Cracking the Code of Hard Rock Drilling: The Game-Changing DTH Technology.
Sicondu i cundizioni geologichi di l'area di custruzzione, ci sò quattru metudi principali di perforazione cumunimenti utilizati da i drill rigs, cum'è mostra in Figura 1.
a. Teste rotative pneumatiche o idrauliche cumminate cù l'equipaggiu d'impattu trasmettenu energia rotazionale è d'impattu attraversu a cima di upipa di perforazione, chì furnisce energia à a punta di perforazione per via di onde d'urtu in u tubu di perforazione. Stu metudu hè limitatu à diametri chjuchi è prufundità pocu è hè generalmente utilizatu in cantera, siti di custruzzione è operazioni minera subterranea.
b.Martelli Down-The-Hole (DTH). sò situati à u fondu di a corda di perforazione. L'aria compressa entra in u DTH attraversu a stringa di perforazione, guidà un pistone in un muvimentu reciprocante chì impacta direttamente a punta di perforazione, trasferendu energia d'impattu à a roccia. Stu sistema hà una perdita di putenza minima è hè particularmente adattatu per i buchi prufondi, i buchi dritti è e rocce mediu-duru.
c.Perforazione a circulazione inversa (RC).usa DTH per cullà è traspurtate campioni di roccia da a faccia di u drill bit. I cuttings secchi è micca cuntaminati sò trasmessi à traversu u tubu centru di u DTH in un dispositivu di cullizzioni di mostra, preparatu per l'analisi geologica.
d. Una scatula di trasmissione guidata da motori idraulichi o elettrici forma una testa di putenza rotativa, applicà una forza di alimentazione sufficiente à a punta di tricone à traversu un sistema di alimentazione chì si move in su è in giù nantu à a piattaforma di perforazione è un tubu di perforazione di pareti spessi. Stu metudu hè utilizatu per rocci più duru o rocci duri forti articulati.
- Principi è caratteristiche di DTH
E furmazioni perforate cù DTH sò quasi interamente capaci di cumprendi tutte e rocce ignee, rocce metamorfiche è rocce sedimentarii chì sò mediu-duru o più duru. DTH hè particularmente vantaghju per a perforazione di roccia dura è strati duru perchè a roccia dura tende à esse fragile. Sottu carichi d'impattu, e fratture ùn sò micca solu in u situ di l'impattu direttu, ma ancu creanu una zona rotta, chì risultanu in frammenti di roccia più grande. Cusì, a vitezza di perforazione hè significativamente più veloce paragunata à a perforazione rotativa pura. U mudellu meccanicu in a Figura 2 illustra e diverse carichi chì agiscenu nantu à a roccia durante a perforazione rotativa d'impattu.
Inoltre, a perforazione DTH (Down-the-Hole) hè assai efficace in formazioni propensi à a deviazione di u foru, cum'è strati cù letti è foliation ben sviluppati, o strati di roccia cù durezza irregolare è assai fratture. Puderà riduce significativamente a deviazione di u foru è ancu superà e difficultà di perforazione attraversu strati di ghiaia è letti di roccia.
A perforazione DTH hè stata sviluppata à a fine di u 19u seculu è hà una storia di più di un seculu. Ancu s'ellu ci sò parechji tippi di perforatori DTH, sparte una caratteristica cumuna: u mecanismu d'impattu è u drill bit sò immersi in u foru, cù a rotazione cumminata cù l'impattu per rompe a roccia. L'equipaggiu utilizatu per generà a forza d'impattu pò esse categurizatu da u so metudu di guida in tippi pneumatici, idraulici, di pressione d'oliu, elettrici è meccanichi.
Siccomu l'energia di l'impattu sperimenta una perdita significativa durante a trasmissione è pò causà danni sustanziali à i cumpunenti impattati, hè generalmente necessariu in operazioni di perforazione più profonda chì l'equipaggiu entra in u foru cù l'utillita di perforazione, in modu chì a forza d'impattu di l'output pò agisce direttamente nantu à u drill bit o core barrel. Questu minimizza a perdita di energia durante a trasmissione, migliurà l'efficienza energetica è riduce a probabilità di fallimenti di l'equipaggiu di u funnu.
Pneumatic DTH, cunnisciutu ancu DTH air-driven, vene in parechji tippi strutturali è metudi di classificazione.
- Per valutazione di pressione: tipi di pressione alta, media pressione è bassa pressione.
- Per struttura generale: non-attraversu è attraversu tipi.
- Per principiu di funziunamentu di a valvula: tippu di valvola di cuntrollu, tippu di valvola libera, è tippu di valvola hibrida.
- Per struttura di pistone: pistoni di uguali di diametru, pistoni di diametru ineguali è tipi di pistoni tandem.
- Per tipu di distribuzione di l'aria: DTH valved è valveless DTH. A valvola DTH pò esse suddivisa in tippi di valvola di piastra, valvola di discu è valvola cilindrica, mentre chì DTH senza valvola pò esse divisa in tippu di scarico di barra centrale, tippu di distribuzione d'aria di pistone, è distribuzione di l'aria cumminata per pistone, cilindru è barra di centru.
- Per u metudu di lavatu di i buchi è di scaricamentu di scorie: lavatu di u centru, lavatu frontale è lavatu laterale.
2. Determinazione di Schemi Strutturali di Meccanismu d'Impattu
2.1 Pistone Self-Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Stu tipu di mecanismu d'impattu usa principarmenti i passaggi di gas in u pistone stessu per l'approvvigionamentu di gas, risultatu in una struttura di pistone cumplessa cù numerosi canali di gas, chì riduce a forza di u pistone è a vita. Tuttavia, stu mecanismu d'impattu integra i cilindri interni è esterni, aumentendu l'area di travagliu efficace di u pistone è aumentendu l'energia d'impattu di u mecanismu.
2.2 Pistone è Cilindru Cumminatu Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Stu tipu presenta una struttura simplice chì hè faciule da fabricà, hà una vita di pistone più longa, è i buchi di gas sò situati in u cilindru è u pistone. Sta struttura hè largamente usata à l'esteru.
2.3 Center Pipe Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
In questu mecanismu, i passaggi d'ingaghjamentu di l'aria per e camere superiori è inferiori sò disposti nantu à u tubu circulare induve u pistone slides. Esige una alta precisione di fabricazione è hà una vita relativamente corta per u tubu centru.
2.4 Side Exhaust Impact Mechanism
U cosiddettu di scarico laterale significa chì u percorsu di u gasu di u gasu esce da u corpu di u cilindru invece di passà per u centru di u drill bit à u fondu di u pirtusu. Stu tipu di mecanismu d'impattu tipicamente hà assai camini di ingressu è di scarico nantu à u corpu di u cilindru, chì portanu à una forza strutturale povera, potenziale per crack di fatigue longitudinale, è una perdita significativa di pressione di l'aria, risultatu in una rimozione di detriti subottimali è effetti di rinfrescante per u drill bit.
2.5 Center Exhaust Impact Mechanism
Stu tipu di mecanismu d'impattu espelle i detriti è u gasu direttamente da u centru di u drill bit à u fondu di u burato. U flussu d'aria diretta ùn solu aumenta l'efficienza di rimozione di detriti, ma ancu migliurà l'efficienza di perforazione è u rinfrescante, allargendu a vita di a punta di perforazione. Stu tipu strutturale rimpiazza i numerosi solchi longitudinali in u cilindru internu di i meccanismi di impattu di scarico laterale cù un groove annular, riducendu assai a concentrazione di stress in u cilindru internu. Hè diventatu una struttura largamente aduttatu in l'ultimi anni.
2.6 Meccanismu d'Impattu di Pistone di Serie
U mecanismu d'impattu di pistoni di serie, cunnisciutu ancu com'è impactatore à duppiu pistone (testa), divide u cilindru in duie camere cù un anellu d'isolazione. Stu disignu permette à e duie facce di pistoni di travaglià simultaneamente in u stessu diametru di u foru, risultatu in una putenza d'impattu più grande è una frequenza d'impattu più alta. In currispundenza, ci hè un sistema di scarico duale chì sguassate efficacemente a roccia in polvere da u fondu di u burato. Tuttavia, u so inconveniente principale hè a so struttura cumplessa è a necessità di alta precisione in i pezzi di machining; per esempiu, u pistone hà sin'à cinque superfici di accoppiamentu cù cumpunenti assuciati, chì limita a so applicazione è a prumuzione. Per quessa, stu disignu adopra a seconda opzione, chì hè u mecanismu d'impattu senza valvula cù pistone è cilindru cumminatu di gasu. A so struttura hè mostrata in Figura 3.
3.Analisi Teorica è Calcoli Pertinenti per DTH
3.1 Selezzione di Parametri di Funzionamentu**
3.1.1 Lunghezza è Pesu di Hammer: U disignu preliminare specifica una lunghezza di menu di 4500 mm è un pesu di menu di 2500 kg.
3.1.2 Hammer Diameter: U diametru di martellu adattatu hè determinatu basatu annantu à u diametru di perforazione, stabilitu à 540 mm.
3.1.3 Drilling Diameter: Questu si riferisce à u diametru di u pirtusu di pile, generalmente trà 550 mm è 600 mm.
3.1.4 Profundità di perforazione: Sicondu i requisiti di cuncepimentu di pila, questu hè tipicamente trà parechje decine di metri è centu metri.
3.1.5 Velocità di perforazione: A perforazione DTH opera generalmente à bassa velocità di rotazione, tipicamente trà 7 è 25 r/s.
3.1.6 Torque Rotational: U torque massimu per stu disignu hè stabilitu à 150 kN·m.
3.2 Calculation of Design Parameters
I paràmetri di cuncepimentu per DTH, in particulare i parametri di prestazione di l'equipaggiu d'impattu DTH, servenu cum'è a basa per u disignu di a macchina è definisce u rendiment di l'equipaggiu fabbricatu.
3.2.1 Design Pressure P per Equipment Impact
In Cina, una pressione di 0,49 MPa (circa 5 × 10 ^ 5 Pa) hè largamente scelta cum'è u standard di disignu per l'equipaggiu d'impattu pneumaticu. Siccomu u DTH per stu disignu hè un dispositivu d'impattu senza valvula cù un grande diametru di perforazione è un pistone pesante, a pressione di l'aria più alta aumenterà ancu u rendiment. Inoltre, i compressori d'aria d'alta pressione sò sempre più cumuni, è in cunfurmità cù u standard internaziunale ISO 5941-1979, una pressione di disignu di 1,6 MPa hè sceltu.
3.2.2 Impact Power
Per DTH utilizatu per perforà buchi di grande diametru, l'energia di impattu di u disignu pò fluttuà significativamente. L'energia d'impattu per stu disignu hè calculata cum'è seguente:
3.2.3 Frequency Impact
In generale, sottu una energia d'impattu constante, a frequenza di l'impattu hè proporzionale à a putenza di output di l'impactor. Tuttavia, quandu u diametru di u cilindru hè fissu, l'aumentu di a frequenza di l'impattu necessita una riduzione di a corsa di u pistone, chì à u turnu diminuisce a putenza d'impattu unicu. Una volta chì a putenza di l'impattu unicu cade sottu à un certu limitu, l'aumentu di a freccia ùn darà micca risultati soddisfacenti di rottura di roccia. Cusì, a selezzione di a frequenza d'impattu hè limitata da a putenza d'impattu.
Per a DTH pneumatica chì opera à una pressione di designu di 0,5 MPa, a frequenza ùn deve micca più di 16,8 Hz. Siccomu u DTH opera à pressioni di disignu trà 0.5 è 2.5 MPa, a frequenza di l'impattu pò varià significativamente. A selezzione iniziale di a freccia di l'impactor pò esse calculata cum'è seguente:
f = 10,4 + 7,6P
(2) induve P hè a prissioni di furnimentu di u sistema. Per stu disignu, P = 1,6 MPa, dunque:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Structural Parameter Design
I principali paràmetri strutturali di DTH includenu u diametru di u cilindru, a corsa di u pistone è e dimensioni di u pistone. Aumentà u diametru di u cilindru pò rinfurzà a putenza di l'impattu è a frequenza, cusì u diametru deve esse maximizatu in i limiti di a dimensione strutturale. Di genere, a diffarenza trà u diametru esternu di u DTH è u diametru di u foru ùn deve esse menu di 15 à 20 mm, è a carcassa esterna di u DTH ùn deve esse troppu magre. Dunque, u rapportu di diametru di cilindru DTH à diametru di perforazione hè generalmente sopra à 0,5.
3.3.1 Diamitru di travagliu di u Cilindru è Structural Stroke
U diametru di travagliu D di u cilindru pò esse calculatu cusì:
D = K × D (alésage) = (0,57 - 0,68) × D (alésage) (3)
Per stu disignu, D (bore) = 600 mm, cusì D hè pigliatu cum'è 360 mm. A corsa strutturale S hè empiricamente presa cum'è S = 500 mm.
3.3.2 Pistone Mass
E dimensioni radiali di u pistone sò limitate da a dimensione è a struttura di u cilindru, chì permettenu pistoni di diametru uguali o diffirenti. E dimensioni lineari dipendenu di u pesu di u pistone, chì hè ancu in relazione cù a velocità chì hà quandu colpisce u drill bit. Dunque, a determinazione di e dimensioni strutturali di u pistone hè un aspettu cumplessu di u disignu DTH. A massa di u pistone DTH pò esse stimata cum'è seguente:
m = 0,0205D^2,84 (4)
induve m hè a massa di pistone in kg; D hè u diametru di travagliu di u cilindru in cm.
Sustituitu D = 36 rende: m = 540 kg.
U DTH hè principalmente custituitu da una struttura di trasmissione di torque è un mecanismu d'impattu pneumaticu. A struttura di trasmissione di torque cunnetta a barra di perforazione è DTH, trasmettendu forze di rotazione di taglio è pulling; u mecanismu d'impattu pneumaticu genera impattu, furnisce una putenza assiale à u drill bit. I dettagli specifichi di a struttura sò mostrati in Figura 3.
A struttura di trasmissione di torque cunnetta a barra di perforazione è l'impactor. L'articulazione superiore si cunnetta cù a barra di perforazione è l'impactor attraversu fili di tubi, principalmente per assicurà a tenuta di gas mentre trasmette ancu u torque è a forza di trazione. A vàlvula di cuntrollu impedisce u fangu è l'acqua di entre in l'impactor è a barra di perforazione, cuntrullata da una surgente. U sediu di presa d'aria cù a barra di fornitura di gas funziona per intruduce l'aria compressa in u cilindru, facilitendu l'azzione di furnimentu di gas inseme cù u cilindru è u pistone, ottenendu cusì un fornimentu di gas cumminatu. L'anellu di sicurezza di a molla impedisce à u pistone di scaccià fora di u cilindru quandu si rimpiazza a punta di perforazione.
3.4 Analisi di elementi finiti di DTH Drill Bit
U drill bit DTH hè sottumessu à e forze d'impattu da u pistone è u torque da a testa di trasmissione. A forza esercitata nantu à u pistone da l'aria compressa hè data da:
F = P × S (5)
induve P hè a pressione di u sistema in Pa; S hè l'area di forza di u pistone in m².
Cusì, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Dunque, a forza d'impattu nantu à a punta hè:
F' = kF (6)
induve k hè u coefficient d'impattu; F hè a forza esercitata nantu à u drill bit da l'aria compressa in N. Cusì, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
U torque applicatu à a fresa DTH da a testa d'accionamentu hè N = 150 kN. Applying F' = 2688 kN è N = 150 kN à u drill bit, mentri fixing a faccia inferjuri di u drill bit, è utilizendu materiale QT500-7 cù una forza di rendiment di 320 MPa, l'analisi di elementi finiti hè realizatu. E cundizioni specifiche di carica è limitazione è a divisione di a maglia sò mostrati in Figure 4 è 5.
I risultati di l'analisi di l'elementu finitu sò mostrati in Figura 6, chì indicanu chì u stress massimu hè 144.355 MPa, chì hè menu di a forza di rendiment di QT500-7 (320 MPa), cusì risponde à i requisiti.