Optimale Auswahl von PDC-Bohrern für den Kohlebergbau
Der Bohrlochbau ist eine weit verbreitete technische Methode zur Gaskontrolle, zum Schutz vor Wasserschäden und zur geologischen Erkundung in Kohlebergwerken und spielt eine entscheidende Rolle für die Sicherheit und Effizienz der Kohleproduktion. In China werden jährlich mehrere zehn Millionen Meter Bohrlöcher in Kohlebergwerken gebohrt. Der Bauprozess erfordert die Unterstützung von Bohrgeräten wie Bohrern, Bohrgestängen und Bohrkronen. Bohrer sind dabei unverzichtbare Werkzeuge zum direkten Bohren von Löchern und zum Aufbrechen von Gestein.
Die polykristalline Diamantverbundplatte (PDC) wird aufgrund ihrer außergewöhnlichen Verschleißfestigkeit und bemerkenswerten Schlagzähigkeit häufig in Bohrmeißeln für den Bergbau verwendet.PDC-Bitsweisen eine längere Lebensdauer des Bohrers und eine erhöhte Eindringleistung auf, wenn sie in mittelharten und weichen Gesteinsformationen eingesetzt werden, und bieten dadurch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bei Bohrarbeiten im Kohlebergbau. Im Vergleich zu Ölbohrungen sind Bohrungen im Kohlebergbau technisch gesehen kostengünstig, zeitsparend und dicht konstruiert. Daher sind die Gesamtanforderungen an PDC-Bohrer nicht übermäßig hoch.
Die aktuellen Herausforderungen im BergbauPDC-Bitsumfassen: 1. Die Einstiegshürde für PDC-Bohrer für den Bergbau ist relativ niedrig, und es gibt eine Vielzahl von Herstellern, die unterschiedliche Qualitätsstufen anbieten. 2. Die Einsatzmöglichkeiten und Anforderungen an Untertagebohrungen in Kohlebergwerken weisen deutliche Unterschiede auf, und die Klassifizierung von PDC-Bohrern für den Bergbau ist komplex und vielfältig. Darüber hinaus mangelt es an systematischen und rationalen Auswahlspezifikationen im späteren Nutzungsprozess. 3. Da in Kohlebergwerken zunehmend komplexe, harte Schichten vorkommen, erfüllen herkömmliche PDC-Bohrer für den Bergbau die Konstruktionsanforderungen für effizientes Bohren vor Ort nicht mehr, was zu langsamen Fortschritten oder sogar zum völligen Fehlen von Bohrmaterial führt. 4. Aufgrund der anspruchsvollen Baubedingungen in Kohlebergwerken kann es für das Baupersonal manchmal schwierig sein, die Bohrverfahren strikt einzuhalten.
Um die betriebliche Effizienz des Bergbaus zu steigernPDC-BitsDieses Dokument bietet eine umfassende Analyse der wichtigsten Ausfallarten und untersucht die zugrunde liegenden Ursachen für jede Ausfallart. Darüber hinaus werden praktische Empfehlungen für die umsichtige Auswahl und den sorgfältigen Einsatz dieser Bits gegeben.
1.Analyse der Form und Ursachen von PDC-Bit-Fehlern im Bergbau
Derzeit bestehen die Komponenten von PDC-Bohrkronen für den Bergbau hauptsächlich aus dem Bohrkronenkörper, PDC-Schneidern, Kaliberlegierungen und weiteren Teilen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die PDC-Schneider und Kaliberlegierungen werden auf den Bohrkronenkörper gelötet, um eine sichere Befestigung zu gewährleisten. Bei regulären Bohrvorgängen überträgt die Bohrstange Drehmoment und Vorschubdruck auf den Bohrlochboden, wo sie in die Bohrkrone eingreift. Der Gesteinsschnitt erfolgt durch den Einsatz von PDC-Schneidern an der Bohrkrone. Kaliberlegierungen schützen zusätzlich vor übermäßigem Verschleiß, indem sie die Umfangsintegrität des Bohrkronenkörpers schützen. Es ist jedoch zu beachten, dass verschiedene Faktoren wie die komplexen Kräfte, die beim Gesteinsschnitt mit einer PDC-Bohrkrone auf die Schneide am Bohrlochboden wirken, Veränderungen der Formationseigenschaften, die Wahl der Bautechniken und -geräte, die betriebliche Kompetenz des an den Bauarbeiten beteiligten Personals sowie Qualitätskontrollmaßnahmen für die Bohrkronen selbst die Anwendungseffektivität erheblich beeinflussen und zu verschiedenen Versagensformen führen können. Durch eine Untersuchung an Bohrstandorten in Kohlebergwerken haben wir verschiedene Versagensarten und Hauptursachen zusammengefasst und analysiert.PDC-Bits.
1.1 Der PDC-Fräser versagt, wenn der PDC unter hohen Temperaturen und hohem Druck gesintert wird. Die Verbundplatte besteht aus zwei Hauptkomponenten: einer Diamantschicht und einer Hartmetallmatrix, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Zu den häufigsten Ausfallarten von PDC-Schneidern zählen normaler Verschleiß, Abblättern, Klingenbruch und Delaminierung.
(1) Normale Abnutzung
Das Phänomen des normalen Verschleißes ist eine typische Schadensart, die bei PDC-Schneidwerkzeugen während des Gesteinsschneideprozesses auftritt und in erster Linie durch einen erheblichen makroskopischen Schleifverlust sowohl in der Diamantschicht als auch in der Hartmetallmatrix der Schneidwerkzeuge gekennzeichnet ist, ohne dass auf der Schleiffläche sichtbare Spuren von Rissen zu sehen sind.
(2) Chip-Drop
Das Phänomen des Spanabfalls tritt auf, wenn sich PDC-Schneider vom Meißelkörper lösen und zum Meißelversagen führen. Das auffälligste Merkmal ist die vollständige Trennung der PDC-Schneider vom Meißelkörper, ohne dass in der Schweißnaht zwischen Meißelkörper und PDC-Schneidern Legierungsrückstände zurückbleiben.
Hauptfaktoren, die zum Rückgang des Fallfilms beitragen:
① Die erhöhte Temperatur am Bohrlochboden führt zu Problemen bei der Trockenbohrtechnik oder zur Bildung von Wasserpfropfen während des Bohrvorgangs. Zudem behindert sie die rechtzeitige Kühlung der PDC-Schneider am Bohrer beim Hochgeschwindigkeits-Rotationsbohren. Infolgedessen steigt die Temperatur am Bohrlochboden deutlich an, was die kritische Temperatur des Lots überschreiten und zum Schmelzen des Lots und anschließenden Ablösen der PDC-Schneider führen kann.
② Der Bohrschweißprozess wird nicht streng genug kontrolliert. Fehlende Reinigung vor dem Schweißen, fehlerhafte Schweißnähte, unzureichendes Abgasmanagement, ungeeignete Wärmeerhaltungstemperaturen oder zu kurze Nachschweißzeiten können zum Ablösen des Bohrers führen. Neben strengen Produktionsvorschriften (insbesondere beim PDC-Schneidprozess) zur Gewährleistung vollständiger und stabiler Schweißnähte ist auch eine präzise Bohrkonstruktion erforderlich. Wann immer möglich, sollte auf Wasserbohrungen gesetzt und Trockenbohrungen vermieden werden. Bei Tieflochbohrungen ist vor dem Einbringen des Gestänges auf einen Wasserrücklauf zu achten. Vor jedem Einführen des Bohrers in den Bohrlochboden ist zudem auf Hindernisse zu prüfen, um Verstopfungen zu vermeiden.
(3) Klingenbruch
Der Bruch der Diamantschicht in PDC-Fräsern stellt eine häufige Fehlerursache dar fürPDC-BitsEin charakteristisches Merkmal dieser Versagensart ist der lokale Bruch der Diamantschicht, wobei es in einigen Fällen zu einem gleichzeitigen Bruch entlang der Karbidmatrix kommt.
Die Hauptursachen für den Bruch von PDC-Bits:
① Der aufgrund seiner inhärenten Eigenschaften ausgewählte Fräser weist eine geringe Schlagfestigkeit auf. Die kombinierte Festigkeit von Wolframkarbid (WC) und Diamant-Mikropulver ist unzureichend, sodass er unter der Belastung durch Gesteinsfragmentierung versagen kann.
② Faktoren im Zusammenhang mit dem Bauprozess deuten darauf hin, dass der Baudruck vor Ort zu hoch ist. Der vom PDC-Schneider auf den Meißel ausgeübte Druck überschreitet die Druckgrenze des Fräsers deutlich, was zum Abplatzen der Diamantschicht und anschließend zum Zusammenbruch der Schneide führt.
3. Faktoren im Zusammenhang mit komplexen Formationen weisen darauf hin, dass beim Bau harter, gebrochener Formationen die Aufprallbelastung der PDC-Schneider deren Aufprallzähigkeit übersteigt, was zum Zusammenbruch der Schneide führen kann.
④ Die Auslegung des Meißel-Schnittwinkels ist unzureichend, da sie nicht dem Prinzip entspricht, dass eine härtere Formation einen größeren Schnittwinkel erfordert. Beim Bau harter Formationen kann ein kleinerer Schnittwinkel zu einer übermäßigen Krafteinwirkung auf den PDC-Schneider führen, was letztendlich zum Versagen der Schneide führt.
⑤ Weitere Faktoren deuten darauf hin, dass die Anordnung von Stützbolzen und Ankerseilen in unterirdischen Strecken die Gefahr eines Bohrmeißels beim Auftreffen auf diese Elemente erhöht. Um einen Meißelbruch zu vermeiden, ist es wichtig, nicht nur die in der Bohranleitung angegebenen Prozessparameter strikt einzuhalten, sondern auch den Bohrer entsprechend den Formationsbedingungen zu konstruieren und auszuwählen. Insbesondere beim Bohren in harte Formationen ist es ratsam, den Schnittwinkel des Meißels entsprechend zu erhöhen, seine Aggressivität zu reduzieren und den Meißelschutz zu verbessern. Darüber hinaus empfiehlt sich beim Bohren durch harte, gebrochene Formationen die Auswahl von PDC-Fräsern mit höherer Schlagzähigkeit oder die Modifikation der äußeren Form der Diamantschicht des Fräsers zur Verbesserung der Schlagzähigkeit; beispielsweise weisen gekrümmte PDC-Fräser im Allgemeinen eine höhere Schlagzähigkeit auf als flache. Darüber hinaus sollte während der Bauphase eine sinnvolle Anordnung der Löcher erfolgen, um das Bohren in Bolzen und Ankerseilen zu vermeiden.
(4) Delamination
Unter Delamination versteht man die Ablösung der Diamantschicht von der Hartmetallmatrix in PDC-Verbundplatten, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Die Hauptursache für Delamination in der Diamantschicht von PDC-Fräsern ist die erhebliche Eigenspannung zwischen der Diamantschicht und der Hartmetallmatrix, verbunden mit einem signifikanten Unterschied in ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Beim Schneiden von Gestein kontrahieren sich Diamantschicht und Hartmetallmatrix aufgrund thermischer Spannungen, die durch Reibungswärme und Abkühlung durch Spülflüssigkeiten entstehen, asynchron. Die daraus resultierende Stoßbelastung und Eigenspannung führen zum Ablösen der Diamantschicht von der Hartmetallmatrix und letztendlich zum Versagen des Bohrers. Um Delamination zu minimieren, ist die Wahl geeigneter Bindematerialien und Verarbeitungstechnologien, die die Eigenspannungen zwischen diesen beiden Komponenten während der Herstellung berücksichtigen, unerlässlich. Zusätzlich kann die Entwicklung einer neuen Grenzflächenform für die Matrix die Bindeeigenschaften zwischen Diamantschicht und Hartmetallmatrix verbessern.
1.2 Bohrkörperversagen ist in erster Linie durch Klingenbrüche im Bohrkörper gekennzeichnet, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Ein Bruch der Klinge des Bohrerkörpers tritt meist bei Bohrern mit Körper auf, bei Bohrern mit Stahlkörper kommt dies selten vor. Die Gründe für einen Bruch der Klinge des Bohrerkörpers sind folgende: 1. Beim Abschrauben des Bohrerkörpers schlägt die Klinge des Bohrerkörpers an, da die Krone des Bohrerkörpers in einem Schritt pulvermetallurgisch gesintert wird. Im Vergleich zu Bohrern mit gewöhnlichem Stahlkörper ist der Bohrer mit Körper verschleißfester, aber die Zähigkeit des Körpermaterials ist entsprechend geringer und die Klinge des Bohrerkörpers bricht beim Abschrauben leicht. 2. Der Sinterprozess des Bohrers wird nicht streng kontrolliert und der gesinterte Bohrerkörper wird mitgerissen, sodass das Metallpulver keine Legierung bildet. Um einen Bruch der Klinge zu vermeiden, sollte der Benutzer beim Abschrauben des Bohrers Werkzeuge wie eine Zahnzange verwenden, um den Bügel zu stützen und ein Anstoßen der Klinge zu vermeiden. 2. Hersteller sollten nicht nur den Sinterprozess, sondern auch die Qualität des Sinterkörpers streng kontrollieren. sondern auch, um das Metallpulver von Zeit zu Zeit zu überwachen, um sicherzustellen, dass das Pulver die Prozessanforderungen erfüllt.
2. Optimiertes Design und sinnvolle Auswahl des Mining-PDC-Bits
2.1 Optimierungsdesign des Bohrers
(1) Um die Ausfallform des Meißels zu bestimmen, muss seine Struktur bereits beim Bohrerdesign optimiert werden. Die wichtigsten Designparameter von PDC-Meißeln sind Schnittwinkel α, Seitenwinkel β, Azimutwinkel γ usw. γ bezeichnet den Winkel zwischen der Orientierungsreferenzlinie der PDC-Zähne und der Mittellinie des Meißels. α bezeichnet den Winkel zwischen der Orientierungsreferenzlinie des PDC-Zahns und der Arbeitsebene des Fräsers (siehe Abbildung 5). β bezeichnet den Winkel zwischen der Ebene durch den Mittelpunkt und die Mittellinie des Meißels und der Arbeitsebene des Fräsers (siehe Abbildung 6). Vorstudien und umfassende Anwendungsanalysen haben gezeigt, dass Schnittwinkel und Seitenwinkel von PDC-Fräsern die Lebensdauer und Bohrleistung des Meißels direkt beeinflussen können. Das Design des Meißels muss daher an unterschiedliche Bohrformationen angepasst werden. Die Gestaltung des Schnittwinkels beeinträchtigt die Bohrleistung erheblich oder führt sogar zu gar keiner Bohrung. Ist der Schnittwinkel zu klein, neigt die PDC-Schneide zum Brechen und für andere Probleme. Bei der Auswahl des Parameterschemas sollte das Bohrerdesign umfassend berücksichtigt werden, indem ein moderater Schnittwinkel und Seitenwinkel anstelle eines zufälligen Designs gewählt wird.
(2) Neben der Optimierung des Schneidwinkels des Meißels ist auch die Optimierung der PDC-Schneider unerlässlich. Die Qualität der PDC-Schneider beeinflusst maßgeblich die Qualität von PDC-Meißeln im Bergbau, da sie direkt deren Schneidleistung und Lebensdauer bestimmt. Ein entscheidender Faktor zur Verbesserung der PDC-Qualität ist die Beseitigung von Eigenspannungen an der Verbindungsfläche zwischen Diamantschicht und Hartmetallmatrix. Untersuchungen zeigen, dass die maximale Spannung bei PDC-Schneidern mit planarer Grenzflächenstruktur nahe beiden Seiten dieser Grenzfläche konzentriert ist, wobei die höchsten Zug- und Scherspannungen am Rand der Diamantschicht auftreten. Zugspannung kann zu anormalen Brüchen in PDC führen, während Scherspannungen eine Hauptursache für Delamination in PDC-Schneidern sind.
(3) Neben der Beseitigung von Eigenspannungen in PDC-Fräsern können Nachbehandlungen deren Qualität weiter verbessern. Zu den wichtigsten Oberflächenbehandlungsverfahren zählen derzeit Diamantschleifen, Kantenfasen und Formbearbeitung. Die Auswahl der PDC-Fräser kann anhand der tatsächlichen Arbeitsbedingungen optimiert werden.
2.2 Sinnvolle Auswahl von Bohrern
Derzeit werden in den meisten Bergbaugebieten PDC-Bohrer für Tiefbohrarbeiten eingesetzt, die überwiegend ein dreiflügeliges konkaves Design aufweisen. Die Auswahl dieser Bohrer ist jedoch oft begrenzt und es fehlt eine Klassifizierung, was zu einem Einheitsansatz führt, der den spezifischen Anforderungen verschiedener Schichten nicht ausreichend gerecht wird. Dies ist besonders problematisch unter komplexen Formationsbedingungen, wo herkömmliche konkave Bohrer keine zufriedenstellende Leistung erbringen, was zu einer verkürzten Lebensdauer und einer verringerten Bohrleistung führt. Solche Ineffizienzen treiben nicht nur die Produktionskosten in die Höhe, sondern können auch Baupläne stören und erhebliche wirtschaftliche Verluste verursachen. Daher ist es wichtig, geeignete Bohrer auszuwählen, die auf unterschiedliche Formationsbedingungen zugeschnitten sind.
PDC-Bohrer für den Bergbau lassen sich je nach Material des Bohrkörpers in zwei Haupttypen unterteilen: Stahlbohrer und Reifenbohrer. Bohrkörper aus Stahl werden vorwiegend mechanisch bearbeitet, wodurch sie eine gute Zähigkeit aufweisen und sich daher für konventionelle Formationsbohrungen eignen. Reifenbohrer hingegen werden mithilfe von Pulvermetallurgieverfahren gesintert und bieten eine hohe Verschleißfestigkeit, die ideal für das Bohren in hartem Gestein oder längere Bohrarbeiten ist. Zudem lassen sich Bohrer in verschiedene Strukturen unterteilen, darunter innen konkav, bogenförmig, flachbündig, Schaberbohrer und weitere, wie in Abbildung 7 dargestellt. 1. Die konkave Struktur des konkaven Bohrers verbessert den Begradigungseffekt beim konventionellen Formationsbau; 2. Die verteilte Zahnanordnung des bogenförmigen Bohrers führt zu einer höheren Zahndichte und verbesserten Bohrleistung in mittelharten Schichten und darüber; 3. Die Lippenform des flachbündig verlaufenden Bohrers ist nahezu flach, wodurch seine Seitenkanten geschärft werden und ein Schrägstellen erleichtert wird – diese Bauweise wird hauptsächlich beim Richtbohren verwendet; ④Der Schaberbohrer weist typischerweise eine konische Struktur auf, die für größere Aggressivität sorgt und hauptsächlich in weichen Schichten oder Kohleflözkonstruktionen eingesetzt wird.
Die aktuellen PDC-Bohrer für den Bergbau wurden zusammen mit den Auswahlkriterien für PDC-Bohrer unter verschiedenen Arbeits- und Formationsbedingungen zusammengefasst und organisiert, wie in Tabelle 1 als Referenz dargestellt.
3. Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Mining-PDC-Bits
Neben der sorgfältigen Auswahl von Bohrern ist der richtige Einsatz dieser Werkzeuge ebenso wichtig. Angesichts der anspruchsvollen Baubedingungen in Kohlebergwerken fällt es den Arbeitern oft schwer, die Betriebsrichtlinien für PDC-Bohrer strikt einzuhalten, was häufig zu Bohrerversagen aufgrund unsachgemäßer Handhabung führt. Um die Bohrleistung zu steigern, erhöhen manche Bergbaugebiete das Bohrergewicht während des Bohrens unkontrolliert, was zu vorzeitigem Bohrerversagen führt. Der richtige Einsatz von PDC-Bohrern kann deren Leistung optimieren und die Produktionskosten senken. Beachten Sie beim Einsatz von PDC-Bohrern Folgendes:
(1) Achten Sie auf die Abstufungsbeziehung zwischen PDC-Bohrer und Bohrwerkzeug und stellen Sie sicher, dass ein Bohrrohr mit großem Durchmesser nicht mit einem Bohrrohr mit zu kleinem Durchmesser und ein Bohrrohr mit kleinem Durchmesser nicht mit einem Bohrer mit großem Durchmesser kombiniert wird.
(2) Die optimale Vorgehensweise besteht darin, für den Nestbau einen speziellen Lochbohrer oder einen alten Bohrer zu verwenden und dabei sicherzustellen, dass beim Bohren die Nähe von Spurrandbolzen, Ankerkabeln und ähnlichen Hindernissen vermieden wird.
(3) Bei der Durchführung von Bohrarbeiten ist eine Regelung des Förderdrucks unbedingt erforderlich, um Unfälle durch zu hohen Druck im Bohrloch zu vermeiden.
(4) Bitte verwenden Sie das Wasserbohrverfahren und vermeiden Sie Trocken- oder Druckluftbohren. Stellen Sie vor Beginn des Druckbohrens eine ausreichende Wasserzirkulation im Bohrloch sicher, um mögliche Verbrennungen am Bohrgrund zu vermeiden.
(5) Achten Sie beim Entfernen des Bohrers darauf, dass der PDC-Fräser nicht eingeklemmt oder angeschlagen wird. Achten Sie außerdem darauf, nicht gegen die Schneide des Bohrers zu schlagen.
4. Fazit
Der sichere und effiziente, umweltschonende Kohleabbau ist seit jeher ein zentrales Thema der Kohleindustrie. Der effektive Einsatz von PDC-Bohrern für Untertagebohrungen in Kohlebergwerken ist von großer Bedeutung. Diese Arbeit analysiert die Ausfallarten von PDC-Bohrern und erläutert die Hauptursachen für verschiedene Ausfallarten. Sie schlägt optimale Design- und Auswahlstrategien für Bohrer unter verschiedenen Arbeitsbedingungen und geologischen Formationen vor und fasst die Vorsichtsmaßnahmen für deren Einsatz zusammen. Damit bietet sie eine Grundlage für die optimierte Auswahl und Anwendung von PDC-Bohrern. Die sorgfältige Auswahl und der richtige Einsatz von PDC-Bohrern maximieren deren Effektivität, minimieren Ressourcenverschwendung und verbessern Sicherheit, Effizienz und Umweltfreundlichkeit im Kohlebergbau.