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

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

PHẠM HỒNG TÙNG

MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY 25 BẬC TỰ DO
KHOAN LỖ NỔ MÌN TRONG THI CƠNG 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 HỒNG TÙNG

MƠ PHỎNG ĐỘNG HỌC TAY MÁY 25 BẬC TỰ DO
KHOAN LỖ NỔ MÌN TRONG THI CƠNG 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

HÀ NỘI – 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả

PHẠM HOÀNG TÙNG

i


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 Cơng 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 Mơ 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

ii


2.4 Thuật toán thiết lập quỹ đạo điểm tác động cuối theo mặt gương nổ mìn ......36
2.5 Mơ phỏng chuyển động ...................................................................................37
Kết luận chương 2 .................................................................................................44
CHƯƠNG 3 - TÍNH TỐN LỰA CHỌN HỆ THỐNG XY LANH THUỶ LỰC
VÀ MỘT SỐ KHỚP .................................................................................................45
3.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................45
3.2 Mơ hình hố 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 tốn 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 tốn kết cấu chốt .....................................................................................69
3.8 Tính tốn 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

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIÊT TẮT
Ký hiệu

Nội dung ý nghĩa

H1

Khoảng cách từ khớp vai tới khớp xy lanh

L

Khoảng cách từ khớp vai tới khớp cầu

α

Góc gật gù

 max

Góc gật gù cao nhất của khớp vai

 min

Góc gật gù thấp nhất của khớp vai

1max

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

1min

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.

 2 max

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

 2 min

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
cổ tay

P11

Trọng lực của khâu cố định của cẳng tay

P111

Thành phần lực dọc trục của P11

P112

Thành phần lực vng góc của P11

P12

Trọng lực của khâu động của cẳng tay

P121

Thành phần lực dọc trục của P12

P122

Thành phần lực vng góc của P12

P2

Trọng lực của xy lanh 1

F12

Áp lực xy lanh 1 phải chịu

F21

Lực do xy lanh 1 tác động

F21x

Thành phần lực song song với trục O1xπ của F21

F21z

Thành phần lực vng góc với trục O1zπ của F21

P21

Trọng lực của phần động xy lanh 1

iv


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

Pc

Trọng lực của cụm cổ tay 5

Pc1

Thành phần lực dọc trục của Pc

Pc2

Thành phần lực vng góc của Pc

P3

Trọng lực của xy lanh 3

P31

Trọng lực của phần động xy lanh 3

P32

Trọng lực của phần tĩnh xy lanh 3

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

F431

Thành phần lực dọc trục của F43

F432

Thành phần lực vng góc của F43

1

Góc hợp giữa phương của Pk và phương của trục

2

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
góc 2

F

Tải trọng tổng hợp tác dụng lên cơ cấu cẳng tay

Fx'

Thành phần lực dọc trục của F

Fy'

Thành phần lực vng góc của F

2

Góc hợp bởi lực R và phương dọc trục cơ cấu cẳng tay

v


λ

Góc tạo giữa phương của F và trục x'

RO1 , RO2

Lực tác động lên chốt trên cụm 2, 4, 6

 2.2 ,  4.2 ,  6.2

Khoảng cách giữa hai tai cụm 2, 4, 6

d2.1, d4.1, d6.1

Đường kính chốt trên cụm 2, 4, 6

R2.2, R4.2, R6.2

Bán kính ngồi 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

Ứng suất tương đương

k

Ứng suất pháp

k

Ứng suất tiếp

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Nội dung

Trang

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

4

Hình 1.2 Jack-hammer trong khoan phá đất đá

5

Hình 1.3 Thiết bị Volvo EC210BLC

6

Hình 1.4 Cơng nghệ khoan giếng ngược

8

Hình 1.5 Công nghệ khoan giếng ngược – khoan robin

9

Hình 1.6 Công nghệ khoan giếng ngược – khoan robin

9

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

10

Hình 1.8 Cơng nghệ khoan nghiền đất đá

11

Hình 1.9 Cơng nghệ khoan lỗ nổ mìn

11

Hình 1.10 Hộ chiếu nổ mìn

13

Hình 1.11 Thiết bị khoan Robbins 73RM hiện đang được sử dụng tại Công
ty Cổ phần Sông Đà 10

14

Hình 1.12 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng của hãng Zhangjiakou
Xuanhua Huatai Mining & Metallurgical Machinery - Trung Quốc

15

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

16

Hình 1.14 Robot trong khoan nổ mìn giếng đứng do hãng Herrenknecht
AG – Đức sản xuất

16

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

vii


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 cơng giếng đứng

25

Hình 2.5 Cơ cấu tay máy robot trong khoan nổ mìn giếng đứng

26

Hình 2.6 Sơ đồ ngun lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ
nổ mìn đào giếng đứng

27

Hình 2.7 Cơ lật khớp vai trong tay máy robot đào hầm giếng đứng

27

Hình 2.8 Sơ đồ ngun lí cơ cấu lật khớp vai tay máy robot

28

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

28

Hình 2.10 Sơ đồ ngun lí cơ cấu lật khớp cổ tay máy Robot

29

Hình 2.11 Cơ cấu cẳng tay tay máy Robot

29

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến cẳng tay Robot

30

Hình 2.13 Sơ đồ ngun lí của một cánh tay robot trong hệ thống khoan lỗ
nổ mìn thi cơng giếng đứng

30

Hình 2.14 Tọa độ D-H cho tay máy khoan lỗ nổ mìn thi cơng giếng đứng 5
bậc tự do

31

Hình 2.15 Hộ chiếu nổ mìn

34

Hình 2.16 Sơ đồ tính biến khớp d2 và d5

35

Hình 2.17 Phân vùng hoạt động từng tay máy

36

Hình 2.18 Quy luật di chuyển của các cánh tay robot

37

Hình 2.19

40

Hình 2.20 Đồ thị biến khớp khi 1 tay máy hoạt động

41

Hình 2.21 Quy trình mơ phỏng chuyển động của robot

42

Hình 2.22 Giao diện lập trình Visual Studio 2012

42

viii


Hình 2.23 Mơ phỏng q 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 3.2 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu lật khớp vai tay máy robot

46

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

46

Hình 3.4 Cơ cấu cẳng tay tay máy robot

47

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý chuyển động tịnh tiến cẳng tay robot

47

Hình 3.6 Mơ hình hóa khớp vai ở vị trí αmax, αmin

48

Hình 3.7 Mơ hình hóa khớp cổ tay ở vị trí βmax, βmin

49

Hình 3.8 Biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu cẳng tay

51

Hình 3.9 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 1

51

Hình 3.10 Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh

52

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

52

Hình 3.12 Lực tác động lên khâu tịnh tiến cơ cấu cẳng tay

54

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

55

Hình 3.14 Biểu diễn lực tác dụng lên cơ cấu cổ tay

56

Hình 3.15 Biểu diễn lực tác dụng lên khâu 2

56

Hình 3.16 Các thành phần lực tác dụng lên xy lanh

57

Hình 3.17 Phân tích lực tác dụng lên khâu 2

57

Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý xy lanh thủy lực

59

Hình 3.19 Các giá trị Q, v, A của xy lanh

61

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

ix

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

65

Hình 3.23 Biểu diễn lực tác động lên xylanh và khớp bản lề

66

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

Hình 3.26 Mặt cắt kết cấu khớp

69

Hình 3.27 a) Sơ đồ chịu lực của chốt

70

b) Biểu diễn lực cắt
c) Biểu diễn momen uốn
Hình 3.28 Các thơng số kích thước bích trên

72

Hình 3.29 Các dạng phá hủy của tai

72

x


LỜI MỞ ĐẦU
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
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. Tại những quốc gia có nền cơng nghiệp phát triển và đi đầu như Mỹ,
Đức, Anh, Trung Quốc,... công nghệ thi cơng giếng đứng đã đạt tới trình độ tự động
hóa cao với nhiều công nghệ khác nhau. Nổi bật trong đó là cơng nghệ khoan giếng
ngược (Raise boring – hay cịn được gọi là “khoan rơ bin” tại Việt Nam), công nghệ
khoan sử dụng tổ hợp máy nghiền đất đá cỡ lớn (Vertical shaft sinking) và cơng
nghệ khoan nổ mìn (Drilling and Blasting). Tuy nhiên, với ưu điểm linh hoạt, thiết
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 khống sản, xây dựng các
cơng trình thủy điện, các cơng trình qn sự nhằm đảm bảo an ninh quốc phịng tại
những vị trí chiến lược với địa hình phức tạp và các cơng 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 cơng trình
giếng đứng thi cơng 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 cơng trình qn sự trọng yếu
u cầu đảm bảo an tồn 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 cơng giếng đứng”. Dựa trên
những nghiên cứu về cơ học đất đá, các nghiên cứu về phương pháp thi công khoan

1


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 cơng 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 mơ phỏng q trình thi cơng bề mặt
giếng đứng và công tác khoan neo gia cố giếng.
IV. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
4.1 Ý nghĩa khoa học
+ Các kết quả của luận văn là cơ sở để tiếp tục cho các nghiên cứu sâu hơn về
loại robot thi công giếng đứng bằng phương pháp khoan lỗ nổ mìn;
+ Kết quả nghiên cứu tổng hợp các mơ hình robot là tiền đề để phát triển và xây
dựng các mơ hình robot khoan lỗ nổ mìn thi cơng giếng đứng khác.
4.2 Ý nghĩa thực tiễn
Thuật tốn và quy trình thiết kế được trình bày trong luận văn này có ý nghĩa
thực tiễn trong việc đáp ứng nhu cầu bức thiết đã trình bày ở trên. Thuật tốn có thể
áp dụng trong cơng tác lập trình cài đặt các phần mềm tự động khoan lỗ nổ mìn
trong quá trình thiết kế robot. Bên cạnh đó, thuật tốn cũng có thể cài đặt cho các
robot bán tự động đã nhập ngoại nhằm nâng cao độ chính xác cũng như hiệu quả
trong cơng tác khoan lỗ nổ mìn.
Mặt khác, kết quả này cũng là tiền đề để phát triển và xây dựng các mơ 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 q trình thi cơng 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.

2


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 mơ 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 cơng 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 mơ hình kết cấu và ngun lý hoạt động của robot
khoan lỗ nổ mìn. Từ mơ hình đã xây dựng, lược đồ hố 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, mơ phỏng q trình thi cơng mặt gương trên phần mềm
Visual Studio 2012 bằng ngơn ngữ lập trình C++.
Chương 3: Tính toán lựa chọn hệ thống xy lanh thuỷ lực và một số khớp
Trên cơ sở mơ hình kết cấu và nguyên lý hoạt động đã được xây dựng ở chương
2, chương 3 của luận văn tính tốn 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 tốn 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 tốn các thơng 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

3

vật liệu cùng các kết quả tính tốn về lực đã tính ở trên, luận văn đưa ra cơng thức
tính tốn kiểm nghiệm các thơng 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.

4


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 khống sản, giao thơng ngầm,
cơng trình ngầm như bãi đỗ xe tự động dưới lịng đất, các cơng trình ngầm về thốt
và xử lý nước thải, các cơng trình thủy điện,... hay những nhu cầu về quân sự như
hầm trú chiến tranh, kho chứa vũ khí, khí tài ngầm dưới lịng đất,... mà khơng phá
hủy cảnh quan mơi trường xung quanh vơ cùng lớn. Do đó, việc thi cơng các cơng
trình ngầm ln 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 mơ dự án bãi đỗ
xe ngầm tại công viên Thống Nhất, gồm tầng hầm một có chức năng thương mại,
dịch vụ; 04 tầng cịn lại để xe. Ngồi 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, Cơng viên Nhân Chính.

Hình 1.1 Bãi đỗ xe tự động dưới lòng đất – Automated
parking systems for urban [1]

5


Trong cơng nghiệp khai thác khống 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, cơng tác mở vỉa chủ yếu bằng lị 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 khống sản, việc thi cơng giếng đứng cũng được ứng dụng rộng rãi
trong xây dựng các giếng điều hòa áp lực tại các nhà máy thủy điện, các cơng trình
giếng đứng phục vụ an ninh quốc gia, phòng thủ dân sự như hầm trú ẩn hay các
cơng 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 khơng cao do
lỗ khoan bị sai lệch so với hộ chiếu nổ mìn.

Hình 1.2 Jack-hammer trong
khoan phá đất đá [4]

6


Nhìn lại lịch sử phát triển của ngành thi cơng cơng trình ngầm, cơng nghệ thi
cơng 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 cơng. 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 cơng một giếng đứng có
đường kính 8m, sâu 1,8m, cần 50 cơng nhân thực hiện q trình khoan lỗ trong
vịng 6 giờ. Cơng việc này địi hỏi một lượng nhân cơng lớn, chi phí cho thiết bị khí
nén cũng như con người cao, mức ơ 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,...

Hình 1.3 Thiết bị Volvo EC210BLC

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

7


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 khơng có mạch điện cơng
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 cơng 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 cơng nghệ
khác nhau. Nổi bật trong đó là cơng nghệ khoan giếng ngược (Raise boring – hay
cịn 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 cơng nghệ khoan nổ mìn được mô tả
trong mục 1.2 dưới đây.
1.2 Công nghệ thi công
Để thi cơng các cơng trình giếng đứng, với nền khoa học kỹ thuật phát triển, tùy
thuộc vào đặc điểm kỹ thuật và cơng dụng giếng, hình dạng kích thước giếng, độ
sâu giếng, đặc điểm địa chất cơng trình và một số yếu tố khác, ngày nay có rất nhiều
phương pháp thi cơng khác nhau. Một số phương pháp có thể kể đến như:
 Nhóm các phương pháp thi cơng 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.

8


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 cơng nghiệp khai khống, phương pháp khoan giếng ngược
(thường được biết đến với cái tên Raise boring) đã xuất hiện để thi cơng những
cơng trình có đường kính từ 0.7m đến 7.1m, với độ sâu cơng 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, cịn hệ thống dẫn động (raise-boring machine) được đặt ở đỉnh
cơng 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), đơi khi cũng có thể
đĩa khoan được đưa từ trên xuống (Down boring). Q trình có thể được lặp lại
nhiều lần tùy thuộc vào kích thước của đĩa khoan và đường kính giếng cần thi
cơng [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 Cơng nghệ khoan giếng ngược

9


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 cơng nghiệp trong lĩnh vực xây dựng các
giếng thơng gió và đường hầm. Giải pháp thi công này cho hiệu quả kinh tế cao, an
tồn trong q trình thi cơng 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 cơng 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 mịn lưỡi cắt lớn khi khoan với tốc độ cao, giá thành đầu tư thiết
bị ban đầu cao và đòi hỏi địa hình thi cơng 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 cơng trình đường hầm có kích thước nhỏ, thường được áp dụng cho các
cơng trình khoan lỗ thơng 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 Cơng nghệ khoan giếng ngược - khoan robin

Hình 1.6 Cơng nghệ khoan giếng ngược – Khoan robin

10


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 ngồi nước như: thi cơng các giếng nghiêng và các tháp điều áp các cơng
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.

Hình 1.7 Thiết bị khoan nghiền đât đá
VSM 8000 của hãng Herrenknecht AG
(Đức) [5]

Tùy thuộc vào các đặc điểm địa chất, đặc trưng về đất đá, sự xâm nhập của các
mạch nước ngầm tại cơng trình, phương pháp này có những thay đổi nhất định. Tại
cơng trình có địa chất chủ yếu gồm cát, cát xi măng, đất mùn và đá vơi, đồng thời
có mạch nước ngầm đi qua cơng trình, q trình thi cơng được thực hiện chìm dưới
mực nước ngầm. Đất đá sau đó được trộn thành bùn lỗng và bùn loãng được hút
lên với sự hỗ trợ của hệ thống bơm khí nén (Air-lift assistance) [10] như cơng trình

11


giếng đứng được thi công bởi hệ thống VSM 8000 do hãng Herrenknecht AG (Đức)

tại Kuwait vào năm 2003 (hình 1.7 mơ tả cơng nghệ này) [11].
Với những cơng 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,
khơng 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 cơng trình thơng
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 cơng trình lân cận. Tuy nhiên, chi phí đầu tư về mặt thiết bị,
vận hành cao, ngồi ra cịn địi hỏi mặt bằng cũng như diện tích thi cơng lớn [12].
Do giải pháp thi cơng này địi hỏi có nhiều thiết bị phụ trợ đi kèm và kích thước
thiết bị thi cơng lớn thường là siêu trường, siêu trọng. Vì vậy, giải pháp này chỉ
thích hợp cho thi cơng các cơng 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.

Hình 1.8 Cơng nghệ khoan nghiền đất đá

1.2.3 Công nghệ thi công khoan lỗ nổ mìn

Giải pháp khoan lỗ nổ mìn - Drilling and Blasting (được mơ 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:

12


+ Ban đầu phải thi công đường hầm phụ để lấy đất đá, sau đó khoan một lỗ thốt đất
đá bằng khoan địa chất từ đỉnh cơng trình xuống đường hầm, có thể kết hợp với
khoan giếng ngược để mở rộng lỗ khoan.

1

2

3

4

Hình 1.9 Cơng nghệ khoan lỗ nổ mìn [14]

+ Từ bản thiết kế cơng trình cùng các thơng số khảo sát địa tầng đất đá, người kỹ sư
thi cơng cơng trình tiến hành thiết kế hộ chiếu nổ mìn, sau đó tiến hành khoan lỗ
nổ mìn. Đất đá sau khi nổ mìn được thốt 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.
Cơng nghệ khoan nổ mìn u 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 u
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 khơng đảm bảo. Để tự
động hóa q 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 Cơng 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).

13