Разбиване на кода на сондирането на твърди скали: DTH технологията, променяща играта.
Според геоложките условия на строителната зона има четири основни метода на сондиране, които обикновено се използват от сондажни платформи, както е показано на фигура 1.
а. Пневматични или хидравлични въртящи се глави, комбинирани с ударно оборудване, предават ротационна и ударна енергия през горната част насондажна тръба, доставяйки енергия на свредлото чрез ударни вълни в сондажната тръба. Този метод е ограничен до малки диаметри и плитки дълбочини и обикновено се използва в кариери, строителни обекти и подземни минни операции.
b.Чукове Down-The-Hole (DTH). са разположени в долната част на сондажната колона. Сгъстеният въздух навлиза в DTH през сондажната колона, задвижвайки бутало в възвратно-постъпателно движение, което директно въздейства върху свредлото, прехвърляйки енергията на удара към скалата. Тази система има минимални загуби на мощност и е особено подходяща за дълбоки дупки, прави дупки и средно твърди скали.
c.Сондиране с обратна циркулация (RC).използва DTH за събиране и транспортиране на скални проби от лицето на свредлото. Сухите и незамърсени изрезки се пренасят през централната тръба на DTH в устройство за събиране на проби, подготвяйки се за геоложки анализ.
d. Скоростна кутия, задвижвана от хидравлични или електрически двигатели, образува въртяща се силова глава, прилагаща достатъчна сила на подаване към триконусното свредло чрез захранваща система, която се движи нагоре и надолу върху сондажната платформа и дебелостенна сондажна тръба. Този метод се използва за по-меки скали или твърди скали със силни връзки.
- Принципи и характеристики на DTH
Формациите, пробити с DTH, са почти изцяло способни да включват всички магмени скали, метаморфни скали и седиментни скали, които са средно твърди или по-твърди. DTH е особено благоприятен за пробиване на твърди скали и жилави слоеве, тъй като твърдите скали са склонни да бъдат крехки. При ударни натоварвания счупванията се появяват не само на мястото на директния удар, но също така създават счупена зона, което води до по-големи скални фрагменти. По този начин скоростта на пробиване е значително по-висока в сравнение с чистото ротационно пробиване. Механичният модел на фигура 2 илюстрира различните натоварвания, действащи върху скалата по време на ударно ротационно сондиране.
В допълнение, DTH (Down-the-Hole) сондиране е високоефективно във формации, склонни към отклонение на сондажа, като пластове с добре развита пластова настилка и фолиация, или скални слоеве с неравномерна твърдост и много пукнатини. Може значително да намали отклонението на сондажа и също така да преодолее трудностите при пробиване през чакълести слоеве и скални легла.
DTH сондирането е разработено в края на 19 век и има история от повече от век. Въпреки че има много видове DTH бормашини, те споделят обща характеристика: както ударният механизъм, така и свредлото са потопени в сондажа, като въртенето е комбинирано с удар, за да се разруши скалата. Оборудването, използвано за генериране на силата на удара, може да бъде категоризирано според техния метод на задвижване на пневматични, хидравлични, с маслено налягане, електрически и механични видове.
Тъй като енергията на удара претърпява значителна загуба по време на предаване и може да причини значителни щети на засегнатите компоненти, обикновено се изисква при по-дълбоки сондажни операции оборудването да влезе в сондажа със сондажния инструмент, така че изходната ударна сила да може да действа директно върху свредлото или цевта за пробиване. Това минимизира загубата на енергия по време на предаване, подобрява енергийната ефективност и намалява вероятността от повреда на оборудването в дупки.
Пневматичният DTH, известен също като въздушно задвижван DTH, се предлага в много структурни типове и методи за класификация.
- По степен на налягане: тип високо налягане, средно налягане и ниско налягане.
- По обща структура: непреходни и проходни видове.
- По принцип на работа на вентила: тип управляващ клапан, тип свободен клапан и тип хибриден клапан.
- По структура на буталото: бутало с еднакъв диаметър, бутало с различен диаметър и типове тандемни бутала.
- По тип на разпределение на въздуха: клапанен DTH и безклапанен DTH. Клапанният DTH може да бъде разделен на пластинчат клапан, дисков клапан и цилиндричен тип клапан, докато безклапанният DTH може да бъде разделен на изпускателен тип с централен прът, бутален тип разпределение на въздуха и комбинирано разпределение на въздуха чрез бутало, цилиндър и централен прът.
- Чрез метод за промиване на отвора и изхвърляне на шлака: измиване на централния отвор, измиване на предния отвор и измиване на страничния отвор.
2. Определяне на структурните схеми на механизма на въздействие
2.1 Бутален механизъм за самоподаване на газ без клапан
Този тип ударен механизъм използва предимно газовите канали в самото бутало за подаване на газ, което води до сложна структура на буталото с многобройни газови канали, което намалява здравината и живота на буталото. Въпреки това, този ударен механизъм интегрира вътрешния и външния цилиндър, увеличавайки ефективната работна площ на буталото и повишавайки енергията на удара на механизма.
2.2 Комбиниран механизъм за подаване на газ без клапан с бутало и цилиндър
Този тип се характеризира с проста структура, която е лесна за производство, има по-дълъг живот на буталото и отворите за газ са разположени както на цилиндъра, така и на буталото. Тази структура се използва широко в чужбина.
2.3 Ударен механизъм без клапан на централната тръба за подаване на газ
В този механизъм каналите за всмукване на въздух за горната и долната камера са разположени върху кръглата тръба, където се плъзга буталото. Изисква висока производствена прецизност и има относително кратък живот на централната тръба.
2.4 Механизъм за страничен изпускателен удар
Така нареченото странично изпускане означава, че пътят на отработените газове излиза от тялото на цилиндъра, вместо да минава през центъра на свредлото до дъното на отвора. Този тип ударен механизъм обикновено има много всмукателни и изпускателни канали по тялото на цилиндъра, което води до слаба структурна здравина, потенциал за надлъжни пукнатини от умора и значителна загуба на въздушно налягане, което води до неоптимално отстраняване на отломки и охлаждащи ефекти за свредлото.
2.5 Централен изпускателен ударен механизъм
Този тип ударен механизъм изхвърля отломки и газ директно от центъра на свредлото към дъното на отвора. Директният въздушен поток не само повишава ефективността на премахване на остатъци, но също така подобрява ефективността на пробиване и охлаждане, удължавайки живота на свредлото. Този структурен тип заменя многобройните надлъжни канали във вътрешния цилиндър на механизмите за страничен изпускателен удар с пръстеновиден канал, което значително намалява концентрацията на напрежение във вътрешния цилиндър. Тя се превърна в широко възприета структура през последните години.
Бутален ударен механизъм от серия 2.6
Ударният механизъм с серийно бутало, известен също като ударен елемент с двойно бутало (глава), разделя цилиндъра на две камери с помощта на изолационен пръстен. Този дизайн позволява на двете страни на буталото да работят едновременно в рамките на един и същ диаметър на отвора, което води до по-голяма сила на удара и по-висока честота на удара. Съответно има двойна изпускателна система, която ефективно премахва каменния прах от дъното на дупката. Основният му недостатък обаче е сложната структура и необходимостта от висока точност при обработката на части; например, буталото има до пет свързващи повърхности със свързани компоненти, което ограничава неговото приложение и насърчаване. Следователно, този дизайн приема втория вариант, който е безклапанен ударен механизъм с комбинирано подаване на газ от бутало и цилиндър. Структурата му е показана на фигура 3.
3. Теоретичен анализ и съответните изчисления за DTH
3.1 Избор на работни параметри**
3.1.1 Дължина и тегло на чука: Предварителният проект определя дължина под 4500 mm и тегло под 2500 kg.
3.1.2 Диаметър на чука: Подходящият диаметър на чука се определя въз основа на диаметъра на пробиване, зададен на 540 mm.
3.1.3 Диаметър на пробиване: Това се отнася за диаметъра на отвора за пилота, обикновено между 550 mm и 600 mm.
3.1.4 Дълбочина на пробиване: Според изискванията за проектиране на пилоти, това обикновено е между няколко десетки метра и сто метра.
3.1.5 Скорост на пробиване: DTH пробиването обикновено работи при ниски скорости на въртене, обикновено между 7 и 25 r/s.
3.1.6 Ротационен въртящ момент: Максималният въртящ момент за тази конструкция е зададен на 150 kN·m.
3.2 Изчисляване на проектните параметри
Проектните параметри за DTH, по-специално параметрите на ефективността на DTH ударното оборудване, служат като основа за проектиране на машината и определят производителността на произведеното оборудване.
3.2.1 Проектно налягане P за ударно оборудване
В Китай налягане от 0,49 MPa (приблизително 5 × 10^5 Pa) е широко избрано като проектен стандарт за пневматично ударно оборудване. Като се има предвид, че DTH за този дизайн е ударно устройство без клапан с голям диаметър на пробиване и тежко бутало, по-високото въздушно налягане допълнително ще подобри производителността. Освен това въздушните компресори с високо налягане са все по-често срещани и в съответствие с международния стандарт ISO 5941-1979 е избрано проектно налягане от 1,6 MPa.
3.2.2 Сила на удара
За DTH, използван за пробиване на отвори с голям диаметър, проектната енергия на удара може да варира значително. Енергията на удара за този дизайн се изчислява, както следва:
3.2.3 Честота на удара
Обикновено при постоянна енергия на удара честотата на удара е пропорционална на изходната мощност на ударния елемент. Въпреки това, когато диаметърът на цилиндъра е фиксиран, увеличаването на честотата на удара налага намаляване на хода на буталото, което от своя страна намалява силата на единичния удар. След като мощността на единичен удар падне под определен праг, увеличаването на честотата няма да доведе до задоволителни резултати при разбиване на скали. По този начин изборът на честота на удара е ограничен от силата на удара.
За пневматичен DTH, работещ при проектно налягане от 0,5 MPa, честотата не трябва да надвишава 16,8 Hz. Тъй като DTH работи при проектно налягане между 0,5 и 2,5 MPa, честотата на удара може да варира значително. Първоначалният избор на честотата на удрящия елемент може да се изчисли, както следва:
f = 10.4 + 7.6P
(2) където P е захранващото налягане на системата. За този дизайн P = 1,6 MPa, следователно:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Проектиране на структурни параметри
Основните структурни параметри на DTH включват диаметър на отвора на цилиндъра, ход на буталото и размери на буталото. Увеличаването на диаметъра на цилиндъра може да увеличи както силата на удара, така и честотата, така че диаметърът трябва да бъде максимално увеличен в границите на структурния размер. Обикновено разликата между външния диаметър на DTH и диаметъра на отвора не трябва да бъде по-малка от 15 до 20 mm, а външният корпус на DTH не трябва да е твърде тънък. Следователно съотношението на диаметъра на DTH цилиндъра към диаметъра на пробиване обикновено е над 0,5.
3.3.1 Работен диаметър на цилиндъра и структурен ход
Работният диаметър D на цилиндъра може да се изчисли, както следва:
D = K × D (отвор) = (0,57 - 0,68) × D (отвор) (3)
За този дизайн D (отвор) = 600 mm, така че D се приема за 360 mm. Конструктивният ход S е емпирично приет като S = 500 mm.
3.3.2 Маса на буталото
Радиалните размери на буталото са ограничени от размера и структурата на цилиндъра, което позволява бутала с еднакъв или различен диаметър. Линейните размери зависят от теглото на буталото, което също е свързано със скоростта, която има при удряне на свредлото. Следователно, определянето на структурните размери на буталото е сложен аспект на дизайна на DTH. Масата на буталото DTH може да се оцени, както следва:
m = 0,0205D^2,84 (4)
където m е масата на буталото в kg; D е работният диаметър на цилиндъра в cm.
Заместването на D = 36 дава: m = 540 kg.
DTH се състои главно от структура за предаване на въртящ момент и пневматичен ударен механизъм. Структурата за предаване на въртящия момент свързва сондажния прът и DTH, предавайки сили на въртене на рязане и теглене; пневматичният ударен механизъм генерира удар, осигурявайки аксиална мощност на ударното свредло. Специфични детайли на структурата са показани на фигура 3.
Структурата за предаване на въртящия момент свързва сондажния прът и ударния елемент. Горната връзка се свързва със сондажния прът и удрящия елемент чрез тръбни резби, основно за осигуряване на газонепроницаемост, като същевременно предава въртящ момент и теглителна сила. Възвратният клапан предотвратява навлизането на кал и вода в удрящия елемент и сондажния прът, управлявани от пружина. Седалката за всмукване на въздух с пръта за подаване на газ функционира за вкарване на сгъстен въздух в цилиндъра, улеснявайки действието на подаването на газ заедно с цилиндъра и буталото, като по този начин се постига комбинирано подаване на газ. Пружинният предпазен пръстен предотвратява изплъзването на буталото от цилиндъра при смяна на свредлото.
3.4 Анализ с крайни елементи на DTH свредло
DTH свредлото е подложено на ударни сили от буталото и въртящ момент от задвижващата глава. Силата, упражнявана върху буталото от сгъстения въздух, се определя от:
F = P × S (5)
където P е системното налягане в Pa; S е силовата площ на буталото в m².
Така F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Следователно силата на удара върху свредлото е:
F' = kF (6)
където k е коефициентът на въздействие; F е силата, упражнявана върху свредлото от сгъстения въздух в N. Така F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Въртящият момент, приложен към свредлото DTH от задвижващата глава, е N = 150 kN. Прилагането на F' = 2688 kN и N = 150 kN към свредлото при фиксиране на долната крайна повърхност на свредлото и използване на материал QT500-7 с граница на провлачване 320 MPa, се извършва анализ на крайните елементи. Специфичните условия на натоварване и ограничения и разделянето на мрежата са показани на фигури 4 и 5.
Резултатите от анализа на крайните елементи са показани на фигура 6, което показва, че максималното напрежение е 144,355 MPa, което е по-малко от границата на провлачване на QT500-7 (320 MPa), като по този начин отговаря на изискванията.