Khoan đá cứng mà không bị kẹt: ba bí quyết điều chỉnh thông số cốt lõi
Các thành tạo cứng (ví dụ điển hình: đá granit, đá bazan) có độ cứng và độ dẻo dai cao, đòi hỏi các yêu cầu nghiêm ngặt về việc khớp các thông số khoan. Việc điều chỉnh chính xác tốc độ quay, lực đẩy mũi khoan (áp suất mũi khoan) và các thông số loại bỏ hạt cắt (xả rửa) là chìa khóa để cải thiện tốc độ thâm nhập và giảm mài mòn dụng cụ. Dưới đây là hướng dẫn thực hành chi tiết về việc điều chỉnh thông số trên ba chiều cốt lõi này.
Tốc độ quay: sử dụng tốc độ thấp để đảm bảo hiệu quả phá vỡ. Độ cứng cao của đá cứng đòi hỏi thao tác tốc độ thấp vì mũi cắt nút (lưỡi cắt dạng nút) cần đủ thời gian tiếp xúc để phá vỡ đá. Cấu trúc dày đặc và ít vết nứt tự nhiên đồng nghĩa với việc mũi cắt phải được chèn vào đá bằng áp lực liên tục; nếu quay quá nhanh, thời gian tiếp xúc sẽ bị rút ngắn đáng kể và mũi cắt sẽ tách ra trước khi xảy ra hiện tượng phá vỡ hiệu quả. Điều này không chỉ không cải thiện hiệu suất mà còn gây ra hiện tượng mài khô, làm tăng tốc độ mòn mũi cắt.
Trên thực tế, tốc độ quay trong khoan đá cứng thường được kiểm soát ở mức 30–60 vòng/phút. Ví dụ, trong khoan đá granit, việc tăng tốc độ lên 100 vòng/phút khiến mũi khoan nút trượt trên bề mặt, chỉ tạo ra các vết xước nông mà không xuyên thủng lớp đá bên trong. Giảm tốc độ xuống khoảng 40 vòng/phút cho phép mũi khoan tiếp xúc, tạo áp lực liên tục và tạo hình nêm/tách đá theo độ cứng và hình dạng nêm của chúng — cải thiện hiệu suất phá vỡ hơn 30% và giảm đáng kể độ mòn của mũi khoan.
Áp lực khoan (lực đẩy mũi khoan): áp dụng áp suất cao để vượt qua sức cản của đá. Cường độ nén cao trong đá cứng (thường là >100 MPa) đòi hỏi áp suất khoan đủ lớn để vượt qua sức cản của thành hệ và buộc mũi khoan phải xuyên qua. Áp suất không đủ khiến mũi khoan trượt trên bề mặt (trượt) thay vì nhúng sâu vào; áp suất cao phù hợp cho phép mũi khoan vượt qua ứng suất bề mặt, đi vào các khe nứt bên trong hoặc ranh giới tinh thể, và làm nứt vỡ đá thông qua tác động kết hợp giữa ép và cắt.
Áp suất khoan điển hình cho các hoạt động khai thác đá cứng được đặt ở mức 3–5 MPa. Điều này thể hiện rõ trong các ví dụ khai thác đá cứng: ở áp suất khoan chỉ 2 MPa, mũi khoan khó tạo ra các điểm nứt gãy hiệu quả và tốc độ khoan có thể dưới 0,5 m/giờ. Tăng áp suất lên 4 MPa cho phép mũi khoan ăn sâu, các chu kỳ áp suất định kỳ để mở rộng các vết nứt, và tăng tốc độ khoan lên khoảng 1,2–1,5 m/giờ; đá vỡ cũng có xu hướng giữ được tính toàn vẹn của khối tốt hơn để xử lý sau này.
Loại bỏ mùn cưa (xả rửa): đảm bảo xả rửa đủ để duy trì bề mặt làm việc sạch sẽ. Mặc dù mùn cưa từ khoan đá cứng khá mịn, nhưng do tốc độ thâm nhập chậm nên chúng tích tụ ở đáy lỗ, tạo ra một vòng luẩn quẩn liên tục bị phá vỡ: mùn cưa tích tụ sẽ chặn tiếp xúc mới giữa lưỡi cắt và đá nguyên vẹn, làm tăng độ mài mòn và lãng phí năng lượng. Do đó, mục tiêu cốt lõi của việc điều chỉnh loại bỏ mùn cưa là đảm bảo dòng nước xả rửa đủ để loại bỏ mùn cưa ở đáy lỗ một cách nhanh chóng.
Đối với khoan đá cứng, lưu lượng chất lỏng xả nên được duy trì ở mức khoảng 40–80 L/phút. Ví dụ, trong một dự án đường hầm đá cứng ngầm, lưu lượng xả ban đầu 30 L/phút cho phép 5–8 cm mùn cưa tích tụ ở đáy; mũi khoan cần thay thế sau mỗi 2 giờ và độ dịch chuyển hàng ngày dưới 8 m. Sau khi tăng lưu lượng lên 60 L/phút, lượng mùn cưa còn lại giảm xuống dưới 1 cm, tuổi thọ mũi khoan kéo dài hơn 8 giờ, độ dịch chuyển hàng ngày tăng lên 15–18 m, và chi phí mua sắm mũi khoan giảm khoảng 40% do giảm độ mài mòn.
Phối hợp thông số: logic của tương tác ba chiều Điều chỉnh thông số cho khoan đá cứng không phải là tối ưu hóa một yếu tố mà là sự kết hợp phối hợp của ba thông số. Các điểm phối hợp chính:
Tốc độ và áp suất khoan: khi tăng áp suất khoan, hãy duy trì tốc độ quay thấp để tránh quá tải tức thời và làm hỏng mũi khoan trong điều kiện tốc độ cao/áp suất cao.
Áp suất xả và khoan: khi tăng lưu lượng xả, hãy điều chỉnh áp suất khoan cho phù hợp để tránh tác động xả làm mất ổn định thành lỗ.
Chỉ bằng cách kết hợp tốc độ quay, áp suất khoan và xả/loại bỏ vật cắt vào một bộ tương thích thì quá trình khoan đá cứng mới có thể đạt hiệu suất cao với mức tiêu thụ thấp.
