VỀ một PHƯƠNG PHÁP xác ĐỊNH ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG đầu mũi KHOAN của máy KHOAN đập DÙNG để KHOAN tạo lỗ nổ mìn TRONG KHAI THÁC mỏ VÙNG QUẢNG NINH

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG ĐẦU MŨI
KHOAN CỦA MÁY KHOAN ĐẬP DÙNG ĐỂ KHOAN TẠO LỖ NỔ MÌN
TRONG KHAI THÁC MỎ VÙNG QUẢNG NINH
A METHOD FOR DETERMINING THE PERCUSSION DRILL BIT’S STRESS AND
DEFORMATION IN CREATING BLASTHOLES AT QUANGNINH COAL MINES
TS. Lê Quý Chiến1,a, PGS.TS. Đinh Văn Chiến2,b
1
Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh
2
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội
a
;
TÓM TẮT
Có nhiều phương pháp xác định ứng suất, biến dạng các chi tiết và máy. Trong báo cáo
này, nhóm tác giả trình bày phương pháp xác định ứng suất, biến dạng đầu mũi khoan của
máy khoan đập dùng để khoan tạo lỗ nổ mìn trong thi công đường lò cơ bản khai thác than
vùng Quảng Ninh bằng các phần mềm Ansys [1], Inventor [2], Matlab [3]. Kết quả nghiên
cứu được dùng để tính toán mũi khoan, các chi tiết, cụm chi tiết bộ giá khoan và tính ứng
suất, biến dạng một số cụm chi tiết của thiết bị khoan.

Từ khoá: bộ giá khoan, tạo lỗ, nổ mìn, khai thác than, đầu mũi khoan.
ABSTRACT
At present, many methods are employed to determine the stress and deformation of
manchine and its components. Using Matlab, Inventor, Ansys softwares, this paper will
present a method to determine the percussion drill bit’s stress and deformation in creating the
development sharfs at Quang Ninh undergound coal mines. This research result can be used
for designing and analysis of drilling tools, components as well as checking for strength of
drilling components.
Keywords: drilling tripod, create blastholes, blasting, coal mining, drill bit.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Theo chiến lược phát triển của ngành Than, tầm nhìn đến năm 2020; sản lượng than khai
thác hầm lò khoảng 50 triệu tấn/năm, chiếm tỉ lệ ngày càng lớn trong ngành khai thác khoáng
sản. Để đạt mục tiêu đó, ngành Than phải đẩy mạnh việc xây dựng các đường lò cơ bản phục vụ
cho công tác khai thác. Hiện nay, thi công các đường lò cơ bản trong ngành Than chủ yếu dùng
công nghệ khoan nổ mìn. Để tăng năng suất, tăng tuổi thọ của chi tiết và máy khoan cần thiết
phải nghiên cứu, thiết kế các chi tiết và máy, tính toán một số thông số của các chi tiết, xác định
ứng suất, biến dạng một số cụm chi tiết trên máy khoan, đặc biệt là đầu mũi khoan dùng để
khoan tạo lỗ nổ mìn khi thi công các đường lò cơ bản dùng trong khai thác than hầm lò vùng
Quảng Ninh.
Trong giới hạn báo cáo này, nhóm tác giả nêu một phương pháp xác định ứng suất, biến
dạng của đầu mũi khoan đập để khoan tạo lỗ nổ mìn trong khai thác than hầm lò.
2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
2.1. Cấu tạo cơ bản đầu mũi khoan đập [4]
Dụng cụ của khoan đập là đầu mũi khoan và choòng khoan được chế tạo từ loại thép
đặc biệt, một đầu dùng để phá vỡ đất đá gọi là đầu mũi khoan, còn đầu kia lắp với máy gọi là
884


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
đuôi choòng. Thân choòng có lỗ để dẫn khí nén hoặc nước tới đầu khoan để thổi phoi. Thân
choòng làm nhiệm vụ truyền lực dọc trục gồm lực đẩy và lực đập tới đầu khoan; định hướng
cho lỗ khoan; thoát phoi. Có hai dạng choòng khoan: Choòng khoan liền và Choòng khoan có
đầu mũi khoan tháo lắp được.
2.1.1. Đầu mũi khoan [4]
Đầu mũi khoan dùng để phá vỡ đất đá tạo thành lỗ khoan gồm nhiều loại. Hình 1 là loại
khoan đập kiểu chữ thập [9]. Mũi khoan được chế tạo bằng thép các bon dụng cụ có hàm
lượng các bon từ 0.7% đến 1% bằng phương pháp rèn sau đó mài sắc [8]. Khi phần lưỡi cắt
có gắn hợp kim cứng thì mũi khoan có thế được chế tạo bằng phương pháp đúc. Khi khoan,
mũi khoan bị mòn lưỡi và đường kính do ma sát với đất đá khoan, đường kính nhỏ dần, góc

sắc trở thành tù, nếu không mài hoặc thay mũi khoan mới thì không thể tiếp tục khoan được
nữa. Sự mòn của mũi khoan phụ thuộc vào nhiều thông số như: độ kiên cố của đất đá khoan f,
xung lực đập (lực dọc trục Pk), góc sắc của lưỡi cắt α, vật liệu làm mũi khoan, tần số đập…
Tuỳ thuộc vào độ kiên cố và cấu tạo của đất đá, chọn đầu mũi khoan đập có góc sắc như
sau: để khoan đất đá mềm, góc sắc của lưỡi là α = 900, đất đá cứng trung bình α = 1000  1100
và đất đá cứng α = 1200.
Đầu mũi khoan có lưỡi dạng chữ thập dùng để khoan đất đá nứt nẻ mạnh. Đầu khoan rời
bao gồm những loại có đường kính như sau: 28, 32, 36, 40, 42, 44, 46, 52, 60, 65, 75, 85 mm, [4].
Trong quá trình khoan, đầu mũi khoan dễ bị mòn lưỡi và mòn đường kính, có thể phục
hồi bằng cách mài nhưng phải đảm bảo giữ các thông số hình học của nó và phải tạo trước
diện tích mòn thích hợp khoảng 0,2 mm.

Hình 1. Hình dáng đầu mũi khoan đập có lưỡi dạng chữ thập [9]
2.1.2. Nguyên lý khoan đập [4]
Khi đập, đầu mũi khoan tác dụng vào đất đá với độ sâu h và tạo thành rãnh có chiều rộng là
a, (hình 2). Sau mỗi lần đập, dụng cụ khoan được nâng lên khỏi gương lỗ khoan và quay đi
một góc  nhất định rồi lại đập tiếp tạo thành rãnh mới.
Khi lực đập Pk và chiều sâu phá vỡ h đủ lớn thì khối đất đá trong giới hạn góc ω bị đẩy
trượt và phá vỡ tại thời điểm tạo thành rãnh mới. Đá bị phá vỡ được lấy ra khỏi lỗ khoan nhờ
nước hoặc khí nén.
Dụng cụ khoan tiến sâu vào lỗ khoan chỉ tại thời điểm đập dưới tác dụng của xung lực
dọc trục. Khi dụng cụ khoan quay trước mỗi lần đập thì đất đá không bị phá vỡ. Trên gương
lỗ khoan, một phần đáng kể diện tích (gần trung tâm) chịu tải trọng đập lặp lại nên đất đá bị
nghiền nát nhiều.
885


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong công nghệ khoan đập, việc xác định góc quay ω hợp lý rất quan trọng bởi vì: Nếu
góc quay  quá nhỏ thì phần diện tích đất đá gần trung tâm chịu tác dụng đập lại nhiều lần sẽ

làm tốn công vô ích; còn nếu góc quay  quá lớn thì phần diện tích đất đá giữa hai lần đập sẽ
không bị phá hủy.

Hình 2. Sơ đồ phá vỡ đất đá khi khoan đập
1-Vùng đập vỡ; 2- Lớp phá vỡ;
3- Vùng nứt nẻ; 4- Vùng vỡ lở.

Góc quay ω phụ thuộc vào góc sắc đầu mũi khoan α, lực đập Pk, độ bền nén của đất
đá… Khi chế tạo máy khoan, góc quay ω được xác định theo kinh nghiệm (máy khoan đập
dùng năng lượng khí nén cầm tay hoặc có giá).
Cơ chế phá vỡ đất đá khi khoan đập gồm các vùng: Vùng 1 là vùng đập vỡ, trong đó khi
năng lượng đập đủ lớn thì biên của vùng này có dạng tròn; Vùng 2 là vùng đất đá bị phá vỡ
bởi các vết nứt hướng tâm; Vùng 3 là vùng nứt nẻ, tại đây đất đá không bị phá huỷ mà chỉ bị
nứt do các vết nứt ở vùng 2 kéo dài; và Vùng 4 là vùng vỡ lở, đất đá bị phá vỡ bởi các vết nứt
cong lộ ra mặt tự do, vùng này bị phá vỡ do thắng độ bền cắt của đất đá.
2.1.3. Xác định các thông số khoan đập [4]
Có nhiều phương pháp tính toán trong khoan đập. Để xác định các thông số của khoan
đập, thường xác định các thông số cơ bản một cách tương đối, phương pháp xác định các
thông số như sau [4].
Từ hình 2, dưới tác dụng của lực dọc trục Pk, đất đá bị phá vỡ trên diện tích có chiều
rộng là:
a  2h.tg


2

(1)

;m

trong đó, α- góc sắc đầu khoan, độ;
Khi đó diện tích đất đá bị phá vỡ sau một lần đập sẽ là:
S1  a.d  2d .h.tg


2

(2)

;

Để phá vỡ đất đá và tiến sâu vào đất đá thì dụng cụ khoan phải cần một lực là:
Pk = Fn + Fm;

(3)

trong đó, Fn là lực để thắng độ bền nén của đất đá:
Fn = S1.σn = 2d . n .h.tg


2

;

(4)

Fm là lực để khắc phục lực ma sát khi dụng cụ khoan tiến sâu vào đất đá [4]:
Fm = 2.d.h.σn.fms;
fms là hệ số ma sát giữa thép và đất đá = 0,3 ÷ 0,5.
886

(5)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Từ (3),(4),(5) ta có:

 

Pk  2.d . n h  tg  f ms 
 2


(6)

Công đập cần thiết cho một lần đập được xác định theo công thức:

 

Ad  Pk h  2.d.h 2 .n  tg  f ms  ;
 2


(7)

Khi đó, công đập trong một phút là:

 

At  2.d.h 2 .n  tg  f ms  .n;

 2


(8)

trong đó, n - số lần đập trong một phút.
Mặt khác thể tích đất đá bị phá vỡ sau một lần đập là:

V1  a.d .h  2d .h 2 .tg


;
2

(9)

Như vậy, thể tích đất đá bị phá vỡ trong một phút là:

V f  V1 .n  2d .n.h 2 .tg


;
2

(10)

Khi đó tốc độ khoan được xác định:

v

4.V f
.d 2



8.h 2 .n.tg
.d


2;

(11)

Cũng có thể xác định tốc độ khoan theo công đập của máy khoan bằng cách thay thay h
từ công thức (9) vào (11), khi đó:

v

4.Ad .n.tg


2

 

.d .n  tg  f ms 
 2


;

(12)

2

Tuy nhiên, khi tính toán với máy khoan cụ thể, tốc độ khoan thực tế còn phụ thuộc vào
hiệu suất đập. Khi đó:

vt  .v;

(13)

ở đây,  là hiệu suất đập của máy khoan được xác định theo công thức:



m1 .m2 .1  k 

 m1  m2 

2

2

;

(14)

trong đó, m1, m2 - khối lượng của bộ phận đập và dụng cụ khoan; k - hệ số hồi phục, k =
0,55  0,56. Từ công thức (12) và (13) cho thấy, các thông số cơ bản của máy khoan và đầu

khoan ảnh hưởng đến tốc độ khoan đá bao gồm: năng lượng một lần đập Ad , tần số đập n ,
đường kính lỗ khoan d và góc sắc đầu mũi khoan  . Còn thông số cơ bản của đất đá là độ
bền nén của đất đá  n hay hệ số kiên cố của đất đá f và hệ số ma sát.
887


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Quá trình khoan đá thực chất là sự tương tác giữa đầu mũi khoan và nền đất đá, lực cắt
sinh ra từ đầu mũi khoan làm phá vỡ kết cấu của đá dẫn đến đá xung quanh đầu mũi khoan bị
tách ra khỏi nền tạo thành lỗ khoan. Do đó, khi nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công
nghệ đến hiệu suất khoan cũng như độ bền đầu mũi khoan cần phải giải các bài toán tương tác
giữa đầu mũi khoan và đất đá. Hiện nay, về mặt lý thuyết, công cụ hiệu quả nhất để giải các
bài toán này là công cụ mô phỏng bằng các phần mềm FEA như Ansys, Abaqus hay MSC
Nastran... Trong giới hạn báo cáo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm Ansys kết hợp phần
mềm Matlab, Inventor để mô phỏng và xác định ứng suất biến dạng của đầu mũi khoan đập
khi khoan đá tạo lỗ nổ mìn ở vùng than Quảng Ninh.
2.2. Phương pháp xác định độ bền đầu mũi khoan thông qua ứng suất và biến dạng
Việc xác định ứng suất và biến dạng của dụng cụ khi khoan đập nhằm đánh giá ảnh
hưởng của các yếu tố tới độ bền của đầu mũi khoan. Ở đây, nghiên cứu máy và dụng cụ khoan
sử dụng để khoan các lỗ trên gương đào của đường lò cơ bản. Kết quả khảo sát cho thấy các
lỗ khoan trên gương đào của đường lò cơ bản dùng trong khai thác than hầm lò có đường kính
Ø ≤ 52mm; chiều sâu lỗ khoan L ≤ 1,2 ÷ 3m. Chọn đường kính lỗ khoan tính toán Ø = 42mm;
L ≤ 3m;; Sử dụng loại đầu khoan đập khí nén ПР-30 do Liên Xô sản xuất khoan được đất đá
có độ nứt nẻ mạnh; có độ kiên cố f = 4 ÷ 12. Các thông số kỹ thuật cơ bản của máy và đầu
mũi khoan như sau [9]: số cần khoan 01; độ sâu lỗ khoan ≤ 3m; đường kính lỗ khoan <
45mm; độ kiên cố đất đá thích hợp f = 4 ÷ 12; tần số đập 1880÷ 2000 lần/phút; lưu lượng khí
tiêu hao 3,5 m3/phút; áp lực khí sử dụng 0,5 Mpa; trọng lượng khoan 30 kG.
Áp dụng phương pháp tính toán các thông số khoan đập đã được trình bày trong mục
2.1.3 với các tham số của đầu mũi khoan là: chiều rộng của mặt đầu a tương ứng với mép
ngoài và mép trong của một lưỡi cắt (a = 0,01m; với 4 lưỡi cắt a = 0,04m); Đường kính lỗ

khoan được xác định thông qua khoảng bán kính tương ứng với mép ngoài và mép trong của
lưỡi cắt r và khoảng cách c giữa hai mép trong của lưỡi cắt trên cùng đường kính theo công
thức [4]:

d  2.r  c

(15)

Đối với mũi khoan nghiên cứu hình 1, r = 0,014m; c = 0,014m, khi đó d  0,042m.
Thay các thông số trên vào các công thức (1) và (6) xác định được lực cắt Pk theo góc sắc
và độ kiên cố f. Kết quả tính toán này được lập trong bảng 1.
Bảng 1. Giá trị lực cắt tương ứng góc sắc và độ kiên cố f
Góc sắc  (độ)

Pk (kN)
fkp

90

95

100

105

110

115

120

125

130

4

85,72

84,06

82,53

81,11

79,79

78,54

77,36

76,23

75,16

5

107,14

105,08

103,17

101,39

99,73

98,17

96,69

95,29

93,95

6

128,57

126,09

123,80

121,67

119,68

117,80

116,03

114,35

112,74

7

150,00

147,11

144,43

141,95

139,62

137,44

135,37

133,41

131,53

8

171,43

168,12

165,07

162,23

159,57

157,07

154,71

152,46

150,32

9

192,86

189,14

185,70

182,50

179,52

176,71

174,05

171,52

169,11

10

214,29

210,15

206,33

202,78

199,46

196,34

193,39

190,58

187,90

11

235,72

231,17

226,97

223,06

219,41

215,98

212,73

209,64

206,69

12

257,15

252,18

247,60

243,34

239,36

235,61

232,07

228,70

225,48

888


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Sử dụng mô hình tương tác đầu mũi khoan và đất đá như hình 2, với kết cấu đầu mũi
khoan được mô hình hóa 3D như hình 3.
Ở đây, thân mũi khoan chế tạo bằng thép hợp kim 40Cr, còn các lưỡi cắt làm bằng hợp
kim cứng BK8 [9].
Với giả thiết phản lực tác dụng lên đầu mũi khoan phân bố đều trên diện tích lưỡi cắt
và đúng bằng lực cắt đã tính trong bảng 1, nhưng có
chiều ngược lại. Sử dụng phần mềm Ansys 15 mô
phỏng trong trường hợp góc sắc =110o, độ kiên cố
f = 4 thu được kết quả trường ứng suất của đầu mũi
khoan như trên hình 4, trường biến dạng như trên
hình 5.
Từ ảnh đồ phân bố ứng suất, biến dạng đầu mũi
khoan trong trường hợp góc sắc  = 110o và độ kiên
cố f = 4 có thể thấy: khi khoan, phản lực của đất đá
tác dụng lên đầu mũi khoan chủ yếu theo phương
dọc trục, trực tiếp lên các bề mặt phần lưỡi cắt ép
vào đất đá. Ảnh đồ ứng suất (hình 4) và biến dạng
(hình 5) cho thấy, phần lưỡi cắt chịu ứng suất lớn

Hình 3. Mô hình 3D đầu mũi khoan
đập dạng chữ thập với góc sắc α =

1100 (thiết kế Inventor [2])

hơn, phân bố tương đối đều trên toàn bộ lưỡi cắt, lớn nhất tại mép ngoài phía trong giá trị này
lên tới 379,29 MPa, ứng suất trung bình trên lưỡi cắt là 321 MPa.

Hình 4. Ảnh đồ phân bố ứng suất đầu
mũi khoan với α = 1100 và f=4

Hình 5. Ảnh đồ phân bố biến dạng đầu
mũi khoan với α = 1100 và f=4

Kiểm tra điều kiện bền lưỡi cắt làm bằng hợp kim cứng BK8 cho thấy [5]:
max  379,3 

ch 1600

 533,3(MPa)
n.kd 1,5.2

(16)

trong đó, ch- giới hạn chảy của vật liệu làm lưỡi cắt (với hợp kim cứng BK8,
ch  1600 (MPa) [6]; n - hệ số an toàn, với dụng cụ cắt thường lấy n  1,4 1,6 ; kd - hệ số
tải trọng động trong làm việc, ở đây chọn kd  2 .
Như vậy, lưỡi cắt trong trường hợp làm việc với đất đá có độ kiên cố f = 4 và α = 1100
đủ bền. Cũng trên ảnh đồ cho thấy, ứng suất lớn nhất trên thân mũi khoan tại mép ngoài tiếp
xúc với lưỡi cắt. Trong trường hợp này giá trị ứng suất lớn nhất của thân mũi khoan bằng
197,89 MPa. Kiểm tra điều kiện bền thân mũi khoan làm bằng hợp kim 40Cr cho thấy:
max  197 ,89 

ch 1080

 360(MPa)
n.kd 1,5.2

ở đây, ch- giới hạn chảy của vật liệu làm thân mũi khoan (thép dụng cụ 40Cr,
ch  1080 (MPa) [6];
889


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Như vậy, trong trường hợp làm việc với đất đá có độ kiên cố f = 4 và α = 1100 thân mũi
khoan có độ dự bền cao hơn lưỡi cắt. Điều này cho thấy, khi khoan lưỡi cắt có nguy cơ bị mài
mòn và phá hủy cao hơn thân mũi khoan.
Để đánh giá độ bền đầu mũi khoan cũng như tìm quy luật ảnh hưởng của các thông số
của đầu mũi khoan đá, chủ yếu là góc sắc  và độ kiên cố f của đất đá, bằng mô hình và
phương pháp tương tự, nhóm tác giả đã thực hiện mô phỏng quá trình khoan ở các trường hợp
góc sắc  khác nhau và độ kiên cố của đất đá nền khác nhau. Kết quả thu được các giá trị ứng
suất lớn nhất trên lưỡi cắt thể hiện trên bảng 2, ứng suất trung bình trên bề mặt lưỡi cắt trên
bảng 3 và ứng suất lớn nhất trên thân mũi khoan trên bảng 4. Các số liệu tính toán này là cơ
sở để xác định thông số hợp lý của đầu mũi khoan theo tiêu chuẩn bộ bền.
Bảng 2. Giá trị ứng suất lớn nhất trên lưỡi cắt
max (MPa)

Góc sắc  (độ)

f

90

95

100

105

110

115

120

125

130

4

425,6

411,5

390,1

382,8

379,3

380,5

349,3

343,5

344,1

5

532,0

514,3

487,5

478,5

477,9

475,6

436,5

429,5

430,2

6

638,0

617,3

584,9

574,2

565,1

570,7

523,6

515,5

516,3

7

744,7

720,2

682,4

669,9

660,6

665,8

610,7

601,5

602,5

8

850,6

823,2

779,8

765,6

756,2

761,0

697,9

687,4

688,6

9

956,4

926,1

877,3

861,3

851,7

856,1

785,0

773,4

774,7

10

1062,3 1029,1 974,7

957,0

947,3

951,2

872,2

859,4

860,9

11

1168,1 1132,0 1072,1 1052,7 1042,8 1046,3 959,3

945,4

947,0

12

1274,0 1235,0 1169,6 1148,4 1138,4 1141,4 1046,5 1031,4 1033,1

Bảng 3. Giá trị ứng suất trung bình trên lưỡi cắt
tb (MPa)

Góc sắc  (độ)

f

90

95

100

105

110

115

120

125

130

4

368,7

359,0

343,5

335,0

321,0

310,7

304,4

285,7

273,2

5

461,0

448,6

429,5

418,6

402,2

388,3

378,6

357,0

341,5

6

553,2

538,4

515,3

502,3

482,7

465,9

452,8

428,3

409,8

7

645,4

628,0

601,3

585,9

563,2

543,5

527,1

499,7

478,1

8

737,6

717,6

687,3

669,6

643,7

621,0

601,3

571,0

546,4

9

829,8

807,2

773,3

753,3

724,1

698,6

675,6

642,4

614,7

10

922,1

896,8

859,3

836,9

804,6

776,2

749,8

713,7

683,0

11

1014,3 986,4

945,3

920,6

885,1

853,8

824,0

785,0

751,2

12

1106,5 1076,0 1031,2 1004,3 965,6

931,3

898,3

856,4

819,5

890

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 4. Giá trị ứng suất lớn nhất trên thân mũi khoan
m (MPa)

Góc sắc  (độ)

f

90

95

100

105

4

241,1

235,9

210,0

5

301,5

294,9

6

361,8

7

110

115

120

125

130

200,1

197,89 189,1

184,9

178,2

194,4

262,3

250,3

242,3

236,4

231,1

222,9

243,0

353,9

314,8

300,4

290,9

283,6

277,4

267,5

291,6

422,1

413,0

367,1

350,6

339,4

330,9

323,6

312,2

310,2

8

482,4

472,0

419,5

400,8

388,0

378,2

369,9

356,8

328,7

9

542,7

531,0

471,8

451,0

436,6

425,4

416,2

401,5

437,3

10

603,1

590,0

524,2

501,1

485,2

472,7

462,4

446,2

485,9

11

663,4

649,0

576,5

551,3

533,7

520,0

508,7

490,8

534,5

12

723,7

708,0

628,9

601,5

582,3

567,2

554,9

535,5

583,0

Trên cơ sở số liệu tính toán từ mô phỏng trong các bảng 2, 3 và 4, sử dụng phương pháp
bình phương nhỏ nhất [7] và phần mềm Matlab, xây dựng được các hàm hồi quy quan hệ ứng
suất lớn nhất trên lưỡi cắt max , ứng suất trung bình trên lưỡi cắt tb và ứng suất lớn nhất trên
thân mũi khoan  m theo góc sắc  và độ kiên cố f , tương ứng là các hàm (17), (18) và (19).

max  386,1+150,1.f  7,078.+0,01.f 2  0,5055.f .  0,032.2

(17)

tb  82,57+146,5.f  1,482.  0,0025.f 2  0,6004.f .  0,0065.2

(18)

m  1486+89,37.f  27,4.  0,00059.f 2  0,5305.f .  0,125.2

(19)

Trên cơ sở số liệu tính toán trong các hàm hồi quy (17), (18) và (19) vẽ được đồ thị
phản ánh sự phụ thuộc vào góc sắc  và độ kiên cố f của giá trị ứng suất lớn nhất trên lưỡi cắt
như hình 6, ứng suất trung bình trên lưỡi cắt như hình 7 và ứng suất lớn nhất của thân mũi
khoan như hình 8.

Hình 6. Ứng suất lớn nhất
trên lưỡi cắt với góc sắc  và
độ kiên cố f

Hình 7. Ứng suất trung
bình trên lưỡi cắt với góc
sắc  và độ kiên cố f

Hình 8. Ứng suất lớn nhất
trên thân mũi khoan với góc
sắc  và độ kiên cố f

3. NHẬN XÉT
Trong các bảng 2, 3 và 4, vùng đánh dấu chỉ giá trị ứng suất vượt quá giá trị cho phép
theo giới hạn bền của vật liệu chế tạo lưỡi cắt và thân mũi khoan. Có nghĩa là, khi khoan với
các góc sắc và đất đá có độ kiên cố tương ứng với giá trị ứng suất trong vùng đánh dấu, điều
kiện bền của lưỡi cắt hoặc thân mũi khoan không bảo đảm. Như vậy, với loại mũi khoan tính
toán không thể sử dụng để khoan các loại đất đá có độ kiên cố cao hơn 8. Cụ thể:
891


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Nếu xét độ bền ứng với ứng suất lớn nhất của lưỡi cắt, với độ kiên cố f = 4 hoặc 5,
lưỡi cắt chỉ đủ bền với tất cả các góc sắc , và có thể khoan đất đá có độ kiên cố f = 6 khi góc
sắc > 115o. Không đủ bền với f > 6.
- Nếu xét độ bền ứng với ứng suất trung bình của lưỡi cắt, với đất đá có độ kiên cố f = 4
hoặc 5, lưỡi cắt chỉ đủ bền với tất cả các góc sắc , có thể khoan đất đá có độ kiên cố f = 6 khi
góc sắc > 90o, có thể khoan đất đá có độ kiên cố f =7 khi góc sắc >115o. Không đủ bền
với f > 7.
- Nếu xét độ bền ứng với ứng suất lớn nhất của thân mũi khoan, thân mũi khoan đủ bền
với đất đá có độ kiên cố f = 4 và 5 ở tất cả các góc sắc tính toán, f = 6 thì góc sắc > 90o, f =
7 thì > 100o, f = 8 thì > 120o, và f = 9 thì > 125o.
Tiếp tục phân tích các hàm hồi quy (17), (18) và (19) và các đồ thị hình 6 và 7 cho thấy,
ứng suất lớn nhất và ứng suất trung bình trên lưỡi cắt có xu hướng tăng lên khá nhanh, gần
như tuyến tính theo độ kiên cố f, nhưng có xu hướng giảm chậm tuyến tính khi tăng góc sắc.
Còn trên đồ thị hình 8 cho thấy, ứng suất lớn nhất trên thân đầu mũi khoan cũng có xu hướng
tăng lên nhanh tuyến tính theo độ kiên cố f, nhưng lại có xu hướng giảm khi góc sắc  < 110 o
và có xu hướng tăng khi  > 110 o, tại vùng lân cận với vùng có góc sắc =110 o, ứng suất lớn
nhất trên thân đầu mũi khoan có giá trị cực tiểu. Như vậy, đối với thân đầu mũi khoan tính
toán, góc sắc  hợp lý là các giá trị được chọn trong khoảng (105115) độ.
Sự phá hủy của đá khi khoan là do tác động của lực va đập trực tiếp từ đầu mũi khoan
đến bề mặt của đá. Như vậy, ở đây có hai vấn đề liên quan là lực va đập của đầu mũi khoan và

ứng xử cơ học của đá dưới tác dụng của lực va đập.
Nghiên cứu trường ứng suất và biến dạng của đá khi tác dụng lực, sự phá hủy của đá có
độ kiên cố trung bình và tương đối cứng, tương đương đá tại Quảng Ninh, là phá hủy dòn dẻo, tuân theo cơ chế phá hủy Hoek - Brown [9].
Mô phỏng số là một công cụ hữu hiệu để tìm ra các mối quan hệ giữa các biến số. Bằng
cách xây dựng mô hình hình học, đưa điều kiện ban đầu và điều kiện biên, tác dụng ngoại lực
vào tính toán, có thể quan sát được trường biến dạng và ứng suất khi khoan đá.
Bằng mô phỏng có thể xác định được lực cắt đá, trường biến dạng và sự phá hủy của đá.
Dựa trên kết quả mô phỏng có thể hình dung, dự báo, kiểm tra kết quả thực nghiệm, cho phép
phân tích mối quan hệ giữa độ kiên cố của đá khoan với các thông số công nghệ và tuổi thọ
đầu mũi khoan.
Sử dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng các tương tác trong quá trình khoan lỗ
nổ mìn có thể sơ bộ xác định được sự ảnh hưởng của một số thông số công nghệ khoan đập.
Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy, lực đập và góc sắc là hai thông số ảnh hưởng lớn
nhất đến chất lượng khoan lỗ và độ bền dụng cụ khoan. Các kết quả cũng cho thấy, công nghệ
khoan đập rất phù hợp để khoan lỗ nổ mìn ở vùng than Quảng Ninh với độ kiên cố của đá
trong khoảng từ 48. Khi đó, vùng góc sắc của mũi khoan hợp lý có thể chọn trong khoảng từ
(90120) độ, trong khoảng này, khi góc sắc tăng, độ bền của lưỡi cắt tăng. Tuy nhiên, độ bền
của thân đầu mũi khoan lại tốt hơn khi góc sắc trong khoảng từ (100120) độ. Do đó, giá trị
góc sắc hợp lý được chọn trong vùng lân cận với góc sắc =110 độ (trong khoảng (105115)
độ). Khi đó cả thân đầu mũi khoan và lưỡi cắt đều có độ bền cao.
4. KẾT LUẬN
Các kết quả nghiên cứu nêu trên đã phân tích được ứng suất và biến dạng đầu mũi
khoan và dùng phần mềm Ansys 15 để kiểm tra bền cho đầu mũi khoan.
Trên cơ sở số liệu tính toán từ mô phỏng, sử dụng phương pháp số bình phương nhỏ
nhất [7] và phần mềm Matlab, xây dựng được hàm hồi quy quan hệ ứng suất trên lưỡi cắt và
892


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
thân mũi khoan theo góc sắc và độ kiên cố đất đá f. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở cho việc

thực nghiệm xác định thông số hợp lý như: góc sắc , lực đập và tốc độ quay choòng khoan.
Những thông số này phụ thuộc vào độ kiên cố f của đất đá vùng Quảng Ninh theo tiêu chí
tăng tuổi thọ đầu mũi khoan và tăng hiệu suất khoan.
Như vậy, bằng phương pháp mô phỏng sự tương tác giữa đầu mũi khoan và đất đá khi
khoan đập, đã xác định được giá trị hợp lý của thông số góc sắc đầu mũi khoan để khoan lỗ
nổ mìn ở vùng than Quảng Ninh theo điều kiện bền của lưỡi cắt và thân mũi khoan. Tuy
nhiên, nghiên cứu này mới chỉ xác định được giá trị hợp lý của góc sắc theo điều kiện bền. Để
xác định được các thông số góc sắc, lực đập, tốc độ khoan và chiều sâu đập theo tuổi thọ đầu
mũi khoan và hiệu suất khoan cần phải sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm. Hệ
thống đo thử nghiệm và phương pháp xác định các thông số này sẽ được nhóm tác giả đề cập
đến trong các công trình nghiên cứu tiếp theo.
Với các kết quả nghiên cứu nêu trên cho phép tính toán, lựa chọn và xác định được độ
bền đầu mũi khoan theo hướng tăng tuổi bền, đảm bảo cho thiết bị khoan làm việc theo yêu
cầu đặt ra khi khoan lỗ nổ mìn phục vụ việc đào các đường lò cơ bản trong xây dựng, khai
thác mỏ vùng Quảng Ninh. Điều này có thể giúp tăng năng suất, hạ giá thành và góp phần chủ
động trong việc lập kế hoạch sản xuất, sửa chữa thiết bị khoan.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đinh Bá Trụ, Hoàng Văn Lợi, Hướng dẫn sử dụng Ansys. Học Viện Kỹ thuật Quân sự,
2003.
[2]. Bộ môn Máy và Robot, Inventor - Thiết kế cơ khí theo tham số và hướng đối tượng. Học
viện Kỹ thuật Quân sự, 2009.
[3]. Đào Văn Tân, Hướng dẫn sử dụng Matlab trong kỹ thuật. Trường Đại học Mỏ - Địa chất,
Hà Nội, 2008.
[4]. Nguyễn Đình Ấu, Nhữ Văn Bách, Phá vỡ đất đá bằng phương pháp khoan-nổ mìn. NXB
Giáo dục, 1998.
[5]. Lê Quang Minh, Nguyễn Văn Vương, Sức bền vật liệu. NXB Giáo dục, Hà Nội, 2009.
[6]. Trần Bá Bảo, Sổ tay thiết kế cơ khí. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997.
[7]. Nguyễn Văn Kháng, Phương pháp quy hoạch thực nghiệm. NXB Giao thông-Vận tải,
2008.
[8]. Lê Quý Chiến, Đinh Văn Chiến, Nguyễn Duy Trinh, Về một phương pháp xác định độ mòn

của đầu mũi khoan đập xoay kiểu chữ thập dùng để tạo lỗ nổ mìn trong xây dựng và khai
thác mỏ vùng Quảng Ninh, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, năm 2014, Số 1+2, trang 40-44.
[9]. Lê Quý Chiến, 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 (Luận án tiến sĩ kỹ thuật),
Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội, 2015.
THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

TS. Lê Quý Chiến, giảng viên trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh;
Email: 0912.231.491

2.

PGS. TS Đinh Văn Chiến, giảng viên chính trường Đại học Mỏ - Địa chất, Hà Nội;
Email: 0913.214.028

(Địa chỉ liên lạc: Lê Quý Chiến - Phòng Thanh tra & kiểm định chất lượng, trường Đại
học Công nghiệp Quảng Ninh - Yên Thọ - Đông Triều - Quảng Ninh)./.
893