Nghiên cứu các giải pháp nâng cao chỉ tiêu làm việc của mũi khoan kim cương ở bể than cẩm phả quảng ninh

0

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT
-----------o0o-----------

ĐÀO VĂN TUẤN

NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHỈ TIÊU
LÀM VIỆC CỦA MŨI KHOAN KIM CƯƠNG Ở BỂ THAN
CẨM PHẢ - QUẢNG NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. NGUYỄN XUÂN THẢO

HÀ NỘI - 2011


1

Lời cam đoan
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu
trong luận văn được thu thập từ thực tế và các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Tên đề
tài luận văn và các kết quả nghiên cứu không trùng lập với các công trình khoa học
đã được cơng bố.
Tác giả

Đào Văn Tuấn

2

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Trang

Lời cam đoan ....................................................................................................................... 1
Mục lục ................................................................................................................................ 2
Danh mục các bảng biểu ..................................................................................................... 5
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ............................................................................................. 6
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 7
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KHOAN KIM CƯƠNG
Ở NƯỚC NGỒI VÀ TRONG NƯỚC ......................................................................... 10
1.1. Tình hình chung về khoan kim cương ở nước ngoài và Việt Nam ............... 10
1.2. Tình hình nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương ở nước ngoài và Việt Nam
............................................................................................................................... 12
1.2.1. Các quan điểm về q trình mịn vật thể rắn và mũi khoan kim cương trong
quá trình phá hủy đá ............................................................................................. 12
1.2.2. Tình hình nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương trên thế giới ................. 15
1.2.2.1. Nghiên cứu đặc tính mịn hạt kim cương trong quá trình khoan ............. 15
1.2.2.2. Nghiên cứu đặc tính mịn đế mũi khoan kim cương ................................ 18
1.2.3. Tình hình nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương ở Việt Nam .................. 19
Chương 2 - NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ BẰNG MŨI KHOAN
KIM CƯƠNG ................................................................................................................. 21
2.1. Đặc tính cơ bản của mũi khoan kim cương ................................................... 21
2.1.1. Cấu tạo mũi khoan kim cương .................................................................... 21

2.1.2. Tính chất cơ lý của kim cương dùng chế tạo mũi khoan ............................ 22
2.1.2.1. Kim cương thiên nhiên ............................................................................ 22
2.1.2.2. Kim cương nhân tạo ................................................................................ 26
2.1.3. Đế mũi khoan kim cương ........................................................................... 27


3

2.2. Cơ chế phá hủy đá ......................................................................................... 28
2.2.1. Một số quan điểm về phá hủy đá bằng mũi khoan kim cương ................... 28
2.2.2. Quá trình phá hủy đá bằng mũi khoan kim cương ..................................... 29
2.3. Quy luật mòn đế mũi khoan kim cương ........................................................ 35
2.4. Các dạng mòn và phương pháp xác định mòn .............................................. 36
2.4.1. Các dạng mòn mũi khoan kim cương ......................................................... 36
2.4.2. Phương pháp xác định mòn để đánh giá mức độ hợp lý sử dụng mũi khoan
kim cương ............................................................................................................ 39
Chương 3 - NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM
VIỆC CỦA MŨI KHOAN KIM CƯƠNG 44
3.1. Tác dụng tương hỗ giữa mũi khoan kim cương và đá ................................... 44
3.2. Các chỉ tiêu đánh giá hiệu quả khoan kim cương .......................................... 46
3.3. Ảnh hưởng của tính chất cơ lý đất đá đến q trình làm việc của mũi khoan
kim cương . ............................................................................................................ 47
3.4. Ảnh hưởng của các yếu tố kỹ thuật đến khả năng làm việc của mũi khoan kim
cương .................................................................................................................... 48
3.4.1. Cấu trúc mũi khoan .................................................................................... 48
3.4.2. Cấu trúc bộ dụng cụ khoan ......................................................................... 54
3.5. Ảnh hưởng của chế độ công nghệ khoan đến hiệu quả làm việc của mũi khoan
kim cương ............................................................................................................. 55
3.5.1. Ảnh hưởng của tải trọng chiều trục (P) ...................................................... 55
3.5.2. Ảnh hưởng của tốc độ vòng quay ............................................................... 61

3.5.3. Ảnh hưởng của tính chất và lưu lượng nước rửa ........................................ 62
Chương 4 - NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHỈ TIÊU LÀM VIỆC
CỦA MŨI KHOAN KIM CƯƠNG TẠI BỂ THAN CẨM PHẢ - QUẢNG NINH ... 64
4.1. Đặc điểm địa chất bể than Cẩm Phả - Quảng Ninh ....................................... 64
4.1.1. Sét kết và sét than ........................................................................................ 64


4

4.1.2. Đá bột kết ................................................................................................... 64
4.1.3. Đá cát kết .................................................................................................... 65
4.1.4. Đá cuội – sạn kết ........................................................................................ 65
4.2. Các giải pháp nâng cao chỉ tiêu làm việc của mũi khoan kim cương ở vùng
nghiên cứu ............................................................................................................ 65
4.2.1. Xác định các thơng số chế độ khoan .......................................................... 65
4.2.1.1. Tốc độ vịng quay n ................................................................................. 65
4.2.1.2. Áp lực lên mũi khoan ............................................................................. 66
4.2.1.3. Lưu lượng nước rửa ................................................................................ 69
4.2.1.4. Kết quả đạt được khi điều chỉnh p, n, Q .................................................. 71
4.2.2. Biện pháp chống rung ở vùng nghiên cứu .................................................. 77
4.2.2.1. Ảnh hưởng của rung bộ dụng cụ khoan đến hiệu quả khoan kim cương và
các giải pháp khắc phục ........................................................................................ 77
4.2.2.2. Kết quả thử nghiệm biện pháp chống rung ở bể than Cẩm Phả - Quảng
Ninh ...................................................................................................................... 79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................... 84
Kết luận ................................................................................................................ 84
Kiến nghị .............................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 86

5

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Số bảng

Tên bảng biểu

Bảng 1.1 Hiệu quả khoan kim cương trong các loại đất đá
Bảng 2.1

Tính chất cơ lý của kim cương thiên nhiên và các vật liệu khác
dùng chế tạo mũi khoan

Trang
11
23

Bảng 2.2 Phân loại kích thước kim cương dùng để chế tạo mũi khoan

25

Bảng 2.3 Kích thước hạt kim cương phụ thuộc vào độ cứng của đá

26

Bảng 2.4 Tính chất cơ – lý của kim cương nhân tạo

46

Bảng 2.5 Thành phần cơ bản % của đế mũi khoan chế tạo theo phương thấm

27

Bảng 2.6 Phân loại đế mũi khoan theo độ cứng

28

Bảng 2.7 Giá trị giới hạn mòn đế mũi khoan kiểu một lớp

41

Bảng 3.1 Kích thước và mật độ hạt kim cương theo độ cứng của đá

50

Bảng 3.2 Độ nhô hợp lý của hạt kim cương

53

Bảng 3.3 Chiều cao mòn cho phép của hạt kim cương

53

Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 4.1

Ảnh hưởng của tải trọng P đến Vch và độ mòn mũi khoan kim
cương khi khoan qua đá cát kết cấp IX – X
Ảnh hưởng của tải trọng P đến Vch và độ mòn mũi khoan kim

cương khi khoan qua đá bột kết cấp VII – VIII
Diện tích tiếp xúc của các hạt kim cương gắn bề mặt theo đường
kính hạt

59

60

67

Bảng 4.2 Chế độ cơng nghệ 1 và kết quả thu được ở đá cát kết

72

Bảng 4.3 Chế độ công nghệ 2 và kết quả thu được ở đá cát kết

72

Bảng 4.4 Chế độ công nghệ 3 và kết quả thu được ở đá cuội – sạn kết

74

Bảng 4.5 Chế độ công nghệ 4 và kết quả thu được ở đá cuội – sạn kết

75

Bảng 4.6 Kết quả thử nghiệm chống rung trong đá cát kết

81

Bảng 4.7 Kết quả thử nghiệm chống rung trong đá cuội – sạn kết

82


6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình vẽ, đồ thị

Hình 2.1 Sơ đồ tính mịn hạt kim cương
Hình 2.2

Sự phụ thuộc của cường độ mịn hạt kim cương vào thời
gian khoan

Hình 2.3 Sơ đồ tính tốn mịn đế mũi khoan kim cương
Hình 3.1

Hình 3.2

Hình 3.3

Hình 3.4

Sự phụ thuộc của tốc độ cơ học khoan Vch vào đường kính
mũi khoan D
Ảnh hưởng của độ hạt kim cương đến các chỉ tiêu làm việc

của mũi khoan kim cương trong đá cát kết
Ảnh hưởng của độ hạt kim cương đến các chỉ tiêu làm việc
của mũi khoan kim cương trong đá bột kết
Ảnh hưởng của độ hạt kim cương đến các chỉ tiêu làm việc
của mũi khoan kim cương trong đá cuội – sạn kết

Hình 3.5 Mối quan hệ giữa tốc độ cơ học khoan Vch và tải trọng P
Hình 3.6

Ảnh hưởng của áp lực đáy P đến độ mòn chiều cao đế mũi
khoan

Trang
30
33
36
49

50

51

51
57
60

Hình 4.1 Sơ đồ bộ dụng cụ khoan có lắp 3 định tâm

80

Hình 4.2 Sơ đồ dụng cụ khoan có lắp 2 định tâm

82


7

LỜI MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Khoan kim cương là một trong những phương pháp khoan tiên tiến đang
được áp dụng rộng rãi trong cơng tác khoan thăm dị khoáng sản rắn. Ở Việt Nam
trong những năm gần đây phương pháp khoan kim cương ngày càng được áp dụng
rộng rãi hơn. Việc áp dụng khoan kim cương trong khoan thăm dị khống sản rắn
có độ cứng cao góp phần tăng năng suất khoan, nâng cao tỷ lệ mẫu, giảm hiện
tượng cong xiên lỗ khoan. Tuy vậy, thiết bị khoan kim cương chưa được đồng bộ,
mũi khoan kim cương chưa phù hợp với loại đất đá khác nhau, nên hiệu quả khoan
kim cương chưa cao, tốc độ cơ học khoan và thời gian làm việc của mũi khoan còn
thấp. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khoan kim cương, để
nâng cao tốc độ cơ học khoan và thời gian làm việc của mũi khoan là việc làm rất
quan trọng. Nó sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khoan kim cương nói chung và cho
bể than Cẩm Phả - Quảng Ninh nói riêng. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu các giải
pháp nâng cao chỉ tiêu làm việc của mũi khoan kim cương” tại vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh có tính khoa học và có ý nghĩa thực tiễn, đáp ứng yêu cầu cấp thiết của
thực tế sản xuất.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Ở Việt Nam do điều kiện địa chất phức tạp, cho nên phương pháp khoan kim
cương còn đạt năng suất thấp, tỷ lệ mẫu chưa cao, tuổi thọ mũi khoan còn thấp. Do
vậy, từ tài liệu thực tế khoan kim cương trong nhiều năm qua ở bể than Cẩm Phả Quảng Ninh tác giả phân tích đề xuất các biện pháp kỹ thuật, công nghệ nhằm tăng
năng suất khoan và tuổi thọ mũi khoan kim cương khi khoan ở vùng nghiên cứu.
NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
Để đạt được mục đích trên, đề tài nghiên cứu cần thực hiện các nhiệm vụ

sau:
1. Nghiên cứu quy luật mòn hạt kim cương và đế mũi khoan kim cương
2. Nghiên cứu các nguyên nhân và yếu tố công nghệ, kỹ thuật ảnh hưởng đến
tốc độ cơ học khoan và tuổi thọ của mũi khoan kim cương trong quá trình khoan


8

3. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật, công nghệ nhằm hạn chế, khắc
phục nguyên nhân làm hư hỏng mũi khoan kim cương và nâng cao tuổi thọ mũi
khoan, góp phần nâng cao hiệu quả khoan kim cương ở vùng nghiên cứu.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước liên quan đến quá trình mịn
và hư hỏng mũi khoan kim cương.
2. Tổng hợp, phân tích các tài liệu thực tế ở vùng nghiên cứu để tìm ra các
nguyên nhân cơ bản làm giảm hiệu quả khoan.
3. Nghiên cứu lý thuyết và thử nghiệm trong thực tế sản xuất, để đề xuất các
giải pháp kỹ thuật cơng nghệ thích ứng nhằm tăng tuổi thọ mũi khoan và tốc độ
khoan.
Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA LUẬN VĂN
Luận văn hoàn thành trên cơ sở gắn liền nghiên cứu khoa học với thực tế sản
xuất. Những vấn đề trình bày giải quyết trong luận văn đều xuất phát từ yêu cầu cần
thiết của thực tế sản xuất, góp phần nâng cao hiệu quả khoan kim cương ở vùng
nghiên cứu nói riêng và trên tồn quốc nói chung.
CÁC ĐIỂM MỚI VÀ LUẬN ĐIỂM BẢO VỆ
1. Hiệu quả làm việc của mũi khoan kim cương phụ thuộc vào mức độ làm
việc ổn định của bộ dụng cụ đáy, các thông số chế độ khoan và chất lượng dung
dịch.
2. Tốc độ cơ học khoan phụ thuộc vào các thông số chế độ khoan, đặc biệt là
tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay. Tải trọng chiều trục và tốc độ vòng quay

tăng dẫn đến tốc độ cơ học khoan tăng đồng thời giảm tuổi thọ của mũi khoan.
TÀI LIỆU CƠ SỞ CỦA LUẬN VĂN
Khi thực hiện luận văn, tác giả đã sử dụng các nguồn tài liệu chính sau đây:
1. Các tài liệu sách, báo đã được công bố trong và ngồi nước có liên quan
đến mục đích, nhiệm vụ và nội dung của đề tài.
2. Các kết quả, tài liệu thu được từ thực tế sản xuất ở bể than Cẩm Phả Quảng Ninh.


9

CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN
Toàn bộ nội dung của luận văn được trình bày trong 86 trang khổ giấy A4
với 20 bảng biểu và 11 hình vẽ. Bố cục gồm các phần chính là:
- Phần mở đầu.
- Bốn chương.
- Kết luận và kiến nghị.
Ngồi ra cịn có:
- Mục lục.
- Danh mục các bảng biểu.
- Danh mục các hình vẽ.
- Tài liệu tham khảo.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy trong Bộ môn Khoan – Khai thác,
Trường ĐH Mỏ - Địa chất, thầy hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Xuân Thảo, các
cơ quan và đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thu thập tài liệu,
nghiên cứu và hồn thành luận văn thạc sỹ của mình.


10

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU KHOAN KIM CƯƠNG
Ở NƯỚC NGỒI VÀ TRONG NƯỚC
1.1. Tình hình chung về khoan kim cương ở nước ngồi và Việt Nam
Cơng tác khoan thăm dò là một bộ phận quan trọng trong q trình tìm kiếm và
thăm dị địa chất. Nó cho phép tìm kiếm, phát hiện và đánh giá chính xác trữ lượng
và chất lượng các mỏ khoảng sản, góp phần quan trọng trong việc thiết lập chế độ
và phương pháp khai thác hiệu quả mỏ khống sản có ích.
Có nhiều phương pháp khoan như: Phương pháp khoan hợp kim, phương
pháp khoan kim cương, khoan ống mẫu luồn v.v... Hiện nay ở nước ta và các nước
trên thế giới đang sử dụng rộng rãi phương pháp khoan kim cương. Nhiều chuyên
gia tập trung nghiên cứu nhằm không ngừng nâng cao hiệu quả khoan kim cương.
Bởi vì khoan kim cương trong đất đá cứng so với các phương pháp khoan khác có
những ưu điểm sau:
- Cấu trúc lỗ khoan đơn giản;
- Chất lượng lỗ khoan tốt. Đặc biệt đảm bảo tốt yêu cầu tài liệu địa chất như
tăng tỷ lệ mẫu, chất lượng mẫu và giảm độ cong xiên lỗ khoan;
- Tăng tốc độ khoan do tăng thời gian khoan thuần tuý, tăng hiệu suất phá đá
ở đáy lỗ khoan;
- Giảm bớt sự cố trong quá trình khoan;
- Giá thành 1 mét khoan giảm.
Các nước trên thế giới như Canada, Mỹ, Nga, Trung Quốc v.v… tỷ lệ khoan
kim cương chiếm 80% khối lượng khoan và ngày càng mở rộng phạm vi áp dụng. Ở
Việt Nam, từ năm 1980 các Liên đoàn 1, 3 , 9, đoàn K1, Liên đoàn Intergeo v.v…
đã áp dụng phương pháp khoan kim cương trong thăm dị khống sản rắn. Đến nay
hầu hết các Xí nghiệp thăm dị đều áp dụng khoan kim cương và khoan ống mẫu
luồn. Theo số liệu thống kê của Cục địa chất Việt Nam, năm 1980 tỷ lệ khoan kim
cương chỉ chiếm 2,1% tổng số mét khoan, đến năm 1995 tỷ lệ khoan kim cương đã
tăng lên 36,6% tổng số mét khoan. Hiện nay khối lượng khoan thăm dò bằng mũi

11

khoan kim cương đã chiếm tới 95% tổng khối lượng khoan. Trong quá trình phát
triển và mở rộng phương pháp khoan kim cương, chúng ta đã sử dụng các loại mũi
khoan kim cương một lớp và thấm nhiễm, các bộ ống mẫu đơn và kép của các nước
Nga, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, v.v… thông qua các công ty sản xuất như Longyear,
Acer Drill, Christensen, nhà máy sản xuất dụng cụ kim cương Vũ Hán, Smitt and
Sand (Canada), Tone Boring (Nhật), Creluis (Thụy Điển), Edeco (Anh), Bone
Isperanse (Pháp).
Cho đến nay, ngoài việc tìm kiếm, thăm dị khống sản rắn, phương pháp
khoan kim cương đang được áp dụng để tìm kiếm thăm dò nước, khoan các lỗ
khoan kỹ thuật phục vụ cho cơng tác nổ mìn, tháo khơ tại các hầm lị tại mỏ than
Mạo Khê, Hà Lầm, Hà Tu - Quảng Ninh, khoan kiểm tra địa tầng tại các đường
hầm qua đèo Hải Vân v.v…
Khoan kim cương trong đất đá cứng, khơng chỉ vì đảm bảo tỷ lệ mẫu cao,
hạn chế hiện tượng cong xiên, sự cố trong quá trình khoan mà khoan kim cương còn
tăng tốc độ khoan. Theo tổng kết của Cục địa chất hiệu quả khoan thăm dò và tuổi
thọ trung bình của mũi khoan kim cương khoan trong các loại đất đá khác nhau
trình bày ở bảng 1.1
Bảng 1.1. Hiệu quả khoan kim cương trong các loại đất đá
Cấp đất đá

X

X –XI

IX

XI ÷ XII

Nứt nẻ

Ít nứt nẻ

Ít nứt nẻ

Nứt nẻ

VKT (m/tháng)

196

163

220

110

VCH (m/h)

1,4

1,02

1,13

1,2

10,2

8,5

18,4

6÷8

Các chỉ tiêu

Tiến độ khoan
(m/mũi)

Qua kết quả khoan kim cương ở Việt Nam trong những năm qua chúng ta
thấy rằng: Phương pháp khoan kim cương là phương pháp khoan tiên tiến, có nhiều
ưu việt, đặc biệt khi khoan trong đất đá cứng, yêu cầu tỷ lệ mẫu cao, chất lượng lỗ
khoan đáp ứng yêu cầu tài liệu địa chất chuẩn xác. Bên cạnh những ưu điểm cơ bản


12

phương pháp khoan kim cương ở nước ta so với nước ngồi cịn một số tồn tại sau
đây cần phải được nghiên cứu khắc phục:
- Tốc độ khoan còn thấp do sử dụng mũi khoan chưa phù hợp với đất đá, chế
độ khoan chưa hợp lý, trang thiết bị chưa đồng bộ v.v…
- Tuổi thọ mũi khoan thấp do quy trình cơng nghệ, chế độ khoan chưa hợp
lý, lựa chọn mũi khoan chưa phù hợp với đất đá khoan qua v.v…
- Chất lượng và số lượng mẫu thấp do chưa có các giải pháp kỹ thuật và cơng
nghệ hợp lý, đặc biệt khi khoan qua đất đá nứt nẻ v.v…
Một trong các chỉ tiêu cơ bản đánh giá hiệu quả làm việc của mũi khoan kim
cương là tuổi thọ của mũi khoan khi khoan trong các tầng đất đá có tính chất cơ lý
khác nhau. Để nghiên cứu độ bền, tuổi thọ mũi khoan các chuyên gia nước ngoài và

trong nước đã tập trung nghiên cứu các dạng mòn mũi khoan khi khoan trong các
điều kiện khác nhau. Các kết quả nghiên cứu về mòn mũi khoan cho phép lựa chọn
chất lượng hạt kim cương (hạt cắt) gắn trong mũi khoan, vật liệu làm đế mũi khoan
và lựa chọn chế độ công nghệ khoan phù hợp với các điều kiện tính chất cơ lý đá
khác nhau.
1.2. Tình hình nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương ở nước ngồi và
Việt Nam
1.2.1. Các quan điểm về q trình mịn vật thể rắn và mũi khoan kim
cương trong quá trình phá hủy đá.
Bản chất mịn vật thể rắn nói chung, mũi khoan kim cương nói riêng đã được
các chuyên gia trong lĩnh vực vật lý rắn, ma sát và mòn, các chuyên gia cơ học
khoan nghiên cứu. Cho đến nay đã có nhiều tài liệu cơng bố, song vẫn chưa có quan
điểm thống nhất về bản chất mòn và hiện tượng mòn vật thể.
L.I.Baron và B.D.Kuznhesov cho rằng: Q trình mịn là q trình thay đổi
dần dần kích thước, hình dạng bề mặt tiếp xúc giữa 2 vật thể rắn khi chuyển động
tác dụng tương hỗ lẫn nhau, quá trình này làm cho 1 phần vật thể tách ra và làm
giảm trọng lượng của vật thể. Theo B.V.Deriagin q trình mịn là kết quả phá hủy
liên kết phân tử giữa các bề mặt ma sát. Phá hủy liên kết phân tử thường xảy ra ở


13

bên trong bề mặt của một vật thể, khi sức kháng bề mặt của vật đó nhỏ hơn so với
bề mặt của vật thể khác. Trong trường hợp 2 vật thể có độ cứng khác nhau thì vật
mềm thường bám dính vào vật thể có độ cứng lớn hơn. Trong trường hợp 2 vật thể
đều cứng giịn thì xảy ra quá trình dập vỡ từng phần nhỏ.
E.M.Sverxova và I.V.Kragenski khi nghiên cứu tính hai mặt của ma sát và
mịn đã đưa ra kết luận: Q trình mịn là q trình tác dụng tương hỗ cơ học và
phân tử giữa các bề mặt ma sát của vật thể. Các tác giả đã phân loại mòn theo các
dạng phá hủy. Đối với tác dụng tương hỗ cơ học thường xảy ra các hiện tượng mịn

do cào, xước, bóc tróc, dập vỡ và vi phá hủy. Đối với tác dụng tương hỗ phân tử
thường xảy ra hiện tượng mòn do tạo rãnh sâu, nên lực dính kết lớn và do bóc tróc,
dập vỡ và vi phá hủy nên lực dính kết nhỏ.
M.M.Khrusov chia các dạng mịn theo đặc tính của các hiện tượng ma sát
như sau:
- Mòn cơ học bao gồm: mòn do mài mòn, mòn do biến dạng dẻo và mòn do
phá hủy dòn;
- Mòn cơ – phân tử là mòn khi ngưng kết;
- Mòn han gỉ cơ học;
B.I.Kosteski trên cơ sở nghiên cứu đặc tính thay đổi bề mặt ma sát, đã chọn
q trình mịn thành các dạng sau:
- Q trình mịn dính kết: Đặc trưng cho tốc độ trượt nhỏ, áp lực lớn trong
quá trình ma sát trên các bề mặt đồng nhất. Sự phá hủy xảy ra ở các điểm riêng biệt
cùng với sự tạo thành các vết xước trên bề mặt ma sát;
- Q trình mịn oxy hóa: Xảy ra khi tốc độ trượt lớn, áp lực nhỏ. Sự phá hủy
xảy ra khi bong các lớp oxít và các lớp hút bám;
- Q trình mịn nhiệt: Xảy ra khi áp lực và tốc độ trượt lớn. Sự phá hủy xẩy
ra khi trên bề mặt ma sát bị giảm độ bền do tác dụng nhiệt;
- Q trình mài mịn: Xảy ra khi mơi trường có tính mài mịn xâm nhập vào
vùng ma sát. Trên bề mặt mài mòn, ở các vị trí biến dạng dẻo, xuất hiện các vết
xước nhỏ và vi cắt.


14

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra các khái niệm về q trình mịn và phân loại
các dạng mịn như sau:
- Q trình mịn cơ học là q trình mịn xẩy ra do tác dụng cơ học;
- Quá trình mài mịn là q trình mịn cơ học xẩy ra do vật hoặc hạt có tính
mài mịn cao cắt hoặc cào xước vật bị mài mịn;

- Q trình mài mịn thủy lực là q trình mịn do tác dụng của vật hoặc hạt
có tính mài mịn trong chất lỏng chuyển động;
- Q trình xói mịn thủy lực là q trình mịn bề mặt của vật do tác dụng của
dòng chất lỏng chảy qua;
- Quá trình han gỉ cơ học là quá trình mịn xảy ra do tác dụng cơ học kết hợp
với tác dụng hóa học giữa vật thể với mơi trường xung quanh;
- Q trình mịn oxít là q trình han gỉ cơ học xảy ra do phản ứng hóa học
giữa vật thể với oxy hoặc vật thể nằm trong mơi trường oxit.
Trong q trình khoan, hạt kim cương gắn vào đế mũi khoan là bộ phận trực tiếp
tham gia phá hủy đá. Trong quá trình phá hủy đá ở đáy lỗ khoan thường xảy ra 2
hiện tượng: Phá hủy đá và mài mòn hạt kim cương và đế mũi khoan. Do hạt kim
cương và vật liệu làm đế mũi khoan có tính chất cơ lý khác nhau, nên mức độ ảnh
hưởng đến mòn chúng cũng khác nhau.
Mòn dụng cụ phá hủy đá nói chung, mịn mũi khoan kim cương nói riêng
trong q trình khoan, đã được các chun gia khoan nghiên cứu như: E.Ph.Epstein,
V.S.Phedorov,

L.A.Sreiner,

V.N.Vinogradov,

L.I.Baron,

O.N.Golubinsev,

P.V.Pnomariov .v.v…
Kết quả nghiên cứu về mịn mũi khoan kim cương đã được cơng bố trong
nhiều tài liệu, song chưa có qua điểm thống nhất. Theo quan điểm của các nhà
nghiên cứu, q trình mịn mũi khoan kim cương là một quá trình phức tạp liên
quan đến nhiều yếu tố sau:

- Tính chất cơ lý của kim cương dùng để chế tạo mũi khoan, thành phần hóa
học và tính chất cơ lý của đế mũi khoan;
- Thành phần và tính chất cơ lý của khống vật đá;


15

- Chế độ công nghệ khoan và yếu tố kỹ thuật;
- Chất lượng và lưu lượng nước rửa.
Tóm lại: Quá trình phá hủy đất đá và q trình mịn mũi khoan kim cương có
mối liên quan mật thiết với nhau. Vấn đề nghiên cứu hiệu quả khoan kim cương bao
gồm nhiều hướng giải quyết. Trong khuôn khổ luận văn của mình tác giả tập trung
nghiên cứu các giải pháp nâng cao chỉ tiêu làm việc của mũi khoan kim cương
thông qua việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của mũi
khoan kim cương.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu mòn mũi khoan kim cương trên thế giới
Khi nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương trong q trình phá hủy đất đá
các tác giả thường chia ra:
- Nghiên cứu các ngun nhân, hiện tượng và đặc tính mịn hạt kim cương
gắn ở đế mũi khoan trong quá trình khoan.
- Nghiên cứu các nguyên nhân, hiện tượng và đặc tính mịn đế mũi khoan
trong q trình khoan.
Các tác giả đều cho rằng hạt kim cương và đế mũi khoan có tính chất cơ lý và điều
kiện làm việc khác nhau, nên đặc tính và hiện tượng mịn cũng khác nhau.
1.2.2.1. Nghiên cứu đặc tính mịn hạt kim cương trong quá trình khoan
Hạt kim cương là bộ phận quan trọng nhất quyết định độ bền và năng suất
làm việc của mũi khoan kim cương. Một số nhà nghiên cứu xuất phát từ quan điểm
mòn cơ học và cơ chế phá hủy đất đá cho rằng q trình mịn kim cương trong
khoan là q trình dập vỡ, tróc vảy, gãy mẻ, rạn nứt v.v…Từ đó dẫn tới các dạng
phá hủy khác nhau. Một số nhà nghiên cứu khác cho rằng quá trình mịn kim cương

trong khoan là q trình mài mịn, mịn khuyếch tán, mịn nhiệt, mịn do phản ứng
hóa học v.v…Từ đó dẫn tới q trình mềm hóa và kim cương bị phá hủy.
Theo quan điểm của các chuyên gia, q trình mịn kim cương được chia ra
làm các dạng sau:
- Mòn cơ học do tác dụng cơ học trên bề mặt tiếp xúc giữa hạt kim cương và
đá.


16

- Mịn cơ lý là q trình mịn cơ học kết hợp với tác dụng nhiệt làm thay đổi
tính chất vật lý trên bề mặt tiếp xúc.
- Mịn cơ hóa là q trình mịn cơ học kết hợp với nhiệt độ và môi trường
như nước rửa và các oxit trong đá. Đặc trưng của quá trình này là sự oxi hóa và
khuyếch tán cacbon trong kim cương vào đá v.v…
- Mài bóng hạt kim cương là dạng mịn xảy ra khi khoan trong đất đá cứng
không đủ áp lực. Quá trình phá hủy là quá trình phá vỡ bề mặt.
1. Mịn cơ học kim cương trong q trình khoan
Q trình mịn cơ học kim cương trong q trình khoan là q trình dập vỡ vĩ
mơ và vi mơ thể tích hạt kim cương. Q trình dập vỡ vĩ mơ thể tích hạt kim cương
thường xảy ra ở giai đoạn cuối của thời gian sử dụng mũi khoan kim cương. Ở giai
đoạn cuối độ bền của hạt kim cương bị giảm do hạt kim cương bị va đập nhiều lần
trong khi khoan. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng: Trong quá trình khoan, hạt kim
cương va đập 300 đến 700 lần trong một giây. Nếu thời gian làm việc 200 đến 300
giờ, độ bền hạt kim cương giảm từ 1,4 đến 2 lần so với trước khi sử dụng. Độ bền
giảm là do các khe nứt và khuyết tật xuất hiện trong hạt kim cương sau mỗi lần va
đập.
Khi nghiên cứu bề mặt mòn hạt kim cương trong điều kiện khoan ở phịng
thí nghiệm, dưới kính hiển vi phóng đại, V.I.Butrenkov đã phát hiện các khe nứt,
vết xước trên bề mặt mòn của hạt kim cương và các dập vỡ ở mặt thớ.

Mịn vi thể tích bề mặt kim cương là 1 dạng mòn đặc trưng cho sự dập vỡ vi
thể tích xảy ra trong q trình làm việc. Điều này làm cho hạt kim cương mất dần
khả năng làm việc.
2. Mịn cơ lý hạt kim cương trong q trình khoan
Trong khoan kim cương, ở điểm tiếp xúc giữa hạt kim cương với đá, nhiệt độ
có thể lên tới 13000C. Đây là một trong những nguyên nhân dẫn tới quá trình grafit
và phá hủy kim cương. Độ cứng của kim cương bắt đầu giảm khi nhiệt độ ở bề mặt
tiếp xúc đạt tới 14000C – 18000C hoặc lớn hơn, trên bề mặt hạt kim cương xuất
hiện các rãnh và vết xước sâu trùng với hướng chuyển động của hạt kim cương.


17

Nguyên nhân chính là do khi nhiệt độ tăng độ cứng của kim cương giảm đến mức
độ nhỏ hơn độ cứng của đá.
Đặc tính của q trình mịn cơ – lý khi khoan là sự tạo rãnh, hốc mòn sâu
trên bề mặt tiếp xúc của hạt kim cương khi nhiệt độ tăng làm giảm độ cứng của kim
cương. Vì vậy vai trị làm mát đóng vai trị quan trọng trong q trình khoan kim
cương. Độ chịu mịn của hạt kim cương khi khoan nước là gấp 2 lần khi khoan thổi
khí.
M.I.Ixaev và P.V.Poromarev chỉ ra rằng: Khi tăng áp lực và tốc độ vịng
quay thì nhiệt độ trong đế mũi khoan tăng theo. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và áp lực
tại đế mũi khoan có thể xác định theo cơng thức sau:
T = a.P + b
Trong đó:

(1.1)

T - Là nhiệt độ tại đế mũi khoan, oC;
P - Là áp lực đáy, N;

a, b - là các hệ số thực nghiệm;

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: Khi tăng tốc độ vịng quay thì nhiệt độ
ở đế mũi khoan cũng tăng, song mức độ chậm hơn. Khi giảm lưu lượng nước rửa
chưa đến mức tối thiểu, nhiệt độ tại đế mũi khoan khơng tăng. Nếu ngừng tuần hồn
trong thời gian 1 – 2 phút thì cháy mũi khoan.
3. Mịn cơ – hóa hạt kim cương trong khoan
Kết quả nghiên cứu đã khẳng định rằng: Trong khoan kim cương luôn xảy ra
q trình tác dụng hóa học. Mức độ và đặc tính phản ứng hóa học phụ thuộc vào
nhiệt độ và môi trường nước rửa.
Qua kết quả nghiên cứu các dạng mịn hạt kim cương trong q trình khoan,
các nhà nghiên cứu đều khẳng định rằng: Bề mặt mòn hạt kim cương đều xuất hiện
các dạng mòn cơ học, mòn cơ – lý, mịn cơ – hóa. Các q trình mịn này đều liên
quan chặt chẽ với nhau. Q trình mịn loại này là hậu quả của q trình mịn khác
và có tác động tương hỗ lẫn nhau, tạo điều kiện cho nhau hình thành bề mặt mịn đa
dạng trên bề mặt tiếp xúc giữa hạt kim cương với đá. Bề mặt mòn của hạt kim


18

cương trong khoan khơng giống nhau, nó phụ thuộc vào chế độ khoan, điều kiện
môi trường ở đáy lỗ khoan và tính chất cơ lý của đá khoan qua.
4. Mịn bóng hạt kim cương trong q trình khoan
Mịn bóng hạt kim cương thường xảy ra khi khoan đá cứng đồng nhất, thành
phần hạt nhỏ mịn trong điều kiện không đủ áp lực để phá hủy đá.
Nghiên cứu hiện tượng mòn bóng hạt kim cương đã được các tác giả thực
hiện trong phịng thí nghiệm với điều kiện mũi khoan kim cương có đường kính
ngồi 24mm, đường kính trong 14mm kiểu một lớp gắn kim cương độ hạt 20 – 30
hạt/cara và kiểu thấm nhiễm gắn kim cương độ hạt 120 hạt/cara. Mũi khoan kim
cương khoan vào đá granit với chế độ khoan sau: Áp lực đáy 500N – 4500N, tốc độ

vòng quay 300 vg/phút, 700vg/phút, 860 vg/phút. Nước rửa là dung dịch 1%
emuxil. Sau mỗi chu kỳ khoan từ 3m đến 5m các tác giả đã phát hiện trên bề mặt
của hạt kim cương bị mài bóng có các rãnh mịn. Các rãnh mịn có hướng trùng với
hướng chuyển động của mũi khoan. Như vậy, trên bề mặt mài bóng hạt kim cương
có xuất hiện hiện tượng mịn do tác dụng nhiệt và hóa học. Các tác giả cũng chỉ ra
rằng: Các hiện tượng mịn ở bề mặt mài bóng hạt kim cương trong điều kiện sản
xuất cũng tương tự như trong phịng thí nghiệm.
1.2.2.2. Nghiên cứu đặc tính mịn đế mũi khoan kim cương
Đế mũi khoan là bộ phận quan trọng của mũi khoan để gắn và giữ hạt kim
cương. Vật liệu dùng để chế tạo đế mũi khoan là hỗn hợp bột kim loại. Thành phần
gồm: Vonfram. Vonframcarbon, Carbon, Niken và các chất kết đồng.
Độ cứng và độ chịu mòn của đế mũi khoan phụ thuộc vào thành phần và tỷ lệ
các chất chế tạo đế mũi khoan. Khi nghiên cứu mòn đế mũi khoan, các tác giả chia
q trình mài mịn đế mũi khoan ra làm 4 dạng sau:
- Q trình mịn do dịng chảy của nước rửa có chứa mùn khoan gây nên.
- Q trình mịn do các hạt mùn khoan cố định ở bề mặt tiếp xúc giữa đế mũi
khoan và đá gây nên.
- Quá trình mịn do lớp kẹp mùn khoan tồn đọng ở bề mặt tiếp xúc giữa đế
mũi khoan và đá gây nên.


19

- Q trình mịn do các hạt mùn khoan tồn động tại đáy lỗ khoan gây nên.
Đặc tính của các dạng mịn này khác nhau và phụ thuộc vào tính chất mài
mịn của các hạt mùn khoan trong q trình phá hủy đá. Nghĩa là phụ thuộc vào tính
chất cơ lý và thành phần của khoáng vật tạo đá. Trong q trình tuần hồn nước rửa,
hạt mùn khoan cùng với dòng chảy tác dụng vào bề mặt đế mũi khoan gây ra hiện
tượng xói mịn bề mặt đế mũi khoan. Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đều
kết luận: Trong q trình khoan, dịng nước rửa mang theo các hạt mùn khoan cứng,

có độ mài mịn cao đã xói mòn, cọ sát và mài mòn đế mũi khoan, tạo nên các hốc
mịn và rãnh mịn có hướng trùng với hướng chuyển động của mũi khoan. Đối với
hạt mùn cố định kẹp giữa 2 bề mặt tiếp xúc, trên bề mặt đế, chúng ta thấy xuất hiện
các vết xước, cắt.
1.2.3. Tình hình nghiên cứu mịn mũi khoan kim cương ở Việt Nam
Q trình mịn và hiện tượng hư hỏng mũi khoan kim cương trong quá trình
khoan ở Việt Nam chưa có nhiều chuyên gia trong lĩnh vực khoan quan tâm và
nghiên cứu. Trong vài thập kỷ gần đây phương pháp khoan kim cương đã được áp
dụng vào Việt Nam và ngày càng phát triển. Nhiều nhà chuyên môn đã quan tâm
nghiên cứu q trình mịn và tuổi thọ của mũi khoan kim cương, các yếu tố ảnh
hưởng đến tốc độ khoan kim cương và thiết kế chế độ khoan hợp lý trong khoan
kim cương.
Nhìn chung, tình hình nghiên cứu sự mịn, hỏng mũi khoan kim cương cịn ít,
các tác giả đều thống nhất: Q trình mịn, hỏng mũi khoan kim cương là một quá
trình phức tạp liên quan đến nhiều yếu tố như: Thiết bị dụng cụ khoan, chế độ
khoan, cơng nghệ khoan, tính chất cơ lý của đất đá v.v…Trong đó, q trình rung
động va đập, chế độ bơm rửa làm sạch mùn khoan ở đáy lỗ khoan, lựa chọn hợp lý
các thông số chế độ khoan là những yếu tố quan trọng quyết định đến tuổi thọ mũi
khoan và hiệu quả khoan kim cương.
Để góp phần nâng cao hiệu quả khoan kim cương ta phải nghiên cứu đưa ra
các giải pháp kỹ thuật và công nghệ hạn chế các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của


20

mũi khoan. Tính tốn lựa chọn hợp lý các thơng số chế độ khoan đối với từng loại
đất đá khoan qua nhằm tăng tốc độ khoan, giảm giá thành mét khoan


21

Chương 2
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PHÁ HỦY ĐẤT ĐÁ BẰNG
MŨI KHOAN KIM CƯƠNG
2.1. Đặc tính cơ bản của mũi khoan kim cương
2.1.1. Cấu tạo mũi khoan kim cương
Mũi khoan kim cương bao gồm các bộ phận chính sau: Thân mũi khoan, đế
mũi khoan và các hạt kim cương.
Thân mũi khoan chế tạo bằng thép, đầu trên được cắt ren để nối với ống mẫu
Đế mũi khoan là bộ phận chứa các hạt kim cương. Hình dạng của đế quyết
định hình dạng mặt đầu của mũi khoan. Trên bề mặt đế có các rãnh để thốt nước
rửa làm mát các hạt kim cương trong quá trình làm việc. Do vậy, các hạt kim cương
được gắn vào đế 1 cách chắc chắn và theo yêu cầu của từng loại mũi khoan. Tùy
theo từng loại đất đá, phần hợp kim chứa các hạt kim cương có độ cứng khác nhau.
Theo độ cứng Rocwell chia ra:
- Loại bình thường: HRC = 25 – 30
- Loại cứng: HRC = 35 – 40
- Loại rất cứng: HRC = 50 – 60
Độ cứng của đế mũi khoan (phần chứa hạt kim cương) phải phù hợp với độ
cứng, độ mài mòn của đá và hạt kim cương. Nếu độ cứng của đế nhỏ, tốc độ mài
mòn đế nhanh hơn tốc độ mài mịn hạt kim cương, thì độ nhơ của hạt kim cương
tăng, làm cho nó dễ bong ra khỏi đế. Nếu độ cứng của đế quá lớn, khi khoan trong
đá cứng có độ mài mịn cao, thì độ nhô của hạt kim cương giảm và đến 1 lúc nào đó
hạt kim cương khơng cịn khả năng phá đá. Từ những trình bày trên, cần thiết phải
nghiên cứu, lựa chọn độ cứng của đế phù hợp với độ cứng, độ mài mòn của đá và
các hạt kim cương.
Các hạt kim cương gắn vào đế mũi khoan có kích thước và hình dạng khác
nhau. Các hạt kim cương đóng vai trò như 1 mũi cắt, được gắn vào đế theo từng
lớp. Trong q trình làm việc, lớp này mịn khi hết khả năng làm việc, thì lớp khác
lại lộ ra khỏi đế để tiếp tục phá đá. Cứ như vậy cho đến lớp cuối cùng. Người ta

22

chia các loại mũi khoan kim cương: 1 lớp, nhiều lớp và mũi khoan kim cương thấm
nhiễm. Trong loại mũi khoan gắn theo lớp, các hạt kim cương có kích thước lớn nên
hiệu quả phá hủy đá cao trong đất đá có độ cứng trung bình và cứng, ít nứt nẻ và độ
mài mòn thấp, từ cấp VIII – X. Với đất đá rất cứng, mài mòn cao, người ta sử dụng
mũi khoan kim cương thấm nhiễm. Đặc điểm của mũi khoan kim cương thấm
nhiễm là: kích thước hạt kim cương rất nhỏ, thậm chí kim cương ở dạng bụi nhỏ
được trộn lẫn đều trong bột hợp kim làm đế.
Các hạt kim cương gắn trên đế mũi khoan có thể theo các ngun tắc sau:
- Các hạt có kích thước khác nhau sắp xếp hỗn hợp trên bề mặt đế
- Bố trí các hạt to ở sát rãnh nước rửa
- Bố trí hạt to ở mép rìa bên ngồi và bên trong mũi khoan
- Các hạt kim cương trên bề mặt mũi khoan được sắp xếp theo 3 cách sau:
+ Theo hình xoắn;
+ Theo đường tiếp tuyến;
+ Theo đường hướng tâm.
2.1.2. Tính chất cơ lý của kim cương dùng chế tạo mũi khoan
Kim cương là loại khoáng vật cứng dùng trong cơng nghiệp kỹ thuật và cơng
nghệ kim hồn. Trong mũi khoan kim cương, hạt kim cương đóng vai trị như 1 mũi
cắt để phá hủy đá; kim cương để chế tạo mũi khoan là loại đồng nhất về chất lượng,
độ bền cao. Kim cương để chế tạo mũi khoan có thể là kim cương thiên nhiên hoặc
kim cương nhân tạo. Hiện nay, đa số kim cương dùng để chế tạo mũi khoan là kim
cương nhân tạo.
2.1.2.1. Kim cương thiên nhiên
Kim cương thiên nhiên thường gặp ở dạng đơn tinh thể, đa tinh thể. Tinh thể
kim cương rất đa dạng: Hình khối hộp, hình bát giác, hình khối lục giác … Tính
chất cơ lý của kim cương thiên nhiên dùng để chế tạo mũi khoan được trình bày ở

bảng 2.1


23

Bảng 2.1. Tính chất cơ lý của kim cương thiên nhiên và
các vật liệu khác dùng chế tạo mũi khoan
TÍNH CHẤT
Thành phần hóa học
Khối lượng riêng,
g/cm3
Độ cứng, MPa
Moodun đàn hồi,
MPa
Giới hạn bền nén,
MPa
Giới hạn bền uốn,
MPa
Hệ số dẫn nhiệt ở
0oC, Kal/cm3 oC
Hệ số nhiệt dãn nở
tuyến tính, α.10-6 l/s

KIM

CARBIDE

CARBIDE

CƯƠNG

BOR

CREMNI

C

B4C

SiC

3,5 – 3,6

2,48 –
2,52

3,1 – 3,2

BK – 8

CARBIDE
VONFRAM
WC

14,6

15,6

15.500

17.300

540.000

722.000

37.000 –

3.000 –

43.000

3.300

900.000

296.000

365.000

2.000

1.800

1.500

210 – 490

210 – 280

50 – 150

1.600

520 – 560

0,35

0,025

0,037

0,14

0,07

0,9 – 1,45

4,5

6,5

5

5,2 – 7,3

100.600

4.000 –
5.000

3.000

Kim cương thiên nhiên là khống vật có độ cứng cao nhất trong các loại
khoáng vật thiên nhiên. Trong thang độ cứng Mohs, kim cương đứng ở vị trí thứ 10
(nghĩa là độ cứng cao nhất). Độ cứng tế vi của kim cương từ 9.500 – 100.600 MPa,
lớn hơn độ cứng thạch anh 9 lần, lớn hơn độ cứng của hợp kim 7 lần. Các cạnh của
tinh thể kim cương theo các phương khác nhau thì có độ cứng khác nhau: Độ cứng
nhỏ nhất ở mặt tứ diện, cao nhất ở mặt bát diện. Tính khơng đồng nhất của độ cứng
được lưu ý, khi chọn tinh thể kim cương để chế tạo mũi khoan . Kim cương có tính
dịn cao, dễ bị vỡ theo các mặt thớ khi va đập. Trọng lượng của kim cương tính
bằng cara (1cara = 0,2g), khối lượng riêng của kim cương phụ thuộc vào thành phần


24

khống vật và độ chặt xít của tinh thể dao động từ 3,5 – 3,56 g/cm3. Trong thực tế,
khối lượng riêng của kim cương có thể phân biệt theo mầu sắc: Mầu xanh lá cây
ρ =3,52g/cm3, mầu hồng ρ = 3,53g/cm3, mầu da cam ρ = 3,55g/cm3, mầu trong suốt
ρ = 3,56g/cm3. Độ bền chịu mòn của kim cương lớn hơn các vật liệu khác và phụ
thuộc vào chế độ làm việc và tính chất bề mặt tiếp xúc. Nếu khả năng mài mịn của
kim cương là 1 thì khả năng mài mòn của Carbide bar là 0,5 - 0,7; Silic Cacbua là
0,2 - 0,4; Corindon điện phân là 0,15. Môđun đàn hồi của kim cương là 9.105 MPa
lớn hơn các khống vật khác và ít bị biến dạng khi chịu tác dụng của ngoại lực.
Thành phần hóa học của kim cương chủ yếu là Cacbon(C), hàm lượng chiếm từ 96 98,9% còn lại là các phần khác như Nitor 0,2%,Oxy 0,1% v.v… Tính chất hóa học
của kim cương ổn định cao. Trong điều kiện bình thường, kim cương khơng tác
dụng với axit và kiềm mạnh. Trong khơng khí, kim cương tự bốc cháy ở nhiệt độ
cao 850 – 1.0000C; còn trong oxy kim cương bắt đầu cháy ở nhiệt độ 720 – 8000C.
Kim cương bị grafit hóa ở nhiệt độ 1.000 – 1.5000C và hoàn toàn biến thành grafit ở
nhiệt độ 2.000 – 3.0000C. Vì vậy, trong quá trình sản xuất chế tạo các dụng cụ kim

cương bằng phương pháp nhiệt, cần phải có dung mơi bảo vệ như: Nitor, hydro, oxit
cacbon. Tính dẫn nhiệt của kim cương cao hơn hợp kim cứng và các vật liệu mài
mòn khác, vì vậy trong quá trình mài, cắt đá, kim cương tỏa nhiệt nhanh và giữ
được độ bền ở nhiệt độ cao. Hệ số độ dãn nở tuyến tính của kim cương nhỏ hơn từ 5
đến 6 lần so với hệ số nhiệt độ dãn nở tuyến tính của hợp kim và các vật liệu mài
mòn khác. Đây là nguyên nhân cơ bản làm tăng độ bền của các dụng cụ cắt gọt gắn
hạt kim cương khi làm việc ở chế độ tăng cường.
Các nước tư bản đã sử dụng kim cương có chất lượng cao để chế tạo mũi
khoan.Trọng lượng kim cương được tính bằng đơn vị cara (1 cara = 0,2 g). Kích
thước hạt kim cương được tính bằng số lượng hạt trong 1 cara. Số lượng hạt kim
cương trong 1 cara cần nhiều, thì kích thước hạt càng nhỏ (xem bảng 2.2)