Hard Rock Drillingin koodin murtaminen: Peliä muuttava DTH-tekniikka.
Rakennusalueen geologisten olosuhteiden mukaan porauslaitteissa on yleisesti käytössä neljä pääasiallista porausmenetelmää, kuten kuvassa 1.
a. Pneumaattiset tai hydraulikäyttöiset pyörivät päät yhdistettynä iskulaitteistoon välittävät pyörimis- ja iskuenergiaa kennon yläosan läpi.porausputki, joka toimittaa energiaa poranterään poraputken iskuaaltojen kautta. Tämä menetelmä on rajoitettu halkaisijaltaan pieniin ja mataliin syvyyksiin, ja sitä käytetään yleensä louhoksissa, rakennustyömailla ja maanalaisissa kaivostoiminnassa.
b.Down-The-Hole (DTH) vasarat sijaitsevat poranauhan alaosassa. Paineilma tulee DTH:hen poralangan kautta ja pyörittää mäntää edestakaisin liikkeellä, joka vaikuttaa suoraan poranterään siirtäen iskuenergiaa kallioon. Tällä järjestelmällä on minimaalinen tehohäviö ja se soveltuu erityisen hyvin syviin reikiin, suoriin reikiin ja keskikoviin kiviin.
c.Käänteinen kierto (RC) porauskäyttää DTH:ta kivinäytteiden keräämiseen ja kuljettamiseen poranterän pinnasta. Kuivat ja saastumattomat pistokkaat kuljetetaan DTH:n keskiputken kautta näytteenkeräyslaitteeseen, joka valmistautuu geologiseen analyysiin.
d. Hydrauli- tai sähkömoottorilla toimiva vaihdelaatikko muodostaa pyörivän voimanpään, joka kohdistaa riittävän syöttövoiman kolmikartioporaan porakoneessa ylös ja alas liikkuvan syöttöjärjestelmän ja paksuseinäisen poraputken kautta. Tätä menetelmää käytetään pehmeämmille kiville tai vahvasti nivelletyille koville kiville.
- DTH:n periaatteet ja ominaisuudet
DTH:lla poratut muodostelmat pystyvät lähes kokonaan sisältämään kaikki magmaiset kivet, metamorfiset kivet ja sedimenttikivet, jotka ovat keskikovia tai kovempia. DTH on erityisen edullinen kovan kiven ja kovien kerrosten poraamiseen, koska kova kivi on yleensä hauras. Iskukuormituksessa murtumia ei tapahdu vain välittömässä törmäyskohdassa, vaan muodostuu myös murtuva vyöhyke, mikä johtaa suurempiin kivimurskeisiin. Siten porausnopeus on huomattavasti nopeampi puhtaaseen pyörivään poraukseen verrattuna. Kuvan 2 mekaaninen malli havainnollistaa kallioon kohdistuvia erilaisia kuormituksia iskuporauksen aikana.
Lisäksi DTH (Down-the-Hole) -poraus on erittäin tehokas muodostelmissa, jotka ovat alttiita porausreiän poikkeamille, kuten kerroksille, joissa on hyvin kehittynyt pohjakerros ja foliaatio, tai kivikerroksissa, joissa on epätasainen kovuus ja useita murtumia. Se voi merkittävästi vähentää porausreiän poikkeamaa ja myös voittaa vaikeudet porata sorakerrosten ja lohkareiden läpi.
DTH-poraus kehitettiin 1800-luvun lopulla ja sillä on yli vuosisadan historia. Vaikka DTH-poratyyppejä on monenlaisia, niillä on yhteinen piirre: sekä iskumekanismi että poranterä upotetaan porausreikään, jolloin pyöriminen yhdistettynä iskuihin murtaa kiven. Iskuvoiman tuottamiseen käytetyt laitteet voidaan luokitella ajotavan mukaan pneumaattisiin, hydraulisiin, öljynpaineisiin, sähköisiin ja mekaanisiin tyyppeihin.
Koska iskuenergia häviää merkittävästi siirron aikana ja voi aiheuttaa huomattavia vaurioita iskeytyneille komponenteille, syvemmässä porauksessa vaaditaan yleensä, että laitteisto tulee poraustyökalun kanssa porausreikään, jotta ulostuloiskuvoima voi vaikuttaa suoraan poranterään tai hylsyn piippuun. Tämä minimoi energiahäviön lähetyksen aikana, parantaa energiatehokkuutta ja vähentää porausreikien laitteiden vikojen todennäköisyyttä.
Pneumaattinen DTH, joka tunnetaan myös nimellä ilmaohjattu DTH, on saatavana monissa rakennetyypeissä ja luokitusmenetelmissä.
- Paineluokituksen mukaan: korkeapaine-, keskipaine- ja matalapainetyypit.
- Kokonaisrakenteen mukaan: ei-läpivientityypit.
- Venttiilin toimintaperiaatteen mukaan: ohjausventtiilin tyyppi, vapaaventtiilityyppi ja hybridiventtiilityyppi.
- Mäntärakenteen mukaan: halkaisijaltaan samankokoinen mäntä, halkaisijaltaan epätasainen mäntä ja tandemmäntätyypit.
- Ilmanjakelutyypin mukaan: venttiilillinen DTH ja venttiilitön DTH. Venttiili DTH voidaan jakaa levyventtiili-, levyventtiili- ja sylinteriventtiilityyppeihin, kun taas venttiilitön DTH voidaan jakaa keskitangon pakokaasutyyppiin, mäntä-ilmanjakotyyppiin ja yhdistettyyn ilmanjakoon männän, sylinterin ja keskitangon mukaan.
- Reikien pesulla ja kuonanpoistomenetelmällä: keskireiän pesu, etureiän pesu ja sivureikien pesu.
2. Vaikutusmekanismin rakennesuunnitelmien määrittäminen
2.1 Männän itsekaasun syötön ei-venttiilin iskumekanismi
Tämän tyyppinen iskumekanismi käyttää ensisijaisesti itse männässä olevia kaasukanavia kaasun syöttämiseen, mikä johtaa monimutkaiseen männän rakenteeseen, jossa on useita kaasukanavia, mikä vähentää männän lujuutta ja käyttöikää. Tämä iskumekanismi yhdistää kuitenkin sisä- ja ulkosylinterit, mikä lisää männän tehollista työskentelyaluetta ja lisää mekanismin iskuenergiaa.
2.2 Männän ja sylinterin yhdistetty kaasunsyöttö ilman venttiiliä
Tämän tyypin yksinkertainen rakenne on helppo valmistaa, männän käyttöikä on pidempi ja kaasureiät sijaitsevat sekä sylinterissä että männässä. Tätä rakennetta käytetään laajalti ulkomailla.
2.3 Keskiputken kaasunsyöttö ei-venttiilin iskumekanismi
Tässä mekanismissa ylemmän ja alemman kammion ilmanottokanavat on järjestetty pyöreän putken päälle, jossa mäntä liukuu. Se vaatii suurta valmistustarkkuutta ja sen keskiputken käyttöikä on suhteellisen lyhyt.
2.4 Sivupakoputkien iskumekanismi
Niin sanottu sivupoisto tarkoittaa, että pakokaasureitti poistuu sylinterin rungosta sen sijaan, että se kulkisi poranterän keskustan läpi reiän pohjalle. Tämän tyyppisessä iskumekanismissa on tyypillisesti monia imu- ja poistoreittejä sylinterin rungossa, mikä johtaa huonoon rakenteelliseen lujuuteen, pitkittäissuuntaisten väsymishalkeamien mahdollisuuteen ja merkittävään ilmanpaineen alenemiseen, mikä johtaa poranterän epäoptimaaliseen roskien poistoon ja jäähdytysvaikutuksiin.
2.5 Keskipakokaasun iskumekanismi
Tämäntyyppinen iskumekanismi karkottaa roskat ja kaasut suoraan poranterän keskeltä reiän pohjalle. Suora ilmavirtaus ei ainoastaan paranna roskienpoistotehoa, vaan myös parantaa porauksen tehokkuutta ja jäähdytystä, mikä pidentää poranterän käyttöikää. Tämä rakennetyyppi korvaa sivupakoputkien törmäysmekanismien sisäsylinterin lukuisat pitkittäiset urat rengasmaisella uralla, mikä vähentää huomattavasti jännityskeskittymää sisäsylinterissä. Siitä on tullut laajalti hyväksytty rakenne viime vuosina.
2.6-sarjan männän iskumekanismi
Sarjan männän iskumekanismi, joka tunnetaan myös kaksoismäntäisenä (pää) iskulaitteena, jakaa sylinterin kahteen kammioon eristysrenkaan avulla. Tämän rakenteen ansiosta molemmat männän pinnat voivat toimia samanaikaisesti saman reiän halkaisijan sisällä, mikä johtaa suurempaan iskuvoimaan ja korkeampaan iskutaajuuteen. Vastaavasti on olemassa kaksoispoistojärjestelmä, joka poistaa tehokkaasti kivijauhetta reiän pohjalta. Sen suurin haittapuoli on kuitenkin sen monimutkainen rakenne ja tarve suureen tarkkuuteen osien työstyksessä; esimerkiksi männässä on jopa viisi liitäntäpintaa niihin liittyvine komponentteineen, mikä rajoittaa sen käyttöä ja edistämistä. Siksi tässä mallissa käytetään toista vaihtoehtoa, joka on venttiilitön iskumekanismi, jossa on mäntä ja sylinteri yhdistetty kaasunsyöttö. Sen rakenne on esitetty kuvassa 3.
3. DTH:n teoreettinen analyysi ja asiaankuuluvat laskelmat
3.1 Toimintaparametrien valinta**
3.1.1 Vasaran pituus ja paino: Alustavassa suunnitelmassa pituudeksi on määritetty alle 4500 mm ja painoksi alle 2500 kg.
3.1.2 Vasaran halkaisija: Sopiva vasaran halkaisija määritetään poraushalkaisijan perusteella, joka on asetettu 540 mm:ksi.
3.1.3 Poraushalkaisija: Tämä viittaa paalun reiän halkaisijaan, yleensä välillä 550 mm - 600 mm.
3.1.4 Poraussyvyys: Paalusuunnitteluvaatimusten mukaan tämä on tyypillisesti useista kymmenistä metristä sataan metriin.
3.1.5 Poran nopeus: DTH-poraus toimii yleensä pienillä pyörimisnopeuksilla, tyypillisesti välillä 7 - 25 r/s.
3.1.6 Pyörimismomentti: Tämän mallin suurin vääntömomentti on 150 kN·m.
3.2 Suunnitteluparametrien laskenta
DTH:n suunnitteluparametrit, erityisesti DTH-iskulaitteiden suorituskykyparametrit, toimivat konesuunnittelun perustana ja määrittelevät valmistetun laitteen suorituskyvyn.
3.2.1 Iskulaitteiden suunnittelupaine P
Kiinassa paine 0,49 MPa (noin 5 × 10^5 Pa) on laajalti valittu pneumaattisten iskulaitteiden suunnittelustandardiksi. Koska tämän mallin DTH on venttiilitön iskulaite, jossa on suuri poraushalkaisija ja painava mäntä, korkeampi ilmanpaine parantaa suorituskykyä entisestään. Lisäksi korkeapaineiset ilmakompressorit ovat yhä yleisempiä ja kansainvälisen ISO 5941-1979 -standardin mukaisesti mitoituspaineeksi valitaan 1,6 MPa.
3.2.2 Iskuvoima
DTH:lla, jota käytetään halkaisijaltaan suurien reikien poraamiseen, suunniteltu iskuenergia voi vaihdella merkittävästi. Tämän mallin iskuenergia lasketaan seuraavasti:
3.2.3 Iskutaajuus
Yleensä vakioiskuenergialla iskutaajuus on verrannollinen iskulaitteen lähtötehoon. Kuitenkin, kun sylinterin halkaisija on kiinteä, iskutaajuuden lisääminen edellyttää männän iskun pienentämistä, mikä puolestaan pienentää yksittäisen iskun tehoa. Kun yksittäinen törmäysteho putoaa tietyn kynnyksen alapuolelle, taajuuden lisääminen ei tuota tyydyttäviä kivenmurtotuloksia. Siten iskutaajuuden valintaa rajoittaa iskuvoima.
Pneumaattisessa DTH:ssa, joka toimii suunnittelupaineella 0,5 MPa, taajuus ei saa ylittää 16,8 Hz. Koska DTH toimii suunnittelupaineilla välillä 0,5 - 2,5 MPa, iskutaajuus voi vaihdella merkittävästi. Iskulaitteen taajuuden alkuperäinen valinta voidaan laskea seuraavasti:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) jossa P on järjestelmän syöttöpaine. Tässä mallissa P = 1,6 MPa, joten:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Rakenneparametrien suunnittelu
DTH:n päärakenneparametreja ovat sylinterin reiän halkaisija, männän iskunpituus ja männän mitat. Sylinterin halkaisijan kasvattaminen voi parantaa sekä iskutehoa että taajuutta, joten halkaisija tulee maksimoida rakenteellisen koon rajoissa. Tyypillisesti DTH:n ulkohalkaisijan ja reiän halkaisijan välinen ero ei saa olla pienempi kuin 15-20 mm, eikä DTH:n ulkovaippa saa olla liian ohut. Siksi DTH-sylinterin halkaisijan suhde porauksen halkaisijaan on yleensä yli 0,5.
3.3.1 Sylinterin työhalkaisija ja rakenneisku
Sylinterin työhalkaisija D voidaan laskea seuraavasti:
D = K × D (reikä) = (0,57 - 0,68) × D (reikä) (3)
Tässä mallissa D(reikä) = 600 mm, joten D on 360 mm. Rakenneisku S on empiirisesti otettu S = 500 mm.
3.3.2 Männän massa
Männän säteittäisiä mittoja rajoittaa sylinterin koko ja rakenne, mikä mahdollistaa halkaisijaltaan saman tai eri mäntien. Lineaariset mitat riippuvat männän painosta, mikä liittyy myös nopeuteen, jolla se iskee poranterään. Siksi männän rakenteellisten mittojen määrittäminen on monimutkainen näkökohta DTH-suunnittelussa. DTH-männän massa voidaan arvioida seuraavasti:
m = 0,0205D^2,84 (4)
missä m on männän massa kg; D on sylinterin työhalkaisija cm.
Korvaamalla D = 36 saadaan: m = 540 kg.
DTH koostuu pääasiassa vääntömomentin siirtorakenteesta ja pneumaattisesta iskumekanismista. Vääntömomentin siirtorakenne yhdistää poratangon ja DTH:n välittäen pyöriviä leikkaus- ja vetovoimia; pneumaattinen iskumekanismi tuottaa iskun ja antaa aksiaalisen voiman iskuporanterään. Tarkat rakenteen yksityiskohdat näkyvät kuvassa 3.
Vääntömomentin välitysrakenne yhdistää poratangon ja iskulaitteen. Ylempi nivel yhdistyy poratankoon ja iskukappaleeseen putkikierteiden kautta ensisijaisesti kaasutiiviyden varmistamiseksi ja samalla myös vääntö- ja vetovoiman välittämiseksi. Takaiskuventtiili estää mudan ja veden pääsyn iskulaitteeseen ja poratankoon, jota ohjataan jousella. Ilmanotto-istuin kaasunsyöttösauvalla toimii paineilman syöttämiseksi sylinteriin, mikä helpottaa kaasun syöttöä yhdessä sylinterin ja männän kanssa, jolloin saadaan aikaan yhdistetty kaasunsyöttö. Jousen turvarengas estää mäntää liukumasta ulos sylinteristä poranterää vaihdettaessa.
3.4 DTH-poranterän äärellisten elementtien analyysi
DTH-poranterään kohdistuu männän iskuvoimia ja käyttöpään vääntömomenttia. Paineilman mäntään kohdistama voima saadaan seuraavasti:
F = P × S (5)
jossa P on järjestelmän paine Pa; S on männän voima-ala m².
Näin ollen F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Siksi poranterään kohdistuva iskuvoima on:
F' = kF (6)
missä k on vaikutuskerroin; F on paineilman poranterään kohdistama voima N:ssä. Näin ollen F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Käyttöpään DTH-poraan kohdistama vääntömomentti on N = 150 kN. Levitämällä poranterään F' = 2688 kN ja N = 150 kN samalla kun kiinnitetään poranterän alapäätypinta ja käyttämällä QT500-7 materiaalia, jonka myötöraja on 320 MPa, suoritetaan elementtianalyysi. Erityiset kuormitus- ja rajoitusolosuhteet sekä silmän jako on esitetty kuvissa 4 ja 5.
Elementtianalyysin tulokset on esitetty kuvassa 6, mikä osoittaa, että maksimijännitys on 144,355 MPa, mikä on pienempi kuin QT500-7:n myötöraja (320 MPa), joten se täyttää vaatimukset.