انتخاب بهینه بیت های PDC برای استخراج زغال سنگ

ساخت گمانه یک روش فنی پرکاربرد برای کنترل گاز، جلوگیری از آسیب آب و اکتشافات زمین شناسی در معادن زغال سنگ است که نقش مهمی در تضمین ایمنی و کارایی تولید زغال سنگ ایفا می کند. در چین سالانه ده ها میلیون متر سوراخ حفاری در معادن زغال سنگ ایجاد می شود. فرآیند ساخت و ساز نیاز به پشتیبانی تجهیزات حفاری مانند مته ها، لوله های مته و مته ها دارد. در این میان مته ها ابزار ضروری برای ایجاد مستقیم سوراخ و شکستن سنگ ها هستند.

ورق کامپوزیت الماس کریستالی پلی کریستالی (PDC) به دلیل مقاومت در برابر سایش استثنایی و چقرمگی ضربه ستودنی آن به طور گسترده در مته های استخراج معدن استفاده می شود.بیت های PDCطول عمر حفاری طولانی‌تر و راندمان نفوذ بالا را در صورت استفاده در سازندهای سنگی با سختی متوسط ​​و پایین نشان می‌دهند، در نتیجه مزایای اقتصادی قابل توجهی در عملیات حفاری معدن زغال‌سنگ به همراه دارد. بیت های PDC بیش از حد خواستار نیستند.

چالش های فعلی در معدنبیت های PDCعبارتند از: ① آستانه ورود برای استخراج بیت‌های PDC نسبتا پایین است، با تولیدکنندگان زیادی که سطوح مختلف کیفیت را ارائه می‌دهند. ②کاربردها و الزامات حفاری زیرزمینی در معادن زغال‌سنگ تفاوت‌های آشکاری را نشان می‌دهند، در حالی که طبقه‌بندی بیت‌های PDC معدنی پیچیده و متنوع است. علاوه بر این، فقدان مشخصات انتخاب سیستماتیک و منطقی در فرآیند استفاده بعدی وجود دارد. با شیوع روزافزون لایه‌های سخت پیچیده در معادن زغال‌سنگ، بیت‌های PDC معدنی معمولی نمی‌توانند الزامات ساخت‌وساز برای حفاری کارآمد در محل را برآورده کنند، و در نتیجه مواردی از پیشرفت آهسته و یا حتی فقدان کامل شرایط ساخت و ساز به سختی انجام می‌شود. پیروی از روش های حفاری توسط پرسنل ساخت و ساز گاهی اوقات می تواند دشوار باشد.

به منظور افزایش اثربخشی عملیاتی ماینینگبیت های PDC، این مقاله تجزیه و تحلیل جامعی از حالت های خرابی اولیه ارائه می دهد و علل اساسی برای هر شکل از شکست را بررسی می کند. علاوه بر این، توصیه های عملی برای انتخاب محتاطانه و استفاده دقیق از این بیت ها پیشنهاد شده است.

1.تحلیل شکل و علل شکست بیت PDC در استخراج

در حال حاضر، اجزای بیت‌های PDC استخراج عمدتاً شامل بدنه بیت، برش‌کننده‌های PDC، آلیاژهای گیج و سایر قسمت‌هایی است که در شکل 1 نشان داده شده است. در طول عملیات حفاری منظم، میله مته، گشتاور و فشار تغذیه را به پایین سوراخ منتقل می کند، جایی که با مته درگیر می شود. فرآیند برش سنگ از طریق استفاده از برش های PDC بر روی مته انجام می شود. علاوه بر این، آلیاژهای گیج با محافظت از یکپارچگی محیطی بدنه بیت در برابر سایش بیش از حد محافظت می کنند. با این حال، باید توجه داشت که عوامل مختلفی مانند نیروهای پیچیده وارد بر کاتر در کف سوراخ در حین برش سنگ با بیت PDC، تغییرات در ویژگی‌های سازند، انتخاب تکنیک‌ها و تجهیزات ساخت‌وساز، مهارت عملیاتی پرسنل درگیر در فعالیت‌های ساخت‌وساز به همراه اقدامات کنترل کیفیت برای خود بیت‌ها می‌توانند به طور قابل‌توجهی بر اثربخشی کاربرد تأثیر بگذارند که منجر به اشکال متنوع خرابی این بیت‌ها می‌شود. از طریق تحقیقات انجام شده در سایت های حفاری معدن زغال سنگ، ما حالت های مختلف خرابی و علل اولیه مرتبط با آن را خلاصه و تجزیه و تحلیل کرده ایم.بیت های PDC.

1.1 خرابی برش PDC زمانی رخ می دهد که PDC تحت شرایط دمای بالا و فشار بالا پخته می شود. ورق کامپوزیت از دو جزء اصلی تشکیل شده است: یک لایه الماس و یک ماتریس کاربید، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.

حالت های خرابی اولیه برش های PDC شامل سایش معمولی، پوسته پوسته شدن، فروپاشی تیغه و لایه لایه شدن است.

(1) سایش و پارگی منظم

پدیده سایش معمولی نوعی آسیب معمولی است که در برش‌های PDC در طول فرآیند برش سنگ رخ می‌دهد، که در درجه اول با اتلاف قابل توجه آسیاب ماکروسکوپی در لایه الماس و ماتریس کاربید سیمانی کاترها مشخص می‌شود، بدون هیچ گونه اثر آشکاری از ترک بر روی سطح آسیاب.

(2) ریزش تراشه

پدیده ریزش تراشه زمانی اتفاق می‌افتد که برش‌های PDC از بدنه بیت جدا می‌شوند که منجر به خرابی بیت می‌شود. بارزترین مشخصه جدا شدن کامل کاترهای PDC از بدنه بیت است، بدون اینکه هیچ باقیمانده آلیاژی در گودالی که در آن جوش بین بدنه بیت و کاترهای PDC انجام می شود، یافت نشود.

عوامل اصلی در کاهش فیلم در حال سقوط:

① دمای بالا در پایین گمانه منجر به چالش هایی در فناوری ساخت حفاری خشک یا تشکیل پلاگین آب در طول فرآیند حفاری می شود، در حالی که همچنین مانع از خنک شدن به موقع برش های PDC روی مته در حین برش سنگ دوار با سرعت بالا می شود. در نتیجه، افزایش قابل توجهی در دما در پایین سوراخ وجود دارد که می تواند از دمای بحرانی لحیم کاری فراتر رود و منجر به ذوب لحیم کاری و متعاقب آن جدا شدن برش های PDC شود.

② کنترل فرآیند جوشکاری مته به اندازه کافی دقیق نیست. در روش جوشکاری، عدم تمیز کردن مناسب قبل از جوشکاری، جوش های معیوب یا مدیریت ناکافی گازهای خروجی و دمای حفظ حرارت نامعقول یا زمان ناکافی پس از جوشکاری وجود دارد که همه این موارد ممکن است منجر به جدا شدن بیت ها شود. جدا از اینکه از تولیدکنندگان می‌خواهند که فرآیند تولید (به ویژه فرآیند جوشکاری PDC) را برای اطمینان از جوش‌های کامل و جامد تنظیم کنند، همچنین لازم است که روش ساخت حفاری را با انتخاب حفاری آب در هر زمان ممکن و اجتناب از ساخت حفاری خشک روشن کنید. برای حفاری سوراخ عمیق، قبل از اضافه کردن حفاری میله ای، باید اطمینان حاصل شود که آب برمی گردد. علاوه بر این، هر بار قبل از قرار دادن مته در کف سوراخ، بررسی وجود هرگونه مانعی برای جلوگیری از انسداد ضروری است.

(3) شکستگی تیغه

شکستگی لایه الماس در برش‌های PDC نشان‌دهنده یک حالت رایج شکست برای آن استبیت های PDC. ویژگی مشخصه این حالت شکست، پارگی موضعی لایه الماس است که در برخی موارد منجر به شکستگی همزمان در کنار ماتریس کاربید می شود.

دلایل اصلی شکستن بیت PDC:

① برش انتخاب شده بر اساس ویژگی های ذاتی کاتر PDC مقاومت ضربه ای پایینی از خود نشان می دهد. استحکام ترکیبی کاربید تنگستن (WC) و ریز پودر الماس کافی نیست و آن را مستعد شکست تحت تنش تکه تکه شدن سنگ می‌کند.

② عوامل مربوط به فرآیند ساخت و ساز نشان می دهد که فشار ساخت و ساز در محل بسیار زیاد است. فشار وارد شده توسط کاتر PDC بر روی بیت به طور قابل توجهی از حد فشار کاتر فراتر می رود که منجر به پوسته شدن لایه الماس و متعاقب آن فروریختن لبه برش می شود.

③ عوامل مربوط به سازندهای پیچیده نشان می دهد که در طول ساخت سازندهای سخت شکسته، بار ضربه ای بر روی برش های PDC از چقرمگی ضربه آنها بیشتر می شود که ممکن است منجر به فروریختن لبه برش شود.

④ طراحی زاویه برش بیت ناکافی است، زیرا به این اصل پایبند نیست که تشکیل سخت تر، زاویه برش بزرگتر را ضروری می کند. در ساخت سازندهای سخت، زاویه برش کوچکتر می تواند منجر به نیروی بیش از حد بر روی کاتر PDC شود که در نهایت منجر به فروریختن لبه برش می شود.

⑤ سایر عوامل نشان می‌دهند که چیدمان پیچ‌ها و کابل‌های لنگر در جاده‌های زیرزمینی باعث می‌شود که مته در برخورد با این عناصر بسیار مستعد فرو ریختن مته باشد. برای جلوگیری از خرابی بیت، نه تنها رعایت دقیق پارامترهای فرآیند ذکر شده در دستورالعمل حفاری، بلکه همچنین طراحی و انتخاب مته بر اساس شرایط سازند ضروری است. به طور خاص، هنگام سوراخ کردن در سازندهای سخت، توصیه می شود زاویه برش مته را به طور مناسب افزایش دهید، تهاجمی آن را کاهش دهید و محافظت از بیت را افزایش دهید. علاوه بر این، انتخاب برش‌های PDC با چقرمگی ضربه بالاتر در هنگام سوراخ‌کاری در ساختارهای شکسته سخت یا تغییر شکل خارجی لایه الماسی برش برای بهبود چقرمگی ضربه توصیه می‌شود. به عنوان مثال، برش های خمیده PDC عموماً مقاومت ضربه ای بهتری نسبت به انواع تخت نشان می دهند. علاوه بر این، یک طرح معقول از سوراخ ها در طول ساخت و ساز باید اجرا شود تا از سوراخ کردن در پیچ ها و کابل های لنگر جلوگیری شود.

(4) لایه لایه شدن

لایه لایه شدن به جدا شدن لایه الماس از ماتریس کاربید سیمانی در ورق های کامپوزیت PDC، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، اشاره دارد.

علت اصلی لایه برداری در لایه الماسی برش های PDC، تنش پسماند قابل توجهی است که بین لایه الماس و ماتریس کاربید سیمانی وجود دارد، همراه با تفاوت قابل توجهی در ضرایب انبساط حرارتی آنها. در طول برش سنگ، لایه الماس و ماتریس کاربید سیمانی به دلیل تنش های حرارتی ایجاد شده توسط گرمای اصطکاکی و خنک شدن از مایعات شستشو، انقباض ناهمزمان را تجربه می کنند. بار ضربه ای و تنش پسماند منجر به کنده شدن لایه الماس از ماتریس کاربید می شود که در نهایت منجر به شکست مته می شود. برای کاهش لایه‌برداری، انتخاب مواد پیوندی مناسب و فناوری‌های پردازشی که تنش پسماند بین این دو جزء را در طول تولید برطرف می‌کند، ضروری است. علاوه بر این، طراحی یک شکل رابط جدید برای ماتریس می تواند خواص پیوند بین لایه الماس و ماتریس کاربید سیمانی را افزایش دهد.

1.2 شکست بدنه مته در درجه اول با شکستگی تیغه در بدنه مته مشخص می شود، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.

 

شکستگی تیغه بدنه بیت بیشتر در بدنه بیت و بیت بدنه فولادی به ندرت اتفاق می افتد. دلایل شکستگی تیغه بدنه بیت به شرح زیر است: ① ضربه زدن به تیغه بدنه بیت هنگام باز کردن پیچ بدنه بیت به دلیل اینکه تاج بدنه بیت در یک زمان توسط فرآیند متالورژی پودر زینتر می شود. در مقایسه با بیت بدنه فولادی معمولی. بیت بدنه بیت مقاومت سایش بالاتری دارد. اما چقرمگی مواد بدنه به همان نسبت کاهش می یابد و هنگام باز کردن پیچ بدنه بیت به راحتی می توان تیغه بدنه بیت را شکست. ② کنترل فرآیند پخت بیت سخت نیست. و بدنه بیت متخلخل حباب است و پودر فلز نمی تواند یک آلیاژ تشکیل دهد. به منظور جلوگیری از شکستن تیغه. کاربر بهتر است از ابزارهایی مانند انبردست دندان برای کمک به غل در هنگام باز کردن مته استفاده کند. به طوری که از ضربه زدن به تیغه جلوگیری شود. دوما. تولید کنندگان باید به شدت کیفیت بدنه زینتر شده را کنترل کنند. نه تنها برای کنترل دقیق فرآیند پخت. بلکه هر از گاهی بر پودر فلز نظارت کنید تا اطمینان حاصل شود که پودر الزامات فرآیند را برآورده می کند.

2. طراحی بهینه و انتخاب معقول بیت PDC استخراج

2.1 طراحی بهینه سازی مته

(1) برای شکل شکست بیت، لازم است ساختار آن از طراحی مته بهینه شود. پارامترهای اصلی طراحی بیت PDC شامل برش Angle α است. سمت زاویه β. زاویه γ. و غیره γ به زاویه بین خط مرجع جهت دندانه های PDC و خط مرکزی بیت اشاره دارد. α به زاویه بین خط مرجع جهت گیری دندان PDC و صفحه کاری کاتر اشاره دارد. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است. β به زاویه بین صفحه از نقطه مرکزی و خط مرکزی بیت و صفحه کار کاتر اشاره دارد. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. تحقیقات اولیه و تجزیه و تحلیل کاربردی جامع نشان می دهد که زاویه برش و زاویه جانبی برش های PDC می تواند به طور مستقیم بر عمر و راندمان حفاری بیت تأثیر بگذارد. و لازم است طراحی بیت با توجه به سازندهای مختلف حفاری بهینه شود. طراحی زاویه برش تا حد زیادی بر راندمان حفاری تأثیر می گذارد. یا حتی هیچ فیلمی وجود ندارد. اگر زاویه برش خیلی کوچک باشد. لبه برش PDC مستعد شکستگی و سایر پدیده ها است. بنابراین. هنگام انتخاب طرح پارامتر انتخاب زاویه برش متوسط ​​و زاویه جانبی به جای طرح تصادفی، باید طرح مته به طور جامع در نظر گرفته شود.

(2) علاوه بر بهینه سازی زاویه برش بیت، بهینه سازی برش های PDC نیز ضروری است. کیفیت برش های PDC به طور قابل توجهی بر استخراج بیت های PDC تأثیر می گذارد، زیرا به طور مستقیم عملکرد برش و طول عمر آنها را تعیین می کند. یک عامل مهم در افزایش کیفیت PDC حذف تنش پسماند در رابط پیوند بین لایه الماس و ماتریس کاربید سیمانی است. تحقیقات نشان می‌دهد که حداکثر تنش در برش‌های PDC با ساختار رابط مسطح در نزدیکی هر دو طرف این رابط متمرکز است، با حداکثر تنش‌های کششی و برشی در لبه لایه الماس. وجود تنش کششی می‌تواند منجر به شکستگی‌های غیرطبیعی در PDC شود، در حالی که تنش برشی به‌عنوان دلیل اصلی لایه‌برداری در برش‌های PDC عمل می‌کند.

(3) علاوه بر حذف تنش پسماند در برش‌های PDC، درمان‌های ثانویه می‌توانند کیفیت آنها را بیشتر افزایش دهند. در حال حاضر، روش های اولیه تصفیه سطح شامل سنگ زنی سطح الماس، پخ زدن لبه و ماشین کاری شکل است. انتخاب برش PDC را می توان بر اساس شرایط کاری واقعی بهینه کرد.

2.2 انتخاب معقول مته ها

در حال حاضر، بیت‌های PDC که در عملیات حفاری پایین سوراخ در اکثر مناطق معدن استفاده می‌شوند، عمدتاً دارای طراحی مقعر سه بال هستند. با این حال، انتخاب این بیت ها اغلب محدود است و فاقد طبقه بندی است، در نتیجه یک رویکرد یک اندازه مناسب برای همه ایجاد می شود که به اندازه کافی نیازهای خاص اقشار مختلف را برآورده نمی کند. این امر به ویژه در شرایط شکل‌گیری پیچیده، جایی که بیت‌های مقعر معمولی برای ارائه عملکرد رضایت‌بخش تلاش می‌کنند، مشکل ساز است که منجر به کوتاه شدن عمر بیت و کاهش راندمان حفاری می‌شود. چنین ناکارآمدی‌ها نه تنها هزینه‌های تولید را افزایش می‌دهند، بلکه ممکن است برنامه‌های ساخت و ساز را مختل کنند و ضررهای اقتصادی قابل توجهی را متحمل شوند. بنابراین، انتخاب مته های مناسب متناسب با شرایط سازند ضروری است.

بیت های PDC استخراج را می توان بر اساس جنس بدنه بیت به دو نوع اصلی طبقه بندی کرد: نوع فولادی و نوع تایر. بدنه‌های فولادی عمدتاً از طریق روش‌های مکانیکی پردازش می‌شوند و چقرمگی خوبی را فراهم می‌کنند که آنها را برای عملیات حفاری سازند معمولی مناسب می‌کند. در مقابل، بدنه‌های تایر از نوع متالورژی با استفاده از فرآیندهای متالورژی پودر پخته می‌شوند، که مقاومت سایش بالایی را برای حفاری سنگ سخت یا کارهای حفاری طولانی ارائه می‌دهد. بعلاوه، مته‌ها را می‌توان به ساختارهای مختلفی از جمله مقعر داخلی، گوشه قوسی، کف صاف، خراشنده و موارد دیگر طبقه‌بندی کرد. ②آرایش دندان پراکنده بیت قوس منجر به تراکم دندان بیشتر و راندمان سوراخ کاری بهتر در هنگام کار با لایه های سخت متوسط ​​و بالاتر می شود. ③ شکل لبه ی ته تخت تقریباً مسطح است که لبه های کناری آن را برای تسهیل انحراف تیز می کند - این طرح عمدتاً برای کاربردهای حفاری جهت دار استفاده می شود. ④ بیت خراش معمولاً دارای ساختار مخروطی است که تهاجمی بیشتر را ارائه می دهد و عمدتاً در لایه های نرم یا سازه های درز زغال سنگ استفاده می شود.

بیت‌های PDC استخراج کنونی، به همراه معیارهای انتخاب بیت‌های PDC در شرایط مختلف کار و شکل‌گیری، خلاصه و سازماندهی شده‌اند، همانطور که در جدول 1 برای مرجع ارائه شده است.

3. استفاده از احتیاطات بیت PDC استخراج

علاوه بر انتخاب دقیق مته ها، استفاده صحیح از این ابزارها نیز بسیار مهم است. با توجه به شرایط چالش برانگیز ساخت و ساز در معادن زغال سنگ، کارگران اغلب برای رعایت دقیق دستورالعمل‌های عملیاتی بیت PDC تلاش می‌کنند که منجر به موارد مکرر خرابی بیت‌ها به دلیل جابجایی نامناسب می‌شود. در تلاش برای افزایش راندمان حفاری، برخی از مناطق استخراج ممکن است وزن بیت را در طول عملیات به طور بی رویه افزایش دهند که منجر به شکست زودرس بیت می شود. استفاده صحیح از بیت های PDC می تواند عملکرد آنها را بهینه کرده و هزینه های تولید را کاهش دهد. هنگام استفاده از بیت های PDC باید به ملاحظات زیر توجه کرد:

(1) به رابطه درجه بندی بین بیت PDC و ابزار مته توجه کنید، اطمینان حاصل کنید که لوله مته با قطر بزرگ با لوله مته با قطر خیلی کم مطابقت ندارد و لوله مته با قطر کوچک با مته با قطر بزرگ مطابقت ندارد.

(2) رویکرد بهینه استفاده از یک مته سوراخ تخصصی یا یک مته قدیمی برای ساخت لانه است، در حالی که اطمینان حاصل شود که فرآیند حفاری از مجاورت پیچ‌های کناری خط، کابل‌های لنگر و موانع مشابه جلوگیری می‌کند.

(3) هنگام انجام عملیات حفاری، تنظیم فشار تغذیه به منظور جلوگیری از حوادث ناشی از فشار بیش از حد در داخل گمانه ضروری است.

(4) لطفا از روش حفاری آب تمیز استفاده کنید، از حفاری خشک یا حفاری هوای تحت فشار خودداری کنید. قبل از شروع عملیات حفاری تحت فشار، از گردش مناسب آب در داخل سوراخ برای جلوگیری از حوادث احتمالی احتراق در پایه آن اطمینان حاصل کنید.

(5) هنگام برداشتن بیت، اطمینان حاصل کنید که از بستن یا ضربه زدن به برش PDC خودداری کنید. علاوه بر این، مراقب باشید که به تیغه بدنه بیت برخورد نکنید.

4. نتیجه گیری

استخراج سبز ایمن و کارآمد زغال سنگ همواره موضوع اصلی مورد حمایت صنعت زغال سنگ بوده است. استفاده موثر از بیت های PDC برای عملیات حفاری زیرزمینی در معادن زغال سنگ اهمیت قابل توجهی دارد. این مقاله حالت‌های خرابی استخراج بیت‌های PDC را تجزیه و تحلیل می‌کند و دلایل اصلی پشت اشکال مختلف خرابی را روشن می‌کند. این برنامه استراتژی‌های طراحی و انتخاب بهینه را برای بیت‌ها در شرایط کاری مختلف و تشکل‌های زمین‌شناسی پیشنهاد می‌کند، در حالی که اقدامات احتیاطی برای استفاده از آنها را خلاصه می‌کند، در نتیجه مرجعی برای انتخاب و کاربرد بهتر بیت‌های PDC استخراج می‌کند. انتخاب خردمندانه و استفاده مناسب از بیت‌های PDC استخراج می‌تواند اثربخشی آن‌ها را به حداکثر برساند، اتلاف منابع را به حداقل برساند و ایمنی، کارایی و شیوه‌های سازگار با محیط زیست را در استخراج زغال‌سنگ افزایش دهد.