Descifrando o código da perforación de Hard Rock: a tecnoloxía DTH que cambia o xogo.
Segundo as condicións xeolóxicas da zona de construción, existen catro métodos de perforación principais que adoitan utilizar as plataformas de perforación, como se mostra na Figura 1.
a. Cabezas rotativas neumáticas ou hidráulicas combinadas con equipos de impacto transmiten enerxía de rotación e impacto a través da parte superior dotubo de perforación, entregando enerxía á broca mediante ondas de choque no tubo de perforación. Este método está limitado a pequenos diámetros e profundidades e úsase xeralmente en canteiras, obras de construción e explotacións mineiras subterráneas.
b.Martelos Down-The-Hole (DTH). están situados na parte inferior da cadea de perforación. O aire comprimido entra no DTH a través da cadea de perforación, impulsando un pistón nun movemento alternativo que impacta directamente na broca, transfiriendo enerxía de impacto á rocha. Este sistema ten unha perda de enerxía mínima e é especialmente axeitado para buratos profundos, buratos rectos e rochas de dureza media.
c.Perforación de circulación inversa (RC).usa DTH para recoller e transportar mostras de rochas da cara da broca. Os cortes secos e non contaminados son transportados a través do tubo central do DTH a un dispositivo de recollida de mostras, preparándose para a análise xeolóxica.
d. Unha caixa de cambios accionada por motores hidráulicos ou eléctricos forma un cabezal de potencia rotativo, aplicando forza de alimentación suficiente á broca de tres conos a través dun sistema de alimentación que se move cara arriba e abaixo na plataforma de perforación e un tubo de perforación de paredes grosas. Este método úsase para rochas máis brandas ou rochas duras fortemente articuladas.
- Principios e características do DTH
As formacións perforadas con DTH son case enteiramente capaces de incluír todas as rochas ígneas, rochas metamórficas e rochas sedimentarias que son de dureza media ou máis dura. A DTH é particularmente vantaxosa para perforar rochas duras e estratos duros porque a rocha dura adoita ser fráxil. Baixo cargas de impacto, as fracturas non só ocorren no lugar do impacto directo senón que tamén crean unha zona rota, o que resulta en fragmentos de rocha máis grandes. Así, a velocidade de perforación é significativamente máis rápida en comparación coa perforación rotativa pura. O modelo mecánico da Figura 2 ilustra as distintas cargas que actúan sobre a rocha durante a perforación rotativa de impacto.
Ademais, a perforación DTH (Down-the-Hole) é moi eficaz en formacións propensas á desviación do pozo, como estratos con leito e foliación ben desenvolvidos, ou capas de rocha con dureza irregular e moitas fracturas. Pode reducir significativamente a desviación do pozo e tamén superar as dificultades de perforación a través de capas de grava e leitos de pedras.
A perforación DTH desenvolveuse a finais do século XIX e ten unha historia de máis dun século. Aínda que hai moitos tipos de brocas DTH, comparten unha característica común: tanto o mecanismo de impacto como a broca están mergullados no pozo, coa rotación combinada co impacto para romper a rocha. Os equipos utilizados para xerar a forza de impacto pódense clasificar segundo o seu método de condución en tipos pneumáticos, hidráulicos, de presión de aceite, eléctricos e mecánicos.
Dado que a enerxía de impacto experimenta perdas significativas durante a transmisión e pode causar danos substanciais aos compoñentes impactados, en operacións de perforación máis profundas é xeralmente necesario que o equipo entre no pozo coa ferramenta de perforación, de xeito que a forza de impacto de saída poida actuar directamente sobre a broca ou o cilindro do núcleo. Isto minimiza a perda de enerxía durante a transmisión, mellora a eficiencia enerxética e reduce a probabilidade de fallas dos equipos de fondo.
A DTH pneumática, tamén coñecida como DTH impulsada por aire, vén en moitos tipos estruturais e métodos de clasificación.
- Por clasificación de presión: tipos de alta, media e baixa presión.
- Por estrutura global: tipos non pasantes e pasantes.
- Segundo o principio de funcionamento da válvula: tipo de válvula de control, tipo de válvula libre e tipo de válvula híbrida.
- Por estrutura de pistóns: pistóns de igual diámetro, pistóns de diámetro desigual e tipos de pistóns en tándem.
- Por tipo de distribución de aire: DTH con válvulas e DTH sen válvulas. O DTH con válvulas pódese subdividir en tipos de chapa de chapa, válvula de disco e válvula cilíndrica, mentres que DTH sen válvula pódese dividir en tipo de escape de varilla central, tipo de distribución de aire de pistón e distribución de aire combinada por pistón, cilindro e varilla central.
- Por método de lavado de buratos e descarga de escorias: lavado de burato central, lavado de burato frontal e lavado de burato lateral.
2. Determinación de esquemas estruturais do mecanismo de impacto
2.1 Mecanismo de impacto sen válvula de subministración de gas propio do pistón
Este tipo de mecanismo de impacto utiliza principalmente os pasos de gas no propio pistón para o abastecemento de gas, o que resulta nunha estrutura complexa do pistón con numerosas canles de gas, o que reduce a forza e a vida útil do pistón. Non obstante, este mecanismo de impacto integra os cilindros interior e exterior, aumentando a área de traballo efectiva do pistón e mellorando a enerxía de impacto do mecanismo.
2.2 Mecanismo de impacto sen válvula de abastecemento de gas combinado de pistón e cilindro
Este tipo presenta unha estrutura sinxela que é fácil de fabricar, ten unha vida útil máis longa do pistón e os orificios de gas están situados tanto no cilindro como no pistón. Esta estrutura é moi utilizada no estranxeiro.
2.3 Mecanismo de impacto sen válvula de abastecemento de gas do tubo central
Neste mecanismo, os pasos de entrada de aire para as cámaras superior e inferior dispóñense sobre o tubo circular onde desliza o pistón. Require unha alta precisión de fabricación e ten unha vida útil relativamente curta para o tubo central.
2.4 Mecanismo de impacto do escape lateral
O chamado escape lateral significa que o camiño dos gases de escape sae do corpo do cilindro en lugar de pasar polo centro da broca ata o fondo do burato. Este tipo de mecanismo de impacto adoita ter moitas vías de admisión e escape no corpo do cilindro, o que leva a unha resistencia estrutural deficiente, o potencial de fendas por fatiga lonxitudinais e unha perda significativa de presión do aire, o que resulta nunha eliminación de restos e efectos de arrefriamento subóptimos para a broca.
2.5 Mecanismo de impacto do escape central
Este tipo de mecanismo de impacto expulsa residuos e gas directamente desde o centro da broca ata o fondo do burato. O fluxo de aire directo non só mellora a eficiencia de eliminación de restos, senón que tamén mellora a eficiencia da perforación e o arrefriamento, prolongando a vida útil da broca. Este tipo estrutural substitúe os numerosos sucos lonxitudinais do cilindro interior dos mecanismos de impacto de escape lateral por un suco anular, reducindo moito a concentración de tensión no cilindro interior. Converteuse nunha estrutura amplamente adoptada nos últimos anos.
Mecanismo de impacto do pistón da serie 2.6
O mecanismo de impacto do pistón en serie, tamén coñecido como impactador de dobre pistón (cabeza), divide o cilindro en dúas cámaras mediante un anel de illamento. Este deseño permite que as dúas caras do pistón traballen simultaneamente dentro do mesmo diámetro de orificio, o que resulta nunha maior potencia de impacto e maior frecuencia de impacto. En consecuencia, hai un sistema de escape dobre que elimina eficazmente o po de rocha do fondo do burato. Non obstante, o seu principal inconveniente é a súa complexa estrutura e a necesidade dunha alta precisión no mecanizado de pezas; por exemplo, o pistón ten ata cinco superficies de acoplamento con compoñentes asociados, o que limita a súa aplicación e promoción. Polo tanto, este deseño adopta a segunda opción, que é o mecanismo de impacto sen válvula con subministración combinada de gas de pistón e cilindro. A súa estrutura móstrase na figura 3.
3.Análise teórica e cálculos relevantes para DTH
3.1 Selección de parámetros de funcionamento**
3.1.1 Lonxitude e peso do martelo: o proxecto preliminar especifica unha lonxitude inferior a 4500 mm e un peso inferior a 2500 kg.
3.1.2 Diámetro do martelo: o diámetro do martelo apropiado determínase en función do diámetro de perforación, establecido en 540 mm.
3.1.3 Diámetro de perforación: refírese ao diámetro do burato do pilote, xeralmente entre 550 mm e 600 mm.
3.1.4 Profundidade de perforación: segundo os requisitos de deseño da pila, normalmente está entre varias ducias de metros e cen metros.
3.1.5 Velocidade de perforación: a perforación DTH xeralmente opera a baixas velocidades de rotación, normalmente entre 7 e 25 r/s.
3.1.6 Par de rotación: o par máximo para este deseño fíxase en 150 kN·m.
3.2 Cálculo de parámetros de deseño
Os parámetros de deseño para DTH, en concreto os parámetros de rendemento do equipo de impacto DTH, serven como base para o deseño da máquina e definen o rendemento do equipo fabricado.
3.2.1 Presión de deseño P para equipos de impacto
En China, unha presión de 0,49 MPa (aproximadamente 5 × 10^5 Pa) é amplamente elixida como estándar de deseño para equipos de impacto pneumático. Dado que o DTH para este deseño é un dispositivo de impacto sen válvulas cun gran diámetro de perforación e un pistón pesado, unha maior presión de aire mellorará aínda máis o rendemento. Ademais, os compresores de aire de alta presión son cada vez máis comúns e, de acordo coa norma internacional ISO 5941-1979, selecciónase unha presión de deseño de 1,6 MPa.
3.2.2 Poder de impacto
Para o DTH usado para perforar buratos de gran diámetro, a enerxía de impacto do deseño pode variar significativamente. A enerxía de impacto para este deseño calcúlase do seguinte xeito:
3.2.3 Frecuencia de impacto
Xeralmente, baixo enerxía de impacto constante, a frecuencia de impacto é proporcional á potencia de saída do impactador. Non obstante, cando o diámetro do cilindro é fixo, o aumento da frecuencia de impacto require unha redución da carreira do pistón, que á súa vez diminúe a potencia de impacto único. Unha vez que a potencia de impacto único cae por debaixo dun determinado limiar, o aumento da frecuencia non dará resultados satisfactorios para romper rochas. Así, a selección da frecuencia de impacto está restrinxida pola potencia de impacto.
Para DTH pneumático que funciona a unha presión de deseño de 0,5 MPa, a frecuencia non debe exceder 16,8 Hz. Dado que o DTH funciona a presións de deseño entre 0,5 e 2,5 MPa, a frecuencia de impacto pode variar significativamente. A selección inicial da frecuencia do impactador pódese calcular do seguinte xeito:
f = 10,4 + 7,6P
(2) onde P é a presión de alimentación do sistema. Para este deseño, P = 1,6 MPa, polo tanto:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Deseño de parámetros estruturais
Os principais parámetros estruturais do DTH inclúen o diámetro do orificio do cilindro, a carreira do pistón e as dimensións do pistón. O aumento do diámetro do cilindro pode mellorar tanto a potencia como a frecuencia de impacto, polo que o diámetro debe maximizarse dentro dos límites do tamaño estrutural. Normalmente, a diferenza entre o diámetro exterior do DTH e o diámetro do orificio non debe ser inferior a 15 a 20 mm, e a carcasa exterior do DTH non debe ser demasiado delgada. Polo tanto, a relación entre o diámetro do cilindro DTH e o diámetro de perforación é xeralmente superior a 0,5.
3.3.1 Diámetro de traballo do cilindro e carreira estrutural
O diámetro de traballo D do cilindro pódese calcular do seguinte xeito:
D = K × D (diámetro) = (0,57 - 0,68) × D (diámetro) (3)
Para este deseño, D(diámetro) = 600 mm, polo que D se toma como 360 mm. A carreira estrutural S tómase empíricamente como S = 500 mm.
3.3.2 Masa do pistón
As dimensións radiais do pistón están restrinxidas polo tamaño e estrutura do cilindro, permitindo pistóns de diámetro igual ou diferente. As dimensións lineais dependen do peso do pistón, que tamén se relaciona coa velocidade que ten ao golpear a broca. Polo tanto, a determinación das dimensións estruturais do pistón é un aspecto complexo do deseño DTH. A masa do pistón DTH pódese estimar do seguinte xeito:
m = 0,0205D^2,84 (4)
onde m é a masa do pistón en kg; D é o diámetro de traballo do cilindro en cm.
Substituíndo D = 36 dáse: m = 540 kg.
O DTH consiste principalmente nunha estrutura de transmisión de par e un mecanismo de impacto pneumático. A estrutura de transmisión de par conecta a barra de perforación e DTH, transmitindo forzas de corte e tracción rotacionais; o mecanismo de impacto pneumático xera impacto, proporcionando potencia axial á broca de impacto. Os detalles específicos da estrutura móstranse na Figura 3.
A estrutura de transmisión de par conecta a varilla de perforación e o impactador. A unión superior conéctase coa varilla de perforación e o impactador a través de roscas de tubos, principalmente para garantir a estanqueidade ao gas ao tempo que transmite o par e a forza de tracción. A válvula de retención evita que entre o lodo e a auga no impactador e na barra de perforación, controlada por un resorte. O asento de entrada de aire coa varilla de subministración de gas funciona para introducir aire comprimido no cilindro, facilitando a acción de subministración de gas xunto co cilindro e o pistón, conseguindo así a subministración combinada de gas. O anel de seguridade do resorte evita que o pistón se deslice fóra do cilindro ao substituír a broca.
3.4 Análise de elementos finitos da broca DTH
A broca DTH está sometida a forzas de impacto do pistón e torque do cabezal de accionamento. A forza que exerce o aire comprimido sobre o pistón vén dada por:
F = P × S (5)
onde P é a presión do sistema en Pa; S é a área de forza do pistón en m².
Así, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Polo tanto, a forza de impacto sobre a broca é:
F' = kF (6)
onde k é o coeficiente de impacto; F é a forza exercida sobre a broca polo aire comprimido en N. Así, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
O par aplicado á broca DTH polo cabezal de accionamento é N = 150 kN. Aplicando F' = 2688 kN e N = 150 kN á broca mentres se fixa a cara inferior da broca, e utilizando material QT500-7 cun límite de fluencia de 320 MPa, realízase a análise de elementos finitos. As condicións específicas de carga e restrición e a división da malla móstranse nas figuras 4 e 5.
Os resultados da análise de elementos finitos móstranse na Figura 6, indicando que a tensión máxima é de 144,355 MPa, que é menor que o límite de fluencia de QT500-7 (320 MPa), cumprindo así os requisitos.