Optimální výběr bitů PDC pro těžbu uhlí

Stavba vrtů je široce používanou technickou metodou pro kontrolu plynu, prevenci vodních škod a geologický průzkum v uhelných dolech, který hraje klíčovou roli při zajišťování bezpečnosti a efektivity těžby uhlí. V Číně se v uhelných dolech ročně vytvoří desítky milionů metrů vrtných otvorů. Stavební proces vyžaduje podporu vrtacího zařízení, jako jsou vrtáky, vrtné trubky a vrtáky. Mezi nimi jsou vrtáky nezbytnými nástroji pro přímé vytváření otvorů a lámání hornin.

Polykrystalický diamantový kompozitní list (PDC) je široce používán v důlních vrtacích korunkách díky své výjimečné odolnosti proti opotřebení a chvályhodné rázové houževnatosti.PDC bityvykazují prodlouženou životnost vrtání a zvýšenou penetrační účinnost při použití ve středně tvrdých a nižších horninových formacích, čímž poskytují podstatné ekonomické výhody při vrtání uhelných dolů. Ve srovnání s těžbou ropy má těžba uhlí technické vlastnosti, že je nákladově efektivní, časově efektivní a hustě navržená. V důsledku toho nejsou celkové požadavky na bity PDC přehnaně náročné.

Současné výzvy, kterým těžba čelíPDC bityzahrnují: ① Vstupní práh pro těžbu bitů PDC je relativně nízký, přičemž mnoho výrobců nabízí různé úrovně kvality. ②Využití a požadavky na podzemní vrtání v uhelných dolech vykazují zjevné rozdíly, zatímco klasifikace těžebních PDC bitů je složitá a různorodá. Kromě toho chybí systematické a racionální výběrové specifikace v následném procesu využití.③S rostoucím výskytem složitých tvrdých vrstev v uhelných dolech nesplňují konvenční těžební PDC vrtáky konstrukční požadavky na efektivní vrtání na místě, což má za následek pomalý postup nebo dokonce úplnou absenci záběrů.④Vzhledem k náročným stavebním podmínkám v uhelných dolech může být někdy obtížné dodržování stavebních postupů při vrtání personálu.

Za účelem zvýšení provozní efektivity těžbyPDC bityTento dokument poskytuje komplexní analýzu primárních režimů selhání a zkoumá základní příčiny každé formy selhání. Navíc jsou navržena praktická doporučení pro obezřetný výběr a pozorné používání těchto bitů.

1.Analýza formy a příčin selhání bitu PDC při těžbě

Součásti těžebních PDC bitů se v současné době skládají především z těla bitu, PDC fréz, kalibrových slitin a dalších částí, jak je znázorněno na obrázku 1. PDC frézy a kalibrační slitiny jsou připájeny na tělo bitu, aby bylo zajištěno jejich bezpečné připevnění. Během pravidelných vrtacích operací přenáší vrtací tyč krouticí moment a posuvný tlak na dno otvoru, kde zabírá s vrtákem. Proces řezání horniny se provádí pomocí PDC fréz na vrtáku. Slitiny kalibru navíc chrání proti nadměrnému opotřebení tím, že chrání obvodovou integritu těla bitu. Je však třeba poznamenat, že různé faktory, jako jsou složité síly vyvíjené na frézu na dně otvoru během řezání horniny vrtákem PDC, změny charakteristik formování, výběr stavebních technik a vybavení, provozní odbornost personálu zapojeného do stavebních činností spolu s opatřeními pro kontrolu kvality samotných vrtáků, mohou významně ovlivnit účinnost aplikace, což vede k různým formám selhání těchto bitů. Prostřednictvím průzkumu provedeného v uhelných dolech jsme shrnuli a analyzovali různé způsoby selhání a primární příčiny spojené sPDC bity.

1.1 K poruše PDC frézy dochází, když je PDC spékán za podmínek vysoké teploty a vysokého tlaku. Kompozitní deska se skládá ze dvou hlavních složek: diamantové vrstvy a karbidové matrice, jak je znázorněno na obrázku 2.

Primární způsoby selhání PDC fréz zahrnují normální opotřebení, odlupování, zhroucení čepele a delaminaci.

(1) Běžné opotřebení

Fenomén normálního opotřebení je typ typického poškození, ke kterému dochází u PDC fréz během procesu řezání horniny, primárně charakterizované významnými makroskopickými ztrátami při broušení jak ve vrstvě diamantu, tak v matrici slinutého karbidu fréz, bez jakýchkoli zjevných stop po praskání na brusném povrchu.

(2) Odpad čipu

K fenoménu vypadávání třísky dochází, když se PDC frézy oddělí od těla bitu, což má za následek selhání bitu. Nejvýraznější charakteristikou je úplné oddělení PDC fréz od ​​těla bitu, přičemž v jámě, kde dochází ke svařování mezi tělem bitu a PDC frézami, nebyly nalezeny žádné zbytky slitiny.

Primární faktory přispívající k poklesu padajícího filmu:

① Zvýšená teplota na dně vrtu vede k problémům v technologii suchého vrtání nebo vytváření vodní zátky během procesu vrtání a zároveň brání včasnému chlazení PDC fréz na vrtáku během vysokorychlostního rotačního řezání hornin. V důsledku toho dochází k výraznému nárůstu teploty na dně otvoru, což může překročit kritickou teplotu pájky a vést k roztavení pájky a následnému oddělení PDC fréz.

② Kontrola procesu svařování vrtákem není dostatečně přísná. Při svařovacím postupu chybí řádné čištění před svařováním, vadné svary nebo nedostatečné řízení výfukových plynů a nepřiměřená teplota uchování tepla nebo nedostatečná doba po svařování, což vše může vést k oddělení bitu. Kromě toho, že výrobci požadují striktní regulaci výrobního procesu (zejména proces svařování PDC frézou) pro zajištění úplných a pevných svarů, je také nutné ujasnit si postup konstrukce vrtání tím, že pokud je to možné, zvolíme vrtání vodou a vyvarujeme se suchých konstrukcí vrtání. Při vrtání hlubokých děr je třeba před přidáním tyčového vrtání zajistit, aby se voda vrátila zpět. Před každým zasunutím vrtáku na dno otvoru je navíc nezbytné zkontrolovat, zda tam nejsou nějaké překážky, aby se zabránilo ucpání.

(3) Zlomení čepele

Lom diamantové vrstvy u PDC fréz představuje převládající způsob selháníPDC bity. Charakteristickým rysem tohoto způsobu porušení je lokalizované protržení diamantové vrstvy, přičemž v některých případech vede k současnému rozbití podél karbidové matrice.

Hlavní příčiny zlomení bitu PDC:

① Řezačka zvolená na základě vlastních charakteristik řezačky PDC vykazuje nízkou odolnost proti nárazu. Kombinovaná pevnost karbidu wolframu (WC) a diamantového mikroprášku je nedostatečná, takže je náchylný k selhání při namáhání fragmentací horniny;

② Faktory související s procesem výstavby naznačují, že stavební tlak na místě je příliš vysoký. Tlak vyvíjený PDC frézou na bit výrazně překračuje tlakovou hranici frézy, což vede k odlupování diamantové vrstvy a následnému zborcení řezné hrany.

③ Faktory související se složitými formacemi naznačují, že během konstrukce tvrdých, zlomených formací překračuje rázová zátěž na PDC frézy jejich rázovou houževnatost, což může vést ke zborcení řezné hrany.

④ Konstrukce úhlu řezu bitů je nedostatečná, protože nedodržuje zásadu, že tvrdší tvar vyžaduje větší úhel řezu. Při konstrukci tvrdých útvarů může mít menší úhel řezu za následek nadměrnou sílu na PDC frézu, což nakonec vede ke zborcení řezné hrany.

⑤ Jiné faktory naznačují, že uspořádání nosných šroubů a kotevních kabelů v podzemních cestách způsobuje, že je vysoce náchylné, aby se vrták při setkání s těmito prvky zhroutil. Aby se zabránilo selhání vrtáku, je nezbytné nejen přísně dodržovat procesní parametry uvedené v návodu k vrtání, ale také navrhnout a vybrat vrták na základě podmínek formování. Konkrétně při vrtání do tvrdých útvarů je vhodné vhodně zvýšit úhel řezu vrtáku, snížit jeho agresivitu a zvýšit ochranu vrtáku. Kromě toho se doporučuje výběr PDC fréz s vyšší rázovou houževnatostí při vrtání přes tvrdé lomové útvary nebo při úpravě vnějšího tvaru diamantové vrstvy frézy pro zlepšení rázové houževnatosti; například zakřivené PDC frézy obecně vykazují lepší odolnost proti nárazu než ploché typy. Dále by mělo být provedeno rozumné rozvržení otvorů během stavby, aby se zabránilo vrtání do šroubů a kotevních kabelů.

(4) Delaminace

Delaminace se vztahuje k oddělení diamantové vrstvy od matrice slinutého karbidu u kompozitních desek PDC, jak je znázorněno na obrázku 3.

Primární příčinou delaminace v diamantové vrstvě PDC fréz je značné zbytkové napětí přítomné mezi diamantovou vrstvou a matricí slinutého karbidu, spojené s významným rozdílem v jejich koeficientech tepelné roztažnosti. Během řezání horniny dochází u diamantové vrstvy a matrice ze slinutého karbidu k asynchronnímu smršťování v důsledku tepelného napětí generovaného třecím teplem a chlazením z pracích kapalin. Výsledné rázové zatížení a zbytkové napětí vedou k odlupování diamantové vrstvy z karbidové matrice, což má nakonec za následek selhání vrtáku. Pro zmírnění delaminace je nezbytné vybrat vhodné spojovací materiály a technologie zpracování, které řeší zbytkové napětí mezi těmito dvěma součástmi během výroby. Navíc návrh nového tvaru rozhraní pro matrici může zlepšit vazebné vlastnosti mezi diamantovou vrstvou a matricí ze slinutého karbidu.

1.2 Porucha těla vrtáku je primárně charakterizována zlomeninami čepele v těle vrtáku, jak je znázorněno na obrázku 4.

 

Zlomení ostří těla vrtáku se většinou vyskytuje v těle vrtáku a vrtáku s ocelovým tělem se vyskytuje zřídka. Důvody zlomení ostří těla bitu jsou následující: ① Naražení ostří těla bitu při odšroubování těla bitu, protože korunka těla bitu je sintrována procesem práškové metalurgie najednou. ve srovnání s běžným ocelovým nástavcem. bit tělo bitu má vyšší odolnost proti opotřebení. ale houževnatost materiálu těla bitu je odpovídajícím způsobem snížena a je snadné zlomit čepel těla bitu při odšroubování těla bitu; ② Kontrola procesu slinování bitů není přísná. a slinuté tělo bitu je unášeno a kovový prášek nevytváří slitinu. Aby se zabránilo zlomení čepele. uživatel by měl lépe používat nástroje, jako jsou zubní kleště, aby pomohl třmenu při odšroubování vrtačky. tak, aby se zabránilo klepání čepele; Za druhé. výrobci by měli přísně kontrolovat kvalitu slinutého tělesa. nejen přísně kontrolovat proces slinování. ale také čas od času sledovat kovový prášek, aby se zajistilo, že prášek splňuje požadavky procesu.

2. Optimalizovaný návrh a rozumný výběr bitu PDC pro těžbu

2.1 Návrh optimalizace vrtáku

(1) Pro poruchový tvar vrtáku je nutné optimalizovat jeho strukturu z návrhu vrtáku. Mezi hlavní konstrukční parametry bitu PDC patří řezný úhel α. boční úhel β. azimut Úhel γ. atd. γ označuje Úhel mezi orientační referenční linií zubů PDC a středovou linií bitu. α označuje Úhel mezi orientační referenční čárou zubu PDC a pracovní rovinou frézy. jak je znázorněno na obrázku 5. β označuje Úhel mezi rovinou procházející středovým bodem a středovou osou bitu a pracovní rovinou frézy. jak je znázorněno na obrázku 6. Předběžný výzkum a komplexní aplikační analýza ukazují, že úhel řezu a boční úhel fréz PDC mohou přímo ovlivnit životnost a účinnost vrtání korunky. a je nutné optimalizovat konstrukci vrtáku podle různých vrtacích formací. Konstrukce úhlu řezu výrazně ovlivní účinnost vrtání. nebo dokonce žádné záběry; Pokud je úhel řezu příliš malý. řezná hrana PDC je náchylná ke zlomení a dalším jevům. Proto. design vrtáku by měl být zvažován komplexně při výběru schématu parametrů, který volí spíše mírný řezný úhel a boční úhel než náhodný design.

(2) Kromě optimalizace úhlu řezu bitu je nezbytné optimalizovat také PDC frézy. Kvalita PDC fréz významně ovlivňuje těžbu PDC bitů, protože přímo určuje jejich řezný výkon a životnost. Kritickým faktorem při zvyšování kvality PDC je eliminace zbytkového napětí na vazebném rozhraní mezi diamantovou vrstvou a matricí slinutého karbidu. Výzkum ukazuje, že maximální napětí v PDC frézách s rovinnou strukturou rozhraní je soustředěno blízko obou stran tohoto rozhraní, přičemž špičkové tahové a smykové napětí se vyskytují na okraji diamantové vrstvy. Přítomnost tahového napětí může vést k abnormálním lomům u PDC, zatímco smykové napětí slouží jako primární příčina delaminace u PDC fréz.

(3) Kromě eliminace zbytkového napětí u PDC fréz může sekundární zpracování dále zvýšit jejich kvalitu. V současné době mezi primární metody povrchové úpravy patří broušení povrchu diamantem, srážení hran a tvarové obrábění. Výběr PDC fréz lze optimalizovat na základě skutečných pracovních podmínek.

2.2 Rozumný výběr vrtáků

V současné době se bity PDC používané při vrtacích operacích ve většině důlních oblastí vyznačují převážně tříkřídlým konkávním designem. Výběr těchto bitů je však často omezený a postrádá klasifikaci, což má za následek jednotný přístup, který adekvátně neřeší specifické požadavky různých vrstev. To je zvláště problematické za složitých podmínek formování, kde konvenční konkávní bity bojují o uspokojivý výkon, což vede ke zkrácení životnosti bitů a snížené účinnosti vrtání. Taková neefektivita nejen zvyšuje výrobní náklady, ale může také narušit harmonogram výstavby a způsobit značné ekonomické ztráty. Proto je nezbytné vybrat vhodné vrtáky přizpůsobené měnícím se podmínkám formování.

Těžební bity PDC lze rozdělit do dvou hlavních typů podle materiálu těla bitu: typ oceli a typ pneumatiky. Těla vrtáků ocelového typu jsou primárně zpracována mechanickými metodami, které poskytují dobrou houževnatost, díky čemuž jsou vhodné pro konvenční formovací vrtací operace. Naproti tomu tělesa vrtáků typu pneumatiky jsou spékána pomocí procesů práškové metalurgie, což nabízí vysokou odolnost proti opotřebení ideální pro vrtání do tvrdých hornin nebo rozšířené vrtací úlohy. Kromě toho lze vrtáky rozdělit do různých struktur, včetně vnitřního konkávního, obloukového rohu, plochého dna, škrabky a dalších, jak je znázorněno na obrázku 7. ①Konkávní konstrukce konkávního vrtáku zvyšuje efekt narovnání při konstrukci konvenčního formování; ②Rozptýlené uspořádání zubů obloukového bitu má za následek vyšší hustotu zubů a zlepšenou účinnost vrtání při práci se středně tvrdými vrstvami a vyššími; ③Tvar břitu vrtáku s plochým dnem je téměř plochý, což zostřuje jeho boční hrany, aby se usnadnilo zkosení – tento design se používá převážně pro aplikace se směrovým vrtáním; ④Škrabka má typicky kuželovitou strukturu, která poskytuje větší agresivitu a používá se hlavně v měkkých vrstvách nebo konstrukcích uhelných slojí.

Aktuální těžba bitů PDC byla shrnuta a uspořádána spolu s kritérii výběru pro bity PDC za různých pracovních a formačních podmínek, jak je uvedeno v tabulce 1 pro referenci.

3. Použití opatření pro těžbu bitů PDC

Kromě pečlivého výběru vrtáků je stejně důležité tyto nástroje správně používat. Vzhledem k náročným stavebním podmínkám v uhelných dolech se pracovníci často potýkají s přísným dodržováním provozních pokynů PDC bitů, což má za následek časté selhání bitů v důsledku nesprávné manipulace. Ve snaze zvýšit efektivitu vrtání mohou některé těžební oblasti bez rozdílu zvyšovat hmotnost korunky během operací, což vede k předčasnému selhání korunky. Správné využití bitů PDC může optimalizovat jejich výkon a snížit výrobní náklady. Při používání bitů PDC je třeba věnovat pozornost následujícím úvahám:

(1) Věnujte pozornost odstupňovanému vztahu mezi vrtákem PDC a vrtacím nástrojem a ujistěte se, že vrtná trubka velkého průměru není sladěna s vrtnou trubkou příliš malého průměru a vrtná trubka malého průměru se neshoduje s vrtákem o velkém průměru.

(2) Optimálním přístupem je použití specializovaného vrtáku nebo starého vrtáku pro stavbu hnízda a zároveň zajistit, aby se proces vrtání vyhnul blízkosti šroubů na straně jízdního pruhu, kotevních kabelů a podobných překážek.

(3) Při provádění vrtných operací je nezbytné regulovat podávací tlak, aby se předešlo nehodám způsobeným nadměrným tlakem ve vrtu.

(4) Použijte techniku ​​vrtání čistou vodou, vyvarujte se suchého vrtání nebo vrtání tlakovým vzduchem. Před zahájením tlakového vrtání zajistěte řádnou cirkulaci vody v otvoru, aby se předešlo případným spálením v jeho základně.

(5) Při vyjímání bitu dbejte na to, aby nedošlo k sevření nebo nárazu PDC řezačky. Navíc buďte opatrní, abyste nenarazili na čepel těla udidla.

4. Závěr

Bezpečná a efektivní zelená těžba uhlí byla trvale ústředním tématem prosazovaným uhelným průmyslem. Efektivní využití PDC bitů pro podzemní vrtné operace v uhelných dolech má velký význam. Tento článek analyzuje způsoby selhání dolování bitů PDC a objasňuje primární příčiny různých forem selhání. Navrhuje optimální strategie návrhu a výběru bitů v různých pracovních podmínkách a geologických formacích a zároveň shrnuje opatření pro jejich použití, čímž poskytuje referenční informace pro lepší výběr a aplikaci těžebních bitů PDC. Uvážlivý výběr a správné použití těžebních PDC bitů může maximalizovat jejich účinnost, minimalizovat plýtvání zdroji a zvýšit bezpečnost, efektivitu a postupy šetrné k životnímu prostředí při těžbě uhlí.