng suất thực tế của máy khoan trong 1 ca được xác định theo công thức sau:
Qca = Ksd.Tca.Vt ; m/ca (2-13)
Hoặc 1 ;
. .
p k sd ca
ca T K t t
Q m/ca (2-14)
1 ; . 1 .
p sd
ca ca
V t K T Q
m/ca (2-15)
Trong đó:
Ksd- hệ số sử dụng thời gian định mức ca; Ksd = 0,6 ÷ 0,8.
Vt - Tốc độ khoan kỹ thuật; Vt = (0,75 ÷ 0,8).V; m/s.
V- Tốc độ khoan lý thuyết được xác định theo công thức (2-11).
tk- Thời gian chính để khoan sâu 1m khoan, s/m.
Tca- Thời gian làm việc trong 1 ca, giây.
tp- Tổng thời gian thực hiện các công việc kỹ thuật phụ trợ (di chuyển máy khoan, kê kích máy, thay dầu khoan, tháo lắp cần khoan..), s/m.
2. Năng suất tháng và năm:
Qtháng = Qca.n (2-16)
Qnăm = Qtháng.N (2-17)
Trong đó: n và N- số ca làm việc trung bình trong tháng và số tháng làm việc trong năm.
3. Năng suất theo khối lượng đất đá được làm tơi:
Q0 = Qca.P, m3/ca (2-18)
; Lk
P V
m3/m. Suất phá đá của 1m chiều dài lỗ khoan.
ΣV- Tổng thể tích đất đá nguyên khối được làm tơi, m3. ΣLk- Tổng chiều dài m khoan sử dụng, m.
4. Năng suất theo định mức công việc hoàn thành trong ca:
ca t m
t T T Q T
p k
p c ca
ca' ; /
(2-19)
Trong đó:
Tca- Thời gian 1 ca; phút/ca
Tc, Tp- Thời gian nghỉ được phép đầu ca, giữa ca, cuối ca, nghỉ ngắn trong ca;
phút/ca
tk, tp- Thời gian để hoàn thành các thao tác chính và phụ khoan 1 mét dài lỗ khoan; phút/m.
5. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khoan đập:
a. Ảnh hưởng của năng lượng một lần đập:
Nếu tăng năng lượng một lần đập thì chiều sâu phá vỡ đất đá tăng. Năng lượng 1 lần đập phụ thuộc vào khối lượng bộ phận đập (piston), áp lực khí nén (hoặc tốc độ chuyển động của piston) và chiều dài bước dịch chuyển piston.
Hình 2.4. Sự phụ thuộc chiều sâu phá huỷ vào năng lượng một lần đập với độ cứng đất đá khác nhau.
Có thể tăng năng lượng 1 lần đập bằng cách tăng tốc độ chuyển động của piston (nhờ tăng áp lực khí nén) hoặc tăng trọng lượng của bộ phận đập.
Tăng năng lượng một lần đập là cách tốt nhất để nâng cao hiệu quả khoan, khi đó ảnh hưởng của hình dạng đầu khoan và tính chất cơ lý của đất đá tới các chỉ tiêu phá vỡ đất đá sẽ giảm đi, vì lúc đó vùng phá vỡ có dạng bán cầu không phụ thuộc vào hình dạng bề mặt tiếp xúc giữa dụng cụ khoan và đất đá.
b. Ảnh hưởng của tốc độ tác dụng tải trọng đến hiệu quả phá vỡ:
Nếu năng lượng 1 lần đập không đổi, với mỗi loại đất đá có tốc độ tải trọng tới hạn khác nhau, nếu vượt quá giới hạn này thì hiệu quả phá vỡ đất đá giảm. Khi tăng tốc độ tác dụng tải trọng vùng biến dạng dẻo của đất đá giảm dần, sau đó không còn.
Như vậy hiệu qủa của việc tăng tốc dộ tác dụng tải trọng động thích hợp với đất đá cứng. Tuy nhiên cần lưu ý tới tốc độ tới hạn tỷ lệ nghịch với độ cứng của đất đá. Để máy khoan bền thường chọn tốc độ tải trọng tới hạn Vth = 6 – 7 m/s.
c. Ảnh hưởng của tần số đập:
Khi năng lượng 1 lần đập không đủ thì không thể nâng cao tốc độ khoan bằng cách tăng tần số đập. Do vậy cần phải tăng năng lượng 1 lần đập sau đó tăng tần số đập một cách hợp lý. Nếu tăng tần số đập thì có thể tăng tốc độ khoan 1,5 2 lần, nhưng khi đó tiếng ồn và độ rung lớn, ảnh hưởng xấu tới sức khỏe của thợ khoan.
Do vậy tần số đập thường chọn n < 2000 lần/phút.
Chiều sâu 1 lần đập, mm
Năng lượng 1 lần đập, KGm
f1 f2
f3
1 2
3 4
2,5 5 7,5 10 12,5 15