Giải thích về phương pháp khoan xoay kết hợp va đập: Tại sao việc va đập vào đá trong khi xoay máy đã thay đổi mọi thứ

Nếu bạn đã từng khoan đá granit cứng bằng giàn khoan xoay thuần túy, bạn sẽ hiểu cảm giác đó. Mũi khoan quay, trọng lượng đè xuống, nhưng chẳng có gì xảy ra cả. Tốc độ khoan giảm xuống chỉ còn vài milimét mỗi phút. Mũi khoan bị chai cứng. Cả nhóm bắt đầu kiểm tra điện thoại.

Giờ hãy hình dung cùng một tảng đá đó, nhưng lần này có một cái búa ở dưới đáy lỗ, đập mũi khoan vào đá năm mươi lần một giây trong khi dây cáp quay phía trên. Đó chính là phương pháp khoan xoay kết hợp va đập. Và trong đá cứng, phương pháp này không chỉ nhanh hơn mà còn thường tạo nên sự khác biệt giữa một dự án khả thi và một dự án thua lỗ nặng nề.

Nguồn gốc của nó

Ý tưởng kết hợp giữa quay và va đập không phải là mới. Các nhà khoan châu Âu đã thử nghiệm nó từ đầu những năm 1800. Bộ Địa chất Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu nghiêm túc vào năm 1958, và công nghệ này phát triển mạnh vào những năm 1970 khi các hệ thống thủy lực và khí nén hoàn thiện. Ưu điểm rất đơn giản: trong các tầng đá cứng, chỉ quay sẽ gây ra hiện tượng xước đá. Thêm lực va đập, sẽ làm vỡ đá.

Ba lực tác động — xung lực từ búa, trọng lượng trục tác động lên mũi khoan và mô-men xoắn quay từ đầu khoan — cùng tác động lên mũi khoan đồng thời. Xung lực tạo ra các vết nứt nhỏ trong đá phía trước mặt mũi khoan. Chuyển động quay giúp mũi khoan định vị lại trên đá mới sau mỗi nhát đập. Áp lực đẩy giữ cho mũi khoan luôn tiếp xúc với đá, nhờ đó năng lượng va đập thực sự được truyền vào đá thay vì dội ngược trở lại dây cung.

Kết quả: Tốc độ khoan cao hơn, thời gian khoan giữa các lần thay mũi khoan dài hơn, lỗ khoan thẳng hơn (vì tác động va đập giúp chống lệch hướng tốt hơn so với chuyển động quay thuần túy), và chi phí trên mỗi mét thấp hơn đáng kể trong các tầng đá cứng.

Hai cách để đóng búa

Hệ thống búa xoay được chia thành hai nhóm dựa trên nguồn năng lượng cung cấp cho búa:

Hệ thống dẫn động bằng thủy lực (dẫn động bằng chất lỏng)Hệ thống này sử dụng dung dịch khoan – bùn hoặc nước – được bơm xuống cần khoan để vận hành búa piston gắn phía trên ống lấy mẫu hoặc mũi khoan. Dung dịch này cũng chính là thứ cung cấp năng lượng cho búa và dùng để rửa trôi các mảnh vụn khoan. Các hệ thống này phổ biến trong thăm dò khoáng sản và khoan địa kỹ thuật, đặc biệt khi cần giữ cho lỗ khoan sạch sẽ để thu hồi mẫu lõi. Chúng thậm chí có thể được kết hợp với phương pháp lấy mẫu lõi bằng dây cáp, trong đó cụm búa và ống bên trong được thả vào cần khoan và được thu hồi bằng một cần kéo trên dây cáp – không cần phải thả toàn bộ cần khoan cho mỗi lần lấy mẫu lõi.

Hệ thống dẫn động bằng khí nén— Điều mà hầu hết mọi người hiểu khi nói đến DTH (Down-The-Hole) — là sử dụng khí nén. Búa được đặt ngay phía sau mũi khoan ở đáy lỗ. Khí nén đẩy pít-tông, và khí thải đẩy các mảnh vụn khoan lên vòng ngoài. Hệ thống DTH chiếm ưu thế trong khoan lỗ nổ mìn, khoan giếng nước và khoan xây dựng, nơi đường kính lỗ lớn hơn và việc sử dụng khí nén là khả thi. Chúng tạo ra năng lượng va đập cao hơn mỗi nhát đập so với hầu hết các loại búa thủy lực và hoạt động đặc biệt tốt trong các tầng đất cứng, mài mòn.

Phân loại tần suất: Gõ nhanh so với gõ mạnh

Không phải tất cả các loại búa gõ đều hoạt động giống nhau. Chúng được chia thành hai loại tần số, và loại bạn sử dụng sẽ quyết định loại mũi khoan bạn cần dùng:

Búa tần số cao (trên 40 Hz — hơn 40 nhát đập mỗi giây)Đây là loại búa khoan tốc độ cao. Chúng tạo ra năng lượng thấp hơn mỗi nhát đập nhưng với tốc độ cao hơn nhiều. Ở chế độ tần số cao, cơ chế phá đá chính vẫn là sự quay – lực tác động hỗ trợ bằng cách giữ cho mặt mũi khoan luôn sắc bén và ngăn ngừa hiện tượng mài mòn mũi khoan trong các tầng đá cứng. Những chiếc búa này được kết hợp với mũi khoan kim cương, trong đó hoạt động cắt đến từ việc các viên kim cương cày xới đá và lực tác động ngăn không cho lớp đá nền bị mài mòn.

Búa tần số thấp (dưới 40 Hz)Đây là những loại búa có lực đập mạnh. Số nhát đập mỗi giây ít hơn, nhưng mỗi nhát đập lại truyền tải năng lượng lớn hơn đáng kể. Ở chế độ này, lực va đập là cơ chế phá đá chính và chuyển động quay chủ yếu giúp định vị mũi khoan. Những chiếc búa này được kết hợp với mũi khoan có lưỡi bằng vonfram cacbua — các nút cacbua lớn có thể hấp thụ và truyền tải năng lượng cao của một nhát đập mà không bị vỡ, điều mà các mũi khoan kim cương thường không làm được.

Việc lựa chọn tần số khoan phụ thuộc vào độ cứng của địa chất, loại mũi khoan và mục tiêu tối ưu hóa: tốc độ khoan hay tuổi thọ mũi khoan.

Tại sao điều này lại quan trọng đối với việc mua sắm dụng cụ?

Nếu bạn mua búa hoặc mũi khoan DTH cho một dự án, nguyên tắc quay-va đập rất quan trọng vì nó quyết định bộ phận nào bị mòn và mòn như thế nào.

Máy đóng đinh DTH là một thiết bị chính xác. Piston chuyển động trong một xi lanh với khe hở được đo bằng phần nghìn inch. Không khí bị nhiễm bẩn, bôi trơn không đủ hoặc hoạt động ở áp suất không đúng không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn phá hủy máy đóng đinh từ bên trong. Piston làm xước xi lanh. Van một chiều bị kẹt. Chuôi mũi khoan bị biến dạng. Đây là những hỏng hóc có thể tránh được và gây thiệt hại về tiền bạc.

Mũi khoan DTH còn chịu áp lực nặng hơn. Mũi khoan DTH phải chịu đồng thời lực tác động, lực quay và luồng khí mài mòn. Các nút cacbua phải đủ cứng để chống vỡ dưới năng lượng va đập mạnh và đủ cứng để chống mài mòn do các mảnh vụn bay qua với tốc độ cao. Đó là một tập hợp các yêu cầu mâu thuẫn, và đó là lý do tại sao các mũi khoan DTH tốt lại đắt tiền còn những mũi khoan rẻ tiền lại hỏng hóc nhanh chóng.

Tóm lại

Khoan xoay bằng búa là giải pháp mặc định cho đá cứng và đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Các nguyên lý vật lý không thay đổi nhiều kể từ những năm 1970 — điều được cải thiện là công nghệ luyện kim, độ chính xác sản xuất và độ tin cậy của búa. Việc lựa chọn giữa hệ thống thủy lực và khí nén, tần số cao và tần số thấp, phụ thuộc vào đường kính lỗ khoan, cấu tạo địa chất và việc bạn đang lấy mẫu lõi hay chỉ đơn thuần là tạo lỗ.

Hãy biết rõ loại máy khoan búa bạn đang sử dụng, chọn mũi khoan phù hợp với tần số hoạt động và bảo dưỡng máy khoan như một dụng cụ chính xác. Làm được điều đó, việc khoan đá cứng sẽ không còn là vấn đề nữa mà chỉ là công việc thường ngày.