Knæk koden for Hard Rock Drilling: The Game-Changing DTH Technology.

Ifølge de geologiske forhold i byggeområdet er der fire hovedboremetoder, der almindeligvis anvendes af borerigge, som vist i figur 1.

en. Pneumatiske eller hydraulisk drevne roterende hoveder kombineret med slagudstyr overfører rotations- og slagenergi gennem toppen afborerørleverer energi til boret via stødbølger i borerøret. Denne metode er begrænset til små diametre og lave dybder og bruges generelt i stenbrud, byggepladser og underjordiske minedrift.

b.Down-The-Hole (DTH) hamre er placeret i bunden af ​​borestrengen. Trykluft kommer ind i DTH gennem borestrengen og driver et stempel i en frem- og tilbagegående bevægelse, der direkte påvirker boret og overfører slagenergi til klippen. Dette system har minimalt strømtab og er særligt velegnet til dybe huller, lige huller og mellemhårde sten.

c.Omvendt cirkulation (RC) boringbruger DTH til at indsamle og transportere stenprøver fra forsiden af ​​boret. Tørt og uforurenet spån føres gennem DTH'ens midterrør ind i en prøveopsamlingsanordning, der forbereder til geologisk analyse.

d. En gearkasse drevet af hydrauliske eller elektriske motorer danner et roterende krafthoved, der påfører tilstrækkelig fødekraft til tre-kegleboret gennem et fødesystem, der bevæger sig op og ned på boreriggen og et tykvægget borerør. Denne metode bruges til blødere sten eller stærkt sammenføjede hårde sten.

 

1. Principper og karakteristika for DTH

Formationerne boret med DTH er næsten helt i stand til at inkludere alle magmatiske bjergarter, metamorfe bjergarter og sedimentære bjergarter, der er mellemhårde eller hårdere. DTH er særlig fordelagtig til boring i hårde sten og hårde lag, fordi hård sten har tendens til at være sprød. Under stødbelastninger opstår der ikke kun brud på det direkte nedslagssted, men skaber også en brudt zone, hvilket resulterer i større stenfragmenter. Således er borehastigheden væsentligt hurtigere sammenlignet med ren rotationsboring. Den mekaniske model i figur 2 illustrerer de forskellige belastninger, der virker på klippen under slagrotationsboring.

                                                             

Derudover er DTH (Down-the-Hole)-boring yderst effektiv i formationer, der er tilbøjelige til borehulsafvigelse, såsom lag med veludviklet strøelse og foliation, eller klippelag med ujævn hårdhed og mange brud. Det kan reducere borehulsafvigelsen betydeligt og også overvinde vanskeligheder med at bore gennem gruslag og kampesten.

 

DTH-boring blev udviklet i slutningen af ​​det 19. århundrede og har en historie på over et århundrede. Selvom der er mange typer DTH-bor, deler de et fælles træk: både slagmekanismen og boret er nedsænket i borehullet, med rotation kombineret med slag for at bryde klippen. Udstyret, der bruges til at generere slagkraften, kan kategoriseres efter deres køremetode i pneumatiske, hydrauliske, olietryks-, elektriske og mekaniske typer.

 

Da slagenergi oplever betydelige tab under transmission og kan forårsage væsentlig skade på de påvirkede komponenter, er det generelt påkrævet ved dybere boreoperationer, at udstyret går ind i borehullet med boreværktøjet, således at den udgående slagkraft kan virke direkte på borekronen eller kernecylinderen. Dette minimerer energitab under transmission, forbedrer energieffektiviteten og reducerer sandsynligheden for fejl i udstyr i borehullet.

Pneumatisk DTH, også kendt som luftdrevet DTH, findes i mange strukturelle typer og klassificeringsmetoder.

- Efter trykklassificering: højtryks-, mellemtryks- og lavtrykstyper.

- Efter overordnet struktur: ikke-gennemgående og gennemgående typer.

- Efter ventildriftsprincip: styreventiltype, friventiltype og hybridventiltype.

- Ved stempelstruktur: stempel med samme diameter, stempel med ulige diameter og tandemstempeltyper.

- Efter luftfordelingstype: ventileret DTH og ventilløs DTH. Ventil DTH kan opdeles i pladeventil, skiveventil og cylindrisk ventiltyper, mens ventilløs DTH kan opdeles i centerstangs udstødningstype, stempelluftfordelingstype og kombineret luftfordeling efter stempel, cylinder og centerstang.

- Ved hulvask og slaggeudledningsmetode: centerhulsvask, fronthulsvask og sidehulsvask.

2. Bestemmelse af påvirkningsmekanismens strukturordninger

2.1 Stempel selvgasforsyning ikke-ventil stødmekanisme

Denne type slagmekanisme bruger primært gaspassagerne i selve stemplet til gasforsyning, hvilket resulterer i en kompleks stempelstruktur med talrige gaskanaler, hvilket reducerer stemplets styrke og levetid. Denne slagmekanisme integrerer imidlertid de indre og ydre cylindere, hvilket øger stemplets effektive arbejdsområde og forbedrer mekanismens slagenergi.

2.2 Stempel og cylinder kombineret gasforsyning ikke-ventil stødmekanisme

Denne type har en enkel struktur, der er nem at fremstille, har en længere stempellevetid, og gashullerne er placeret på både cylinderen og stemplet. Denne struktur er meget udbredt i udlandet.

2.3 Centerrør gasforsyning ikke-ventil stødmekanisme

I denne mekanisme er luftindtagspassagerne til de øvre og nedre kamre anbragt på det cirkulære rør, hvor stemplet glider. Det kræver høj fremstillingspræcision og har en relativt kort levetid for centerrøret.

2.4 Sideudstødningspåvirkningsmekanisme

Den såkaldte sideudstødning betyder, at udstødningsgasbanen forlader cylinderkroppen i stedet for at passere gennem midten af ​​boret til bunden af ​​hullet. Denne type slagmekanisme har typisk mange indsugnings- og udstødningsveje på cylinderkroppen, hvilket fører til dårlig strukturel styrke, potentiale for langsgående udmattelsesrevner og betydeligt tab af lufttryk, hvilket resulterer i suboptimal fjernelse af affald og køleeffekter for boret.

2.5 Center udstødningspåvirkningsmekanisme

Denne type slagmekanisme udstøder snavs og gas direkte fra midten af ​​boret til bunden af ​​hullet. Direkte luftstrøm forbedrer ikke kun effektiviteten til fjernelse af affald, men forbedrer også boreeffektiviteten og afkølingen, hvilket forlænger borets levetid. Denne strukturelle type erstatter de talrige langsgående riller i den indvendige cylinder af sideudstødningsstødmekanismer med en ringformet rille, hvilket i høj grad reducerer spændingskoncentrationen i den indre cylinder. Det er blevet en bredt vedtaget struktur i de senere år.

2.6 Series stempelstødmekanisme

Seriens stempelslagmekanisme, også kendt som en dual-stempel (hoved) impactor, opdeler cylinderen i to kamre ved hjælp af en isoleringsring. Dette design gør det muligt for begge stempelflader at arbejde samtidigt inden for den samme borediameter, hvilket resulterer i større slagkraft og højere stødfrekvens. Tilsvarende er der et dobbelt udstødningssystem, der effektivt fjerner stenpulver fra bunden af ​​hullet. Men dens største ulempe er dens komplekse struktur og behovet for høj præcision i bearbejdning af dele; for eksempel har stemplet op til fem sammenkoblingsflader med tilhørende komponenter, hvilket begrænser dets anvendelse og fremme. Derfor anvender dette design den anden mulighed, som er den ikke-ventil slagmekanisme med stempel og cylinder kombineret gasforsyning. Dens struktur er vist i figur 3.

3. Teoretisk analyse og relevante beregninger for DTH

3.1 Valg af driftsparametre**

3.1.1 Hammerlængde og -vægt: Det foreløbige design specificerer en længde på mindre end 4500 mm og en vægt på mindre end 2500 kg.

3.1.2 Hammerdiameter: Den passende hammerdiameter bestemmes ud fra borediameteren, sat til 540 mm.

3.1.3 Borediameter: Dette refererer til pælehullets diameter, generelt mellem 550 mm og 600 mm.

3.1.4 Boredybde: Ifølge krav til pæledesign er denne typisk mellem flere dusin meter og hundrede meter.

3.1.5 Borehastighed: DTH-boring arbejder generelt ved lave rotationshastigheder, typisk mellem 7 og 25 r/s.

3.1.6 Rotationsmoment: Det maksimale drejningsmoment for dette design er indstillet til 150 kN·m.

 

3.2 Beregning af designparametre

Designparametrene for DTH, specifikt præstationsparametrene for DTH slagudstyret, tjener som grundlag for maskindesign og definerer ydeevnen af ​​det fremstillede udstyr.

3.2.1 Designtryk P for slagudstyr

I Kina er et tryk på 0,49 MPa (ca. 5 × 10^5 Pa) bredt valgt som designstandard for pneumatisk slagudstyr. I betragtning af, at DTH for dette design er en ikke-ventil slaganordning med en stor borediameter og tungt stempel, vil højere lufttryk yderligere forbedre ydeevnen. Derudover er højtryksluftkompressorer mere og mere almindelige, og i overensstemmelse med international standard ISO 5941-1979 vælges et designtryk på 1,6 MPa.

3.2.2 Slagkraft

For DTH, der bruges til at bore huller med stor diameter, kan design slagenergien svinge betydeligt. Slagenergien for dette design beregnes som følger:

                                                 

3.2.3 Anslagsfrekvens

Generelt, under konstant anslagsenergi, er anslagsfrekvensen proportional med slaglegemets udgangseffekt. Men når cylinderdiameteren er fast, nødvendiggør en forøgelse af stødfrekvensen en reduktion i stempelslag, hvilket igen mindsker den enkelte slagkraft. Når den enkelte slagkraft falder under en vis tærskel, vil en forøgelse af frekvensen ikke give tilfredsstillende klippebrydningsresultater. Valget af stødfrekvens er således begrænset af slagkraften.

For pneumatisk DTH, der arbejder ved et designtryk på 0,5 MPa, bør frekvensen ikke overstige 16,8 Hz. Da DTH arbejder ved designtryk mellem 0,5 og 2,5 MPa, kan stødfrekvensen variere betydeligt. Det indledende valg af slaglegemets frekvens kan beregnes som følger:

f = 10,4 + 7,6P

(2) hvor P er systemets forsyningstryk. For dette design er P = 1,6 MPa, derfor:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Strukturelt parameterdesign

De vigtigste strukturelle parametre for DTH inkluderer cylinderboringsdiameter, stempelslag og stempeldimensioner. Forøgelse af cylinderdiameteren kan øge både slagkraft og frekvens, så diameteren bør maksimeres inden for grænserne for strukturel størrelse. Typisk bør forskellen mellem den ydre diameter af DTH og borediameteren ikke være mindre end 15 til 20 mm, og den ydre kappe af DTH'en bør ikke være for tynd. Derfor er forholdet mellem DTH cylinderdiameter og borediameter generelt over 0,5.

3.3.1 Arbejdsdiameter af cylinderen og det strukturelle slag

Cylinderens arbejdsdiameter D kan beregnes som følger:

D = K × D(boring) = (0,57 - 0,68) × D(boring) (3)

For dette design er D(boring) = 600 mm, så D tages som 360 mm. Det strukturelle slag S er empirisk taget som S = 500 mm.

3.3.2 Stempelmasse

Stemplets radiale dimensioner er begrænset af cylinderens størrelse og struktur, hvilket giver mulighed for stempler med enten ens eller forskellig diameter. De lineære dimensioner afhænger af stemplets vægt, hvilket også relaterer sig til den hastighed, det har, når det rammer boret. Derfor er bestemmelse af stemplets strukturelle dimensioner et komplekst aspekt af DTH-design. Massen af ​​DTH-stemplet kan estimeres som følger:

m = 0,0205D^2,84 (4)

hvor m er stempelmassen i kg; D er cylinderens arbejdsdiameter i cm.

Erstatning D = 36 udbytter: m = 540 kg.

DTH består hovedsageligt af en momentoverførselsstruktur og en pneumatisk slagmekanisme. Momenttransmissionsstrukturen forbinder borestangen og DTH og overfører rotationsskære- og trækkræfter; den pneumatiske slagmekanisme genererer stød, der giver aksial kraft til slagboret. Specifikke strukturdetaljer er vist i figur 3.

Momentoverførselsstrukturen forbinder borestangen og slagorganet. Det øverste led forbindes med borestangen og slagorganet gennem rørgevind, primært for at sikre gastæthed og samtidig overføre moment og trækkraft. Kontraventilen forhindrer mudder og vand i at trænge ind i slaglegemet og borestangen, styret af en fjeder. Luftindtagssædet med gasforsyningsstangen fungerer til at indføre komprimeret luft i cylinderen, hvilket letter gastilførslen sammen med cylinderen og stemplet, hvorved der opnås kombineret gasforsyning. Fjedersikkerhedsringen forhindrer stemplet i at glide ud af cylinderen ved udskiftning af boret.

3.4 Finite Element-analyse af DTH-bor

DTH-boret udsættes for stødkræfter fra stemplet og drejningsmoment fra drivhovedet. Kraften, der udøves på stemplet af trykluften, er givet af:

F = P × S (5)

hvor P er systemtrykket i Pa; S er stemplets kraftareal i m².

Således er F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Derfor er slagkraften på boret:

F' = kF (6)

hvor k er virkningskoefficienten; F er den kraft, som trykluften udøver på boret i N. Således er F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Drejningsmomentet påført DTH-boret af drivhovedet er N = 150 kN. Ved at påføre F' = 2688 kN og N = 150 kN på boret, mens den nederste endeflade af boret fastgøres, og ved at bruge QT500-7-materiale med en flydespænding på 320 MPa, udføres finite element-analyse. De specifikke belastnings- og begrænsningsforhold og maskeinddeling er vist i figur 4 og 5.

Resultaterne af finite element-analysen er vist i figur 6, hvilket indikerer, at den maksimale spænding er 144.355 MPa, hvilket er mindre end flydespændingen for QT500-7 (320 MPa), og dermed opfylder kravene.