Կոշտ ժայռերի հորատման կոդի խախտում. խաղը փոխող DTH տեխնոլոգիա:
Ըստ շինարարական տարածքի երկրաբանական պայմանների՝ գոյություն ունեն հորատման չորս հիմնական մեթոդներ, որոնք սովորաբար օգտագործվում են հորատման սարքերի կողմից, ինչպես ցույց է տրված Նկար 1-ում:
ա. Օդաճնշական կամ հիդրավլիկ շարժիչով պտտվող գլխիկները հարվածային սարքավորումների հետ համատեղ փոխանցում են պտտվող և հարվածային էներգիանհորատող խողովակ, էներգիա մատակարարելով հորատանցքին հորատման խողովակի հարվածային ալիքների միջոցով: Այս մեթոդը սահմանափակվում է փոքր տրամագծերով և փոքր խորություններով և սովորաբար օգտագործվում է քարհանքերում, շինհրապարակներում և ստորգետնյա հանքարդյունաբերության աշխատանքներում:
բ.Down-The-Hole (DTH) մուրճեր գտնվում են հորատման պարանի ստորին մասում: Սեղմված օդը ներթափանցում է DTH հորատման պարանի միջոցով՝ շարժելով մխոցը փոխադարձ շարժումով, որն ուղղակիորեն ազդում է գայլիկոնի վրա՝ փոխանցելով հարվածի էներգիան քարի վրա: Այս համակարգն ունի էներգիայի նվազագույն կորուստ և հատկապես հարմար է խորը անցքերի, ուղիղ անցքերի և միջին կարծր ապարների համար:
գ.Հակադարձ շրջանառության (RC) հորատումօգտագործում է DTH՝ հորատիչի երեսից քարերի նմուշներ հավաքելու և տեղափոխելու համար: Չոր և չաղտոտված հատումները DTH-ի կենտրոնական խողովակով տեղափոխվում են նմուշ հավաքող սարք՝ նախապատրաստվելով երկրաբանական վերլուծության:
դ. Հիդրավլիկ կամ էլեկտրական շարժիչներով շարժվող փոխանցումատուփը ձևավորում է պտտվող հզորության գլխիկ՝ կիրառելով բավարար սնուցման ուժ երեք կոն գայլիկոնի վրա սնուցման համակարգի միջոցով, որը շարժվում է վեր ու վար հորատման սարքի և հաստ պատերով հորատման խողովակի վրա: Այս մեթոդը կիրառվում է ավելի փափուկ ապարների կամ ուժեղ միացվող կոշտ ապարների համար:
- DTH-ի սկզբունքներն ու բնութագրերը
DTH-ով փորված գոյացությունները գրեթե ամբողջությամբ կարող են ներառել բոլոր հրային ապարները, մետամորֆային ապարները և միջին կարծր կամ ավելի կարծրացած նստվածքային ապարները: DTH-ը հատկապես ձեռնտու է կոշտ ապարների և կոշտ շերտերի հորատման համար, քանի որ կոշտ ապարը փխրուն է: Հարվածային բեռների տակ կոտրվածքները տեղի են ունենում ոչ միայն ուղղակի հարվածի վայրում, այլ նաև ստեղծում են կոտրված գոտի, որի արդյունքում առաջանում են ավելի մեծ ապարների բեկորներ: Այսպիսով, հորատման արագությունը զգալիորեն ավելի արագ է համեմատած մաքուր պտտվող հորատման հետ: Նկար 2-ի մեխանիկական մոդելը ցույց է տալիս ժայռի վրա ազդող պտտվող հորատման ժամանակ գործող տարբեր բեռներ:
Բացի այդ, DTH (Down-the-Hole) հորատումը բարձր արդյունավետություն ունի հորատանցքերի շեղումների հակված գոյացությունների դեպքում, ինչպիսիք են լավ զարգացած անկողնային շերտով և տաղավարով շերտերը կամ անհավասար կարծրությամբ և բազմաթիվ կոտրվածքներով ժայռերի շերտերը: Այն կարող է զգալիորեն նվազեցնել հորատանցքի շեղումը, ինչպես նաև հաղթահարել խճաքարի շերտերի և ժայռաբեկորների միջով հորատման դժվարությունները:
DTH հորատումը մշակվել է 19-րդ դարի վերջին և ունի ավելի քան մեկ դար պատմություն: Թեև կան DTH փորվածքների բազմաթիվ տեսակներ, դրանք ունեն ընդհանուր առանձնահատկություն. և՛ հարվածային մեխանիզմը, և՛ գայլիկոնը սուզվում են հորատանցքի մեջ՝ պտույտով զուգակցված հարվածի հետ՝ քարը կոտրելու համար: Հարվածության ուժ ստեղծելու համար օգտագործվող սարքավորումները կարող են դասակարգվել ըստ իրենց վարման եղանակի՝ օդաճնշական, հիդրավլիկ, նավթի ճնշման, էլեկտրական և մեխանիկական տեսակների:
Քանի որ հարվածային էներգիան զգալի կորուստ է կրում փոխանցման ընթացքում և կարող է էական վնաս պատճառել ազդված բաղադրիչներին, սովորաբար ավելի խորը հորատման աշխատանքներում պահանջվում է, որ սարքավորումը հորատման գործիքի հետ մտնի հորատանցք, որպեսզի ելքային հարվածի ուժը կարողանա ուղղակիորեն գործել գայլիկոնի կամ միջուկի տակառի վրա: Սա նվազագույնի է հասցնում էներգիայի կորուստը փոխանցման ընթացքում, բարելավում է էներգաարդյունավետությունը և նվազեցնում փոսային սարքավորումների խափանումների հավանականությունը:
Օդաճնշական DTH-ն, որը նաև հայտնի է որպես օդով պայմանավորված DTH, ունի բազմաթիվ կառուցվածքային տեսակներ և դասակարգման մեթոդներ:
- Ըստ ճնշման վարկանիշի՝ բարձր ճնշման, միջին ճնշման և ցածր ճնշման տեսակները:
- Ըստ ընդհանուր կառուցվածքի` ոչ միջով և տիպերով:
- Փականի շահագործման սկզբունքով. հսկիչ փականի տեսակը, ազատ փականի տեսակը և հիբրիդային փականի տեսակը:
- Ըստ մխոցների կառուցվածքի՝ հավասար տրամագծով մխոց, անհավասար տրամագծով մխոց և տանդեմ մխոցների տեսակներ:
- Ըստ օդի բաշխման տեսակի՝ փականային DTH և առանց փականների DTH: Փականային DTH-ը կարելի է բաժանել թիթեղային փականների, սկավառակի փականների և գլանաձև փականների տեսակների, մինչդեռ առանց փականների DTH-ը կարելի է բաժանել կենտրոնական ձողերի արտանետման տեսակի, մխոցային օդի բաշխման տեսակի և օդի համակցված բաշխման ըստ մխոցի, գլանների և կենտրոնական գավազանի:
- անցքով լվացման և խարամի արտահոսքի մեթոդով՝ կենտրոնական անցքով լվացում, առջևի անցքով լվացում և կողային անցքով լվացում:
2. Ազդեցության մեխանիզմի կառուցվածքային սխեմաների որոշում
2.1 Մխոցային ինքնագազի մատակարարման ոչ փականային ազդեցության մեխանիզմ
Այս տեսակի ազդեցության մեխանիզմը հիմնականում օգտագործում է գազի անցումները հենց մխոցում գազի մատակարարման համար, ինչը հանգեցնում է մխոցի բարդ կառուցվածքի՝ բազմաթիվ գազի ալիքներով, ինչը նվազեցնում է մխոցի ուժն ու կյանքի տևողությունը: Այնուամենայնիվ, այս ազդեցության մեխանիզմը միավորում է ներքին և արտաքին բալոնները՝ մեծացնելով մխոցի արդյունավետ աշխատանքային տարածքը և ուժեղացնելով մեխանիզմի ազդեցության էներգիան:
2.2 Մխոցների և բալոնների համակցված գազի մատակարարման ոչ փականային ազդեցության մեխանիզմ
Այս տեսակն առանձնանում է պարզ կառուցվածքով, որը հեշտ է արտադրվում, ունի մխոցի ավելի երկար կյանք, և գազի անցքերը տեղակայված են ինչպես բալոնի, այնպես էլ մխոցի վրա: Այս կառույցը լայնորեն կիրառվում է արտերկրում։
2.3 Կենտրոնական խողովակի գազի մատակարարման ոչ փականային ազդեցության մեխանիզմ
Այս մեխանիզմում վերին և ստորին խցիկների օդի ընդունման անցումները դասավորված են շրջանաձև խողովակի վրա, որտեղ մխոցը սահում է: Այն պահանջում է արտադրության բարձր ճշգրտություն և համեմատաբար կարճ կյանք ունի կենտրոնական խողովակի համար:
2.4 Կողային արտանետման ազդեցության մեխանիզմ
Այսպես կոչված կողային արտանետումը նշանակում է, որ արտանետվող գազի ուղին դուրս է գալիս բալոնի մարմնից, այլ ոչ թե անցնում է գայլիկոնի կենտրոնով դեպի անցքի հատակը: Այս տիպի ազդեցության մեխանիզմը սովորաբար ունի բազմաթիվ ընդունման և արտանետման ուղիներ մխոցի մարմնի վրա, ինչը հանգեցնում է կառուցվածքի վատ ամրության, երկայնական հոգնածության ճաքերի և օդի ճնշման զգալի կորստի, ինչը հանգեցնում է բեկորների ոչ օպտիմալ հեռացման և փորվածքի հովացման հետևանքների:
2.5 Կենտրոնական արտանետման ազդեցության մեխանիզմ
Այս տեսակի ազդեցության մեխանիզմը բեկորները և գազը դուրս է մղում անմիջապես հորատանցքի կենտրոնից մինչև անցքի հատակը: Օդի ուղիղ հոսքը ոչ միայն բարձրացնում է բեկորների հեռացման արդյունավետությունը, այլև բարելավում է հորատման արդյունավետությունը և հովացումը՝ երկարացնելով գայլիկոնի ծառայության ժամկետը: Այս կառուցվածքային տիպը փոխարինում է կողային արտանետման ազդեցության մեխանիզմների ներքին մխոցի բազմաթիվ երկայնական ակոսները օղակաձև ակոսով, ինչը զգալիորեն նվազեցնում է լարվածության կենտրոնացումը ներքին մխոցում: Վերջին տարիներին այն դարձել է լայնորեն ընդունված կառույց։
2.6 Series մխոցների ազդեցության մեխանիզմ
Սերիայի մխոցային հարվածի մեխանիզմը, որը նաև հայտնի է որպես երկմխոց (գլխով) հարվածիչ, մխոցը բաժանում է երկու խցիկների՝ օգտագործելով մեկուսացման օղակ: Այս դիզայնը թույլ է տալիս մխոցների երկու երեսները միաժամանակ աշխատել նույն անցքի տրամագծով, ինչը հանգեցնում է հարվածի ավելի մեծ հզորության և հարվածների ավելի բարձր հաճախականության: Համապատասխանաբար, կա երկակի արտանետման համակարգ, որն արդյունավետորեն հեռացնում է քարափոշին անցքի հատակից: Այնուամենայնիվ, դրա հիմնական թերությունը նրա բարդ կառուցվածքն է և հաստոցների մասերի բարձր ճշգրտության անհրաժեշտությունը. օրինակ, մխոցն ունի մինչև հինգ զուգակցող մակերես՝ կապված բաղադրիչներով, ինչը սահմանափակում է դրա կիրառումը և առաջմղումը: Հետևաբար, այս դիզայնը ընդունում է երկրորդ տարբերակը, որը ոչ փականային ազդեցության մեխանիզմն է՝ մխոցների և բալոնների համակցված գազի մատակարարմամբ: Դրա կառուցվածքը ներկայացված է Նկար 3-ում:
3. Տեսական վերլուծություն և համապատասխան հաշվարկներ DTH-ի համար
3.1 Գործառնական պարամետրերի ընտրություն**
3.1.1 Մուրճի երկարությունը և քաշը. Նախնական նախագծում նշվում է 4500 մմ-ից պակաս երկարություն և 2500 կգ-ից պակաս քաշ:
3.1.2 Մուրճի տրամագիծը. Մուրճի համապատասխան տրամագիծը որոշվում է հորատման տրամագծի հիման վրա՝ սահմանված 540 մմ:
3.1.3 Հորատման տրամագիծ. սա վերաբերում է կույտի անցքի տրամագծին, ընդհանուր առմամբ 550 մմ-ից մինչև 600 մմ:
3.1.4 Հորատման խորություն. ըստ կույտերի նախագծման պահանջների, սա սովորաբար մի քանի տասնյակ մետրից մինչև հարյուր մետր է:
3.1.5 Հորատման արագություն. DTH հորատումը սովորաբար գործում է ցածր պտտվող արագությամբ, սովորաբար 7-ից 25 ռ/վրկ:
3.1.6 Պտտման ոլորող մոմենտ. Այս դիզայնի առավելագույն ոլորող մոմենտը սահմանված է 150 կՆ·մ:
3.2 Դիզայնի պարամետրերի հաշվարկ
DTH-ի նախագծման պարամետրերը, մասնավորապես DTH ազդեցության սարքավորումների կատարողականի պարամետրերը, հիմք են հանդիսանում մեքենայի նախագծման համար և սահմանում են արտադրված սարքավորումների արդյունավետությունը:
3.2.1 Նախագծային ճնշում P հարվածային սարքավորումների համար
Չինաստանում 0,49 ՄՊա (մոտ 5 × 10^5 Պա) ճնշումը լայնորեն ընտրվում է որպես օդաճնշական ազդեցության սարքավորումների նախագծման ստանդարտ: Հաշվի առնելով, որ այս դիզայնի համար DTH-ն առանց փականային հարվածային սարք է՝ մեծ հորատման տրամագծով և ծանր մխոցով, օդի ավելի բարձր ճնշումն էլ ավելի կբարձրացնի կատարողականությունը: Բացի այդ, բարձր ճնշման օդային կոմպրեսորները գնալով ավելի տարածված են դառնում, և ISO 5941-1979 միջազգային ստանդարտի համաձայն ընտրվում է 1,6 ՄՊա նախագծային ճնշում:
3.2.2 Ազդեցության հզորություն
DTH-ի համար, որն օգտագործվում է մեծ տրամագծով անցքեր փորելու համար, դիզայնի ազդեցության էներգիան կարող է զգալիորեն տատանվել: Այս դիզայնի ազդեցության էներգիան հաշվարկվում է հետևյալ կերպ.
3.2.3 Ազդեցության հաճախականությունը
Ընդհանուր առմամբ, մշտական ազդեցության էներգիայի դեպքում հարվածի հաճախականությունը համաչափ է հարվածիչի ելքային հզորությանը: Այնուամենայնիվ, երբ մխոցի տրամագիծը ֆիքսված է, հարվածի հաճախականության ավելացումը պահանջում է մխոցի հարվածի կրճատում, որն իր հերթին նվազեցնում է մեկ հարվածի հզորությունը: Երբ մեկ հարվածի հզորությունը իջնի որոշակի շեմից, հաճախականության ավելացումը չի տա ժայռաբեկորի գոհացուցիչ արդյունքներ: Այսպիսով, ազդեցության հաճախականության ընտրությունը սահմանափակվում է ազդեցության հզորությամբ:
Օդաճնշական DTH-ի համար, որն աշխատում է 0,5 ՄՊա նախագծային ճնշման դեպքում, հաճախականությունը չպետք է գերազանցի 16,8 Հց: Քանի որ DTH-ն աշխատում է 0,5-ից 2,5 ՄՊա նախագծային ճնշման դեպքում, ազդեցության հաճախականությունը կարող է զգալիորեն տարբերվել: Հարվածիչի հաճախականության սկզբնական ընտրությունը կարող է հաշվարկվել հետևյալ կերպ.
f = 10.4 + 7.6P
(2) որտեղ P-ը համակարգի մատակարարման ճնշումն է: Այս դիզայնի համար P = 1,6 ՄՊա, հետևաբար.
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Հց:
3.3 Կառուցվածքային պարամետրերի ձևավորում
DTH-ի հիմնական կառուցվածքային պարամետրերը ներառում են մխոցի անցքի տրամագիծը, մխոցի հարվածը և մխոցի չափերը: Մխոցի տրամագծի մեծացումը կարող է մեծացնել ինչպես հարվածի հզորությունը, այնպես էլ հաճախականությունը, այնպես որ տրամագիծը պետք է առավելագույնի հասցվի կառուցվածքային չափերի սահմաններում: Սովորաբար, DTH-ի արտաքին տրամագծի և անցքի տրամագծի միջև տարբերությունը չպետք է լինի 15-ից 20 մմ-ից պակաս, իսկ DTH-ի արտաքին պատյանը չպետք է չափազանց բարակ լինի: Հետևաբար, DTH մխոցի տրամագծի և հորատման տրամագծի հարաբերակցությունը հիմնականում 0,5-ից բարձր է:
3.3.1 Մխոցի աշխատանքային տրամագիծը և կառուցվածքային հարվածը
Մխոցի աշխատանքային տրամագիծը D կարելի է հաշվարկել հետևյալ կերպ.
D = K × D (անցք) = (0.57 - 0.68) × D (անցք) (3)
Այս դիզայնի համար D(անցք) = 600 մմ, ուստի D-ն ընդունվում է որպես 360 մմ: Կառուցվածքային հարվածը S էմպիրիկորեն վերցված է որպես S = 500 մմ:
3.3.2 Մխոցի զանգված
Մխոցի շառավղային չափերը սահմանափակվում են մխոցի չափերով և կառուցվածքով, ինչը թույլ է տալիս հավասար կամ տարբեր տրամագծով մխոցներ: Գծային չափերը կախված են մխոցի քաշից, որը նաև կապված է գայլիկոնին հարվածելիս նրա արագության հետ: Հետևաբար, մխոցի կառուցվածքային չափերը որոշելը DTH նախագծման բարդ ասպեկտ է: DTH մխոցի զանգվածը կարելի է գնահատել հետևյալ կերպ.
m = 0,0205D^2,84 (4)
որտեղ m-ը մխոցի զանգվածն է կգ-ով; D-ը մխոցի աշխատանքային տրամագիծն է սմ-ով:
Փոխարինելով D = 36 զիջում է` մ = 540 կգ:
DTH-ը հիմնականում բաղկացած է ոլորող մոմենտ փոխանցման կառուցվածքից և օդաճնշական ազդեցության մեխանիզմից: Մեծ ոլորող մոմենտ փոխանցող կառուցվածքը միացնում է հորատման ձողը և DTH-ը՝ փոխանցելով պտտվող կտրող և ձգող ուժեր. օդաճնշական ազդեցության մեխանիզմը առաջացնում է հարված՝ առանցքային ուժ ապահովելով հարվածային գայլիկոնի վրա: Հատուկ կառուցվածքի մանրամասները ներկայացված են Նկար 3-ում:
Մեծ ոլորող մոմենտ փոխանցման կառուցվածքը միացնում է հորատման ձողը և հարվածող սարքը: Վերին հանգույցը միանում է հորատման ձողին և հարվածողին խողովակի թելերով, հիմնականում ապահովելու համար գազի խստությունը, միաժամանակ փոխանցելով ոլորող մոմենտ և ձգող ուժ: Ստուգիչ փականը կանխում է ցեխի և ջրի ներթափանցումը հարվածիչի և հորատման ձողի մեջ՝ կառավարվող զսպանակով: Գազի մատակարարման գավազանով օդի ընդունման նստատեղը գործում է սեղմված օդը բալոն մտցնելու համար՝ հեշտացնելով գազի մատակարարման գործողությունը մխոցի և մխոցի հետ միասին՝ դրանով իսկ հասնելով համակցված գազի մատակարարմանը: Գարնանային անվտանգության օղակը թույլ չի տալիս մխոցը դուրս սահել մխոցից, երբ փոխարինում է գայլիկոնը:
3.4 DTH հորատման բիտի վերջավոր տարրերի վերլուծություն
DTH գայլիկոնը ենթարկվում է հարվածային ուժերի մխոցից և ոլորող մոմենտի՝ շարժիչի գլխից: Սեղմված օդի կողմից մխոցի վրա գործադրվող ուժը տրվում է հետևյալով.
F = P × S (5)
որտեղ P-ը համակարգի ճնշումն է Pa-ում; S-ը մխոցի ուժի մակերեսն է m²-ով:
Այսպիսով, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N:
Հետևաբար, գայլիկոնի վրա ազդեցության ուժը հետևյալն է.
F' = kF (6)
որտեղ k-ն ազդեցության գործակիցն է. F-ն ուժն է, որը գործադրվում է գայլիկոնի վրա սեղմված օդի կողմից N-ում: Այսպիսով, F' = 20 × 134400 = 2688 կՆ:
DTH գայլիկոնի վրա կիրառվող ոլորող մոմենտը շարժիչի գլխիկի կողմից N = 150 կՆ է: F' = 2688 kN և N = 150 kN փորվածքի վրա կիրառելով գայլիկոնի ստորին ծայրի երեսը ամրացնելիս և օգտագործելով QT500-7 նյութը 320 ՄՊա թողունակությամբ, կատարվում է վերջավոր տարրերի վերլուծություն: Հատուկ բեռնման և սահմանափակման պայմանները և ցանցի բաժանումը ներկայացված են Նկար 4-ում և 5-ում:
Վերջավոր տարրերի վերլուծության արդյունքները ներկայացված են Նկար 6-ում, ցույց տալով, որ առավելագույն լարումը 144,355 ՄՊա է, որը փոքր է QT500-7-ի թողունակությունից (320 ՄՊա)՝ այդպիսով բավարարելով պահանջները: