Razbijanje kodeksa bušenja tvrdog kamena: DTH tehnologija koja mijenja igru.

U skladu s geološkim uvjetima građevinskog područja, postoje četiri glavne metode bušenja koje se obično koriste na bušilicama, kao što je prikazano na slici 1.

a. Rotacijske glave s pneumatskim ili hidrauličnim pogonom u kombinaciji s opremom za udarce prenose rotacijsku i udarnu energiju kroz vrhbušaća cijev, isporučujući energiju svrdlu putem udarnih valova u bušaćoj cijevi. Ova je metoda ograničena na male promjere i male dubine i općenito se koristi u kamenolomima, gradilištima i podzemnim rudarskim operacijama.

b.Down-The-Hole (DTH) čekići nalaze se na dnu bušaće kolone. Komprimirani zrak ulazi u DTH kroz bušaću kolonu, pokrećući klip u recipročnom kretanju koji izravno utječe na svrdlo, prenoseći udarnu energiju na stijenu. Ovaj sustav ima minimalne gubitke snage i posebno je prikladan za duboke rupe, ravne rupe i srednje tvrde stijene.

c.Bušenje s obrnutom cirkulacijom (RC).koristi DTH za prikupljanje i transport uzoraka stijena s prednje strane svrdla. Suhe i nekontaminirane krhotine prenose se kroz središnju cijev DTH u uređaj za prikupljanje uzoraka, pripremajući se za geološku analizu.

d. Mjenjač kojeg pokreću hidraulički ili električni motori oblikuje rotirajuću pogonsku glavu, primjenjujući dovoljnu silu dodavanja na trokonusno svrdlo kroz sustav dodavanja koji se pomiče gore-dolje na bušaćoj opremi i bušaćoj cijevi s debelim stijenkama. Ova metoda se koristi za mekše stijene ili čvrsto spojene tvrde stijene.

 

1. Principi i karakteristike DTH

Formacije izbušene s DTH gotovo u potpunosti mogu uključiti sve magmatske stijene, metamorfne stijene i sedimentne stijene koje su srednje tvrde ili tvrđe. DTH je posebno pogodan za bušenje tvrdih stijena i žilavih slojeva jer je tvrda stijena obično krta. Pod udarnim opterećenjima, lomovi se ne pojavljuju samo na mjestu izravnog udara, već također stvaraju slomljenu zonu, što rezultira većim fragmentima stijene. Stoga je brzina bušenja znatno veća u usporedbi s čistim rotacijskim bušenjem. Mehanički model na slici 2 ilustrira različita opterećenja koja djeluju na stijenu tijekom udarnog rotacijskog bušenja.

                                                             

Osim toga, DTH (Down-the-Hole) bušenje vrlo je učinkovito u formacijama koje su sklone devijaciji bušotine, kao što su slojevi s dobro razvijenim naslagama i folijacijom ili slojevi stijena s neujednačenom tvrdoćom i mnogo pukotina. Može značajno smanjiti odstupanje bušotine i također prevladati poteškoće u bušenju kroz slojeve šljunka i gromade.

 

DTH bušenje razvijeno je u kasnom 19. stoljeću i ima povijest dužu od jednog stoljeća. Iako postoje mnoge vrste DTH bušilica, one dijele zajedničku značajku: i udarni mehanizam i svrdlo uronjeni su u bušotinu, pri čemu se rotacija kombinira s udarcem kako bi se razbila stijena. Oprema koja se koristi za stvaranje sile udara može se kategorizirati prema načinu pogona na pneumatsku, hidrauličku, uljnu pod pritiskom, električnu i mehaničku.

 

Budući da energija udarca doživljava znatan gubitak tijekom prijenosa i može prouzročiti znatnu štetu zahvaćenim komponentama, općenito je potrebno u operacijama dubljeg bušenja da oprema uđe u bušotinu s alatom za bušenje, tako da izlazna udarna sila može djelovati izravno na svrdlo ili jezgru. Ovo smanjuje gubitak energije tijekom prijenosa, poboljšava energetsku učinkovitost i smanjuje vjerojatnost kvarova opreme u bušotini.

Pneumatski DTH, također poznat kao DTH na zračni pogon, postoji u mnogim strukturnim tipovima i metodama klasifikacije.

- Prema stupnju tlaka: visokotlačni, srednjetlačni i niskotlačni.

- Po ukupnoj strukturi: neprolazni i prolazni tipovi.

- Po principu rada ventila: regulacijski ventil, slobodni ventil i hibridni ventil.

- Prema strukturi klipa: klip jednakog promjera, klip nejednakog promjera i tip klipa tandem.

- Prema vrsti distribucije zraka: DTH s ventilom i DTH bez ventila. DTH s ventilom može se podijeliti na tipove pločastih ventila, disk ventila i cilindričnih ventila, dok se DTH bez ventila može podijeliti na ispušni tip središnje šipke, tip distribucije zraka klipa i kombiniranu distribuciju zraka pomoću klipa, cilindra i središnje šipke.

- Metodom ispiranja otvora i ispuštanja troske: pranje središnjeg otvora, pranje prednjeg otvora i pranje bočnog otvora.

2. Određivanje strukturnih shema mehanizma udara

2.1 Klipni mehanizam za samodovod plina bez ventila

Ovaj tip udarnog mehanizma primarno koristi plinske prolaze u samom klipu za dovod plina, što rezultira složenom strukturom klipa s brojnim plinskim kanalima, što smanjuje čvrstoću i životni vijek klipa. Međutim, ovaj udarni mehanizam integrira unutarnje i vanjske cilindre, povećavajući učinkovito radno područje klipa i povećavajući udarnu energiju mehanizma.

2.2 Mehanizam udara bez ventila kombiniranog dovoda plina klipa i cilindra

Ovaj tip ima jednostavnu strukturu koja se lako proizvodi, ima dulji životni vijek klipa, a otvori za plin nalaze se i na cilindru i na klipu. Ova se struktura široko koristi u inozemstvu.

2.3 Mehanizam udara bez ventila središnje cijevi za dovod plina

U ovom mehanizmu, prolazi za usis zraka za gornju i donju komoru raspoređeni su na kružnoj cijevi gdje klizi klip. Zahtijeva visoku preciznost izrade i ima relativno kratak vijek trajanja središnje cijevi.

2.4 Mehanizam bočnog udara ispuha

Takozvani bočni ispuh znači da put ispušnih plinova izlazi iz tijela cilindra umjesto da prolazi kroz središte svrdla do dna rupe. Ova vrsta udarnog mehanizma obično ima mnogo usisnih i ispušnih putova na tijelu cilindra, što dovodi do slabe strukturne čvrstoće, potencijala za uzdužne pukotine uslijed zamora i značajnog gubitka tlaka zraka, što rezultira suboptimalnim uklanjanjem krhotina i učincima hlađenja za svrdlo.

2.5 Sudarni mehanizam središnjeg ispuha

Ova vrsta udarnog mehanizma izbacuje krhotine i plin izravno iz središta svrdla na dno rupe. Izravni protok zraka ne samo da povećava učinkovitost uklanjanja krhotina, već također poboljšava učinkovitost bušenja i hlađenja, produžujući životni vijek svrdla. Ovaj strukturni tip zamjenjuje brojne uzdužne utore u unutarnjem cilindru bočnih ispušnih mehanizama s prstenastim utorom, čime se uvelike smanjuje koncentracija naprezanja u unutarnjem cilindru. Postala je široko prihvaćena struktura posljednjih godina.

2.6 Series klipni udarni mehanizam

Serijski klipni udarni mehanizam, poznat i kao udarna glava s dva klipa (glava), dijeli cilindar u dvije komore pomoću izolacijskog prstena. Ovaj dizajn omogućuje da obje strane klipa rade istovremeno unutar istog promjera provrta, što rezultira većom snagom udara i većom učestalošću udara. Sukladno tome, postoji dvostruki ispušni sustav koji učinkovito uklanja kameni prah s dna rupe. Međutim, njegov glavni nedostatak je njegova složena struktura i potreba za visokom preciznošću u obradi dijelova; na primjer, klip ima do pet spojnih površina s pripadajućim komponentama, što ograničava njegovu primjenu i promicanje. Stoga ovaj dizajn prihvaća drugu opciju, a to je udarni mehanizam bez ventila s kombiniranim dovodom plina klipa i cilindra. Njegova struktura prikazana je na slici 3.

3.Teorijska analiza i relevantni proračuni za DTH

3.1 Odabir radnih parametara**

3.1.1 Duljina i težina čekića: Idejni projekt navodi duljinu manju od 4500 mm i težinu manju od 2500 kg.

3.1.2 Promjer čekića: Odgovarajući promjer čekića određuje se na temelju promjera bušenja, postavljenog na 540 mm.

3.1.3 Promjer bušenja: Ovo se odnosi na promjer rupe za pilote, općenito između 550 mm i 600 mm.

3.1.4 Dubina bušenja: Prema zahtjevima dizajna pilota, to je obično između nekoliko desetaka metara i sto metara.

3.1.5 Brzina bušenja: DTH bušenje općenito radi pri niskim brzinama vrtnje, obično između 7 i 25 o/s.

3.1.6 Zakretni moment: Maksimalni zakretni moment za ovu konstrukciju postavljen je na 150 kN·m.

 

3.2 Izračun projektnih parametara

Projektni parametri za DTH, posebno parametri izvedbe DTH opreme za udarce, služe kao osnova za projektiranje stroja i definiraju performanse proizvedene opreme.

3.2.1 Projektirani tlak P za udarnu opremu

U Kini je tlak od 0,49 MPa (približno 5 × 10^5 Pa) naširoko odabran kao standard dizajna za pneumatsku udarnu opremu. S obzirom na to da je DTH za ovaj dizajn udarni uređaj bez ventila s velikim promjerom bušenja i teškim klipom, viši tlak zraka dodatno će poboljšati performanse. Dodatno, visokotlačni zračni kompresori su sve češći, au skladu s međunarodnom normom ISO 5941-1979 odabire se projektirani tlak od 1,6 MPa.

3.2.2 Snaga udarca

Za DTH koji se koristi za bušenje rupa velikog promjera, projektirana udarna energija može značajno fluktuirati. Energija udara za ovaj dizajn izračunava se na sljedeći način:

                                                 

3.2.3 Učestalost udara

Općenito, pod konstantnom energijom udara, frekvencija udara je proporcionalna izlaznoj snazi ​​udarne glave. Međutim, kada je promjer cilindra fiksan, povećanje frekvencije udara zahtijeva smanjenje hoda klipa, što zauzvrat smanjuje snagu pojedinačnog udara. Jednom kada snaga pojedinačnog udarca padne ispod određenog praga, povećanje učestalosti neće dati zadovoljavajuće rezultate razbijanja stijena. Stoga je odabir frekvencije udara ograničen snagom udara.

Za pneumatski DTH koji radi pri projektiranom tlaku od 0,5 MPa, frekvencija ne smije prelaziti 16,8 Hz. Budući da DTH radi na projektiranim tlakovima između 0,5 i 2,5 MPa, učestalost udara može značajno varirati. Početni odabir frekvencije udarnog elementa može se izračunati na sljedeći način:

f = 10.4 + 7.6P

(2) gdje je P opskrbni tlak sustava. Za ovaj dizajn, P = 1,6 MPa, dakle:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Dizajn strukturnih parametara

Glavni strukturni parametri DTH uključuju promjer provrta cilindra, hod klipa i dimenzije klipa. Povećanje promjera cilindra može povećati snagu udarca i frekvenciju, tako da bi promjer trebao biti maksimalno povećan unutar granica strukturne veličine. Tipično, razlika između vanjskog promjera DTH i promjera provrta ne smije biti manja od 15 do 20 mm, a vanjsko kućište DTH ne smije biti pretanko. Stoga je omjer promjera DTH cilindra i promjera bušenja općenito iznad 0,5.

3.3.1 Radni promjer cilindra i strukturni hod

Radni promjer D cilindra može se izračunati na sljedeći način:

D = K × D (provrt) = (0,57 - 0,68) × D (provrt) (3)

Za ovaj dizajn, D(provrt) = 600 mm, tako da se D uzima kao 360 mm. Konstruktivni hod S empirijski se uzima kao S = 500 mm.

3.3.2 Masa klipa

Radijalne dimenzije klipa ograničene su veličinom i strukturom cilindra, dopuštajući klipove jednakog ili različitog promjera. Linearne dimenzije ovise o težini klipa, koja se također odnosi na brzinu koju ima pri udaru u svrdlo. Stoga je određivanje strukturnih dimenzija klipa složen aspekt projektiranja DTH. Masa DTH klipa može se procijeniti na sljedeći način:

m = 0,0205D^2,84 (4)

gdje je m masa klipa u kg; D je radni promjer cilindra u cm.

Zamjenom D = 36 dobiva se: m = 540 kg.

DTH se uglavnom sastoji od strukture prijenosa zakretnog momenta i pneumatskog udarnog mehanizma. Struktura prijenosa zakretnog momenta povezuje bušaću šipku i DTH, prenoseći rotacijske sile rezanja i povlačenja; pneumatski udarni mehanizam stvara udar, osiguravajući aksijalnu snagu udarnom svrdlu. Specifični detalji strukture prikazani su na slici 3.

Struktura prijenosa momenta povezuje bušaću šipku i udarnu glavu. Gornji spoj povezuje se s bušaćom šipkom i udarnom glavom kroz cijevne navoje, prvenstveno kako bi se osigurala nepropusnost za plin, dok se također prenosi zakretni moment i vučna sila. Nepovratni ventil sprječava ulazak blata i vode u udarnu glavu i bušaću šipku, kontroliranu oprugom. Sjedalo za dovod zraka s šipkom za dovod plina služi za uvođenje komprimiranog zraka u cilindar, olakšavajući opskrbu plinom zajedno s cilindrom i klipom, čime se postiže kombinirana opskrba plinom. Opružni sigurnosni prsten sprječava da klip isklizne iz cilindra prilikom zamjene svrdla.

3.4 Analiza DTH svrdla metodom konačnih elemenata

DTH svrdlo podvrgnuto je udarnim silama klipa i okretnom momentu pogonske glave. Sila kojom komprimirani zrak djeluje na klip dana je kao:

F = P × S (5)

gdje je P tlak sustava u Pa; S je površina sile klipa u m².

Dakle, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Prema tome, udarna sila na svrdlo je:

F' = kF (6)

gdje je k koeficijent utjecaja; F je sila kojom stlačeni zrak djeluje na svrdlo u N. Dakle, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Zakretni moment koji pogonska glava primjenjuje na DTH svrdlo je N = 150 kN. Primjenom F' = 2688 kN i N = 150 kN na svrdlo tijekom fiksiranja donje čeone strane svrdla, te korištenjem QT500-7 materijala s granicom razvlačenja od 320 MPa, provedena je analiza konačnih elemenata. Specifični uvjeti opterećenja i ograničenja te podjela mreže prikazani su na slikama 4 i 5.

Rezultati analize konačnih elemenata prikazani su na slici 6., pokazujući da je maksimalno naprezanje 144,355 MPa, što je manje od granice razvlačenja QT500-7 (320 MPa), čime se zadovoljavaju zahtjevi.