Desenvolupar el codi de perforació de roca dura: la tecnologia DTH que canvia el joc.
Segons les condicions geològiques de la zona de construcció, hi ha quatre mètodes principals de perforació que utilitzen habitualment les plataformes de perforació, tal com es mostra a la figura 1.
a. Els capçals rotatius d'accionament pneumàtic o hidràulic combinats amb equips d'impacte transmeten energia de rotació i impacte a través de la part superior deltub de perforació, lliurant energia a la broca mitjançant ones de xoc al tub de perforació. Aquest mètode es limita a petits diàmetres i poca profunditat i s'utilitza generalment en pedreres, llocs de construcció i explotacions mineres subterrànies.
b.Martells de fons (DTH). es troben a la part inferior de la sarda de perforació. L'aire comprimit entra al DTH a través de la cadena de perforació, impulsant un pistó en un moviment alternatiu que impacta directament la broca, transferint l'energia d'impacte a la roca. Aquest sistema té una pèrdua de potència mínima i és especialment adequat per a forats profunds, forats rectes i roques de duresa mitjana.
c.Perforació de circulació inversa (RC).utilitza DTH per recollir i transportar mostres de roca de la cara de la broca. Els talls secs i no contaminats es transporten a través del tub central del DTH a un dispositiu de recollida de mostres, preparant-se per a l'anàlisi geològica.
d. Una caixa d'engranatges accionada per motors hidràulics o elèctrics forma un capçal de potència giratori, aplicant força d'alimentació suficient a la broca de tres cons mitjançant un sistema d'alimentació que es mou cap amunt i cap avall a la plataforma de perforació i una canonada de paret gruixuda. Aquest mètode s'utilitza per a roques més toves o roques dures fortament articulades.
- Principis i característiques del DTH
Les formacions perforades amb DTH són gairebé totalment capaços d'incloure totes les roques ígnies, roques metamòrfiques i roques sedimentàries que són de duresa mitjana o més dures. La DTH és especialment avantatjosa per perforar roques dures i estrats durs perquè la roca dura tendeix a ser fràgil. Sota les càrregues d'impacte, les fractures no només es produeixen al lloc de l'impacte directe, sinó que també creen una zona trencada, donant lloc a fragments de roca més grans. Així, la velocitat de perforació és significativament més ràpida en comparació amb la perforació rotativa pura. El model mecànic de la figura 2 il·lustra les diferents càrregues que actuen sobre la roca durant la perforació rotativa d'impacte.
A més, la perforació DTH (Down-the-Hole) és molt eficaç en formacions propenses a la desviació del forat, com ara estrats amb llit i foliació ben desenvolupats, o capes de roca amb duresa desigual i moltes fractures. Pot reduir significativament la desviació del forat i també superar les dificultats de perforació a través de capes de grava i llits de blocs.
La perforació DTH es va desenvolupar a finals del segle XIX i té una història de més d'un segle. Tot i que hi ha molts tipus de trepants DTH, comparteixen una característica comuna: tant el mecanisme d'impacte com la broca estan submergits al forat, amb la rotació combinada amb l'impacte per trencar la roca. Els equips utilitzats per generar la força d'impacte es poden classificar segons el seu mètode de conducció en tipus pneumàtic, hidràulic, pressió d'oli, elèctric i mecànic.
Atès que l'energia d'impacte experimenta pèrdues importants durant la transmissió i pot causar danys substancials als components impactats, generalment es requereix en operacions de perforació més profundes que l'equip entri al forat amb l'eina de perforació, de manera que la força d'impacte de sortida pugui actuar directament sobre la broca o el barril del nucli. Això minimitza la pèrdua d'energia durant la transmissió, millora l'eficiència energètica i redueix la probabilitat de fallades de l'equip de fons.
El DTH pneumàtic, també conegut com a DTH impulsat per aire, es presenta en molts tipus estructurals i mètodes de classificació.
- Per nivell de pressió: tipus d'alta pressió, pressió mitjana i baixa pressió.
- Per estructura global: tipus no pas i pas.
- Per principi de funcionament de la vàlvula: tipus de vàlvula de control, tipus de vàlvula lliure i tipus de vàlvula híbrida.
- Per estructura del pistó: pistó de diàmetre igual, pistó de diàmetre desigual i tipus de pistó en tàndem.
- Per tipus de distribució d'aire: DTH amb vàlvules i DTH sense vàlvules. El DTH amb vàlvules es pot subdividir en tipus de vàlvula de placa, vàlvula de disc i vàlvula cilíndrica, mentre que el DTH sense vàlvula es pot dividir en tipus d'escapament de vareta central, tipus de distribució d'aire del pistó i distribució d'aire combinada per pistó, cilindre i vareta central.
- Mitjançant el rentat de forats i el mètode de descàrrega d'escòries: rentat del forat central, rentat del forat frontal i rentat del forat lateral.
2. Determinació d'esquemes estructurals del mecanisme d'impacte
2.1 Mecanisme d'impacte sense vàlvula de subministrament d'autogas del pistó
Aquest tipus de mecanisme d'impacte utilitza principalment els passos de gas en el propi pistó per al subministrament de gas, donant lloc a una estructura de pistó complexa amb nombrosos canals de gas, que redueix la força i la vida útil del pistó. Tanmateix, aquest mecanisme d'impacte integra els cilindres interior i exterior, augmentant l'àrea de treball efectiva del pistó i millorant l'energia d'impacte del mecanisme.
2.2 Mecanisme d'impacte sense vàlvula de subministrament de gas combinat de pistó i cilindre
Aquest tipus presenta una estructura senzilla que és fàcil de fabricar, té una vida útil més llarga del pistó i els forats de gas es troben tant al cilindre com al pistó. Aquesta estructura s'utilitza àmpliament a l'estranger.
2.3 Mecanisme d'impacte sense vàlvula de subministrament de gas de la canonada central
En aquest mecanisme, els passos d'entrada d'aire per a les cambres superior i inferior es disposen sobre el tub circular per on llisca el pistó. Requereix una alta precisió de fabricació i té una vida útil relativament curta per a la canonada central.
2.4 Mecanisme d'impacte d'escapament lateral
L'anomenat escapament lateral significa que el camí dels gasos d'escapament surt del cos del cilindre en lloc de passar pel centre de la broca fins a la part inferior del forat. Aquest tipus de mecanisme d'impacte normalment té moltes vies d'admissió i d'escapament al cos del cilindre, cosa que condueix a una resistència estructural deficient, potencial d'esquerdes per fatiga longitudinal i una pèrdua important de pressió de l'aire, donant lloc a l'eliminació de residus i efectes de refrigeració subòptims per a la broca.
2.5 Mecanisme d'impacte central d'escapament
Aquest tipus de mecanisme d'impacte expulsa residus i gas directament des del centre de la broca fins a la part inferior del forat. El flux d'aire directe no només millora l'eficiència d'eliminació de residus, sinó que també millora l'eficiència i la refrigeració de la perforació, allargant la vida útil de la broca. Aquest tipus estructural substitueix les nombroses ranures longitudinals del cilindre interior dels mecanismes d'impacte d'escapament lateral per una ranura anular, reduint molt la concentració d'estrès al cilindre interior. S'ha convertit en una estructura àmpliament adoptada en els últims anys.
Mecanisme d'impacte del pistó de la sèrie 2.6
El mecanisme d'impacte del pistó en sèrie, també conegut com a impactador de doble pistó (cap), divideix el cilindre en dues cambres mitjançant un anell d'aïllament. Aquest disseny permet que ambdues cares dels pistons funcionin simultàniament dins del mateix diàmetre del forat, donant lloc a una major potència d'impacte i una freqüència d'impacte més alta. En conseqüència, hi ha un sistema d'escapament dual que elimina eficaçment la pols de roca de la part inferior del forat. Tanmateix, el seu principal inconvenient és la seva complexa estructura i la necessitat d'una alta precisió en el mecanitzat de peces; per exemple, el pistó té fins a cinc superfícies d'acoblament amb components associats, la qual cosa limita la seva aplicació i promoció. Per tant, aquest disseny adopta la segona opció, que és el mecanisme d'impacte sense vàlvules amb subministrament de gas combinat de pistó i cilindre. La seva estructura es mostra a la figura 3.
3.Anàlisi teòrica i càlculs rellevants per a DTH
3.1 Selecció de paràmetres de funcionament**
3.1.1 Longitud i pes del martell: el disseny preliminar especifica una longitud inferior a 4500 mm i un pes inferior a 2500 kg.
3.1.2 Diàmetre del martell: el diàmetre del martell adequat es determina en funció del diàmetre de perforació, establert en 540 mm.
3.1.3 Diàmetre de perforació: es refereix al diàmetre del forat de la pila, generalment entre 550 mm i 600 mm.
3.1.4 Profunditat de perforació: d'acord amb els requisits de disseny de la pila, normalment és d'entre unes desenes de metres i un centenar de metres.
3.1.5 Velocitat de perforació: la perforació DTH funciona generalment a velocitats de rotació baixes, normalment entre 7 i 25 r/s.
3.1.6 Parell de rotació: el parell màxim d'aquest disseny s'estableix en 150 kN·m.
3.2 Càlcul de paràmetres de disseny
Els paràmetres de disseny de DTH, específicament els paràmetres de rendiment de l'equip d'impacte DTH, serveixen de base per al disseny de la màquina i defineixen el rendiment de l'equip fabricat.
3.2.1 Pressió de disseny P per a equips d'impacte
A la Xina, una pressió de 0,49 MPa (aproximadament 5 × 10 ^ 5 Pa) és àmpliament escollida com a estàndard de disseny per a equips d'impacte pneumàtic. Atès que el DTH d'aquest disseny és un dispositiu d'impacte sense vàlvules amb un gran diàmetre de perforació i un pistó pesat, una pressió d'aire més alta millorarà encara més el rendiment. A més, els compressors d'aire d'alta pressió són cada cop més habituals i, d'acord amb la norma internacional ISO 5941-1979, es selecciona una pressió de disseny d'1,6 MPa.
3.2.2 Potència d'impacte
Per al DTH utilitzat per perforar forats de gran diàmetre, l'energia d'impacte del disseny pot fluctuar significativament. L'energia d'impacte per a aquest disseny es calcula de la següent manera:
3.2.3 Freqüència d'impacte
En general, amb energia d'impacte constant, la freqüència d'impacte és proporcional a la potència de sortida de l'impactador. Tanmateix, quan el diàmetre del cilindre és fix, augmentar la freqüència d'impacte requereix una reducció de la carrera del pistó, que al seu torn disminueix la potència d'impacte individual. Una vegada que la potència d'impacte individual cau per sota d'un determinat llindar, augmentar la freqüència no donarà resultats satisfactoris per trencar roques. Per tant, la selecció de la freqüència d'impacte està limitada per la potència d'impacte.
Per al DTH pneumàtic que funciona a una pressió de disseny de 0,5 MPa, la freqüència no ha de superar els 16,8 Hz. Com que el DTH funciona a pressions de disseny entre 0,5 i 2,5 MPa, la freqüència d'impacte pot variar significativament. La selecció inicial de la freqüència de l'impactador es pot calcular de la següent manera:
f = 10,4 + 7,6P
(2) on P és la pressió d'alimentació del sistema. Per a aquest disseny, P = 1,6 MPa, per tant:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Disseny de paràmetres estructurals
Els principals paràmetres estructurals de DTH inclouen el diàmetre del forat del cilindre, la carrera del pistó i les dimensions del pistó. Augmentar el diàmetre del cilindre pot millorar tant la potència com la freqüència d'impacte, de manera que el diàmetre s'ha de maximitzar dins dels límits de la mida estructural. Normalment, la diferència entre el diàmetre exterior del DTH i el diàmetre del forat no hauria de ser inferior a 15 a 20 mm, i la carcassa exterior del DTH no hauria de ser massa prima. Per tant, la relació entre el diàmetre del cilindre DTH i el diàmetre de perforació és generalment superior a 0,5.
3.3.1 Diàmetre de treball del cilindre i cursa estructural
El diàmetre de treball D del cilindre es pot calcular de la següent manera:
D = K × D (forat) = (0,57 - 0,68) × D (forat) (3)
Per a aquest disseny, D (diàmetre) = 600 mm, de manera que D es pren com a 360 mm. La carrera estructural S es pren empíricament com S = 500 mm.
3.3.2 Massa del pistó
Les dimensions radials del pistó estan limitades per la mida i l'estructura del cilindre, permetent pistons de diàmetre igual o diferent. Les dimensions lineals depenen del pes del pistó, que també es relaciona amb la velocitat que té en colpejar la broca. Per tant, determinar les dimensions estructurals del pistó és un aspecte complex del disseny DTH. La massa del pistó DTH es pot estimar de la següent manera:
m = 0,0205D^2,84 (4)
on m és la massa del pistó en kg; D és el diàmetre de treball del cilindre en cm.
Substituint D = 36 s'obté: m = 540 kg.
El DTH consisteix principalment en una estructura de transmissió de parell i un mecanisme d'impacte pneumàtic. L'estructura de transmissió de parell connecta la vareta de perforació i el DTH, transmetent forces de tall i estirament de rotació; el mecanisme d'impacte pneumàtic genera impacte, proporcionant potència axial a la broca d'impacte. Els detalls específics de l'estructura es mostren a la figura 3.
L'estructura de transmissió del parell connecta la vareta de perforació i l'impactador. L'articulació superior es connecta amb la vareta de perforació i l'impactador a través de fils de canonada, principalment per garantir l'estanquitat als gasos alhora que transmet el parell i la força de tracció. La vàlvula de retenció impedeix que el fang i l'aigua entrin a l'impactador i la vareta de perforació, controlada per una molla. El seient d'entrada d'aire amb la barra de subministrament de gas funciona per introduir aire comprimit al cilindre, facilitant l'acció de subministrament de gas juntament amb el cilindre i el pistó, aconseguint així un subministrament de gas combinat. L'anell de seguretat de molla evita que el pistó llisqui fora del cilindre quan es substitueix la broca.
3.4 Anàlisi d'elements finits de la broca DTH
La broca DTH està sotmesa a forces d'impacte del pistó i parell del capçal d'accionament. La força que exerceix l'aire comprimit sobre el pistó ve donada per:
F = P × S (5)
on P és la pressió del sistema en Pa; S és l'àrea de força del pistó en m².
Així, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Per tant, la força d'impacte sobre la broca és:
F' = kF (6)
on k és el coeficient d'impacte; F és la força exercida sobre la broca per l'aire comprimit en N. Així, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
El parell aplicat a la broca DTH pel capçal d'accionament és N = 150 kN. Aplicant F' = 2688 kN i N = 150 kN a la broca mentre es fixa la cara de l'extrem inferior de la broca i utilitzant material QT500-7 amb un límit elàstic de 320 MPa, es realitza l'anàlisi d'elements finits. Les condicions específiques de càrrega i restricció i la divisió de malla es mostren a les figures 4 i 5.
Els resultats de l'anàlisi d'elements finits es mostren a la figura 6, que indica que la tensió màxima és de 144,355 MPa, que és inferior a la resistència elàstica de QT500-7 (320 MPa), complint així els requisits.