Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT KHOAN NỔ MÌN TRONG THI CÔNG CÔNG TRÌNH NGẦM 1.1 Giới thiệu tổng quan về quy trình khoan nổ mìn trong thi công các công trình ngầm bằng tay máy Robot Quy trình khoan nổ mìn trong đào hầm được mô tả qua các bước trong hình 1.1 Mô tả quy trình khoan nổ mìn trong đào hầm Trong đó: Công tác xác định hộ chiếu nổ mìn Ở công đoạn này người kĩ sư địa chất xác định các tọa độ của từng lỗ khoan dựa vào cấu tạo địa hình địa chất và kích thước hầm cần đào để thiết lập các vị trí khoan lỗ nổ mìn (được gọi là hộ chiếu nổ mìn).2 dưới đây mô tả một hộ chiếu nổ mìn trong đào hầm. Nhóm lỗ tạo bi ên Nhóm lỗ phá phụ Nhóm lỗ mìn đột phá Lỗ khoan trống Hình 1.2 Hộ chiếu nổ m ìn trong m ột mặt g ương [14] Trong đó : - Nhóm lỗ khoan trống: được khoan vuông góc với mặt gương hầm. Nhóm lỗ khoan trống có nhiệm vụ làm làm yếu khối đá trên gương, rút ngắn đường kháng nổ nhỏ nhất của khối đá kẹp giữa chúng và các lỗ mìn lân cận, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nổ mìn phá vỡ khối đá kẹp giữa. - Nhóm lỗ mìn đột phá: được khoan vuông góc với mặt gương hầm.
Nhóm lỗ mìn đột phá được điều khiển nổ đầu tiên trên toàn mặt gương nhằm đột phá khối 4 đá xung quanh, tạo ra không gian tự do phụ, giảm đường kháng nổ nhỏ nhất của khối đá còn lại đối với nhóm lỗ mìn phá phụ lân cận, nổ vi sai tiếp sau, tạo ra sự cộng hưởng các ứng suất sinh ra bởi chúng, làm tăng hiệu quả nổ phá đá. - Nhóm lỗ phá phụ (thường bố trí lân cận các lỗ khoan trống và các lỗ mìn đột phá): được khoan vuông góc với mặt gương hầm. Nhóm lỗ phá phụ được nổ vi sai sau nhóm lỗ mìn đột phá, nhưng vi sai trước nhóm lỗ mìn nổ tạo biên. Nhóm lỗ mìn này được điều khiển nổ để phá vỡ khối đá cận kề, kẹp giữa chúng với không gian tự do phụ, hình thành sau khi nổ đột phá và tạo thuận lợi cho quá trình phá vỡ đá của nhóm lỗ mìn biên nổ vi sai tiếp sau.
- Nhóm lỗ mìn tạo biên: có góc nghiêng khoảng 85 87 so với mặt gương và có hướng xiên vào biên. Nhóm lỗ mìn tạo biên được điều khiển nổ sau cùng, nhằm mở rộng không gian đã nổ vỡ trong lòng hầm lò đến biên cần thiết. Công đoạn khoan nổ mìn Công đoạn này chiếm nhiều thời gian, vì mỗi mặt hộ chiếu nổ mìn có nhiều lỗ cần phải khoan và chiều sâu khoan từ 2m đến 4m. Vì vậy, trong thực tế sử dụng các tay máy Robot để đào hầm: - Với diện tích hầm từ 7m2 đến 12m2 thường sử dụng xe tay khoan tự hành có 1 tay máy Robot khoan đào hầm; - Với diện tích hầm từ 12m2 sử dụng xe tay khoan đào hầm tự hành có 2, 3 hoặc 4 tay máy Robot khoan đào hầm.
Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay những hầm cỡ nhỏ hầu hết được đào bằng phương pháp thủ công do thiết bị chủ yếu nhập ngoại đều là các thiết bị phục vụ lớn. Công tác nạp mìn Thông thường người công nhân đào hầm sẽ nạp mìn thủ công vào các lỗ khoan mìn. Vì vậy trên xe tự hành còn tích hợp thêm các giàn thao tác để phục vụ công tác nạp mìn được nhanh chóng. Công tác nổ mìn Nổ lần lượt từ vị trí nổ phá đến nổ tạo biên dạng hầm.
Công tác hút khí độc sau nổ mìn Sau khi nổ mìn, tạo ra rất nhiều khí độc và bụi, để con người có thể tiến hành thao tác và vận chuyển đất đá trong hầm cần có hệ thống cấp khí và hút khí độc cũng như bụi ra khỏi hầm. Vận chuyển đất đá ra khỏi hầm Để tạo thành đường hầm sau khi nổ mìn cần phải đưa đất đá ra khỏi đường hầm bằng các thiết bị chuyên dụng như xe xúc lật, xe ben để vận chuyển toàn bộ đất đá ra khỏi hầm, đối với các hầm nhỏ cần có hệ thống vận chuyển đặc biệt. Công tác sửa hầm Sau khi đã nổ mìn đào hầm, còn một số vùng đất đá yếu ở phía trên đường hầm có dạng vỉa do quá trình nổ mìn tạo ra, các vỉa này rất nguy hiểm ảnh hưởng tới an toàn lao động của người công nhân. Trong quá trình thao tác trước khi thu hồi đất đá tạo đường hầm cũng như lặp lại chu trình tiếp theo phải sửa đường hầm, tạo biên 5 dạng hầm, phá vỡ đất đá yếu, gia cố tạm (gắn gông chữ C, phun vẩy bê tông) để đảm bảo an toàn.
Công tác gia cố tạo đường hầm Trong quá trình đào hầm, để đảm bảo an toàn thi công, chống sụt lún, phải gia cố đường hầm bằng cách khoan leo và gắn các gông hình hầm hình móng ngựa để đỡ tạm đường hầm. Công tác khoan leo gia cố đương hầm cũng được thực hiện bằng các tay máy Robot khoan nổ mìn.2 Lịch sử quá trình phát triển của khoan nổ mìn Trong quá trình phát triển của ngành đào hầm cho đến nay được chia thành năm giai đoạn mô tả trong hình 1.3 cụ thể như sau: Hình 1.3 Lịch sử phát triển của khoan nổ mìn qua từng giai đoạn [6] - Giai đoạn 1 (Từ năm 1900 đến 1940): Đây có thể coi là giai đoạn đầu trong thi công đường hầm hiện đại, ở giai đoạn này hầu hết công việc khoan nổ mìn được thực hiện thủ công bằng sức người. - Giai đoạn 2 (Từ năm 1941 đến 1960): Sử dụng các giá khoan tự động, có thể khoan nhiều lỗ một lúc. Tuy nhiên, sau mỗi lần khoan xong một mặt gương, người công nhân phải tháo toàn bộ hệ thống giàn giáo trước khi nổ mìn theo mô tả như hình 1.
Như vậy, sau mỗi một chu trình khoan sẽ có hai công đoạn đó là lắp đặt giàn dáo và tháo dàn giáo dẫn đến thời gian thi công dài, số lượng nhân công lớn và hiệu suất lao động không cao. - Giai đoạn 3 (Từ năm 1961 đến 1980): Trong thời kỳ này khi công nghệ đã dần được nâng cao thì đã bắt đầu xuất hiện và phát triển các tay khoan nổ mìn. Tuy nhiên, thời gian này số bậc tự do của các tay máy còn ít, chưa linh hoạt. - Giai đoạn 4 (Từ năm 1990 đến 2000): Phát triển lên các loại xe tự hành ba tay máy và trên xe có tích hợp các hệ thống định vị và trang bị máy tính có tích hợp hệ thống xác định hộ chiếu đường hầm.
- Giai đoạn 5 (Từ năm 2000 đến nay): công nghệ đào hầm trên thế giới lúc này đã rất phát triển. Các loại máy, Robot đào hầm cỡ lớn ra đời, xe tự hành khoan lỗ nổ mìn đào hầm lúc này phát triển đến các loại ba hay bốn tay khoan để khoan lỗ nổ mìn các đường hầm kích thước lớn (đường kính có thể lên đến 100m).3 Các loại xe tay máy Robot khoan nổ mìn đào hầm Các loại tay khoan trong nổ mìn đào hầm: Trong quá trình phát triển, tay khoan nổ mìn đã được rất nhiều hãng như Atlas Copco (Mỹ), HANMEX, JOYGLOBAL., nghiên cứu chế tạo với rất nhiều kết cấu khác nhau. Dưới đây là một số loại xe Robot tự hành đào hầm thương mại hóa của các hãng trên thế giới: Hãng ATLAS COPCO: Loại 1 tay : a) Kích thước tổng thể của xe b) Không gian làm việc của xe Hình 1.4 Tay khoan Robot thủy lực của hãng Atlas Copco 1 tay khoan [25] Bảng 1.1 Thông số kỹ thuật cơ bản [25]: Chi tiết Thông số Giá trị Đơn vị Chiều rộng 1650 mm Mái an toàn 2800/2100 mm 1. Kích thước Chiều dài 10700 mm Khoảng sáng gầm xe 280 mm Tổng thể 10000 kg 2.Khối lượng Phần khung 6700 kg Phần động cơ 3300 kg Tổng chiều dài 5897 mm Chiều dài mũi khoan 4310 mm 3.Mũi khoan Độ sâu mũi khoan 4015 mm Khối lượng 525 kg Lực tác dụng 15.Cần khoan Cần khoan BUT 28 Tầm vươn ngang 1250 mm Tầm vươn xa 1250 mm 7 Góc quay 3600 Khối lượng 1750 kg Độ lệch tâm 88 mm Hành trình 1008 mm Công suất 16 kW Tần số 60 Hz 5.
khoan đá Tốc độ quay 0-340 rpm Momen xoắn cực đại 440 -1000 Nm Áp suất không khí tại 2 bar 5- 7 l/s Nước tiêu thụ 35- 120 l/m Khối lượng 173 kg Loại 2 tay : a) Kích thư ớc tổng thể xe hai thân a) Không gian làm việc Hình 1.5 Xe Robot tự hành thủy lực của hãng Atlas Copco 2 tay khoan [26] Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật cơ bản [26]: Chi tiết Thông số Giá trị Đơn vị Chiều rộng 2540 mm Mái an toàn 2515- 3150 mm 1.Kích thước Chiều dài 15069 mm Khoảng sáng gầm xe 341 mm Tổng thể 30000 -39000 kg 2.Khối lượng Phần khung 24000- 29000 kg Phần động cơ 6000 - 10000 kg 3.Mũi khoan Tổng chiều dài 4877 mm 8 Chiều dài mũi khoan 6100 mm Độ sâu lỗ khoan 5810 mm Khối lượng 756 Kg Lực tác dụng 22.0 kN Cần khoan BUT 45 Tầm vươn ngang 1804 mm 3.Cần khoan Tầm vươn xa 2489 mm Góc quay 3600 Khối lượng 6724 lbs Độ lệch tâm 88 mm Hành trình 1008 mm Công suất 18 kW Tần suất 60 Hz Tốc độ quay 0-215 rpm 5.Tay khoan đá Mô men xoắn cực đại 1 000 Nm Áp suất không khí tại 2 5 l/s bar Lưu lượng nước 40 - 120 l/m Khối lượng 165 kg Loại 3 tay a) Kích thước tổng thể b) Không gian làm việc Hình 1.6 Tay khoan Robot thủy lực của hãng Atlas Copco 3 tay khoan [27] Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật cơ bản [27]: Chi tiết Thông số Giá trị Đơn vị Chiều rộng 3010 mm Mái an toàn 3660 mm 1.Kích thước Chiều dài 17070 mm Khoảng sáng gầm xe 435 mm 2.Khối lượng Tổng 43000 kg 9 Phần khung 33000 kg Phần động cơ 10000 kg Tổng chiều dài 7783 mm Chiều dài lưỡi khoan 6100 mm 3.Mũi khoan Độ sâu lỗ khoan 5810 mm Khối lượng 756 kg Lực 22.0 kN Cần khoan BUT 35 Độ mở mũi khoan 1800 mm 3.Cần khoan Độ mở cần lực 1600 mm Độ xoay mũi khoan 3600 Khối lượng 2860 kg Độ lệch tâm 84 mm Hành trình 990 mm Công suất 30 kW Tần suất 102 Hz Tốc độ quay 0-380 rpm 5. Tay khoan đá Momen xoắn cực đại 400 Nm Áp suất không khí tại 2 8 l/s bar Lưu lượng nước 102 l/m Khối lượng 165 kg 1.4 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước và trong nước 1.