Selección óptima de brocas PDC para la minería de carbón

La construcción de pozos es un método técnico ampliamente utilizado para el control de gases, la prevención de daños por agua y la exploración geológica en minas de carbón, lo cual desempeña un papel crucial para garantizar la seguridad y la eficiencia de la producción de carbón. En China, se perforan anualmente decenas de millones de metros de pozos en minas de carbón. El proceso de construcción requiere el apoyo de equipos de perforación como perforadoras, tubos de perforación y brocas. Entre ellos, las perforadoras son herramientas esenciales para la perforación directa de pozos y la rotura de rocas.

La lámina compuesta de diamante policristalino (PDC) se utiliza ampliamente en brocas de minería debido a su excepcional resistencia al desgaste y su encomiable tenacidad al impacto.Brocas PDCexhiben una vida útil de perforación prolongada y una mayor eficiencia de penetración cuando se emplean en formaciones rocosas de dureza media y baja, produciendo así beneficios económicos sustanciales en las operaciones de perforación de minas de carbón. En comparación con la perforación de petróleo, la perforación de minas de carbón posee los atributos técnicos de ser rentable, eficiente en el tiempo y de diseño denso. En consecuencia, los requisitos generales para las brocas PDC no son excesivamente exigentes.

Los desafíos actuales que enfrenta la mineríaBrocas PDCIncluyen: ① El umbral de entrada para las brocas PDC para minería es relativamente bajo, con una multitud de fabricantes que ofrecen distintos niveles de calidad. ② Los usos y requisitos de la perforación subterránea en minas de carbón presentan disparidades evidentes, mientras que la clasificación de las brocas PDC para minería es compleja y diversa. Además, existe una falta de especificaciones de selección sistemáticas y racionales en el proceso de utilización posterior. ③ Con la creciente prevalencia de estratos duros complejos en las minas de carbón, las brocas PDC para minería convencionales no cumplen con los requisitos de construcción para una perforación in situ eficiente, lo que resulta en casos de progreso lento o incluso la ausencia total de metraje. ④ Debido a las difíciles condiciones de construcción en la mina de carbón, el cumplimiento estricto de los procedimientos de perforación por parte del personal de construcción a veces puede ser difícil.

Con el fin de mejorar la eficacia operativa de la mineríaBrocas PDCEste artículo ofrece un análisis exhaustivo de los principales modos de fallo e investiga las causas subyacentes de cada tipo de fallo. Además, se proponen recomendaciones prácticas para la selección prudente y el uso responsable de estas brocas.

1. Análisis de la forma y las causas de la falla de las brocas PDC en la minería

Actualmente, los componentes de las brocas de PDC para minería consisten principalmente en el cuerpo de la broca, los cortadores de PDC, las aleaciones de calibre y otras piezas, como se muestra en la Figura 1. Los cortadores de PDC y las aleaciones de calibre se sueldan al cuerpo de la broca para garantizar su fijación segura. Durante las operaciones de perforación regulares, la varilla de perforación transmite torque y presión de avance al fondo del pozo, donde se acopla con la broca. El proceso de corte de roca se logra mediante el uso de cortadores de PDC en la broca. Además, las aleaciones de calibre protegen contra el desgaste excesivo al proteger la integridad circunferencial del cuerpo de la broca. Sin embargo, cabe destacar que diversos factores, como las fuerzas complejas ejercidas sobre el cortador en el fondo del pozo durante el corte de roca con una broca de PDC, los cambios en las características de la formación, la selección de técnicas y equipos de construcción, la competencia operativa del personal involucrado en las actividades de construcción, junto con las medidas de control de calidad de las propias brocas, pueden afectar significativamente la efectividad de la aplicación, lo que provoca diversas formas de falla en estas brocas. A través de una investigación realizada en sitios de perforación de minas de carbón, hemos resumido y analizado diferentes modos de falla y las principales causas asociadas con ellos.Brocas PDC.

1.1 La falla de la fresa de PDC ocurre cuando este se sinteriza a alta temperatura y presión. La lámina compuesta consta de dos componentes principales: una capa de diamante y una matriz de carburo, como se ilustra en la Figura 2.

Los principales modos de falla de los cortadores PDC incluyen desgaste normal, desprendimiento, colapso de la cuchilla y delaminación.

(1) Desgaste normal

El fenómeno del desgaste normal es un tipo de daño típico que ocurre en los cortadores de PDC durante el proceso de corte de roca, caracterizado principalmente por una pérdida de molienda macroscópica significativa tanto en la capa de diamante como en la matriz de carburo cementado de los cortadores, sin rastros aparentes de agrietamiento en la superficie de molienda.

(2) Caída de fichas

El fenómeno de caída de viruta ocurre cuando las fresas de PDC se desprenden del cuerpo de la broca, lo que provoca su falla. La característica más destacada es la completa separación de las fresas de PDC del cuerpo de la broca, sin que se encuentren residuos de aleación en la cavidad donde se realiza la soldadura entre el cuerpo de la broca y las fresas de PDC.

Factores principales que contribuyen al deterioro de la película que se cae:

① La elevada temperatura en el fondo del pozo dificulta la construcción de la perforación en seco o la formación de tapones de agua durante el proceso de perforación, además de dificultar el enfriamiento oportuno de los cortadores de PDC en la perforadora durante el corte rotatorio de roca a alta velocidad. En consecuencia, se produce un aumento significativo de la temperatura en el fondo del pozo, que puede superar la temperatura crítica de la soldadura y provocar su fusión y el posterior desprendimiento de los cortadores de PDC.

② El control del proceso de soldadura de perforación no es lo suficientemente riguroso. En el procedimiento de soldadura, la limpieza previa al soldar es deficiente, las soldaduras defectuosas o la gestión inadecuada de los gases de escape, y la temperatura de conservación del calor es excesiva o el tiempo de soldadura es insuficiente, lo que puede provocar el desprendimiento de la broca. Además de exigir a los fabricantes que regulen estrictamente el proceso de producción (en especial el proceso de soldadura con cortador PDC) para garantizar soldaduras completas y sólidas, también es necesario aclarar el procedimiento de construcción de la perforación, optando por la perforación con agua siempre que sea posible y evitando la perforación en seco. Para la perforación de agujeros profundos, se debe asegurar el retorno del agua antes de añadir la varilla. Además, antes de insertar la broca en el fondo del agujero, es fundamental comprobar si hay obstrucciones para evitar bloqueos.

(3) Rotura de la cuchilla

La fractura de la capa de diamante en los cortadores de PDC representa un modo de falla frecuente paraBrocas PDCUn rasgo característico de este modo de fallo es la ruptura localizada de la capa de diamante, que en algunos casos produce una rotura simultánea junto con la matriz de carburo.

Las principales causas de rotura de la broca PDC:

① El cortador seleccionado, basándose en las características inherentes del cortador PDC, presenta baja resistencia al impacto. La resistencia combinada del carburo de tungsteno (WC) y el micropolvo de diamante es insuficiente, lo que lo hace propenso a fallar bajo la tensión de la fragmentación de la roca.

② Factores relacionados con el proceso de construcción indican que la presión en la obra es excesiva. La presión ejercida por el cortador de PDC sobre la broca excede significativamente su límite de presión, lo que provoca el desprendimiento de la capa de diamante y el posterior colapso del filo.

③ Los factores relacionados con las formaciones complejas indican que durante la construcción de formaciones duras y fracturadas, la carga de impacto en los cortadores de PDC excede su tenacidad al impacto, lo que puede provocar el colapso del filo.

④ El diseño del ángulo de corte de la broca es inadecuado, ya que no se ajusta al principio de que una formación más dura requiere un ángulo de corte mayor. En la construcción de formaciones duras, un ángulo de corte menor puede generar una fuerza excesiva sobre el cortador de PDC, lo que finalmente provoca el colapso del filo.

⑤ Otros factores indican que la disposición de los pernos de soporte y los cables de anclaje en las vías subterráneas hace que la broca sea muy susceptible al colapso al chocar con estos elementos. Para evitar el fallo de la broca, es fundamental no solo seguir estrictamente los parámetros del proceso descritos en el manual de instrucciones de perforación, sino también diseñar y seleccionar la broca según las condiciones de la formación. En concreto, al perforar en formaciones duras, se aconseja aumentar el ángulo de corte de la broca adecuadamente, reducir su agresividad y mejorar su protección. Además, se recomienda seleccionar cortadores de PDC con mayor tenacidad al impacto al perforar en formaciones fracturadas duras o al modificar la forma externa de la capa de diamante del cortador para mejorar la tenacidad al impacto; por ejemplo, los cortadores de PDC curvos generalmente presentan una mejor resistencia al impacto que los planos. Asimismo, se debe implementar una distribución razonable de los barrenos durante la construcción para evitar perforar en pernos y cables de anclaje.

(4) Delaminación

La delaminación se refiere al desprendimiento de la capa de diamante de la matriz de carburo cementado en láminas compuestas de PDC, como se ilustra en la Figura 3.

La principal causa de delaminación en la capa de diamante de los cortadores de PDC es la considerable tensión residual presente entre la capa de diamante y la matriz de carburo cementado, sumada a una diferencia significativa en sus coeficientes de expansión térmica. Durante el corte de roca, la capa de diamante y la matriz de carburo cementado experimentan una contracción asincrónica debido a las tensiones térmicas generadas por el calor por fricción y el enfriamiento de los fluidos de lavado. La carga de impacto resultante y la tensión residual provocan el desprendimiento de la capa de diamante de la matriz de carburo, lo que finalmente provoca la falla de la broca. Para mitigar la delaminación, es esencial seleccionar materiales de unión y tecnologías de procesamiento adecuados que aborden la tensión residual entre estos dos componentes durante la fabricación. Además, el diseño de una nueva forma de interfaz para la matriz puede mejorar las propiedades de unión entre la capa de diamante y la matriz de carburo cementado.

1.2 La falla del cuerpo de la broca se caracteriza principalmente por fracturas de las hojas en el cuerpo de la broca, como se ilustra en la Figura 4.

 

La fractura de la cuchilla del cuerpo de la broca se produce principalmente en la broca del cuerpo, mientras que en la broca de acero es poco frecuente. Las causas de la fractura de la cuchilla son las siguientes: 1. Golpear la cuchilla al desenroscarla, ya que la corona se sinteriza mediante un proceso de pulvimetalurgia. En comparación con las brocas de acero convencionales, la broca del cuerpo de la broca tiene una mayor resistencia al desgaste, pero la tenacidad del material del cuerpo se reduce consecuentemente, lo que facilita la rotura de la cuchilla al desenroscarla. 2. El control del proceso de sinterización de la broca no es estricto, ya que el cuerpo sinterizado se arrastra y el polvo metálico no forma una aleación. Para evitar la rotura de la cuchilla, se recomienda al usuario utilizar herramientas como alicates dentales para sujetar el grillete al desenroscar la broca y evitar así golpear la cuchilla. En segundo lugar, los fabricantes deben controlar estrictamente la calidad del cuerpo sinterizado, no solo el proceso de sinterización. pero también monitorear el polvo metálico de vez en cuando para garantizar que el polvo cumpla con los requisitos del proceso.

2. Diseño optimizado y selección razonable de brocas PDC para minería

2.1 Diseño de optimización de la broca

(1) Para la forma de falla de la broca, es necesario optimizar su estructura desde el diseño de la broca. Los principales parámetros de diseño de la broca PDC incluyen el ángulo de corte α, el ángulo lateral β y el ángulo azimutal γ. etc. γ se refiere al ángulo entre la línea de referencia de orientación de los dientes PDC y la línea central de la broca. α se refiere al ángulo entre la línea de referencia de orientación del diente PDC y el plano de trabajo del cortador, como se muestra en la Figura 5. β se refiere al ángulo entre el plano que pasa por el punto central y la línea central de la broca y el plano de trabajo del cortador, como se muestra en la Figura 6. La investigación preliminar y el análisis exhaustivo de la aplicación muestran que el ángulo de corte y el ángulo lateral de los cortadores PDC pueden afectar directamente la vida útil y la eficiencia de perforación de la broca. y es necesario optimizar el diseño de la broca de acuerdo con las diferentes formaciones de perforación. El diseño del ángulo de corte afectará en gran medida la eficiencia de perforación. o incluso ninguna metraje en absoluto; Si el ángulo de corte es demasiado pequeño, el filo de corte PDC es propenso a romperse y otros fenómenos. Por lo tanto. El diseño de la broca debe considerarse de forma exhaustiva al seleccionar el esquema de parámetros, eligiendo un ángulo de corte y un ángulo lateral moderados en lugar de un diseño aleatorio.

(2) Además de optimizar el ángulo de corte de la broca, es fundamental optimizar también las fresas de PDC. La calidad de las fresas de PDC influye significativamente en el rendimiento de corte y la vida útil de las brocas de PDC para minería, ya que determina directamente su rendimiento de corte y su vida útil. Un factor crucial para mejorar la calidad del PDC es la eliminación de la tensión residual en la interfaz de unión entre la capa de diamante y la matriz de carburo cementado. Las investigaciones indican que la tensión máxima en las fresas de PDC con una estructura de interfaz plana se concentra cerca de ambos lados de esta interfaz, con picos de tensión y cizallamiento en el borde de la capa de diamante. La presencia de tensión de tracción puede provocar fracturas anormales en las fresas de PDC, mientras que la tensión de cizallamiento es una de las principales causas de delaminación en las fresas de PDC.

(3) Además de eliminar la tensión residual en las fresas de PDC, los tratamientos secundarios pueden mejorar aún más su calidad. Actualmente, los principales métodos de tratamiento superficial incluyen el rectificado de superficies con diamante, el biselado de cantos y el mecanizado de formas. La selección de fresas de PDC puede optimizarse en función de las condiciones reales de trabajo.

2.2 Selección razonable de brocas

Actualmente, las brocas de PDC utilizadas en la perforación de fondo de pozo en la mayoría de las áreas mineras presentan predominantemente un diseño cóncavo de tres alas. Sin embargo, la selección de estas brocas suele ser limitada y carece de clasificación, lo que resulta en un enfoque universal que no aborda adecuadamente los requisitos específicos de los diferentes estratos. Esto es particularmente problemático en condiciones de formación complejas, donde las brocas cóncavas convencionales tienen dificultades para ofrecer un rendimiento satisfactorio, lo que reduce su vida útil y la eficiencia de la perforación. Estas ineficiencias no solo incrementan los costos de producción, sino que también pueden interrumpir los cronogramas de construcción y generar pérdidas económicas significativas. Por lo tanto, es esencial seleccionar brocas adecuadas para las diferentes condiciones de la formación.

Las brocas PDC para minería se pueden clasificar en dos tipos principales según el material del cuerpo: tipo acero y tipo neumático. Los cuerpos de las brocas tipo acero se procesan principalmente mediante métodos mecánicos, lo que proporciona una buena tenacidad que las hace adecuadas para las operaciones de perforación de formaciones convencionales. Por el contrario, los cuerpos de las brocas tipo neumático se sinterizan mediante procesos de pulvimetalurgia, lo que ofrece una alta resistencia al desgaste ideal para la perforación de roca dura o tareas de perforación prolongadas. Además, las brocas se pueden clasificar en varias estructuras, incluyendo cóncava interna, esquina de arco, fondo plano, raspador y otras, como se ilustra en la Figura 7. ① El diseño de la estructura cóncava de la broca cóncava mejora los efectos de enderezamiento durante la construcción de formaciones convencionales; ② La disposición dispersa de los dientes de la broca de arco da como resultado una mayor densidad de dientes y una mejor eficiencia de perforación cuando se trabaja con estratos de dureza media y superiores; ③ La forma del labio de la broca de fondo plano es casi plana, lo que afila sus bordes laterales para facilitar el sesgo; este diseño se utiliza predominantemente para aplicaciones de perforación direccional; ④La broca raspadora generalmente presenta una estructura cónica que proporciona mayor agresividad y se emplea principalmente en construcciones de estratos blandos o vetas de carbón.

Se han resumido y organizado las brocas PDC de minería actuales, junto con los criterios de selección de brocas PDC en diversas condiciones de trabajo y formación, como se presenta en la Tabla 1 como referencia.

3. Precauciones al usar brocas PDC para minería

Además de seleccionar cuidadosamente las brocas, es igualmente crucial utilizarlas correctamente. Dadas las difíciles condiciones de construcción en las minas de carbón, los trabajadores a menudo tienen dificultades para cumplir estrictamente las directrices operativas de las brocas PDC, lo que resulta en frecuentes fallos de las brocas debido a un manejo inadecuado. En un esfuerzo por mejorar la eficiencia de la perforación, algunas zonas mineras pueden aumentar indiscriminadamente el peso de la broca durante las operaciones, lo que provoca fallos prematuros. El uso correcto de las brocas PDC puede optimizar su rendimiento y reducir los costos de producción. Se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones al utilizar brocas PDC:

(1) Preste atención a la relación de clasificación entre la broca PDC y la herramienta de perforación, asegurándose de que la tubería de perforación de diámetro grande no coincida con una tubería de perforación de diámetro demasiado pequeño, y que la tubería de perforación de diámetro pequeño no coincida con una broca de diámetro grande.

(2) El enfoque óptimo es utilizar un taladro especializado o una broca vieja para la construcción del nido, al tiempo que se garantiza que el proceso de perforación evite la proximidad de pernos laterales del carril, cables de anclaje y obstrucciones similares.

(3) Durante las operaciones de perforación, es esencial regular la presión de alimentación para evitar accidentes causados ​​por presión excesiva dentro del pozo.

(4) Utilice la técnica de perforación con agua limpia, evitando la perforación en seco o con aire a presión. Antes de comenzar la perforación a presión, asegúrese de que el agua circule adecuadamente dentro del pozo para evitar posibles incendios en su base.

(5) Al retirar la broca, evite sujetar o golpear la fresa PDC. Además, tenga cuidado de no golpear la cuchilla de la broca.

4. Conclusión

La minería ecológica, segura y eficiente del carbón ha sido un tema central defendido por la industria carbonífera. El uso eficaz de brocas PDC para operaciones de perforación subterránea en minas de carbón reviste una importancia crucial. Este artículo analiza los modos de fallo de las brocas PDC para minería, dilucidando las principales causas de las diversas formas de fallo. Propone estrategias óptimas de diseño y selección de brocas en diferentes condiciones de trabajo y formaciones geológicas, a la vez que resume las precauciones para su uso, proporcionando así una referencia para una mejor selección y aplicación de brocas PDC para minería. La selección acertada y el uso adecuado de las brocas PDC para minería pueden maximizar su eficacia, minimizar el desperdicio de recursos y mejorar la seguridad, la eficiencia y las prácticas respetuosas con el medio ambiente en la minería del carbón.