Từ đá mềm đến đá cứng: Chọn răng tròn hay răng nhọn cho mũi khoan DTH — Tất cả đều phụ thuộc vào đá
Trong khoan xuống lỗ khoan (DTH), loại đá là yếu tố quyết định khi lựa chọn hình dạng răng mũi khoan. Sự khác biệt về độ cứng và cường độ nén ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nghiền, tốc độ mài mòn và chi phí vận hành của răng tròn (bánh răng tròn) so với răng nhọn. Chỉ bằng cách kết hợp chính xác hình dạng răng với đặc tính của đá, việc khoan mới có thể hiệu quả và tiết kiệm; lựa chọn sai lầm sẽ dẫn đến tốc độ xuyên sâu kém và tốc độ mài mòn mũi khoan nhanh.
Đá mềm: răng tròn là lý tưởng — “nghiền nhẹ” để khoan hiệu quả. Đá mềm có đặc điểm là độ cứng thấp và cường độ nén thấp (thường < 30 MPa), chẳng hạn như đá phiến sét, đá sét, đá macnơ và đá sa thạch dễ vỡ. Những loại đá này vỡ mà không gây thủng mạnh; cơ chế nghiền răng tròn “nén + nghiền” phù hợp với đặc điểm này và là lựa chọn ưu tiên cho khoan đá mềm.
Tại sao răng tròn phù hợp với đá mềm? Đá mềm tương đối lỏng lẻo và chịu nén yếu. Thiết kế răng tròn cung cấp bề mặt tiếp xúc, tạo ra diện tích tiếp xúc lớn hơn khi va chạm, phân phối lực đều hơn trên bề mặt đá. Quá trình nén này gây ra biến dạng dẻo và phân mảnh — một quá trình tương tự như máy lu nén vật liệu — do đó, các tác động cục bộ, nặng là không cần thiết. Điều này vừa tiết kiệm năng lượng vừa giảm thiểu sự phá hủy quá mức cấu trúc đá. Trong quá trình quay, răng tròn cũng nghiền các mảnh vụn đã vỡ trước đó thành các hạt mịn hơn, dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp rửa và ít có khả năng làm tắc nghẽn lỗ khoan. Sự phân mảnh đồng đều cũng giúp duy trì độ ổn định của lỗ khoan, tránh hiện tượng lỗ khoan có hình dạng bất thường và sụp đổ thành lỗ khoan.
Vấn đề khi sử dụng răng nhọn trong đá mềm. Răng nhọn tập trung lực vào một diện tích rất nhỏ (điểm tiếp xúc), làm vỡ đá mềm thành bột mịn. Điều này gây lãng phí năng lượng (công suất không được chuyển hóa thành độ xuyên thấu hiệu quả) và có thể dẫn đến tắc nghẽn rãnh xả và rãnh cắt khi bột mịn bám vào thành rãnh, làm giảm hiệu quả khoan. Đầu nhọn trong môi trường có lực cản thấp có thể bị biến dạng (cong hoặc cùn), rút ngắn tuổi thọ mũi khoan và tăng chi phí thay thế.
Đá cứng: Răng nhọn được ưa chuộng — “độ xuyên thấu mạnh” để vượt qua các loại đá cứng có độ cứng và cường độ nén cao (thường là 60 MPa), chẳng hạn như đá granit, đá thạch anh, đá bazan và đá diabase. Những loại đá đặc và cứng này không thể bị phá vỡ hiệu quả chỉ bằng lực nén; chúng cần tác động đâm thủng và tách của răng nhọn để xuyên thấu hiệu quả. Do đó, răng nhọn là lựa chọn rõ ràng cho việc khoan đá cứng.
Tại sao răng nhọn phù hợp với đá cứng Đá cứng đặc có liên kết bên trong mạnh; chỉ riêng lực nén tiếp xúc bề mặt không thể phá vỡ nó. Răng nhọn tập trung lực tác động vào một diện tích đầu nhỏ (diện tích tiếp xúc chỉ khoảng 1/5–1/10 diện tích tiếp xúc của răng tròn), tạo ra áp suất cục bộ cao hơn nhiều (gấp nhiều lần so với răng tròn). Áp suất tập trung này đâm thủng bề mặt đá và tạo ra các vết nứt. Với sự quay và va chạm liên tục, các vết nứt ban đầu này phát triển, liên kết với nhau và lan truyền dọc theo các mặt gãy, làm tách đá một cách hiệu quả — giống như một cái nêm tách gỗ. Điều này tấn công trực tiếp vào cấu trúc bên trong của đá và nhanh chóng làm tăng tốc độ thâm nhập. Ví dụ, trong khoan đá granit, sự thâm nhập bằng răng nhọn có thể nhanh hơn 2–3 lần so với răng tròn và tránh được vấn đề "mài mà không thâm nhập" mà răng tròn gặp phải trên các bề mặt cứng.
Vấn đề khi sử dụng răng tròn trong đá cứng Răng tròn phân bổ lực trên một diện tích lớn hơn, ngăn chặn áp lực cục bộ cao cần thiết để phá vỡ đá cứng. Các va chạm chỉ tạo ra vết xước hoặc mài mòn bề mặt thay vì phá vỡ thực sự, do đó tỷ lệ xuyên thấu có thể chỉ bằng 1/5–1/10 so với răng nhọn, gây lãng phí năng lượng khi quay không tải. Ma sát mạnh với đá có độ cứng cao làm mài mòn nhanh chóng răng tròn (thường cần thay thế sau 1–2 giờ), trong khi răng nhọn trong cùng điều kiện có thể kéo dài 4–6 giờ. Việc thay đổi mũi khoan thường xuyên làm tăng thời gian chết và tổng chi phí.
Đá cứng vừa: quyết định dựa trên thành phần đá chi tiết — linh hoạt hoặc sử dụng thiết kế lai. Giữa đá mềm nguyên chất và đá cứng nguyên chất là đá cứng vừa (cường độ nén 30–60 MPa), chẳng hạn như đá sa thạch đặc, đá vôi kết tinh và một số loại đá gneiss. Việc lựa chọn răng cho những loại đá này phải xem xét thành phần đá chi tiết (ví dụ: sự hiện diện của các hạt thạch anh, tính không đồng nhất). Trong nhiều trường hợp, kiểu răng hỗn hợp hoặc lai (tròn + nhọn) là phù hợp.
Tiêu chí lựa chọn răng trong đá có độ cứng trung bình
Nếu đá có độ cứng trung bình đồng nhất và không có lớp xen kẽ cứng (ví dụ, đá sa thạch đặc đồng nhất), hãy ưu tiên "răng tròn được gia cố" (độ cứng cao hơn và cung tiếp xúc được tối ưu hóa) để tăng cường khả năng phá vỡ dựa trên lực nén; răng tròn có thể mang lại hiệu quả cân bằng và giảm mài mòn so với răng nhọn.
Nếu đá có độ cứng trung bình chứa các hạt thạch anh hoặc các điểm cứng cục bộ (ví dụ, đá vôi kết tinh hoặc đá sa thạch có lớp đá lửa), hãy chọn "răng nhọn ngắn, chắc" (đầu dày hơn, cứng hơn) để xuyên qua các điểm cứng cục bộ và tránh làm mòn nhanh các răng tròn.
Nếu cấu trúc đá được phân lớp (ví dụ, các lớp mềm ở trên các lớp cứng), hãy sử dụng thiết kế mũi khoan có răng hỗn hợp — răng tròn ở vòng ngoài và răng nhọn ở vòng trong — để xử lý các lớp khác nhau mà không cần thay mũi khoan thường xuyên.
Nguyên tắc cốt lõi cho đá trung bình-cứng Tránh tư duy tuyệt đối "mềm so với cứng"; nguyên tắc là giải quyết đặc điểm chủ đạo của đá. Nếu thành phần đá tổng thể có xu hướng mềm hơn với chỉ các điểm cứng cục bộ, hãy ưu tiên răng tròn với răng nhọn làm dự phòng. Nếu thành phần đá tổng thể có xu hướng cứng hơn với các đường nối mềm cục bộ, hãy ưu tiên răng nhọn với răng tròn làm dự phòng. Xác nhận lựa chọn bằng cách khoan thử (ví dụ: khoan 10–20 phút, sau đó kiểm tra độ mòn và độ xuyên thấu của răng) và điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất.
Tóm tắt: ba yếu tố cốt lõi quyết định lựa chọn răng. Ảnh hưởng của loại đá đến việc lựa chọn răng tròn hay răng nhọn được tóm gọn trong ba yếu tố cốt lõi: độ cứng, cường độ nén và tính đồng nhất của cấu trúc. Logic lựa chọn có thể được tóm tắt như sau:
Độ cứng + cường độ nén: độ cứng thấp/cường độ nén thấp → chọn răng tròn; độ cứng cao/cường độ nén cao → chọn răng nhọn.
Tính đồng nhất về cấu trúc: thành phần đá đồng nhất (không có lớp xen kẽ hoặc điểm cứng) → có thể chấp nhận được một mặt cắt răng đơn phù hợp với đá chủ đạo; thành phần đá không đồng nhất (có lớp xen kẽ hoặc điểm cứng) → yêu cầu ghép nối linh hoạt hoặc kiểu răng lai.
Phù hợp với mục tiêu vận hành: nếu bạn theo đuổi “hiệu quả cao + tuổi thọ cao” → hãy chọn hình dạng răng chính xác cho loại đá; nếu bạn cần “khả năng thích ứng rộng với nhiều loại đá” → hãy cân nhắc thiết kế răng lai hoặc đầu cắt có thể thay thế.
Loại đá là yếu tố quyết định lựa chọn răng cho mũi khoan DTH. Chỉ khi hiểu rõ đặc điểm của đá, bạn mới có thể khai thác tối đa sức mạnh của răng tròn và răng nhọn, đồng thời đạt hiệu suất khoan tối đa với chi phí tối thiểu.
