Den Code des Hartgesteinsbohrens knacken: Die bahnbrechende DTH-Technologie.

Je nach den geologischen Bedingungen des Baugebiets gibt es vier Hauptbohrmethoden, die üblicherweise von Bohrgeräten verwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

a. Pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Drehköpfe in Kombination mit Schlaggeräten übertragen Rotations- und Schlagenergie durch die Oberseite desBohrgestänge, wobei die Energie über Stoßwellen im Bohrgestänge an den Bohrmeißel übertragen wird. Diese Methode ist auf kleine Durchmesser und geringe Tiefen beschränkt und wird im Allgemeinen in Steinbrüchen, auf Baustellen und im Untertagebergbau eingesetzt.

B.Imlochhämmer (DTH) befinden sich am unteren Ende des Bohrstrangs. Druckluft gelangt durch den Bohrstrang in den DTH und treibt einen Kolben in eine Hin- und Herbewegung, die direkt auf den Bohrer trifft und die Schlagenergie auf das Gestein überträgt. Dieses System weist minimale Leistungsverluste auf und eignet sich besonders für tiefe Löcher, gerade Löcher und mittelhartes Gestein.

C.Rückspülbohrungen (RC-Bohrungen)nutzt DTH zur Entnahme und zum Transport von Gesteinsproben direkt an der Bohrkrone. Trockenes und unverunreinigtes Bohrklein wird durch das Mittelrohr des DTH in ein Probenentnahmegerät geleitet und für die geologische Analyse vorbereitet.

d. Ein von Hydraulik- oder Elektromotoren angetriebenes Getriebe bildet einen rotierenden Antriebskopf, der über ein auf dem Bohrgerät auf und ab bewegliches Vorschubsystem und ein dickwandiges Bohrgestänge ausreichend Vorschubkraft auf den Dreikegelbohrer ausübt. Dieses Verfahren wird für weicheres Gestein oder stark zerklüftetes Hartgestein verwendet.

 

1. Prinzipien und Merkmale von DTH

Die mit DTH erbohrten Formationen umfassen nahezu alle magmatischen, metamorphen und Sedimentgesteine ​​mittlerer und höherer Härte. DTH eignet sich besonders gut für das Bohren von hartem Gestein und zähen Schichten, da hartes Gestein spröde ist. Unter Schlagbelastung entstehen Brüche nicht nur an der direkten Aufprallstelle, sondern auch eine Bruchzone, die zu größeren Gesteinsfragmenten führt. Dadurch ist die Bohrgeschwindigkeit im Vergleich zum reinen Drehbohren deutlich höher. Das mechanische Modell in Abbildung 2 veranschaulicht die verschiedenen Belastungen, die beim Schlagdrehbohren auf das Gestein wirken.

                                                             

Darüber hinaus ist das DTH-Bohrverfahren (Down-the-Hole) besonders effektiv in Formationen, die anfällig für Bohrlochabweichungen sind, wie z. B. in Schichten mit gut entwickelter Schichtung und Schieferung oder in Gesteinsschichten mit ungleichmäßiger Härte und vielen Brüchen. Es kann Bohrlochabweichungen deutlich reduzieren und auch Schwierigkeiten beim Bohren durch Kiesschichten und Geröllschichten überwinden.

 

Das DTH-Bohrverfahren wurde im späten 19. Jahrhundert entwickelt und hat eine über hundertjährige Geschichte. Obwohl es viele verschiedene DTH-Bohrertypen gibt, haben sie eines gemeinsam: Schlagwerk und Bohrmeißel werden in das Bohrloch eingetaucht und durch Rotation und Schlag das Gestein zertrümmert. Die zur Erzeugung der Schlagkraft verwendeten Geräte lassen sich nach ihrer Antriebsart in pneumatische, hydraulische, Öldruck-, elektrische und mechanische Geräte unterteilen.

 

Da die Schlagenergie bei der Übertragung erheblich verloren geht und die betroffenen Komponenten erheblich beschädigen kann, ist es bei Tiefbohrungen in der Regel erforderlich, dass das Gerät mit dem Bohrwerkzeug in das Bohrloch eindringt, damit die Schlagkraft direkt auf den Bohrmeißel oder das Kernrohr wirken kann. Dies minimiert den Energieverlust bei der Übertragung, verbessert die Energieeffizienz und verringert die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen der Bohrlochausrüstung.

Pneumatisches DTH, auch als luftbetriebenes DTH bekannt, gibt es in vielen Strukturtypen und Klassifizierungsmethoden.

- Nach Druckstufe: Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdrucktypen.

- Nach der Gesamtstruktur: nicht durchgehende und durchgehende Typen.

- Nach Ventilfunktionsprinzip: Regelventiltyp, Freiventiltyp und Hybridventiltyp.

- Nach Kolbenstruktur: Kolben mit gleichem Durchmesser, Kolben mit ungleichem Durchmesser und Tandemkolbentypen.

Nach Luftverteilungstyp: DTH mit Ventil und DTH ohne Ventil. DTH mit Ventil kann in Plattenventile, Scheibenventile und Zylinderventile unterteilt werden, während DTH ohne Ventil in die Ausführungen mit Mittelstangenauslass, Kolbenluftverteilung und kombinierte Luftverteilung durch Kolben, Zylinder und Mittelstange unterteilt werden kann.

- Durch Lochreinigung und Schlackenentladungsmethode: Mittellochreinigung, Frontlochreinigung und Seitenlochreinigung.

2. Bestimmung der Strukturschemata für Aufprallmechanismen

2.1 Kolben-Selbstgasversorgungs-Nichtventil-Schlagmechanismus

Dieser Schlagmechanismus nutzt hauptsächlich die Gaskanäle im Kolben selbst zur Gaszufuhr. Dies führt zu einer komplexen Kolbenstruktur mit zahlreichen Gaskanälen, was die Kolbenfestigkeit und -lebensdauer verringert. Dieser Schlagmechanismus integriert jedoch die inneren und äußeren Zylinder, wodurch die effektive Arbeitsfläche des Kolbens vergrößert und die Schlagenergie des Mechanismus erhöht wird.

2.2 Kolben und Zylinder Kombinierte Gasversorgung Schlagmechanismus ohne Ventil

Dieser Typ zeichnet sich durch eine einfache Struktur aus, die leicht herzustellen ist, eine längere Kolbenlebensdauer hat und bei der sich die Gaslöcher sowohl am Zylinder als auch am Kolben befinden. Diese Struktur wird im Ausland häufig verwendet.

2.3 Mittelrohr-Gasversorgungsmechanismus ohne Ventil

Bei diesem Mechanismus sind die Luftansaugkanäle für die obere und untere Kammer auf dem kreisförmigen Rohr angeordnet, auf dem der Kolben gleitet. Dies erfordert eine hohe Fertigungspräzision und hat eine relativ kurze Lebensdauer des Mittelrohrs.

2.4 Seitlicher Auspuff-Schlagmechanismus

Beim sogenannten Seitenauslass tritt der Abgasweg aus dem Zylinderkörper aus, anstatt durch die Mitte des Bohrers zum Bohrlochgrund zu verlaufen. Diese Art von Schlagwerk weist typischerweise viele Ansaug- und Auspuffwege am Zylinderkörper auf, was zu geringer struktureller Festigkeit, der Gefahr von Längsermüdungsrissen und erheblichem Luftdruckverlust führt. Dies führt zu einer unzureichenden Bohrkleinentfernung und Kühlung des Bohrers.

2.5 Zentralauspuff-Schlagmechanismus

Dieser Schlagmechanismus befördert Späne und Gase direkt vom Bohrerzentrum zum Bohrlochgrund. Der direkte Luftstrom verbessert nicht nur die Späneentfernung, sondern auch die Bohrleistung und Kühlung und verlängert so die Lebensdauer des Bohrers. Bei diesem Konstruktionstyp werden die zahlreichen Längsnuten im Innenzylinder von seitlichen Ausblas-Schlagmechanismen durch eine Ringnut ersetzt, wodurch die Spannungskonzentration im Innenzylinder deutlich reduziert wird. Diese Konstruktion hat sich in den letzten Jahren weit verbreitet.

Kolbenschlagwerk der Serie 2.6

Das Reihenkolbenschlagwerk, auch Doppelkolben-(Kopf-)Impaktor genannt, unterteilt den Zylinder mithilfe eines Isolierrings in zwei Kammern. Diese Konstruktion ermöglicht es beiden Kolbenflächen, gleichzeitig innerhalb desselben Bohrungsdurchmessers zu arbeiten, was zu einer höheren Schlagkraft und Schlagfrequenz führt. Entsprechend ist ein doppeltes Abgassystem vorhanden, das Gesteinsmehl effektiv vom Bohrlochboden entfernt. Die Hauptnachteile sind jedoch die komplexe Struktur und die hohe Präzision bei der Bearbeitung der Teile. Beispielsweise weist der Kolben bis zu fünf Passflächen mit zugehörigen Komponenten auf, was seine Anwendung und Verbreitung einschränkt. Daher wird bei dieser Konstruktion die zweite Option gewählt, nämlich das ventillose Schlagwerk mit kombinierter Gaszufuhr für Kolben und Zylinder. Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt.

3.Theoretische Analyse und relevante Berechnungen für DTH

3.1 Auswahl der Betriebsparameter**

3.1.1 Hammerlänge und -gewicht: Der vorläufige Entwurf sieht eine Länge von weniger als 4500 mm und ein Gewicht von weniger als 2500 kg vor.

3.1.2 Hammerdurchmesser: Der passende Hammerdurchmesser wird anhand des Bohrdurchmessers ermittelt und auf 540 mm festgelegt.

3.1.3 Bohrdurchmesser: Hiermit ist der Durchmesser des Pfahllochs gemeint, der in der Regel zwischen 550 mm und 600 mm liegt.

3.1.4 Bohrtiefe: Je nach Anforderungen an die Pfahlkonstruktion beträgt diese typischerweise zwischen mehreren Dutzend Metern und einhundert Metern.

3.1.5 Bohrgeschwindigkeit: Beim DTH-Bohren wird im Allgemeinen mit niedriger Drehzahl gearbeitet, typischerweise zwischen 7 und 25 U/s.

3.1.6 Rotationsdrehmoment: Das maximale Drehmoment für diese Konstruktion ist auf 150 kN·m festgelegt.

 

3.2 Berechnung der Designparameter

Die Konstruktionsparameter für DTH, insbesondere die Leistungsparameter der DTH-Schlaggeräte, dienen als Grundlage für die Maschinenkonstruktion und definieren die Leistung der hergestellten Geräte.

3.2.1 Auslegungsdruck P für Schlaggeräte

In China wird ein Druck von 0,49 MPa (ca. 5 × 10^5 Pa) häufig als Konstruktionsstandard für pneumatische Schlaggeräte gewählt. Da es sich bei dem DTH dieser Bauart um ein ventilloses Schlaggerät mit großem Bohrdurchmesser und schwerem Kolben handelt, steigert ein höherer Luftdruck die Leistung zusätzlich. Zudem werden zunehmend Hochdruckkompressoren eingesetzt, und gemäß der internationalen Norm ISO 5941-1979 wird ein Auslegungsdruck von 1,6 MPa gewählt.

3.2.2 Schlagkraft

Bei DTH-Bohrungen mit großem Durchmesser kann die Aufprallenergie erheblich schwanken. Die Aufprallenergie für diese Konstruktion wird wie folgt berechnet:

                                                 

3.2.3 Stoßfrequenz

Bei konstanter Schlagenergie ist die Schlagfrequenz im Allgemeinen proportional zur Ausgangsleistung des Impaktors. Bei festem Zylinderdurchmesser erfordert eine Erhöhung der Schlagfrequenz jedoch eine Reduzierung des Kolbenhubs, was wiederum die Einzelschlagleistung verringert. Sobald die Einzelschlagleistung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, führt eine Erhöhung der Frequenz nicht mehr zu zufriedenstellenden Ergebnissen beim Gesteinsbrechen. Daher ist die Wahl der Schlagfrequenz durch die Schlagleistung bestimmt.

Bei pneumatischen DTH-Schlagbohrern mit einem Auslegungsdruck von 0,5 MPa sollte die Frequenz 16,8 Hz nicht überschreiten. Da die DTH-Schlagbohrer mit Auslegungsdrücken zwischen 0,5 und 2,5 MPa betrieben werden, kann die Schlagfrequenz erheblich variieren. Die anfängliche Frequenz des Schlagbohrers lässt sich wie folgt berechnen:

f = 10,4 + 7,6P

(2) wobei P der Versorgungsdruck des Systems ist. Für diese Auslegung ist P = 1,6 MPa, daher:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Strukturparameterdesign

Zu den wichtigsten Strukturparametern des DTH gehören Zylinderbohrungsdurchmesser, Kolbenhub und Kolbenabmessungen. Eine Vergrößerung des Zylinderdurchmessers kann sowohl die Schlagkraft als auch die Schlagfrequenz erhöhen, daher sollte der Durchmesser im Rahmen der Baugröße maximiert werden. Typischerweise sollte der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser des DTH und dem Bohrungsdurchmesser nicht weniger als 15 bis 20 mm betragen, und die Außenhülle des DTH sollte nicht zu dünn sein. Daher liegt das Verhältnis von DTH-Zylinderdurchmesser zu Bohrdurchmesser in der Regel über 0,5.

3.3.1 Arbeitsdurchmesser des Zylinders und Strukturhub

Der Arbeitsdurchmesser D des Zylinders kann wie folgt berechnet werden:

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

Bei dieser Konstruktion beträgt D (Bohrung) = 600 mm, daher wird D mit 360 mm angenommen. Der Strukturhub S wird empirisch mit S = 500 mm angenommen.

3.3.2 Kolbenmasse

Die radialen Abmessungen des Kolbens werden durch die Größe und Struktur des Zylinders bestimmt, sodass Kolben mit gleichem oder unterschiedlichem Durchmesser möglich sind. Die linearen Abmessungen hängen vom Gewicht des Kolbens ab, das wiederum mit der Geschwindigkeit zusammenhängt, mit der er auf den Bohrer trifft. Daher ist die Bestimmung der strukturellen Abmessungen des Kolbens ein komplexer Aspekt der DTH-Konstruktion. Die Masse des DTH-Kolbens lässt sich wie folgt abschätzen:

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

Dabei ist m die Kolbenmasse in kg; D der Arbeitsdurchmesser des Zylinders in cm.

Einsetzen von D = 36 ergibt: m = 540 kg.

Der DTH besteht im Wesentlichen aus einer Drehmomentübertragungsstruktur und einem pneumatischen Schlagwerk. Die Drehmomentübertragungsstruktur verbindet Bohrstange und DTH und überträgt rotierende Schneid- und Zugkräfte. Das pneumatische Schlagwerk erzeugt einen Schlag und überträgt axiale Kraft auf den Schlagbohrer. Spezifische Strukturdetails sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Drehmomentübertragungsstruktur verbindet Bohrstange und Impaktor. Das obere Gelenk ist über Rohrgewinde mit Bohrstange und Impaktor verbunden, um primär die Gasdichtheit zu gewährleisten und gleichzeitig Drehmoment und Zugkraft zu übertragen. Das federgesteuerte Rückschlagventil verhindert das Eindringen von Schlamm und Wasser in Impaktor und Bohrstange. Der Lufteinlasssitz mit der Gaszufuhrstange leitet Druckluft in den Zylinder und erleichtert so die Gaszufuhr in Verbindung mit Zylinder und Kolben, wodurch eine kombinierte Gaszufuhr erreicht wird. Der Federsicherungsring verhindert, dass der Kolben beim Bohrerwechsel aus dem Zylinder rutscht.

3.4 Finite-Elemente-Analyse des DTH-Bohrers

Der DTH-Bohrer ist den Stoßkräften des Kolbens und dem Drehmoment des Antriebskopfes ausgesetzt. Die von der Druckluft auf den Kolben ausgeübte Kraft ergibt sich aus:

F = P × S (5)

Dabei ist P der Systemdruck in Pa; S die Kraftfläche des Kolbens in m².

Somit ist F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Daher beträgt die Schlagkraft auf den Bohrer:

F' = kF (6)

Dabei ist k der Stoßkoeffizient; F ist die von der Druckluft auf den Bohrer ausgeübte Kraft in N. Somit ist F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Das vom Antriebskopf auf den DTH-Bohrer ausgeübte Drehmoment beträgt N = 150 kN. Unter Anwendung von F' = 2688 kN und N = 150 kN auf den Bohrer, während dessen untere Stirnfläche fixiert wird, und unter Verwendung von QT500-7-Material mit einer Streckgrenze von 320 MPa wird eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Die spezifischen Belastungs- und Randbedingungen sowie die Netzaufteilung sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt.

Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse sind in Abbildung 6 dargestellt und zeigen, dass die maximale Spannung 144,355 MPa beträgt, was weniger als die Streckgrenze von QT500-7 (320 MPa) ist und somit die Anforderungen erfüllt.