Selecció òptima de bits PDC per a la mineria de carbó

La construcció de forats és un mètode tècnic àmpliament utilitzat per al control del gas, la prevenció de danys a l'aigua i l'exploració geològica a les mines de carbó, que té un paper crucial per garantir la seguretat i l'eficiència de la producció de carbó. A la Xina, cada any es creen desenes de milions de metres de forats de perforació a les mines de carbó. El procés de construcció requereix el suport d'equips de perforació com ara trepans, tubs de perforació i broques. Entre ells, els trepants són eines essencials per fer forats directament i trencar roques.

La làmina composta de diamant policristal·lí (PDC) s'utilitza àmpliament en broques de mineria a causa de la seva excepcional resistència al desgast i la seva encomiable duresa a l'impacte.Bits PDCExhibeixen una vida útil prolongada de perforació i una major eficiència de penetració quan s'utilitzen en formacions rocoses de duresa mitjana i baixa, donant així beneficis econòmics substancials en les operacions de perforació de mines de carbó.

Els reptes actuals als quals s'enfronta la mineriaBits PDCinclouen: ①El llindar d'entrada per a la mineria de bits PDC és relativament baix, amb una multitud de fabricants que ofereixen diferents nivells de qualitat. ② Els usos i requisits de la perforació subterrània a les mines de carbó presenten disparitats evidents, mentre que la classificació dels bits PDC de mineria és complexa i diversa. A més, hi ha una manca d'especificacions de selecció sistemàtiques i racionals en el procés d'utilització posterior.③Amb la creixent prevalença d'estrats durs complexos a les mines de carbó, les broques PDC de la mineria convencional no compleixen els requisits de construcció per a una perforació eficient in situ, donant lloc a casos de progrés lent o fins i tot a una manca completa de metratge. Els procediments per part del personal de construcció de vegades poden ser difícils.

Per tal de millorar l'eficàcia operativa de la mineriaBits PDC, aquest article ofereix una anàlisi exhaustiva dels modes de fallada primària i investiga les causes subjacents de cada forma de fallada. A més, es proposen recomanacions pràctiques per a la selecció prudent i la utilització atenta d'aquests bits.

1.Anàlisi de la forma i les causes de la fallada del bit PDC a la mineria

Actualment, els components de les broques PDC de mineria consisteixen principalment en el cos de la broca, talladors PDC, aliatges de calibre i altres parts, tal com es mostra a la figura 1. Els talladors PDC i aliatges de calibre estan soldats al cos de la broca per garantir la seva fixació segura. Durant les operacions de perforació habituals, la vareta de trepant transmet el parell i la pressió d'alimentació a la part inferior del forat on s'enganxa amb la broca. El procés de tall de roca s'aconsegueix mitjançant la utilització de talladors PDC a la broca. A més, els aliatges de calibre protegeixen contra un desgast excessiu protegint la integritat circumferencial del cos de la broca. Tanmateix, cal tenir en compte que diversos factors, com ara forces complexes exercides sobre el tallador a la part inferior del forat durant el tall de roca amb una broca PDC, els canvis en les característiques de la formació, la selecció de tècniques i equips de construcció, la competència operativa del personal implicat en activitats de construcció, juntament amb les mesures de control de qualitat de les broques, poden afectar significativament l'eficàcia de l'aplicació que condueix a diverses formes de fallada d'aquestes broques. A través d'una investigació realitzada als llocs de perforació de les mines de carbó, hem resumit i analitzat diferents modes de fallada i causes primàries associades aBits PDC.

1.1 La fallada del tallador PDC es produeix quan el PDC es sinteritza en condicions d'alta temperatura i alta pressió. La làmina composta consta de dos components principals: una capa de diamant i una matriu de carbur, tal com es mostra a la figura 2.

Els modes de fallada principals de les talladores PDC inclouen el desgast normal, l'escaminació, el col·lapse de la fulla i la delaminació.

(1) Desgast habitual

El fenomen de desgast normal és un tipus de dany típic que es produeix en les talladores PDC durant el procés de tall de roca, caracteritzat principalment per una important pèrdua macroscòpica de mòlta tant a la capa de diamant com a la matriu de carbur cimentat de les freses, sense cap rastre aparent d'esquerdes a la superfície de mòlta.

(2) Caiguda de xip

El fenomen de caiguda d'encenall es produeix quan els talladors PDC es desprenen del cos de la broca, donant lloc a una fallada de la broca. La característica més destacada és la separació completa dels talladors PDC del cos de la broca, sense que es trobin residus d'aliatge a la fossa on es produeix la soldadura entre el cos de la broca i les talladores PDC.

Factors primaris que contribueixen a la caiguda de la pel·lícula:

① L'elevada temperatura a la part inferior del forat comporta desafiaments en la tecnologia de construcció de perforació en sec o en la formació de taps d'aigua durant el procés de perforació, alhora que impedeix el refredament oportú de les talladores PDC al trepant durant el tall rotatiu de roca d'alta velocitat. En conseqüència, hi ha un augment significatiu de la temperatura a la part inferior del forat, que pot superar la temperatura crítica de la soldadura i provocar la fusió de la soldadura i la posterior separació de les talladores PDC.

② El control del procés de soldadura del trepant no és prou estricte. En el procediment de soldadura, hi ha una manca de neteja adequada abans de la soldadura, soldadures defectuoses o una gestió inadequada dels gasos d'escapament, i una temperatura de conservació de la calor no raonable o un temps insuficient després de la soldadura, tot això pot provocar un despreniment de la broca. A part d'exigir als fabricants que regulin estrictament el procés de producció (especialment el procés de soldadura de tallador PDC) per garantir soldadures completes i sòlides, també cal aclarir el procediment de construcció de la perforació optant per la perforació d'aigua sempre que sigui possible i evitant la construcció de la perforació en sec. Per a la perforació de forats profunds, s'ha d'assegurar que l'aigua torni abans d'afegir la perforació de varetes. A més, cada cop abans d'introduir el trepant a la part inferior del forat, és imprescindible comprovar si hi ha cap obstrucció per evitar l'obstrucció.

(3) Trencament de la fulla

La fractura de la capa de diamant en les talladores PDC representa un mode de fallada prevalentBits PDC. Un tret característic d'aquest mode de fallada és la ruptura localitzada de la capa de diamant, amb alguns casos que provoca una ruptura simultània al costat de la matriu de carbur.

Les principals causes del trencament de bits PDC:

① El tallador escollit en funció de les característiques inherents al tallador PDC presenta una baixa resistència a l'impacte. La força combinada del carbur de tungstè (WC) i la micropols de diamant és insuficient, el que fa que sigui propens a fallar sota l'estrès de la fragmentació de la roca;

② Els factors relacionats amb el procés de construcció indiquen que la pressió de construcció in situ és excessivament alta. La pressió que exerceix el tallador PDC sobre la broca supera significativament el límit de pressió del tallador, provocant l'esquinçament de la capa de diamant i el posterior col·lapse de la vora de tall.

③ Els factors relacionats amb formacions complexes indiquen que durant la construcció de formacions dures i fracturades, la càrrega d'impacte sobre les talladores PDC supera la seva duresa a l'impacte, cosa que pot provocar l'enfonsament de la vora de tall.

④ El disseny de l'angle de tall de la broca és inadequat, ja que no s'adhereix al principi que una formació més dura requereix un angle de tall més gran. En la construcció de formacions dures, un angle de tall més petit pot donar lloc a una força excessiva sobre el tallador PDC, provocant en última instància el col·lapse de la vora de tall.

⑤ Altres factors indiquen que la disposició dels cargols de suport i cables d'ancoratge a les carreteres subterrànies fa que sigui molt susceptible que la broca s'enfonsi en trobar-se amb aquests elements. Per evitar la fallada de la broca, és essencial no només complir estrictament els paràmetres del procés descrits al manual d'instruccions de perforació, sinó també dissenyar i seleccionar la broca en funció de les condicions de formació. Concretament, quan es perfora en formacions dures, s'aconsella augmentar l'angle de tall de la broca adequadament, reduir-ne l'agressivitat i millorar la protecció de la broca. A més, es recomana seleccionar talladors PDC amb una resistència a l'impacte més alta quan es perfora a través de formacions fracturades dures o es modifica la forma externa de la capa de diamant de la talladora per millorar la resistència a l'impacte; per exemple, les talladores PDC corbes generalment presenten una millor resistència a l'impacte que els tipus plans. A més, s'ha d'implementar una disposició raonable dels forats durant la construcció per evitar perforar cargols i cables d'ancoratge.

(4) Delaminació

La delaminació es refereix al despreniment de la capa de diamant de la matriu de carbur cimentat en làmines compostes PDC, tal com es mostra a la figura 3.

La causa principal de la delaminació a la capa de diamant de les talladores PDC és la tensió residual substancial present entre la capa de diamant i la matriu de carbur cimentat, juntament amb una diferència significativa en els seus coeficients d'expansió tèrmica. Durant el tall de roca, la capa de diamant i la matriu de carbur cimentat experimenten una contracció asíncrona a causa de les tensions tèrmiques generades per la calor de fricció i el refredament dels líquids de rentat. La càrrega d'impacte resultant i l'estrès residual condueixen a la peladura de la capa de diamant de la matriu de carbur, donant lloc finalment a una fallada de la broca. Per mitigar la delaminació, és essencial seleccionar materials d'unió adequats i tecnologies de processament que abordin l'estrès residual entre aquests dos components durant la fabricació. A més, dissenyar una nova forma d'interfície per a la matriu pot millorar les propietats d'unió entre la capa de diamant i la matriu de carbur cimentat.

1.2 La fallada del cos de la perforació es caracteritza principalment per fractures de la fulla al cos de la perforació, tal com es mostra a la figura 4.

 

La fractura de la fulla del cos de la broca es produeix principalment a la broca del cos i la broca del cos d'acer rarament es produeix. Els motius de la fractura de la fulla del cos de la broca són els següents: ① Colpejar la fulla del cos de la broca quan es desenrosca el cos de la broca perquè la corona del cos de la broca està sinteritzada mitjançant un procés de metal·lúrgia en pols alhora. en comparació amb la broca de cos d'acer normal. la broca del cos de la broca té una major resistència al desgast. però la duresa del material del cos es redueix en conseqüència i és fàcil trencar la fulla del cos de la broca quan es desenrosca el cos de la broca; ② El control del procés de sinterització de bits no és estricte. i el cos de la broca sinteritzada és arrastre i la pols metàl·lica no aconsegueix formar un aliatge. Per evitar que la fulla es trenqui. l'usuari va fer servir millor les eines com ara les alicates dentals per ajudar el grilló quan es desenrosca el trepant. per evitar colpejar la fulla; En segon lloc. els fabricants haurien de controlar estrictament la qualitat del cos sinteritzat. no només per controlar estrictament el procés de sinterització. però també per controlar la pols metàl·lica de tant en tant per assegurar-se que la pols compleix els requisits del procés.

2. Disseny optimitzat i selecció raonable del bit PDC de mineria

2.1 Disseny d'optimització de la broca

(1) Per a la forma de fallada de la broca, cal optimitzar la seva estructura a partir del disseny del trepant. Els principals paràmetres de disseny del bit PDC inclouen l'angle de tall α. lateral Angle β. Angle d'azimut γ. etc. γ fa referència a l'angle entre la línia de referència d'orientació de les dents del PDC i la línia central de la broca. α es refereix a l'angle entre la línia de referència d'orientació de la dent PDC i el pla de treball del tallador. tal com es mostra a la figura 5. β fa referència a l'angle entre el pla que passa pel punt central i la línia central de la broca i el pla de treball de la talladora. com es mostra a la figura 6. La investigació preliminar i l'anàlisi exhaustiva de l'aplicació mostren que l'angle de tall i l'angle lateral dels talladors PDC poden afectar directament la vida útil i l'eficiència de perforació de la broca. i cal optimitzar el disseny de la broca segons diferents formacions de perforació. El disseny de l'angle de tall afectarà molt l'eficiència de la perforació. o fins i tot cap metratge; Si l'angle de tall és massa petit. l'avantguarda PDC és propensa a trencar-se i altres fenòmens. Per tant. el disseny del trepant s'ha de tenir en compte de manera exhaustiva a l'hora de seleccionar l'esquema de paràmetres escollint un angle de tall moderat i un angle lateral en lloc d'un disseny aleatori.

(2) A més d'optimitzar l'angle de tall de la broca, és essencial també optimitzar les talladores PDC. La qualitat de les talladores PDC influeix significativament en la mineria de bits PDC, ja que determina directament el seu rendiment de tall i la seva vida útil. Un factor crític per millorar la qualitat del PDC és l'eliminació de l'estrès residual a la interfície d'unió entre la capa de diamant i la matriu de carbur cimentat. La investigació indica que la tensió màxima en les talladores PDC amb una estructura d'interfície plana es concentra a prop dels dos costats d'aquesta interfície, amb les tensions màximes de tracció i cisalla que es produeixen a la vora de la capa de diamant. La presència d'esforç de tracció pot provocar fractures anormals en el PDC, mentre que l'esforç de cisalla serveix com a causa principal de la delaminació en les talladores PDC.

(3) A més d'eliminar l'estrès residual en les talladores PDC, els tractaments secundaris poden millorar encara més la seva qualitat. Actualment, els mètodes principals de tractament de superfícies inclouen el rectificat de superfícies de diamant, el xamfranat de vora i el mecanitzat amb forma. La selecció de talladors PDC es pot optimitzar en funció de les condicions de treball reals.

2.2 Selecció raonable de broques

Actualment, les broques PDC que s'utilitzen en les operacions de perforació de fons a la majoria de les àrees mineres presenten predominantment un disseny còncava de tres ales. No obstant això, la selecció d'aquests bits sovint és limitada i manca de classificació, donant lloc a un enfocament universal que no s'adreça adequadament als requisits específics dels diferents estrats. Això és particularment problemàtic en condicions de formació complexes, on les broques còncaves convencionals lluiten per oferir un rendiment satisfactori, la qual cosa condueix a una vida útil més curta i una eficiència de perforació reduïda. Aquestes ineficiències no només augmenten els costos de producció, sinó que també poden alterar els horaris de construcció i incórrer en pèrdues econòmiques importants. Per tant, és essencial seleccionar les broques adequades adaptades a les diferents condicions de formació.

Els bits PDC de mineria es poden classificar en dos tipus principals segons el material del cos de la broca: tipus d'acer i tipus de pneumàtic. Els cossos de broca tipus acer es processen principalment mitjançant mètodes mecànics, proporcionant una bona tenacitat que els fa adequats per a les operacions de perforació de formació convencional. En canvi, els cossos de broca tipus pneumàtic es sintereixen mitjançant processos de metal·lúrgia de pols, oferint una alta resistència al desgast ideal per a la perforació de roca dura o tasques de perforació prolongades. A més, les broques es poden classificar en diverses estructures, com ara còncava interna, cantonada d'arc, fons pla, rascador i altres, tal com s'il·lustra a la figura 7. ①El disseny de l'estructura còncava de la broca còncava millora els efectes de redreçament durant la construcció de formacions convencionals; ②La disposició de les dents disperses de la broca d'arc dóna com a resultat una densitat de dents més alta i una millora de l'eficiència de perforació quan es treballa amb estrats de duresa mitjana i superiors; ③La forma del llavi de la broca de fons pla és gairebé plana, cosa que afila les vores laterals per facilitar la inclinació; aquest disseny s'utilitza principalment per a aplicacions de perforació direccional; ④La broca de raspador presenta típicament una estructura cònica que proporciona una major agressivitat i s'utilitza principalment en construccions d'estrats tous o vessants de carbó.

S'han resumit i organitzat els bits PDC de mineria actuals, juntament amb els criteris de selecció dels bits PDC en diverses condicions de treball i formació, tal com es presenta a la taula 1 per a referència.

3. L'ús de la mineria PDC Bit Precaucions

A més de seleccionar acuradament les broques, és igualment crucial utilitzar aquestes eines correctament. Ateses les difícils condicions de construcció a les mines de carbó, els treballadors sovint lluiten per complir estrictament les directrius operatives del bit PDC, donant lloc a casos freqüents de fallada del bit a causa d'una manipulació inadequada. En un esforç per millorar l'eficiència de la perforació, algunes àrees mineres poden augmentar indiscriminadament el pes de la broca durant les operacions, donant lloc a una fallada prematura de la broca. L'ús correcte dels bits PDC pot optimitzar el seu rendiment i reduir els costos de producció. Cal prestar atenció a les consideracions següents quan s'utilitzen bits PDC:

(1) Presteu atenció a la relació de classificació entre la broca PDC i l'eina de trepant, assegurant-vos que el tub de trepant de gran diàmetre no coincideixi amb el tub de trepant de diàmetre massa petit i el tub de perforació de diàmetre petit no coincideixi amb la broca de gran diàmetre.

(2) L'enfocament òptim és utilitzar un trepant especialitzat o una broca envellida per a la construcció de nius, alhora que s'assegura que el procés de perforació evita la proximitat de cargols laterals del carril, cables d'ancoratge i obstruccions similars.

(3) Quan es realitzen operacions de perforació, és essencial regular la pressió d'alimentació per evitar accidents causats per una pressió excessiva dins del forat.

(4) Si us plau, utilitzeu la tècnica de perforació d'aigua neta, evitant la perforació en sec o la perforació d'aire a pressió. Abans de començar les operacions de perforació a pressió, assegureu-vos que l'aigua circuli correctament dins del forat per evitar possibles incidents de combustió a la seva base.

(5) Quan traieu la broca, assegureu-vos d'evitar subjectar o colpejar el tallador PDC. A més, aneu amb compte de no colpejar la fulla del cos de la broca.

4. Conclusió

La mineria verda segura i eficient del carbó ha estat constantment un tema central defensat per la indústria del carbó. L'ús eficaç de broques PDC per a les operacions de perforació subterrània a les mines de carbó té una importància important. Aquest article analitza els modes de fallada de la mineria de bits PDC, dilucidant les causes principals darrere de diverses formes de fallada. Proposa estratègies òptimes de disseny i selecció de bits en diferents condicions de treball i formacions geològiques, alhora que resumeix les precaucions per al seu ús, proporcionant així una referència per a una millor selecció i aplicació de bits PDC miners. La selecció racional i la utilització adequada dels bits PDC de mineria poden maximitzar la seva eficàcia, minimitzar el malbaratament de recursos i millorar la seguretat, l'eficiència i les pràctiques respectuoses amb el medi ambient en la mineria del carbó.