Hard Rock Drilling koodi murdmine: mängu muutev DTH-tehnoloogia.
Vastavalt ehituspiirkonna geoloogilistele tingimustele on puurplatvormidel tavaliselt neli peamist puurimismeetodit, nagu on näidatud joonisel 1.
a. Pneumaatilised või hüdrauliliselt käitatavad pöördpead koos löögiseadmetega edastavad pöörlemis- ja löögienergiat läbi ülaosapuurtoru, andes puurtorusse energiat puurtoru lööklainete kaudu. See meetod on piiratud väikese läbimõõdu ja madala sügavusega ning seda kasutatakse tavaliselt karjäärides, ehitusplatsidel ja allmaakaevandustes.
b.Down-The-Hole (DTH) haamrid asuvad puurnööri allosas. Suruõhk siseneb DTH-sse läbi puurnööri, ajades kolvi edasi-tagasi liikumisega, mis mõjutab otseselt puuri otsakut, kandes löögienergia kivimile. Sellel süsteemil on minimaalne võimsuskadu ja see sobib eriti hästi sügavate aukude, sirgete aukude ja keskmise kõvaduse kivide jaoks.
c.Pöördringlus (RC) puuriminekasutab DTH-d kivimiproovide kogumiseks ja transportimiseks puuri otsast. Kuivad ja saastamata pistikud suunatakse DTH kesktoru kaudu proovikogumisseadmesse, valmistudes geoloogiliseks analüüsiks.
d. Hüdrauliliste või elektrimootoritega käitatav käigukast moodustab pöörleva jõupea, rakendades puurseadmel üles-alla liikuva etteandesüsteemi ja paksuseinalise puurtoru kaudu kolme koonusega puurile piisava etteandejõu. Seda meetodit kasutatakse pehmemate kivimite või tugevate liigestega kõvade kivimite puhul.
- DTH põhimõtted ja omadused
DTH-ga puuritud moodustised on peaaegu täielikult võimelised hõlmama kõiki tardkivimeid, moondekivimeid ja settekivimeid, mis on keskmise kõvadusega või kõvemad. DTH on eriti kasulik kõvade kivimite ja sitkete kihtide puurimisel, kuna kõva kivi kipub olema rabe. Löögikoormuste korral ei teki murdumised mitte ainult otseses löögikohas, vaid tekitavad ka purunenud tsooni, mille tulemuseks on suuremad kivikillud. Seega on puurimiskiirus puhta rotaatorpuurimisega võrreldes oluliselt kiirem. Joonisel 2 kujutatud mehaaniline mudel illustreerib erinevaid koormusi, mis kivile mõjuvad löökpöördpuurimise ajal.
Lisaks on DTH (Down-the-Hole) puurimine ülitõhus puuraugude kõrvalekallete tekkele kalduvate moodustiste puhul, nagu näiteks hästi arenenud aluskihi ja lehestikuga kihid või ebaühtlase kõvaduse ja paljude murdudega kivimikihid. See võib oluliselt vähendada puuraugu kõrvalekaldeid ja ületada ka raskusi kruusakihtide ja rändrahnude puurimisel.
DTH-puurimine töötati välja 19. sajandi lõpus ja selle ajalugu on üle sajandi. Kuigi DTH-puure on mitut tüüpi, on neil ühine joon: nii löögimehhanism kui ka puuriotsak on sukeldatud puurauku, kusjuures pöörlemine kombineeritakse löögiga, et kivi murda. Löögijõu tekitamiseks kasutatavad seadmed võib nende juhtimismeetodi järgi liigitada pneumaatiliseks, hüdrauliliseks, õlisurveks, elektriliseks ja mehaaniliseks tüübiks.
Kuna löögienergia kaotab ülekande ajal märkimisväärselt ja see võib tekitada löögile sattunud komponente oluliselt kahjustada, on sügavamate puurimistoimingute puhul tavaliselt nõutav, et seade siseneks puuritööriistaga puurauku, et väljundjõud saaks mõjuda otse puuri otsale või südamiku silindrile. See minimeerib energiakadu ülekande ajal, parandab energiatõhusust ja vähendab puurkaevude seadmete rikete tõenäosust.
Pneumaatiline DTH, tuntud ka kui õhuga juhitav DTH, on saadaval paljudes struktuuritüüpides ja klassifitseerimismeetodites.
- Surveklassi järgi: kõrgsurve, keskmise rõhu ja madala rõhu tüübid.
- Üldstruktuuri järgi: mitte-läbi- ja läbiva tüübid.
- Klapi tööpõhimõtte järgi: juhtklapi tüüp, vaba klapi tüüp ja hübriidklapi tüüp.
- Kolvi struktuuri järgi: võrdse läbimõõduga kolb, ebavõrdse läbimõõduga kolb ja tandemkolvitüübid.
- Õhujaotuse tüübi järgi: ventiiliga DTH ja klapita DTH. Ventiiliga DTH saab jagada plaatventiili, ketasklapi ja silindrilise ventiili tüüpideks, samas kui klapita DTH võib jagada keskvarda väljalasketüübiks, kolvi õhujaotustüübiks ja kombineeritud õhujaotuseks kolvi, silindri ja keskvarda järgi.
- Aukude pesemise ja räbu väljutamise meetodi järgi: keskmiste avade pesemine, eesmiste avade pesu ja külgmiste avade pesu.
2. Mõjumehhanismi struktuuriskeemide kindlaksmääramine
2.1 Kolvi omagaasivarustuse mitte-klapi kokkupõrkemehhanism
Seda tüüpi löögimehhanismid kasutavad gaasivarustuseks peamiselt kolvis endas olevaid gaasikäike, mille tulemuseks on mitmete gaasikanalitega keeruline kolvi struktuur, mis vähendab kolvi tugevust ja eluiga. See löögimehhanism ühendab aga sisemise ja välimise silindri, suurendades kolvi efektiivset tööpiirkonda ja suurendades mehhanismi löögienergiat.
2.2 Kolvi ja silindri kombineeritud gaasivarustuse mitteklapiline kokkupõrkemehhanism
Sellel tüübil on lihtne konstruktsioon, mida on lihtne valmistada, kolvi eluiga on pikem ja gaasiavad asuvad nii silindril kui ka kolvil. Seda struktuuri kasutatakse laialdaselt välismaal.
2.3 Kesktoru gaasivarustuse mitteklapiline löökmehhanism
Selles mehhanismis on ülemise ja alumise kambri õhu sisselaskekanalid paigutatud ringikujulisele torule, kus kolb libiseb. See nõuab suurt tootmistäpsust ja selle kesktoru eluiga on suhteliselt lühike.
2.4 Külgmise väljalaske löögimehhanism
Nn külgmine väljalaskesüsteem tähendab, et heitgaaside tee väljub silindri korpusest, mitte ei kulge läbi puuri keskosa augu põhja. Seda tüüpi löökmehhanismidel on tavaliselt silindri korpusel palju sisse- ja väljalaskeradasid, mis põhjustavad kehva konstruktsioonitugevuse, pikisuunaliste väsimuspragude tekkimise ja õhurõhu märkimisväärse kaotuse, mille tulemuseks on ebaoptimaalne prahi eemaldamine ja puuritera jahutamine.
2.5 Keskmise väljalaskelöögi mehhanism
Seda tüüpi löökmehhanism ajab prahi ja gaasi otse puuri keskelt augu põhja. Otsene õhuvool mitte ainult ei suurenda prahi eemaldamise tõhusust, vaid parandab ka puurimistõhusust ja jahutust, pikendades puuri eluiga. See konstruktsioonitüüp asendab arvukad pikisuunalised sooned külgmiste väljalaskelöögimehhanismide sisesilindris rõngakujulise soonega, vähendades oluliselt pinge kontsentratsiooni sisemises silindris. Sellest on viimastel aastatel saanud laialt levinud struktuur.
2.6 seeria kolvi löögimehhanism
Seeria kolvi löökmehhanism, tuntud ka kui kahe kolviga (peaga) löökkatsekeha, jagab silindri isolatsioonirõnga abil kaheks kambriks. See disain võimaldab mõlemal kolvipinnal töötada samaaegselt sama ava läbimõõduga, mille tulemuseks on suurem löögijõud ja suurem löögisagedus. Vastavalt on kahekordne väljalaskesüsteem, mis eemaldab augu põhjast tõhusalt kivipulbri. Selle peamiseks puuduseks on aga keeruline struktuur ja vajadus detailide töötlemise suure täpsuse järele; näiteks on kolvil kuni viis ühenduspinda koos seotud komponentidega, mis piirab selle kasutamist ja edendamist. Seetõttu kasutatakse selles konstruktsioonis teist võimalust, milleks on kolvi ja silindri kombineeritud gaasivarustusega mitteklapiline löökmehhanism. Selle struktuur on näidatud joonisel 3.
3. DTH teoreetiline analüüs ja asjakohased arvutused
3.1 Tööparameetrite valimine**
3.1.1 Haamri pikkus ja kaal: Eelprojekti järgi on pikkus alla 4500 mm ja kaal alla 2500 kg.
3.1.2 Haamri läbimõõt: Sobiv haamri läbimõõt määratakse kindlaks puurimise läbimõõdu põhjal, mis on seatud 540 mm.
3.1.3 Puurimise läbimõõt: see viitab vaia augu läbimõõdule, tavaliselt vahemikus 550–600 mm.
3.1.4 Puurimissügavus: vaiade projekteerimisnõuete kohaselt jääb see tavaliselt mitmekümne meetri ja saja meetri vahele.
3.1.5 Puurimiskiirus: DTH-puurimine töötab üldiselt madalatel pöörlemiskiirustel, tavaliselt vahemikus 7–25 r/s.
3.1.6 Pöördemoment: selle konstruktsiooni maksimaalne pöördemoment on 150 kN·m.
3.2 Projekteerimisparameetrite arvutamine
DTH konstruktsiooniparameetrid, täpsemalt DTH löögiseadmete jõudlusparameetrid, on masina projekteerimise aluseks ja määratlevad valmistatud seadmete jõudluse.
3.2.1 Löökseadmete projekteeritud rõhk P
Hiinas on pneumaatiliste löökseadmete konstruktsioonistandardiks laialdaselt valitud rõhk 0,49 MPa (ligikaudu 5 × 10^5 Pa). Arvestades, et selle konstruktsiooni DTH on suure puurimisdiameetri ja raske kolviga klapita löökseade, suurendab kõrgem õhurõhk veelgi jõudlust. Lisaks on kõrgsurveõhukompressorid üha levinumad ja vastavalt rahvusvahelisele standardile ISO 5941-1979 valitakse projekteerimisrõhk 1,6 MPa.
3.2.2 Löögijõud
Suure läbimõõduga aukude puurimiseks kasutatava DTH puhul võib kavandatud löögienergia oluliselt kõikuda. Selle konstruktsiooni löögienergia arvutatakse järgmiselt:
3.2.3 Löögisagedus
Üldiselt on konstantse löögienergia korral löögisagedus võrdeline löökkatsekeha väljundvõimsusega. Kui aga silindri läbimõõt on fikseeritud, nõuab löögisageduse suurendamine kolvi käigu vähendamist, mis omakorda vähendab ühe löögi võimsust. Kui ühe löögi võimsus langeb alla teatud läve, ei anna sageduse suurendamine rahuldavaid kivide purustamise tulemusi. Seega piirab löögisageduse valikut löögi võimsus.
Pneumaatilise DTH puhul, mis töötab disainirõhul 0,5 MPa, ei tohiks sagedus ületada 16,8 Hz. Kuna DTH töötab projekteeritud rõhul vahemikus 0,5–2,5 MPa, võib löögisagedus oluliselt erineda. Löökkatsekeha sageduse esialgse valiku saab arvutada järgmiselt:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) kus P on süsteemi toiterõhk. Selle konstruktsiooni puhul P = 1,6 MPa, seega:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Struktuuriparameetrite kavandamine
DTH peamised konstruktsiooniparameetrid hõlmavad silindri ava läbimõõtu, kolvikäiku ja kolvi mõõtmeid. Silindri läbimõõdu suurendamine võib suurendada nii löögi võimsust kui ka sagedust, seega tuleks läbimõõtu maksimeerida konstruktsiooni suuruse piires. Tavaliselt ei tohiks DTH välisläbimõõdu ja ava läbimõõdu vahe olla väiksem kui 15–20 mm ning DTH väliskest ei tohiks olla liiga õhuke. Seetõttu on DTH-silindri läbimõõdu ja puurimise läbimõõdu suhe üldiselt üle 0,5.
3.3.1 Silindri tööläbimõõt ja konstruktsioonikäik
Silindri tööläbimõõdu D saab arvutada järgmiselt:
D = K × D (ava) = (0,57–0,68) × D (ava) (3)
Selle konstruktsiooni puhul D(ava) = 600 mm, seega D on 360 mm. Konstruktsioonikäik S on empiiriliselt võetud kui S = 500 mm.
3.3.2 Kolvi mass
Kolvi radiaalsed mõõtmed on piiratud silindri suuruse ja struktuuriga, võimaldades kas võrdse või erineva läbimõõduga kolbe. Lineaarsed mõõtmed sõltuvad kolvi kaalust, mis on seotud ka kiirusega, mis sellel on puuri otsalöömisel. Seetõttu on kolvi konstruktsioonimõõtmete määramine DTH projekteerimise keeruline aspekt. DTH-kolvi massi saab hinnata järgmiselt:
m = 0,0205D^2,84 (4)
kus m on kolvi mass kilogrammides; D on silindri tööläbimõõt sentimeetrites.
D = 36 asendamine annab: m = 540 kg.
DTH koosneb peamiselt pöördemomendi ülekandestruktuurist ja pneumaatilisest löögimehhanismist. Pöördemomendi ülekandestruktuur ühendab puurvarda ja DTH-d, edastades pöörlevaid lõike- ja tõmbejõude; pneumaatiline löökmehhanism tekitab löögi, andes löökpuuri otsale aksiaalse jõu. Konkreetsed struktuuri üksikasjad on näidatud joonisel 3.
Pöördemomendi ülekandekonstruktsioon ühendab puurvarda ja löökkatsekeha. Ülemine liigend ühendub puurvarda ja löökkatsekehaga läbi torukeermete, eelkõige selleks, et tagada gaasitihedus, edastades samal ajal ka pöördemomenti ja tõmbejõudu. Tagasilöögiklapp takistab muda ja vee sattumist löökkatsekehasse ja puurvardasse, mida juhib vedru. Õhu sisselaskepesa koos gaasi etteandevardaga juhib silindrisse suruõhku, hõlbustades gaasivarustust koos silindri ja kolviga, saavutades seeläbi kombineeritud gaasivarustuse. Vedrukaitserõngas hoiab ära kolvi silindrist välja libisemise puuriotsaku vahetamisel.
3.4 DTH puuri lõplike elementide analüüs
DTH-puurile avaldavad kolvist lähtuvad löögijõud ja ajamipea pöördemoment. Suruõhu poolt kolvile avaldatav jõud saadakse järgmiselt:
F = P × S (5)
kus P on süsteemi rõhk Pa; S on kolvi jõu pindala m².
Seega F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Seetõttu on puurile mõjuv löögijõud:
F' = kF (6)
kus k on löögikoefitsient; F on suruõhu poolt puurile avaldatav jõud N-is. Seega F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Ajamipea poolt DTH-puurile rakendatav pöördemoment on N = 150 kN. Rakendades puurile F' = 2688 kN ja N = 150 kN puuri alumise otsapinna fikseerimise ajal ning kasutades QT500-7 materjali voolavuspiiriga 320 MPa, tehakse lõplike elementide analüüs. Konkreetsed koormus- ja piirangutingimused ning võrgusilmade jaotus on näidatud joonistel 4 ja 5.
Lõplike elementide analüüsi tulemused on toodud joonisel 6, mis näitab, et maksimaalne pinge on 144,355 MPa, mis on väiksem kui QT500-7 voolavuspiir (320 MPa), seega vastab nõuetele.