Mô phỏng động học tay máy 25 bậc tự do khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Mô phỏng động học tay máy 25 bậc tự do khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng Tổng quan về công nghệ khoan giếng đứng.Phân tích động học tay máy. Tính toán lựa chọn hệ thống xy lanh thủy lực và một số khớp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HOÀNG TÙNG

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY 25 BẬC TỰ DO KHOAN LỖ NỔ MÌN TRONG THI CÔNG GIẾNG ĐỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI – 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

PHẠM HOÀNG TÙNG

MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY 25 BẬC TỰ DO KHOAN LỖ NỔ MÌN TRONG THI CÔNG GIẾNG ĐỨNG

Chuyên ngành: Cơ điện tử

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN THUỲ DƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi Các số liệu

và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tác giả

PHẠM HOÀNG TÙNG

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT iiv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 2

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN 2

4.1 Ý nghĩa khoa học 2

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 3

VI NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN 3

CHƯƠNG 1-TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN GIẾNG ĐỨNG 5

1.1 Giới thiệu tổng quan về khoan giếng đứng trong thực tiễn 5

1.2 Công nghệ thi công 8

1.2.1 Công nghệ thi công khoan giếng ngược 9

1.2.2 Công nghệ thi công sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn 11

1.2.3 Công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn 12

1.3 Công nghệ khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng 14

1.4 Các loại robot trong thi công giếng đứng đã được thương mại hóa 16

1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước 19

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 19

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 19

Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 -PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY 22

2.1 Mô tả cấu tạo và nguyên lý của thiết bị 22

2.1.1 Giải pháp thiết kế robot 22

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot 24

2.2 Lược đồ hóa cơ cấu máy 26

2.3 Thiết lập hệ phương trình động học 30

2.4 Thuật toán thiết lập quỹ đạo điểm tác động cuối theo mặt gương nổ mìn 36

2.5 Mô phỏng chuyển động 37

Kết luận chương 2 44

CHƯƠNG 3- TÍNH TOÁN LỰA CHỌN HỆ THỐNG XY LANH THUỶ LỰC VÀ MỘT SỐ KHỚP 45

3.1 Đặt vấn đề 45

3.2 Mô hình hoá kết cấu về dạng nguyên lý 45

3.2.1 Khớp vai của thiết bị 45

3.2.2 Khớp cổ tay robot 46

3.2.3 Xy lanh tịnh tiến cẳng tay robot 47

3.3 Tính hành trình xy lanh khớp quay vai 48

3.4 Tính hành trình xy lanh khớp cổ tay 50

3.5 Tính chọn xy lanh 51

3.5.1 Tính toán áp lực lên các xy lanh 51

3.5.2 Tính đường kính xy lanh 59

3.5.3 Tính lưu lượng 61

3.6 Phân tích lực tác động lên một số khớp 63

3.6.1 Khớp xoay lật cánh tay 63

3.6.2 Cụm khớp lật 4 65

3.6.3 Cụm khớp lật 6 67

3.7 Tính toán kết cấu chốt 69

3.8 Tính toán kết cấu tai 71

3.9 Tính chọn xy lanh và một số khớp 74

3.9.1 Tính chọn xy lanh 74

3.9.2 Tính toán lựa chọn một số khớp 75

Kết luận chương 3 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

PHỤ LỤC 82

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT

H1 Khoảng cách từ khớp vai tới khớp xy lanh

L Khoảng cách từ khớp vai tới khớp cầu

 Chiều dài nhỏ nhất của xy lanh 1 chiếu trên mặt phẳng xOz

H2 Khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp xy lanh

L2 Khoảng cách từ khớp cổ tay tới khớp cầu

 Chiều dài nhỏ nhất của xy lanh 2 chiếu trên mặt phẳng xOz

H4 Khoảng cách từ C1 đến C2 chiếu trên mặt phẳng xOz

P Hợp lực tác dụng lên khâu 1 bao gồm trọng lực của cụm tay khoan và

F21x Thành phần lực song song với trục O1xπ của F21

F21z Thành phần lực vuông góc với trục O1zπ của F21

P21 Trọng lực của phần động xy lanh 1

P22 Trọng lực của phần tĩnh xy lanh 1

γ1 Góc hợp giữa phương của P và phương của P1

γ2 Góc hợp giữa phương của P12 và phương của P121

γ3 Góc hợp giữa phương của P11 và phương của P111

μ Góc hợp giữa phương của F21 và phương của F221

μ1 Góc hợp giữa phương của lực F21 và trục x

μ2 Góc hợp giữa phương của khâu 3 và trục x

Pk Trọng lực của cụm tay khoan

F34 Áp lực xy lanh phải chịu

β Góc giữa khâu cổ tay và phương thẳng đứng

F43 Lực do xy lanh 3 tác dụng lên cơ cấu cổ tay

 Góc hợp giữa phương của Pc và phương của trục

ρ Góc hợp giữa phương của F43 và phương của trục

T Tải trọng tác dụng lên cơ cấu cẳng tay theo phương thẳng đứng

R Tải trọng tác dụng lên cơ cấu cẳng tay theo phương hợp với trục x' một

λ Góc tạo giữa phương của F và trục x'

R2.2, R4.2, R6.2 Bán kính ngoài của tai trên cụm 2, 4, 6

r2.2, r4.2, r6.2 Bán kính trong của tai trên cụm 2, 4, 6

t2.2, t4.2, t6.2 Độ dày của tai trên cụm 2, 4, 6

δ2.2, δ4.2, δ6.2 Độ dày vành tai trên cụm 2, 4, 6

 t Ứng suất cho phép của trục để trục đủ bền td

k

k

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất – Automated parking systems for urban 4

Hình 1.7 Thiết bị khoan nghiền đất đá VSM 8000 của hãng Herrenknecht AG 10

Hình 1.12 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng của hãng Zhangjiakou

Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc

Hình 1.15 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng Shangdong

Mining Machinery Group – Trung Quốc sản xuất

17

Hình 1.16 Robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng hãng Murray

& Roberts

18

Hình 1.17 Phân tích kết cấu tay máy Robot bằng phương pháp phần tử hữu hạn 19

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí cơ cấu tay máy robot trong khoan lỗ nổ mìn

giếng đứng

23

Hình 2.2 Cơ cấu xoay được bố trí trên thân trong thiết kế của LCM

Projects

23

Hình 2.3 Cơ cấu xoay được bố trí bên dưới cơ cấu càng bám trong thiết kế

robot SDJ của Drill Pangolin – Trung Quốc

24

Hình 2.4 Hệ thống robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng 25

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ

nổ mìn đào giếng đứng

27

Hình 2.9 Cơ lật khớp cổ tay trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 28

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ

nổ mìn thi công giếng đứng

Hình 2.23 Mô phỏng quá trình khoan của tay máy robot 43

Hình 2.24 Robot thực hiện quá trình khoan lỗ trong phần mềm mô phỏng 44

Hình 3.1 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 45

Hình 3.3 Cơ cấu lật khớp cổ tay trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 46

Hình 3.11 Phân tích lực tác dụng lên khâu 1 trong trường hợp αmax 52

Hình 3.13 Phân tích lực tác dụng lên khâu tịnh tiến cơ cấu cẳng tay 55

Hình 3.20 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 63

Hình 3.21 Biểu diễn lực tác động lên khâu 3 và khớp tạo chuyển động lật

trong mặt phẳng π

64

Hình 3.22 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 65

Hình 3.24 Cơ cấu lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng 67

Hình 3.25 Biểu diễn lực tác động lên xy lanh và khớp bản lề tạo góc lật 68

bị nhỏ gọn, giá thành thi công rẻ hơn hai phương pháp trên, cùng khả năng thi công được trên đất đá cứng, phương pháp khoan lỗ nổ mìn vẫn là phương án tối ưu về năng suất, đạt hiệu quả về kinh tế khi áp dụng thi công tại những công trình có đặc điểm địa chất đá cứng, địa hình đồi núi hiểm trở, khó khăn trong việc vận chuyển và lắp đặt trang thiết bị phụ trợ

Tại Việt Nam hiện nay, với những ưu điểm và đặc điểm đã nêu, công nghệ khoan lỗ nổ mìn đặc biệt phù hợp khi nhu cầu khai thác khoáng sản, xây dựng các công trình thủy điện, các công trình quân sự nhằm đảm bảo an ninh quốc phòng tại những vị trí chiến lược với địa hình phức tạp và các công trình ngầm khác đang ngày một tăng cao Trong công tác thi công giếng đứng tại Việt Nam hiện nay, cụ thể trong công tác khai thác tại các mỏ than, do hạn chế về mặt công nghệ, đa phần công tác khoan đào giếng đứng vẫn được thực hiện chủ yếu bằng sức người với những thiết bị khí nén cầm tay đã lạc hậu Những năm gần đây, một số công trình giếng đứng thi công theo phương pháp khoan lỗ nổ mìn đã được cơ giới hóa bằng một số mẫu robot cỡ nhỏ như FJD-6A hay XFJD5.5 Tuy nhiên, công tác thi công, đào chống cũng như thiết bị phần nhiều vẫn do nhà thầu Trung Quốc thực hiện, khiến việc tự chủ trong thi công, đặc biệt tại những công trình quân sự trọng yếu yêu cầu đảm bảo an toàn và bí mật chưa được đáp ứng

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, đặt ra nhu cầu bức thiết trong việc nghiên cứu, tiến tới làm chủ công nghệ khoan lỗ nổ mìn sử dụng các thiết bị cơ giới, cụ thể ở đây là robot khoan lỗ nổ mìn tự động Với sự định hướng của giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Thuỳ Dương, luận văn được thực hiện với đề tài: “Mô phỏng động

học tay máy 25 bậc tự do khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng” Dựa trên

những nghiên cứu về cơ học đất đá, các nghiên cứu về phương pháp thi công khoan

lỗ nổ mìn tại những điều kiện địa chất khác nhau, các nghiên cứu về kết cấu máy để nâng cao hiệu quả khoan lỗ nổ mìn, luận văn này nghiên cứu đưa ra thiết kế và điều khiển động học cho tay máy khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

II MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

+ Tìm hiểu về các loại robot trong thi công giếng đứng

+ Thiết lập phương trình động học hệ thống tay máy robot thuỷ lực 25 bậc tự do trong thi công giếng đứng

+ Xây dựng thuật toán điều khiển động học và viết phần mềm mô phỏng

III PHẠM VI NGHIÊN CỨU

+ Xác định thông số điều khiển biến khớp đối với hệ tay máy robot thuỷ lực 25 bậc

tự do

+ Xây dựng quỹ đạo khâu tác động cuối từ công tác thi công giếng đứng

+ Giải các thông số biến khớp và lập trình mô phỏng quá trình thi công bề mặt giếng đứng và công tác khoan neo gia cố giếng

IV Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN

Mặt khác, kết quả này cũng là tiền đề để phát triển và xây dựng các mô hình robot khoan lỗ nổ mìn thi công giếng đứng, tiến tới làm chủ công nghệ, thiết kế chế tạo những robot tự động hóa quá trình thi công dựa trên quy trình đã được thiết kế Đây là một trong những vấn đề đặt ra, mở ra hướng đi mới, tiếp tục nghiên cứu trong thời gian tới

V PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng số để kiểm chứng tính đúng đắn của lý thuyết đưa ra

VI NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN

Luận văn được trình bày trong 82 trang và 60 trang phụ lục bao gồm (kết quả chương trình mô phỏng, mã code chương trình) và cụ thể như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ khoan giếng đứng

Chương 1 của luận văn tìm hiểu về một số công nghệ khoan giếng đứng phổ biến ngày nay trên thế giới, phân tích, so sánh ưu và nhược điểm của các công nghệ,

từ đó đưa ra phương án lựa chọn nghiên cứu công nghệ khoan giếng đứng bằng phương pháp khoan lỗ nổ mìn Bên cạnh đó, nhận thấy được tầm quan trọng của việc phát triển và ứng dụng các tay máy robot đào hầm trong việc cải thiện năng suất lao động Chương này cũng đưa ra các bước trong quy trình khoan nổ mìn giếng đứng, nguyên lý hoạt động của robot và tay máy robot trong khoan nổ mìn giếng đứng Trên cơ sở đó đề ra mục tiêu của đề tài và nhiệm vụ cụ thể phải thực hiện của luận văn

Chương 2: Phân tích động học tay máy

Dựa trên các thông số kỹ thuật được cho trước nhằm đáp ứng yêu cầu công nghệ, chương này đưa ra một mô hình kết cấu và nguyên lý hoạt động của robot khoan lỗ nổ mìn Từ mô hình đã xây dựng, lược đồ hoá cơ cấu máy, thiết lập phương trình động học và thuật toán thiết lập quỹ đạo điểm tác động cuối theo mặt gương nổ mìn Từ đó, mô phỏng quá trình thi công mặt gương trên phần mềm Visual Studio 2012 bằng ngôn ngữ lập trình C++

Chương 3: Tính toán lựa chọn hệ thống xy lanh thuỷ lực và một số khớp

Trên cơ sở mô hình kết cấu và nguyên lý hoạt động đã được xây dựng ở chương

2, chương 3 của luận văn tính toán chọn lựa xy lanh phù hợp cho các khớp chuyển

động chính của tay máy Dựa trên các thông số kỹ thuật được cho trước (góc lên xuống lớn nhất, các góc mở khi hoạt động, trọng lượng tay máy cùng các chi tiết cấu thành, lực tác động lên tay máy), các công thức về hình học để tìm ra hành trình

và áp lực tác động lên xy lanh Từ các kết quả tính toán đó, đưa ra phân tích, lựa chọn để tìm được xy lanh phù hợp với các thông số tay máy do đề bài đặt ra Bên cạnh đó, chương này cũng tính toán các thông số về độ bền, mỏi và các dạng phá hủy của một số chi tiết tai, chốt quan trọng Từ các thông số kỹ thuật cho trước về

vật liệu cùng các kết quả tính toán về lực đã tính ở trên, luận văn đưa ra công thức tính toán kiểm nghiệm các thông số cần thiết cho chi tiết chốt, tai và kết cấu chính

Kết luận

Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu của luận văn và đề ra các hướng nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện kết quả nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ KHOAN GIẾNG ĐỨNG

1.1 Giới thiệu tổng quan về khoan giếng đứng trong thực tiễn

Ngày nay, những nhu cầu về dân sự như khai thác khoáng sản, giao thông ngầm, công trình ngầm như bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất, các công trình ngầm về thoát

và xử lý nước thải, các công trình thủy điện, hay những nhu cầu về quân sự như hầm trú chiến tranh, kho chứa vũ khí, khí tài ngầm dưới lòng đất, mà không phá hủy cảnh quan môi trường xung quanh vô cùng lớn Do đó, việc thi công các công

trình ngầm luôn được quan tâm và chú trọng

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, để đáp ứng nhu cầu cao trong việc gửi và đỗ

xe trong đô thị, tháng 02 năm 2017, văn phòng UBND TP Hà Nội đã thông báo kết luận của tập thể lãnh đạo thành phố tại cuộc họp báo về tiến độ triển khai các dự án bãi đỗ xe ngầm trên địa bàn Theo đó, lãnh đạo Hà Nội nhất trí quy mô dự án bãi đỗ

xe ngầm tại công viên Thống Nhất, gồm tầng hầm một có chức năng thương mại, dịch vụ; 04 tầng còn lại để xe Ngoài dự án bãi xe ngầm tại công viên Thống Nhất, lãnh đạo Hà Nội cũng thống nhất quy mô dự án bãi xe ngầm ở Nhà thi đấu Quần Ngựa, Công viên Nhân Chính

Hình 1.1 Bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất – Automated

parking systems for urban [1]

Trong công nghiệp khai thác khoáng sản ở Việt Nam, mà cụ thể là trong lĩnh vực khai thác than, hiện nay, khi trữ lượng than tại các mỏ lộ thiên đang dần cạn kiệt, đòi hỏi những phương pháp mới để khai thác được những vỉa than có chất lượng cao ở sâu trong lòng đất, đồng thời tăng sản lượng khai thác Bản đồ quy hoạch về tiêu thụ lượng than nội địa phục vụ cho các ngành công nghiệp như: nhà máy nhiệt điện, nhà máy xi măng, sản xuất giấy, luyện kim màu,… cho thấy nhu cầu tiêu thụ than hàng năm tăng từ 15%÷20% Để đáp ứng nhu cầu này, bức thiết cần sử dụng phương pháp khoan đào giếng đứng để xây dựng các lò giếng đứng thay thế cho các đường hầm nghiêng Hiện tại, ở các mỏ hầm lò Việt Nam có rất ít giếng đứng, công tác mở vỉa chủ yếu bằng lò bằng hoặc giếng nghiêng Tính tới thời điểm năm 2013, trong ngành mỏ Việt Nam chỉ mới có hai công ty mỏ đang sử dụng giếng đứng là Công ty than Mông Dương (02 giếng) và Công ty than Hà Lầm (03 giếng), tuy nhiên công các đào chống phần nhiều đều do các nhà thầu nước ngoài đảm nhiệm [2] Bên cạnh việc ứng dụng thi công các giếng đứng trong khai thác than và khoáng sản, việc thi công giếng đứng cũng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng các giếng điều hòa áp lực tại các nhà máy thủy điện, các công trình giếng đứng phục vụ an ninh quốc gia, phòng thủ dân sự như hầm trú ẩn hay các công trình dân sự khác [3] Các thiết bị trên thế giới chỉ thích hợp cho các thuỷ điện

cỡ trung và lớn trong khi đó ở Việt Nam, theo thống kê có đến 4000÷5000 các thuỷ điện cỡ nhỏ vẫn phải thi công dựa trên sức người với các búa khoan khí nén cầm tay như PP-30, PP-24, PP-54, PP-63 của Nga, YT-25, YT-27, YL-18, YL-24 của Trung Quốc, PLB-241K của Thụy Sỹ làm chậm tiến độ, chất lượng nổ mìn không cao do

lỗ khoan bị sai lệch so với hộ chiếu nổ mìn

Hình 1.2 Jack-hammer trong

khoan phá đất đá [4]

Nhìn lại lịch sử phát triển của ngành thi công công trình ngầm, công nghệ thi công giếng đứng đã xuất hiện từ rất sớm Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai bùng nổ vào cuối thế kỉ XIX với sự ra đời của động cơ điện đã tạo tiền

đề cho công nghệ thi công giếng đứng thực sự có nhiều bước đột phá nhất định Năm 1844, thiết bị khoan khí nén cầm tay đầu tiên với tên gọi Jack-hammer được ra đời để đáp ứng cho nhu cầu khai thác mỏ, khai thác đá, khoan đào và thi công các đường hầm [5] Jack-hammer là một thiết bị sử dụng nguồn động lực từ động cơ khí nén hoặc một động cơ điện, kết hợp giữa búa và đục để khoan phá phần đất đá cần thi công Tùy vào kích thước thiết bị, các vấn đề địa chất của đất đá, khi sử dụng cần từ một đến hai công nhân kết hợp vận hành

Khi sử dụng thiết bị khoan cầm tay Jack-hammer, để thi công một giếng đứng có đường kính 8m, sâu 1,8m, cần 50 công nhân thực hiện quá trình khoan lỗ trong vòng 6 giờ Công việc này đòi hỏi một lượng nhân công lớn, chi phí cho thiết bị khí nén cũng như con người cao, mức ô nhiễm tiếng ồn lớn nhưng lại cho hiệu quả công việc không cao [6] Để tăng năng suất lao động cũng như hiệu quả khoan phá đất đá tại những nơi đá cứng và rất cứng như đá Biotie, đá xanh, Syenite, Limestone, một búa khoan Jack-hammer thủy lực hạng nặng cỡ lớn kết hợp với tay máy xúc

(An excavator-mounted hydraulic jack-hammer) được sử dụng như Volvo

EC210BLC, Volvo EC360BLC, Komatsu PC200, Hitachi EX200,

Khi thi công sử dụng thiết bị búa khoan Jack-hammer, do đặc trưng của cách vận hành là sử dụng đầu búa kết hợp đầu đục để khoan phá đất đá, âm thanh khi vận hành thường rất lớn, lên tới ngưỡng 100db khi đo ở khoảng cách 2m Ngoài ảnh

Hình 1.3 Thiết bị Volvo EC210BLC

hưởng đến thính giác và thần kinh do âm thanh vận hành lớn, do phản lực lớn tác động ngược trở lại người vận hành, việc sử dụng búa khoan Jack-hammer cũng gây

ra các vấn đề về thể chất khác cho công nhân Tuy nhiên, với giá thành thi công tương đối rẻ, sử dụng đơn giản, linh hoạt cùng đặc tính không có mạch điện công suất cao dễ gây tia lửa tạo cháy nổ, nên búa khoan Jack-hammer vẫn thường được

sử dụng trong khai thác trong hầm mỏ, khai thác khoáng sản, đào hầm

Mặc dù đã được cải tiến tuy nhiên phương pháp sử dụng búa khoan Jackhammer không cho năng suất và hiệu quả cao trong thi công Ngày nay, tại những quốc gia

có nền công nghiệp phát triển và đi đầu như Mỹ, Đức, Anh, Trung Quốc,… công nghệ thi công giếng đứng đã đạt tới trình độ tự động hóa cao với nhiều công nghệ khác nhau Nổi bật trong đó là công nghệ khoan giếng ngược (Raise boring – hay còn được gọi là “khoan robin” tại Việt Nam), công nghệ khoan sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn (Vertical shaft sinking) và công nghệ khoan nổ mìn được mô tả trong mục 1.2 dưới đây

1.2 Công nghệ thi công

Để thi công các công trình giếng đứng, với nền khoa học kỹ thuật phát triển, tùy thuộc vào đặc điểm kỹ thuật và công dụng giếng, hình dạng kích thước giếng, độ sâu giếng, đặc điểm địa chất công trình và một số yếu tố khác, ngày nay có rất nhiều phương pháp thi công khác nhau Một số phương pháp có thể kể đến như:

 Nhóm các phương pháp thi công truyền thống (Conventional sinking and lining) bao gồm: phương pháp khoan lỗ nổ mìn (Drilling and blasting) và phương pháp

sử dụng các thiết bị đào xúc (Mechanical excavators)

 Nhóm các phương pháp thi công hiện đại (Alternative methods of shaft construction) bao gồm: phương pháp sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn, phương pháp khoan giếng ngược (Raise drilling – hay còn được gọi là

“khoan robin” – cách gọi tên theo tên thiết bị Robbins raiseboring machines của hãng The Atlas Copco tại Việt Nam), phương pháp khoan “box-hole” (Box-hole drilling)

Trong các phương pháp thi công trên, nổi bật và được ứng dụng phổ biến ngày nay là phương pháp sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn, phương pháp khoan robin và phương pháp khoan lỗ nổ mìn

1.2.1 Công nghệ thi công khoan giếng ngược

Công nghệ khoan giếng ngược, hay còn được gọi là "khoan robin" tại Việt Nam Cách gọi tên công nghệ “khoan robin” tại Việt Nam được bắt nguồn từ cách đọc tên

thiết bị Robbins raiseboring machines của hãng The Atlas Copco Từ những năm

1968, trong ngành công nghiệp khai khoáng, phương pháp khoan giếng ngược

(thường được biết đến với cái tên Raise boring) đã xuất hiện để thi công những

công trình có đường kính từ 0.7m đến 7.1m, với độ sâu công trình lên đến 1260m [7,8] Giải pháp này được mô tả như sau:

 Ban đầu cần phải đào một đường hầm phụ để lấy đất đá Sau đó khoan một lỗ dẫn hướng bằng khoan địa chất Tiếp theo, sử dụng một đĩa khoan cắt đất đá có

kích thước lớn, còn hệ thống dẫn động (raise-boring machine) được đặt ở đỉnh

công trình (hình 1.4 mô tả giải pháp khoan giếng ngược) Giải pháp thi công thông thường đĩa khoan được đưa từ dưới lên (Raise boring), đôi khi cũng có thể đĩa khoan được đưa từ trên xuống (Down boring) Quá trình có thể được lặp lại nhiều lần tùy thuộc vào kích thước của đĩa khoan và đường kính giếng cần thi công [9] Trong trường hợp này đất đá sẽ thoát qua lỗ dẫn hướng xuống đường hầm

 Sau khi khoan, đất đá sẽ được vận chuyển ra ngoài bằng đường hầm phụ bởi các phương tiện cơ giới hoặc hệ thống vận chuyển Sau khi thi công xong phải lấp đường hầm phụ

Hình 1.4 Công nghệ khoan giếng ngược

Từ năm 1978, công ty Murray & Roberts Cementation đã nghiên cứu phát triển công nghệ này và hiện nay là một trong những đơn vị đi đầu trên thế giới [9] Đến nay, kỹ thuật này đã là một tiêu chuẩn công nghiệp trong lĩnh vực xây dựng các giếng thông gió và đường hầm Giải pháp thi công này cho hiệu quả kinh tế cao, an toàn trong quá trình thi công và có độ chính xác cao Kỹ thuật khoan giếng ngược tạo ra các vách hầm vững chắc hơn nhiều so với vách hầm được thi công bằng phương pháp truyền thống, được sử dụng hiệu quả ở những nơi phải hạn chế chấn động ở mức tối thiểu như khi thi công ở gần các công trình kiến trúc Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm kích thước giếng có giới hạn phụ thuộc vào đường kính đĩa cắt đất, độ mòn lưỡi cắt lớn khi khoan với tốc độ cao, giá thành đầu tư thiết

bị ban đầu cao và đòi hỏi địa hình thi công bằng phẳng, dễ di chuyển để vận chuyển các thiết bị phụ trợ siêu trường siêu trọng Do đó, kỹ thuật khoan giếng ngược phù hợp với các công trình đường hầm có kích thước nhỏ, thường được áp dụng cho các công trình khoan lỗ thông hơi, cửa lấy nước, đường ống cấp nước áp suất cao cho tua-bin của nhà máy thủy điện, hệ thống cống ngầm, hay kết hợp với các phương pháp khác để thi công các giếng có đường kính lớn

Hình 1.5 Công nghệ khoan giếng ngược - khoan robin

Hình 1.6 Công nghệ khoan giếng ngược – Khoan robin

Công ty cổ phần Sông Đà 10 là một trong những đơn vị tiên phong trong lĩnh vực thi công công trình ngầm đã đầu tư và đưa vào sử dụng tổ hợp máy khoan Robbins 73RM-DC-1366 của hãng Atlas Copco Robbins (Mỹ) Hiện nay Công ty

cổ phần Sông Đà 10 đã nhận được rất nhiều đơn đặt hàng từ các công trình hiện đại trong và ngoài nước như: thi công các giếng nghiêng và các tháp điều áp các công trình thủy điện Nậm Chiến 1, thủy điện Nậm Chiến 2, thủy điện Huội Quảng, thủy điện Sêkaman 3 (CNDCND Lào),

1.2.2 Công nghệ thi công sử dụng các thiết bị cắt nghiền đất đá cỡ lớn

Phương pháp sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn đi kèm dàn thiết bị phụ trợ, thường được biết với tên Large-diameter shaft drilling/boring Các thiết bị phổ biến thường được sử dụng như các model VSM 8000, VSM 2500, VSM 7700/5500 hay VSM 6500 do hãng Herrenknecht AG (Đức) sản xuất Phương pháp này hoạt động theo nguyên tắc sử dụng nước để làm mềm đất đá, đồng thời một đầu búa nghiền lớn gắn các đầu nghiền kim cương chuyên dụng sẽ nghiền vụn đất đá Đầu búa nghiền được gắn vào một cần cắt có thể xoay 190° theo cả hai hướng bắt đầu từ

vị trí ban đầu

Tùy thuộc vào các đặc điểm địa chất, đặc trưng về đất đá, sự xâm nhập của các mạch nước ngầm tại công trình, phương pháp này có những thay đổi nhất định Tại công trình có địa chất chủ yếu gồm cát, cát xi măng, đất mùn và đá vôi, đồng thời

có mạch nước ngầm đi qua công trình, quá trình thi công được thực hiện chìm dưới mực nước ngầm Đất đá sau đó được trộn thành bùn loãng và bùn loãng được hút lên với sự hỗ trợ của hệ thống bơm khí nén (Air-lift assistance) [10] như công trình

Hình 1.7 Thiết bị khoan nghiền đât đá VSM 8000 của hãng Herrenknecht AG

(Đức) [5]

giếng đứng được thi công bởi hệ thống VSM 8000 do hãng Herrenknecht AG (Đức) tại Kuwait vào năm 2003 (hình 1.7 mô tả công nghệ này) [11]

Với những công trình có đặc điểm địa tầng và địa chất khác, trong điều kiện đá

ổn định với cường độ kháng nén của đá trung bình khoảng 100MPa tới 200MPa, không chứa mạch nước ngầm, giải pháp thi công cũng tương tự như tại Kuwait Tuy nhiên, phần đất đá đã được khoan đào được vận chuyển ra khỏi công trình thông qua hệ thống vận tải hoặc qua một giếng thoát đã được đào trước

Giải pháp thi công này cho năng suất và hiệu quả cao, tiếng ồn không lớn, không gây ảnh hưởng tới các công trình lân cận Tuy nhiên, chi phí đầu tư về mặt thiết bị, vận hành cao, ngoài ra còn đòi hỏi mặt bằng cũng như diện tích thi công lớn [12]

Do giải pháp thi công này đòi hỏi có nhiều thiết bị phụ trợ đi kèm và kích thước thiết bị thi công lớn thường là siêu trường, siêu trọng Vì vậy, giải pháp này chỉ thích hợp cho thi công các công trình ngầm như ga tàu điện ngầm hay nền móng các kiến trúc cao tầng ở các thành phố lớn nơi có địa hình bằng phẳng

1.2.3 Công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn

Giải pháp khoan lỗ nổ mìn - Drilling and Blasting (được mô tả trên hình 1.9): đây là giải pháp truyền thống, được biết đến đầu tiên trong việc thi công giếng đứng

và đã được một người quản lý mỏ có tên Martin Weigel áp dụng lần đầu tiên vào năm 1617 tại Frieberg - Đức [13] Giải pháp này được mô tả như sau:

Hình 1.8 Công nghệ khoan nghiền đất đá

+ Ban đầu phải thi công đường hầm phụ để lấy đất đá, sau đó khoan một lỗ thoát đất

đá bằng khoan địa chất từ đỉnh công trình xuống đường hầm, có thể kết hợp với khoan giếng ngược để mở rộng lỗ khoan

+ Từ bản thiết kế công trình cùng các thông số khảo sát địa tầng đất đá, người kỹ sư thi công công trình tiến hành thiết kế hộ chiếu nổ mìn, sau đó tiến hành khoan lỗ

nổ mìn Đất đá sau khi nổ mìn được thoát xuống đường hầm phụ qua lỗ thoát đất

đá, việc lấy đất đá ra khỏi giếng cũng được thực hiện như công nghệ khoan giếng ngược

Ưu điểm của giải pháp này là thiết bị thi công nhỏ gọn, linh hoạt, giá thành thi công rẻ hơn hai giải pháp trên và đặc biệt thích hợp với các địa hình đồi núi hiểm trở khó khăn trong việc vận chuyển trang thiết bị như các giếng đứng điều hòa của nhà máy thủy điện hay các hầm quân sự bí mật sâu trong rừng

Công nghệ khoan nổ mìn yêu cầu khoan những lỗ theo hộ chiếu nổ mìn đã được xác định trước Khi sử dụng máy khoan tay, việc xác định vị trí và góc nghiêng yêu cầu của các lỗ khoan trên mặt gương theo hộ chiếu nổ mìn đã thiết kế là tương đối khó khăn, dẫn tới chất lượng gương nổ và hiệu quả nổ mìn không đảm bảo Để tự động hóa quá trình khoan lỗ nổ mìn, trên thế giới, từ những năm đầu của thế kỉ XX, một số thiết bị khoan nổ mìn tự động trong thi công giếng đứng đã được nghiên cứu phát triển như tại Công ty Murray & Roberts Holdings (Nam Phi) [10] Tính tới thời điểm hiện tại, trên thế giới hiện nay có một số công ty đang nghiên cứu thiết kế, và

đã cho ra mắt các mẫu robot khoan nổ mìn tự động cỡ lớn như hãng Zhangjiakou Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery (Trung Quốc) với các mẫu SJZ(XFJD) series hay YSJZ, hãng Herrenknecht AG (Đức) hay hãng Murry & Roberts Holdings (Nam Phi)

Hình 1.9 Công nghệ khoan lỗ nổ mìn [14]

1.3 Công nghệ khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Quy trình thi công giếng đứng theo phương pháp khoan lỗ nổ mìn gồm các bước thi công như sau:

 Thi công đường hầm phụ: Với những công trình giếng có độ sâu lớn có thể

lên tới hàng km, việc vận chuyển đất đá sau khi nổ mìn lên khỏi giếng bằng hệ thống máy trục, máy bốc xúc, gàu xúc kéo thả chiếm rất nhiều thời gian, làm giảm năng suất lao động Vì vậy, cần có đường hầm phụ được thi công theo phương ngang, nằm phía dưới công trình kết hợp với lỗ thoát đất đá để vận chuyển đất đá ra khỏi công trình

 Lỗ dẫn hướng - "pilot hole": Được thi công nhờ phương pháp sử dụng

khoan địa chất để khoan từ đỉnh công trình theo phương thẳng đứng Sau đó, công nghệ khoan giếng ngược raise-boring được áp dụng để doa rộng lỗ dẫn hướng, tạo thành đường thoát đất đá sau khi nổ mìn

 Hộ chiếu nổ mìn: Từ các thông số đặc điểm địa hình, địa mạo, địa chất (độ

cứng, độ nứt nẻ, thế nằm của đá, các loại lớp đất đá, chiều dày lớp, góc nghiêng của lớp, hệ số kiên cố f, dung trọng, ), các điều kiện địa chất thủy văn (mạch nước ngầm, lượng nước ngầm vào giếng, ), đặc điểm giếng (hình dạng mặt cắt, quy mô

hố đào, diện tích mặt cắt, ) cùng các thông số của lượng thuốc nổ trong thi công,

người kỹ sư công trình đưa ra những bản thiết kế hộ chiếu nổ mìn tương ứng tại các

vị trí mặt cắt thi công Hộ chiếu nổ mìn cho biết số lượng, vị trí, khoảng cách, độ

nghiêng, chiều sâu, của các lỗ mìn cần khoan và thứ tự nổ trên mặt gương thi công [15]

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng và tính chất các lớp đất đá mà giếng phải đào qua, giếng có hình dạng khác nhau Thông thường để thuận tiện cho công tác thi công giếng qua các lớp đất đá có hệ số kiên cố khác nhau, giếng có tiết diện hình tròn được lựa chọn Do đó, các lỗ mìn trên hộ chiếu nổ mìn được phân bố theo các đường tròn đồng tâm và có ba loại lỗ nổ mìn chính với các yêu cầu kỹ thuật như sau:

- Nhóm lỗ đột phá: có góc nghiêng khoảng 10° hướng tâm Nhóm lỗ đột phá được

nổ đầu tiên, có tác dụng chính để tạo mặt thoáng cho loạt nổ tiếp theo, làm giảm đường kháng nổ của khối đất đá

- Nhóm lỗ phá: được khoan theo phương thẳng đứng Nhóm lỗ phá được nổ sau

nhóm lỗ đột phá, có tác dụng mở rộng giếng

- Nhóm lỗ tạo biên: có góc nghiêng khoảng 5° hướng biên Nhóm lỗ tạo biên được

nổ sau cùng Các lỗ mìn biên phải do thợ bậc cao đảm nhận

 Công tác gia cố hầm: Trong quá trình khoan thi công sâu xuống, do áp lực

đất đá tác dụng lên thành giếng cũng như độ trượt của các lớp đất đá gây ra hiện tượng sạt lở thành giếng Do đó, cần gia cố thành giếng Để gia cố thành giếng, người ta tiến hành khoan theo phương song song với mặt gương [16, 17]

Để nâng cao hiệu quả thi công đào đá bằng nổ mìn, có thể áp dụng đồng thời nhiều phương pháp nổ mìn khác nhau như nổ mìn lỗ nông, nổ mìn lỗ sâu, nổ mìn lỗ khoan nghiêng, nổ mìn buồng, nổ mìn bầu, nổ mìn hầm, nổ mìn phân đoạn thường hoặc phân đoạn không khí, nổ mìn viền, nổ mìn vi sai, nổ mìn với lỗ khoan phụ thêm và nổ mìn trong môi trường nén,v.v Ngoài ra, việc cơ giới hóa quá trình thi công cũng là một giải pháp được ưu tiên chọn lựa

Kết luận: Trong công nghệ thi công giếng đứng bằng phương pháp khoan lỗ nổ

mìn truyền thống sử dụng máy khoan cầm tay do đội thợ khoan thực hiện, thông thường chu trình khoan lỗ chiếm từ 35% ÷ 50% tổng thời gian thi công Do đó, để nâng cao năng suất lao động, cần thiết giảm thời gian của công đoạn khoan lỗ Để đáp ứng yêu cầu về công nghệ, cần đưa ra được cơ cấu robot khoan chéo theo mặt gương hộ chiếu nổ mìn Ngoài ra, robot còn có chức năng khoan ngang để gia cố đường hầm

1.4 Các loại robot trong thi công giếng đứng đã được thương mại hóa

Trong quá trình phát triển, robot trong thi công giếng đứng đã được nghiên cứu

và chế tạo với nhiều kết cấu khác nhau bởi một số hãng như Zhangjiakou Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery (Trung Quốc), hãng Herrenknecht AG (Đức), hãng Shangdong Mining Machinery Group (Trung Quốc), hãng Murray & Roberts (Nam Phi), Dưới đây là một số loại robot trong thi công giếng đứng đã được thương mại hoá:

 Series Model YSJZ sản xuất bởi hãng Zhangjiakou Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery (Trung Quốc)

Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản của Series Model YSJZ [19]

YSJZ 3.6 YSJZ 4.8 YSJZ 6.12

Hình 1.11 Thiết bị khoan Robbins 73RM-DC hiện đang được sử

dụng tại Công ty cổ phần Sông Đà 10 [18]

 Robot Shaft Drilling Jumbo (SDJ) sản xuất bởi hãng Herrenknecht AG (Đức)

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật cơ bản Robot Shaft Drilling Jumbo (SDJ) [20]

Thông số kỹ thuật Đơn vị Giá trị

Đường kính giếng thi công mm 4000 ÷ 12000

Hình 1.13 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng Herrenknecht AG – Đức sản xuất [20]

Hình 1.12 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng của hãng Zhangjiakou

Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc

 Series Model FJD sản xuất bởi hãng Shangdong Mining Machinery Group (Trung Quốc)

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật cơ bản của Series Model FJD [21]

Thông số kỹ thuật Đơn vị Model

Trọng lượng kg 5300 7500 10500

 Robot sản xuất bởi hãng Murray & Roberts (Nam Phi)

1.5 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, để nâng cao hiệu quả công tác khoan lỗ, nổ mìn trong thi công đường hầm các nhà khoa học trên thế giới

đã và đang nghiên cứu chuyên sâu về từng công đoạn thi công và thiết bị phục vụ quá trình khoan lỗ, nổ mìn, trong đó phải kể đến:

i) Nghiên cứu về cơ học đất đá: Trên cơ sở thực tiễn quá trình thi công đường

hầm Vouli ở Phần Lan có đặc điểm địa chất tự nhiên với nhiều lớp trầm tích, đá cứng được hình thành từ 1750÷1990 triệu năm về trước [22], nhóm tác giả A.Petko, R.Ziman đã nghiên cứu đưa ra quy trình thi công theo phương pháp khoan lỗ nổ mìn trong điều kiện địa chất phức tạp Để giải quyết được vấn đề này nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu đặc điểm cơ học của đất đá, từ đó đưa

Hình 1.16 Robot khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng hãng

Murray & Roberts

ra quy trình thi công bao gồm: hộ chiếu nổ mìn, kỹ thuật khoan, liều lượng và loại thuốc nổ, kỹ thuât nổ để thi công đường hầm này Ngoài ra, nhóm tác giả cũng đưa ra bộ số liệu thực nghiệm khi thi công đó là với hầm có diện tích tiết diện cắt ngang 90m2 thì cần phải khoan 163,471m lỗ nổ, 157,333kg thuốc nổ và

31,839 kíp nổ ( trong đó 28,495 kíp của hãng Nonel LP và 3,344 kíp của hãng Firex VA-T )

ii) Nghiên cứu về thiết bị để nâng cao hiệu quả khoan lỗ nổ mìn:

khoan nổ mìn đào hầm thế hệ mới, bằng việc nghiên cứu, tính toán thiết kế thông qua hệ thống phần mềm hiện đại để phân tích tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn với điều kiện biên là các điều kiện thực tế trong thi công đường hầm nhằm giảm chi phí thực nghiệm

và chiều sâu khoan của búa khoan “Jack Hammer” khi thi công đường hầm trong điều kiện địa chất là các loại đá cứng, tác giả V.Raghavan [25]

đã tiến hành thí nghiệm trong hai trường hợp đó là: Trường hợp thứ nhất

sử dụng búa khoan “Jack Hammer” thông thường còn trường hợp thứ hai nối đầu búa khoan này với một xy lanh khí nén để thí nghiệm khoan vào các loại đá xanh, Syenite, Limestone với tốc độ khoan 1,5m/phút và loại

đá Biotie ở độ sâu 2,5m/phút với áp lực khí 4 kg/cm2 Từ các thí nghiệm này tác giả đưa ra kết luận khi nối thêm xy lanh khí nén tốc độ khoan cắt

ăn sâu đất đá cao hơn Cùng với hướng nghiên cứu này còn có tác giả R.Phillips và các cộng sự [26] đã đưa ra giải pháp dùng động cơ điện một chiều để thay thế cho khoan khí nén và thuỷ lực Kết quả đã được thử nghiệm trên robot ExoMars của dự án hợp tác giữa cơ quan vũ trụ Nga

Hình 1.17 Phân tích kết cấu tay máy Robot bằng phương pháp phần tử hữu hạn [24]

(Roscosmos) và cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA) trong việc khoan lấy mẫu

đất đá ở hành tinh đỏ nhằm tìm kiếm dấu hiệu của sự sống trên hành tinh này

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam, các nghiên cứu tập trung vào việc nghiên cứu phát triển công nghệ thi công khoan lỗ, nổ mìn Tác giả Đỗ Thụy Đằng [27] đã nghiên cứu để công nghệ khoan nổ mìn lỗ nhỏ đào toàn gương đường lò trong đá liên kết rắn chắc được sạch hơn Theo nghiên cứu được tác giả công bố vào tháng 3 năm 2009, ở nước ta, công nghệ này đang chuyển dần lên trình độ khoan nổ mìn vi sai phân đoạn tạo biên có

sử dụng các lỗ khoan trống Tuy nhiên chưa có nguyên tắc hợp lý hoá các biện pháp giảm đường cản nhỏ nhất của khối đá theo từng phía của từng phát mìn (W) cùng với quy cách từng phát mìn và quy trình điều khiển nổ chúng để thực hiện từng nhiệm vụ đặt ra: nổ đột phá (đp), nổ phá (p) và nổ tạo biên (b) Do đó, hiệu quả kinh

tế kỹ thuật, an toàn và bảo vệ môi trường còn hạn chế và không chắc chắn Dẫn tới việc công nghệ này còn phải được làm sạch hơn một cách chắc chắn hơn Nghiên cứu này tập trung vào 03 vấn đề cơ bản: giảm W, giảm tổng chi phí thuốc nổ để đào đường lò (Q), và tăng tiến độ chu kỳ khoan nổ mìn tiến gương (LCK)

Thêm vào đó, các nghiên cứu khác như xác định chi phí thuốc nổ và sự phân bố chúng khi đi gương toàn diện các đường hầm trong vùng đá liên kết rắn chắc [28], lượng lỗ khoan trống khi khoan nổ mìn toàn gương đường hầm trong đá liên kết rắn chắc [29], phân tích lựa chọn một số thông số khoan nổ mìn cơ bản khi đào giếng đứng ở mỏ bằng phương pháp khoan nổ mìn [30], ảnh hưởng của nổ mìn đến trạng thái ứng suất trong khối đá quanh đường hầm [31], biên dạng phá huỷ trong khối đá xung quanh đường lò ở độ sâu lớn [32],

Kết luận chương 1

Từ các nguồn tài liệu khác nhau, chương 1 của luận văn đã tổng hợp và đưa ra cái nhìn tổng quan về các công nghệ thi công giếng đứng phổ biến hiện nay, đặc biệt là công nghệ khoan lỗ nổ mìn Từ các phân tích nghiên cứu cũng như thực trạng trong công tác thi công giếng đứng tại Việt Nam hiện nay, khi chu trình khoan

lỗ chiếm từ 35%÷50% tổng thời gian thi công, luận văn nhận thấy yêu cầu bức thiết

về việc cơ giới hoá trong thi công để tăng năng suất lao động Từ đó, chương 1 đã xác định nhiệm vụ cho chương 2, cần xây dựng mô hình robot đáp ứng yêu cầu công nghệ của công nghệ khoan lỗ nổ mìn trong thi công giếng đứng

Chương 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG HỌC TAY MÁY

2.1 Mô tả cấu tạo và nguyên lý của thiết bị

Xét quá trình khoan lỗ nổ mìn, yêu cầu định vị của mũi khoan bao gồm định vị vị trí đầu khoan và hướng của cần khoan Từ các yêu cầu về công nghệ đã được đề cập cũng như mô tả ở chương 1, cần đưa ra robot có các chức năng khoan các lỗ thẳng đứng và lỗ xiên theo mặt gương hộ chiếu nổ mìn, đồng thời có thể khoan theo phương ngang trong công tác gia cố đường hầm

Như vậy, tay máy robot cần có cơ cấu 05 bậc tự do như sau:

- 04 bậc tự do thực hiện chu trình khoan lỗ trên mặt gương

- Thêm 01 bậc tự do để khoan neo theo phương ngang trong công tác gia cố giếng

Từ phân tích và yêu cầu như trên, giải pháp thiết kế robot được đưa ra như sau

2.1.1 Giải pháp thiết kế robot

Để khoan những lỗ khoan có độ sâu đáp ứng yêu cầu công nghệ từ 3 ÷ 4m tại những vị trí có điều kiện địa chất phức tạp gồm các loại đá có độ cứng khác nhau, có

thể đạt hệ số độ rắn lên tới f = 20 theo “Thang phân loại độ cứng đất đá Prostodiaconov”, cần sử dụng thiết bị khoan với trọng lượng từ 0,5 tấn đến 1,2 tấn Do

đó, cánh tay robot gồm các khâu chuyển động, hệ thống dẫn động, hệ thống điều khiển

và một số thiết bị phụ trợ khác có tổng trọng lượng thường từ 01 tấn đến 1,5 tấn Robot thi công tại các công trình có đặc điểm về môi trường làm việc ở sâu trong lòng đất với những công trình có độ sâu lên tới hàng km, có đặc điểm khí hậu và địa chất thủy văn tại Việt Nam với độ ẩm cao, cùng đặc điểm về môi trường làm việc khắc nghiệt có nhiều bụi

Xuất phát từ những vấn đề trong thực tiễn, để đáp ứng công nghệ, yêu cầu hệ thống truyền động phải có công suất cao và áp lực lớn, độ tin cậy cao, ít đòi hỏi về chăm sóc

và bảo dưỡng, dễ dàng phòng quá tải, dễ dàng biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, dễ theo dõi và quan sát, tự động hóa đơn giản Từ đó, hệ thống truyền động bằng xy lanh thủy lực được lựa chọn

Ta có sơ đồ nguyên lý sau:

Để tăng năng suất, trong cùng một thời điểm cần khoan được nhiều lỗ, 06 tay khoan được bố trí quanh thân robot Ngoài ra, để linh hoạt đáp ứng nhiều hộ chiếu nổ mìn với các cách bố trí lỗ mìn khác nhau, robot còn có thêm một cơ cấu xoay toàn phần cụm 06 tay khoan theo phương mặt gương được gắn trên thân Hiện nay trên thế giới, có hai giải pháp bố trí cơ cấu xoay trên thân robot, tương ứng với hai loại robot với khả năng trụ khác nhau:

+ Giải pháp thứ nhất ứng với robot được thiết kế đứng vững trên mặt đất bằng hệ thống chân đế như các model XFJD6.7, XFJD6.10 trong series sản phẩm SJZ (XFJD) của hãng Zhangjiakoa Xuanhua Huatia Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc hay LCM Projects Với mô hình robot này, cơ cấu xoay được gắn trên thân robot, gần cơ cấu chân đế Hình 2.2 mô tả giải pháp này

+ Giải pháp thứ hai ứng với robot được thiết kế bám trụ trong lòng giếng bởi cơ cấu càng bám thủy lực như trong các thiết kế Shaft Drilling Jumbo (SDJ) của hãng

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lí cơ cấu tay máy

robot trong khoan lỗ nổ mìn giếng đứng

| Hình 2.1 Mô hình hóa kết cấu cẳng tay tay máy

Herrenknecht AG – Đức hay robot Hydrau shaft drill rigs của hãng Haniel Mining Systems GmbH – Đức hay Series YSJZ của hãng Zhangjiakoa Xuanhua Huatia Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc hay robot SDJ của hãng Drill Pangolin – Trung Quốc Với thiết kế này, cơ cấu xoay được bố trí ngay bên dưới cơ cấu càng bám hoặc tăng một bậc tự do cho tay máy

Deilmann-Giải pháp này thích hợp cho những giếng có đường kính nhỏ, yêu cầu thành giếng phải được gia cố vững chắc để robot có thể bám trụ trong quá trình khoan Tuy nhiên, với giải pháp này, những lỗ khoan của loạt khoan đầu tiên trên mặt đất khi không có

thành giếng để bám, robot không thể thi công được khiến độ linh hoạt của robot giảm

Kết luận: Xuất phát từ yêu cầu công nghệ của công nghệ khoan lỗ nổ mìn thi công

giếng đứng, từ cơ sở thực tiễn môi trường làm việc tại Việt Nam và những yêu cầu

đã được trình bày trên, giải pháp thiết kế của robot được đưa ra trong mục 2.1.2 dưới đây

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của robot

Để nâng cao hiệu quả công tác khoan lỗ nổ mìn theo hộ chiếu được mô tả trên mục 2a, hệ thống được thiết kế gồm sáu tay máy thủy lực 5 bậc tự do như mô tả trên hình 2.4 Trong đó mỗi tay máy sẽ mang một hệ thống tay khoan có khối lượng từ 1 tấn đến 1,5 tấn Phương án thiết kế như sau:

Hình 2.3 Cơ cấu xoay được bố trí bên dưới cơ cấu càng bám trong thiết kế robot SDJ của Drill

Pangolin – Trung Quốc

 Nguyên lý hoạt động của robot:

Robot được treo theo phương thẳng đứng bởi móc treo cùng hệ thống giàn đỡ được gắn tại miệng giếng và được thả xuống lỗ đã được khoan sẵn Đầu dò định vị

sẽ định vị đường đi và giữ cho robot luôn thẳng Trong lúc đó, chân đỡ dưới tác dụng của lò xo sẽ xòe ra và đỡ robot đứng yên trong khi làm việc Đồng thời, 6 cánh tay robot cùng cụm tay khoan được gắn trên thân sẽ thực hiện quá trình khoan nổ mìn theo hộ chiếu nổ mìn đã được thiết kế Khi hoàn thành quá trình khoan, robot được kéo lên theo phương thẳng đứng Do trọng lực của chân đế, 3 chân robot được gập lại sát thân

Do đặc điểm trong ngành đào hầm, kích thước của các tay máy lớn, điều kiện làm việc khắc nghiệt, có nhiều bụi bặm nên thường được sử dụng là tay máy robot thủy lực, các chuyển động xoay được biến đổi về chuyển động tịnh tiến của xy lanh thủy lực được mô tả trong hình 2.5 nhằm tăng khả năng tải của hệ thống

Hình 2.4 Hệ thống robot khoan lỗ nổ mìn

trong thi công giếng đứng

Tay máy thủy lực 5 bậc tự do

Nguyên lý hoạt động của tay máy được mô tả như sau:

+ Xy lanh ➀ có chức năng tạo chuyển động lật lên xuống cho cánh tay robot

+ Xy lanh ➁ tạo chuyển động tịnh tiến để cánh tay có thể vươn ra xa trong quá trình làm việc và thu về khi di chuyển ra/vào

+ ➂ là động cơ thủy lực có chức năng xoay toàn vòng cơ cấu cẳng và cổ tay, được sử dụng khi khoan theo tiết diện ngang trong công tác gia cố hầm

+ Xy lanh ➃ có chức năng tạo chuyển động lật lên xuống cho cơ cấu cổ tay robot

2.2 Lược đồ hóa cơ cấu máy

Để phân tích động học mỗi tay máy được đưa về dạng cấu trúc cơ cấu như ở hình 2.6

Trong đó:

: chuyển động quay lật của khớp

: chuyển động truyền lực của xy lanh

Dựa trên sơ đồ hình 2.6 ta hoàn toàn giải được bài toán động học, động lực học như một Robot chuỗi động học hở thông thường để xác định vị trí và hướng của giá khoan Để dễ dàng trong tính toán, ta chia tay máy ra làm các phần sau

Trong đó: 1 Khâu cố định của robot (gắn trên thân robot); 2 Khớp bản lề đỡ cánh tay tạo chuyển động lật; 3 Khâu cánh tay; 4 Khớp bản lề tạo chuyển động lật trong không gian của xylanh; 5 Xylanh tạo chuyển động lật cánh tay robot; 6 Khớp bản lề tạo góc lật

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lí của một cánh tay robot trong

hệ thống khoan lỗ nổ mìn đào giếng đứng

Từ kết cấu được mô tả trên hình 2.7 ta có sơ đồ nguyên lý của cụm cơ cấu lật khớp vai được mô tả trên hình 2.8

Trong đó:

: chuyển động quay chính của cẳng tay

: chuyển động truyền lực và mô men điều khiển chuyển động quay của cánh tay

Trong đó: 1 Khớp bản lề đỡ cánh tay tạo chuyển động lật; 2 Xylanh tạo chuyển động lật cổ tay robot; 3 Khớp bản lề tạo chuyển động lật trong không gian của xy lanh; 4 Khâu cẳng tay; 5 Khớp bản lề tạo góc lật; 6 Khâu cổ tay

Từ kết cấu được mô tả trên hình 2.9 ta có sơ đồ nguyên lý của cụm cơ cấu lật khớp vai được mô tả trên hình 2.10