Khi bố trí lỗ khoan trong thăm dò khoáng sản, trước tiên cần trả lời một câu hỏi dễ bị bỏ qua: lỗ khoan này cần thu được gì. Đó là mẫu mùn khoan hồi về liên tục theo độ sâu, dùng để nhanh chóng đánh giá đặc điểm thạch học, biến đổi và xu hướng khoáng hóa; hay là lõi khoan nguyên vẹn, dùng để quan sát trình tự địa tầng, cấu tạo và quan hệ tiếp xúc thân quặng. Hai phương pháp có sự phân công khác nhau về hình thái mẫu và lượng thông tin; khi áp dụng vào thiết bị, các hạng mục năng lực cần thiết cũng không giống nhau. Bài viết này tách riêng hai nhu cầu để đối chiếu, sau đó xem tài liệu công khai của RC400 hỗ trợ những đánh giá nào và những điều kiện nào cần xác nhận thêm ở cấp độ dự án.
Hai phương pháp lấy mẫu, khác biệt không chỉ ở “lấy được gì lên”
Lấy mẫu mùn khoan tuần hoàn ngược thiết lập kênh hồi lưu độc lập thông qua cần khoan hai thành, khí nén dẫn động dụng cụ đáy lỗ, mùn khoan theo ống trong hồi về mặt đất và có thể thu gom theo từng đoạn độ sâu. Khoan lấy lõi liên tục thì đưa ống lấy lõi xuống đáy lỗ, thông qua cắt gọt quay để giữ đá dưới dạng lõi hình trụ, sau khi kéo lên thì lấy ra theo thứ tự. Phương pháp trước thu được mẫu vụn, phương pháp sau thu được lõi khoan giữ nguyên cấu trúc ban đầu.
Sự khác biệt này trực tiếp quyết định trọng tâm quan tâm của hai loại dự án đối với thiết bị. Dự án lấy mẫu mùn khoan quan tâm hơn đến việc mẫu hồi về có liên tục không, quan hệ giữa mẫu và độ sâu có đáng tin cậy không, trong một đơn vị thời gian có thể hoàn thành bao nhiêu lỗ khoan; dự án khoan lấy lõi liên tục quan tâm hơn đến tỷ lệ thu hồi lõi, sự phối hợp giữa ống lấy lõi và dụng cụ khoan, ảnh hưởng của số lần kéo thả đến điều kiện trong lỗ. Nếu lựa chọn thiết bị chỉ so sánh con số độ sâu khoan, sẽ trộn lẫn hai loại nhu cầu này.
Điều kiện thiết bị do lấy mẫu mùn khoan đặt ra
Lấy tài liệu công khai của RC400 làm tham chiếu, yêu cầu của lấy mẫu mùn khoan tuần hoàn ngược đối với thiết bị có thể tách thành các hạng mục: kênh hồi mẫu phải duy trì kín, cấp khí phải đủ để duy trì tuần hoàn đáy lỗ, năng lực xử lý cần khoan phải bao phủ độ sâu lỗ mục tiêu, góc khoan phải có thể bố trí theo thiết kế địa chất. Các hạng mục này đều có thông số tương ứng trong tài liệu, nhưng ranh giới mà mỗi thông số có thể giải thích không giống nhau.
Kênh hồi mẫu: độ kín của cần khoan hai thành và trạng thái ống trong
RC400 khuyến nghị sử dụng cần khoan RC 89 mm hoặc 102 mm, chiều dài 3 m. Tài liệu chỉ rõ cần khoan RC có cấu trúc khác với cần khoan đơn thành thông thường, cần đảm bảo độ kín và kết nối tin cậy giữa kênh trong và kênh ngoài; trong thi công nên định kỳ kiểm tra đầu nối cần khoan hai thành, phớt kín và độ mòn ống trong để tránh rò khí và lẫn mẫu. Điều này cho thấy “lắp được cần khoan” chỉ là bước đầu tiên; trạng thái kín của kênh hồi mẫu mới quyết định mẫu có thể hồi về ổn định theo độ sâu hay không.
Ở đây cần phân biệt một cách hiểu phổ biến: năng lực lấy mẫu của máy khoan tuần hoàn ngược không do một bộ phận duy nhất quyết định; độ kín cần khoan, dụng cụ đáy lỗ và điều kiện cấp khí cùng duy trì việc hồi mẫu. Tài liệu đề cập đến các hạng mục kiểm tra và điểm rủi ro, nhưng không đưa ra chu kỳ thay thế phớt kín dưới các địa tầng khác nhau; phần này cần xác nhận thêm dựa trên tình hình sử dụng thực tế tại hiện trường.
Cấp khí: áp suất và lưu lượng cùng quyết định trạng thái hồi mẫu
Tài liệu RC400 cho biết áp suất làm việc là 1,2–3,5 MPa, lưu lượng khí tiêu thụ 16–55 m³/min. Khoan tuần hoàn ngược có yêu cầu khá cao về áp suất và lưu lượng của máy nén khí; tài liệu đặc biệt lưu ý khi độ sâu lỗ tăng, đường kính lỗ tăng hoặc địa tầng cứng hơn, nếu lưu lượng gió không đủ, tốc độ hồi về của mùn khoan sẽ giảm, có thể ảnh hưởng đến tính liên tục của lấy mẫu và độ sạch đáy lỗ.
Điều này có nghĩa cấp khí không chỉ là chọn một máy nén khí rồi kết nối. Khi cấu hình thực tế cần đặt độ sâu lỗ mục tiêu, đường kính lỗ lớn nhất và độ cứng địa tầng cùng xem xét, sau đó kiểm tra xem áp suất và lưu lượng của máy nén khí có thể đồng thời đáp ứng hay không. Tài liệu không đưa ra giá trị lưu lượng gió tối thiểu tương ứng với các độ sâu lỗ khác nhau, do đó cấu hình cụ thể vẫn cần xác nhận với nhà sản xuất theo điều kiện dự án.
Xử lý cần khoan: dư địa của lực nâng và mô-men xoắn
RC400 có lực nâng 22 T, lực ép trục 6 T, mô-men xoắn tối đa của hệ thống quay 8000/4000 N·m, tương ứng tốc độ quay tối đa 75/150 r/min. Tài liệu liên hệ các giá trị này với xử lý cần khoan cấp 400 m, đường kính lỗ lớn và khoan tải trọng cao: lực nâng dùng cho nâng hạ cần khoan, thu hồi dụng cụ và một phần công tác ống chống; chế độ mô-men xoắn cao phù hợp với khoan đường kính lớn và tải trọng cao, tốc độ quay cao hơn phù hợp với đoạn lỗ có lực cản nhỏ.
Đối với dự án lấy mẫu mùn khoan, ý nghĩa của các hạng mục năng lực này là hỗ trợ nhịp độ khoan liên tục. Nếu lực nâng hoặc mô-men xoắn không đủ dư địa ở độ sâu và đường kính lỗ mục tiêu, việc nâng hạ cần và xử lý trong lỗ sẽ chiếm nhiều thời gian hơn, ảnh hưởng đến tiến độ của toàn bộ kế hoạch thăm dò. Tuy nhiên tài liệu cũng lưu ý thi công tuần hoàn ngược nên đồng thời cân nhắc cắt gọt của mũi khoan, va đập đáy lỗ và trạng thái hồi về của mùn khoan, không nên chỉ theo đuổi tốc độ quay hoặc mô-men xoắn.
Góc khoan: bố trí lỗ theo thiết kế địa chất
RC400 hỗ trợ hai góc làm việc 45° và 90°. Lỗ thẳng đứng phù hợp với điều tra nước ngầm, tầng phủ và một phần thăm dò khoáng sản; lỗ xiên 45° có thể dùng cho thân quặng nghiêng, đới cấu tạo hoặc kiểm chứng mục tiêu cụ thể. Tài liệu ghi rõ trước khi thi công chính thức nên xác nhận hướng lỗ và góc lỗ theo thiết kế địa chất. Điều này tương ứng với nhu cầu kiểm chứng lỗ xiên thường gặp của dự án lấy mẫu mùn khoan, nhưng góc có thể chọn không có nghĩa là mọi góc đều có thể bố trí; tài liệu chỉ đưa ra hai góc này, các góc khác có khả thi hay không nằm ngoài phạm vi đề cập.
Vì sao nhu cầu khoan lấy lõi liên tục không nằm trong phạm vi tài liệu của thiết bị này
Khi mô tả năng lực lấy mẫu, tài liệu RC400 ghi rõ là “mẫu mùn khoan hồi về theo độ sâu, không phải lõi khoan liên tục nguyên vẹn”. Đây là điểm phân nhánh ở cấp độ thiết bị giữa hai phương pháp lấy mẫu: máy khoan tuần hoàn ngược tổ chức khoan xoay quanh kênh hồi mẫu và cấp khí, máy khoan lấy lõi tổ chức khoan xoay quanh ống lấy lõi, cáp và công nghệ lấy lõi. Tài liệu không đề cập đến thông số ống lấy lõi, dung lượng cáp, bộ dụng cụ khoan lấy lõi, do đó không thể suy ra năng lực khoan lấy lõi liên tục từ thông số của RC400.
Nếu mục tiêu dự án là thu được lõi khoan nguyên vẹn, cần kiểm tra riêng theo tài liệu của máy khoan lấy lõi về độ sâu khoan, đường kính lỗ, lực nâng, mô-men xoắn và bộ dụng cụ lấy lõi. Điều này không có nghĩa máy khoan tuần hoàn ngược không thể dùng cho thăm dò khoáng sản, mà là loại thông tin nó thu được khác với khoan lấy lõi liên tục, nhiệm vụ của hai phương pháp trong quy trình thăm dò cũng khác nhau. Tài liệu đề cập lấy mẫu RC phù hợp để nhanh chóng thiết lập nhiều điểm kiểm soát lỗ khoan hơn trong khu vực thăm dò rộng, sau đó dựa trên kết quả để quyết định khu vực trọng điểm nào cần tiếp tục sử dụng khoan lấy lõi; điều này chính là nói rõ quan hệ phân công giữa hai phương pháp trong dự án.
Ranh giới khi cùng một thiết bị kiêm nhiệm mục đích giếng nước
Tài liệu RC400 cũng liệt kê giếng nước sâu là một trong những ứng dụng chính, độ sâu khoan tối đa 400 m, đường kính lỗ khoan 105–305 mm. Đối với cấp nước nông thôn, tưới tiêu nông nghiệp, nước công nghiệp và khai thác nước ngầm khu mỏ, có thể chọn búa khoan lỗ, khoan bùn hoặc phương pháp phù hợp khác tùy theo địa tầng và yêu cầu hoàn thành giếng. Tài liệu ghi rõ thi công giếng nước không nhất thiết yêu cầu sử dụng hệ thống lấy mẫu RC trong toàn bộ quá trình.
Ý nghĩa của điều này đối với lựa chọn mô hình là: nếu dự án đồng thời có nhu cầu lỗ thăm dò và giếng nước, năng lực đa dụng của thiết bị có thể giảm số loại cấu hình, nhưng trọng tâm của hai mục đích khác nhau. Lỗ thăm dò quan tâm hơn đến chất lượng mẫu, giếng nước quan tâm hơn đến ổn định thành lỗ, đường kính giếng và tầng xuất nước. Khi tầng phủ lỏng phía trên dễ sụt lỗ, tài liệu cho thấy mô hình này hỗ trợ khoan bùn, có thể chọn tuần hoàn bùn và ống chống theo tình trạng thành lỗ, sau khi vào địa tầng đá ổn định thì chuyển đổi công nghệ. Tính khả thi của việc chuyển đổi công nghệ này cần đánh giá kết hợp với địa tầng cụ thể; tài liệu không đưa ra giá trị tham khảo về độ sâu chuyển đổi.
Điều kiện hiện trường và các hạng mục phối hợp
RC400 có trọng lượng toàn máy khoảng 11 T, kích thước ngoài khoảng 7×1,85×2,86 m, tốc độ di chuyển khoảng 2,5 km/h, góc leo dốc tối đa tham khảo 21°. Tài liệu lưu ý do trọng lượng toàn máy lớn, trước khi chuyển trường cần xác nhận khả năng chịu tải mặt đất, độ dốc và tuyến vận chuyển. Dự án tuần hoàn ngược thường đồng thời phối hợp máy nén khí, thiết bị lấy mẫu và chia mẫu; hiện trường nên quy hoạch trước nhiên liệu, bố trí thiết bị và lối thi công.
Về quản lý mẫu, tài liệu ghi rõ mẫu RC nên được đánh số theo khoảng độ sâu lỗ cố định, cân và đóng gói, đồng thời ghi lại số lỗ khoan, độ sâu, thời gian và tình trạng bất thường; hệ thống lấy mẫu, xyclon hoặc thiết bị chia mẫu cũng cần được vệ sinh định kỳ. Đây là các yêu cầu ở cấp độ quy trình; thiết bị cung cấp nền tảng khoan, chất lượng mẫu cuối cùng còn phụ thuộc vào quy trình lấy mẫu tại hiện trường và thao tác của nhân viên.
Những trường hợp cần xác nhận riêng
- Khi độ sâu lỗ mục tiêu gần 400 m, độ sâu khoan thực tế sẽ chịu ảnh hưởng của đường kính lỗ, cần khoan, năng lực máy nén khí, điều kiện địa tầng, độ xiên lỗ và độ mòn dụng cụ; tài liệu trình bày 400 m là năng lực tham khảo trong cấu hình điển hình, dự án cụ thể có đạt được hay không cần kiểm tra theo điều kiện phối hợp.
- Tài liệu không đưa ra giá trị khuyến nghị phân theo độ sâu lỗ và đường kính lỗ cho việc lựa chọn máy nén khí; cần xác nhận theo phạm vi lưu lượng khí tiêu thụ và điều kiện hiện trường.
- Đới phá hủy và địa tầng phát triển khe nứt dễ xuất hiện rơi khối và mở rộng lỗ cục bộ, có thể ảnh hưởng đến quan hệ tương ứng giữa mẫu và độ sâu; tài liệu khuyến nghị kiểm soát tốc độ đẩy, duy trì cấp khí ổn định và ghi chép tốt, nhưng không đưa ra thông số vận hành cụ thể.
- Nếu dự án cần lõi khoan liên tục nguyên vẹn, tài liệu RC400 không bao phủ nhu cầu này; nên lựa chọn riêng theo máy khoan lấy lõi.
Quay lại câu hỏi ban đầu: sự phân nhánh giữa lấy mẫu mùn khoan và khoan lấy lõi liên tục trước tiên nằm ở “cần thông tin gì”, sau đó mới đến các hạng mục năng lực thiết bị. Tài liệu RC400 hỗ trợ phía nhu cầu lấy mẫu mùn khoan tuần hoàn ngược, bao gồm kênh hồi mẫu, cấp khí, xử lý cần khoan và góc khoan; nhu cầu phía khoan lấy lõi liên tục cần kiểm tra riêng từ tài liệu của máy khoan lấy lõi. Đánh giá tách riêng hai phía này giúp giảm sai lệch lựa chọn mô hình tốt hơn so với việc so sánh trên con số độ sâu khoan.