Selección óptima de bits PDC para minería de carbón

A construción de pozos é un método técnico amplamente utilizado para o control do gas, a prevención de danos pola auga e a exploración xeolóxica nas minas de carbón, que xoga un papel crucial para garantir a seguridade e a eficiencia da produción de carbón. En China créanse anualmente decenas de millóns de metros de perforación nas minas de carbón. O proceso de construción require o apoio de equipos de perforación como brocas, tubos de perforación e brocas. Entre elas, as brocas son ferramentas esenciais para formar directamente buratos e romper rochas.

A folla composta de diamante policristalino (PDC) utilízase amplamente nas brocas de minería debido á súa excepcional resistencia ao desgaste e á súa encomiable dureza ao impacto.Bits PDCPresentan unha vida útil prolongada da perforación e unha maior eficiencia de penetración cando se empregan en formacións rochosas de dureza media e baixa, o que produce beneficios económicos substanciais nas operacións de perforación de minas de carbón.

Os retos actuais aos que se enfronta a mineríaBits PDCinclúen: ①O limiar de entrada para a minería de bits PDC é relativamente baixo, cunha multitude de fabricantes que ofrecen distintos niveis de calidade. ②Os usos e requisitos da perforación subterránea nas minas de carbón presentan disparidades evidentes, mentres que a clasificación dos bits PDC mineiros é complexa e diversa. Ademais, hai unha falta de especificacións de selección sistemática e racional no proceso de utilización posterior.③Coa crecente prevalencia de estratos duros complexos nas minas de carbón, as brocas PDC de minería convencional non cumpren os requisitos de construción para unha perforación eficiente no lugar, o que provoca casos de progreso lento ou incluso falta total de imaxes.④ Os procedementos do persoal de construción ás veces poden ser difíciles.

Co fin de mellorar a eficacia operativa da mineríaBits PDC, este traballo ofrece unha análise completa dos modos de fallo primarios e investiga as causas subxacentes de cada forma de fallo. Ademais, propóñense recomendacións prácticas para a selección prudente e unha utilización atenta destes bits.

1.Análise da forma e das causas do fallo do bit PDC na minería

Actualmente, os compoñentes das brocas PDC de minería consisten principalmente no corpo da broca, cortadores PDC, aliaxes de calibre e outras pezas como se mostra na Figura 1. As fresas PDC e as aliaxes de calibre están soldadas ao corpo da broca para garantir a súa fixación segura. Durante as operacións de perforación habituais, a varilla de perforación transmite torque e presión de alimentación ao fondo do burato onde se engancha coa broca. O proceso de corte de rochas realízase mediante a utilización de cortadores PDC na broca. Ademais, as aliaxes de calibre protexen contra o desgaste excesivo protexendo a integridade circunferencial do corpo da broca. Non obstante, hai que ter en conta que varios factores, como forzas complexas exercidas sobre a fresa no fondo do burato durante o corte de rocha cunha broca PDC, os cambios nas características da formación, a selección de técnicas e equipos de construción, a competencia operativa do persoal implicado nas actividades de construción, xunto coas medidas de control de calidade das propias brocas, poden afectar significativamente a eficacia da aplicación, levando a diversas formas de fallo destas brocas. A través dunha investigación realizada nos sitios de perforación das minas de carbón, resumimos e analizamos diferentes modos de falla e causas primarias asociadas aBits PDC.

1.1 O fallo do cortador PDC prodúcese cando o PDC se sinteriza en condicións de alta temperatura e alta presión. A folla composta consta de dous compoñentes principais: unha capa de diamante e unha matriz de carburo, como se ilustra na Figura 2.

Os principais modos de falla dos cortadores PDC inclúen o desgaste normal, a descamación, o colapso da folla e a delaminación.

(1) Desgaste regular

O fenómeno de desgaste normal é un tipo de dano típico que se produce nas fresas PDC durante o proceso de corte da rocha, caracterizado principalmente por unha importante perda de moenda macroscópica tanto na capa de diamante como na matriz de carburo cementado das fresas, sen que existan rastros aparentes de rachaduras na superficie de moenda.

(2) Caída de chip

O fenómeno da caída de viruta prodúcese cando os cortadores PDC se separan do corpo da broca, o que provoca un fallo da broca. A característica máis destacada é a separación completa das fresas PDC do corpo da broca, sen que se atopen residuos de aliaxe na fosa onde se realiza a soldadura entre o corpo da broca e as fresas PDC.

Factores principais que contribúen ao descenso da caída da película:

① A elevada temperatura na parte inferior do pozo provoca desafíos na tecnoloxía de construción da perforación en seco ou na formación de tapóns de auga durante o proceso de perforación, ao tempo que impide o arrefriamento oportuno das fresas PDC na perforación durante o corte de rochas rotativas a alta velocidade. En consecuencia, hai un aumento significativo da temperatura no fondo do buraco, que pode superar a temperatura crítica da soldadura e producir a fusión da soldadura e o posterior desprendimento das cortadoras PDC.

② O control do proceso de soldadura de broca non é o suficientemente rigoroso. No procedemento de soldadura, hai unha falta de limpeza axeitada antes da soldadura, soldaduras defectuosas ou unha xestión inadecuada dos gases de escape, e unha temperatura de conservación da calor non razoable ou tempo insuficiente despois da soldadura, o que pode provocar o desprendimento da broca. Ademais de esixir aos fabricantes que regulen estritamente o proceso de produción (especialmente o proceso de soldadura do cortador PDC) para garantir soldaduras completas e sólidas, tamén é necesario aclarar o procedemento de construción da perforación optando pola perforación en auga sempre que sexa posible e evitando a construción de perforación en seco. Para a perforación de buratos profundos, debe asegurarse de que a auga volva antes de engadir a perforación de varilla. Ademais, cada vez que antes de introducir a broca no fondo do burato, é fundamental comprobar se hai obstáculos para evitar o bloqueo.

(3) Rotura da folla

A fractura da capa de diamante nos cortadores PDC representa un modo de falla prevalente paraBits PDC. Un trazo característico deste modo de falla é a ruptura localizada da capa de diamante, con algúns casos que producen rotura simultánea xunto á matriz de carburo.

As principais causas da rotura do bit PDC:

① O cortador elixido en función das características inherentes ao cortador PDC presenta unha baixa resistencia ao impacto. A resistencia combinada do carburo de tungsteno (WC) e o micropo de diamante é insuficiente, polo que é propenso a fallar baixo o estrés da fragmentación da rocha;

② Os factores relacionados co proceso de construción indican que a presión de construción no lugar é excesivamente alta. A presión exercida pola fresa PDC sobre a broca supera significativamente o límite de presión da fresa, o que provoca o desprendimento da capa de diamante e o posterior colapso do filo de corte.

③ Os factores relacionados coas formacións complexas indican que durante a construción de formacións duras e fracturadas, a carga de impacto sobre as fresas PDC supera a súa dureza ao impacto, o que pode provocar o colapso do bordo cortante.

④ O deseño do ángulo de corte da broca é inadecuado, xa que non se adhire ao principio de que unha formación máis dura require un ángulo de corte maior. Na construción de formacións duras, un ángulo de corte máis pequeno pode producir unha forza excesiva sobre o cortador PDC, o que finalmente provoca o colapso do bordo cortante.

⑤ Outros factores indican que a disposición dos parafusos de apoio e cables de ancoraxe nas vías subterráneas fai que sexa moi susceptible de que a broca se derrube ao atoparse con estes elementos. Para evitar a falla da broca, é esencial non só respectar estrictamente os parámetros do proceso descritos no manual de instrucións de perforación, senón tamén deseñar e seleccionar a broca en función das condicións de formación. En concreto, ao perforar formacións duras, é recomendable aumentar o ángulo de corte da broca adecuadamente, reducir a súa agresividade e mellorar a protección da broca. Ademais, recoméndase seleccionar fresas PDC con maior tenacidade ao impacto cando se perforan formacións fracturadas duras ou se modifica a forma externa da capa de diamante do cortador para mellorar a dureza do impacto; por exemplo, os cortadores PDC curvos xeralmente presentan unha mellor resistencia ao impacto que os tipos planos. Ademais, deberíase implementar un deseño razoable dos buratos durante a construción para evitar perforar parafusos e cables de ancoraxe.

(4) Delaminación

A delaminación refírese á separación da capa de diamante da matriz de carburo cementado en láminas compostas PDC, como se ilustra na Figura 3.

A causa principal da delaminación na capa de diamante das fresas PDC é a importante tensión residual presente entre a capa de diamante e a matriz de carburo cementado, xunto cunha diferenza significativa nos seus coeficientes de expansión térmica. Durante o corte da rocha, a capa de diamante e a matriz de carburo cementado experimentan contracción asíncrona debido ás tensións térmicas xeradas pola calor de fricción e o arrefriamento dos fluídos de lavado. A carga de impacto resultante e o estrés residual conducen a que a capa de diamante se desprenda da matriz de carburo, resultando finalmente na falla da broca. Para mitigar a delaminación, é esencial seleccionar materiais de unión e tecnoloxías de procesamento axeitados que aborden a tensión residual entre estes dous compoñentes durante a fabricación. Ademais, o deseño dunha nova forma de interface para a matriz pode mellorar as propiedades de unión entre a capa de diamante e a matriz de carburo cementado.

1.2 A falla do corpo da perforación caracterízase principalmente por fracturas da folla no corpo da perforación, como se ilustra na Figura 4.

 

A fractura da folla do corpo da broca ocorre principalmente na broca do corpo e a broca do corpo de aceiro raramente ocorre. As razóns da fractura da folla do corpo da broca son as seguintes: ① Golpear a folla do corpo da broca ao desenroscar o corpo da broca porque a coroa do corpo da broca está sinterizada por un proceso de metalurxia en po á vez. en comparación co bit de corpo de aceiro común. a broca do corpo da broca ten unha maior resistencia ao desgaste. pero a dureza do material do corpo redúcese de forma correspondente e é fácil romper a folla do corpo da broca ao desenroscar o corpo da broca; ② O control do proceso de sinterización de bits non é estrito. e o corpo da broca sinterizada é arrastre e o po metálico non logra formar unha aliaxe. Para evitar a rotura da folla. o usuario tiña mellor usar ferramentas como alicates dentais para axudar ao grillete ao desenroscar a broca. para evitar golpear a folla; En segundo lugar. Os fabricantes deben controlar estrictamente a calidade do corpo sinterizado. non só para controlar estritamente o proceso de sinterización. pero tamén para controlar o po metálico de cando en vez para garantir que o po cumpra os requisitos do proceso.

2. Deseño optimizado e selección razoable do bit PDC mineiro

2.1 Deseño de optimización da broca

(1) Para a forma de falla da broca, é necesario optimizar a súa estrutura a partir do deseño da broca. Os principais parámetros de deseño do bit PDC inclúen o ángulo de corte α. Ángulo lateral β. Ángulo acimutal γ. etc. γ refírese ao ángulo entre a liña de referencia de orientación dos dentes PDC e a liña central da broca. α refírese ao ángulo entre a liña de referencia de orientación do dente PDC e o plano de traballo da fresa. como se mostra na figura 5. β refírese ao ángulo entre o plano que pasa polo punto central e a liña central da broca e o plano de traballo da fresa. como se mostra na figura 6. A investigación preliminar e a análise completa da aplicación mostran que o ángulo de corte e o ángulo lateral dos cortadores PDC poden afectar directamente a vida útil e a eficiencia da perforación da broca. e é necesario optimizar o deseño da broca segundo as diferentes formacións de perforación. O deseño do ángulo de corte afectará moito á eficiencia da perforación. ou mesmo ningunha imaxe; Se o ángulo de corte é demasiado pequeno. a vangarda PDC é propensa a roturas e outros fenómenos. Polo tanto. o deseño da broca debe considerarse de forma exhaustiva ao seleccionar o esquema de parámetros escollendo un ángulo de corte moderado e un ángulo lateral en lugar de un deseño aleatorio.

(2) Ademais de optimizar o ángulo de corte da broca, é esencial tamén optimizar os cortadores PDC. A calidade dos cortadores PDC inflúe significativamente na minería de bits PDC, xa que determina directamente o seu rendemento de corte e a súa vida útil. Un factor crítico para mellorar a calidade do PDC é a eliminación do estrés residual na interface de unión entre a capa de diamante e a matriz de carburo cementado. A investigación indica que a tensión máxima nas fresas PDC cunha estrutura de interface plana concéntrase preto de ambos os lados desta interface, producíndose os picos de tensión e cizallamento no bordo da capa de diamante. A presenza de tensión de tracción pode provocar fracturas anormais no PDC, mentres que o esforzo cortante serve como causa principal de delaminación nas fresas PDC.

(3) Ademais de eliminar a tensión residual nos cortadores PDC, os tratamentos secundarios poden mellorar aínda máis a súa calidade. Actualmente, os métodos primarios de tratamento de superficie inclúen o rectificado de superficies de diamante, o chafrán de bordos e o mecanizado con forma. A selección de cortadores PDC pódese optimizar en función das condicións de traballo reais.

2.2 Selección razoable de brocas

Actualmente, as brocas PDC utilizadas nas operacións de perforación de pozos na maioría das áreas mineiras presentan predominantemente un deseño cóncavo de tres ás. Non obstante, a selección destes bits adoita ser limitada e carece de clasificación, o que dá como resultado un enfoque único que non aborda adecuadamente os requisitos específicos dos diferentes estratos. Isto é particularmente problemático en condicións de formación complexas, onde as brocas cóncavas convencionais loitan por ofrecer un rendemento satisfactorio, o que leva a unha vida útil reducida da broca e unha eficiencia de perforación reducida. Tales ineficiencias non só aumentan os custos de produción senón que tamén poden perturbar os calendarios de construción e provocar importantes perdas económicas. Polo tanto, é esencial seleccionar brocas adecuadas adaptadas ás diferentes condicións de formación.

Os bits PDC de minería pódense clasificar en dous tipos principais en función do material do corpo da bit: tipo de aceiro e tipo de pneumático. Os corpos de broca de aceiro son procesados ​​principalmente mediante métodos mecánicos, proporcionando unha boa tenacidade que os fai axeitados para operacións convencionais de perforación de formación. Pola contra, os corpos de broca tipo pneumático son sinterizados mediante procesos de pulvimetalurxia, que ofrecen unha alta resistencia ao desgaste, ideal para perforación de rochas duras ou tarefas de perforación prolongadas. Ademais, as brocas pódense clasificar en varias estruturas, incluíndo cóncava interna, esquina de arco, fondo plano, rasqueta e outras como se ilustra na Figura 7. ①O deseño da estrutura cóncava da broca cóncava mellora os efectos de endereitamento durante a construción da formación convencional; ②A disposición dos dentes dispersos da broca de arco resulta nunha maior densidade de dentes e unha mellora da eficiencia da perforación cando se traballa con estratos de dureza media e superior; ③A forma do labio da broca de fondo plano é case plana, o que afia os seus bordos laterais para facilitar o sesgo; este deseño úsase principalmente para aplicacións de perforación direccional; ④A broca rasqueta normalmente presenta unha estrutura cónica que proporciona unha maior agresividade e emprégase principalmente en estratos brandos ou construcións de vetas de carbón.

Os bits PDC mineiros actuais foron resumidos e organizados, xunto cos criterios de selección de bits PDC en varias condicións de traballo e formación, como se presenta na Táboa 1 para referencia.

3. O uso de precaucións de bits PDC mineiros

Ademais de seleccionar coidadosamente as brocas, é igualmente crucial utilizar adecuadamente estas ferramentas. Dadas as difíciles condicións de construción nas minas de carbón, os traballadores adoitan loitar por cumprir estrictamente as directrices operativas das brocas PDC, o que orixina casos frecuentes de fallas de bits debido a un manexo inadecuado. Nun esforzo por mellorar a eficiencia da perforación, algunhas áreas mineiras poden aumentar indiscriminadamente o peso da broca durante as operacións, o que provoca unha falla prematura da broca. Utilizar correctamente os bits PDC pode optimizar o seu rendemento e reducir os custos de produción. Debe prestarse atención ás seguintes consideracións ao usar bits PDC:

(1) Preste atención á relación de clasificación entre a broca PDC e a ferramenta de perforación, asegurándose de que o tubo de perforación de gran diámetro non coincida con tubo de perforación de diámetro demasiado pequeno e o tubo de perforación de diámetro pequeno non coincida coa broca de diámetro grande.

(2) O enfoque óptimo é utilizar unha broca especializada ou unha broca envellecida para a construción de niños, ao tempo que se garante que o proceso de perforación evite a proximidade de parafusos laterais da pista, cables de ancoraxe e obstáculos similares.

(3) Cando se realizan operacións de perforación, é esencial regular a presión de alimentación para evitar accidentes causados ​​pola presión excesiva dentro do pozo.

(4) Utilice a técnica de perforación de auga limpa, absténdose de perforar en seco ou de aire a presión. Antes de comezar as operacións de perforación a presión, garantice a correcta circulación da auga dentro do burato para evitar posibles incidentes de combustión na súa base.

(5) Ao retirar a broca, asegúrese de evitar suxeitar ou golpear o cortador PDC. Ademais, teña coidado de non golpear a folla do corpo da broca.

4. Conclusión

A minería verde segura e eficiente do carbón foi constantemente un tema central defendido pola industria do carbón. O uso eficaz de brocas PDC para operacións de perforación subterránea en minas de carbón ten unha importancia significativa. Este artigo analiza os modos de fallo da minería de bits PDC, dilucidando as causas primarias detrás de varias formas de fallo. Propón estratexias óptimas de deseño e selección de brocas en diferentes condicións de traballo e formacións xeolóxicas, á vez que resume as precaucións para o seu uso, proporcionando así unha referencia para mellorar a selección e aplicación das brocas PDC mineiras. A selección acertada e a correcta utilización dos bits PDC de minería poden maximizar a súa eficacia, minimizar o desperdicio de recursos e mellorar a seguridade, a eficiencia e as prácticas respectuosas co medio ambiente na minería de carbón.