كسر شفرة حفر الصخور الصلبة: تكنولوجيا DTH التي غيرت قواعد اللعبة.
وفقًا للظروف الجيولوجية لمنطقة البناء، هناك أربع طرق حفر رئيسية تستخدمها منصات الحفر بشكل شائع، كما هو موضح في الشكل 1.
أ. رؤوس دوارة تعمل بالهواء المضغوط أو الهيدروليكي، مقترنة بمعدات التأثير، تنقل طاقة الدوران والتأثير من خلال الجزء العلوي منأنبوب الحفرنقل الطاقة إلى لقمة الحفر عبر موجات صدمية في أنبوب الحفر. تقتصر هذه الطريقة على الأقطار الصغيرة والأعماق الضحلة، وتُستخدم عادةً في المحاجر ومواقع البناء وعمليات التعدين تحت الأرض.
ب.مطارق الحفرة (DTH) تقع في أسفل سلسلة الحفر. يدخل الهواء المضغوط إلى جهاز الحفر المباشر عبر سلسلة الحفر، مما يُحرك المكبس بحركة ترددية تؤثر مباشرةً على لقمة الحفر، ناقلةً طاقة التأثير إلى الصخور. يتميز هذا النظام بفقدان ضئيل للطاقة، وهو مناسب بشكل خاص للثقوب العميقة، والمستقيمة، والصخور متوسطة الصلابة.
ج.الحفر بالدوران العكسي (RC)يستخدم جهاز DTH لجمع ونقل عينات الصخور من سطح لقمة الحفر. تُنقل القطع الجافة وغير الملوثة عبر الأنبوب المركزي لجهاز DTH إلى جهاز جمع العينات، تمهيدًا للتحليل الجيولوجي.
د. يُشكّل صندوق تروس، يُدار بمحركات هيدروليكية أو كهربائية، رأسًا دوارًا للطاقة، يُطبّق قوة تغذية كافية على مثقاب الحفر ثلاثي المخاريط من خلال نظام تغذية يتحرك لأعلى ولأسفل على منصة الحفر وأنبوب حفر سميك الجدران. تُستخدم هذه الطريقة للصخور اللينة أو الصخور الصلبة شديدة الوصل.
- مبادئ وخصائص البث التلفزيوني المباشر
التكوينات المحفورة بتقنية الحفر المباشر (DTH) قادرة تقريبًا على احتواء جميع الصخور النارية والمتحولة والرسوبية متوسطة الصلابة أو الأكثر صلابة. يُعد الحفر المباشر (DTH) مفيدًا بشكل خاص لحفر الصخور الصلبة والطبقات الصلبة، نظرًا لأن الصخور الصلبة تميل إلى الهشاشة. تحت تأثير أحمال التصادم، لا تقتصر الكسور على موقع التصادم المباشر فحسب، بل تُكوّن أيضًا منطقة متكسرة، مما ينتج عنه شظايا صخرية أكبر. وبالتالي، تكون سرعة الحفر أسرع بكثير مقارنةً بالحفر الدوراني الصرف. يوضح النموذج الميكانيكي في الشكل 2 الأحمال المختلفة المؤثرة على الصخور أثناء الحفر الدوراني التصادمي.
علاوةً على ذلك، يُعدّ الحفر المباشر (DTH) فعالاً للغاية في التكوينات المُعرّضة لانحراف البئر، مثل الطبقات ذات الطبقات والتكوينات الصخرية المتطورة، أو طبقات الصخور ذات الصلابة غير المتساوية والكسور الكثيرة. ويُمكنه تقليل انحراف البئر بشكل كبير، كما يُساعد على التغلّب على صعوبات الحفر عبر طبقات الحصى وطبقات الصخور الكبيرة.
طُوِّرَت تقنية الحفر المباشر عبر الأنابيب (DTH) في أواخر القرن التاسع عشر، ولها تاريخ يمتد لأكثر من قرن. ورغم وجود أنواع عديدة من حفارات DTH، إلا أنها تشترك في سمة مشتركة: إذ تُغمر آلية التأثير ومِثقاب الحفر في البئر، مع دوران مُصاحب للتأثير لكسر الصخور. تُصنّف المعدات المستخدمة لتوليد قوة التأثير، حسب طريقة تشغيلها، إلى أنواع هوائية، وهيدروليكية، وضغط زيتي، وكهربائية، وميكانيكية.
نظراً لفقدان طاقة الاصطدام بشكل كبير أثناء النقل، مما قد يُسبب أضراراً جسيمة للمكونات المتأثرة، يُشترط عادةً في عمليات الحفر العميقة إدخال المعدات إلى البئر باستخدام أداة الحفر، بحيث تؤثر قوة الاصطدام الناتجة مباشرةً على لقمة الحفر أو أسطوانة القلب. هذا يُقلل من فقدان الطاقة أثناء النقل، ويُحسّن كفاءة الطاقة، ويُقلل من احتمالية تعطل المعدات في قاع البئر.
يأتي DTH الهوائي، المعروف أيضًا باسم DTH المدفوع بالهواء، في العديد من الأنواع الهيكلية وطرق التصنيف.
- حسب تصنيف الضغط: أنواع الضغط العالي، والضغط المتوسط، والضغط المنخفض.
- حسب البنية العامة: النوع غير المباشر والنوع المباشر.
- حسب مبدأ تشغيل الصمام: نوع صمام التحكم، ونوع الصمام الحر، ونوع الصمام الهجين.
- حسب هيكل المكبس: أنواع المكبس ذات القطر المتساوي، والمكبس ذات القطر غير المتساوي، والمكبس الترادف.
حسب نوع توزيع الهواء: DTH بصمامات وDTH بدون صمامات. يمكن تقسيم DTH بصمامات إلى صمامات لوحية، وصمامات قرصية، وصمامات أسطوانية، بينما يمكن تقسيم DTH بدون صمامات إلى نوع عادم قضيب مركزي، ونوع توزيع هواء مكبسي، وتوزيع هواء مشترك بواسطة مكبس، وأسطوانة، وقضيب مركزي.
- عن طريق غسل الحفرة وطريقة تفريغ الخبث: غسل الحفرة المركزية، وغسل الحفرة الأمامية، وغسل الحفرة الجانبية.
2. تحديد المخططات الهيكلية لآلية التأثير
2.1 آلية إمداد الغاز الذاتي بدون صمام
يعتمد هذا النوع من آليات التأثير بشكل أساسي على قنوات الغاز في المكبس نفسه لتزويده بالغاز، مما ينتج عنه هيكل مكبس معقد مع قنوات غاز متعددة، مما يقلل من قوة المكبس وعمره الافتراضي. ومع ذلك، تدمج آلية التأثير هذه الأسطوانات الداخلية والخارجية، مما يزيد من مساحة العمل الفعالة للمكبس ويعزز طاقة تأثيره.
2.2 آلية إمداد الغاز غير الصمامية المشتركة للمكبس والأسطوانة
يتميز هذا النوع بهيكل بسيط وسهل التصنيع، وعمر مكبس أطول، وثقوب غاز على كلٍّ من الأسطوانة والمكبس. ويُستخدم هذا الهيكل على نطاق واسع في الخارج.
2.3 آلية تأثير غير صمامية لإمداد الغاز بأنبوب المركز
في هذه الآلية، تُرتَّب ممرات سحب الهواء للغرفتين العلوية والسفلية على الأنبوب الدائري حيث ينزلق المكبس. تتطلب هذه الآلية دقة تصنيع عالية، وعمرًا افتراضيًا قصيرًا نسبيًا للأنبوب المركزي.
2.4 آلية تأثير العادم الجانبي
ما يُسمى بالعادم الجانبي يعني أن مسار غاز العادم يخرج من جسم الأسطوانة بدلًا من المرور عبر مركز لقمة الحفر إلى قاع الحفرة. عادةً ما يحتوي هذا النوع من آليات التصادم على العديد من مسارات السحب والعادم على جسم الأسطوانة، مما يؤدي إلى ضعف متانة الهيكل، واحتمالية ظهور شقوق التعب الطولية، وانخفاض كبير في ضغط الهواء، مما يؤدي إلى إزالة الحطام وتبريد لقمة الحفر دون المستوى الأمثل.
2.5 آلية تأثير العادم المركزي
يُخرج هذا النوع من آليات التصادم الحطام والغازات مباشرةً من مركز لقمة الحفر إلى قاع الحفرة. لا يُعزز تدفق الهواء المباشر كفاءة إزالة الحطام فحسب، بل يُحسّن أيضًا كفاءة الحفر والتبريد، مما يُطيل عمر لقمة الحفر. يستبدل هذا النوع الهيكلي الأخاديد الطولية العديدة في الأسطوانة الداخلية لآليات التصادم ذات العادم الجانبي بأخدود حلقي، مما يُقلل بشكل كبير من تركيز الإجهاد في الأسطوانة الداخلية. وقد أصبح هذا النوع من الهياكل شائع الاستخدام في السنوات الأخيرة.
آلية تأثير المكبس من سلسلة 2.6
آلية صدم المكبس التسلسلي، والمعروفة أيضًا باسم أداة الصدم ثنائية المكبس (الرأس)، تقسم الأسطوانة إلى حجرتين باستخدام حلقة عزل. يسمح هذا التصميم لكلا وجهي المكبس بالعمل في وقت واحد ضمن قطر التجويف نفسه، مما ينتج عنه قوة صدم أكبر وتردد صدم أعلى. في المقابل، يوجد نظام عادم مزدوج يزيل مسحوق الصخور بفعالية من قاع الحفرة. ومع ذلك، فإن عيبها الرئيسي هو بنيتها المعقدة والحاجة إلى دقة عالية في تصنيع الأجزاء؛ على سبيل المثال، يحتوي المكبس على ما يصل إلى خمسة أسطح تزاوج مع المكونات المرتبطة بها، مما يحد من تطبيقها وترويجها. لذلك، يعتمد هذا التصميم الخيار الثاني، وهو آلية الصدم بدون صمام مع إمداد غاز مشترك من المكبس والأسطوانة. يظهر هيكلها في الشكل 3.
3. التحليل النظري والحسابات ذات الصلة لـ DTH
3.1 اختيار معلمات التشغيل**
3.1.1 طول المطرقة ووزنها: يحدد التصميم الأولي طولًا أقل من 4500 مم ووزنًا أقل من 2500 كجم.
3.1.2 قطر المطرقة: يتم تحديد قطر المطرقة المناسب بناءً على قطر الحفر، الذي تم ضبطه على 540 ملم.
3.1.3 قطر الحفر: يشير ذلك إلى قطر ثقب الكومة، والذي يتراوح عمومًا بين 550 ملم و600 ملم.
3.1.4 عمق الحفر: وفقًا لمتطلبات تصميم الأكوام، يكون هذا العمق عادةً ما بين عشرات الأمتار ومئة متر.
3.1.5 سرعة الحفر: تعمل تقنية الحفر DTH عمومًا بسرعات دوران منخفضة، عادةً ما بين 7 و25 دورة في الثانية.
3.1.6 عزم الدوران: تم ضبط عزم الدوران الأقصى لهذا التصميم على 150 كيلو نيوتن متر.
3.2 حساب معلمات التصميم
تشكل معلمات تصميم DTH، وخاصة معلمات أداء معدات التأثير DTH، الأساس لتصميم الآلة وتحدد أداء المعدات المصنعة.
3.2.1 ضغط التصميم P لمعدات التأثير
في الصين، يُعتمد ضغط 0.49 ميجا باسكال (حوالي 5 × 10^5 باسكال) على نطاق واسع كمعيار تصميم لمعدات التصادم الهوائية. ونظرًا لأن جهاز الحفر العميق (DTH) لهذا التصميم هو جهاز تصادم بدون صمام، يتميز بقطر حفر كبير ومكبس ثقيل، فإن ضغط الهواء العالي سيعزز الأداء بشكل أكبر. بالإضافة إلى ذلك، تزداد ضواغط الهواء عالية الضغط شيوعًا، ووفقًا للمعيار الدولي ISO 5941-1979، تم اختيار ضغط تصميمي قدره 1.6 ميجا باسكال.
3.2.2 قوة التأثير
بالنسبة لآلات الحفر المباشر (DTH) المستخدمة لحفر ثقوب كبيرة القطر، قد تتقلب طاقة التأثير التصميمية بشكل كبير. تُحسب طاقة التأثير لهذا التصميم كما يلي:
3.2.3 تردد التأثير
عمومًا، عند ثبات طاقة الصدمة، يتناسب تردد الصدمة طرديًا مع طاقة خرج أداة الصدم. ومع ذلك، عند تثبيت قطر الأسطوانة، فإن زيادة تردد الصدمة تستلزم تقليل شوط المكبس، مما يقلل بدوره من قوة الصدمة الفردية. بمجرد أن تنخفض قوة الصدمة الفردية عن حد معين، فإن زيادة التردد لن تُحقق نتائج مُرضية في تكسير الصخور. وبالتالي، فإن اختيار تردد الصدمة مُقيد بقوة الصدمة.
بالنسبة لآلات الارتطام الهوائية DTH العاملة بضغط تصميمي يبلغ 0.5 ميجا باسكال، يجب ألا يتجاوز التردد 16.8 هرتز. ونظرًا لأن آلات الارتطام تعمل بضغوط تصميمية تتراوح بين 0.5 و2.5 ميجا باسكال، فقد يختلف تردد الاصطدام بشكل كبير. يمكن حساب التردد الأولي للأداة كما يلي:
ف = 10.4 + 7.6P
(2) حيث P هو ضغط إمداد النظام. في هذا التصميم، P = 1.6 ميجا باسكال، وبالتالي:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 هرتز.
3.3 تصميم المعلمات الهيكلية
تشمل المعايير الهيكلية الرئيسية لآلية الحفر العميق (DTH) قطر تجويف الأسطوانة، وشوط المكبس، وأبعاد المكبس. يمكن أن تؤدي زيادة قطر الأسطوانة إلى زيادة قوة التأثير وتردده، لذا يجب أن يكون القطر الأقصى ضمن حدود الحجم الهيكلي. عادةً، يجب ألا يقل الفرق بين القطر الخارجي لآلية الحفر العميق (DTH) وقطر التجويف عن 15 إلى 20 مم، ويجب ألا يكون الغلاف الخارجي رقيقًا جدًا. لذلك، تكون نسبة قطر أسطوانة الحفر العميق (DTH) إلى قطر الحفر أعلى من 0.5.
3.3.1 قطر عمل الأسطوانة والشوط الهيكلي
يمكن حساب القطر العامل D للأسطوانة على النحو التالي:
D = K × D(القطر) = (0.57 - 0.68) × D(القطر) (3)
في هذا التصميم، قطر الثقب D = 600 مم، لذا يُؤخذ D على أنه 360 مم. ويُؤخذ الشوط الهيكلي S تجريبيًا على أنه S = 500 مم.
3.3.2 كتلة المكبس
تُحدد الأبعاد الشعاعية للمكبس بحجم الأسطوانة وبنيتها، مما يسمح باستخدام مكابس متساوية أو مختلفة القطر. تعتمد الأبعاد الخطية على وزن المكبس، والذي يرتبط أيضًا بالسرعة التي يتحرك بها عند ضرب لقمة الحفر. لذلك، يُعد تحديد الأبعاد الهيكلية للمكبس جانبًا معقدًا في تصميم الحفر المباشر. يمكن تقدير كتلة مكبس الحفر المباشر على النحو التالي:
م = 0.0205D^2.84 (4)
حيث m هي كتلة المكبس بالكيلوجرام؛ D هو قطر العمل للأسطوانة بالسنتيمتر.
استبدال D = 36 يعطي: م = 540 كجم.
يتكون مثقاب الحفر المباشر (DTH) بشكل أساسي من هيكل ناقل عزم الدوران وآلية صدم هوائية. يربط هيكل ناقل عزم الدوران قضيب الحفر بـ DTH، ناقلًا قوى القطع والسحب الدورانية؛ بينما تُولّد آلية الصدم الهوائية قوة صدم، مانحةً بذلك قوة محورية لقمة الحفر. يظهر الشكل 3 تفاصيل الهيكل.
يربط هيكل نقل عزم الدوران قضيب الحفر بأداة التصادم. يتصل المفصل العلوي بقضيب الحفر وأداة التصادم عبر خيوط أنبوبية، وذلك لضمان إحكام إغلاق الغاز مع نقل عزم الدوران وقوة السحب. يمنع صمام عدم الرجوع دخول الطين والماء إلى أداة التصادم وقضيب الحفر، ويتم التحكم به بواسطة زنبرك. يعمل مقعد سحب الهواء مع قضيب إمداد الغاز على إدخال الهواء المضغوط إلى الأسطوانة، مما يُسهّل عملية إمداد الغاز مع الأسطوانة والمكبس، وبالتالي تحقيق إمداد غاز مشترك. تمنع حلقة الأمان الزنبركية انزلاق المكبس خارج الأسطوانة عند استبدال لقمة الحفر.
3.4 تحليل العناصر المحدودة لقمة الحفر DTH
يتعرض مثقاب DTH لقوى صدم من المكبس وعزم دوران من رأس الدفع. تُحسب القوة المؤثرة على المكبس بواسطة الهواء المضغوط بالمعادلة التالية:
ف = ص × س (5)
حيث P هو ضغط النظام بالباسكال؛ S هي مساحة قوة المكبس بالمتر المربع.
وبالتالي، F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 نيوتن.
لذلك فإن قوة التأثير على مِثقاب الحفر هي:
F' = kF (6)
حيث k هو معامل التأثير؛ F هي القوة المؤثرة على لقمة الحفر بواسطة الهواء المضغوط بوحدة نيوتن. وبالتالي، F' = 20 × 134400 = 2688 كيلو نيوتن.
عزم الدوران المطبق على مثقاب DTH بواسطة رأس الدفع هو N = 150 كيلو نيوتن. بتطبيق F' = 2688 كيلو نيوتن وN = 150 كيلو نيوتن على مثقاب الحفر مع تثبيت الطرف السفلي له، وباستخدام مادة QT500-7 ذات مقاومة خضوع تبلغ 320 ميجا باسكال، أُجري تحليل العناصر المحدودة. يوضح الشكلان 4 و5 ظروف التحميل والقيود المحددة وتقسيم الشبكة.
وتظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة في الشكل 6، مما يشير إلى أن أقصى إجهاد هو 144.355 ميجا باسكال، وهو أقل من قوة الخضوع لـ QT500-7 (320 ميجا باسكال)، وبالتالي تلبية المتطلبات.