Cải tiến mũi đục giúp khoan đá nhanh hơn và kéo dài tuổi thọ.

Mũi đục, còn được gọi là mũi lưỡi hoặc mũi phẳng, vẫn được sử dụng rộng rãi trong việc đào hầm và khai thác đá do cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và dễ mài lại. Mũi đục thông thường sử dụng một cạnh cắt thẳng dài để phá vỡ đá dưới tác động và chuyển động quay.

Tuy nhiên, hình dạng cắt đơn giản này cũng có những hạn chế. Các góc ngoài của lưỡi cắt thường mòn nhanh hơn phần giữa. Trong đá cứng hoặc đá bị nứt, các góc này có thể bị vỡ vụn, kẹt hoặc mất khả năng giữ được lỗ tròn. Sự mòn không đều làm giảm tốc độ khoan, tăng công việc mài lại và có thể làm giảm tuổi thọ hữu ích của mũi khoan.

Việc cải thiện hình dạng hình học của mũi đục có thể giúp phân bổ tải trọng cắt hiệu quả hơn, bảo vệ các góc dễ bị tổn thương, cải thiện khả năng làm sạch và giảm tổng chi phí trên mỗi mét khoan. Một phương pháp hữu ích là thay thế lưỡi cắt dài đơn bằng hệ thống nhiều lưỡi cắt kết hợp các lưỡi cắt ngoài góc cạnh và các rãnh bẻ phoi.

Vì sao mũi đục thông thường bị mòn không đều?

Trong quá trình khoan, mỗi điểm trên lưỡi cắt tiếp xúc với đá theo những cách khác nhau. Phần trung tâm của lưỡi cắt thường di chuyển theo quỹ đạo tròn nhỏ hơn so với các phần bên ngoài. Điểm càng gần đường kính ngoài thì diện tích đá mà nó phải phá vỡ trong mỗi vòng quay càng lớn.

Do đó, các góc ngoài của mũi đục thông thường thường chịu tải trọng cắt và mài mòn lớn hơn phần trung tâm. Các góc này cũng có thể tiếp xúc với thành bên của lỗ, tạo ra ma sát và mài mòn thêm ở cạnh bên.

Khi các góc bị mòn nhanh, một số vấn đề có thể xuất hiện:

• Khả năng duy trì đường kính lỗ đầy đủ bị giảm sút.

• Nguy cơ kẹt bit cao hơn

• Lỗ tròn không đều

• Xay lại thường xuyên hơn

• Khả năng chống cắt cao hơn

• Nguy cơ bị sứt mẻ cạnh cao hơn

• Hiệu suất khoan giảm

Mục tiêu của thiết kế mũi đục cải tiến là giảm tải trọng tập trung lên các khu vực ngoài dễ bị tổn thương này, đồng thời cải thiện khả năng phá đá trên toàn bộ bề mặt mũi đục.

Từ một cạnh dài đến nhiều cạnh ngắn

Bài báo gốc mô tả một phương pháp thử nghiệm trong đó hai góc dễ bị mòn của mũi đục được mài thành các cạnh cắt vát. Sau đó, các rãnh nhỏ được thêm vào mỗi bên của mặt cắt. Điều này đã biến một cạnh cắt dài duy nhất thành nhiều cạnh ngắn hơn với các hướng cắt khác nhau.

Trong thiết kế được báo cáo, một cạnh chính dài đã được chuyển đổi thành hệ thống cắt nhiều cạnh. Tổng chiều dài cạnh cắt hiệu quả tăng lên, trong khi tải trọng mà mỗi đoạn cạnh riêng lẻ chịu được lại giảm đi.

Cấu trúc hình học này có thể cải thiện hiệu suất theo nhiều cách.

Thứ nhất, các cạnh ngoài được vát góc giúp bảo vệ các góc ban đầu. Thay vì để góc ngoài cùng chịu toàn bộ ma sát, các bề mặt vát góc dẫn hướng tiếp xúc và giúp phân tán lực trên một diện tích lớn hơn.

Thứ hai, nhiều cạnh ngắn có thể tạo ra nhiều điểm phá đá hơn trong mỗi lần va đập. Thay vì tạo ra một vết lõm dài thẳng, mũi khoan có thể tạo ra một số vết lõm giao nhau hoặc lệch nhau. Điều này có thể khiến đá dễ bị vỡ hơn dưới tác động kết hợp của lực nén, lực cắt và lực va đập.

Thứ ba, các rãnh có thể cải thiện khả năng thoát phoi. Nếu hình dạng rãnh phù hợp với các lỗ xả, không khí hoặc nước có thể đẩy phoi ra khỏi mặt mũi khoan hiệu quả hơn. Việc xả tốt hơn giúp giảm việc phải mài lại phoi, giảm nhiệt độ và làm chậm quá trình mài mòn.

Những lợi ích tiềm năng của mũi đục nhiều cạnh

Mũi đục cải tiến được thiết kế tốt có thể mang lại một số lợi ích thiết thực.

Tuổi thọ sử dụng lâu hơn

Bằng cách loại bỏ hoặc định hình lại các phần góc ngoài chịu tải nặng nhất, hình dạng được sửa đổi có thể làm giảm sự mài mòn tập trung. Bài báo gốc trích dẫn các thử nghiệm trong quá khứ, trong đó việc sửa đổi cạnh vát giúp cải thiện tuổi thọ sau khi mài lại. Những kết quả này nên được xem như là tài liệu tham khảo cụ thể cho từng trường hợp. Sự cải thiện tuổi thọ thực tế sẽ phụ thuộc vào loại đá, công suất khoan, việc xả nước, vật liệu mũi khoan, chất lượng mài lại và điều kiện hoạt động.

Nguyên tắc kỹ thuật cơ bản là đúng đắn: khi tải trọng cắt được phân bố đều hơn, sự mài mòn và hư hỏng cục bộ có thể được giảm thiểu.

Hiệu quả thâm nhập cao hơn

Mũi khoan đa lưỡi có thể phá vỡ đá thông qua nhiều vùng tiếp xúc thay vì chỉ dựa vào một cạnh thẳng. Các hướng cắt khác nhau có thể tạo ra đáy lỗ không đều và bị nứt nẻ hơn, giúp cải thiện khả năng phân mảnh đá dưới cùng một năng lượng va đập.

Bài báo này báo cáo về sự cải thiện đáng kể hiệu suất khoan trung bình trong các thử nghiệm thực địa so sánh. Các nhà thầu nên xác minh những cải thiện này thông qua các thử nghiệm có kiểm soát sử dụng cùng một giàn khoan, thép khoan, áp suất khí, đường kính lỗ khoan và cấu tạo đá.

Hướng dẫn tốt hơn và hình dạng lỗ

Mũi khoan phẳng thông thường có thể khó giữ được lỗ tròn và nằm chính giữa nếu lưỡi cắt bị mòn không đều. Một mũi khoan được cải tiến tạo ra đáy lỗ hình nón ổn định hơn có thể cải thiện khả năng tự dẫn hướng.

Việc định tâm lỗ khoan tốt hơn có thể mang lại giá trị rất lớn trong công tác đào hầm và nổ mìn vì độ lệch tâm của lỗ khoan ảnh hưởng đến độ chính xác khi khoan, chiều dài đoạn khoan, khoảng cách giữa các viên đá, vị trí đặt thuốc nổ, độ vỡ vụn và độ xuyên thủng.

Ít bị kẹt và sứt mẻ góc cạnh hơn

Trong đá cứng và dễ vỡ, mũi đục thông thường có thể chạm vào đáy lỗ dọc theo một đường hẹp. Điều này có thể khiến các góc ngoài dễ bị kẹt hoặc vỡ vụn.

Cấu hình nhiều cạnh có thể tăng diện tích tiếp xúc và phân bổ tải trọng rộng hơn. Khi kết hợp với việc làm sạch hiệu quả, điều này có thể giảm thiểu các sự cố kẹt mũi khoan và hư hỏng cạnh.

Cải thiện khả năng xả nước

Các rãnh nhỏ được mô tả trong bài báo gốc có thể trở thành một phần của đường dẫn xả. Khi được kết nối đúng cách với các lỗ khí hoặc nước của mũi khoan, chúng giúp dẫn các mảnh vụn khoan ra ngoài từ mặt cắt.

Việc xả sạch vật liệu khoan là rất cần thiết trong khoan đá. Nếu vụn khoan còn sót lại ở đáy lỗ, mũi khoan sẽ nghiền nát vật liệu đã vỡ thay vì phá vỡ đá mới. Điều này làm tăng tiêu hao năng lượng, nhiệt lượng, mài mòn và hao mòn dụng cụ.

Ưu điểm của quá trình nghiền lại

Mài lại là điều cần thiết đối với mũi đục có đầu bằng cacbua. Thách thức với mũi đục thông thường là các góc ngoài bị mòn nặng có thể cần phải loại bỏ một lượng vật liệu đáng kể để khôi phục lại hình dạng ban đầu. Điều này có thể làm tiêu hao cacbua, tăng thời gian mài và gây khó khăn trong việc duy trì hình dạng nhất quán nếu không có dụng cụ đo phù hợp.

Mũi khoan được cải tiến có thể đơn giản hóa quá trình mài lại vì sự mài mòn có thể tập trung hơn ở các cạnh góc ngoài. Trong một số trường hợp, phần trung tâm có thể cần loại bỏ ít vật liệu hơn. Điều này có thể giảm khối lượng công việc mài và bảo tồn lượng cacbua có thể sử dụng được.

Tuy nhiên, việc mài lại phải được thực hiện cẩn thận. Nhiệt độ quá cao có thể làm hỏng cacbua hoặc làm suy yếu liên kết giữa cacbua và thân mũi khoan. Đá mài thô có thể để lại những vết xước sâu, trở thành điểm khởi phát nứt. Làm nguội nhanh trong nước sau khi quá nhiệt cũng có thể gây sốc nhiệt và nên tránh trừ khi nhà sản xuất mũi khoan quy định quy trình được kiểm soát.

Việc mài lại mũi khoan phải được thực hiện bởi nhân viên được đào tạo bài bản, sử dụng thiết bị phù hợp, quy trình làm mát đúng cách, tiêu chuẩn kiểm tra và hình dạng mũi khoan được nhà cung cấp khuyến nghị.

Những điều cần cân nhắc thực tế trước khi áp dụng

Cần thử nghiệm thiết kế mũi đục cải tiến trước khi sử dụng rộng rãi. Cần đánh giá các yếu tố sau:

• Độ cứng của đá, độ mài mòn và điều kiện gãy vỡ

• năng lượng va đập và tốc độ quay của giàn khoan

• Đường kính lỗ và độ thẳng yêu cầu của lỗ

• Khả năng xả khí hoặc nước

• Thép và cacbua cấp độ mũi khoan

• Khả năng tái chế hiện có

• Chi phí trên mỗi mét khoan, bao gồm thời gian ngừng hoạt động và chi phí nhân công.

• Tốc độ xuyên thấu và tuổi thọ mũi khoan so sánh

Dữ liệu thử nghiệm lịch sử được mô tả trong bài báo gốc cung cấp những ý tưởng hữu ích, nhưng các giàn khoan hiện đại, loại cacbua và điều kiện hoạt động lại khác nhau. Các thử nghiệm thực địa cần được lên kế hoạch, đo lường và xem xét bởi nhân viên khoan có trình độ chuyên môn.

Phần kết luận

Mũi khoan đục là những dụng cụ đơn giản, nhưng những thay đổi nhỏ về hình dạng lưỡi cắt có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất khoan. Bằng cách tạo các cạnh ngoài vát góc, nhiều cạnh cắt ngắn và các rãnh xả nước được bố trí hợp lý, các nhà sản xuất và nhà thầu có thể giảm mài mòn góc, cải thiện khả năng phân mảnh đá, hỗ trợ chất lượng lỗ khoan tốt hơn và giảm nhu cầu mài lại.

Thiết kế mũi khoan tốt nhất luôn phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Một sự điều chỉnh thành công phải phù hợp với cấu tạo đá, giàn khoan, hệ thống xả, vật liệu mũi khoan và quy trình bảo trì. Khi được kiểm chứng thông qua thử nghiệm thực địa có kiểm soát, hình dạng mũi khoan cải tiến có thể trở thành một giải pháp thiết thực để kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí khoan.