Σπάζοντας τον κώδικα της διάτρησης σκληρού βράχου: Η τεχνολογία DTH που αλλάζει το παιχνίδι.
Σύμφωνα με τις γεωλογικές συνθήκες της περιοχής κατασκευής, υπάρχουν τέσσερις κύριες μέθοδοι γεώτρησης που χρησιμοποιούνται συνήθως από γεωτρήσεις, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.
ένα. Περιστροφικές κεφαλές με πνευματική ή υδραυλική κίνηση σε συνδυασμό με εξοπλισμό κρούσης μεταδίδουν ενέργεια περιστροφής και κρούσης μέσω της κορυφής τουσωλήνα τρυπανιού, παρέχοντας ενέργεια στο τρυπάνι μέσω κρουστικών κυμάτων στον σωλήνα του τρυπανιού. Αυτή η μέθοδος περιορίζεται σε μικρές διαμέτρους και μικρά βάθη και χρησιμοποιείται γενικά σε λατομεία, εργοτάξια και υπόγειες εξορυκτικές εργασίες.
σι.Σφυριά Down-The-Hole (DTH). βρίσκονται στο κάτω μέρος της σειράς τρυπανιού. Ο πεπιεσμένος αέρας εισέρχεται στο DTH μέσω της χορδής του τρυπανιού, οδηγώντας ένα έμβολο σε παλινδρομική κίνηση που προσκρούει άμεσα στο τρυπάνι, μεταφέροντας ενέργεια κρούσης στο βράχο. Αυτό το σύστημα έχει ελάχιστη απώλεια ισχύος και είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για βαθιές τρύπες, ευθείες τρύπες και πετρώματα μέτριας σκληρότητας.
ντο.Διάτρηση αντίστροφης κυκλοφορίας (RC).χρησιμοποιεί DTH για τη συλλογή και τη μεταφορά δειγμάτων πετρωμάτων από την επιφάνεια του τρυπανιού. Τα ξηρά και μη μολυσμένα μοσχεύματα μεταφέρονται μέσω του κεντρικού σωλήνα του DTH σε μια συσκευή συλλογής δειγμάτων, προετοιμάζοντας για γεωλογική ανάλυση.
ρε. Ένα κιβώτιο ταχυτήτων που κινείται από υδραυλικούς ή ηλεκτρικούς κινητήρες σχηματίζει μια περιστρεφόμενη κεφαλή ισχύος, εφαρμόζοντας επαρκή δύναμη τροφοδοσίας στο τρυπάνι τριών κώνων μέσω ενός συστήματος τροφοδοσίας που κινείται πάνω-κάτω στο γεωτρύπανο και έναν σωλήνα διάτρησης με παχύ τοίχωμα. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για πιο μαλακά πετρώματα ή σκληρά πετρώματα με ισχυρές αρθρώσεις.
- Αρχές και Χαρακτηριστικά της ΔΘ
Οι σχηματισμοί που έχουν διατρηθεί με DTH είναι σχεδόν εξ ολοκλήρου ικανοί να περιλαμβάνουν όλα τα πυριγενή πετρώματα, τα μεταμορφωμένα πετρώματα και τα ιζηματογενή πετρώματα που είναι μέτριας σκληρότητας ή σκληρότερα. Το DTH είναι ιδιαίτερα πλεονεκτικό για τη διάτρηση σκληρού βράχου και σκληρών στρωμάτων επειδή το σκληρό βράχο τείνει να είναι εύθραυστο. Κάτω από φορτία κρούσης, τα σπασίματα όχι μόνο συμβαίνουν στο σημείο της άμεσης πρόσκρουσης αλλά δημιουργούν επίσης μια σπασμένη ζώνη, με αποτέλεσμα μεγαλύτερα θραύσματα βράχου. Έτσι, η ταχύτητα διάτρησης είναι σημαντικά μεγαλύτερη σε σύγκριση με την καθαρή περιστροφική διάτρηση. Το μηχανικό μοντέλο στο Σχήμα 2 απεικονίζει τα διάφορα φορτία που ασκούνται στο βράχο κατά τη διάρκεια της κρουστικής περιστροφικής διάτρησης.
Επιπλέον, η γεώτρηση DTH (Down-the-Hole) είναι εξαιρετικά αποτελεσματική σε σχηματισμούς επιρρεπείς σε απόκλιση γεώτρησης, όπως στρώματα με καλά ανεπτυγμένη στρώση και φύλλωμα ή στρώματα βράχου με ανομοιόμορφη σκληρότητα και πολλά σπασίματα. Μπορεί να μειώσει σημαντικά την απόκλιση της γεώτρησης και επίσης να ξεπεράσει τις δυσκολίες στη γεώτρηση μέσω στρωμάτων χαλικιού και λίθων.
Η γεώτρηση DTH αναπτύχθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα και έχει ιστορία πάνω από έναν αιώνα. Αν και υπάρχουν πολλοί τύποι τρυπανιών DTH, μοιράζονται ένα κοινό χαρακτηριστικό: τόσο ο μηχανισμός κρούσης όσο και το τρυπάνι βυθίζονται στη γεώτρηση, με περιστροφή σε συνδυασμό με κρούση για να σπάσει ο βράχος. Ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για τη δημιουργία της δύναμης κρούσης μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ανάλογα με τη μέθοδο οδήγησης σε πνευματικούς, υδραυλικούς, τύπους πίεσης λαδιού, ηλεκτρικούς και μηχανικούς.
Δεδομένου ότι η ενέργεια κρούσης υφίσταται σημαντική απώλεια κατά τη μετάδοση και μπορεί να προκαλέσει σημαντική ζημιά στα κρουσμένα εξαρτήματα, απαιτείται γενικά σε εργασίες βαθύτερης διάτρησης ο εξοπλισμός να εισέρχεται στη γεώτρηση με το εργαλείο διάτρησης, έτσι ώστε η δύναμη πρόσκρουσης εξόδου να μπορεί να δράσει απευθείας στο τρυπάνι ή στην κάννη του πυρήνα. Αυτό ελαχιστοποιεί την απώλεια ενέργειας κατά τη μετάδοση, βελτιώνει την ενεργειακή απόδοση και μειώνει την πιθανότητα αστοχιών του εξοπλισμού κάτω από την οπή.
Το πνευματικό DTH, γνωστό και ως air-driven DTH, διατίθεται σε πολλούς δομικούς τύπους και μεθόδους ταξινόμησης.
- Ανά κατηγορία πίεσης: τύποι υψηλής πίεσης, μέσης πίεσης και χαμηλής πίεσης.
- Κατά συνολική δομή: μη διαμπερείς και διαμέσου τύπων.
- Σύμφωνα με την αρχή λειτουργίας της βαλβίδας: τύπος βαλβίδας ελέγχου, τύπος ελεύθερης βαλβίδας και τύπος υβριδικής βαλβίδας.
- Κατά δομή εμβόλου: έμβολο ίσης διαμέτρου, έμβολο άνισης διαμέτρου και τύποι διαδοχικών εμβόλων.
- Ανά τύπο διανομής αέρα: DTH με βαλβίδες και DTH χωρίς βαλβίδες. Το DTH με βαλβίδες μπορεί να υποδιαιρεθεί σε τύπους βαλβίδας πλάκας, δισκοβαλβίδας και κυλινδρικής βαλβίδας, ενώ το DTH χωρίς βαλβίδα μπορεί να χωριστεί σε τύπο εξάτμισης κεντρικής ράβδου, τύπο διανομής αέρα εμβόλου και συνδυασμένη κατανομή αέρα ανά έμβολο, κύλινδρο και κεντρική ράβδο.
- Με μέθοδο πλύσης με τρύπα και εκκένωσης σκωρίας: πλύσιμο με κεντρική τρύπα, πλύση με μπροστινή τρύπα και πλύση με πλάγια τρύπα.
2. Καθορισμός Δομικών Σχεδίων Μηχανισμού Επιπτώσεων
2.1 Μηχανισμός κρούσης χωρίς βαλβίδα παροχής αυτοαερίου εμβόλου
Αυτός ο τύπος μηχανισμού κρούσης χρησιμοποιεί κυρίως τις διόδους αερίου στο ίδιο το έμβολο για παροχή αερίου, με αποτέλεσμα μια πολύπλοκη δομή εμβόλου με πολλά κανάλια αερίου, που μειώνει την αντοχή και τη διάρκεια ζωής του εμβόλου. Ωστόσο, αυτός ο μηχανισμός κρούσης ενσωματώνει τους εσωτερικούς και εξωτερικούς κυλίνδρους, αυξάνοντας την αποτελεσματική επιφάνεια εργασίας του εμβόλου και ενισχύοντας την ενέργεια κρούσης του μηχανισμού.
2.2 Μηχανισμός κρούσης χωρίς βαλβίδες συνδυασμένης παροχής αερίου εμβόλου και κυλίνδρου
Αυτός ο τύπος διαθέτει μια απλή δομή που είναι εύκολη στην κατασκευή, έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του εμβόλου και οι οπές αερίου βρίσκονται τόσο στον κύλινδρο όσο και στο έμβολο. Αυτή η δομή χρησιμοποιείται ευρέως στο εξωτερικό.
2.3 Μηχανισμός κρούσης χωρίς βαλβίδα παροχής αερίου κεντρικού σωλήνα
Σε αυτόν τον μηχανισμό, οι δίοδοι εισαγωγής αέρα για τον επάνω και τον κάτω θάλαμο διατάσσονται στον κυκλικό σωλήνα όπου ολισθαίνει το έμβολο. Απαιτεί υψηλή ακρίβεια κατασκευής και έχει σχετικά μικρή διάρκεια ζωής για τον κεντρικό σωλήνα.
2.4 Μηχανισμός κρούσης πλευρικής εξάτμισης
Η λεγόμενη πλευρική εξάτμιση σημαίνει ότι η διαδρομή των καυσαερίων εξέρχεται από το σώμα του κυλίνδρου αντί να διέρχεται από το κέντρο του τρυπανιού προς το κάτω μέρος της οπής. Αυτός ο τύπος μηχανισμού κρούσης έχει συνήθως πολλές διαδρομές εισαγωγής και εξαγωγής στο σώμα του κυλίνδρου, οδηγώντας σε κακή δομική αντοχή, πιθανότητα διαμήκους ρωγμών κόπωσης και σημαντική απώλεια πίεσης αέρα, με αποτέλεσμα την απομάκρυνση των υπολειμμάτων και τα αποτελέσματα ψύξης για το τρυπάνι.
2.5 Μηχανισμός κρούσης κεντρικής εξάτμισης
Αυτός ο τύπος μηχανισμού κρούσης αποβάλλει τα συντρίμμια και τα αέρια απευθείας από το κέντρο του τρυπανιού στο κάτω μέρος της οπής. Η άμεση ροή αέρα όχι μόνο ενισχύει την απόδοση απομάκρυνσης των υπολειμμάτων, αλλά βελτιώνει επίσης την απόδοση και την ψύξη του τρυπήματος, παρατείνοντας τη διάρκεια ζωής του τρυπανιού. Αυτός ο δομικός τύπος αντικαθιστά τις πολυάριθμες διαμήκεις αυλακώσεις στον εσωτερικό κύλινδρο των πλευρικών μηχανισμών κρούσης καυσαερίων με ένα δακτυλιοειδές αυλάκι, μειώνοντας σημαντικά τη συγκέντρωση τάσης στον εσωτερικό κύλινδρο. Έχει γίνει μια ευρέως διαδεδομένη δομή τα τελευταία χρόνια.
Μηχανισμός κρούσης εμβόλου σειράς 2.6
Ο μηχανισμός κρούσης εμβόλου σειράς, γνωστός και ως κρουστικός εκκρεμές διπλού εμβόλου (κεφαλής), χωρίζει τον κύλινδρο σε δύο θαλάμους χρησιμοποιώντας έναν δακτύλιο απομόνωσης. Αυτός ο σχεδιασμός επιτρέπει και στις δύο όψεις του εμβόλου να λειτουργούν ταυτόχρονα εντός της ίδιας διαμέτρου οπής, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ισχύ κρούσης και υψηλότερη συχνότητα κρούσης. Αντίστοιχα, υπάρχει ένα σύστημα διπλής εξάτμισης που αφαιρεί αποτελεσματικά τη σκόνη βράχου από το κάτω μέρος της τρύπας. Ωστόσο, το κύριο μειονέκτημά του είναι η πολύπλοκη δομή του και η ανάγκη για υψηλή ακρίβεια στην κατεργασία εξαρτημάτων. Για παράδειγμα, το έμβολο έχει έως και πέντε επιφάνειες ζευγαρώματος με σχετικά εξαρτήματα, γεγονός που περιορίζει την εφαρμογή και την προώθησή του. Επομένως, αυτός ο σχεδιασμός υιοθετεί τη δεύτερη επιλογή, που είναι ο μηχανισμός κρούσης χωρίς βαλβίδα με συνδυασμένη παροχή αερίου με έμβολο και κύλινδρο. Η δομή του φαίνεται στο σχήμα 3.
3.Θεωρητική Ανάλυση και Σχετικοί Υπολογισμοί για ΔΘ
3.1 Επιλογή παραμέτρων λειτουργίας**
3.1.1 Μήκος και βάρος σφυριού: Η προκαταρκτική μελέτη καθορίζει μήκος μικρότερο από 4500 mm και βάρος μικρότερο από 2500 kg.
3.1.2 Διάμετρος σφυριού: Η κατάλληλη διάμετρος σφυριού προσδιορίζεται με βάση τη διάμετρο διάτρησης, που ορίζεται στα 540 mm.
3.1.3 Διάμετρος διάτρησης: Αυτό αναφέρεται στη διάμετρο της οπής του πασσάλου, γενικά μεταξύ 550 mm και 600 mm.
3.1.4 Βάθος διάτρησης: Σύμφωνα με τις απαιτήσεις σχεδιασμού πασσάλων, αυτό είναι συνήθως μεταξύ πολλών δεκάδων μέτρων και εκατό μέτρων.
3.1.5 Ταχύτητα τρυπανιού: Η γεώτρηση DTH λειτουργεί γενικά σε χαμηλές ταχύτητες περιστροφής, συνήθως μεταξύ 7 και 25 r/s.
3.1.6 Ροπή περιστροφής: Η μέγιστη ροπή για αυτόν τον σχεδιασμό ορίζεται στα 150 kN·m.
3.2 Υπολογισμός Παραμέτρων Σχεδιασμού
Οι παράμετροι σχεδιασμού για το DTH, συγκεκριμένα οι παράμετροι απόδοσης του εξοπλισμού κρούσης DTH, χρησιμεύουν ως βάση για το σχεδιασμό του μηχανήματος και καθορίζουν την απόδοση του κατασκευασμένου εξοπλισμού.
3.2.1 Πίεση σχεδιασμού P για εξοπλισμό κρούσης
Στην Κίνα, μια πίεση 0,49 MPa (περίπου 5 × 10^5 Pa) επιλέγεται ευρέως ως πρότυπο σχεδιασμού για τον πνευματικό εξοπλισμό κρούσης. Δεδομένου ότι το DTH για αυτόν τον σχεδιασμό είναι μια συσκευή κρούσης χωρίς βαλβίδα με μεγάλη διάμετρο διάτρησης και βαρύ έμβολο, η υψηλότερη πίεση αέρα θα βελτιώσει περαιτέρω την απόδοση. Επιπλέον, οι αεροσυμπιεστές υψηλής πίεσης είναι ολοένα και πιο συνηθισμένοι και σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο ISO 5941-1979, επιλέγεται πίεση σχεδιασμού 1,6 MPa.
3.2.2 Ισχύς κρούσης
Για το DTH που χρησιμοποιείται για τη διάνοιξη οπών μεγάλης διαμέτρου, η ενέργεια κρούσης σχεδιασμού μπορεί να παρουσιάζει σημαντικές διακυμάνσεις. Η ενέργεια κρούσης για αυτόν τον σχεδιασμό υπολογίζεται ως εξής:
3.2.3 Συχνότητα κρούσης
Γενικά, υπό σταθερή ενέργεια κρούσης, η συχνότητα κρούσης είναι ανάλογη με την ισχύ εξόδου του κρουστικού εκκρεμούς. Ωστόσο, όταν η διάμετρος του κυλίνδρου είναι σταθερή, η αύξηση της συχνότητας πρόσκρουσης απαιτεί μείωση της διαδρομής του εμβόλου, η οποία με τη σειρά της μειώνει την ισχύ μίας κρούσης. Μόλις η ισχύς μιας κρούσης πέσει κάτω από ένα ορισμένο όριο, η αύξηση της συχνότητας δεν θα αποφέρει ικανοποιητικά αποτελέσματα θραύσης βράχων. Έτσι, η επιλογή της συχνότητας κρούσης περιορίζεται από την ισχύ κρούσης.
Για πνευματικό DTH που λειτουργεί σε πίεση σχεδιασμού 0,5 MPa, η συχνότητα δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 16,8 Hz. Δεδομένου ότι το DTH λειτουργεί σε πιέσεις σχεδιασμού μεταξύ 0,5 και 2,5 MPa, η συχνότητα κρούσης μπορεί να ποικίλλει σημαντικά. Η αρχική επιλογή της συχνότητας του κρουστικού εκκρεμούς μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:
f = 10,4 + 7,6P
(2) όπου P είναι η πίεση τροφοδοσίας του συστήματος. Για αυτόν τον σχεδιασμό, P = 1,6 MPa, επομένως:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Σχεδιασμός δομικών παραμέτρων
Οι κύριες δομικές παράμετροι του DTH περιλαμβάνουν τη διάμετρο της οπής του κυλίνδρου, τη διαδρομή του εμβόλου και τις διαστάσεις του εμβόλου. Η αύξηση της διαμέτρου του κυλίνδρου μπορεί να βελτιώσει τόσο την ισχύ κρούσης όσο και τη συχνότητα, επομένως η διάμετρος θα πρέπει να μεγιστοποιηθεί εντός των ορίων του δομικού μεγέθους. Συνήθως, η διαφορά μεταξύ της εξωτερικής διαμέτρου του DTH και της διαμέτρου της οπής δεν πρέπει να είναι μικρότερη από 15 έως 20 mm και το εξωτερικό περίβλημα του DTH δεν πρέπει να είναι πολύ λεπτό. Επομένως, ο λόγος της διαμέτρου του κυλίνδρου DTH προς τη διάμετρο διάτρησης είναι γενικά πάνω από 0,5.
3.3.1 Διάμετρος λειτουργίας του κυλίνδρου και δομική διαδρομή
Η διάμετρος εργασίας D του κυλίνδρου μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:
D = K × D(διάτρηση) = (0,57 - 0,68) × D(διάτρηση) (3)
Για αυτό το σχέδιο, D(διάτρηση) = 600 mm, οπότε το D λαμβάνεται ως 360 mm. Η δομική διαδρομή S λαμβάνεται εμπειρικά ως S = 500 mm.
3.3.2 Μάζα εμβόλου
Οι ακτινικές διαστάσεις του εμβόλου περιορίζονται από το μέγεθος και τη δομή του κυλίνδρου, επιτρέποντας είτε ίσης είτε διαφορετικής διαμέτρου έμβολα. Οι γραμμικές διαστάσεις εξαρτώνται από το βάρος του εμβόλου, το οποίο επίσης σχετίζεται με την ταχύτητα που έχει όταν χτυπά το τρυπάνι. Επομένως, ο προσδιορισμός των δομικών διαστάσεων του εμβόλου είναι μια πολύπλοκη πτυχή του σχεδιασμού DTH. Η μάζα του εμβόλου DTH μπορεί να υπολογιστεί ως εξής:
m = 0,0205D^2,84 (4)
όπου m είναι η μάζα του εμβόλου σε kg. D είναι η διάμετρος εργασίας του κυλίνδρου σε cm.
Αντικαθιστώντας το D = 36 αποδίδει: m = 540 kg.
Το DTH αποτελείται κυρίως από μια δομή μετάδοσης ροπής και έναν πνευματικό μηχανισμό κρούσης. Η δομή μετάδοσης ροπής συνδέει τη ράβδο του τρυπανιού και το DTH, μεταδίδοντας περιστροφικές δυνάμεις κοπής και έλξης. ο πνευματικός μηχανισμός κρούσης δημιουργεί κρούση, παρέχοντας αξονική ισχύ στο κρουστικό τρυπάνι. Οι λεπτομέρειες της συγκεκριμένης δομής φαίνονται στο σχήμα 3.
Η δομή μετάδοσης της ροπής συνδέει τη ράβδο διάτρησης και το κρουστικό εκκρεμές. Η άνω άρθρωση συνδέεται με τη ράβδο διάτρησης και το κρουστικό εκκρεμές μέσω σπειρωμάτων σωλήνων, κυρίως για να διασφαλιστεί η στεγανότητα του αερίου ενώ επίσης μεταδίδεται η ροπή και η δύναμη έλξης. Η βαλβίδα αντεπιστροφής αποτρέπει την είσοδο λάσπης και νερού στο κρουστικό εκκρεμές και τη ράβδο διάτρησης, ελεγχόμενα από ένα ελατήριο. Το κάθισμα εισαγωγής αέρα με τη ράβδο παροχής αερίου λειτουργεί για την εισαγωγή πεπιεσμένου αέρα στον κύλινδρο, διευκολύνοντας την ενέργεια παροχής αερίου μαζί με τον κύλινδρο και το έμβολο, επιτυγχάνοντας έτσι συνδυασμένη παροχή αερίου. Ο δακτύλιος ασφαλείας του ελατηρίου εμποδίζει το έμβολο να γλιστρήσει έξω από τον κύλινδρο κατά την αντικατάσταση του τρυπανιού.
3.4 Ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων του τρυπανιού DTH
Το τρυπάνι DTH υπόκειται σε κρουστικές δυνάμεις από το έμβολο και ροπή από την κεφαλή κίνησης. Η δύναμη που ασκείται στο έμβολο από τον πεπιεσμένο αέρα δίνεται από:
F = P × S (5)
όπου P είναι η πίεση του συστήματος σε Pa. S είναι η περιοχή δύναμης του εμβόλου σε m².
Έτσι, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Επομένως, η δύναμη κρούσης στο τρυπάνι είναι:
F' = kF (6)
όπου k είναι ο συντελεστής πρόσκρουσης. F είναι η δύναμη που ασκείται στο τρυπάνι από τον πεπιεσμένο αέρα στο Ν. Έτσι, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Η ροπή που εφαρμόζεται στο τρυπάνι DTH από την κεφαλή κίνησης είναι N = 150 kN. Εφαρμόζοντας F' = 2688 kN και N = 150 kN στο τρυπάνι ενώ στερεώνεται η κάτω ακραία επιφάνεια του τρυπανιού και χρησιμοποιώντας υλικό QT500-7 με αντοχή διαρροής 320 MPa, πραγματοποιείται ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Οι συγκεκριμένες συνθήκες φόρτωσης και περιορισμού και η διαίρεση πλέγματος φαίνονται στα Σχήματα 4 και 5.
Τα αποτελέσματα της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων φαίνονται στο Σχήμα 6, υποδεικνύοντας ότι η μέγιστη τάση είναι 144.355 MPa, η οποία είναι μικρότερη από την αντοχή διαρροής του QT500-7 (320 MPa), καλύπτοντας έτσι τις απαιτήσεις.