Có ba loại đầu khoan được phân loại theo hệ thống dẫn động đó là: Đầu khoan khí nén, đầu khoan điện và đầu khoan thủy lực. Trong đó đầu khoan khí nén và thủy lực được sử dụng phổ biến trong thi công các thuyến ngầm.
1. Đầu khoan khí nén
Máy khoan chạy bằng khí nén thường gọi là máy khoan gió. Máy chạy bằng sức đẩy của khí nén. Máy có ưu điểm là kết cấu đơn giản, chế tạo và sửa chữa dễ dàng, thao tác tiện lợi, sử dụng an toàn (xem hình 3.15). Nhưng bên cạnh đó việc cung ứng khí nén tương đối phức tạp, hiệu suất máy thấp, tiêu hao năng lượng lớn, tiếng ồn lớn, tốc độ chậm hơn so với máy chạy bằng thuỷ lực.
Hình 3.15. Máy khoan dẫn động bằng khí nén
Các loại máy khoan chạy bằng khí nén thường chỉ dùng để khoan đất đá có độ cứng trung bình, thường là các máy khoan cầm tay, máy khoan cột chống. Một số đầu khoan khí nén được lắp trên các máy tự hành nhưng do
thường dùng đầu khoan thuỷ lực.
Hình 3.16. Búa chèn hơi cầm tay:
1- đầu nối côn; 2- đai ốc nối; 3 – tay cầm; 4 – van; 5 - thiết bị khởi động; 6 – quả đập; 7 – vỏ búa; 8 – choòng khoan 7 – vỏ búa; 8 – choòng khoan
Dụng cụ bằng tay chính để phá đất là búa chèn hơi (hình 3.16) – quả đập pistông. Búa tay chèn hơi hoạt động theo nguyên lý biến thế năng của khí nén thành cơ năng đập của choòng, dưới tác dụng của quả đập động năng này sẽ phá đất. Khí nén được dẫn tới quả đập nhờ ống dẫn mềm. Khi nén lên cán thì khí nén chạy vào quả đập làm cho nó làm việc, khi dừng ấn vào tay cầm 3 thì ống dẫn khí nén bị chặn lại và búa ngừng làm việc. Cơ cấu công tác của búa chèn hơi là choòng thép số 8. Tuỳ thuộc vào độ cứng của đất đá mà sử dụng choòng khoan thường, dạng lưỡi xẻng, dạng lưỡi đục hoặc dạng búa đầm. Các cơ cấu công tác này ghép với hộp búa bằng vòng chụp hoặc lò xo côn.
Búa phá hơi cầm tay cũng hoạt động theo nguyên lý của búa chèn hơi cầm tay, nhưng có kích thước lớn hơn và nặng hơn nên mỗi lần đập nó truyền vào đất một động năng lớn hơn để phá đất. Người ta sử dụng búa phá hơi cầm tay để đập phá đất có độ cứng trung bình và dùng để khoan cắt bê tông v.v…
Hình 3.17. Sơ đồ cấu tao máy khoan xoay đập khí nén:
1- đầu lắp choòng khoan; 2 – ổ xoay; 3 - trục xoay; 4 – rãnh then hoa; 5 – hộp bánh cóc với ê- cu dạng xoắn ốc; 6, 7 – rãnh then hoa trên thanh truyền pístông quả đập; cu dạng xoắn ốc; 6, 7 – rãnh then hoa trên thanh truyền pístông quả đập;
2. Đầu khoan thuỷ lực
Đầu khoan thuỷ lực biến áp suất cao của dầu thuỷ lực thành cơ năng khiến cho pistông vận động qua lại thực hiện các va đập xung kích. Nguyên lý làm việc của đầu khoan thuỷ lực xem hình 3.18.
So sánh máy khoan đá thuỷ lực và máy khoan gió thì máy khoan thuỷ lực có các đặc điểm chính như sau:
- Tiêu hao năng lượng ít, hiệu suất cao. Tiêu hao năng lượng của máy khoan đá thuỷ lực chỉ bằng 1/3 ÷ 1/2 của máy khoan gió trong khi hiệu suất có thể đạt 30 ÷ 40% (máy khoan gió chỉ đạt 15%).
- Tốc độ khoan đá nhanh: máy khoan chạy bằng thuỷ lực có tốc độ nhanh hơn 50 ÷150% so với máy khoan đá bằng sức gió. Trong đá hoa cương, tốc độ khoan sâu của máy khoan thuỷ lực có thể đạt 170 cm/phút.
- Máy khoan đá chạy bằng thuỷ lực có hệ thống thuỷ lực được thiết kế đồng bộ hợp lý, có thể tự động điều tiết tần suất xung kích, môn men xoắn, lực đẩy và tham số khác. Thích hợp với nham thạch tính chất khác nhau, có thể nâng cao hiệu suất công tác, nhờ điều kiện bôi trơn tốt nên tuổi thọ các linh kiện chính khá cao.
Hình 3.18 . Nguyên lý làm việc của máy khoan đá thủy lực:
1- choòng khoan; 2-đầu cấp nước; 3-bộ bánh răng quay; 4-lò xo giảm chấn; 5-gioăng bịt kín; 6-pístông xung kích; 7-bộ phận điều tiết lưu lượng dầu; 8- đ inh ốc điều tiết lưu lượng; 6-pístông xung kích; 7-bộ phận điều tiết lưu lượng dầu; 8- đ inh ốc điều tiết lưu lượng;
9-môtơ thuỷ lực; 10- khớp nối; 11-trục truyền động; 12 - bộ phận trữ năng lượng; 13-bánh răng chủ động; 14-ổ bi đỡ quay.
- Môi trường được bảo vệ tốt, tiếng ồn của khoan đá thuỷ lực so với khoan gió thấp (khoảng 10dB÷15dB). Khoan thuỷ lực không dùng khí nén nên không gây ô nhiễm không khí. Hiện nay khoan thuỷ lực đã được dùng rộng rãi trong công trình đường hầm.
- Máy khoan đá thuỷ lực có cấu tạo phức tạp, giá thành tương đối cao, trọng lượng lớn, linh kiện lắp ráp nhiều, phần lớn phải lắp trên xe tải để sử dụng.
Để phá đất có độ cứng cao và đá mồ côi gặp phải trong quá trình đào lò, người ta sử dụng búa phá thuỷ lực (hình 3.19). Búa phá thuỷ lực cầm tay với choòng khoan dạng hình cái nêm có cấu tạo gồm:
Hình 3.19: Búa phá thuỷ lực cầm tay:
1 – xilanh thuỷ lực tác dụng hai chiều; 2 – choòng khoan thép hình nêm – choòng khoan thép hình nêm
xilanh thuỷ lực tác dụng hai chiều và bộ phận công tác là choòng dạng nêm có thể tháo được và được kẹp bởi hai tấm ép bằng lò xo (ma sát ép dạng lò xo) . Đất gương lò bị phá bởi tác dụng của lực kep giữa choòng khoan hình nêm lên thành lỗ khoan để phá đất. Khi nêm tiến sâu vào đất thì má kẹp doãng, mở kẹp vào thành lỗ khoan và phá đất. Sau đó nêm khoan tụt về hết cỡ đến vị trí ban đầu bằng cách đóng van điều khiển.
§ 3.4. Cỗ máy khoan hầm lò tự hànhI. Khái niệm và phân loại cỗ máy khoan hầm lò tự hành. I. Khái niệm và phân loại cỗ máy khoan hầm lò tự hành.
1. Giới thiệu chung về cỗ máy khoan hầm lò tự hành
Nếu lắp nhiều máy khoan lên một máy cơ sở tự hành đặc chủng cho phép nhiều máy hoạt động đồng thời, điều khiển tập trung và cơ giới hoá gần như hoàn toàn - đó là cỗ máy khoan hầm lò tự hành.
Hình 3.20. Máy khoan hầm lò tự hành bánh lốp
Cỗ máy khoan hầm lò tự hành dùng để khoan các lỗ khoan cho các tuyến tunnel ngầm có độ cứng đất đá khác nhau. Các lỗ khoan được khoan dọc theo trục của tuyến ngầm thi công, đôi khi khoan nghiêng, thậm chí khoan ngang hông vào vách và nóc tunnel. Cỗ máy khoan hầm lò tự hành được cơ giới hoá hoàn toàn từ khâu định vị lỗ khoan, khoan tạo lỗ và kể cả nạp thuốc nổ vào lỗ khoan. Cỗ máy khoan hầm lò tự hành cho phép nâng cao điều kiện làm việc cho công nhân hầm lò, các cỗ máy hiện đại còn thực hiện công tác khoan neo và thực hiện một số công đoạn trong công tác gia cố vách tunnel tạm thời sau đánh mìn.
2. Phân loại cỗ máy khoan hầm lò tự hành
Các cỗ máy khoan hầm lò tự hành được phân loại theo các dấu hiệu dưới đây:
- Theo cơ cấu di chuyển chúng được chia làm ba nhóm: nhóm di chuyển trên ray, nhóm bánh xích và nhóm bánh lốp.
- Theo khả năng cơ động của tay máy chúng được chia làm hai nhóm: nhóm máy khoan mặt trước và nhóm máy khoan kết hợp cả mặt trước và khoan vuông góc.
- Theo dạng năng lượng dẫn động đầu khoan công tác chúng được chia làm 3 nhóm: nhóm khoan khí nén, nhóm khoan điện và nhóm máy khoan thuỷ lực.
Hiện nay các máy tự hành thường là máy khoan di chuyển bánh lốp, bánh xích với tay máy như một cánh tay rô-bốt có thể định vị mũi khoan tự động theo hướng và ở vị trí bất kỳ. Ngoài ra chúng còn được trang bị đồng thời nhiều tay máy khoan với đầu khoan công tác có thể thay đổi cho phù hợp với điều kiện địa chất đất đá. Các máy khoan thi công tuyến ngầm của các hãng sản suất nổi tiếng trên thế giới được trang bị hệ thống điều khiển định vị tự động được lập trình sẵn cho mỗi một hộ chiếu khoan.
3. Giới thiệu một số loại máy khoan hầm lò tự hành
Dưới đây xin giới thiệu sơ bộ một số máy khoan hầm lò tự hành đã và đang được sử dụng thi công các tuyến tunnel ngầm trên thế giới cũng như tại Việt nam trong thời gian gần đây:
Trên hình 3.21 là máy khoan hầm lò tự hành bánh sắt. Máy này có cấu tạo từ 4 cụm chính là: cơ cấu tỳ đẩy dẫn hướng dạng vít 1; đầu khoan đập - quay 2 chạy theo dẫn hướng của cơ cấu 1; tay máy 3 và cơ cấu di chuyển bánh sắt 4. Máy này được sử dụng khoan lỗ nổ mìn cho các tunnel có mặt cắt gương đào từ 6 - 20 м2. Máy có thể dùng để khoan lỗ lắp neo gia cố vách và nóc tunnel với có chiều cao không nhỏ hơn 4,2 m. Cơ cấu tỳ đẩy dẫn hướng dạng vít 1 vừa di chuyển mũi khoan vào gương đào vừa đảm bảo lực ép cần thiết. Nhờ có tay máy 3, máy khoan có thể di chuyển trên toàn bộ gương đào và cố định tại một vị trí để khoan. Trên cơ cấu di chuyển của cỗ máy có trang bị thiết bị ngoàm bánh sắt vào ray và các chân chống làm cho máy khoan đứng vững chắc khi khoan.
Hình 3.21. Máy khoan hầm lò tự hành bánh sắt:
1 — cơ cấu tỳ đẩy dẫn hướng dạng vít; 2 — đầu khoan; 3 — tay máy; 4 — cơ cấu di chuyển bánh sắt 4 — cơ cấu di chuyển bánh sắt
Hình 3.22. Máy khoan hầm lò tự hành bánh lốp với ba tay máy – ba đầu khoan
Máy khoan hầm lò tự hành bánh lốp (hình 3.22) có cấu tạo từ những cụm chính sau: đầu khoan 3 với cơ cấu tỳ đẩy dẫn hướng 1, tay máy 2, khung và cơ cấu di chuyển bánh lốp 4, hệ thống dẫn động 6, bảng điều khiển 5.
Máy di chuyển tới sát gương đào, đứng ở vị trí hợp lý, sau đó dùng các chân chống thuỷ lực chống xuống sàn tunnel để tăng độ ổn định khi đứng khoan.
4. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy khoan hầm lò tự hành:
- Chiều cao tối thiểu của tunnel;
- Diện tích gương đào tunnel trung bình; - Mã hiệu đầu máy khoan;
- Mã hiệu cần và mũi khoan phù hợp; - Số tay máy và loại tay máy;
- Kích thước tổng thể (dài, rộng, cao) và tổng trọng lượng;
- Bán kính quay max và min.
Hình 3. 33. Máy khoan hầm lò tự hành bánh lốp Rocket Boomer E3C của hãng Atlas Copco – Canada, điều khiển thuỷ lực với ba tay máy, ba đầu khoan “đập – quay”
thuỷ lực loại COP 1838ME