Sélection optimale des trépans PDC pour l'exploitation du charbon
La construction de forages est une méthode technique largement utilisée pour le contrôle des gaz, la prévention des dégâts des eaux et l'exploration géologique dans les mines de charbon. Elle joue un rôle crucial pour garantir la sécurité et l'efficacité de la production de charbon. En Chine, des dizaines de millions de mètres de forages sont creusés chaque année dans les mines de charbon. Le processus de construction nécessite l'utilisation d'équipements de forage tels que des foreuses, des tiges de forage et des trépans. Parmi ces équipements, les foreuses sont des outils essentiels pour forer directement les trous et briser la roche.
La feuille composite de diamant polycristallin (PDC) est largement utilisée dans les forets miniers en raison de sa résistance à l'usure exceptionnelle et de sa résistance aux chocs louable.Embouts PDCprésentent une durée de vie de forage prolongée et une efficacité de pénétration accrue lorsqu'ils sont utilisés dans des formations rocheuses moyennement dures et inférieures, offrant ainsi des avantages économiques substantiels dans les opérations de forage des mines de charbon.Par rapport au forage pétrolier, le forage des mines de charbon possède les attributs techniques d'être rentable, efficace en termes de temps et de conception dense.Par conséquent, les exigences globales pour les trépans PDC ne sont pas excessivement exigeantes.
Les défis actuels du secteur minierEmbouts PDCFrançais : 1. Le seuil d'entrée pour les trépans PDC miniers est relativement bas, avec une multitude de fabricants offrant des niveaux de qualité variables. 2. Les utilisations et les exigences du forage souterrain dans les mines de charbon présentent des disparités évidentes, tandis que la classification des trépans PDC miniers est complexe et diversifiée. De plus, il existe un manque de spécifications de sélection systématiques et rationnelles dans le processus d'utilisation ultérieur. 3. Avec la prévalence croissante de strates dures complexes dans les mines de charbon, les trépans PDC miniers conventionnels ne répondent pas aux exigences de construction pour un forage efficace sur site, ce qui entraîne des cas de progression lente, voire d'absence totale de métrage. 4. En raison des conditions de construction difficiles dans la mine de charbon, le strict respect des procédures de forage par le personnel de construction peut parfois être difficile.
Afin d'améliorer l'efficacité opérationnelle de l'exploitation minièreEmbouts PDCCet article propose une analyse complète des principaux modes de défaillance et étudie les causes sous-jacentes de chaque type de défaillance. De plus, des recommandations pratiques sont proposées pour une sélection prudente et une utilisation attentive de ces trépans.
1. Analyse de la forme et des causes de défaillance des trépans PDC dans l'exploitation minière
Actuellement, les composants des trépans miniers PDC se composent principalement du corps du trépan, des taillants PDC, des alliages de calibre et d'autres pièces, comme illustré à la figure 1. Les taillants PDC et les alliages de calibre sont brasés sur le corps du trépan pour assurer une fixation solide. Lors des opérations de forage, la tige de forage transmet le couple et la pression d'avance au fond du trou, où elle entre en contact avec le trépan. Le processus de coupe de la roche est réalisé grâce à l'utilisation de taillants PDC sur le trépan. De plus, les alliages de calibre protègent contre l'usure excessive en préservant l'intégrité circonférentielle du corps du trépan. Cependant, il convient de noter que divers facteurs, tels que les forces complexes exercées sur le taillant au fond du trou lors de la coupe de la roche avec un trépan PDC, les modifications des caractéristiques de la formation, le choix des techniques et des équipements de construction, la compétence opérationnelle du personnel impliqué dans les activités de construction, ainsi que les mesures de contrôle qualité des trépans eux-mêmes, peuvent avoir un impact significatif sur l'efficacité de l'application, entraînant diverses formes de défaillance de ces trépans. Une enquête menée sur des sites de forage de mines de charbon a permis de résumer et d'analyser différents modes de défaillance et les principales causes associées.Embouts PDC.
1.1 La défaillance de la fraise en PDC survient lorsque le PDC est fritté à haute température et sous haute pression. La feuille composite est composée de deux composants principaux : une couche de diamant et une matrice de carbure, comme illustré à la figure 2.
Les principaux modes de défaillance des fraises PDC comprennent l’usure normale, l’écaillage, l’effondrement de la lame et le délaminage.
(1) Usure normale
Le phénomène d'usure normale est un type de dommage typique qui se produit dans les fraises PDC pendant le processus de coupe de la roche, principalement caractérisé par une perte de meulage macroscopique importante à la fois dans la couche de diamant et dans la matrice de carbure cémenté des fraises, sans aucune trace apparente de fissuration sur la surface de meulage.
(2) Chute de puce
Le phénomène de chute de copeaux se produit lorsque les fraises PDC se détachent du corps du trépan, entraînant sa défaillance. La caractéristique la plus marquante est la séparation complète des fraises PDC du corps du trépan, sans aucun résidu d'alliage dans la fosse de soudure entre le corps du trépan et les fraises PDC.
Principaux facteurs contribuant au déclin du film tombant :
1. La température élevée au fond du trou de forage complique la technique de forage à sec ou entraîne la formation de bouchons d'eau pendant le forage, tout en empêchant le refroidissement rapide des couteaux PDC lors de la coupe rotative à grande vitesse de la roche. Par conséquent, la température au fond du trou augmente considérablement, ce qui peut dépasser la température critique de la soudure et entraîner sa fusion, puis le détachement des couteaux PDC.
2. Le contrôle du procédé de soudage par forage n'est pas suffisamment rigoureux. Lors du soudage, un nettoyage insuffisant avant le soudage, des soudures défectueuses ou une gestion inadéquate des gaz d'échappement, une température de conservation de la chaleur excessive ou un temps de soudage insuffisant peuvent entraîner le détachement du foret. Outre l'exigence de la part des fabricants d'une réglementation stricte du procédé de production (notamment pour le soudage par fraise PDC) afin de garantir des soudures complètes et solides, il est également nécessaire de clarifier le procédé de forage en privilégiant le forage à l'eau autant que possible et en évitant le forage à sec. Pour le forage profond, il convient de s'assurer du retour de l'eau avant l'insertion de la tige de forage. De plus, avant chaque insertion du foret au fond du trou, il est essentiel de vérifier l'absence d'obstructions afin d'éviter tout blocage.
(3) Rupture de lame
La fracture de la couche de diamant dans les fraises PDC représente un mode de défaillance courant pourEmbouts PDC. Une caractéristique de ce mode de défaillance est la rupture localisée de la couche de diamant, avec dans certains cas une rupture simultanée le long de la matrice de carbure.
Les principales causes de rupture des forets PDC :
1. Le taillant choisi en fonction des caractéristiques intrinsèques du taillant PDC présente une faible résistance aux chocs. La résistance combinée du carbure de tungstène (WC) et de la micropoudre de diamant est insuffisante, ce qui le rend vulnérable aux ruptures sous la contrainte de fragmentation de la roche.
2. Des facteurs liés au processus de construction indiquent que la pression sur le chantier est excessivement élevée. La pression exercée par la fraise PDC sur le trépan dépasse largement la limite de pression de la fraise, ce qui entraîne l'écaillage de la couche de diamant et l'effondrement de l'arête de coupe.
③ Les facteurs liés aux formations complexes indiquent que lors de la construction de formations dures et fracturées, la charge d'impact sur les fraises PDC dépasse leur ténacité aux chocs, ce qui peut entraîner l'effondrement du tranchant.
④ La conception de l'angle de coupe du foret est inadéquate, car elle ne respecte pas le principe selon lequel une formation plus dure nécessite un angle de coupe plus grand. Dans la construction de formations dures, un angle de coupe plus petit peut entraîner une force excessive sur la fraise PDC, entraînant à terme l'affaissement de l'arête de coupe.
⑤ D'autres facteurs indiquent que la disposition des boulons de soutènement et des câbles d'ancrage dans les voies souterraines rend le foret très susceptible de s'effondrer en cas de contact avec ces éléments. Pour éviter toute défaillance du foret, il est essentiel non seulement de respecter scrupuleusement les paramètres de procédé décrits dans le manuel d'instructions de forage, mais aussi de concevoir et de sélectionner le foret en fonction des conditions de la formation. Plus précisément, lors du forage dans des formations dures, il est conseillé d'augmenter l'angle de coupe du foret de manière appropriée, de réduire son agressivité et de renforcer sa protection. De plus, il est recommandé de choisir des fraises PDC à plus forte résistance aux chocs pour le forage de formations fracturées dures ou de modifier la forme extérieure de la couche de diamant afin d'améliorer la résistance aux chocs ; par exemple, les fraises PDC courbées offrent généralement une meilleure résistance aux chocs que les fraises plates. De plus, une disposition judicieuse des trous lors de la construction doit être mise en œuvre afin d'éviter de percer des boulons et des câbles d'ancrage.
(4) Délaminage
La délamination fait référence au détachement de la couche de diamant de la matrice de carbure cémenté dans les feuilles composites PDC, comme illustré dans la figure 3.
La principale cause de délaminage de la couche de diamant des fraises PDC est la contrainte résiduelle importante présente entre la couche de diamant et la matrice de carbure cémenté, associée à une différence significative de leurs coefficients de dilatation thermique. Lors de la coupe de la roche, la couche de diamant et la matrice de carbure cémenté subissent une contraction asynchrone due aux contraintes thermiques générées par la chaleur de frottement et le refroidissement dû aux fluides de lavage. La charge d'impact et la contrainte résiduelle qui en résultent entraînent le décollement de la couche de diamant de la matrice de carbure, entraînant à terme la défaillance du trépan. Pour limiter le délaminage, il est essentiel de sélectionner des matériaux de liaison et des technologies de traitement adaptés qui prennent en compte les contraintes résiduelles entre ces deux composants lors de la fabrication. De plus, la conception d'une nouvelle forme d'interface pour la matrice peut améliorer les propriétés de liaison entre la couche de diamant et la matrice de carbure cémenté.
1.2 La défaillance du corps du foret est principalement caractérisée par des fractures de la lame dans le corps du foret, comme illustré dans la figure 4.
La rupture de la lame du corps du foret se produit principalement sur le corps du foret, plus rarement sur le corps en acier. Les raisons de cette rupture sont les suivantes : 1. Le foret heurte la lame lors du dévissage, car sa couronne est frittée par métallurgie des poudres. Comparé à un foret en acier ordinaire, le foret présente une meilleure résistance à l'usure. Cependant, la ténacité du matériau est réduite, ce qui facilite la rupture de la lame lors du dévissage. 2. Le frittage du foret n'est pas contrôlé rigoureusement. Le foret fritté est entraîné et la poudre métallique ne forme pas d'alliage. Pour éviter toute rupture de la lame, il est conseillé d'utiliser des outils tels qu'une pince dentaire pour faciliter le dévissage de la lame. 3. Les fabricants doivent contrôler rigoureusement la qualité du corps fritté, et non seulement le processus de frittage. mais aussi de surveiller la poudre métallique de temps à autre pour s'assurer que la poudre répond aux exigences du processus.
2. Conception optimisée et sélection raisonnable du trépan PDC minier
2.1 Conception optimisée du trépan
(1) Pour la forme de rupture du foret, il est nécessaire d'optimiser sa structure dès la conception du foret. Les principaux paramètres de conception du foret PDC sont l'angle de coupe α, l'angle latéral β, l'angle d'azimut γ, etc. γ désigne l'angle entre la ligne de référence d'orientation des dents PDC et l'axe central du foret. α désigne l'angle entre la ligne de référence d'orientation des dents PDC et le plan de travail de la fraise, comme illustré à la figure 5. β désigne l'angle entre le plan passant par le point central et l'axe central du foret et le plan de travail de la fraise, comme illustré à la figure 6. Des recherches préliminaires et une analyse d'application complète montrent que l'angle de coupe et l'angle latéral des fraises PDC peuvent avoir un impact direct sur la durée de vie et l'efficacité de perçage du foret. Il est donc nécessaire d'optimiser la conception du foret en fonction des différentes configurations de forage. La conception de l'angle de coupe influence considérablement l'efficacité de perçage. Un angle de coupe trop faible peut entraîner une rupture du tranchant PDC, voire une absence totale de métrage. Par conséquent, un angle de coupe trop faible peut entraîner une rupture du tranchant PDC, entre autres phénomènes. La conception du foret doit être considérée de manière globale lors de la sélection du schéma de paramètres en choisissant un angle de coupe et un angle latéral modérés plutôt qu'une conception aléatoire.
(2) Outre l'optimisation de l'angle de coupe du trépan, il est essentiel d'optimiser également les taillants PDC. La qualité des taillants PDC influence considérablement les taillants miniers PDC, car elle détermine directement leurs performances de coupe et leur durée de vie. Un facteur essentiel pour améliorer la qualité du PDC est l'élimination des contraintes résiduelles à l'interface de liaison entre la couche de diamant et la matrice de carbure cémenté. Les recherches indiquent que la contrainte maximale dans les taillants PDC à structure d'interface plane est concentrée près des deux côtés de cette interface, les contraintes de traction et de cisaillement maximales se produisant au bord de la couche de diamant. La présence de contraintes de traction peut entraîner des fractures anormales dans le PDC, tandis que les contraintes de cisaillement sont la principale cause de délaminage des taillants PDC.
(3) Outre l'élimination des contraintes résiduelles dans les fraises PDC, des traitements secondaires peuvent améliorer encore leur qualité. Actuellement, les principales méthodes de traitement de surface comprennent le meulage de surface au diamant, le chanfreinage des arêtes et l'usinage de forme. Le choix des fraises PDC peut être optimisé en fonction des conditions de travail réelles.
2.2 Sélection raisonnable de forets
Actuellement, les trépans PDC utilisés pour les opérations de forage de fond de trou dans la plupart des zones minières présentent principalement une conception concave à trois ailes. Cependant, le choix de ces trépans est souvent limité et manque de classification, ce qui conduit à une approche universelle qui ne répond pas adéquatement aux exigences spécifiques des différentes strates. Ceci est particulièrement problématique dans les conditions de formation complexes, où les trépans concaves conventionnels peinent à offrir des performances satisfaisantes, ce qui réduit leur durée de vie et l'efficacité du forage. Ces inefficacités non seulement augmentent les coûts de production, mais peuvent également perturber les calendriers de construction et entraîner des pertes économiques importantes. Il est donc essentiel de sélectionner des trépans de forage adaptés aux différentes conditions de formation.
Les trépans PDC miniers peuvent être classés en deux catégories principales selon le matériau du corps : l'acier et le pneu. Les corps des trépans en acier sont principalement usinés mécaniquement, ce qui leur confère une bonne ténacité, idéale pour les opérations de forage de formations conventionnelles. En revanche, les corps des trépans à pneu sont frittés par métallurgie des poudres, offrant une résistance élevée à l'usure, idéale pour le forage de roches dures ou les travaux de forage prolongés. De plus, les trépans peuvent être classés en différentes structures, notamment concave interne, à coin d'arc, à fond plat, racleur, etc., comme illustré à la figure 7. 1. La structure concave du trépan concave améliore les effets de redressement lors de la construction de formations conventionnelles ; 2. La disposition dispersée des dents du trépan à arc permet une densité de dents plus élevée et une efficacité de forage améliorée dans les strates mi-dures et supérieures ; 3. La forme de la lèvre du trépan à fond plat est presque plate, ce qui affûte ses bords latéraux pour faciliter l'inclinaison ; cette conception est principalement utilisée pour les applications de forage directionnel ; ④Le racleur présente généralement une structure conique qui offre une plus grande agressivité et est principalement utilisé dans les constructions de couches molles ou de veines de charbon.
Les trépans PDC miniers actuels ont été résumés et organisés, ainsi que les critères de sélection des trépans PDC dans diverses conditions de travail et de formation, comme présenté dans le tableau 1 pour référence.
3. Précautions d'utilisation des bits PDC miniers
Outre le choix judicieux des forets, il est tout aussi crucial de les utiliser correctement. Compte tenu des conditions de construction difficiles dans les mines de charbon, les ouvriers peinent souvent à respecter scrupuleusement les consignes d'utilisation des forets PDC, ce qui entraîne de fréquents cas de défaillance dus à une mauvaise manipulation. Afin d'améliorer l'efficacité du forage, certaines zones minières augmentent indûment le poids des forets pendant les opérations, entraînant ainsi une défaillance prématurée. Une utilisation correcte des forets PDC peut optimiser leurs performances et réduire les coûts de production. Il convient de prêter attention aux points suivants lors de l'utilisation des forets PDC :
(1) Faites attention à la relation de classement entre le foret PDC et l'outil de forage, en vous assurant que le tube de forage de grand diamètre ne correspond pas à un tube de forage de trop petit diamètre et que le tube de forage de petit diamètre ne correspond pas à un foret de grand diamètre.
(2) L'approche optimale consiste à utiliser un foret spécialisé ou un foret vieilli pour la construction du nid, tout en veillant à ce que le processus de forage évite la proximité des boulons latéraux de la voie, des câbles d'ancrage et des obstructions similaires.
(3) Lors des opérations de forage, il est essentiel de réguler la pression d'alimentation afin d'éviter les accidents causés par une pression excessive à l'intérieur du trou de forage.
(4) Veuillez utiliser la technique de forage à l'eau propre, en évitant le forage à sec ou à l'air comprimé. Avant de commencer les opérations de forage sous pression, assurez-vous d'une bonne circulation de l'eau dans le trou afin d'éviter tout risque de combustion à la base.
(5) Lors du retrait de la mèche, veillez à ne pas coincer ni heurter la fraise PDC. Veillez également à ne pas heurter la lame de la mèche.
4. Conclusion
L'exploitation minière verte, sûre et efficace du charbon est depuis toujours un thème central défendu par l'industrie charbonnière. L'utilisation efficace des trépans PDC pour les opérations de forage souterrain dans les mines de charbon revêt une importance capitale. Cet article analyse les modes de défaillance des trépans PDC et en explique les principales causes. Il propose des stratégies optimales de conception et de sélection des trépans pour différentes conditions de travail et formations géologiques, tout en résumant les précautions d'emploi, fournissant ainsi une référence pour une sélection et une application améliorées des trépans PDC. Une sélection judicieuse et une utilisation appropriée des trépans PDC permettent d'optimiser leur efficacité, de minimiser le gaspillage de ressources et d'améliorer la sécurité, l'efficacité et le respect de l'environnement dans l'exploitation du charbon.