Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất Việt Nam

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:112

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án là lựa chọn chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập, theo tiêu chí chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng thiết bị trong công tác khoan, khi thi công các công trình trong môi trường đá cứng ở Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất Việt Nam

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i MỤC LỤC ......................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................. vi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................. viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................... ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................ 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐÁ Ở VIỆT NAM ........................ 5 1.1.1. Khái quát về môi trường đá ở Việt Nam......................................... 5 1.1.2. Một số tính chất cơ lý của đá .......................................................... 6 1.1.3. Mô hình động lực học của đá ........................................................ 13 1.2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP .................. 15 1.3. NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP ............................................................................................................. 19 1.4. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG KỸ THUẬT . 24 1.4.1. Một số dạng bài toán tối ưu cơ bản ............................................... 24 1.4.2. Một số phương pháp giải bài toán tối ưu và xác định chế độ làm việc hợp lý ....................................................................................................... 28 1.4.3. Phương pháp thử nghiệm độc lập lần lượt giá trị các tham số ..... 29 Kết luận chương 1 ....................................................................................... 30 Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC .............................................................................. 31
iii 2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC .............................. 31 2.1.1. Sự phá vỡ của đá khi chịu tải trọng va đập ................................... 31 2.1.2. Các phương pháp khoan đá cơ học ............................................... 33 2.1.3. Phương pháp khoan xoay đập ....................................................... 36 2.1.4. Mô hình tương tác mũi khoan với đá ............................................ 39 2.1.5. Các đặc trưng của máy khoan khảo sát ......................................... 41 2.2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC .................................................................................... 44 2.2.1. Các giả thiết xây dựng mô hình .................................................... 44 2.2.2. Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ................................................................................................................. 45 2.2.3. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động ........................... 47 2.3. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA BÀI TOÁN LÝ THUYẾT ..................................................................................................... 52 2.3.1. Xác định các thông số kết cấu của mô hình .................................. 53 2.3.2. Xác định các thông số về động lực học ........................................ 55 2.3.3. Xác định các thông số của đá ........................................................ 57 2.3.4. Giải hệ phương trình động lực học ............................................... 58 Kết luận chương 2 ....................................................................................... 61 Chương 3: KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP ..................................................................................... 62
iv 3.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ KHOAN ..................................................................................................................... 62 3.1.1. Ảnh hưởng của tần số đập đến quá trình phá hủy đá .................... 62 3.1.2. Ảnh hưởng của lực đập đến quá trình phá hủy đá ........................ 65 3.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ quay choòng khoan đến quá trình phá hủy đá ................................................................................................................. 66 3.2. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP ......................................................................................... 68 3.2.1. Xây dựng bài toán xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập.............................................................................................. 68 3.2.2. Xác định chế độ làm việc của thiết bị khoan xoay đập................. 72 Kết luận chương 3 ....................................................................................... 75 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ................................................ 76 4.1. MỤC TIÊU, CÁC THÔNG SỐ LÀM THỰC NGHIỆM VÀ TRANG THIẾT BỊ LÀM THỰC NGHIỆM ............................................................. 76 4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm ................................................ 76 4.1.2. Các thông số làm thực nghiệm ...................................................... 76 4.1.3. Trang thiết bị làm thực nghiệm ..................................................... 77 4.1.4. Sơ đồ bố trí các đầu đo và các kênh đo ......................................... 83 4.1.5. Phần mềm xử lý số liệu và phương pháp đánh giá sai số thực nghiệm ................................................................................................................. 85 4.2. TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM ............................................................... 87 4.2.1. Chuẩn bị làm thực nghiệm ............................................................ 87 4.2.2. Tiến hành thực nghiệm.................................................................. 89
v 4.2.3. Kết quả thực nghiệm ..................................................................... 90 4.2.4. So sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm ................................... 92 Kết luận chương 4 ....................................................................................... 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................... 94 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................. 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 97
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị E Mô đun biến dạng - I Biên độ xung lực kN T Chu kỳ tác động - t Thời gian tác động s Fth Ngưỡng phá hủy của đá kN Fđ Lực đập của Pít tông kN mp Khối lượng của Pít tông đập kg m1 Khối lượng của chuôi búa khoan kg m2 Khối lượng của choòng khoan kg m3 Khối lượng của mũi khoan kg x1 Tọa độ trọng tâm của chuôi búa khoan cm x2 Tọa độ trọng tâm của choòng khoan cm x3 Toạ độ trọng tâm của mũi khoan cm x4 Toạ độ trọng tâm khối lượng đá bị phá hủy cm c1 Hệ số cản nhớt của pít tông giảm chấn - c2; c3 Hệ số cản nhớt của mối ghép ren - c4 Hệ số cản nhớt của đá - c2x; c3x Hệ số cản nhớt do biến dạng xoắn k1 Hệ số độ cứng của pít tông giảm chấn - k2; k3 Hệ số độ cứng của mối ghép ren - k4 Hệ số độ cứng của đá - k2x; k3x Hệ số độ cứng chống xoắn Fkñ Lực cản do độ cứng của đá gây ra kN Fdt Lực dẫn tiến choòng khoan kN Mx Mô men xoay choòng khoan N.m Mc Mô mem cản tại đầu mũi khoan N.m J1 Mô men quán tính chuôi búa khoan kg.m2
vii J2 Mô men quán tính choòng khoan kg.m2 J3 Mô men quán tính mũi khoan kg.m2 1 Góc quay chuôi quá khoan rad 2 Góc quay choòng khoan rad 3 Góc quay mũi khoa rad G Mô đun đàn hồi loại hai Ip Mô men quán tính độc cực của tiết diện mp Khối lượng pít tông kg pm Áp suất của chất lỏng làm việc bên trong xilanh Pa Sp Diện tích bề mặt của pít tông cm2 lp Hành trình của pít tông cm µ1 Hệ số ma sát giữa bề mặt mũi khoan với đá - d Đường kính bi gắn đầu mũi khoan mm h Chiều sâu bi ngập vào đá mm σc Ứng suất cắt của đá - z Số lượng bi tại đầu mũi khoan - Mtd Mô men ma sát giữa thành mũi khoan với thành đá N.m Mđđ Mô men ma sát giữa đá với đá N.m n Ứng suất nén của đá N/cm2 Stx Diện tích tiếp xúc của mũi khoan với đá cm2 N Năng suất của máy khoan cm3/s S Diện tích đáy lỗ khoan cm2 D Đường kính mũi khoan cm vk Vận tốc khoan cm/s z0 Tần số va đập yêu cầu lần /vòng  Góc vỡ lở của đá từ gương khoan độ  Góc sắc của mũi khoan độ
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1: Tính chất biến dạng của đá [11] ..................................................... 11 Bảng 1.2: Bảng độ bền của đá ở Việt Nam [11] ............................................. 12 Bảng 2.1: Các thông số kết cấu ....................................................................... 54 Bảng 2.2: Các thông số động lực học ............................................................. 57 Bảng 2.3: Các thông số của đá cho mô hình ................................................... 58 Bảng 3.1: Các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập ....... 74 Bảng 4.1: Các thông số làm việc của Máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED. ................................................................................................. 77 Bảng 4.2: Các thông số cơ bản của đầu đo OCM-511.................................... 78 Bảng 4.3: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD25 ................................. 79 Bảng 4.4: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD50 ................................. 79 Bảng 4.5: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD100 ............................... 80 Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật camera ghi hình tốc độ cao ............................... 81 Bảng 4.7: Tần số đập của mũi khoan (Hz)...................................................... 90 Bảng 4.8: Vận tốc khoan: cm/s ....................................................................... 90 Bảng 4.9: Áp suất đập của búa khoan (bar) .................................................... 90 Bảng 4.10: Áp suất quay choòng khoan (bar)................................................. 91 Bảng 4.11: Vận tốc quay choòng khoan ......................................................... 91 Bảng 4.12: Áp suất dầu thuỷ lực làm tịnh tiến búa khoan .............................. 91 Bảng 4.13: Bảng so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ................... 92
ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1: Biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá ............................... 7 Hình 1.2: Sơ đồ mối quan hệ phi tuyến "n-" ............................................... 10 Hình 1.3: Đặc tính lưu biến của đá (theo Baklasov I. V. và Kartozia B. A). . 13 Hình 1.4: Mô hình đàn hồi – nhớt – dẻo của đá.............................................. 14 Hình 1.5: Máy khoan đá tự hành dẫn động thủy lực JUNJIN ........................ 16 Hình 1.6: Máy khoan đá FURUKAWA HCR1500-EDII................................ 16 Hình 1.7: Máy khoan đá tự hành Boomer 352 ................................................ 16 Hình 1.8: Máy khoan đá tự hành TamRock Axera D06 ................................. 17 Hình 1.9: Máy khoan đá FURUKAWA JTH2A-210-1C ............................... 17 Hình 1.10: Máy khoan KLM.1........................................................................ 18 Hình 1.11: Mô phỏng tương tác mũi khoan với đá của Bruno ....................... 19 Hình 1.12: Mô hình động lực học của đá. ....................................................... 20 Hình 1.13: Mô hình nghiên cứu tần số đập của Ekaterina và các cộng sự ..... 21 Hình 1.14: Quan hệ giữa mô đun tỷ lệ và tốc độ khoan. ................................ 22 Hình 1.15: Mô hình vật lý truyền năng lượng rung động tần số đập. ............. 23 Hình 1.16: Kết hợp bề mặt chảy dẻo và nguyên lý tương tác mũi khoan với đá ......................................................................................................................... 24 Hình 1.17: Đồ thị xác định sai số theo quan điểm thiết kế và toán học ......... 28 Hình 2.1: Đường cong đặc trưng ứng suất – biến dạng của đá....................... 33 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của các phương pháp khoan cơ học ..................... 34 Hình 2.3: Phương pháp khoan đập đỉnh và khoan đập đáy ............................ 37 Hình 2.4: Cơ chế phá hủy đá trong khoan xoay đập. ...................................... 39 Hình 2.5: Mô hình tương tác mũi khoan với đá. ............................................. 39 Hình 2.6: Máy khoan đá xoay đập .................................................................. 41 Hình 2.7: Mô hình kết cấu thiết bị khoan xoay đập dẫn động thủy lực.......... 42
x Hình 2.8: Cụm choòng khoan ......................................................................... 43 Hình 2.9: Búa khoan thủy lực ......................................................................... 43 Hình 2.10: Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập........................ 46 Hình 2.11: Chi tiết trục.................................................................................... 53 Hình 2.12: Mối ghép ren. ................................................................................ 54 Hình 2.13: Đồ thị lực lập Fđ theo thời gian ..................................................... 56 Hình 2.14: Vận tốc đầu mũi khoan x3 (cm/s)................................................. 60 Hình 2.15: Vận tốc khoan x4 (cm/s)............................................................... 60 Hình 2.16: Dịch chuyển đáy lỗ khoan x4 (cm) ................................................ 60 Hình 3.1: Ảnh hưởng của tần số lên vận tốc khoan ........................................ 63 Hình 3.2: Ảnh hưởng của tần số đập lên dịch chuyển đáy lỗ khoan .............. 64 Hình 3.3: Ảnh hưởng của lực đập lên vận tốc mũi khoan và dịch chuyển ..... 65 Hình 3.4: Ảnh hưởng của vòng quay đến tốc độ khoan ................................. 67 Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán xác định chế độ làm việc hợp lý của ................... 73 Hình 4.1: Máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED. ............................. 77 Hình 4.2: Đầu đo OCM-511............................................................................ 78 Hình 4.3: Đầu đo lưu lượng R4S7HD25. ....................................................... 79 Hình 4.4: Thiết bị NI-6009.............................................................................. 80 Hình 4.5: Thiết bị DAQ-8HP. ......................................................................... 81 Hình 4.6: Camera thuật phóng FASTCAM SA1.1 model 675K - C1 ............ 82 Hình 4.7: Vị trí lắp các đầu đo khi thí nghiệm................................................ 83 Hình 4.8: Sơ đồ đấu nối các đầu đo với DAQ-8HP và LAPTOP. .................. 84 Hình 4.9: Giao diện phần mềm khi tiến hành đo. ........................................... 85 Hình 4.10: Các khối mô đun của phần mềm DasyLab 10. ............................. 85 Hình 4.11: Sơ đồ cấu trúc các kênh đo khi thực nghiệm. ............................... 86 Hình 4.13: Vị trí lắp đặt các đầu đo OCM-511............................................... 88 Hình 4.14: Vị trí đặt camera ghi hình tốc độ cao. ........................................... 89
xi Hình 4.15: Làm dấu trên choòng khoan. ......................................................... 89 Hình 4.16: Áp suất đập của búa khoan ........................................................... 90 Hình 4.17: Đồ thị áp suất quay choòng khoan ................................................ 91 Hình 4.18: Vận tốc búa khoan. ....................................................................... 92 Hình 4.19: Vận tốc choòng khoan. ................................................................. 92
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, công tác xây dựng các công trình thuỷ điện, các hầm giao thông đường bộ, các đường hầm quân sự phòng thủ, các đường hầm chứa máy bay,… đã và đang được tiến hành với tốc độ nhanh, trên quy mô rộng. Địa chất khu vực thi công các công trình này chủ yếu là đá cứng, để thi công thường sử dụng phương pháp chủ yếu là khoan lỗ nổ mìn. Thực hiện thi công được bằng phương pháp này, các thiết bị khoan đá xoay đập đóng vai trò hết sức quan trọng. Hiện nay thiết bị khoan đá xoay đập được sử dụng phổ biến trong ngành xây dựng hầm giao thông ngầm, thủy điện, khai thác mỏ (xây dựng hầm mỏ, khai thác quặng và khoáng sản trong các hầm mỏ lộ thiên và dưới lòng đất), thăm dò địa chất, khoáng sản. Năng lượng tiêu hao trong quá trình khoan tỷ lệ thuận với các thông số hình học của lỗ khoan, đối với khoan đá nổ mìn tuy đường kính và độ sâu của lỗ khoan nhỏ, nhưng khi khoan số lượng lớn các lỗ thì tiêu thụ năng lượng là đáng kể. Thiết bị khoan đá xoay đập thực hiện đồng thời ba dẫn động trong quá trình làm việc: dẫn động đập, xoay và dẫn tiến choòng khoan. Với một thiết bị khoan xác định thì hiệu suất và hiệu quả sử dụng năng lượng của quá trình khoan đá phụ thuộc vào các thông số làm việc của máy khi biết trước cơ tính của đá. Phát triển hoàn thiện quá trình khoan đá ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Trên thế giới việc nghiên cứu các phương tiện cơ giới phục vụ công tác thi công công trình đã thu được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là các trang thiết bị kỹ thuật phục vụ thi công đường hầm, các công trình ngầm ở các khu vực địa hình đá cứng, các loại máy thi công chuyên dụng này đã được nhiều hãng và tập đoàn máy công trình hàng đầu thế giới như: Caterpillar, Tamrock,
2 Atlas Copco, Furukawa,...chế tạo với tính năng ưu việt, năng suất cao, đáp ứng được yêu cầu đòi hỏi của công tác thi công xây dựng. Một số thiết bị khoan đá xoay đập hiện đại đã được đưa vào sử dụng trong Quân đội nước ta. Đây là thiết bị khoan đá tự hành dùng để tiến hành công tác khoan lỗ nổ mìn trong môi trường đá theo thiết kế khi thi công các công trình quân sự nói riêng và các công trình phục vụ phát triển kinh tế quốc dân nói chung. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đó có kỹ thuật điều khiển, công tác nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả khai thác sử dụng máy móc là hoàn toàn có thể và mang tính khả thi cao. Tiến độ thi công các công trình trong môi trường đá cứng theo phương pháp khoan lỗ nổ mìn phụ thuộc nhiều vào công tác khoan, mặt khác phải đảm bảo được chất lượng công trình và giảm thiểu chi phí thi công, vì vậy việc xác định chế độ khoan hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả khoan là một vấn đề thời sự và cần thiết. Để nâng cao hiệu quả công tác khoan, cần phải nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khoan, đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của các yếu tố đến hệ động lực học quá trình khoan, trên cơ sở đó lựa chọn được chế độ khoan hợp lý. Vì vậy “Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất Việt Nam” là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là lựa chọn chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập, theo tiêu chí chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng thiết bị trong công tác khoan, khi thi công các công trình trong môi trường đá cứng ở Việt Nam. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực khi thi công ở môi trường đá cứng ở Việt Nam.
3 Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm việc của thiết bị khoan xoay đập bao gồm lực dẫn tiến choòng khoan, mô men quay chòng khoan, lực đập và tần số đập của pít tông đập. 4. Phương pháp nghiên cứu - Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. - Phương pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu, xây dựng nhiệm vụ và mô hình nghiên cứu của luận án. - Phương pháp toán học để phân tích và xây dựng mô hình toán học, xây dựng quan hệ của các thông số làm việc và giải bài toán trên máy tính. - Phương pháp thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình toán học và kiểm nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán hệ động lực học của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực, mô tả quá trình tương tác của cụm búa khoan với môi trường đá. Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của thiết bị, như: lực và tần số đập của búa khoan, lực dẫn tiến cụm choòng, tốc độ xoay cụm choòng khoan. Trên cơ sở đó, xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị thông qua việc xây dựng hàm mục tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ sử dụng cho việc xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập cụ thể, với mỗi cấp đá khác nhau. Có thể áp dụng cho việc thiết kế và cải tiến một số thiết bị khoan xoay đập, phục vụ thi công các công trình ở điều kiện địa chất Việt Nam. 6. Bố cục của luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục.
4 Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Nghiên cứu tổng quan về môi trường đá ở Việt Nam khi thi công các công trình; tổng quan về thiết bị khoan đá xoay đập; tổng quan các nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập khi thi công ở môi trường đá cứng; tổng quan về phương pháp giải bài toán tối ưu trong kỹ thuật. Chương 2: Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập. Xây dựng mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực. Thiết lập mô hình toán học; xây dựng bộ thông số đầu vào của mô hình; giải bài toán động lực học thiết bị khoan xoay đập. Chương 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khoan và xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số làm việc đến quá trình khoan; xây dựng hàm mục tiêu lựa chọn thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất. Xây dựng thuật toán tính toán và xác định bộ thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập. Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm. Xây dựng phương pháp và tiến hành làm thực nghiệm xác định các thông số động lực học của thiết bị khoan đá xoay đập tại hiện trường. Thu thập số liệu, xử lý, đánh giá so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết. Bộ số liệu thực nghiệm gồm: Bộ số liệu đầu vào phục vụ tính toán lý thuyết ở chương 2; Bộ số liệu phục vụ đánh giá, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, trên cơ sở đó rút ra những kết luận về tính sát thực của mô hình động lực học. Kết luận chung của luận án.
5 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐÁ Ở VIỆT NAM 1.1.1. Khái quát về môi trường đá ở Việt Nam Đá là một trong những vật thể vật lý tạo thành vỏ trái đất [14]. Theo nguồn gốc của chúng, người ta chia ra làm ba nhóm: đá macma (granit, bazan...), đá trầm tích (đá vôi, cát kết, sét...), đá biến chất (các loại đá phiến, đá hoa, quaczit...). Đá macma xuất hiện do sự nguội của khối silicat nóng chảy (dung nham) trên mặt đất hoặc trong tầng sâu của vỏ trái đất. Đá trầm tích xuất hiện do sự di chuyển và lắng đọng các sản phẩm phá hủy đá macma và các thứ đá khác, cũng như do sự lắng đọng các chất hữu cơ trên đáy các bề mặt chứa nước. Đá biến chất là những đá macma hoặc trầm tích bị biến đổi dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao. Kết quả khảo sát, tìm kiếm, thăm dò và khai thác đá tại Việt Nam cho thấy [5], [14]: Đá macma chủ yếu phân bố ở Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và Nam Bộ; Đá trầm tích chủ yếu là đá vôi có nhiều nhất ở miền Bắc và Bắc Trung bộ, chất lượng tốt, phần lớn lộ thiên, lớp phủ mỏng; Đá biến chất phần lớn phân bố ở vùng cao phía Bắc và miền Trung, địa hình phức tạp. Các công trình quân sự phần lớn được bố trí tại các vùng rừng núi thuộc các tỉnh Bắc Bộ như Hòa Bình, Quảng Ninh, Cao Bằng..., Bắc Trung Bộ như Thanh Hóa, Nghệ An..., vùng Tây Nguyên nên trong quá trình thi công thường gặp các loại đá có độ cứng cao như đá macma hay đá trầm tích. Chính vì vậy, để thi công thường dùng phương pháp khoan, nổ mìn để phá hủy chúng. Hiện nay, trong công tác khoan, chủ yếu dùng các phương pháp phá vỡ đá cơ học dựa trên sự tách các hạt đá khỏi khối bằng các tác dụng lực vào dụng cụ phá đá để gây ứng suất cục bộ. Mức độ phá hủy đá, tốc độ khoan phụ thuộc vào
6 hiệu quả tác dụng của dụng cụ phá đá. Thông thường độ bền cơ học của đá càng cao thì tốc độ khoan càng nhỏ, không kể là lực phá vỡ đá theo loại tĩnh hay động. Độ mài mòn của đá cũng là một tính chất cơ học quan trọng, đó là khả năng của chúng làm cho dụng cụ phá đá (lưỡi khoan) bị hư mòn. Độ mài mòn phụ thuộc nhiều vào các đặc điểm về kiến trúc và cấu tạo của đá. Căn cứ vào độ bền cơ học, độ ổn định và độ mài mòn của đá mà người ta chọn phương pháp khoan khác nhau để đạt được hiệu quả khoan tốt nhất. 1.1.2. Một số tính chất cơ lý của đá 1.1.2.1. Tính chất biến dạng của đá Biến dạng là hình thức thể hiện tổng quát của các quá trình cơ học xảy ra trong mẫu đá, khối đá dưới tác động của công tác khai đào và các trường ứng suất, trường khí ngầm, nước ngầm... Đây chính là biểu hiện cơ bản của các loại vật liệu khác nhau có thể dễ dàng quan sát, đo đạc được khi chúng chịu sự tác đụng của ngoại lực. Quá trình tác dụng lực lên một vật thể nào đó sẽ làm xuất hiện biến dạng trong vật thể. Sự lan truyền biến dạng từ điểm này tới điểm khác sẽ đảm bảo cho quá trình truyền lực trong toàn bộ vật thể. Để đánh giá mật độ các lực đó trong vật thể, các nhà cơ học đã đưa ra khái niệm “ứng suất”. So với khái niệm “biến dạng”, khái niệm “ứng suất” mang đặc tính trừu tượng. Trên thực tế, người ta không thể đo được ứng suất, mà chỉ xác định chúng bằng phương pháp gián tiếp (thường thông qua giá trị biến dạng đã biết). Thông thường, sơ đồ mô tả trạng thái cơ học của vật thể nghiên cứu (mẫu đá, khối đá) được xây dựng trên nguyên tắc “lực tác dụng-ứng suất-biến dạng”. Trạng thái cơ học của vật thể được xác định bằng mức độ trạng thái biến dạng của chính nó. Từ kết quả nghiên cứu cơ chế biến dạng và phá huỷ của mẫu đá các nhà địa cơ học đã xây dựng biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát [1] (Hình 1.1).
7 Hình 1.1: Biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá (theo Baklasov I. V. và Kartozia B. A) Trên cơ sở biểu đổ “ứng suất - biến dạng” tổng quát, các nhà địa cơ học đã tiến hành nghiên cứu đặc tính biến dạng của đá. Dưới tác dụng của ngoại lực, giá trị biến dạng của mẫu đá sẽ tăng dần lên tới một giá trị I nào đó. Trong mẫu đá sẽ xảy ra quá trình khép dần các khuyết tật cấu tạo (khe nứt, lỗ rỗng). Quá trình này thể hiện thông qua đặc tính phi tuyến của các đoạn (oa’) và (oa) trên biểu đồ (Hình 1.1). Giai đoạn biến dạng tiếp theo của mẫu đá mang đặc tính đàn hồi do quá trình nén ép đàn hồi khung (cốt) khoáng vật. Trong giai đoạn này, các đoạn (ab) và (a’b’) mang đặc tính tuyến tính. Sau đó, sự phát triển biến dạng tiếp theo sẽ dẫn đến quá trình bắt đầu hình thành nứt nẻ và làm gia tăng hệ số biến dạng ngang của đá, Trong giai đoạn này, đặc tính tuyến tính của mối quan hệ “ứng suất-biến dạng ngang” sẽ bị phá huỷ. Trong khi đó, mối quan hệ “ứng suất-biến dạng dọc” sẽ giữ nguyên đặc tính tuyến tính. Tuy nhiên, cùng với sự xuất hiện đặc tính không tuyến tính của biến dạng, hệ số quan hệ “E” giữa biến dạng và ứng suất sẽ không còn ý nghĩa như “mô đun đàn hồi”. Hệ số này sẽ được xem như mô đun biến dạng và có giá trị nhỏ hơn mô đun đàn hồi. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi biến dạng đạt tới giá trị III, trong mẫu đá sẽ bắt đầu quá trình hình thành các hệ thống nứt nẻ. Chúng sẽ phá huỷ đặc
8 tính tuyến tính của mối quan hệ “ứng suất-biến dạng dọc” đặc trưng bởi các đoạn (cd) và (c’d’). Sau khi đạt tới giá trị biến dạng giới hạn tương ứng với giới hạn bền của đá (điểm d và d’), quá trình biến dạng tiếp theo sẽ làm gia tăng mạnh thể tích mẫu đá và làm giảm dần khả năng kháng nén dưới tác dụng của ngoại lực. Hiện tượng này là kết quả của quá trình tạo thành nứt nẻ mạnh trong mẫu đá. Tại điểm “e” sẽ xảy ra quá trình phân chia mẫu đá thí nghiệm thành các phần nhỏ riêng biệt (hiện tượng vỡ vụn). Chính vì vậy, dưới tác dụng nén đơn trục, quá trình biến dạng tiếp theo của mẫu đá sẽ không thể tiếp tục xảy ra nữa. Ngoài ra, trong điều kiện trạng thái nén thể tích, quá trình biến dạng đá vỡ vụn sẽ tiếp tục xảy ra mà không có sự thay đổi thể tích tiếp theo. Đặc điểm đặc trưng của biểu đổ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá như sau: cùng với sự phát triển biến dạng, khả năng chống lại ngoại lực của đá ngày càng tăng trên khoảng gia tăng của đường cong (od). Sau khi đạt tới giá trị lớn nhất, cùng với sự gia tăng biến dạng, khả năng chống lại ngoại lực của đá ngày càng giảm (tại phần đi xuống của đưòng cong “dk”). Như vậy, biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá có thể phân chia thành ba vùng đặc trưng tương ứng với các giai đoạn biến dạng khác nhau: + Vùng biến dạng trước giới hạn (od); + Vùng biến dạng sau giới hạn (de); + Vùng phá huỷ vỡ vụn (ek). Do khả năng biến dạng của đá có thể chuyển đổi vào những trạng thái cơ học khác nhau, cho nên trên thực tế cần phải tiến hành nghiên cứu tính chất cơ học đá tại những trạng thái biến dạng khác nhau. Tính chất biến dạng của đá đặc trưng bởi các hệ số liên hệ “E” giữa ứng suất và biến dạng và hệ số biến dạng ngang “µ”. Ngoài ra, trong các phương
9 trình cơ-lý, các nhà địa cơ học còn thường gặp hệ số “G” xác định thông qua hai hệ số “E”, “µ”. Trong giai đoạn biến dạng trước giới hạn (tại vùng biến dạng tuyến tính đàn hồi) hệ số “E” gọi là “mô đun đàn hồi” và đặc trưng bởi tỷ số giữa ứng suất pháp tuyến và giá trị biến dạng tương ứng theo hướng tác dụng của nó. Trong trường hợp này hệ số “G” đặc trưng bởi “mô đun trượt” có giá trị không đổi, Trong giới hạn biến dạng đàn hồi ta có: E G  (1.1) 2(1   ) Vật liệu đá có những khác biệt so với kim loại. Giới hạn đàn hồi của đá chỉ mang tính giả định. Bởi vì, dưới sự tác dụng của ứng suất có giá trị không lớn, trong đá đã có thể xuất hiện biến dạng dư. Do đó, các nhà địa cơ học thường sử dụng mô đun biến dạng trong các tính toán địa cơ học thực tế. Mô đun biến dạng được xác định bằng tỷ lệ giữa ứng suất “” (tương ứng với giới hạn biến dạng tuyến tính giả định) và giá trị tổng biến dạng tương đối “III”. Sau giới hạn biến dạng tuyến tính tương đối, hệ số “E” sẽ thay đổi. Hệ số này sẽ phụ thuộc vào mức độ biến dạng và (theo nguyên tắc) sẽ giảm dần cùng với sự gia tăng của biến dạng. Trên thực tế có thể xét tới mức độ biến dạng không tuyến tính trong quá trình giải các bài toán địa cơ học bằng phương pháp xác định gần đúng các đường cong “ứng suất-biến dạng” theo công thức:   E..1m (1.2) Trong đó: E = const - mô đun biến dạng; 0 <  1, 0  m  1 là các tham số gần đúng không thứ nguyên. a- Đá gabro với =0,116 và m = 0,25; b- Đá sét kết với =0,113 và m = 0,27;