I MỤC LỤC MỤC LỤC I BẢNG KÝ HIỆU TỪ KHOÁ, CHỮ VIẾT TẮT IV DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ V DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ KHOAN TẠO LỖ NỔ MÌN TRONG KHAI THÁC HẦM LÒ VÙNG QUẢNG NINH .6 1.1 Tình hình khai thác than Quảng Ninh - Việt Nam 1.1.1 Mục tiêu định hướng phát triển ngành than .6 1.1.2 Về công tác đào lò Vinacomin 1.2 Đặc điểm lý tính đá vùng than Quảng Ninh .9 1.2.1 Phân loại đá 1.2.2 Tính chất vật lý đá .11 1.2.3 Tính chất học đá .14 1.2.4 Đặc điểm cấu trúc đá 17 1.3 Máy thiết bị khoan sử dụng khai thác than hầm lò 22 1.3.1 Đặc điểm chung về nghiên cứu và sử dụng ở Việt Nam 22 1.3.2 Một số loại máy - thiết bị khoan thường dùng 22 1.3.3 Một số loại máy khoan đập đầu khoan đập 26 1.4 Các dạng đầu mũi khoan đập 32 1.4.1 Hình dáng chung đầu mũi khoan đập 32 1.4.2 Choòng khoan 33 1.4.3 Kết cấu tính mũi khoan đập 34 Chương LÝ THUYẾT KHOAN ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐẬP .36 2.1 Lý thuyết tính toán lực va đập máy khoan đập 36 2.1.1 Các chế phá hủy cấu trúc đá 36 2.1.2 Phá hủy đá va đập .38 II 2.1.3 Phân tích lực tác dụng lên đầu mũi khoan 40 2.1.4 Tính công khoan đá với đầu mũi khoan chữ thập .41 2.2 Cơ sở lý thuyết học phá hủy đá .41 2.2.1 Các mô hình phá hủy đá .41 2.2.2 Tiêu chuẩn phá hủy Mohr 42 2.2.3 Cơ sở lý thuyết phá hủy Hoek - Brown .42 2.3 Phá hủy đá phương pháp khoan đập 55 2.3.1 Các phương pháp khoan đá máy khoan đập .55 2.3.2 Phương pháp khoan đập .55 2.3.3 Xác định thông số khoan đập 57 2.4 Cơ chế mòn đầu mũi khoan 59 2.4.1 Ma sát mài mòn đầu mũi khoan 59 2.4.2 Ảnh hưởng thông số công nghệ đến đầu mũi khoan .63 2.5 Phân tích ứng suất biến dạng đầu mũi khoan .67 Chương VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM KHOAN ĐÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHOAN ĐẬP 78 3.1 Vật liệu thử nghiệm 78 3.1.1 Đá thử nghiệm 78 3.1.2 Đầu mũi khoan thử nghiệm 79 3.2 Thiết bị thử nghiệm 80 3.2.1 Thiết bị gá lắp máy khoan đập 81 3.2.2 Hệ thống đo tham số khoan đập 83 3.2.3 Thiết kế chế tạo mạch, viết phần mềm điều khiển, thu thập xử lý số liệu đo 86 3.3 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm khoan đập 93 Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỂ XÁC ĐỊNH .98 MỘT SỐ THÔNG SỐ HỢP LÝ KHI KHOAN ĐÁ BẰNG PHƯƠNG 98 PHÁP KHOAN ĐẬP 98 4.1 Thử nghiệm đo lực, tốc độ khoan độ mòn đầu mũi khoan 98 III 4.1.1 Trình tự thực nghiệm xử lý số liệu 98 4.1.2 Thử nghiệm đo độ cứng độ nén 99 4.1.3 Đo xác định độ mòn đầu mũi khoan 101 4.2 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng góc sắc độ kiên cố đá đến cường độ mòn đầu mũi khoan 102 4.2.1 Điều kiện thử nghiệm .102 4.2.2 Kết thử nghiệm 102 4.2.3 Xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng góc sắc độ kiến cố đá tới cường độ mòn đầu mũi khoan 103 4.3 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng góc sắc lực đập đến cường độ mòn đầu mũi khoan .108 4.3.1 Điều kiện thử nghiệm .108 4.3.2 Kết thử nghiệm 108 4.3.3 Xây dựng phương trình quy hoạch thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng góc sắc lực đập tới cường độ mòn đầu mũi khoan 109 4.4 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan đến cường độ mòn đầu mũi khoan 114 4.4.1 Điều kiện thử nghiệm .114 4.4.2 Kết thử nghiệm 114 4.4.3 Xây dựng phương trình quy hoạch thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan tới cường độ mòn đầu mũi khoan 115 4.5 Phân tích kết ảnh hưởng thông số công nghệ đến suất khoan 118 KẾT LUẬN .120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 IV BẢNG KÝ HIỆU TỪ KHOÁ, CHỮ VIẾT TẮT TT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 Ký hiệu từ viết tắt NCS PGS.TS Vinacomin QHTN MS MSQH H.K B.G mm; m E Pk Fn Fm Ý nghĩa từ viết tắt Nghiên cứu sinh Phó giáo sư, tiến sĩ Tập đoàn công nghiệp than khoáng sản Việt Nam Qui hoạch thực nghiệm Mã số Mã số quy hoạch Hợp kim Biên giới Đơn vị đo chiều dài Mô đun đàn hồi đá Lực dọc trục lên mũi khoan đập (lực đập) Lực để thắng độ bền nén đất đá Lực để khắc phục lực ma sát dụng cụ khoan tiến S1 α a sâu vào đất đá Diện tích đất đá bị phá vỡ sau lần đập Góc cắt lưỡi (góc sắc); độ Chiều rộng mặt đầu tương ứng với mép σn f h d r mép lưỡi cắt Giới hạn độ bền nén đất đá Độ kiên cố đất đá theo M.M Prôtôđiakônốp Độ sâu đất đá sau lần đập Đường kính lỗ khoan Khoảng bán kính tương ứng với mép mép c lưỡi cắt Khoảng cách hai mép lưỡi cắt σch σmax 40Cr BK8 m/s kN, N kW; W Mét lò TS Lò CBSX Lò XDCB đường kính Giới hạn chảy vật liệu làm mũi khoan Ứng suất lớn đầu mũi khoan làm việc Thép hợp kim dụng cụ có độ bền cao Thép hợp kim cứng Đơn vị tính tốc độ Đơn vị đo lực Đơn vị đo công suất Mét lò tổng số (lò đào mới) Lò chuẩn bị sản xuất Lò xây dựng V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quy hoạch sản lượng than hầm lò Hình 1.2 Biểu đồ mét đào lò từ năm 2008÷2012 Hình 1.3 Quy trình thi công đường lò Hình 1.4 Mặt phân cách khối đá 19 Hình 1.5 Máy khoan khí ép cầm tay YT - 27 27 Hình 1.6 Máy khoan khí ép cầm tay ПР- 30 27 Hình 1.7 Máy khoan với cột đỡ khí ép YO 29 28 Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo khoan khí nén 29 VI Hình 1.9 Một số loại đầu khoan thuỷ lực 31 Hình 1.10 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo búa khoan thủy lực HL1500 31 Hình 1.11 Đầu mũi khoan đập kiểu bi cắt 32 Hình 1.12 Đầu mũi khoan đập kiểu chữ 33 Hình 1.13 Đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập 33 Hình 1.14 Kết cấu choòng khoan đập kiểu lắp ren 33 Hình 1.15 Choòng đầu mũi khoan đập .33 Hình 1.16 Choòng khoan liền có đầu mũi khoan dạng chữ thập 34 Hình 1.17 Hình dáng hình học đầu mũi khoan đập 35 Hình 2.1 Các dạng phá huỷ .36 Hình 2.2 Các biểu phá huỷ mẫu đá hoa cương nén ba trục .37 Hình 2.3 Sự lan truyền sóng ứng suất đá .38 Hình 2.4 Phân vùng biến dạng tác dụng lực va đập .39 Hình 2.6 Mô hình phá hủy Mohr-Coulomb mô hình phá hủy Hoek-Brown .42 Hình 2.7 Tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown với chất lượng đá khác 46 Hình 2.8 Các đường bao thời điểm phá hủy sau phá hủy với tiêu chuẩn phá hủy Hoek - Brown tổng quát hóa 46 Hình 2.9 Độ bền trước lúc phá hủy loại đá khác 47 Hình 2.10 Mô hình khoan đá 55 Hình 2.11 Sơ đồ phá vỡ đất đá khoan đập 56 Hình 2.12 Ảnh hưởng tải trọng đến hệ số ma sát μ 60 Hình 2.13 Ảnh hưởng vận tốc đến hệ số ma sát μ 60 Hình 2.14 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất khoan đá [2],[8] 63 VII Hình 2.15 Mối quan hệ lực dọc trục tốc độ khoan .65 Hình 2.16 Mối quan hệ tốc độ khoan với đường kính lỗ khoan .66 Hình 2.17 Các kích thước đầu mũi khoan 68 Hình 2.18 Mô hình 3D đầu mũi khoan đập dạng chữ thập với góc sắc α = 1100 69 Hình 2.19 Ảnh đồ phân bố ứng suất đầu mũi khoan với α = 1100 f=4 .70 Hình 2.20 Ảnh đồ phân bố biến dạng đầu mũi khoan với α = 1100 f=4 70 Hình 2.21 Ảnh đồ phân bố chuyển vị đầu mũi khoan với α = 1100 f=4 71 Hình 2.22 Ứng suất lớn lưỡi cắt với góc sắc α độ kiên cố f 74 Hình 2.23 Ứng suất trung bình lưỡi cắt với góc sắc α độ kiên cố f 74 Hình 2.24 Ứng suất lớn thân mũi khoan với góc sắc α độ kiên cố f 75 Hình 3.1 Mẫu đá khu vực vùng Quảng Ninh 78 Hình 3.2 Mẫu đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập 79 Hình 3.3 Thiết bị thử nghiệm khoan .81 Hình 3.4 Gá lắp cảm biến siêu âm SRF05 83 Hình 3.5 Cảm biến siêu âm SRF05 .84 Hình 3.6 Bộ truyền đai cho chuyển đổi .85 Hình 3.7 Bộ chuyển đổi đổi E40H8 - 1024 -3 - T- 24 85 Hình 3.8 Cảm biến áp suất lắp đặt hệ thống truyền động khí nén .85 Hình 3.9 Cấu tạo cảm biến đo áp suất .86 Hình 3.10 Sơ đồ khối quá trình đo 86 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán của quá trình đo 88 Hình 3.12 Sơ đồ chân chức vi mạch Atmega16 89 Hình 3.13 Màn hình hiển thị kết đo LCD 16x2 .91 VIII Hình 3.14 Sơ đồ mạch thiết bị đo 92 Hình 3.15 Bo mạch thiết bị đo 92 Hình 3.16 Mô hình nghiên cứu QHTN khoan đá 94 Hình 4.1 Các mẫu đá khu vực Mạo Khê - QN 99 Hình 4.2 Các mẫu đá khu vực Cẩm Phả - QN 99 Hình 4.3 Các mẫu đá khu vực Uông Bí - QN 99 Hình 4.4 Máy đo độ cứng Hardness Testing Machine Moden AR-10 100 Hình 4.5 Máy đo độ cứng tế vi đo chiều dày lớp thấm Wilson Wolpert MicroVickers Model 402MVD 100 Hình 4.6 Máy nén đơn trục 100 Hình 4.7 Phương pháp nén theo đường sinh 100 Hình 4.8 Máy đo cường độ mài mòn TE-Friction and Wrear Donsttrator (Anh) 101 Hình 4.9 Máy đo thông số hình học đầu mũi khoan QLYMPUS - STM6 (Nhật bản) 101 Hình 4.10 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α độ kiên cố f 106 Hình 4.11 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc độ kiên cố khác 106 Hình 4.12 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với độ kiên cố góc sắc khác 107 Hình 4.13 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α lực đập Pk 112 Hình 4.14 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc lực đập khác 112 Hình 4.15 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với lực đập góc sắc khác 113 Hình 4.16 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α tốc độ choòng khoan n 116 Hình 4.17 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc số tốc độ choòng khoan khác 116 IX Hình 4.18 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với tốc độ choòng khoan góc sắc khác 117 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Sản lượng than theo quy hoạch ngành Bảng 1.2 Khối lượng mét lò đào năm 2008 ÷ 2012 Bảng 1.3 Phân loại đất đá theo M.M Prôtôđiakônốp [8], [67], [68] 10 Bảng 1.4 Mô đun đàn hồi mô đun biến dạng đá [14] 15 Bảng 1.5 Mô đun đàn hồi hệ số biến dạng đá [14] 15 Bảng 1.6 Giới hạn bền nén Mô đun biến dạng đá [14] .15 Bảng 1.7 Kết thí nghiệm tính chất lý năm 2004 - mỏ than Mạo Khê [13] 16 Bảng 1.8 Kết thí nghiệm tính chất lý đá năm 2004 - mỏ Cao Sơn .16 Bảng 1.9 Tỷ lệ nham thạch địa tầng chiều dày trung bình tầng 17 Bảng 1.10 Độ bền loại nham thạch vách trụ vỉa than 17 Bảng 1.11 So sánh ưu nhược điểm máy khoan 24 Bảng 1.12 Bảng thông số kỹ thuật máy khoan khí nén cầm tay Nga 30 Bảng 1.13 Bảng thông số kỹ thuật số búa khoan thuỷ lực 30 Bảng 2.1 Phân nhóm đá theo độ giòn/dẻo 38 Bảng 2.2 Thông số số loại đá .39 X Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật máy nghiên cứu .68 Bảng 2.4 Giá trị lực cắt tương ứng góc sắc độ kiên cố 68 Bảng 2.5 Giá trị ứng suất lớn lưỡi cắt 72 Bảng 2.6 Giá trị ứng suất trung bình lưỡi cắt 72 Bảng 2.7 Giá trị ứng suất lớn thân mũi khoan 73 Bảng 3.1 Một số tiêu bền nén, bền kéo cho số loại đá khác .79 Bảng 3.2 Giá trị hệ số biến dạng ngang β mô đun biến dạng ξ đá 79 Bảng 3.3 Thông số số loại cảm biến siêu âm SRF05 84 Bảng 3.4 Bảng thử nghiệm mẫu 94 Bảng 4.1 Cường độ mòn ih (%) mũi khoan theo góc sắc α độ kiên cố f 102 Bảng 4.2 So sánh sai số kiểm tra tương thích: 103 Bảng 4.3 Cường độ mòn ih (%) mũi khoan theo góc sắc α lực đập Pk 109 Bảng 4.4 So sánh sai số kiểm tra tương thích .110 Bảng 4.5 Cường độ mòn ih (%) mũi khoan theo góc sắc α tốc độ quay n 115 Bảng 4.6 Kết tính toán công đập theo thời gian, lực đập, chiều sâu sau lần đập số lần đập phút 118 113 Hình 4.15 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với lực đập góc sắc khác Nhận xét: Từ công thức thực nghiệm (4.2) 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 mòn tăng Còn hệ số góc sắc α −0,0112 < , có nghĩa khoảng góc sắc xét cường độ mòn ih biến thiên nghịch biến với góc sắc, tức góc sắc tăng, cường độ mòn có xu hướng giảm Cũng công thức thực nghiệm (4.2), hệ số đại lượng bậc hai lực đập Pk2 2,67.10−5 > , góc sắc α 5,137.10−5 > tích hai đại lượng α.Pk 1,823.10−5 > Do hệ số 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 mòn 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 4.13 đồ thị 2D Hình 4.14 4.15 Xét định lượng, với lực đập định máy khoan, tăng góc sắc từ (100÷120) 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 114 tăng khoảng góc sắc từ (115÷ 120) độ tăng gần gấp hai lần mức tăng khoảng (100÷115) độ (Hình 4.14) 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 4.4 Thử nghiệm xác định ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan đến cường độ mòn đầu mũi khoan 4.4.1 Điều kiện thử nghiệm - Thiết bị đầu mũi khoan + Loại Máy khoan: máy khoan đập khí nén, gá đặt giá khoan có thiết bị điều khiển điện, thiết bị thủy khí thiết bị đo kèm (xem chi tiết phụ lục 1) + Loại Đầu mũi khoan: mũi khoan đập khí nén hình chữ thập; - Các thông 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 4; + Máy khoan: áp suất khí nén p = (4÷4,8) kG/cm 2, tần số đập (1880÷2000) lần/phút, tốc độ choòng khoan (360÷600) vòng/phút; lực đập (80÷90) kN; + Đường kính mũi khoan d = 42mm; góc sắc α = (100÷120) độ 4.4.2 Kết thử nghiệm Để đánh giá ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan đến cường độ mòn đầu mũi khoan, tiến hành thử nghiệm xác định cường độ mòn đầu mũi khoan thay đổi góc sắc đầu mũi khoan giá trị [100, 105, 110, 115, 120] độ, tương ứng với 13 giá trị tốc độ quay choòng khoan cách 20 vòng/phút từ 360 vòng/phút đến 600 vòng/phút Mỗi thử nghiệm tiến hành 05 lần, sau lọc giá trị bất thường, giá trị đo lấy trung bình cộng giá trị đo Tổng hợp kết 115 đo cường độ mòn mũi khoan tương ứng với giá trị góc sắc tốc độ quay choòng khoan Bảng 4.5 Bảng 4.5 Cường độ mòn ih (%) mũi khoan theo góc sắc α tốc độ quay n Góc sắc α Tốc độ quay n (vg/phút) 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 1000 1050 1100 1150 1200 0,1202 01301 0,1412 0,1433 0,1454 0,1465 0,1486 0,1515 0,1561 0,1605 0,1646 0,1697 0,1745 0,1206 0,1250 0,1294 0,1338 0,1382 0,1326 0,1371 0,1519 0,1565 0,1611 0,1657 0,1713 0,1750 0,1300 0,1326 0,1412 0,1432 0,1452 0,1472 0,1497 0,1523 0,1569 0,1615 0,1661 0,1707 0,1755 0,1305 0,1336 0,1367 0,1398 0,1429 0,1460 0,1491 0,1526 0,1572 0,1618 0,1664 0,1710 0,1760 0,1310 0,1341 0,1372 0,1403 0,1434 0,1465 0,1497 0,1531 0,1562 0,1593 0,1627 0,1658 0,1766 4.4.3 Xây dựng phương trình quy hoạch thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan tới cường độ mòn đầu mũi khoan Trên sở số liệu thử nghiệm đo xác định cường độ mòn đầu mũi khoan theo tốc độ quay choòng khoan góc sắc Bảng 4.5, chọn hàm hồi quy thực nghiệm dạng đa thức bậc hai hai biến số, sử dụng phương pháp hồi quy thực nghiệm cực tiểu bình phương nhỏ nhất, xác định công thức hồi quy thực nghiệm biểu diễn quan hệ hàm cường độ mòn ih theo tốc độ quay choòng khoan n góc sắc α sau: (4.3) Các hệ số phương trình hồi quy thực nghiệm kiểm tra tương thích theo tiêu chuẩn Fisher [33] Từ công thức thực nghiệm (4.3) vẽ đồ thị 3D biểu diễn quan hệ cường độ mòn ih vào đồng thời tốc độ choòng khoan n góc sắc α Hình 4.16, đồ thị 2D phản ánh phụ thuộc cường độ mòn ih vào góc sắc số tốc độ 116 choòng khoan khác Hình 4.17 phụ thuộc vào tốc độ choòng khoan số góc sắc khác Hình 4.18 Hình 4.16 Đồ thị quan hệ cường độ mòn ih với góc sắc α tốc độ choòng khoan n Hình 4.17 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với góc sắc số tốc độ choòng khoan khác 117 Hình 4.18 Đồ thị quan hệ cường độ mòn với tốc độ choòng khoan góc sắc khác Nhận xét: Từ công thức thực nghiệm (4.3) cho thấy, hệ số tốc độ choòng khoan n, góc sắc α, đại lượng bậc hai tốc độ choòng khoan nk góc sắc α có trị dương, có nghĩa khoảng tốc độ choòng khoan góc sắc xét, cường độ mòn ih biến thiên đồng biến với tốc độ choòng khoan góc sắc, nhiên mức độ biến thiên theo tốc độ choòng khoan lớn so với theo góc sắc Trong khi, hệ số đại lượng tích α.n có giá trị âm, nghĩa biến thiên cường độ mòn theo tích α.n nghịch biến, tức α.n tăng cường độ mòn giảm ngược lại Như muỗn giảm cường độ mòn cần phải tăng tích α.n Sự ảnh hưởng lực đập góc sắc tới cường độ mòn thể rõ đồ thị 3D Hình 4.16 đồ thị 2D Hình 4.17 4.18 Xét định lượng, với tốc độ choòng khoan định, tăng góc sắc từ (100÷120) độ (Hình 4.17), cường độ mòn tăng nhẹ tốc độ choòng khoan thấp (khoảng 360 vòng/phút), gần không đổi tốc độ choòng khoan trung bình (khoảng 500 vòng/phút) có xu hướng giảm nhẹ tốc độ choòng khoan cao (khoảng 600 vòng/phút) Còn với loại mũi khoan có góc sắc định (Hình 4.18), điều chỉnh tốc độ choòng khoan khoảng (360÷600) vòng/phút, góc sắc thấp tốc độ tăng cường độ mòn cao 118 Như vậy, máy khoan nghiên cứu, để nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan để nâng cao hiệu suất khoan cần điều chỉnh tốc độ choòng khoan khoảng 450÷550 vòng/phút với mũi khoan có góc sắc trung bình, tốt lân cận 110 độ 4.5 Phân tích kết ảnh hưởng thông số công nghệ đến suất khoan Bảng 4.6 Kết tính toán công đập theo thời gian, lực đập, chiều sâu sau lần đập số lần đập phút STT Góc sắc mũi α (độ) Thông số 100 240 105 240 110 420 115 360 120 360 120 480 Độ kiên cố f Thời gian khoan t (s) Tốc độ choòng khoan n 380 400 500 500 500 500 (vg/ph) 1900 1900 1900 1900 1900 1900 Tần số đập T (lần/ph) 10,64 10,63 6,84 8,86 6,2 7,97 Độ sâu lần đập h (µm) 80 85 85 85 80 85 Lực đập PK (kN) Áp suất khí nén p 4,5 4,5 4,8 4,5 (kG/cm2) Cường độ mòn mũi 0,131 0,141 0,152 0,152 0,153 0,166 khoan ih (%) Công đập phút 1617 1727 1105 1515 942 1287 At (J) Để đánh giá suất khoan cần xác định công đập theo thời gian, lực đập, chiều sâu sau lần đập số lần đập phút, từ kết đo theo phụ lục 4, xác định công lần đập theo công thức (2.68) cho kết bảng 4.6 Nhận xét: Từ kết phân tích ta xác định công lần đập, từ xác định suất khoan lựa chọn suất hợp lý phù hợp với điều kiện cụ thể 119 Tóm lại: Trong chương tiến hành thử nghiệm xác định lực đập, tốc độ khoan độ mòn đầu mũi khoan…trên sở vật liệu thực nghiệm, máy khoan đầu mũi khoan thực nghiệm chọn chương Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm xây dựng công thức thực nghiệm phản ảnh ảnh hưởng đồng thời cặp yếu tố: độ kiên cố góc sắc; lực đập góc sắc; tốc độ choòng khoan góc sắc tới cường độ mòn đầu mũi khoan, theo công thức (4.1), (4.2) (4.3) Từ quy luật ảnh hưởng tham số đến độ mòn đầu mũi khoan cho thấy, góc sắc thông số ảnh hưởng lớn đến độ mòn đầu mũi khoan, góc sắc tăng, độ mòn đầu mũi khoan tăng chậm khoảng góc sắc nhỏ 115 độ, sau tăng nhanh (Hình 4.10, 4.11 4.12) Do để nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan, góc sắc lưỡi cắt phù hợp khoảng (105÷115) độ Độ kiên cố đất đá khoan lực đập ảnh hưởng đến độ mòn đầu mũi khoan theo quy luật gần tương tự Khi độ kiên cố lực đập tăng, độ mòn mũi khoan tăng (Hình 4.13, 4.14 4.15) Tuy nhiên loại đất đá có độ kiên cố định, để nâng cao hiệu suất khoan cần phải điểu chỉnh máy khoan đạt lực đập đủ lớn bảo đảm cường độ mòn nhỏ, với loại máy khoan nghiên cứu vùng góc sắc chọn, lực đập điều chỉnh khoảng (83÷86) kN Tốc độ quay choòng khoan ảnh hưởng lớn đến độ mòn đầu mũi khoan Khi tốc độ quay choòng khoan tăng, độ mòn tăng nhanh, tốc độ quay cao, lượng tăng độ mòn lớn Mặt khác, xét mối quan hệ với góc sắc, góc sắc nhỏ, mức độ tăng độ mòn theo độ tăng tốc độ quay choòng lớn (Hình 4.16, 4.17 4.18) Do đó, khoan đá cần trì tốc độ khoan phù hợp cho vừa bảo đảm hiệu suất vần bảo đảm điều kiện tuổi thọ mũi khoan Đối với máy khoan nghiên cứu, tốc độ choòng khoan hợp lý chọn khoảng (450÷550) vòng/phút Các kết nghiên cứu nêu giúp cho nhà kỹ thuật nhanh chóng đưa định lựa chọn thông số công nghệ khoan phù hợp để đảm bảo yêu cầu chất lượng khoan tốt nhất, suất tuổi thọ đầu mũi khoan cao 120 KẾT LUẬN Luận án đưa kết sau: Đã làm rõ chế phá hủy đá vùng Quảng Ninh theo chế phá hủy giòn dẻo, theo mô hình phá hủy Hoek - Brown Từ số liệu tính toán theo phương pháp bình phương nhỏ phần mềm Matlab, xây dựng hàm hồi quy quan hệ ứng suất lưỡi cắt thân mũi khoan theo góc sắc độ kiên cố f, tương ứng hàm theo công thức (2.90); (2.91) (2.92) Đã xây dựng hàm hồi quy thực nghiệm phản ánh ảnh hưởng góc sắc độ kiên cố đất đá tới cường độ mòn đầu mũi khoan; ảnh hưởng góc sắc lực đập tới cường độ mòn đầu mũi khoan; ảnh hưởng góc sắc tốc độ choòng khoan tới cường độ mòn đầu mũi khoan: công thức (4.1); (4.2) (4.3) Đã thiết kế, chế tạo thiết bị thí nghiệm, sử dụng thiết bị đo kỹ thuật số với phần mềm xử lý số liệu sở QHTN để xác định lực đập, hành trình khoan, tốc độ quay choòng khoan tương ứng với độ kiên cố f = 6÷8 đá vùng Quảng Ninh Từ công thức thực nghiệm xây dựng đồ thị dạng 2D, 3D Từ lựa chọn vùng thông số hợp lý góc sắc đầu mũi khoan khoảng (105÷115) độ; lực đập khoảng (83÷86) kN tốc độ choòng khoan khoảng (450÷550) vòng/phút để khoan đất đá có độ kiên cố khoảng (6÷8) tạo lỗ nổ mìn khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh Kết nghiên cứu luận án sử dụng công tác lựa chọn thiết kế, chế tạo, sửa chữa đầu mũi khoan dùng khoan tạo lỗ nổ mìn vùng than Quảng Ninh; làm tài liệu tham khảo phục vụ cho giảng dạy lĩnh vực chuyên ngành 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐƯỢC CÔNG BỐ [1] Lê Quý Chiến, Đinh Văn Chiến, Nguyễn Duy Trinh (2014), “Về phương pháp xác định độ mòn đầu mũi khoan đập - xoay kiểu chữ thập dùng để tạo lỗ nổ mìn xây dựng khai thác mỏ vùng Quảng Ninh”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 1+2 (tháng 2/2014), Tr.40-44 [2] Lê Quý Chiến, Đinh Văn Chiến (2013), “Về phương pháp nghiệm bền số chi tiết cụm chi tiết giá khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh” Tạp chí Khoa học công nghệ Đại học Công nghiệp Hà Nội, Số 18 (tháng 10/2013), Tr.44-45 [3] Đinh Văn Chiến, Lê Quý Chiến (2012), “Nghiên cứu xác định số thông số dụng cụ khoan thi công đường lò dùng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 06 (tháng 6/2012), Tr.28-33 [4] Đinh Văn Chiến, Lê Quý Chiến (2013), Báo cáo Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí lần III (4/2013) “Nghiên cứu tính toán số chi tiết cụm chi tiết giá khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn khai thác than vùng Quảng Ninh”, in sách “Kỷ yếu Hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí, lần thứ III” NXB Khoa học Kỹ thuật - Hà Nội - tháng 4/2013”, Tr.194-200 [5] Đinh Văn Chiến, Lê Quý Chiến (2010), “ Nghiên cứu tính chọn xy lanh hạ cần máy khoan để thi công đường lò Quảng Ninh”, Tạp chí Công nghiệp mỏ, (Số 03/2010), Tr.18-20 [6] Đinh Văn Chiến, Lê Quý Chiến (2010), Báo cáo Hội nghị khoa học toàn quốc lần 3(2010), “Mối quan hệ độ kiên cố đất đá với công suất đầu khoan độ bền dụng cụ khoan thi công đường lò dùng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh”, in sách “Một số vấn đề học đá Việt Nam đương đại, Quyển 1; NXB Xây dựng - Hà Nội - 2010” Tr.299-306 [7] Lê Quý Chiến, Bùi Thanh Nhu, Giang Quốc Khánh (2013), “Nghiên cứu tính toán số thông số đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh ” Tập san Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Số 25 (tháng 12/2013) Tr.9-12, 24 122 [8] Lê Quý Chiến, Bùi Thanh Nhu, Nguyễn Xuân Thành (2013), “Nghiên cứu số phương pháp xác định sức kháng cắt đá dùng để tính toán số thông số đầu mũi khoan đá vùng Quảng Ninh” Tập san Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Số 24 (tháng 9/2013) Tr.3-6, 47 [9] Giang Quốc Khánh, Lê Quý Chiến (2013), "Nghiên cứu động lực học hệ thuỷ lực chuyển động tịnh tiến máy khoan" Tập san Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Số 23 (tháng 6/2013) Tr.43-45 [10] Lê Quý Chiến, Bùi Thanh Nhu, Nguyễn Xuân Thành (2014), Báo cáo Hội nghị khoa học trường ĐHCNQN - lần III (5/2014), “Phương pháp xác định độ bền dụng cụ khoan máy khoan đập-xoay dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn xây dựng mỏ vùng Quảng Ninh”, in sách “Kỷ yếu Hội nghị khoa học trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, lần III-2014”, Tr.72-77 [11] Lê Quý Chiến & NNK (2011), “Ứng dụng Inventor - Ansys nghiên cứu lựa chọn, tính toán số thông số thiết bị khoan thi công đường lò dùng khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh”, Đề tài NCKH cấp trường năm 2010 - 2011, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Báo cáo nghiệm thu tháng 09/2011, đạt loại Xuất sắc [12] Lê Quý Chiến & NNK (2013), “Nghiên cứu cứu thiết kế lắp đặt mô hình thí nghiệm hệ truyền động thủy lực thể tích có chuyển động tịnh tiến ứng dụng máy khoan để sử dụng vào việc giảng dạy học phần Truyền động thủy lực Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh” Đề tài NCKH cấp trường năm 2012 - 2013, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Báo cáo nghiệm thu tháng 06/2013, đạt loại Xuất sắc TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Đình Ấu, Nhữ Văn Bách (1998), Phá vỡ đất đá phương pháp khoan nổ mìn, Nhà xuất Giáo dục 123 [2] Nhữ Văn Bách, Lê Ngọc Ninh, Hoàng Tuấn Chung (2010), Khoan nổ mìn khai [3] [4] thác mỏ, Nhà xuất Giao thông - Vận tải Trần Bá Bảo (1997), Sổ tay thiết kế khí, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Lê Quý Chiến (2010), Luận văn thạc sỹ kỹ thuật ”Nghiên cứu tính toán số thông số thiết bị khoan thi công đường lò dùng khai thác than [5] hầm lò vùng Quảng Ninh” Trường Đại học mỏ - Địa chất Đinh Văn Chiến (2011), Máy tổ hợp thiết bị dùng công nghệ khai thác [6] mỏ lộ thiên xuống sâu, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Đinh Văn Chiến (2012), Máy tổ hợp thiết bị dùng công nghệ khai thác [7] mỏ hầm lò dốc thoải, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội Đinh Văn Chiến (2008), Ma sát, mòn, bôi trơn máy thiết bị mỏ, dầu khí, Nhà [8] xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Hoàng Tuấn Chung, Nguyễn Văn Đức (2010), Khoan nổ mìn, Nhà xuất [9] Khoa học và Công nghệ-Viện KH&CN Việt Nam Trần Văn Địch (2002), Công nghệ chế tạo máy, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [10] Trần Văn Đich, Ngô Trí Phúc (2006), Sổ tay thép giới, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [11] Hồ Sĩ Giao, Đàm Trọng Thắng, Lê Văn Quyển, Hoàng Tuấn Chung (2010), Nổ hóa học lý thuyết & thực tiễn, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [12] Nghiêm Hữu Hạnh (2001), Cơ học đá, NXB Giáo dục, Hà Nội [13] Phạm Đại Hải, Trần Văn Yết, Đỗ Kiên Cường (2004), Xác định hệ số kiên cố đá mỏ theo phương pháp Baron phục vụ công tác khoan nổ mìn mỏ than Việt Nam, Tuyển tập các công trình khoa học công nghệ, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ - Vinacomin [14] Võ Trọng Hùng, Phùng Mạnh Đắc (2005), Cơ học đá - ứng dụng xây dựng công trình ngầm khai thác mỏ, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [15] Lê Như Hùng (2007), Công nghệ cao khai thác mỏ hầm lò, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [16] Nguyễn Văn Kháng (2008), Phương pháp qui hoạch thực nghiệm, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [17] Đoàn Văn Ký (2008), Máy khai thác đại, Nhà xuất Giao thông - Vận tải 124 [18] Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vương (2009), Sức bền vật liệu, Nhà xuất Giáo dục, Hà Nội [19] Vũ Nam Ngạn (2007), Truyền động thuỷ lực khí nén, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [20] Nguyễn Sỹ Ngọc (1981), Cơ học đá, ĐH Giao thông Sắt - Bộ, Hà Nội [21] Phạm Ngọc Nguyên (2004), Kỹ thuật phân tích vật lý, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội [22] Nguyễn Quang Phích (2005), Cơ học đá, NXB Xây dựng, Hà Nội [23] Nguyễn Quang Phích (2000), Lý thuyết học khối đá nguyên khối nứt nẻ, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [24] Nguyễn Đức Quỳnh (2010), Máy khai thác mỏ, Nhà xuất Khoa học và Công nghệ-Viện KH&CN Việt Nam [25] Vũ Thế Sự (2009), Máy thiết bị xây dựng ngầm, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [26] Nguyễn Đức Sướng (2011), Hệ thống thủy khí Máy Thiết bị mỏ-dầu khí đại, Nhà xuất Giao thông - Vận tải [27] Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi (2003), Hướng dẫn sử dụng Ansys, HVKTQS [28] Nguyễn Anh Tuấn (2008), Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ giới hoá khai thác vỉa dày, dốc 45° mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh”, Viện Khoa học Công nghệ Mỏ [29] Trần Xuân Tùy (2002) Hệ thống điều khiển tự động thủy lực, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [30] Đào Văn Tân (2008), Hướng dẫn sử dụng phần mềm Matlab kỹ thuật, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội [31] Nguyễn Văn Vớ (2007), Cơ lý đá, Nhà xuất Khoa học và Công nghệ-Viện KH&CN Việt Nam [32] Nguyễn Doãn Ý (2005), Ma sát, mòn, bôi trơn (Tribology), NXB Xây dựng, Hà Nội [33] Nguyễn Doãn Ý (2006), Quy hoạch xử lý số liệu thực nghiệm, NXB Xây dựng, Hà Nội [34] Công ty cổ phần tư vấn đầu tư mỏ công nghiệp (2006), Quy hoạch phát triển Ngành than giai đoạn 2006 - 2015, Hà Nội [35] Công ty xây dựng mỏ hầm lò -Vinacomin (2010), Báo cáo tổng kết 125 [36] Tập đoàn Công nghiệp than khoáng sản Việt Nam- Vinacomin (2013), Báo cáo tổng kết [37] Tập đoàn Công nghiệp than khoáng sản Việt Nam- Vinacomin (2002), Báo cáo nghiên cứu khả thi khu Tràng Khê [38] Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Cơ khí - Hóa chất 13-Bộ Quốc phòng (2012), Báo cáo tổng kết [39] Viện kỹ thuật công binh, Báo cáo tổng kết đề tài “Nghiên cứu thiết kế thiết bị khoan thi công đường hầm quân khẩu độ vừa nhỏ” - mã số ĐTĐL 05G/03 [40] B N Arzamaxov (2004), Vật liệu học, NXB Giáo dục, Dịch giả: Nguyễn Khắc Xương, Chu Thiên Trường [41] I Koxtetxki (1977), Ma sát, bôi trơn hao mòn máy móc, NXB KH&KT - Hà Nội [42] M.M Palel Tài liệu tiếng Nga, dịch: Bùi Song Cầu, Trần Thế Lực, Trần Sĩ Túy (1981), Công nghệ chế tạo dụng cụ cắt, NXB KH&KT - Hà Nội [43] V V Rjevxki, G Y Novik (1996), Cơ sở vật lý đá, Nxb Khoa học kỹ thuật, Hà Nội Tiếng Anh [44] Bilgin, N., Demircin, M.A., Copur, H., Balci, C., Tuncdemir, H and Akcin, N.A (2006) Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results, Int J Rock Mech & Mining Sci., 43: 139-156 [45] Chang, S.H., Soon, W.C., Gyu, J.B and Seokwon, J (2006) Performance prediction of TBM disc cutting on granitic rock by the linear cutting test, Tunneling anc Uncergrounc Space Technology, 21 (3-4) :271-277 [46] Chang-Soo Kim, “Microstrutural-Mechanical Property Relationships in WC-Co composite,” USA, 2008 [47] Dobzánki L.A (2010), “Hardness to toughness relationship on WC-Co tool gradient materials evaluated by palmqvist method”, Poland [48] E.K.Keskinen, T.Karvinen, J.Montonen, M.Heinonen (2011), “Dynamics of Stress Wave Propagation during Percussive Drilling Process”, 13th World 126 Congress in Mechanism and Machine Science, Guanajuato, México, pp A24_495 [49] Evans, T (1962) A theory of the basic mechanics of coal ploughing, Tn Proceecings International Symposium on Mining Research, 2: 761-798, Pergamon Press, London [50] G.Han, M.Bruno, K.Lao (2005), “Percussion Drilling in Oil Industry: Review and Rock Failure Modelling” AADE-05-NTCE-59, Terralog Technologies USA, Inc [51] G Han, M.Bruno, C.Honeger (2005), “Advanced Simulation Technology for Combined Percussion and Rotary Drilling and Cuttings Transport”, GasTIPS – Winter, Terralog Technologies USA, Inc [52] Goktan, R.M (1997) A suggested improvement on Evans’ cutting theory for conical bits, Tn Proc 4th Int Symposium on Mine Mechanization Automation, 1: A4-57/61, Brisbane, Australia [53] H.Watanabe (2012), Drilling Machines, Vol.II, Ex-Advisor, Furukawa Co Ltd., Tokyo, Japan [54] Lei, S.T and Kaitkay, P (2003) Distinct element modeling of rock cutting under hydrostatic pressure, Key Engineering Materials, 250: 110-117 [55] Hoek E, Brown ET (1980), “Underground excavations in rock”, The Institution of Mining and Metallurgy, London [56] Erik Eberhardt (2012), “The Hoek-Brown Failure Criterion”, Rock Mech Rock Eng., 45: pp.981-988 [57] Merchant, M.E (1945) Basic mechanics of the metal cutting process J.Appl Mech., 66 : 168-175 [58] Nishimatsu, Y (1972) The mechanics of rock cutting, Int.J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr., 9: 261-270 [59] Roxborough, F.F and Philips, H.R (1975) Rock excavation by disc cutter, Int J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr., 12: 361-366 [60] Sarat Kumar Das, P K Basudhar (2009), “Comparison of intact rock failure criteria using various statistical methods”, Acta Geotechnica, Sep 2009, Vol.4 (3) pp 223-231 [61] Stavropoulou, M (2006) Modeling of small-diameter rotary drilling tests on 127 marbles, Int J of Rock Mech & Mining Sciences, 43 (7): 1034-1051 [62] Sazidy, M S., Rideout, D G., Butt, S D., Arvani, F (2010), “Modeling Percussive Drilling Performance using Simulated Visco-Elasto-Plastic Rock Medium”, ARMA 10-434, American Rock Mechanics Association [63] S.Zhang, L.Norum, R.Nilssen, Robert D Lorenz (2012), “Percussive Drilling Application of a Tubular Reciprocating Translational Motion Permanent Magnet Synchronous Motor”, Journal of International Conference on Electrical Machines and Systems vol 1, no 4, pp 419-424 Tiếng Nga [64] M C Caфoxин; Б A KaTaнoв, Maшинист бypoвoгo Cтaнкa Ha Kap Бepe M 1976 [65] Кутузов Б.Н., Теория, техника и технология буровых работ, Москва: Недра, 1972 [66] Кутузов Б.Н., Пpoeктиpoвaниe взpывных paбот, Москва: Недра, 1974 [67] Кутузов Б.Н., Скоробогатов В.М., Ерофеев И.Е и др, Справочник взрывника, Москва: Недра, 1988 [68] Кутузов Б.Н., Методы ведения взpывных paбот, Частъ І и ІІ Изд, “Горная книга”, Москва, 2008 [69] Шевцов Н.Р., Таранов П.Я., Левит В.В., Разрушение горных пород взрывом, Донецк, 2003