الاختيار الأمثل لبتات PDC لتعدين الفحم

يُعدّ حفر الآبار الجوفية طريقةً تقنيةً واسعة الانتشار للتحكم في الغاز، ومنع أضرار المياه، والاستكشاف الجيولوجي في مناجم الفحم، وهو يلعب دورًا حاسمًا في ضمان سلامة وكفاءة إنتاج الفحم. في الصين، تُحفر عشرات الملايين من الأمتار من الآبار سنويًا في مناجم الفحم. تتطلب عملية الحفر دعمًا لمعدات الحفر، مثل الحفارات وأنابيب الحفر ومثاقب الحفر. ومن بينها، تُعدّ الحفارات أدواتٍ أساسيةً لحفر الآبار وتكسير الصخور مباشرةً.

يتم استخدام صفائح الماس المركبة متعددة البلورات (PDC) على نطاق واسع في رؤوس الحفر في التعدين بسبب مقاومتها الاستثنائية للتآكل وقوتها الجديرة بالثناء في مواجهة الصدمات.بتات PDCتتميز رؤوس PDC بعمر حفر أطول وكفاءة اختراق متزايدة عند استخدامها في التكوينات الصخرية متوسطة الصلابة والمنخفضة، مما يؤدي إلى تحقيق فوائد اقتصادية كبيرة في عمليات حفر مناجم الفحم. وبالمقارنة مع حفر النفط، فإن حفر مناجم الفحم يمتلك السمات الفنية لكونه فعالاً من حيث التكلفة والوقت وتصميمًا كثيفًا. وبالتالي، فإن المتطلبات الإجمالية لرؤوس PDC ليست مفرطة في المطالبة.

التحديات الحالية التي تواجه التعدينبتات PDCتشمل: ① عتبة الدخول لرؤوس حفر PDC للتعدين منخفضة نسبيًا، مع وجود العديد من الشركات المصنعة التي تقدم مستويات متفاوتة من الجودة. ② تُظهر استخدامات ومتطلبات الحفر تحت الأرض في مناجم الفحم تباينات واضحة، في حين أن تصنيف رؤوس حفر PDC للتعدين معقد ومتنوع. علاوة على ذلك، هناك نقص في مواصفات الاختيار المنهجية والعقلانية في عملية الاستخدام اللاحقة. ③ مع تزايد انتشار الطبقات الصلبة المعقدة في مناجم الفحم، لا تلبي رؤوس حفر PDC التقليدية للتعدين متطلبات البناء للحفر الفعال في الموقع، مما يؤدي إلى حالات من بطء التقدم أو حتى انعدام اللقطات تمامًا. ④ نظرًا لظروف البناء الصعبة في منجم الفحم، قد يكون الالتزام الصارم بإجراءات الحفر من قبل عمال البناء أمرًا صعبًا في بعض الأحيان.

من أجل تعزيز الفعالية التشغيلية للتعدينبتات PDCتقدم هذه الورقة تحليلاً شاملاً لأنماط الأعطال الرئيسية، وتبحث في الأسباب الكامنة وراء كل شكل منها. كما تُقترح توصيات عملية لاختيار هذه القطع بعناية واستخدامها بحذر.

1. تحليل شكل وأسباب فشل بت PDC في التعدين

حاليًا، تتكون مكونات رؤوس الحفر PDC المستخدمة في التعدين بشكل أساسي من جسم الرأس، وقواطع PDC، وسبائك القياس، وأجزاء أخرى كما هو موضح في الشكل 1. تُلحم قواطع PDC وسبائك القياس على جسم الرأس لضمان تثبيتها بإحكام. أثناء عمليات الحفر المنتظمة، ينقل قضيب الحفر عزم الدوران وضغط التغذية إلى قاع الحفرة حيث يتفاعل مع رأس الحفر. تتم عملية قطع الصخور باستخدام قواطع PDC على رأس الحفر. بالإضافة إلى ذلك، تحمي سبائك القياس من التآكل المفرط من خلال حماية السلامة المحيطية لجسم الرأس. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن عوامل مختلفة، مثل القوى المعقدة المؤثرة على الرأس في قاع الحفرة أثناء قطع الصخور باستخدام رأس حفر PDC، والتغيرات في خصائص التكوين، واختيار تقنيات ومعدات البناء، وكفاءة العاملين في أعمال البناء، بالإضافة إلى إجراءات مراقبة جودة الرؤوس نفسها، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على فعالية التطبيق، مما يؤدي إلى أشكال مختلفة من الأعطال لهذه الرؤوس. من خلال دراسة أجريت في مواقع حفر مناجم الفحم، قمنا بتلخيص وتحليل أنماط الأعطال المختلفة والأسباب الرئيسية المرتبطة بها.بتات PDC.

١.١ يحدث عطل قاطع PDC عند تلبيد PDC تحت ظروف درجات حرارة وضغط مرتفعين. تتكون الصفيحة المركبة من مكونين رئيسيين: طبقة ماسية ومصفوفة كربيد، كما هو موضح في الشكل ٢.

تشمل أوضاع الفشل الأساسية لقواطع PDC التآكل الطبيعي، والتقشر، وانهيار الشفرة، والانفصال.

(1) التآكل والتلف المنتظم

ظاهرة التآكل الطبيعي هي نوع من الضرر النموذجي الذي يحدث في قواطع PDC أثناء عملية قطع الصخور، وتتميز في المقام الأول بفقدان طحن كبير في كل من طبقة الماس ومصفوفة الكربيد الأسمنتية للقواطع، دون أي آثار واضحة للتشقق على سطح الطحن.

(2) إسقاط الشريحة

تحدث ظاهرة سقوط الرقاقة عند انفصال قواطع PDC عن جسم المثقاب، مما يؤدي إلى عطله. وأبرز سماتها هي انفصال قواطع PDC تمامًا عن جسم المثقاب، دون وجود أي بقايا سبيكة في الحفرة التي يتم فيها اللحام بين جسم المثقاب وقواطع PDC.

العوامل الأساسية التي تساهم في تراجع الأفلام المتساقطة:

① تُؤدي درجة الحرارة المرتفعة في قاع البئر إلى تحديات في تقنية الحفر الجاف أو تكوّن سدادة مائية أثناء عملية الحفر، كما تُعيق التبريد المُناسب لقواطع PDC على آلة الحفر أثناء قطع الصخور الدوراني عالي السرعة. ونتيجةً لذلك، ترتفع درجة حرارة قاع البئر بشكل ملحوظ، وقد تتجاوز درجة الحرارة الحرجة للحام، مما يؤدي إلى ذوبان اللحام وانفصال قواطع PDC لاحقًا.

② لا تتسم عملية لحام الحفر بالصرامة الكافية. ففي عملية اللحام، قد يُلاحظ نقص في التنظيف الجيد قبل اللحام، أو وجود عيوب في اللحام، أو سوء إدارة غازات العادم، أو ارتفاع درجة حرارة حفظ الحرارة بشكل غير معقول، أو عدم كفاية الوقت بعد اللحام، مما قد يؤدي إلى انفصال لقمة الحفر. بالإضافة إلى إلزام المصنّعين بتنظيم صارم لعملية الإنتاج (وخاصةً عملية لحام قاطع PDC) لضمان لحامات كاملة ومتينة، من الضروري أيضًا توضيح إجراءات بناء الحفر باختيار الحفر المائي كلما أمكن، وتجنب الحفر الجاف. بالنسبة لحفر الثقوب العميقة، يجب التأكد من عودة الماء قبل إضافة قضيب الحفر. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري، في كل مرة قبل إدخال المثقاب في قاع الحفرة، التحقق من عدم وجود أي عوائق لمنع الانسداد.

(3) كسر الشفرة

يمثل كسر طبقة الماس في قواطع PDC نمطًا شائعًا للفشلبتات PDC. إن الميزة المميزة لهذا الوضع الفاشل هي التمزق الموضعي لطبقة الماس، مع بعض الحالات التي تؤدي إلى كسر متزامن إلى جانب مصفوفة الكربيد.

الأسباب الرئيسية لكسر بت PDC:

① يتميز القاطع المُختار بناءً على الخصائص الجوهرية لقاطع PDC بمقاومة منخفضة للصدمات. القوة المُجتمعة لكربيد التنغستن (WC) ومسحوق الماس الدقيق غير كافية، مما يجعله عُرضةً للفشل تحت ضغط تفتت الصخور؛

② تشير العوامل المتعلقة بعملية البناء إلى ارتفاع ضغط البناء في الموقع بشكل مفرط. يتجاوز ضغط قاطع PDC على المثقاب حد ضغط القاطع بشكل ملحوظ، مما يؤدي إلى تقشر طبقة الماس وانهيار حافة القطع.

③ تشير العوامل المتعلقة بالتكوينات المعقدة إلى أنه أثناء بناء التكوينات الصلبة والمكسورة، فإن الحمل الناتج عن التأثير على قواطع PDC يتجاوز قدرتها على تحمل التأثير، مما قد يؤدي إلى انهيار حافة القطع.

④ تصميم زاوية قطع المثقاب غير مناسب، إذ لا يلتزم بمبدأ أن التشكيلات الصلبة تتطلب زاوية قطع أكبر. في تشكيلات صلبة، قد تؤدي زاوية القطع الأصغر إلى قوة مفرطة على قاطع PDC، مما يؤدي في النهاية إلى انهيار حافة القطع.

⑤ تشير عوامل أخرى إلى أن ترتيب مسامير الدعم وكابلات التثبيت في الطرق تحت الأرض يجعل من الصعب جدًا على لقمة الحفر الانهيار عند اصطدامها بهذه العناصر. ولمنع تعطل لقمة الحفر، من الضروري الالتزام الصارم بمعايير العملية الموضحة في دليل تعليمات الحفر، بالإضافة إلى تصميم واختيار لقمة الحفر بناءً على ظروف التكوين. وتحديدًا، عند الحفر في التكوينات الصلبة، يُنصح بزيادة زاوية قطع لقمة الحفر بشكل مناسب، وتقليل شدتها، وتعزيز حمايتها. بالإضافة إلى ذلك، يُنصح باختيار قواطع PDC ذات متانة أعلى للصدمات عند الحفر عبر التكوينات المتشققة الصلبة أو تعديل الشكل الخارجي لطبقة الماس في القاطع لتحسين متانة الصدمات؛ على سبيل المثال، تتميز قواطع PDC المنحنية عمومًا بمقاومة أفضل للصدمات من الأنواع المسطحة. علاوة على ذلك، يجب تنفيذ تصميم مناسب للثقوب أثناء البناء لتجنب الحفر في المسامير وكابلات التثبيت.

(4) التقشر

يشير التقشر إلى انفصال طبقة الماس عن مصفوفة الكربيد الأسمنتية في صفائح PDC المركبة، كما هو موضح في الشكل 3.

السبب الرئيسي لانفصال طبقة الماس في قواطع PDC هو الإجهاد المتبقي الكبير بين طبقة الماس ومصفوفة الكربيد الأسمنتية، بالإضافة إلى اختلاف كبير في معاملات التمدد الحراري بينهما. أثناء قطع الصخور، تتعرض طبقة الماس ومصفوفة الكربيد الأسمنتية لانكماش غير متزامن بسبب الإجهادات الحرارية الناتجة عن حرارة الاحتكاك والتبريد الناتج عن سوائل الغسيل. يؤدي حمل الصدمة والإجهاد المتبقي الناتج إلى تقشير طبقة الماس من مصفوفة الكربيد، مما يؤدي في النهاية إلى فشل لقمة الحفر. لتخفيف الانفصال، من الضروري اختيار مواد ربط وتقنيات معالجة مناسبة تعالج الإجهاد المتبقي بين هذين المكونين أثناء التصنيع. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لتصميم شكل جديد لواجهة المصفوفة أن يعزز خصائص الترابط بين طبقة الماس ومصفوفة الكربيد الأسمنتية.

1.2 يتميز فشل جسم الحفر في المقام الأول بكسور الشفرة في جسم الحفر، كما هو موضح في الشكل 4.

 

يحدث كسر شفرة جسم المثقاب غالبًا في جسم المثقاب، ونادرًا ما يحدث في جسم المثقاب الفولاذي. أسباب كسر شفرة جسم المثقاب هي كما يلي: ① اصطدام شفرة جسم المثقاب عند فك جسم المثقاب لأن تاج جسم المثقاب يتم تلبيده بعملية مسحوق المعادن في وقت واحد. بالمقارنة مع جسم المثقاب الفولاذي العادي، يتمتع جسم المثقاب بمقاومة تآكل أعلى. ولكن صلابة مادة الجسم تقل تبعًا لذلك، ومن السهل كسر شفرة جسم المثقاب عند فك جسم المثقاب؛ ② التحكم في عملية تلبيد المثقاب ليس صارمًا. وجسم المثقاب الملبد هو انجراف ويفشل مسحوق المعدن في تكوين سبيكة. لتجنب كسر الشفرة، من الأفضل للمستخدم استخدام أدوات مثل كماشة الأسنان لمساعدة القيد عند فك المثقاب لتجنب صدم الشفرة؛ ثانيًا، يجب على المصنعين التحكم بدقة في جودة الجسم الملبد، وليس فقط التحكم الصارم في عملية التلبيد. ولكن أيضًا لمراقبة مسحوق المعدن من وقت لآخر للتأكد من أن المسحوق يلبي متطلبات العملية.

2. تصميم مُحسَّن واختيار معقول لبتات التعدين PDC

2.1 التصميم الأمثل لقمة الحفر

(1) بالنسبة لشكل فشل المثقاب، من الضروري تحسين هيكله من تصميم الحفر. تشمل معلمات التصميم الرئيسية لمثقاب PDC زاوية القطع α. الزاوية الجانبية β. زاوية السمت γ. إلخ. يشير γ إلى الزاوية بين خط مرجع اتجاه أسنان PDC وخط مركز المثقاب. يشير α إلى الزاوية بين خط مرجع اتجاه أسنان PDC ومستوى عمل القاطع. كما هو موضح في الشكل 5. يشير β إلى الزاوية بين المستوى عبر نقطة المركز وخط مركز المثقاب ومستوى عمل القاطع. كما هو موضح في الشكل 6. تُظهر الأبحاث الأولية وتحليل التطبيقات الشامل أن زاوية القطع والزاوية الجانبية لقواطع PDC يمكن أن تؤثر بشكل مباشر على عمر وكفاءة حفر المثقاب. ومن الضروري تحسين تصميم المثقاب وفقًا لتكوينات الحفر المختلفة. سيؤثر تصميم زاوية القطع بشكل كبير على كفاءة الحفر. أو حتى عدم وجود لقطات على الإطلاق؛ إذا كانت زاوية القطع صغيرة جدًا. تكون حافة قطع PDC عرضة للكسر والظواهر الأخرى. لذلك. يجب أن يؤخذ تصميم الحفر بعين الاعتبار بشكل شامل عند اختيار مخطط المعلمات واختيار زاوية قطع وزاوية جانبية معتدلة بدلاً من التصميم العشوائي.

(2) بالإضافة إلى تحسين زاوية قطع المِثقاب، من الضروري أيضًا تحسين قواطع PDC. تؤثر جودة قواطع PDC بشكل كبير على تعدينها، حيث إنها تحدد بشكل مباشر أداء القطع وعمرها الافتراضي. ومن العوامل الحاسمة في تحسين جودة PDC إزالة الإجهاد المتبقي عند سطح الترابط بين طبقة الماس ومصفوفة الكربيد الأسمنتي. تشير الأبحاث إلى أن أقصى إجهاد في قواطع PDC ذات بنية واجهة مستوية يتركز بالقرب من جانبي هذه الواجهة، مع حدوث إجهادات شد وقص قصوى عند حافة طبقة الماس. يمكن أن يؤدي وجود إجهاد الشد إلى كسور غير طبيعية في PDC، بينما يُعد إجهاد القص سببًا رئيسيًا للانفصال في قواطع PDC.

(3) بالإضافة إلى إزالة الإجهاد المتبقي في قواطع PDC، يُمكن للمعالجات الثانوية تحسين جودتها بشكل أكبر. حاليًا، تشمل طرق المعالجة السطحية الأساسية طحن السطح بالماس، وشطب الحواف، والتشكيل. يمكن تحسين اختيار قواطع PDC بناءً على ظروف العمل الفعلية.

2.2 اختيار معقول لرؤوس المثقاب

حاليًا، تتميز رؤوس الحفر المقعرة ذات الأجنحة الثلاثية المستخدمة في عمليات الحفر في قاع الآبار في معظم مناطق التعدين بتصميم مقعر ثلاثي الأجنحة. ومع ذلك، غالبًا ما يكون اختيار هذه الرؤوس محدودًا ويفتقر إلى التصنيف المناسب، مما يؤدي إلى اتباع نهج واحد يناسب الجميع ولا يلبي المتطلبات الخاصة لمختلف الطبقات بشكل كافٍ. ويمثل هذا مشكلة خاصة في ظل ظروف التكوين المعقدة، حيث تعجز الرؤوس المقعرة التقليدية عن تقديم أداء مُرضٍ، مما يؤدي إلى تقصير عمرها الافتراضي وانخفاض كفاءة الحفر. ولا يؤدي هذا القصور في الكفاءة إلى زيادة تكاليف الإنتاج فحسب، بل قد يُعطل أيضًا جداول البناء ويُسبب خسائر اقتصادية كبيرة. لذلك، من الضروري اختيار رؤوس حفر مناسبة مُصممة خصيصًا لظروف التكوين المختلفة.

يمكن تصنيف رؤوس مثقاب التعدين PDC إلى نوعين رئيسيين بناءً على مادة جسم الرأس: نوع الفولاذ ونوع الإطار. تتم معالجة أجسام رؤوس المثقاب من النوع الفولاذي في المقام الأول من خلال الطرق الميكانيكية، مما يوفر صلابة جيدة تجعلها مناسبة لعمليات حفر التكوين التقليدية. وعلى النقيض من ذلك، يتم تلبيد أجسام رؤوس المثقاب من نوع الإطارات باستخدام عمليات مسحوق المعادن، مما يوفر مقاومة عالية للتآكل مثالية لحفر الصخور الصلبة أو مهام الحفر الممتدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيف رؤوس المثقاب إلى هياكل مختلفة، بما في ذلك المقعر الداخلي، وزاوية القوس، والقاع المسطح، والكاشط، وغيرها كما هو موضح في الشكل 7. ①يعزز تصميم الهيكل المقعر لرأس المثقاب المقعر تأثيرات الاستقامة أثناء بناء التكوين التقليدي؛ ②يؤدي ترتيب الأسنان المشتت لرأس المثقاب القوسي إلى كثافة أسنان أعلى وكفاءة حفر محسنة عند العمل مع طبقات متوسطة الصلابة وما فوق؛ ③شكل شفة رأس المثقاب المسطح مسطح تقريبًا، مما يشحذ حوافه الجانبية لتسهيل الانحراف - يُستخدم هذا التصميم بشكل أساسي لتطبيقات الحفر الاتجاهي؛ ④تتميز أداة الكشط عادةً بهيكل مخروطي يوفر قوة أكبر ويتم استخدامها بشكل أساسي في الطبقات الناعمة أو بناء طبقات الفحم.

تم تلخيص وتنظيم بتات التعدين PDC الحالية، جنبًا إلى جنب مع معايير الاختيار لبتات PDC في ظل ظروف العمل والتكوين المختلفة، كما هو موضح في الجدول 1 للرجوع إليه.

3. استخدام احتياطات بت PDC للتعدين

بالإضافة إلى اختيار رؤوس الحفر بعناية، من الضروري أيضًا استخدام هذه الأدوات بشكل صحيح. نظرًا لظروف البناء الصعبة في مناجم الفحم، غالبًا ما يواجه العمال صعوبة في الالتزام الصارم بإرشادات تشغيل رؤوس الحفر PDC، مما يؤدي إلى حالات متكررة من فشل الرؤوس بسبب سوء المناولة. وفي محاولة لتحسين كفاءة الحفر، قد تزيد بعض مناطق التعدين من وزن الرؤوس بشكل عشوائي أثناء العمليات، مما يؤدي إلى فشل الرؤوس قبل الأوان. يمكن أن يؤدي الاستخدام الصحيح لرؤوس الحفر PDC إلى تحسين أدائها وخفض تكاليف الإنتاج. يجب مراعاة الاعتبارات التالية عند استخدام رؤوس الحفر PDC:

(1) انتبه إلى علاقة التدرج بين مثقاب PDC وأداة الحفر، وتأكد من عدم مطابقة أنبوب الحفر ذي القطر الكبير مع أنبوب الحفر ذي القطر الصغير جدًا، وعدم مطابقة أنبوب الحفر ذي القطر الصغير مع مثقاب الحفر ذي القطر الكبير.

(2) النهج الأمثل هو استخدام مثقاب ثقب متخصص أو مثقاب قديم لبناء العش، مع ضمان تجنب عملية الحفر بالقرب من مسامير جانب المسار وكابلات التثبيت والعوائق المماثلة.

(3) عند إجراء عمليات الحفر، من الضروري تنظيم ضغط التغذية من أجل منع الحوادث الناجمة عن الضغط الزائد داخل البئر.

(4) يُرجى استخدام تقنية الحفر بالماء النظيف، وتجنب الحفر الجاف أو الحفر بالهواء المضغوط. قبل البدء بعمليات الحفر بالضغط، تأكد من دوران الماء بشكل صحيح داخل الحفرة لمنع حوادث الاحتراق المحتملة في قاعدتها.

(5) عند إزالة المِثقاب، تأكد من تجنب تثبيت أو ضرب قاطع PDC. بالإضافة إلى ذلك، احرص على عدم ضرب شفرة جسم المِثقاب.

4. الخاتمة

لطالما كان التعدين الأخضر الآمن والفعال للفحم موضوعًا محوريًا في صناعة الفحم. ويكتسب الاستخدام الفعال لرؤوس حفر PDC في عمليات الحفر تحت الأرض في مناجم الفحم أهمية بالغة. تُحلل هذه الورقة البحثية أنماط فشل رؤوس حفر PDC في التعدين، موضحةً الأسباب الرئيسية وراء أشكال الفشل المختلفة. وتقترح استراتيجيات تصميم واختيار مُثلى للرؤوس في ظل ظروف عمل وتكوينات جيولوجية مختلفة، مع تلخيص احتياطات استخدامها، مما يُوفر مرجعًا لتحسين اختيار وتطبيق رؤوس حفر PDC في التعدين. إن الاختيار الحكيم والاستخدام الأمثل لرؤوس حفر PDC في التعدين يُمكن أن يُعزز فعاليتها، ويُقلل من هدر الموارد، ويُعزز السلامة والكفاءة والممارسات الصديقة للبيئة في تعدين الفحم.