Nghiên cứu xác định thông số hợp lý đầu mũi khoan hầm lò Quảng Ninh

Lý do chọn đề tài Trong ngành khai thác than ở Việt Nam, hiện nay đang sử dụng hai phương pháp khai thác lộ thiên và khai thác hầm lò. Do đặc điểm địa chất mỏ và yêu cầu bảo vệ môi trường, sản lượng khai thác lộ thiên ngày càng giảm, qui mô khai thác ngày càng thu hẹp; Sản lượng và qui mô khai thác than hầm lò ngày càng tăng. Theo chiến lược ngành than [34], [35], đến năm 2015 sản lượng khai thác than lộ thiên là 18,615 triệu tấn, sản lượng khai thác than hầm lò là 31,57 triệu tấn. Đến năm 2020, sản lượng khai thác than lộ thiên là 18,155 triệu tấn, sản lượng khai thác than hầm lò là 36,6 triệu tấn.

Để đáp ứng yêu cầu nâng cao năng suất, hạ giá thành sản phẩm và tăng sản lượng khai thác than hầm lò nêu trên, cần thiết phải đẩy mạnh cơ khí hóa và hiện đại hóa các khâu trong công nghệ khai thác hầm lò một cách phù hợp với các mỏ của Việt Nam nói chung và của vùng than Quảng Ninh. Trong công nghệ khai thác hầm lò hiện nay ở vùng Quảng Ninh, công tác đào lò chuẩn bị đóng vai trò quan trọng. Tổng số mét đào lò năm 2010 là 347063 mét, năm 2011 là 382525 mét, năm 2012 là 353862 mét [36]. Với điều kiện đất đá mỏ có độ kiên cố tương đối lớn nên công tác khoan nổ vẫn là phương pháp phổ biến trong thi công đào lò chuẩn bị và thi công các công trình ngầm trong mỏ.

Tuy nhiên do điều kiện địa chất mỏ và đặc điểm của các đường lò cơ bản việc cơ giới hóa và tự động hóa thi công còn hạn chế; chủ yếu là dùng các khoan loại nhỏ, ngắn, đường kính mũi khoan nhỏ để thi công các đường lò cơ bản có khẩu độ vừa và nhỏ tại vùng mỏ than hầm lò Quảng Ninh. Máy khoan rất đa dạng về kết cấu và nguyên lý hoạt động phá vỡ đất đá khi khoan. Hầu hết các máy khoan được nhập ngoại từ nhiều nước khác nhau trên thế giới, vì vậy gây không ít khó khăn trong việc quản lý, sử dụng, vận hành và sửa chữa thay thế. Với độ kiên cố đất đá vùng Quảng Ninh, máy khoan đập được sử dụng phổ biến nhất với số lượng lớn trong các loại máy khoan tại các mỏ.

Nhưng cho đến nay, trong nước chưa có công trình và tài liệu nào nghiên cứu một cách hoàn chỉnh về máy khoan và đầu mũi khoan đập thông dụng này. Các công trình nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu mũi khoan, phục hồi choòng khoan và mũi khoan khi bị mòn hỏng hầu như chỉ được thiết kế, chế tạo theo mẫu, chưa được chú ý nghiên cứu phù hợp với điều kiện đất đá vùng Quảng Ninh và điều 2 kiện sử dụng cũng như các thiết bị liên quan để nâng cao tuổi thọ cho đầu mũi khoan và hiệu quả khi khoan. Xuất phát từ thực tế nêu trên và nhằm góp phần thực hiện chương trình nội địa hóa thiết bị, tác giả chọn hướng nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”. Mục đích nghiên cứu của luận án Mục đích nghiên cứu của luận án là đưa ra được quan hệ mòn hỏng của đầu mũi khoan với các yếu tố góc sắc, độ kiên cố của đất đá; lực đập và tốc độ quay của choòng khoan.

Từ đó xác lập được vùng thông số hợp lý của các thông số nêu trên, làm cơ sở đánh giá tuổi thọ đầu mũi khoan, năng suất và hiệu quả khoan khi khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tượng nghiên cứu Đầu mũi khoan đập kiểu chữ thập với góc sắc của đầu mũi khoan là đối tượng cụ thể. Độ kiên cố của đất đá vùng Quảng Ninh và các thông số công nghệ bao gồm lực đập, tốc độ quay của choòng khoan là các yếu tố tác động đến mũi khoan trong quá trình khoan tạo lỗ nổ mìn vùng Quảng Ninh.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu độ mòn mũi khoan bằng cách xác lập quan hệ giữa góc sắc của đầu mũi khoan với một số thông số công nghệ gồm: lực đập, tốc độ va đập, tốc độ quay của choòng khoan khi sử dụng máy khoan đập khí nén và độ kiên cố của đất đá vùng Quảng Ninh. Với tiêu chí nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan, hiệu quả khi khoan. Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết: Nghiên cứu tác động tương hỗ của đầu mũi khoan với đất đá vùng Quảng Ninh có độ kiên cố f = 6  8 và cơ chế mòn đầu mũi khoan; - Mô hình, mô phỏng; - Thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo thiết bị đo được các giá trị của các thông số công nghệ cần nghiên cứu. Đảm bảo độ chính xác của các phép đo.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5. Ý nghĩa khoa học - Xây dựng được mối quan hệ giữa lực đập, công đập, tốc độ khoan phụ thuộc vào góc sắc đầu mũi khoan, độ kiên cố của đất đá khoan. Tìm ra vùng thông số công nghệ và hình học hợp lý để độ mòn đầu mũi khoan nhỏ nhất, khi khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh; - Thông qua thực nghiệm khoa học, xác lập phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm, nhờ phương pháp quy hoạch thực nghiệm xác định được các hàm hợp lý quan hệ giữa thông số hình học đầu mũi khoan và các thông số công nghệ của máy khoan, độ kiên cố của đất đá khoan làm cơ sở minh chứng cho các quy luật về độ mòn đầu mũi khoan. Góp phần bổ sung về lý thuyết khoan đập, làm cơ sở để xác định độ mòn đầu mũi khoan trong những điều kiện cụ thể phục vụ công tác thiết kế, vận hành máy khoan đập nâng cao năng suất và tiết kiệm chi phí.

Ý nghĩa thực tiễn - Thiết kế chế tạo được thiết bị thí nghiệm, thực nghiệm đưa ra kết quả và kết hợp với nghiên cứu lý thuyết cho phép xác định, lựa chọn thông số hợp lý về hình dạng hình học đầu mũi khoan, xung lực đập, chiều sâu đập, tốc độ quay của đầu mũi khoan nhằm tăng năng suất khoan, tuổi thọ đầu mũi khoan khi khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò. Theo đó giúp giảm giá thành đầu mũi khoan, góp phần giảm nhẹ sức lao động; giảm giá thành sản xuất, nâng cao đời sống cho người lao động; - Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể ứng dụng cho việc lựa chọn, sử dụng và đặt mua dự trữ đầu mũi khoan tại các Công ty khai thác than ở Quảng Ninh. Đồng thời làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo đầu mũi khoan đập thay thế nhập ngoại. Nội dung của luận án Luận án đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng ảnh hưởng của đối tượng khoan đến đầu mũi khoan đập.

Nội dung của luận án gồm 4 chương chính làm rõ vấn đề nghiên cứu: “Nghiên cứu xác định một số thông số hợp lý của đầu mũi khoan dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh”, với các bảng biểu, hình vẽ, đồ thị và phần phụ lục. 4 Mở đầu Chương 1. Tổng quan về khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh Chương 2. Lý thuyết khoan đá bằng phương pháp khoan đập Chương 3.

Vật liệu, thiết bị và phương pháp thử nghiệm khoan đá bằng phương pháp khoan đập Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số hợp lý khi khoan đá bằng phương pháp khoan đập Kết luận Danh mục các công trình khoa học được công bố Tài liệu tham khảo Phụ lục 7. Luận điểm bảo vệ - Nghiên cứu điều kiện sử dụng các thiết bị khoan trong việc đào lò cơ bản và khai thác than ở các mỏ hầm lò vùng Quảng Ninh, đã lựa chọn máy khoan đập khí nén, đầu mũi khoan hình chữ thập để nghiên cứu; - Dựa trên lý thuyết về ứng suất và biến dạng, sự phá hủy của đất đá khi chịu tác dụng của ngoại lực xây dựng được công thức tính toán lực đập, công đập, tốc độ choòng khoan phụ thuộc vào góc sắc và độ kiên cố của đất đá khoan; ảnh hưởng của các thông số đó đến cường độ mòn đầu mũi khoan, năng suất khoan; - Thiết lập phương pháp nghiên cứu, tính toán tiên tiến - phương pháp quy hoạch thực nghiệm, phần mềm ứng dụng, đo đạc các giá trị thông số thực nghiệm làm cơ sở xác định vùng thông số hợp lý của góc sắc, lực đập, tốc độ quay choòng khoan phù hợp với độ kiên cố đất đá vùng Quảng Ninh, nhằm lựa chọn, thiết kế, chế tạo, sửa chữa đầu mũi khoan và máy khoan hợp lý theo tiêu chí tăng tuổi thọ và năng suất cao khi khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác hầm lò vùng Quảng Ninh. Điểm mới của luận án - Đưa ra được các quy luật tác dụng giữa thông số hình học của đầu mũi khoan, thông số công nghệ khoan lỗ nổ mìn dưới hình thức một hàm hợp lý, làm cơ sở xác 5 định vùng hợp lý các thông số theo tiêu chí tuổi thọ đầu mũi khoan và năng suất khoan.

- Xác định được phạm vi biến đổi hợp lý của 3 tham số (lực đập, tốc độ choòng khoan, độ kiên cố của đất đá) và góc sắc với độ bền đầu mũi khoan và năng suất khoan, làm cơ sở cho việc lựa chọn các thông số hình học đầu mũi khoan và thông số công nghệ khi thiết kế, chế tạo mới và sửa chữa thay thế cũng như trong vận hành máy khoan để nâng cao tuổi thọ đầu mũi khoan, nâng cao năng suất và hiệu suất khi khoan. - Xác định được ảnh hưởng của góc sắc đầu mũi khoan, lực đập, độ kiên cố đất đá và tốc độ choòng khoan đến cường độ mòn của mũi khoan (công thức 4.3); đưa ra được góc sắc hợp lý trên đầu mũi khoan trong khoảng (105115) độ, lực đập trong khoảng (8386) kN và tốc độ choòng khoan trong khoảng (450550) vòng/phút để khoan đất đá có độ kiên cố trong khoảng (68) tạo lỗ nổ mìn trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh. Trong quá trình thực hiện luận án, tác giả nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy trong Bộ môn Máy và Thiết bị mỏ, Khoa Cơ Điện, Phòng Đại học và sau đại học, các bạn đồng nghiệp. Nhân dịp này nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn: PGS.

TS Đinh Văn Chiến và PGS.