Pag-crack sa Kodigo sa Hard Rock Drilling: Ang Dula-Pagbag-o sa DTH Technology.
Sumala sa geological nga mga kondisyon sa dapit sa pagtukod, adunay upat ka mga nag-unang mga pamaagi sa pag-drill nga sagad gigamit sa mga drill rigs, ingon sa gipakita sa Figure 1.
a. Ang pneumatic o hydraulic-driven nga rotary head nga gihiusa sa mga kagamitan sa epekto nagpadala sa rotational ug epekto nga kusog pinaagi sa ibabaw sadrill pipe, paghatud ug kusog sa drill bit pinaagi sa shock waves sa drill pipe. Kini nga pamaagi limitado sa gagmay nga diametro ug mabaw nga giladmon ug kasagarang gigamit sa mga quarry, construction site, ug underground mining operations.
b.Mga martilyo sa Down-The-Hole (DTH). nahimutang sa ubos sa drill string. Ang compressed air mosulod sa DTH pinaagi sa drill string, nga nagduso sa usa ka piston sa usa ka reciprocating motion nga direktang makaapekto sa drill bit, pagbalhin sa impact energy ngadto sa bato. Kini nga sistema adunay gamay nga pagkawala sa kuryente ug labi nga angay alang sa lawom nga mga lungag, tul-id nga mga lungag, ug medium-gahi nga mga bato.
c.Reverse circulation (RC) drillingnaggamit sa DTH sa pagkolekta ug pagdala sa mga sampol sa bato gikan sa nawong sa drill bit. Ang uga ug dili kontaminado nga mga pagputol gipasa pinaagi sa sentro nga tubo sa DTH ngadto sa usa ka sample collection device, nga nangandam alang sa geological analysis.
d. Ang usa ka gearbox nga gimaneho sa hydraulic o electric nga mga motor nagporma og usa ka rotating power head, nga nag-aplay og igo nga feed force sa three-cone drill bit pinaagi sa usa ka feed system nga naglihok pataas ug paubos sa drill rig ug usa ka baga nga pader nga drill pipe. Kini nga pamaagi gigamit alang sa humok nga mga bato o kusgan nga gidugtong nga gahi nga mga bato.
- Mga Prinsipyo ug Kinaiya sa DTH
Ang mga pormasyon nga gibansay sa DTH halos hingpit nga makahimo sa paglakip sa tanan nga mga igneous nga bato, metamorphic nga mga bato, ug sedimentary nga mga bato nga medium-gahi o mas gahi. Ang DTH labi ka mapuslanon alang sa pag-drill sa gahi nga bato ug gahi nga strata tungod kay ang gahi nga bato lagmit nga brittle. Ubos sa mga pagkarga sa epekto, ang mga bali dili lamang mahitabo sa direkta nga lugar sa epekto apan naghimo usab usa ka nabuak nga sona, nga nagresulta sa labi ka dagkong mga tipik sa bato. Sa ingon, ang katulin sa pag-drill labi ka paspas kung itandi sa puro nga rotary drilling. Ang mekanikal nga modelo sa Figure 2 naghulagway sa lain-laing mga load nga naglihok sa bato atol sa impact rotary drilling.
Dugang pa, ang DTH (Down-the-Hole) drilling epektibo kaayo sa mga pormasyon nga prone sa borehole deviation, sama sa strata nga adunay maayong pagkaugmad nga bedding ug foliation, o rock layers nga dili patas ang katig-a ug daghang mga bali. Makapamenos kini pag-ayo sa borehole deviation ug makabuntog usab sa mga kalisdanan sa pag-drill pinaagi sa graba nga mga lut-od ug mga bato sa bato.
Ang DTH drilling naugmad sa ulahing bahin sa ika-19 nga siglo ug adunay kasaysayan nga kapin sa usa ka siglo. Bisan tuod adunay daghang mga matang sa DTH drills, sila adunay komon nga bahin: ang mekanismo sa epekto ug ang drill bit naunlod sa borehole, nga adunay rotation inubanan sa epekto aron mabuak ang bato. Ang mga kagamitan nga gigamit sa pagmugna sa puwersa sa epekto mahimong ma-categorize pinaagi sa ilang pamaagi sa pagmaneho sa pneumatic, hydraulic, pressure sa lana, electric, ug mekanikal nga mga tipo.
Tungod kay ang epekto sa enerhiya makasinati ug dakong kapildihan sa panahon sa transmission ug mahimong hinungdan sa dakong kadaot sa naapektuhan nga mga sangkap, kasagaran gikinahanglan sa mas lawom nga drilling operations nga ang mga ekipo mosulod sa borehole gamit ang drill tool, aron ang output impact force makalihok direkta sa drill bit o core barrel. Gipamubu niini ang pagkawala sa enerhiya sa panahon sa transmission, gipauswag ang kahusayan sa enerhiya, ug gipakunhod ang posibilidad nga mapakyas ang mga kagamitan sa downhole.
Ang pneumatic DTH, nailhan usab nga air-driven DTH, moabut sa daghang mga tipo sa istruktura ug mga pamaagi sa pagklasipikar.
- Pinaagi sa rating sa presyur: high-pressure, medium-pressure, ug low-pressure nga mga tipo.
- Pinaagi sa kinatibuk-ang istruktura: dili pinaagi ug pinaagi sa mga tipo.
- Pinaagi sa prinsipyo sa operasyon sa balbula: control valve type, libre nga valve type, ug hybrid valve type.
- Pinaagi sa istruktura sa piston: parehas nga diametro nga piston, dili patas nga diametro nga piston, ug tandem nga mga tipo sa piston.
- Pinaagi sa matang sa pag-apod-apod sa hangin: balbula nga DTH ug walay balbula nga DTH. Ang balbula nga DTH mahimong bahinon sa plate valve, disc valve, ug cylindrical valve type, samtang ang valveless DTH mahimong bahinon sa center rod exhaust type, piston air distribution type, ug combined air distribution pinaagi sa piston, cylinder, ug center rod.
- Pinaagi sa paghugas sa lungag ug pamaagi sa pagtangtang sa slag: paghugas sa tunga nga lungag, paghugas sa lungag sa atubangan, ug paghugas sa lungag sa kilid.
2. Determinasyon sa Epekto nga Mekanismo nga Structural Schemes
2.1 Piston Self-Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Kini nga matang sa mekanismo sa epekto sa panguna naggamit sa mga agianan sa gas sa piston mismo alang sa suplay sa gas, nga nagresulta sa usa ka komplikado nga istruktura sa piston nga adunay daghang mga channel sa gas, nga nagpamenos sa kusog sa piston ug gidugayon sa kinabuhi. Bisan pa, kini nga mekanismo sa epekto naghiusa sa sulod ug gawas nga mga silindro, nagdugang sa epektibo nga lugar sa pagtrabaho sa piston ug gipauswag ang kusog sa epekto sa mekanismo.
2.2 Piston ug Cylinder Combined Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Ang kini nga tipo adunay usa ka yano nga istruktura nga dali paghimo, adunay mas taas nga kinabuhi sa piston, ug ang mga lungag sa gas nahimutang sa silindro ug sa piston. Kini nga istruktura kaylap nga gigamit sa gawas sa nasud.
2.3 Center Pipe Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Niini nga mekanismo, ang mga agianan sa pagsulod sa hangin alang sa taas ug ubos nga mga lawak gihan-ay sa circular pipe diin ang piston nag-slide. Nagkinahanglan kini og taas nga katukma sa paggama ug adunay medyo mubo nga kinabuhi alang sa sentro nga tubo.
2.4 Side Exhaust Impact Mechanism
Ang gitawag nga side exhaust nagpasabot nga ang exhaust gas nga agianan mogawas sa cylinder body kaysa moagi sa sentro sa drill bit ngadto sa ubos sa lungag. Kini nga matang sa mekanismo sa epekto kasagaran adunay daghang mga agianan sa pag-inom ug tambutso sa lawas sa silindro, nga mosangput sa dili maayo nga kalig-on sa istruktura, potensyal alang sa mga longhitudinal fatigue cracks, ug hinungdanon nga pagkawala sa presyur sa hangin, nga miresulta sa suboptimal nga pagtangtang sa mga labi ug makapabugnaw nga mga epekto sa drill bit.
2.5 Center Exhaust Impact Mechanism
Kini nga matang sa mekanismo sa epekto mopagawas sa mga debris ug gas direkta gikan sa sentro sa drill bit ngadto sa ubos sa lungag. Ang direkta nga pag-agos sa hangin dili lamang makapauswag sa kahusayan sa pagtangtang sa mga tinumpag apan nagpauswag usab sa kahusayan sa pag-drill ug pagpabugnaw, pagpalugway sa kinabuhi sa drill bit. Kini nga tipo sa istruktura nagpuli sa daghang mga longhitudinal grooves sa sulud nga silindro sa mga mekanismo sa epekto sa tambutso sa kilid nga adunay usa ka annular groove, labi nga pagkunhod sa konsentrasyon sa stress sa sulud nga silindro. Nahimo kini nga usa ka kaylap nga gisagop nga istruktura sa bag-ohay nga mga tuig.
2.6 Serye nga Piston Impact Mechanism
Ang serye nga mekanismo sa epekto sa piston, nailhan usab nga usa ka dual-piston (ulo) nga impactor, nagbahin sa silindro sa duha ka mga lawak gamit ang usa ka isolation ring. Kini nga disenyo nagtugot sa duha ka piston nga mga nawong sa pagtrabaho nga dungan sulod sa sama nga bore diameter, nga moresulta sa mas dako nga epekto sa gahum ug mas taas nga epekto frequency. Sa susama, adunay usa ka dual exhaust system nga epektibo nga nagtangtang sa pulbos sa bato gikan sa ilawom sa lungag. Bisan pa, ang panguna nga disbentaha niini mao ang komplikado nga istruktura ug ang panginahanglan alang sa taas nga katukma sa mga bahin sa machining; pananglitan, ang piston adunay hangtod sa lima ka mating surface nga adunay kaubang mga sangkap, nga naglimite sa paggamit ug promosyon niini. Busa, kini nga disenyo nagsagop sa ikaduha nga kapilian, nga mao ang non-valve nga mekanismo sa epekto nga adunay piston ug silindro nga hiniusa nga suplay sa gas. Ang istruktura niini gipakita sa Figure 3.
3. Theoretical Analysis ug Relevant Calculations para sa DTH
3.1 Pagpili sa Operating Parameter**
3.1.1 Hammer Length ug Timbang: Ang pasiuna nga disenyo nagtino sa gitas-on nga ubos sa 4500 mm ug gibug-aton nga ubos sa 2500 kg.
3.1.2 Diameter sa martilyo: Ang angay nga diametro sa martilyo gitino base sa diametro sa drilling, gibutang sa 540 mm.
3.1.3 Drilling Diameter: Kini nagtumong sa diametro sa pile hole, kasagaran tali sa 550 mm ug 600 mm.
3.1.4 Giladmon sa Pag-drill: Sumala sa mga kinahanglanon sa disenyo sa pile, kasagaran kini tali sa pipila ka dosena ka metros ug usa ka gatos ka metros.
3.1.5 Drill Speed: DTH drilling kasagaran naglihok sa ubos nga rotational speed, kasagaran sa taliwala sa 7 ug 25 r/s.
3.1.6 Rotational Torque: Ang pinakataas nga torque para niini nga disenyo kay gitakda sa 150 kN·m.
3.2 Pagkalkula sa mga Parameter sa Disenyo
Ang mga parametro sa disenyo alang sa DTH, ilabina ang mga parametro sa pasundayag sa mga ekipo nga epekto sa DTH, nagsilbing basehan sa disenyo sa makina ug gihubit ang pasundayag sa ginama nga kagamitan.
3.2.1 Disenyo nga Presyon P para sa Epekto nga Kagamitan
Sa China, ang presyur nga 0.49 MPa (gibana-bana nga 5 × 10 ^ 5 Pa) kaylap nga gipili isip sumbanan sa disenyo alang sa pneumatic impact equipment. Gihatag nga ang DTH alang niini nga disenyo usa ka non-valve impact device nga adunay dako nga diyametro sa drilling ug bug-at nga piston, ang mas taas nga presyur sa hangin makapausbaw sa performance. Dugang pa, ang mga high-pressure air compressor nagkadaghan, ug pinauyon sa internasyonal nga sumbanan nga ISO 5941-1979, gipili ang usa ka presyur sa disenyo nga 1.6 MPa.
3.2.2 Gahum sa Epekto
Alang sa DTH nga gigamit sa pag-drill sa dagkong mga lungag sa diyametro, ang enerhiya sa epekto sa disenyo mahimong mag-usab-usab pag-ayo. Ang epekto sa enerhiya alang niini nga disenyo gikalkulo sama sa mosunod:
3.2.3 Kasubsob sa Epekto
Sa kinatibuk-an, ubos sa makanunayon nga kusog sa epekto, ang frequency sa epekto kay proporsyonal sa output nga gahum sa impactor. Bisan pa, kung ang diametro sa silindro gitakda, ang pagdugang sa frequency sa epekto nanginahanglan usa ka pagkunhod sa piston stroke, nga sa baylo nagpamenos sa usa ka gahum sa epekto. Sa higayon nga ang usa ka gahum sa epekto mahulog ubos sa usa ka piho nga threshold, ang pagdugang sa frequency dili makahatag og maayo nga mga resulta sa pagbungkag sa bato. Sa ingon, ang pagpili sa frequency sa epekto gipugngan sa gahum sa epekto.
Alang sa pneumatic DTH nga naglihok sa usa ka presyur sa disenyo nga 0.5 MPa, ang frequency kinahanglan dili molapas sa 16.8 Hz. Tungod kay ang DTH naglihok sa mga presyur sa disenyo tali sa 0.5 ug 2.5 MPa, ang frequency sa epekto mahimong magkalainlain. Ang inisyal nga pagpili sa frequency sa impactor mahimong kalkulado sama sa mosunod:
f = 10.4 + 7.6P
(2) diin ang P mao ang presyur sa suplay sa sistema. Alang niini nga disenyo, P = 1.6 MPa, busa:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 Hz.
3.3 Disenyo sa Structural Parameter
Ang mga nag-unang structural parameters sa DTH naglakip sa cylinder bore diameter, piston stroke, ug piston dimensions. Ang pagdugang sa diametro sa silindro makapauswag sa gahum ug frequency sa epekto, mao nga ang diyametro kinahanglan nga mapadako sa sulod sa mga limitasyon sa gidak-on sa istruktura. Kasagaran, ang kalainan tali sa gawas nga diametro sa DTH ug sa bore diameter kinahanglan dili moubos sa 15 ngadto sa 20 mm, ug ang gawas nga casing sa DTH kinahanglan dili kaayo nipis. Busa, ang ratio sa DTH cylinder diametro sa drilling diametro mao ang kasagaran sa ibabaw sa 0.5.
3.3.1 Working Diameter sa Silindro ug Structural Stroke
Ang working diametro D sa silindro mahimong kalkulado sama sa mosunod:
D = K × D(bore) = (0.57 - 0.68) × D(bore) (3)
Alang niini nga disenyo, D(bore) = 600 mm, mao nga D gikuha ingon nga 360 mm. Ang structural stroke S empirically gikuha ingon S = 500 mm.
3.3.2 Piston Mass
Ang radial nga mga sukat sa piston gipugngan sa gidak-on ug istruktura sa silindro, nga nagtugot sa parehas o lainlain nga diameter nga mga piston. Ang linear nga mga dimensyon nagdepende sa gibug-aton sa piston, nga may kalabutan usab sa katulin niini sa dihang gibunalan ang drill bit. Busa, ang pagtino sa mga sukod sa istruktura sa piston usa ka komplikadong aspeto sa disenyo sa DTH. Ang masa sa DTH piston mahimong mabanabana sama sa mosunod:
m = 0.0205D^2.84 (4)
diin ang m mao ang piston mass sa kg; D mao ang working diametro sa silindro sa cm.
Pag-ilis sa D = 36 nga abot: m = 540 kg.
Ang DTH nag-una nga naglangkob sa usa ka torque transmission structure ug usa ka pneumatic impact mechanism. Ang torque transmission structure nagkonektar sa drill rod ug DTH, nagpadala sa rotational cutting ug pulling forces; ang mekanismo sa epekto sa pneumatic nagpatunghag epekto, nga naghatag gahum sa axial sa impact drill bit. Ang piho nga mga detalye sa istruktura gipakita sa Figure 3.
Ang torque transmission structure nagkonektar sa drill rod ug sa impactor. Ang ibabaw nga hiniusa nagkonektar sa drill rod ug ang impactor pinaagi sa mga hilo sa tubo, panguna aron masiguro ang pagkahugot sa gas samtang nagpadala usab sa torque ug puwersa sa pagbira. Ang check valve nagpugong sa lapok ug tubig sa pagsulod sa impactor ug drill rod, nga kontrolado sa usa ka tubod. Ang air intake lingkoranan nga adunay gas supply rod naglihok sa pagpaila sa compressed air ngadto sa cylinder, pagpadali sa gas supply action uban sa cylinder ug piston, sa ingon makab-ot ang hiniusang suplay sa gas. Ang singsing sa kaluwasan sa tingpamulak nagpugong sa piston gikan sa pag-slide gikan sa silindro kung ilisan ang drill bit.
3.4 Katapusan nga Element Analysis sa DTH Drill Bit
Ang DTH drill bit gipailalom sa mga pwersa sa epekto gikan sa piston ug torque gikan sa drive head. Ang puwersa nga gihimo sa piston sa compressed air gihatag sa:
F = P × S (5)
diin ang P mao ang pressure sa sistema sa Pa; Ang S mao ang force area sa piston sa m².
Busa, F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N.
Busa, ang puwersa sa epekto sa drill bit mao ang:
F' = kF (6)
diin ang k mao ang impact coefficient; Ang F mao ang pwersa nga gigamit sa drill bit sa compressed air sa N. Busa, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Ang torque nga gigamit sa DTH drill bit sa drive head mao ang N = 150 kN. Ang pagpadapat sa F' = 2688 kN ug N = 150 kN sa drill bit samtang giayo ang ubos nga tumoy nga nawong sa drill bit, ug gamit ang QT500-7 nga materyal nga adunay kusog nga ani nga 320 MPa, ang pag-analisar sa finite element gihimo. Ang espesipikong loading ug constraint nga mga kondisyon ug mesh division gipakita sa Figures 4 ug 5.
Ang mga resulta sa finite element analysis gipakita sa Figure 6, nga nagpakita nga ang pinakataas nga stress mao ang 144.355 MPa, nga mas ubos kay sa yield strength sa QT500-7 (320 MPa), sa ingon nagtagbo sa mga kinahanglanon.