Giải mã công nghệ khoan đá cứng: Công nghệ DTH mang tính đột phá.
Theo điều kiện địa chất của khu vực thi công, có bốn phương pháp khoan chính thường được giàn khoan sử dụng, như thể hiện trong Hình 1.
a. Đầu quay được điều khiển bằng khí nén hoặc thủy lực kết hợp với thiết bị tác động truyền năng lượng quay và tác động qua đỉnh củaống khoan, cung cấp năng lượng cho mũi khoan thông qua sóng xung kích trong ống khoan. Phương pháp này chỉ giới hạn ở đường kính nhỏ và độ sâu nông và thường được sử dụng trong các mỏ đá, công trường xây dựng và hoạt động khai thác ngầm.
b.Búa Down-The-Hole (DTH) nằm ở dưới cùng của chuỗi khoan. Khí nén đi vào DTH qua chuỗi khoan, dẫn động piston theo chuyển động qua lại tác động trực tiếp vào mũi khoan, truyền năng lượng tác động vào đá. Hệ thống này có tổn thất công suất tối thiểu và đặc biệt phù hợp với các lỗ sâu, lỗ thẳng và đá có độ cứng trung bình.
c.Khoan tuần hoàn ngược (RC)sử dụng DTH để thu thập và vận chuyển các mẫu đá từ mặt mũi khoan. Các mẫu cắt khô và không bị ô nhiễm được chuyển qua ống trung tâm của DTH vào thiết bị thu thập mẫu, chuẩn bị cho phân tích địa chất.
d. Một hộp số được dẫn động bởi động cơ thủy lực hoặc điện tạo thành một đầu nguồn quay, tạo lực cấp đủ cho mũi khoan ba hình nón thông qua hệ thống cấp chuyển động lên xuống trên giàn khoan và ống khoan có thành dày. Phương pháp này được sử dụng cho đá mềm hoặc đá cứng có mối nối chắc.
- Nguyên lý và đặc điểm của DTH
Các thành tạo được khoan bằng DTH hầu như có thể bao gồm tất cả các loại đá mácma, đá biến chất và đá trầm tích có độ cứng trung bình hoặc cứng hơn. DTH đặc biệt có lợi cho việc khoan đá cứng và các tầng đá cứng vì đá cứng có xu hướng giòn. Dưới tải trọng va chạm, các vết nứt không chỉ xảy ra tại vị trí va chạm trực tiếp mà còn tạo ra một vùng bị vỡ, dẫn đến các mảnh đá lớn hơn. Do đó, tốc độ khoan nhanh hơn đáng kể so với khoan quay thuần túy. Mô hình cơ học trong Hình 2 minh họa các tải trọng khác nhau tác động lên đá trong quá trình khoan quay va chạm.
Ngoài ra, khoan DTH (Down-the-Hole) có hiệu quả cao trong các thành tạo dễ bị lệch lỗ khoan, chẳng hạn như các tầng có lớp lót và lớp phủ phát triển tốt, hoặc các lớp đá có độ cứng không đồng đều và nhiều vết nứt. Nó có thể làm giảm đáng kể độ lệch lỗ khoan và cũng khắc phục được những khó khăn khi khoan qua các lớp sỏi và lớp đá cuội.
Khoan DTH được phát triển vào cuối thế kỷ 19 và có lịch sử hơn một thế kỷ. Mặc dù có nhiều loại máy khoan DTH, nhưng chúng có chung một đặc điểm: cả cơ chế tác động và mũi khoan đều được nhúng vào lỗ khoan, với sự quay kết hợp với tác động để phá vỡ đá. Thiết bị được sử dụng để tạo ra lực tác động có thể được phân loại theo phương pháp truyền động thành loại khí nén, thủy lực, áp suất dầu, điện và cơ học.
Vì năng lượng va chạm bị mất đáng kể trong quá trình truyền và có thể gây hư hỏng đáng kể cho các thành phần bị va chạm, nên trong các hoạt động khoan sâu hơn, thiết bị thường được yêu cầu đi vào lỗ khoan cùng với dụng cụ khoan để lực va chạm đầu ra có thể tác động trực tiếp lên mũi khoan hoặc nòng lõi. Điều này giúp giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình truyền, cải thiện hiệu quả năng lượng và giảm khả năng hỏng hóc thiết bị dưới giếng.
DTH khí nén, còn được gọi là DTH chạy bằng khí nén, có nhiều loại cấu trúc và phương pháp phân loại.
- Theo áp suất định mức: loại áp suất cao, áp suất trung bình và áp suất thấp.
- Theo cấu trúc tổng thể: loại không xuyên suốt và loại xuyên suốt.
- Theo nguyên lý hoạt động của van: loại van điều khiển, loại van tự do và loại van lai.
- Theo cấu tạo piston: loại piston có đường kính bằng nhau, loại piston có đường kính không bằng nhau và loại piston song song.
- Theo loại phân phối khí: DTH có van và DTH không van. DTH có van có thể được chia thành các loại van tấm, van đĩa và van hình trụ, trong khi DTH không van có thể được chia thành loại xả thanh trung tâm, loại phân phối khí piston và phân phối khí kết hợp theo piston, xi lanh và thanh trung tâm.
- Theo phương pháp rửa lỗ và xả xỉ: rửa lỗ trung tâm, rửa lỗ trước, rửa lỗ bên.
2. Xác định sơ đồ kết cấu cơ chế tác động
2.1 Cơ cấu tác động không van cung cấp khí tự động piston
Kiểu cơ cấu tác động này chủ yếu sử dụng các đường dẫn khí trong chính piston để cung cấp khí, tạo ra cấu trúc piston phức tạp với nhiều kênh dẫn khí, làm giảm độ bền và tuổi thọ của piston. Tuy nhiên, cơ cấu tác động này tích hợp các xi lanh bên trong và bên ngoài, tăng diện tích làm việc hiệu quả của piston và tăng cường năng lượng tác động của cơ cấu.
2.2 Cơ cấu tác động không van cung cấp khí kết hợp giữa piston và xi lanh
Loại này có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, tuổi thọ piston dài hơn, lỗ khí nằm trên cả xi lanh và piston. Cấu trúc này được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài.
2.3 Đường ống trung tâm cung cấp khí Cơ chế tác động không van
Trong cơ chế này, các đường dẫn khí vào buồng trên và buồng dưới được bố trí trên ống tròn nơi piston trượt. Nó đòi hỏi độ chính xác sản xuất cao và có tuổi thọ tương đối ngắn đối với ống trung tâm.
2.4 Cơ cấu tác động xả bên
Cái gọi là xả bên có nghĩa là đường dẫn khí thải thoát ra khỏi thân xi lanh thay vì đi qua tâm mũi khoan đến đáy lỗ. Kiểu cơ chế tác động này thường có nhiều đường dẫn khí vào và khí ra trên thân xi lanh, dẫn đến độ bền kết cấu kém, khả năng nứt mỏi theo chiều dọc và mất áp suất không khí đáng kể, dẫn đến việc loại bỏ mảnh vụn và hiệu ứng làm mát không tối ưu cho mũi khoan.
2.5 Cơ cấu tác động xả trung tâm
Kiểu cơ cấu tác động này đẩy mảnh vụn và khí trực tiếp từ tâm mũi khoan xuống đáy lỗ. Luồng khí trực tiếp không chỉ tăng cường hiệu quả loại bỏ mảnh vụn mà còn cải thiện hiệu quả khoan và làm mát, kéo dài tuổi thọ của mũi khoan. Kiểu cấu trúc này thay thế nhiều rãnh dọc trong xi lanh bên trong của cơ cấu tác động xả bên bằng rãnh hình khuyên, giúp giảm đáng kể sự tập trung ứng suất trong xi lanh bên trong. Nó đã trở thành một cấu trúc được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây.
Cơ cấu tác động piston loại 2.6
Cơ cấu tác động piston loạt, còn được gọi là bộ tác động piston kép (đầu), chia xi lanh thành hai khoang bằng cách sử dụng vòng cách ly. Thiết kế này cho phép cả hai mặt piston hoạt động đồng thời trong cùng một đường kính lỗ, tạo ra lực tác động lớn hơn và tần suất tác động cao hơn. Tương ứng, có một hệ thống xả kép giúp loại bỏ hiệu quả bột đá từ đáy lỗ. Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là cấu trúc phức tạp và nhu cầu về độ chính xác cao trong gia công các bộ phận; ví dụ, piston có tới năm bề mặt ghép nối với các thành phần liên quan, điều này hạn chế ứng dụng và quảng bá của nó. Do đó, thiết kế này áp dụng tùy chọn thứ hai, đó là cơ cấu tác động không van với nguồn cung cấp khí kết hợp piston và xi lanh. Cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 3.
3. Phân tích lý thuyết và tính toán liên quan cho DTH
3.1 Lựa chọn các thông số vận hành**
3.1.1 Chiều dài và trọng lượng của búa: Thiết kế sơ bộ chỉ định chiều dài nhỏ hơn 4500 mm và trọng lượng nhỏ hơn 2500 kg.
3.1.2 Đường kính búa: Đường kính búa thích hợp được xác định dựa trên đường kính khoan, đặt ở mức 540 mm.
3.1.3 Đường kính khoan: Là đường kính của lỗ cọc, thường nằm trong khoảng từ 550 mm đến 600 mm.
3.1.4 Độ sâu khoan: Theo yêu cầu thiết kế cọc, độ sâu này thường nằm trong khoảng từ vài chục mét đến một trăm mét.
3.1.5 Tốc độ khoan: Khoan DTH thường hoạt động ở tốc độ quay thấp, thường từ 7 đến 25 vòng/giây.
3.1.6 Mô-men xoắn quay: Mô-men xoắn cực đại cho thiết kế này được đặt ở mức 150 kN·m.
3.2 Tính toán các thông số thiết kế
Các thông số thiết kế cho DTH, cụ thể là các thông số hiệu suất của thiết bị tác động DTH, đóng vai trò là cơ sở cho việc thiết kế máy và xác định hiệu suất của thiết bị được sản xuất.
3.2.1 Áp suất thiết kế P cho thiết bị va đập
Ở Trung Quốc, áp suất 0,49 MPa (khoảng 5 × 10^5 Pa) được lựa chọn rộng rãi làm tiêu chuẩn thiết kế cho thiết bị tác động khí nén. Với DTH cho thiết kế này là thiết bị tác động không có van với đường kính khoan lớn và piston nặng, áp suất khí cao hơn sẽ nâng cao hiệu suất hơn nữa. Ngoài ra, máy nén khí áp suất cao ngày càng phổ biến và theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 5941-1979, áp suất thiết kế 1,6 MPa được lựa chọn.
3.2.2 Sức mạnh tác động
Đối với DTH dùng để khoan lỗ có đường kính lớn, năng lượng tác động thiết kế có thể dao động đáng kể. Năng lượng tác động cho thiết kế này được tính như sau:
3.2.3 Tần suất tác động
Nhìn chung, dưới năng lượng va chạm không đổi, tần suất va chạm tỷ lệ thuận với công suất đầu ra của máy va chạm. Tuy nhiên, khi đường kính xi lanh cố định, việc tăng tần suất va chạm đòi hỏi phải giảm hành trình piston, do đó làm giảm công suất va chạm đơn. Khi công suất va chạm đơn giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, việc tăng tần suất sẽ không mang lại kết quả phá đá thỏa đáng. Do đó, việc lựa chọn tần suất va chạm bị hạn chế bởi công suất va chạm.
Đối với DTH khí nén hoạt động ở áp suất thiết kế 0,5 MPa, tần số không được vượt quá 16,8 Hz. Vì DTH hoạt động ở áp suất thiết kế từ 0,5 đến 2,5 MPa, tần số va chạm có thể thay đổi đáng kể. Lựa chọn ban đầu về tần số của máy va chạm có thể được tính như sau:
f = 10,4 + 7,6P
(2) trong đó P là áp suất cung cấp hệ thống. Đối với thiết kế này, P = 1,6 MPa, do đó:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Thiết kế tham số kết cấu
Các thông số cấu trúc chính của DTH bao gồm đường kính lỗ xy lanh, hành trình piston và kích thước piston. Tăng đường kính xy lanh có thể tăng cường cả lực va đập và tần số, do đó đường kính phải được tối đa hóa trong giới hạn kích thước cấu trúc. Thông thường, chênh lệch giữa đường kính ngoài của DTH và đường kính lỗ không được nhỏ hơn 15 đến 20 mm và vỏ ngoài của DTH không được quá mỏng. Do đó, tỷ lệ đường kính xy lanh DTH so với đường kính khoan thường là trên 0,5.
3.3.1 Đường kính làm việc của xi lanh và hành trình kết cấu
Đường kính làm việc D của xi lanh có thể được tính như sau:
D = K × D(đường kính lỗ khoan) = (0,57 - 0,68) × D(đường kính lỗ khoan) (3)
Đối với thiết kế này, D(đường kính lỗ khoan) = 600 mm, do đó D được lấy là 360 mm. Hành trình kết cấu S được lấy theo kinh nghiệm là S = 500 mm.
3.3.2 Khối lượng piston
Kích thước xuyên tâm của piston bị giới hạn bởi kích thước và cấu trúc của xi lanh, cho phép piston có đường kính bằng nhau hoặc khác nhau. Kích thước tuyến tính phụ thuộc vào trọng lượng của piston, cũng liên quan đến vận tốc mà piston có khi va chạm với mũi khoan. Do đó, việc xác định kích thước cấu trúc của piston là một khía cạnh phức tạp của thiết kế DTH. Khối lượng của piston DTH có thể được ước tính như sau:
m = 0,0205D^2,84 (4)
trong đó m là khối lượng piston tính bằng kg; D là đường kính làm việc của xi lanh tính bằng cm.
Thay D = 36 ta được: m = 540 kg.
DTH chủ yếu bao gồm một cấu trúc truyền mô men xoắn và một cơ cấu tác động khí nén. Cấu trúc truyền mô men xoắn kết nối thanh khoan và DTH, truyền lực cắt và lực kéo quay; cơ cấu tác động khí nén tạo ra tác động, cung cấp lực dọc trục cho mũi khoan tác động. Chi tiết cấu trúc cụ thể được thể hiện trong Hình 3.
Cấu trúc truyền mô men xoắn kết nối thanh khoan và bộ phận va đập. Khớp nối trên kết nối với thanh khoan và bộ phận va đập thông qua các ren ống, chủ yếu để đảm bảo độ kín khí đồng thời cũng truyền mô men xoắn và lực kéo. Van kiểm tra ngăn bùn và nước xâm nhập vào bộ phận va đập và thanh khoan, được điều khiển bởi lò xo. Ghế nạp khí có thanh cung cấp khí có chức năng đưa khí nén vào xi lanh, tạo điều kiện cho hoạt động cung cấp khí cùng với xi lanh và piston, do đó đạt được nguồn cung cấp khí kết hợp. Vòng an toàn lò xo ngăn piston trượt ra khỏi xi lanh khi thay mũi khoan.
3.4 Phân tích phần tử hữu hạn của mũi khoan DTH
Mũi khoan DTH chịu tác động của lực tác động từ piston và mô men xoắn từ đầu truyền động. Lực tác động lên piston do khí nén được biểu thị bằng:
F = P × S (5)
trong đó P là áp suất của hệ thống tính bằng Pa; S là diện tích lực của piston tính bằng m².
Do đó, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Do đó, lực tác động lên mũi khoan là:
F' = kF (6)
trong đó k là hệ số tác động; F là lực tác dụng lên mũi khoan bởi khí nén tính bằng N. Do đó, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Mô men xoắn tác dụng lên mũi khoan DTH bởi đầu truyền động là N = 150 kN. Áp dụng F' = 2688 kN và N = 150 kN vào mũi khoan trong khi cố định mặt đầu dưới của mũi khoan và sử dụng vật liệu QT500-7 có giới hạn chảy là 320 MPa, tiến hành phân tích phần tử hữu hạn. Các điều kiện tải và ràng buộc cụ thể và phân chia lưới được thể hiện trong Hình 4 và Hình 5.
Kết quả phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện ở Hình 6, cho thấy ứng suất lớn nhất là 144,355 MPa, nhỏ hơn giới hạn chảy của QT500-7 (320 MPa), do đó đạt yêu cầu.