Die kraak van die kode van harde rotsboor: die spelveranderende DTH-tegnologie.
Volgens die geologiese toestande van die konstruksiegebied is daar vier hoofboormetodes wat algemeen deur boormasjiene gebruik word, soos in Figuur 1 getoon.
a. Pneumatiese of hidroulies-aangedrewe roterende koppe gekombineer met impaktoerusting dra rotasie- en impakenergie deur die bokant van dieboorpyp, wat energie aan die boorpunt lewer via skokgolwe in die boorpyp. Hierdie metode is beperk tot klein deursnee en vlak dieptes en word algemeen in steengroewe, konstruksieterreine en ondergrondse mynbedrywighede gebruik.
b.Down-The-Hole (DTH) hamers is aan die onderkant van die boorstring geleë. Saamgeperste lug kom die DTH deur die boorstring binne, en dryf 'n suier in 'n heen-en-weer beweging wat die boorpunt direk raak en impakenergie na die rots oordra. Hierdie stelsel het minimale kragverlies en is veral geskik vir diep gate, reguit gate en medium-harde rotse.
c.Omgekeerde sirkulasie (RC) boorgebruik DTH om rotsmonsters van die voorkant van die boorpunt te versamel en te vervoer. Droë en onbesmette steggies word deur die middelpyp van die DTH na 'n monsterversamelingstoestel vervoer, wat voorberei word vir geologiese ontleding.
d. 'n Ratkas wat deur hidrouliese of elektriese motors aangedryf word, vorm 'n roterende kragkop, wat voldoende voerkrag op die driekegelboorpunt toepas deur 'n voerstelsel wat op en af beweeg op die boortuig en 'n dikwandige boorpyp. Hierdie metode word gebruik vir sagter rotse of sterk gewrigte harde rotse.
- Beginsels en kenmerke van DTH
Die formasies wat met DTH geboor is, is byna heeltemal in staat om alle stollingsgesteentes, metamorfe gesteentes en sedimentêre gesteentes wat medium-hard of harder is, in te sluit. DTH is veral voordelig vir die boor van harde rots en taai strata omdat harde rots geneig is om bros te wees. Onder impakladings kom breuke nie net by die direkte impakterrein voor nie, maar skep ook 'n gebroke sone, wat groter rotsfragmente tot gevolg het. Die boorspoed is dus aansienlik vinniger in vergelyking met suiwer roterende boorwerk. Die meganiese model in Figuur 2 illustreer die verskillende ladings wat op die rots inwerk tydens impak roterende boor.
Daarbenewens is DTH (Down-the-Hole) boor hoogs effektief in formasies wat geneig is tot boorgatafwyking, soos strata met goed ontwikkelde bedding en foliasie, of rotslae met oneweredige hardheid en baie breuke. Dit kan boorgatafwyking aansienlik verminder en ook probleme oorkom om deur gruislae en rotsbeddings te boor.
DTH-boorwerk is in die laat 19de eeu ontwikkel en het 'n geskiedenis van meer as 'n eeu. Alhoewel daar baie soorte DTH-bore is, deel hulle 'n gemeenskaplike kenmerk: beide die impakmeganisme en die boorpunt word in die boorgat ondergedompel, met rotasie gekombineer met impak om die rots te breek. Die toerusting wat gebruik word om die impakkrag op te wek, kan volgens hul bestuursmetode in pneumatiese, hidrouliese, oliedruk, elektriese en meganiese tipes gekategoriseer word.
Aangesien impakenergie aansienlike verlies ervaar tydens transmissie en aansienlike skade aan die geimpakte komponente kan veroorsaak, word dit gewoonlik in dieper booroperasies vereis dat die toerusting die boorgat met die boorwerktuig binnegaan, sodat die uitsetslagkrag direk op die boorpunt of kernvat kan inwerk. Dit minimaliseer energieverlies tydens transmissie, verbeter energiedoeltreffendheid en verminder die waarskynlikheid van mislukkings in boorgattoerusting.
Pneumatiese DTH, ook bekend as luggedrewe DTH, kom in baie strukturele tipes en klassifikasiemetodes voor.
- Deur drukgradering: hoëdruk-, mediumdruk- en laedruktipes.
- Volgens algehele struktuur: nie-deur- en deurtipes.
- Volgens klep werking beginsel: beheer klep tipe, vry klep tipe, en hibriede klep tipe.
- Deur suierstruktuur: suier met gelyke deursnee, suier met ongelyke deursnee en tandem suiertipes.
- Volgens lugverspreidingstipe: DTH met klep en DTH sonder klep. Klep-DTH kan onderverdeel word in plaatklep-, skyfklep- en silindriese kleptipes, terwyl kleplose DTH verdeel kan word in middelstaafuitlaattipe, suierlugverspreidingstipe en gekombineerde lugverspreiding deur suier, silinder en middelstang.
- Deur gatwas en slakafvoermetode: middelgatwas, voorgatwas, en sygatwas.
2. Bepaling van impakmeganisme-struktuurskemas
2.1 Suier Self-Gas Toevoer Nie-klep impak meganisme
Hierdie tipe impakmeganisme gebruik hoofsaaklik die gasgange in die suier self vir gastoevoer, wat lei tot 'n komplekse suierstruktuur met talle gaskanale, wat suiersterkte en lewensduur verminder. Hierdie impakmeganisme integreer egter die binne- en buitesilinders, wat die effektiewe werkarea van die suier vergroot en die impakenergie van die meganisme verbeter.
2.2 Suier en silinder gekombineerde gastoevoer nie-klep impakmeganisme
Hierdie tipe beskik oor 'n eenvoudige struktuur wat maklik is om te vervaardig, 'n langer suierlewe het, en die gasgate is op beide die silinder en die suier geleë. Hierdie struktuur word wyd in die buiteland gebruik.
2.3 Sentrumpyp-gastoevoer-nie-klep-impakmeganisme
In hierdie meganisme is die luginlaatgange vir die boonste en onderste kamers op die sirkelvormige pyp gerangskik waar die suier gly. Dit vereis hoë vervaardigingspresisie en het 'n relatief kort lewensduur vir die middelpyp.
2.4 Sy-uitlaat-impakmeganisme
Die sogenaamde syuitlaat beteken dat die uitlaatgaspad die silinderliggaam verlaat eerder as om deur die middel van die boorpunt na die onderkant van die gat te gaan. Hierdie tipe impakmeganisme het tipies baie inlaat- en uitlaatpaaie op die silinderliggaam, wat lei tot swak strukturele sterkte, potensiaal vir longitudinale moegheidskrake en aansienlike verlies aan lugdruk, wat lei tot suboptimale puinverwydering en verkoelingseffekte vir die boorpunt.
2.5 Sentrum-uitlaat-impakmeganisme
Hierdie tipe impakmeganisme verdryf puin en gas direk vanaf die middel van die boorpunt na die onderkant van die gat. Direkte lugvloei verbeter nie net die doeltreffendheid van die verwydering van puin nie, maar verbeter ook die boordoeltreffendheid en verkoeling, wat die lewensduur van die boorpunt verleng. Hierdie strukturele tipe vervang die talle langsgroewe in die binnesilinder van sy-uitlaat-impakmeganismes met 'n ringvormige groef, wat spanningskonsentrasie in die binnesilinder aansienlik verminder. Dit het die afgelope paar jaar 'n algemeen aanvaarde struktuur geword.
2.6 Reeks suier impakmeganisme
Die reeks suier impak meganisme, ook bekend as 'n dubbel-suier (kop) impakor, verdeel die silinder in twee kamers met behulp van 'n isolasie ring. Hierdie ontwerp laat beide suiervlakke gelyktydig binne dieselfde boordeursnee werk, wat lei tot groter impakkrag en hoër impakfrekwensie. Dienooreenkomstig is daar 'n dubbele uitlaatstelsel wat rotspoeier effektief van die onderkant van die gat verwyder. Die grootste nadeel daarvan is egter sy komplekse struktuur en die behoefte aan hoë presisie in die bewerking van dele; byvoorbeeld, die suier het tot vyf paringsoppervlaktes met gepaardgaande komponente, wat die toepassing en bevordering daarvan beperk. Daarom neem hierdie ontwerp die tweede opsie aan, wat die nie-klep impakmeganisme met suier en silinder gekombineerde gastoevoer is. Die struktuur daarvan word in Figuur 3 getoon.
3. Teoretiese Analise en Relevante Berekeninge vir DTH
3.1 Seleksie van bedryfsparameters**
3.1.1 Hamerlengte en -gewig: Die voorlopige ontwerp spesifiseer 'n lengte van minder as 4500 mm en 'n gewig van minder as 2500 kg.
3.1.2 Hamerdeursnee: Die toepaslike hamerdeursnee word bepaal op grond van die boordeursnee, gestel op 540 mm.
3.1.3 Boordeursnee: Dit verwys na die deursnee van die heipaalgat, gewoonlik tussen 550 mm en 600 mm.
3.1.4 Boordiepte: Volgens heipaalontwerpvereistes is dit tipies tussen 'n paar dosyn meter en honderd meter.
3.1.5 Boorspoed: DTH-boor werk gewoonlik teen lae rotasiespoed, tipies tussen 7 en 25 r/s.
3.1.6 Rotasie-wringkrag: Die maksimum wringkrag vir hierdie ontwerp is gestel op 150 kN·m.
3.2 Berekening van Ontwerpparameters
Die ontwerpparameters vir DTH, spesifiek die prestasieparameters van die DTH-impaktoerusting, dien as die basis vir masjienontwerp en definieer die werkverrigting van die vervaardigde toerusting.
3.2.1 Ontwerpdruk P vir impaktoerusting
In China word 'n druk van 0,49 MPa (ongeveer 5 × 10^5 Pa) wyd gekies as die ontwerpstandaard vir pneumatiese impaktoerusting. Aangesien die DTH vir hierdie ontwerp 'n nie-klep impak toestel met 'n groot boor deursnee en swaar suier is, sal hoër lugdruk werkverrigting verder verbeter. Boonop kom hoëdruk lugkompressors toenemend algemeen voor, en in ooreenstemming met internasionale standaard ISO 5941-1979 word 'n ontwerpdruk van 1,6 MPa gekies.
3.2.2 Impakkrag
Vir DTH wat gebruik word om gate met groot deursnee te boor, kan die ontwerp-impakenergie aansienlik fluktueer. Die impakenergie vir hierdie ontwerp word soos volg bereken:
3.2.3 Impakfrekwensie
Oor die algemeen, onder konstante impakenergie, is die impakfrekwensie eweredig aan die uitsetkrag van die impakor. Wanneer die silinderdeursnee egter vas is, noodsaak die verhoging van die impakfrekwensie 'n vermindering in suierslag, wat op sy beurt die enkelslagkrag verminder. Sodra die enkele impakkrag onder 'n sekere drempel val, sal die verhoging van die frekwensie nie bevredigende rotsbreekresultate lewer nie. Die keuse van impakfrekwensie word dus deur die impakkrag beperk.
Vir pneumatiese DTH wat teen 'n ontwerpdruk van 0.5 MPa werk, moet die frekwensie nie 16.8 Hz oorskry nie. Aangesien die DTH werk teen ontwerpdruk tussen 0.5 en 2.5 MPa, kan die impakfrekwensie aansienlik verskil. Die aanvanklike keuse van die impakor se frekwensie kan soos volg bereken word:
f = 10,4 + 7,6P
(2) waar P die stelseltoevoerdruk is. Vir hierdie ontwerp, P = 1.6 MPa, dus:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Strukturele Parameter Ontwerp
Die belangrikste strukturele parameters van DTH sluit in silinderboordiameter, suierslag en suierafmetings. Die verhoging van die silinder deursnee kan beide impak krag en frekwensie verbeter, so die deursnee moet gemaksimeer word binne die grense van strukturele grootte. Tipies moet die verskil tussen die buitenste deursnee van die DTH en die boordiameter nie minder as 15 tot 20 mm wees nie, en die buitenste omhulsel van die DTH moet nie te dun wees nie. Daarom is die verhouding van DTH silinder deursnee tot boor deursnee oor die algemeen bo 0,5.
3.3.1 Werksdeursnee van die silinder en strukturele slag
Die werksdeursnee D van die silinder kan soos volg bereken word:
D = K × D(boor) = (0.57 - 0.68) × D(boor) (3)
Vir hierdie ontwerp is D(boor) = 600 mm, dus word D as 360 mm geneem. Die strukturele slag S word empiries geneem as S = 500 mm.
3.3.2 Suiermassa
Die radiale afmetings van die suier word beperk deur die grootte en struktuur van die silinder, wat voorsiening maak vir óf gelyke óf verskillende deursnee suiers. Die lineêre afmetings hang af van die gewig van die suier, wat ook verband hou met die snelheid wat dit het wanneer die boorpunt slaan. Daarom is die bepaling van die strukturele afmetings van die suier 'n komplekse aspek van DTH-ontwerp. Die massa van die DTH suier kan soos volg geskat word:
m = 0,0205D^2,84 (4)
waar m die suiermassa in kg is; D is die werksdeursnee van die silinder in cm.
Vervang D = 36 opbrengste: m = 540 kg.
Die DTH bestaan hoofsaaklik uit 'n wringkragoordragstruktuur en 'n pneumatiese impakmeganisme. Die wringkragoordragstruktuur verbind die boorstaaf en DTH, wat rotasie-sny- en trekkragte oordra; die pneumatiese impakmeganisme genereer impak, wat aksiale krag aan die impakboorpunt verskaf. Spesifieke struktuurbesonderhede word in Figuur 3 getoon.
Die wringkragoordragstruktuur verbind die boorstaaf en die botser. Die boonste las verbind met die boorstaaf en die botser deur pypdrade, hoofsaaklik om gasdigtheid te verseker terwyl dit ook wringkrag en trekkrag oordra. Die terugslagklep keer dat modder en water in die impakhouer en boorstaaf kom, wat deur 'n veer beheer word. Die luginlaatsitplek met die gastoevoerstaaf funksioneer om saamgeperste lug in die silinder in te voer, wat die gastoevoeraksie saam met die silinder en suier vergemaklik, en sodoende gekombineerde gastoevoer verkry. Die veerveiligheidsring verhoed dat die suier uit die silinder gly wanneer die boorpunt vervang word.
3.4 Eindige Element-analise van DTH-boorpunt
Die DTH-boorpunt word aan impakkragte van die suier en wringkrag van die dryfkop onderwerp. Die krag wat deur die saamgeperste lug op die suier uitgeoefen word, word gegee deur:
F = P × S (5)
waar P die stelseldruk in Pa is; S is die kragoppervlakte van die suier in m².
Dus, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Daarom is die impakkrag op die boorpunt:
F' = kF (6)
waar k die impakkoëffisiënt is; F is die krag wat op die boorpunt uitgeoefen word deur die saamgeperste lug in N. Dus, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Die wringkrag wat deur die dryfkop op die DTH-boorpunt toegepas word, is N = 150 kN. Deur F' = 2688 kN en N = 150 kN op die boorpunt toe te pas terwyl die onderste kopvlak van die boorpunt vasgemaak word, en QT500-7 materiaal met 'n vloeisterkte van 320 MPa gebruik word, word eindige-elementontleding uitgevoer. Die spesifieke laai- en beperkingstoestande en maasverdeling word in Figure 4 en 5 getoon.
Die resultate van die eindige element-analise word in Figuur 6 getoon, wat aandui dat die maksimum spanning 144.355 MPa is, wat minder is as die vloeisterkte van QT500-7 (320 MPa), wat dus aan die vereistes voldoen.