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

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 thự

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

x1 Tọa độ trọng tâm của chuôi búa 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 -

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 -

J1 Mô men quán tính chuôi búa khoan kg.m2

J2 Mô men quán tính choòng khoan kg.m2

G Mô đun đàn hồi loại hai

Ip Mô men quán tính độc cực của tiết diện

pm Áp suất của chất lỏng làm việc bên trong xilanh Pa

µ1 Hệ số ma sát giữa bề mặt mũi khoan với đá -

Mtd Mô men ma sát giữa thành mũi khoan với thành đá N.m

Stx Diện tích tiếp xúc của mũi khoan với đá cm2

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

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

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

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

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,

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

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

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

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

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)

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

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

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

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:

Hình 1.2: Sơ đồ mối quan hệ phi tuyến "n-"

Dưới tác dụng của ngoại lực, đá bị biến dạng không chỉ theo hướng trùng với hướng tác dụng lực mà còn theo hướng vuông góc với hướng tác dụng lực Đặc tính biến dạng này của vật liệu thể hiện thông qua hệ số biến dạng ngang

“” Hệ số này bằng giá trị tuyệt đối của tỷ số giữa giá trị biến dạng ngang “”

và giá trị biến dạng dọc “//” khi nén, hoặc kéo đơn trục:

hệ số biến dạng ngang “” sẽ có giá trị thay đổi

Đá là loại vật liệu không đồng nhất và có sức kháng khác nhau chống lại tác dụng của ngoại lực trong các quá trình nén và kéo Do đó, cần phải phân biệt mô đun biến dạng tuỳ thuộc bởi hướng tác dụng của tải trọng Kết quả nghiên cứu cho thấy, một số loại đá phiến có giá trị mô đun biến dạng khi nén lớn hơn từ 1,2 - 1,5 lần so với giá trị mô đun biến dạng khi kéo [2]

là “độ bền” của đá Khái niệm “phá huỷ” thông thường được hiểu như sự huỷ hoại đặc tính liền khối do kết quả những tác động lực nào đó, hoặc đơn giản hơn như quá trình phân chia vật thể biến dạng ra thành các phần nhỏ không liên kết với nhau

Trong các thí nghiệm thông thường (ví dụ nén đơn trục) quá trình phá huỷ bắt đầu xuất hiện tại một giá trị tải trọng nào đó tương ứng với giá trị lớn nhất trên biểu đồ “ứng suất-biến dạng” Tải trọng này gọi là tải trọng phá huỷ Để đặc trưng các đặc tính bền của đá (cũng như các vật thể biến dạng khác), các nhà khoa học đã đưa ra khái niệm “giới hạn bền” (nén hoặc kéo)

Tuy nhiên, tại thời điểm ngoại lực đạt tới giá trị lớn nhất thì trạng thái cơ học mẫu đá chỉ tương ứng với giai đoạn đầu tiên của quá trình phá huỷ Khi đó,

đá vẫn tiếp tục chưa mất đi toàn bộ khả năng chống lại ngoại lực của mình

Do đó, ngoài khái niệm “giới hạn bền” (nén hoặc kéo) đặc trưng cho sức kháng lớn nhất của đá, trên thực tế còn phải cần tới những chỉ tiêu bền khác đặc trưng cho độ bền của đá tuỳ thuộc vào mức độ phá huỷ của nó trong trạng thái sau giới hạn

Ngoài ra, trên thực tế mẫu đá phải tồn tại trong trạng thái ứng suất phức tạp của khối đá Để tiến hành mô tả toán học cho quá trình phá huỷ đá, các nhà địa cơ học không chỉ sử dụng các chỉ tiêu bền riêng biệt mà phải thông qua các phương trình cơ-lý đặc biệt dựa trên những lý thuyết bền tương ứng

Bảng 1.2: Bảng độ bền của đá ở Việt Nam [11]

1.1.2.3 Tính chất lưu biến của đá

Các tính chất lưu biến của đá liên quan tới quá trình biến dạng của đá theo thời gian Hiện nay các nhà địa cơ học sử dụng hai khái niệm “từ biến” và

“chùng ứng suất” để mô tả các tính chất lưu biến của đá

Hiện tượng “từ biến” là khả năng phát triển biến dạng của đá theo thời gian khi tải trọng tác dụng không thay đổi Hiện tượng “chùng ứng suất” thể hiện khả năng của đá giảm ứng suất theo thời gian khi biến dạng không thay đổi

Đặc tính biến dạng của đá theo thời gian thông thường được mô tả bằng đường cong lưu biến (Hình 1.3) Đường cong lưu biến trong trường hợp tổng quát bao gồm bốn giai đoạn biến dạng đặc trưng :

+ Đoạn (OA) tương ứng với giai đoạn biến dạng tức thời ban đầu Tuỳ thuộc vào giá trị tác dụng của tải trọng, giai đoạn này có thể mang đặc tính đàn hồi (do kết quả nén đàn hồi của khung khoáng vật) và một phần biến dạng

không thuận nghịch (do xuất hiện các phá huỷ vi mô - biến dạng trượt các hạt khoáng vật, phá huỷ một phần những liên kết cứng)

+ Đoạn (AB) tương ứng với giai đoạn lưu biến không ổn định (mang đặc tính tắt dần,   0) Tại giai đoạn này, đặc tính lưu biến của đá mang tính chất biến dạng đàn hồi cũng như biến dạng không thuận nghịch

+ Đoạn (BC) tương ứng với giai đoạn lưu biến ổn định hay giai đoạn lưu biến có tốc độ biến dạng không đổi ( = const) Tại giai đoạn này, biến dạng đá đặc trưng bởi sự phá huỷ các liên kết cấu trúc Do đó, sau khi dỡ tải, biến dạng chỉ tự phục hồi một phần nào đó

+ Đoạn (CD) đặc trưng bởi đặc tính gia tăng tốc độ biến dạng do sự phát triển mạnh mẽ của quá trình hình thành nứt nẻ Giai đoạn này kết thúc bằng sự phá huỷ hoàn toàn của mẫu đá Giai đoạn này tương ứng với giai đoạn chảy mạnh (phá huỷ hoàn toàn) của mẫu đá

Hình 1.3: Đặc tính lưu biến của đá (theo Baklasov I V và Kartozia B A)

1.1.3 Mô hình động lực học của đá

Trên Hình 1.4 là một trong các mô hình động lực học có thể dùng nghiên cứu cho các loại đá Mối quan hệ giữa các biến số (ứng suất, biến dạng, tốc độ thay đổi biến dạng và thời gian) trong phương trình trạng thái lưu biến được xây dựng trên cơ sở các lý thuyết lưu biến Lý thuyết lưu biến môi trường đàn-nhớt, dẻo và lý thuyết lưu biến phi tuyến được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

trong địa cơ học Trong lý thuyết lưu biến môi trường đàn-nhớt, dẻo, các nhà địa cơ học sử dụng các mô hình cấu trúc để mô tả các tính chất lưu biến của vật thể Mỗi mô hình bao hàm một số thành phần (thiết bị) đơn giản nhất mô phỏng các tính chất đàn hồi, tính chất nhớt và tính chất dẻo của môi trường

Hình 1.4: Mô hình đàn hồi – nhớt – dẻo của đá

Tính chất đàn hồi của môi trường được mô phỏng thông qua các lò xo 1

và lò xo 3 Quy luật biến dạng của chúng tuân theo định luật Hooke Hai pít tông 2 và 5 chuyển động trong những xilanh có chứa chất lỏng với độ nhớt “”

sẽ mô phỏng tính chất nhớt của môi trường Theo định luật Newton, ứng suất tác dụng trong phần tử này tỷ lệ thuận với tốc độ chuyển động của pít tông Nghĩa là:    Tính chất dẻo của môi trường được mô phỏng bằng phần tử

ma sát khô 4 Phần tử này có cấu tạo từ hai phần chỉ có thể trượt trên bề mặt tiếp xúc với nhau khi >* Trong đó, * là hằng số xác định cho môi trường

mô phỏng Trong địa cơ học, thông thường các nhà địa cơ học sử dụng những trường hợp riêng của mô hình tổng quát (mô hình Poynting-Thomson hoặc mô hình Maxwell) Mô hình Poynting-Thomson được xây dựng trên cơ sở mô hình

đá ở Hình 1.4 sau khi loại bỏ các phần tử 4 và 5 Mô hình Maxwell cũng được xây dựng trên cơ sở mô hình đá ở Hình 1.4 sau khi chỉ giữ lại các phần tử 1 và 2

1.2 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP

Hiện nay, các tập đoàn sản xuất máy xây dựng lớn trên thế giới như Atlas Copco (Thụy Điển), Furukawa (Nhật Bản), Tamrock (Thụy Điển), MTI (Canada), các nhà máy chế tạo thiết bị khai thác mỏ của Nga, Trung Quốc, với nền khoa học kỹ thuật và công nghệ hiện đại đã phát triển vượt bậc trong thiết kế, chế tạo các loại thiết bị thi công với tính năng ưu việt, làm cho công nghệ thi công công trình luôn được đổi mới, các loại thiết bị này đã nâng cao năng suất, chất lượng thi công, giải quyết được đáng kể vấn đề cải thiện môi trường và điều kiện làm việc của người vận hành Đối với thiết bị khoan đá thường có hai loại chính là thiết bị khoan cầm tay và máy khoan tự hành Máy khoan tự hành có tính năng ưu việt và khả năng vượt trội khi khoan

đá, các loại máy khoan sử dụng máy cơ sở di chuyển xích (Hình 1.5, Hình 1.6), hoặc bánh lốp (Hình 1.7, Hình 1.8, Hình 1.9) hoặc bánh cứng di chuyển trên ray Trên khung máy cơ sở gá đặt các cần khoan, các xilanh điều khiển chiều cao vị trí giá khoan, dẫn tiến cụm búa khoan, góc nghiêng của các cần khoan trong mặt phẳng thẳng đứng, góc xoay cần khoan trong mặt phẳng nằm ngang, thiết bị thuỷ lực dẫn động điều khiển các xilanh, mô tơ quay giá khoan

Các máy khoan này cho phép tự động hoá trong quá trình định vị lỗ khoan

và khoan, giảm bớt được chi phí vận hành máy khoan Có độ ổn định cao trong quá trình làm việc Cho phép mở rộng được phạm vi khoan khi máy cơ sở đứng tại một vị trí Có thể khoan được mọi vị trí của các lỗ khoan trên gương đào khi thi công đường hầm trong phạm vi hoạt động cho phép, đặc biệt là các lỗ khoan viền ở phía trên và dưới Cho phép vận hành một và nhiều đầu khoan cùng một lúc, tăng năng suất và hiệu quả khoan, cho phép gá đặt những đầu khoan có công suất lớn và mũi khoan dài

Hình 1.5: Máy khoan đá tự hành dẫn động thủy lực JUNJIN

Hình 1.6: Máy khoan đá FURUKAWA HCR1500-EDII

Hình 1.7: Máy khoan đá tự hành Boomer 352

Hình 1.8: Máy khoan đá tự hành TamRock Axera D06

Hình 1.9: Máy khoan đá FURUKAWA JTH2A-210-1C

Ở nước ta, trong lĩnh vực xây dựng giao thông, thủy lợi, thủy điện, nhiều đơn vị xây dựng trong và ngoài Quân đội đã áp dụng công nghệ, phương tiện

kỹ thuật mới của thế giới để thi công các công trình Trong thi công các công trình bằng phương pháp khoan lỗ nổ mìn thì khoan là một công tác cơ bản của chu kỳ đào, yếu tố xác định trình độ kỹ thuật chung trong thi công công trình

và năng suất lao động Tùy thuộc vào trang thiết bị khoan được chọn và tính chất cơ lý của đá, thời gian để khoan các lỗ thường chiếm từ 15-60% tổng thời gian của một chu kỳ đào Vì vậy bên cạnh việc lựa chọn các trang thiết bị khoan một cách đúng đắn thì nghiên cứu lựa chọn chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan để nâng cao hiệu quả thi công và khai thác sử dụng máy là vấn đề thời

sự và cấp thiết

Hiện nay và trong nhiều năm tới, nhiệm vụ xây dựng công trình phục vụ cho các mục đích phát triển kinh tế xã hội và Quốc phòng là rất lớn, cần có các giải pháp kỹ thuật để nâng cao hiệu quả thi công và khai thác sử dụng thiết bị phục vụ thi công Để cơ giới hóa công tác thi công và nâng cao năng suất lao động, trong công đoạn khoan đá nổ mìn, TS Nguyễn Viết Tân đã đưa ra giải pháp thiết kế giá đỡ thiết bị khoan đá thay cho phải khiêng, vác khoan khi tác nghiệp [13] Binh chủng Công binh đã nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy khoan loại nhỏ KLM.1 (Hình 1.10) phục vụ thi công đường hầm khâu độ nhỏ bằng công nghệ trong nước [7]

Hình 1.10: Máy khoan KLM.1

So với thi công bằng khoan tay, máy khoan thủy lực giảm hơn 80% tiếng

ồn và lượng bụi; giảm độc hại và sức lao động của bộ đội; thời gian hoàn thành

1 mét lỗ khoan giảm từ hơn 15 phút xuống còn 5-7 phút; giảm một nửa số lượng người trong ca làm việc; bảo đảm an toàn cao hơn; năng suất lao động tăng từ hai đến ba lần so với khoan thủ công

Các thông số động học, động lực học thiết bị khoan đá xoay-đập của các hãng sử dụng thi công các loại đá ở các vùng khác nhau cũng rất khác nhau

Chính vì vậy, nhiều công trình khoa học đi sâu nghiên cứu theo hướng tìm kiếm giải pháp nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị khoan đá để tăng tốc độ khoan, tăng năng suất và giảm chi phí toàn bộ quá trình khoan, tăng khoảng thời gian giữa các lần bảo dưỡng, tăng tuổi thọ của hệ thống khoan

1.3 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP

Thiết bị khoan đá xoay đập được nhiều nhà khoa học và các cơ sở nghiên cứu trên thế giới quan tâm nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo và hoàn thiện các thiết

bị khoan đá phục vụ thi công các công trình ở môi trường đá

Han, Gang, Mike Bruno và Maurice B [25] đã dùng phần mềm mô phỏng FLAC 3D 2.1 để nghiên cứu quá trình phá hủy đá bằng khoan đập (Hình 1.11) Trong nghiên cứu tác giả coi môi trường đá là môi trường đàn – dẻo và bị phá hủy khi tích đủ một năng lượng nhất định Với mỗi một lần đập theo chu kỳ, nếu năng lượng đủ lớn đá sẽ bị chảy (phá hủy), ngược lại năng lượng đó được tích lũy lại một phần, phần còn lại bị hao tán do ma sát và biến dạng đàn hồi

Hình 1.11: Mô phỏng tương tác mũi khoan với đá của Bruno

Trong công trình nghiên cứu về quá trình phá hủy đá đối với khoan xoay của Шубный А.И [35], tác giả đã đánh giá được sự ảnh hưởng các tính chất của đá đến quá trình phá hủy đá đối với khoan xoay Trong mô hình tác giả coi

đá liền khối, dưới tác động của lực nén dọc trục kết hợp với mô men quay làm

cho mũi khoan ăn sâu vào đá Đá bị phá hủy do lực cắt xoay của mũi khoan Sazidy và các cộng sự [33] đưa ra mô hình khoan đập để nghiên cứu quá trình phá hủy đá đối với khoan đập (Hình 1.12) Tác giả đã coi môi trường đá là môi trường đàn – nhớt, dẻo với ngưỡng phá hủy D tùy theo từng loại đá Qua nghiên cứu tác giả đã đánh giá được hiệu quả của khoan đập đến quá trình phá hủy đá Trong mô hình không có chuyển động xoay

Hình 1.12: Mô hình động lực học của đá

Chiang và Dante [22] đã nghiên cứu tác động của mũi khoan với đá trong khoan xoay đập bằng phương pháp mô phỏng 3D FEM Tác giả đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn trong không gian ba chiều (3D) để mô hình hóa các tác động của mũi khoan với đá Môi trường đá được mô tả bằng các phần

tử hữu hạn (FEM), ứng suất và biến dạng mang đặc tính tuyến tính Mô hình

đã mô phỏng việc truyền năng lượng từ mũi khoan vào đá trong quá trình tương tác giữa mũi khoan với đá

Ekaterina Pavlovskaia và Marian Wiercigroch [23] nghiên cứu ảnh hưởng của tần số và biên độ của lực đập đến quá trình phá hủy đá (Hình 1.13) Tác giả cũng coi môi trường đá là môi trường đàn – nhớt, dẻo với ngưỡng phá hủy D tùy theo từng loại đá Trong mô hình tác giả chưa xét tác động của chuyển động xoay đến quá trình phá hủy đá

Hình 1.13: Mô hình nghiên cứu tần số đập của Ekaterina và các cộng sự Trong nghiên cứu của S Kahraman [28], đã tiến hành nghiên cứu mối quan hệ giữa mô đun đá tỷ lệ và tính khoan được của đá đối với máy khoan được thống kê phân tích bằng cách sử dụng các dữ liệu thô thu được từ các nghiên cứu thử nghiệm của các nhà nghiên cứu khác nhau, kết quả cho thấy hai trị số này có ảnh hưởng mạnh đến nhau khi độ rỗng của đá thấp hơn 1,23%

Mô đun đá tỷ lệ - là tỷ lệ giữa mô đun đàn hồi và độ bền nén một trục, chỉ

ra đặc tính biến dạng của đá Mô đun đá tỷ lệ được xác định theo phương trình:

Như vậy, mô đun tỷ lệ và biến dạng tỷ lệ nghịch với nhau, mô đun tỷ lệ càng cao thì biến dạng càng thấp, mô đun tỷ lệ tăng với độ cứng cho giới hạn bền nhất định

Tốc độ khoan (tốc độ mũi khoan khoét sâu vào trong đá) được xác định theo phương trình:

Tốc độ khoan tỷ lệ thuận với mô đun đá tỷ lệ và được biểu diễn như trên hình 1.14

Hình 1.14: Quan hệ giữa mô đun tỷ lệ và tốc độ khoan

Kết quả nghiên cứu của S Kahraman cho thấy khi khoan đá cứng thì khoan xoay đập là thiết bị cho hiệu quả làm việc cao nhất, đồng thời cũng chỉ

ra rằng lực ép và mô men quay là những yếu tố ảnh hưởng mạnh đến năng suất của máy khoan

Trong công trình nghiên cứu của Marian Wiercigroch và các cộng sự ở viện nghiên cứu Aberdeen – Scotland [31] đã đề xuất phương pháp truyền năng lượng rung động có tần số cao và biên độ thấp đến rung động cơ học có tần số thấp và biên độ cao nhằm mục đích ứng dụng trên máy khoan xoay đập, cơ cấu này sử dụng tải trọng va đập gồm hai tần số tạo thành nhịp kích thích cơ cấu điều chỉnh tần số đập Các tác giả đã trình bày mô hình nghiên cứu (Hình 1.15), với x là dịch chuyển của khối lượng m, khối lượng này rung động với tần số thấp và biên độ lớn, y là dịch chuyển của bộ kích thích rung động với tần số

cao và biên độ thấp, z là dịch chuyển của tấm không có khối lượng P, tấm này

bị va đập bởi bộ kích thích rung động Các dao động này được truyền đến khối lượng m Tấm được liên kết với giá bởi lò xo ngắn c1 và với khối lượng bởi lò

xo dài c2, trong đó c1c2 Sự khác nhau về chiều dài của lò xo cho phép nhận được sự rung động biên độ cao của khối lượng trong khi mặt phẳng đang dao động với biên độ thấp Chuyển vị y và z được xác định từ cùng một vị trí được xác định bởi chiều dài ban đầu của lò xo c2, dịch chuyển x được tính từ đầu bên phải của lò xo c2 ở trạng thái ban đầu

Hình 1.15: Mô hình vật lý truyền năng lượng rung động tần số đập Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả lớn nhất thu được khi xảy ra cộng hưởng, khi đó năng lượng được truyền đi rất lớn, hiệu suất truyền dẫn bị giảm đáng kể đối với siêu điều hòa Xuyên suốt nội dung nghiên cứu cho thấy hiệu quả của kỹ thuật này phụ thuộc rất nhiều vào mức độ phi tuyến trong hệ thống.Timo Saksala và các cộng sự [34] đã xây dựng mô hình nghiên cứu sự phá hủy của trong khoan đập dựa trên sự kết hợp của các mô hình nhớt-dẻo, mô hình kéo phá hủy đẳng hướng và mô hình dẻo nén tỷ lệ độc lập Bề mặt chảy dẻo bao gồm đặc trưng chảy dẻo Drucker-Prager, chỉ tiêu Rankine đã biến đổi (ứng suất tới hạn) và chóp nén parabol (Hình 1.16a) Tính nhớt-dẻo qui định vùng giới hạn chịu tác dụng của tải trọng động, và như vậy có bài toán biên ban đầu kể cả biến dạng chảy dẻo

Trong mô hình tương tác giữa mũi khoan và đá (Hình 1.16b), mũi khoan được coi là vật rắn bằng cách lý tưởng hóa mũi khoan thành các nút, trong đó hình dáng hình học của nút có thể xác định được nhờ các ràng buộc quan hệ động học tính chính xác khoảng cách bi giữa bề mặt nút ảo và các nút trên bề mặt đá Sóng áp lực va đập truyền trong choòng khoan và ép cưỡng bức mũi khoan đi sâu vào đá được mô hình hóa thành xung ứng suất ngoài đặt lên các nút Cản nhớt được đặt tại ranh giới của vùng đá và tại nút để ngăn chặn sự phản xạ sóng áp lực

Hình 1.16: Kết hợp bề mặt chảy dẻo và nguyên lý tương tác mũi khoan với đá

Tất cả các kết quả nghiên cứu đều cho thấy tính chất phức tạp tương tác của mũi khoan với môi trường đá, để đảm bảo năng suất khoan khi cơ tính đá thay đổi thì các thông số làm việc của thiết bị khoan phải có sự ràng buộc chặt chẽ với nhau và nằm trong vùng xác định, đặc biệt là các thông số như: tần số đập, lực đập, lực dẫn tiến, vận tốc góc và mô men xoắn choòng khoan

1.4 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG KỸ THUẬT 1.4.1 Một số dạng bài toán tối ưu cơ bản

Theo [16], có thể đưa ra một số dạng bài toán tối ưu như sau:

- Bài toán 1: Lựa chọn nguyên lý hoạt động tối ưu của thiết bị công tác hay hệ thống thiết kế, xác định bản chất vật lý tối ưu của chuyển động, lựa chọn kết cấu

tối ưu của thiết bị công tác, lựa chọn nguồn năng lượng tối ưu dẫn động thiết bị công tác

- Bài toán 2: Lựa chọn các thông số tối ưu của hệ thống theo điều kiện cho trước về nguyên lý hoạt động và kết cấu của hệ thống đó

-Bài toán 3: Lựa chọn kết cấu tối ưu của hệ thống kỹ thuật, nguyên lý hoạt động theo kết cấu này

Đối với bài toán tối ưu một chỉ tiêu, theo [15], [16], các bước xây dựng và giải bài toán như sau:

- Bước 1: Xây dựng mô hình vật lý cho bài toán Theo [15], mô hình tổng quát cho bài toán tối ưu kết cấu là: Hãy xác định các giá trị x1, x2, , xn là các biến độc lập của kết cấu sao cho hàm mục tiêu của kết cấu F = F(x1, x2, , xn)

có thể đạt giá trị cực tiểu (hoặc cực đại), với điều kiện x1, x2, , xn chỉ nhận giá trị dương, tức là: xj > 0 với j = 1, 2, , n và thỏa mãn các điều kiện ràng buộc cho dưới dạng bất đẳng thức Rm Rmx , x , ., x1 2 m0 với m <n

- Bước 2: Xây dựng mô hình toán học theo mô hình khảo sát Cần xây dựng được các hàm mục tiêu trên cơ sở toán học, vật lý, cơ học và những mối quan hệ khác nhau nhằm thiết lập các mối quan hệ giữa mục tiêu và biến số bằng các công thức toán học, thiết lập các mối quan hệ ràng buộc theo các điều kiện giới hạn và các chỉ tiêu cụ thể của bài toán

- Bước 3: Đánh giá kết quả và hoàn thiện bài toán ở bước 2 Qua kết quả nhận được và trên cơ sở phân tích, xác định mức độ phù hợp của mô hình với thực tế Khi đó có thể xảy ra hai khả năng như sau:

+ Khả năng 1: Kết quả phù hợp với mục tiêu đặt ra và điều kiện thực tế, chứng tỏ mô hình toán học và thuật toán xây dựng ở các bước trên là chấp nhận được Cần phải tiến hành hoàn thiện mô hình và thuật toán này, tính thử lại để kiểm tra khả năng ổn định của nghiệm và tính cho một số mô hình toán học tương tự để khẳng định tính đúng đắn của phương pháp

+ Khả năng 2: Kết quả tính toán không phù hợp với thực tế và các ý kiến đánh giá Nguyên nhân có thể là kết quả ở bước 3 chưa đủ chính xác cần thiết, cần kiểm tra lại thuật toán và chương trình tính toán; các số liệu ban đầu không phản ánh đúng thực tiễn, phải xem xét và chuẩn hóa số liệu thật chính xác; mô hình định tính ở bước 1 chưa phản ánh đúng bản chất của bài toán đang xét, cần xây dựng lại mô hình tính toán này; việc xây dựng mô hình toán học ở bước

2 là chưa thỏa đáng, cần xây dựng lại và tăng dần độ phức tạp

Bài toán tối ưu thường được viết là: Tìm giá trị min của hàm F(x), xRnvới điều kiện gi(x) ≤ 0 với i = 1, 2, …, n; hj(x) ≤ 0 với j = 1, 2, …, m; m < n Đối với bài toán tối ưu nhiều tiêu chí, có hai phương pháp giải bài toán như sau:

- Phương pháp 1: Đây là phương pháp phổ biến nhất để thành lập hàm mục tiêu, bằng cách tính cộng các mục tiêu i với i = 1, 2, , n Khi đó hàm mục tiêu F(x) là tổng hợp tuyến tính và được viết như sau:

Trong đó: các hệ số ci xác định trên cơ sở đánh giá bằng thực nghiệm

- Phương pháp 2: Sắp xếp các mục tiêu theo mức độ quan trọng của chúng

và đưa vào các dung sai i cho từng mục tiêu Đầu tiên tìm tối ưu theo mục tiêu quan trọng nhất 1(x) Giả sử, giá trị cực tiểu của mục tiêu này bằng 1*(x), ràng buộc mới là 1(x) 1*(x) i Tiếp tục tìm tối ưu theo mục tiêu thứ hai

2(x), nếu *2(x)là cực tiểu theo hàm mục tiêu thứ hai thì mô hình sẽ có thêm ràng buộc thứ hai là 2(x) *2(x) i Tiếp tục tìm tối ưu theo mục tiêu tiếp theo cho đến mục tiêu cuối cùng n(x) Khi đó hàm mục tiêu F(x) là:

*

F(x)min(x)  (x)  voi 1 i n (1.9)

Phương pháp này phải tính nhiều lần hàm mục tiêu và tìm nghiệm tối ưu trong suốt các giai đoạn thiết kế Mỗi giai đoạn lại phải điều chỉnh hợp lý để tính lại hàm mục tiêu tổng hợp và tìm nghiệm tối ưu Phương pháp này gọi là phương pháp tự thích nghi để lập hàm mục tiêu Trong thực tế, khi tối ưu hóa theo một mục tiêu này sẽ lại làm xấu đi giá trị của hàm mục tiêu khác

Theo [15], để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, phải đưa về bài toán tối ưu một mục tiêu, đó là mục tiêu tổng hợp hay mục tiêu chính

Khi xác định chế làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập ở điều kiện địa chất Việt Nam, có thể xác định theo các chỉ tiêu sau:

- Chi phí năng lượng riêng;

- Năng suất khoan của máy;

- Hiệu suất của động cơ

Trong các chỉ tiêu trên thì chỉ tiêu về chi phí năng lượng riêng là quan trọng nhất, nó quyết định đến chi phí, giá thành khi thi công Việc lựa chọn các thông số làm việc của thiết bị khoan hợp lý nhất khi chi phí năng lượng là nhỏ nhất Trong thực tế, các nhà thiết kế tính toán thường chọn vùng làm việc hợp

lý theo chỉ tiêu về năng lượng riêng trong một giới hạn nhất định

Khi giải bài toán tối ưu với nhiều chỉ tiêu thì cần phải đưa về bài toán một chỉ tiêu, theo [15], [16] sử dụng các phương pháp sau đây:

- Phương dịch chuyển các chỉ tiêu vào miền giới hạn (sang điều kiện biên):

Từ một số chỉ tiêu đã cho, cần lựa chọn một chỉ tiêu quan trọng nhất theo ý đồ nghiên cứu, các tiêu chí còn lại chuyển vào giới hạn

- Phương pháp khoanh vùng và loại trừ liên tiếp sau mỗi lần tính: Các chỉ tiêu được khoanh vùng theo vai trò quan trọng của chúng, tiến hành tối ưu hóa theo chỉ tiêu quan trọng nhất Khi giải bài toán này, có thể làm giảm ý nghĩa và ảnh hưởng đến chất lượng của hàm mục tiêu Vì vậy, phải xác định được giá trị đạt được của các thông số khi tối ưu hóa theo chỉ tiêu tiếp theo, có thể nhận

được một số giá trị của chỉ tiêu trong giới hạn vô cùng bé  (chiếm 5%), điều này cho phép tối ưu hóa theo chỉ tiêu tiếp theo bằng việc thay đổi giá trị x trong giới hạn từ x1 đến x2 (Hình 1.17)

Hình 1.17: Đồ thị xác định sai số theo quan điểm thiết kế và toán học

1.4.2 Một số phương pháp giải bài toán tối ưu và xác định chế độ làm việc hợp lý

Theo [16], [26] có một số phương pháp điển hình để giải bài toán xác định chế độ làm việc hợp lý như sau:

- Phương pháp sử dụng đạo hàm bậc một của hàm mục tiêu;

- Phương pháp sử dụng đạo hàm bậc hai của hàm mục tiêu (phương pháp Newton);

- Phương pháp “mặt cắt vàng”;

- Phương pháp biến hình;

- Phương pháp di truyền (GA);

- Phương pháp tiến hóa vi phân (DE);

- Phương pháp thử nghiệm độc lập lần lượt giá trị các tham số

Điểm tối

ưu theo quan điểm thiết kế

Điểm tối ưu theo quan điểm toán học

1.4.3 Phương pháp thử nghiệm độc lập lần lượt giá trị các tham số

Theo [15] đây là phương pháp sử dụng trong trường hợp hàm f(x) là hàm không tường minh nhưng các giá trị của nó lại được xác định cụ thể khi các biến nằm trong miền xác định của chúng Đây là phương pháp giải bài toán tối

ưu đơn giản nhưng khối lượng tính toán rất lớn Chỉ khi dùng các máy tính hiện đại và phần mềm tiên tiến thì mới sử dụng được phương pháp này

Do bài toán xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay – đập, không xác định được hàm đa biến giữa chi phí năng lượng riêng và các thông

số ảnh hưởng đến quá trình khoan đá, nên sử dụng phương pháp này để tính toán là hợp lý