Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất việt nam

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..............................................................................................i
MỤC LỤC........................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT...................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..........................................................ix
MỞ ĐẦU...........................................................................................................1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................5
1.1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐÁ Ở VIỆT NAM........................5
1.1.1. Khái quát về môi trường đá ở Việt Nam.........................................5
1.1.2. Một số tính chất cơ lý của đá..........................................................6
1.1.3. Mô hình động lực học của đá........................................................13
1.2. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP...................15
1.3. NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY

ĐẬP.............................................................................................................19
1.4. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG KỸ THUẬT . 24

1.4.1. Một số dạng bài toán tối ưu cơ bản...............................................24
1.4.2. Một số phương pháp giải bài toán tối ưu và xác định chế độ làm việc

hợp lý...................................................................................................... 28
1.4.3. Phương pháp thử nghiệm độc lập lần lượt giá trị các tham số......29
Kết luận chương 1.......................................................................................30
Chương 2: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP

DẪN ĐỘNG THỦY LỰC.............................................................................. 31


iii

2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ
KHOAN ĐÁ XOAY ĐẬP DẪN ĐỘNG THỦY LỰC............................... 31
2.1.1. Sự phá vỡ của đá khi chịu tải trọng va đập...................................31
2.1.2. Các phương pháp khoan đá cơ học...............................................33
2.1.3. Phương pháp khoan xoay đập.......................................................36
2.1.4. Mô hình tương tác mũi khoan với đá............................................39
2.1.5. Các đặc trưng của máy khoan khảo sát.........................................41
2.2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC THIẾT BỊ KHOAN XOAY ĐẬP DẪN
ĐỘNG THỦY LỰC....................................................................................44
2.2.1. Các giả thiết xây dựng mô hình.................................................... 44
2.2.2. Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực

45
2.2.3. Thiết lập hệ phương trình vi phân chuyển động........................... 47
2.3. XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA BÀI TOÁN LÝ
THUYẾT.....................................................................................................52
2.3.1. Xác định các thông số kết cấu của mô hình..................................53
2.3.2. Xác định các thông số về động lực học........................................ 55
2.3.3. Xác định các thông số của đá........................................................57

2.3.4. Giải hệ phương trình động lực học............................................... 58
Kết luận chương 2.......................................................................................61
Chương 3: KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ
KHOAN VÀ XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ
KHOAN XOAY ĐẬP.....................................................................................62


iv

3.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẾ ĐỘ KHOAN
62
3.1.1. Ảnh hưởng của tần số đập đến quá trình phá hủy đá....................62
3.1.2. Ảnh hưởng của lực đập đến quá trình phá hủy đá........................ 65
3.1.3. Ảnh hưởng của tốc độ quay choòng khoan đến quá trình phá hủy đá

66
3.2. XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC HỢP LÝ CỦA THIẾT BỊ KHOAN
ĐÁ XOAY ĐẬP..........................................................................................68
3.2.1. Xây dựng bài toán xác định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan

đá xoay đập............................................................................................. 68
3.2.2. Xác định chế độ làm việc của thiết bị khoan xoay đập.................72
Kết luận chương 3.......................................................................................75
Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM.................................................76
4.1. MỤC TIÊU, CÁC THÔNG SỐ LÀM THỰC NGHIỆM VÀ TRANG
THIẾT BỊ LÀM THỰC NGHIỆM............................................................. 76
4.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm................................................ 76
4.1.2. Các thông số làm thực nghiệm......................................................76
4.1.3. Trang thiết bị làm thực nghiệm.....................................................77
4.1.4. Sơ đồ bố trí các đầu đo và các kênh đo.........................................83

4.1.5. Phần mềm xử lý số liệu và phương pháp đánh giá sai số thực nghiệm

85
4.2. TỔ CHỨC THỰC NGHIỆM...............................................................87
4.2.1. Chuẩn bị làm thực nghiệm............................................................87
4.2.2. Tiến hành thực nghiệm..................................................................89


v

4.2.3. Kết quả thực nghiệm.....................................................................90
4.2.4. So sánh kết quả lý thuyết với thực nghiệm...................................92
Kết luận chương 4.......................................................................................93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................94
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ...................................96
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................97


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu
E
I
T
t
Fth
Fđ
mp

m1
m2
m3
x1
x2
x3
x4
c1
c2; c3
c4
c2x; c3x
k1
k2; k3
k4
k2x; k3x
Fñ
k

Fdt
Mx
Mc
J1

Tên gọi
Mô đun biến dạng
Biên độ xung lực
Chu kỳ tác động
Thời gian tác động
Ngưỡng phá hủy của đá
Lực đập của Pít tông

Khối lượng của Pít tông đập
Khối lượng của chuôi búa khoan
Khối lượng của choòng khoan
Khối lượng của mũi khoan
Tọa độ trọng tâm của chuôi búa khoan
Tọa độ trọng tâm của choòng khoan
Toạ độ trọng tâm của mũi khoan
Toạ độ trọng tâm khối lượng đá bị phá hủy
Hệ số cản nhớt của pít tông giảm chấn
Hệ số cản nhớt của mối ghép ren
Hệ số cản nhớt của đá
Hệ số cản nhớt do biến dạng xoắn
Hệ số độ cứng của pít tông giảm chấn
Hệ số độ cứng của mối ghép ren
Hệ số độ cứng của đá
Hệ số độ cứng chống xoắn
Lực cản do độ cứng của đá gây ra
Lực dẫn tiến choòng khoan
Mô men xoay choòng khoan
Mô mem cản tại đầu mũi khoan
Mô men quán tính chuôi búa khoan

Đơn vị
kN
s
kN
kN
kg
kg
kg

kg
cm
cm
cm
cm
kN
kN
N.m
N.m
kg.m2


vii

kg.m2
kg.m2
rad

J2
J3
1

Mô men quán tính choòng khoan

2

Góc quay choòng khoan

rad

3
G
Ip
mp

Góc quay mũi khoa

rad

pm
Sp
lp
µ1
d
h
σc
z
Mtd
Mđđ
n
Stx
N
S
D

Mô men quán tính mũi khoan
Góc quay chuôi quá khoan

Mô đun đàn hồi loại hai
Mô men quán tính độc cực của tiết diện

Khối lượng pít tông
Áp suất của chất lỏng làm việc bên trong xilanh
Diện tích bề mặt của pít tông
Hành trình của pít tông
Hệ số ma sát giữa bề mặt mũi khoan với đá
Đường kính bi gắn đầu mũi khoan
Chiều sâu bi ngập vào đá
Ứng suất cắt của đá
Số lượng bi tại đầu mũi khoan
Mô men ma sát giữa thành mũi khoan với thành đá
Mô men ma sát giữa đá với đá
Ứng suất nén của đá

vk
z0


Diện tích tiếp xúc của mũi khoan với đá
Năng suất của máy khoan
Diện tích đáy lỗ khoan
Đường kính mũi khoan
Vận tốc khoan
Tần số va đập yêu cầu
Góc vỡ lở của đá từ gương khoan



Góc sắc của mũi khoan

kg

Pa
cm2
cm
mm
mm
N.m
N.m
N/cm2
cm2
cm3/s
cm2
cm
cm/s
lần /vòng
độ
độ


viii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1.1: Tính chất biến dạng của đá [11]..................................................... 11
Bảng 1.2: Bảng độ bền của đá ở Việt Nam [11]..............................................12
Bảng 2.1: Các thông số kết cấu.......................................................................54
Bảng 2.2: Các thông số động lực học............................................................. 57
Bảng 2.3: Các thông số của đá cho mô hình...................................................58
Bảng 3.1: Các thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập.......74
Bảng 4.1: Các thông số làm việc của Máy khoan xoay đập Furukawa
HCR1500-ED..................................................................................................77

Bảng 4.2: Các thông số cơ bản của đầu đo OCM-511....................................78
Bảng 4.3: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD25..................................79
Bảng 4.4: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD50..................................79
Bảng 4.5: Các thông số cơ bản của đầu đo R4S7HD100................................80
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật camera ghi hình tốc độ cao...............................81
Bảng 4.7: Tần số đập của mũi khoan (Hz)......................................................90
Bảng 4.8: Vận tốc khoan: cm/s.......................................................................90
Bảng 4.9: Áp suất đập của búa khoan (bar)....................................................90
Bảng 4.10: Áp suất quay choòng khoan (bar).................................................91
Bảng 4.11: Vận tốc quay choòng khoan......................................................... 91
Bảng 4.12: Áp suất dầu thuỷ lực làm tịnh tiến búa khoan..............................91
Bảng 4.13: Bảng so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm...................92


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1: Biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá................................7
Hình 1.2: Sơ đồ mối quan hệ phi tuyến "n-"............................................... 10
Hình 1.3: Đặc tính lưu biến của đá (theo Baklasov I. V. và Kartozia B. A). . 13

Hình 1.4: Mô hình đàn hồi – nhớt – dẻo của đá..............................................14
Hình 1.5: Máy khoan đá tự hành dẫn động thủy lực JUNJIN.........................16
Hình 1.6: Máy khoan đá FURUKAWA HCR1500-EDII................................16
Hình 1.7: Máy khoan đá tự hành Boomer 352................................................16
Hình 1.8: Máy khoan đá tự hành TamRock Axera D06..................................17
Hình 1.9: Máy khoan đá FURUKAWA JTH2A-210-1C................................ 17
Hình 1.10: Máy khoan KLM.1........................................................................18
Hình 1.11: Mô phỏng tương tác mũi khoan với đá của Bruno........................19

Hình 1.12: Mô hình động lực học của đá........................................................20
Hình 1.13: Mô hình nghiên cứu tần số đập của Ekaterina và các cộng sự.....21
Hình 1.14: Quan hệ giữa mô đun tỷ lệ và tốc độ khoan..................................22
Hình 1.15: Mô hình vật lý truyền năng lượng rung động tần số đập..............23
Hình 1.16: Kết hợp bề mặt chảy dẻo và nguyên lý tương tác mũi khoan với đá
24
Hình 1.17: Đồ thị xác định sai số theo quan điểm thiết kế và toán học..........28
Hình 2.1: Đường cong đặc trưng ứng suất – biến dạng của đá.......................33
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của các phương pháp khoan cơ học.....................34
Hình 2.3: Phương pháp khoan đập đỉnh và khoan đập đáy.............................37
Hình 2.4: Cơ chế phá hủy đá trong khoan xoay đập.......................................39
Hình 2.5: Mô hình tương tác mũi khoan với đá..............................................39
Hình 2.6: Máy khoan đá xoay đập.................................................................. 41
Hình 2.7: Mô hình kết cấu thiết bị khoan xoay đập dẫn động thủy lực..........42


x

Hình 2.8: Cụm choòng khoan .........................................................................
Hình 2.9: Búa khoan thủy lực .........................................................................

43
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 x 3 (cm/s) ................................................. 60
Hình 2.15: Vận tốc khoan x4 (cm/s)...............................................................

60

Hình 2.16: Dịch chuyển đáy lỗ khoan x4 (cm) ................................................ 60
Hình 3.1: Ảnh hưởng của tần số lên vận tốc khoan ........................................ 63
Hình 3.2: Ảnh hưởng của tần số đập lên dịch chuyển đáy lỗ khoan .............. 64
Hình 3.3: Ảnh hưởng của lực đập lên vận tốc mũi khoan và dịch chuyển ..... 65
Hình 3.4: Ảnh hưởng của vòng quay đến tốc độ khoan ................................. 67
Hình 3.5: Sơ đồ thuật toán xác định chế độ làm việc hợp lý của ................... 73
Hình 4.1: Máy khoan xoay đập Furukawa HCR1500-ED. ............................. 77
Hình 4.2: Đầu đo OCM-511............................................................................

78

Hình 4.3: Đầu đo lưu lượng R4S7HD25. ....................................................... 79
Hình 4.4: Thiết bị NI-6009..............................................................................

80

Hình 4.5: Thiết bị DAQ-8HP. .........................................................................

81

Hình 4.6: Camera thuật phóng FASTCAM SA1.1 model 675K - C1 ............ 82

Hình 4.7: Vị trí lắp các đầu đo khi thí nghiệm. ............................................... 83
Hình 4.8: Sơ đồ đấu nối các đầu đo với DAQ-8HP và LAPTOP. .................. 84
Hình 4.9: Giao diện phần mềm khi tiến hành đo. ........................................... 85
Hình 4.10: Các khối mô đun của phần mềm DasyLab 10. ............................. 85
Hình 4.11: Sơ đồ cấu trúc các kênh đo khi thực nghiệm. ............................... 86
Hình 4.13: Vị trí lắp đặt các đầu đo OCM-511. .............................................. 88
Hình 4.14: Vị trí đặt camera ghi hình tốc độ cao. ........................................... 89


xi

Hình 4.15: Làm dấu trên choòng khoan..........................................................89
Hình 4.16: Áp suất đập của búa khoan........................................................... 90
Hình 4.17: Đồ thị áp suất quay choòng khoan................................................91
Hình 4.18: Vận tốc búa khoan.........................................................................92
Hình 4.19: Vận tốc choòng khoan...................................................................92


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá, công tác
xây dựng các công trình thuỷ điện, các hầm giao thông đường bộ, các đường
hầm quân sự phòng thủ, các đường hầm chứa máy bay,… đã và đang được
tiến hành với tốc độ nhanh, trên quy mô rộng. Địa chất khu vực thi công các
công trình này chủ yếu là đá cứng, để thi công thường sử dụng phương pháp
chủ yếu là khoan lỗ nổ mìn. Thực hiện thi công được bằng phương pháp này,
các thiết bị khoan đá xoay đập đóng vai trò hết sức quan trọng.
Hiện nay thiết bị khoan đá xoay đập được sử dụng phổ biến trong ngành

xây dựng hầm giao thông ngầm, thủy điện, khai thác mỏ (xây dựng hầm mỏ,
khai thác quặng và khoáng sản trong các hầm mỏ lộ thiên và dưới lòng đất),
thăm dò địa chất, khoáng sản. Năng lượng tiêu hao trong quá trình khoan tỷ lệ
thuận với các thông số hình học của lỗ khoan, đối với khoan đá nổ mìn tuy
đường kính và độ sâu của lỗ khoan nhỏ, nhưng khi khoan số lượng lớn các lỗ
thì tiêu thụ năng lượng là đáng kể. Thiết bị khoan đá xoay đập thực hiện đồng
thời ba dẫn động trong quá trình làm việc: dẫn động đập, xoay và dẫn tiến
choòng khoan. Với một thiết bị khoan xác định thì hiệu suất và hiệu quả sử
dụng năng lượng của quá trình khoan đá phụ thuộc vào các thông số làm việc
của máy khi biết trước cơ tính của đá. Phát triển hoàn thiện quá trình khoan đá
ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Trên thế giới việc nghiên cứu các phương tiện cơ giới phục vụ công tác thi
công công trình đã thu được nhiều thành tựu quan trọng, đặc biệt là các trang
thiết bị kỹ thuật phục vụ thi công đường hầm, các công trình ngầm ở các khu vực
địa hình đá cứng, các loại máy thi công chuyên dụng này đã được nhiều hãng và
tập đoàn máy công trình hàng đầu thế giới như: Caterpillar, Tamrock,


2

Atlas Copco, Furukawa,...chế tạo với tính năng ưu việt, năng suất cao, đáp
ứng được yêu cầu đòi hỏi của công tác thi công xây dựng.
Một số thiết bị khoan đá xoay đập hiện đại đã được đưa vào sử dụng trong
Quân đội nước ta. Đây là thiết bị khoan đá tự hành dùng để tiến hành công tác
khoan lỗ nổ mìn trong môi trường đá theo thiết kế khi thi công các công trình
quân sự nói riêng và các công trình phục vụ phát triển kinh tế quốc dân nói
chung. Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong đó có kỹ thuật
điều khiển, công tác nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả khai
thác sử dụng máy móc là hoàn toàn có thể và mang tính khả thi cao.

Tiến độ thi công các công trình trong môi trường đá cứng theo phương
pháp khoan lỗ nổ mìn phụ thuộc nhiều vào công tác khoan, mặt khác phải
đảm bảo được chất lượng công trình và giảm thiểu chi phí thi công, vì vậy
việc xác định chế độ khoan hợp lý nhằm nâng cao hiệu quả khoan là một vấn
đề thời sự và cần thiết.
Để nâng cao hiệu quả công tác khoan, cần phải nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng tới quá trình khoan, đánh giá được ảnh hưởng đồng thời của các
yếu tố đến hệ động lực học quá trình khoan, trên cơ sở đó lựa chọn được chế
độ khoan hợp lý. Vì vậy “Nghiên cứu lựa chọn các thông số làm việc hợp lý
của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực ở điều kiện địa chất Việt
Nam” là vấn đề cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn ở nước ta hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là lựa chọn chế độ làm việc hợp lý
của thiết bị khoan đá xoay đập, theo tiêu chí chi phí năng lượng riêng nhỏ
nhất, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác sử dụng thiết bị trong công tác khoan,
khi thi công các công trình trong môi trường đá cứng ở Việt Nam.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực khi
thi công ở môi trường đá cứng ở Việt Nam.


3

Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm
việc của thiết bị khoan xoay đập bao gồm lực dẫn tiến choòng khoan, mô men
quay chòng khoan, lực đập và tần số đập của pít tông đập.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm.
- Phương pháp phân tích tổng hợp để làm rõ mục tiêu, xây dựng nhiệm vụ
và mô hình nghiên cứu của luận án.

- Phương pháp toán học để phân tích và xây dựng mô hình toán học, xây
dựng quan hệ của các thông số làm việc và giải bài toán trên máy tính.
- Phương pháp thực nghiệm xác định các thông số đầu vào cho mô hình
toán học và kiểm nghiệm đánh giá kết quả nghiên cứu lý thuyết
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu, xây dựng mô hình tính toán hệ động lực
học của thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực, mô tả quá trình tương
tác của cụm búa khoan với môi trường đá. Đánh giá một số yếu tố ảnh hưởng
đến chế độ làm việc của thiết bị, như: lực và tần số đập của búa khoan, lực
dẫn tiến cụm choòng, tốc độ xoay cụm choòng khoan. Trên cơ sở đó, xác định
chế độ làm việc hợp lý của thiết bị thông qua việc xây dựng hàm mục tiêu chi
phí năng lượng riêng nhỏ nhất.
- Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ sử dụng cho việc xác
định chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập cụ thể, với mỗi cấp đá
khác nhau. Có thể áp dụng cho việc thiết kế và cải tiến một số thiết bị khoan
xoay đập, phục vụ thi công các công trình ở điều kiện địa chất Việt Nam.

6. Bố cục của luận án
Luận án bao gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận, danh mục tài
liệu tham khảo và phụ lục.


4

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu.
Nghiên cứu tổng quan về môi trường đá ở Việt Nam khi thi công các
công trình; tổng quan về thiết bị khoan đá xoay đập; tổng quan các nghiên cứu
động lực học thiết bị khoan đá xoay đập khi thi công ở môi trường đá cứng;
tổng quan về phương pháp giải bài toán tối ưu trong kỹ thuật.
Chương 2: Mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động

thủy lực
Cơ sở khoa học nghiên cứu động lực học thiết bị khoan đá xoay đập. Xây
dựng mô hình động lực học thiết bị khoan đá xoay đập dẫn động thủy lực.
Thiết lập mô hình toán học; xây dựng bộ thông số đầu vào của mô hình; giải
bài toán động lực học thiết bị khoan xoay đập.
Chương 3: Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ khoan và xác định
chế độ làm việc hợp lý của thiết bị khoan xoay đập.
Khảo sát ảnh hưởng của các thông số làm việc đến quá trình khoan; xây
dựng hàm mục tiêu lựa chọn thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay
đập theo chỉ tiêu chi phí năng lượng riêng nhỏ nhất. Xây dựng thuật toán tính
toán và xác định bộ thông số làm việc hợp lý của thiết bị khoan đá xoay đập.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm.
Xây dựng phương pháp và tiến hành làm thực nghiệm xác định các thông
số động lực học của thiết bị khoan đá xoay đập tại hiện trường. Thu thập số
liệu, xử lý, đánh giá so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết. Bộ số liệu thực
nghiệm gồm: Bộ số liệu đầu vào phục vụ tính toán lý thuyết ở chương 2; Bộ
số liệu phục vụ đánh giá, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, trên cơ sở đó
rút ra những kết luận về tính sát thực của mô hình động lực học.
Kết luận chung của luận án.


5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN VỀ MÔI TRƯỜNG ĐÁ Ở VIỆT NAM
1.1.1. Khái quát về môi trường đá ở Việt Nam
Đá là một trong những vật thể vật lý tạo thành vỏ trái đất [14]. Theo
nguồn gốc của chúng, người ta chia ra làm ba nhóm: đá macma (granit,
bazan...), đá trầm tích (đá vôi, cát kết, sét...), đá biến chất (các loại đá phiến,

đá hoa, quaczit...). Đá macma xuất hiện do sự nguội của khối silicat nóng
chảy (dung nham) trên mặt đất hoặc trong tầng sâu của vỏ trái đất. Đá trầm
tích xuất hiện do sự di chuyển và lắng đọng các sản phẩm phá hủy đá macma
và các thứ đá khác, cũng như do sự lắng đọng các chất hữu cơ trên đáy các bề
mặt chứa nước. Đá biến chất là những đá macma hoặc trầm tích bị biến đổi
dưới tác dụng của áp suất và nhiệt độ cao.
Kết quả khảo sát, tìm kiếm, thăm dò và khai thác đá tại Việt Nam cho
thấy [5], [14]: Đá macma chủ yếu phân bố ở Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và Nam
Bộ; Đá trầm tích chủ yếu là đá vôi có nhiều nhất ở miền Bắc và Bắc Trung bộ,
chất lượng tốt, phần lớn lộ thiên, lớp phủ mỏng; Đá biến chất phần lớn phân
bố ở vùng cao phía Bắc và miền Trung, địa hình phức tạp.
Các công trình quân sự phần lớn được bố trí tại các vùng rừng núi thuộc các
tỉnh Bắc Bộ như Hòa Bình, Quảng Ninh, Cao Bằng..., Bắc Trung Bộ như Thanh
Hóa, Nghệ An..., vùng Tây Nguyên nên trong quá trình thi công thường gặp các
loại đá có độ cứng cao như đá macma hay đá trầm tích. Chính vì vậy, để thi công
thường dùng phương pháp khoan, nổ mìn để phá hủy chúng.
Hiện nay, trong công tác khoan, chủ yếu dùng các phương pháp phá vỡ đá
cơ học dựa trên sự tách các hạt đá khỏi khối bằng các tác dụng lực vào dụng cụ
phá đá để gây ứng suất cục bộ. Mức độ phá hủy đá, tốc độ khoan phụ thuộc vào


6

hiệu quả tác dụng của dụng cụ phá đá. Thông thường độ bền cơ học của đá càng
cao thì tốc độ khoan càng nhỏ, không kể là lực phá vỡ đá theo loại tĩnh hay động.

Độ mài mòn của đá cũng là một tính chất cơ học quan trọng, đó là khả
năng của chúng làm cho dụng cụ phá đá (lưỡi khoan) bị hư mòn. Độ mài mòn
phụ thuộc nhiều vào các đặc điểm về kiến trúc và cấu tạo của đá. Căn cứ vào
độ bền cơ học, độ ổn định và độ mài mòn của đá mà người ta chọn phương

pháp khoan khác nhau để đạt được hiệu quả khoan tốt nhất.
1.1.2. Một số tính chất cơ lý của đá
1.1.2.1. Tính chất biến dạng của đá
Biến dạng là hình thức thể hiện tổng quát của các quá trình cơ học xảy ra
trong mẫu đá, khối đá dưới tác động của công tác khai đào và các trường ứng
suất, trường khí ngầm, nước ngầm... Đây chính là biểu hiện cơ bản của các
loại vật liệu khác nhau có thể dễ dàng quan sát, đo đạc được khi chúng chịu
sự tác đụng của ngoại lực.
Quá trình tác dụng lực lên một vật thể nào đó sẽ làm xuất hiện biến dạng
trong vật thể. Sự lan truyền biến dạng từ điểm này tới điểm khác sẽ đảm bảo
cho quá trình truyền lực trong toàn bộ vật thể. Để đánh giá mật độ các lực đó
trong vật thể, các nhà cơ học đã đưa ra khái niệm “ứng suất”. So với khái
niệm “biến dạng”, khái niệm “ứng suất” mang đặc tính trừu tượng. Trên thực
tế, người ta không thể đo được ứng suất, mà chỉ xác định chúng bằng phương
pháp gián tiếp (thường thông qua giá trị biến dạng đã biết).
Thông thường, sơ đồ mô tả trạng thái cơ học của vật thể nghiên cứu
(mẫu đá, khối đá) được xây dựng trên nguyên tắc “lực tác dụng-ứng suất-biến
dạng”. Trạng thái cơ học của vật thể được xác định bằng mức độ trạng thái
biến dạng của chính nó. Từ kết quả nghiên cứu cơ chế biến dạng và phá huỷ
của mẫu đá các nhà địa cơ học đã xây dựng biểu đồ “ứng suất-biến dạng”
tổng quát [1] (Hình 1.1).


7

Hình 1.1: Biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá
(theo Baklasov I. V. và Kartozia B. A)
Trên cơ sở biểu đổ “ứng suất - biến dạng” tổng quát, các nhà địa cơ học
đã tiến hành nghiên cứu đặc tính biến dạng của đá. Dưới tác dụng của ngoại
lực, giá trị biến dạng của mẫu đá sẽ tăng dần lên tới một giá trị I nào đó.

Trong mẫu đá sẽ xảy ra quá trình khép dần các khuyết tật cấu tạo (khe nứt, lỗ
rỗng). Quá trình này thể hiện thông qua đặc tính phi tuyến của các đoạn (oa’)
và (oa) trên biểu đồ (Hình 1.1). Giai đoạn biến dạng tiếp theo của mẫu đá
mang đặc tính đàn hồi do quá trình nén ép đàn hồi khung (cốt) khoáng vật.
Trong giai đoạn này, các đoạn (ab) và (a’b’) mang đặc tính tuyến tính.
Sau đó, sự phát triển biến dạng tiếp theo sẽ dẫn đến quá trình bắt đầu
hình thành nứt nẻ và làm gia tăng hệ số biến dạng ngang của đá, Trong giai
đoạn này, đặc tính tuyến tính của mối quan hệ “ứng suất-biến dạng ngang” sẽ
bị phá huỷ. Trong khi đó, mối quan hệ “ứng suất-biến dạng dọc” sẽ giữ
nguyên đặc tính tuyến tính. Tuy nhiên, cùng với sự xuất hiện đặc tính không
tuyến tính của biến dạng, hệ số quan hệ “E” giữa biến dạng và ứng suất sẽ
không còn ý nghĩa như “mô đun đàn hồi”. Hệ số này sẽ được xem như mô
đun biến dạng và có giá trị nhỏ hơn mô đun đàn hồi.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi biến dạng đạt tới giá trị III, trong mẫu
đá sẽ bắt đầu quá trình hình thành các hệ thống nứt nẻ. Chúng sẽ phá huỷ đặc


8

tính tuyến tính của mối quan hệ “ứng suất-biến dạng dọc” đặc trưng bởi các
đoạn (cd) và (c’d’).
Sau khi đạt tới giá trị biến dạng giới hạn tương ứng với giới hạn bền của
đá (điểm d và d’), quá trình biến dạng tiếp theo sẽ làm gia tăng mạnh thể tích
mẫu đá và làm giảm dần khả năng kháng nén dưới tác dụng của ngoại lực.
Hiện tượng này là kết quả của quá trình tạo thành nứt nẻ mạnh trong mẫu đá.
Tại điểm “e” sẽ xảy ra quá trình phân chia mẫu đá thí nghiệm thành các
phần nhỏ riêng biệt (hiện tượng vỡ vụn). Chính vì vậy, dưới tác dụng nén đơn
trục, quá trình biến dạng tiếp theo của mẫu đá sẽ không thể tiếp tục xảy ra
nữa. Ngoài ra, trong điều kiện trạng thái nén thể tích, quá trình biến dạng đá
vỡ vụn sẽ tiếp tục xảy ra mà không có sự thay đổi thể tích tiếp theo.

Đặc điểm đặc trưng của biểu đổ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá
như sau: cùng với sự phát triển biến dạng, khả năng chống lại ngoại lực của
đá ngày càng tăng trên khoảng gia tăng của đường cong (od). Sau khi đạt tới
giá trị lớn nhất, cùng với sự gia tăng biến dạng, khả năng chống lại ngoại lực
của đá ngày càng giảm (tại phần đi xuống của đưòng cong “dk”).
Như vậy, biểu đồ “ứng suất-biến dạng” tổng quát của đá có thể phân chia
thành ba vùng đặc trưng tương ứng với các giai đoạn biến dạng khác nhau:
+ Vùng biến dạng trước giới hạn (od);
+ Vùng biến dạng sau giới hạn (de);
+ Vùng phá huỷ vỡ vụn (ek).
Do khả năng biến dạng của đá có thể chuyển đổi vào những trạng thái cơ
học khác nhau, cho nên trên thực tế cần phải tiến hành nghiên cứu tính chất cơ
học đá tại những trạng thái biến dạng khác nhau.
Tính chất biến dạng của đá đặc trưng bởi các hệ số liên hệ “E” giữa ứng
suất và biến dạng và hệ số biến dạng ngang “µ”. Ngoài ra, trong các phương


9

trình cơ-lý, các nhà địa cơ học còn thường gặp hệ số “G” xác định thông qua
hai hệ số “E”, “µ”.
Trong giai đoạn biến dạng trước giới hạn (tại vùng biến dạng tuyến tính
đàn hồi) hệ số “E” gọi là “mô đun đàn hồi” và đặc trưng bởi tỷ số giữa ứng
suất pháp tuyến và giá trị biến dạng tương ứng theo hướng tác dụng của nó.
Trong trường hợp này hệ số “G” đặc trưng bởi “mô đun trượt” có giá trị
không đổi, Trong giới hạn biến dạng đàn hồi ta có:
G



E
2(1  )

(1.1)

Vật liệu đá có những khác biệt so với kim loại. Giới hạn đàn hồi của đá
chỉ mang tính giả định. Bởi vì, dưới sự tác dụng của ứng suất có giá trị không
lớn, trong đá đã có thể xuất hiện biến dạng dư. Do đó, các nhà địa cơ học
thường sử dụng mô đun biến dạng trong các tính toán địa cơ học thực tế. Mô
đun biến dạng được xác định bằng tỷ lệ giữa ứng suất “” (tương ứng với giới
hạn biến dạng tuyến tính giả định) và giá trị tổng biến dạng tương đối “III”.
Sau giới hạn biến dạng tuyến tính tương đối, hệ số “E” sẽ thay đổi. Hệ số
này sẽ phụ thuộc vào mức độ biến dạng và (theo nguyên tắc) sẽ giảm dần
cùng với sự gia tăng của biến dạng.
Trên thực tế có thể xét tới mức độ biến dạng không tuyến tính trong quá
trình giải các bài toán địa cơ học bằng phương pháp xác định gần đúng các
đường cong “ứng suất-biến dạng” theo công thức:
 E..1m

(1.2)

Trong đó:
E = const - mô đun biến dạng; 0 < 1, m  1 là các tham số gần đúng
0 không thứ nguyên.
a- Đá gabro với =0,116 và m = 0,25;
b- Đá sét kết với =0,113 và m = 0,27;


10

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:
 
/ /

(1.3)

Trong vùng biến dạng tuyến tính, hệ số biến dạng ngang “” có giá trị
không đổi và thường được gọi là hệ số Poisson. Sau vùng biến dạng tuyến
tính, 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].


11

Bảng 1.1: Tính chất biến dạng của đá [11]
TT

Loại đá

Mô đun đàn hồi E (GPa)

Hệ số Poisson ν

1

Đá granit

25,5÷68,6

0,125÷0,25

2

Đá Cát kết

4,9÷84,3

0,066÷0,125

3

Đá vôi

9,8÷78,5

0,1÷0,2

1.1.2.2. Tính chất bền của đá
Đá, giống như các vật thể rắn cứng khác, cũng có khả năng chống lại quá
trình phá huỷ dưới tác dụng của ngoại lực. Khả năng của đá chống lại các tác
dụng của ngoại lực có cường độ, đặc tính khác nhau mà không bị phá huỷ gọi

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.


12

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]
Độ bền (MPa)
TT

Loại đá

n

k



1

Đá granit

118÷275

3,9÷7,8

4,9÷9,8

2

Đá Cát kết

49÷98

19,6

2,9

3

Đá vôi

3,9÷45

1÷6,9

1,5÷6,9

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


13

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


14

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