Pemilihan Bit PDC yang Optimal untuk Penambangan Batubara

Konstruksi lubang bor merupakan metode teknis yang banyak digunakan untuk pengendalian gas, pencegahan kerusakan akibat air, dan eksplorasi geologi di tambang batu bara, yang berperan penting dalam memastikan keamanan dan efisiensi produksi batu bara. Di Tiongkok, puluhan juta meter lubang bor dibuat setiap tahun di tambang batu bara. Proses konstruksi memerlukan dukungan peralatan pengeboran seperti bor, pipa bor, dan mata bor. Di antara semuanya, bor merupakan alat penting untuk langsung membuat lubang dan memecah batu.

Lembaran komposit berlian polikristalin (PDC) banyak digunakan dalam mata bor pertambangan karena ketahanan ausnya yang luar biasa dan ketangguhan benturan yang terpuji.bit PDCmenunjukkan masa pakai pengeboran yang lebih lama dan efisiensi penetrasi yang lebih tinggi ketika digunakan pada formasi batuan sedang-keras dan rendah, sehingga menghasilkan manfaat ekonomi yang substansial dalam operasi pengeboran tambang batu bara. Dibandingkan dengan pengeboran minyak, pengeboran tambang batu bara memiliki atribut teknis yang hemat biaya, efisien waktu, dan dirancang secara padat. Akibatnya, persyaratan keseluruhan untuk bit PDC tidak terlalu menuntut.

Tantangan yang dihadapi saat ini dalam bidang pertambanganbit PDCmeliputi: ①Ambang batas masuk untuk mata bor PDC pertambangan relatif rendah, dengan banyaknya produsen yang menawarkan berbagai tingkat kualitas. ②Penggunaan dan persyaratan pengeboran bawah tanah di tambang batu bara menunjukkan perbedaan yang nyata, sementara klasifikasi mata bor PDC pertambangan rumit dan beragam. Lebih jauh lagi, terdapat kurangnya spesifikasi pemilihan yang sistematis dan rasional dalam proses pemanfaatan selanjutnya. ③Dengan semakin maraknya lapisan keras yang kompleks di tambang batu bara, mata bor PDC pertambangan konvensional gagal memenuhi persyaratan konstruksi untuk pengeboran di lokasi yang efisien, yang mengakibatkan terjadinya kemajuan yang lambat atau bahkan kurangnya rekaman sama sekali. ④Karena kondisi konstruksi yang menantang di tambang batu bara, kepatuhan yang ketat terhadap prosedur pengeboran oleh personel konstruksi terkadang sulit dilakukan.

Untuk meningkatkan efektivitas operasional pertambanganbit PDC, makalah ini memberikan analisis komprehensif tentang mode kegagalan utama dan menyelidiki penyebab yang mendasari setiap bentuk kegagalan. Selain itu, rekomendasi praktis diusulkan untuk pemilihan yang bijaksana dan pemanfaatan bit ini secara cermat.

1.Analisis Bentuk dan Penyebab Kegagalan Bit PDC dalam Penambangan

Saat ini, komponen mata bor PDC pertambangan terutama terdiri dari badan mata bor, pemotong PDC, paduan pengukur, dan komponen lain seperti yang digambarkan pada Gambar 1. Pemotong PDC dan paduan pengukur dibrazing ke badan mata bor untuk memastikan pemasangannya yang aman. Selama operasi pengeboran biasa, batang bor mengirimkan torsi dan tekanan umpan ke dasar lubang tempat ia terhubung dengan mata bor. Proses pemotongan batu dilakukan melalui penggunaan pemotong PDC pada mata bor. Selain itu, paduan pengukur melindungi dari keausan berlebihan dengan melindungi integritas keliling badan mata bor. Namun, perlu dicatat bahwa berbagai faktor seperti gaya kompleks yang diberikan pada pemotong di dasar lubang selama pemotongan batu dengan mata bor PDC, perubahan karakteristik formasi, pemilihan teknik dan peralatan konstruksi, kecakapan operasional personel yang terlibat dalam kegiatan konstruksi bersama dengan langkah-langkah pengendalian kualitas untuk mata bor itu sendiri dapat secara signifikan memengaruhi efektivitas aplikasi yang menyebabkan berbagai bentuk kegagalan mata bor ini. Melalui penyelidikan yang dilakukan di lokasi pengeboran tambang batu bara, kami telah meringkas dan menganalisis berbagai mode kegagalan dan penyebab utama yang terkait denganbit PDC.

1.1 Kegagalan pemotong PDC terjadi saat PDC disinter dalam kondisi suhu dan tekanan tinggi. Lembaran komposit terdiri dari dua komponen utama: lapisan berlian dan matriks karbida, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 2.

Mode kegagalan utama pemotong PDC meliputi keausan normal, terkelupas, bilah rusak, dan delaminasi.

(1) Keausan dan kerusakan yang biasa terjadi

Fenomena keausan normal merupakan salah satu jenis kerusakan khas yang terjadi pada pemotong PDC selama proses pemotongan batu, yang ditandai terutama oleh hilangnya hasil penggilingan makroskopis yang signifikan baik pada lapisan intan maupun matriks karbida tersemen pada pemotong, tanpa adanya tanda-tanda retak yang nyata pada permukaan penggilingan.

(2) Jatuhnya chip

Fenomena chip drop terjadi saat pemotong PDC terlepas dari badan mata bor, yang mengakibatkan kegagalan mata bor. Karakteristik yang paling menonjol adalah terpisahnya pemotong PDC dari badan mata bor secara menyeluruh, tanpa adanya residu paduan logam yang ditemukan di lubang tempat pengelasan antara badan mata bor dan pemotong PDC berlangsung.

Faktor utama yang berkontribusi terhadap menurunnya film jatuh:

① Suhu yang tinggi di dasar lubang bor menyebabkan tantangan dalam teknologi konstruksi pengeboran kering atau pembentukan sumbat air selama proses pengeboran, sekaligus menghambat pendinginan pemotong PDC yang tepat waktu pada bor selama pemotongan batu putar berkecepatan tinggi. Akibatnya, terjadi peningkatan suhu yang signifikan di dasar lubang, yang dapat melampaui suhu kritis solder dan mengakibatkan solder meleleh dan selanjutnya terlepasnya pemotong PDC.

② Kontrol proses pengelasan bor tidak cukup ketat. Dalam prosedur pengelasan, terdapat kurangnya pembersihan yang tepat sebelum pengelasan, pengelasan yang salah atau manajemen gas buang yang tidak memadai, dan suhu penyimpanan panas yang tidak wajar atau waktu yang tidak mencukupi setelah pengelasan, yang semuanya dapat mengakibatkan terlepasnya mata bor. Selain menuntut produsen untuk secara ketat mengatur proses produksi (terutama proses pengelasan pemotong PDC) untuk memastikan pengelasan yang lengkap dan kokoh, prosedur konstruksi pengeboran juga perlu diperjelas dengan memilih pengeboran air jika memungkinkan dan menghindari konstruksi pengeboran kering. Untuk pengeboran lubang dalam, harus dipastikan bahwa air kembali sebelum menambahkan bor batang. Selain itu, setiap kali sebelum memasukkan bor ke dasar lubang, penting untuk memeriksa apakah ada penghalang untuk mencegah penyumbatan.

(3) Kerusakan bilah

Fraktur lapisan berlian pada pemotong PDC merupakan salah satu bentuk kegagalan yang umum terjadibit PDCCiri khas dari mode kegagalan ini adalah pecahnya lapisan berlian secara lokal, dengan beberapa kejadian mengakibatkan kerusakan simultan di sepanjang matriks karbida.

Penyebab utama kerusakan bit PDC:

① Pemotong yang dipilih berdasarkan karakteristik bawaan pemotong PDC menunjukkan ketahanan benturan yang rendah. Kekuatan gabungan karbida tungsten (WC) dan bubuk mikro berlian tidak mencukupi, sehingga rentan terhadap kegagalan akibat tekanan fragmentasi batuan;

② Faktor-faktor yang terkait dengan proses konstruksi menunjukkan bahwa tekanan konstruksi di lokasi terlalu tinggi. Tekanan yang diberikan oleh pemotong PDC pada mata bor secara signifikan melebihi batas tekanan pemotong, yang menyebabkan terkelupasnya lapisan berlian dan selanjutnya runtuhnya ujung pemotong.

③ Faktor yang terkait dengan formasi kompleks menunjukkan bahwa selama konstruksi formasi keras dan retak, beban impak pada pemotong PDC melampaui ketangguhan impaknya, yang dapat menyebabkan runtuhnya ujung pemotong.

④ Desain sudut pemotongan mata bor tidak memadai, karena tidak mematuhi prinsip bahwa formasi yang lebih keras memerlukan sudut pemotongan yang lebih besar. Dalam konstruksi formasi yang keras, sudut pemotongan yang lebih kecil dapat mengakibatkan gaya yang berlebihan pada pemotong PDC, yang pada akhirnya menyebabkan keruntuhan ujung pemotong.

⑤ Faktor lain menunjukkan bahwa susunan baut penyangga dan kabel jangkar di jalan bawah tanah membuat mata bor sangat rentan untuk ambruk saat menjumpai elemen-elemen ini. Untuk mencegah kegagalan mata bor, penting untuk tidak hanya mematuhi secara ketat parameter proses yang diuraikan dalam buku petunjuk pengeboran tetapi juga untuk merancang dan memilih bor berdasarkan kondisi formasi. Secara khusus, saat mengebor ke dalam formasi keras, disarankan untuk meningkatkan sudut pemotongan mata bor dengan tepat, mengurangi agresivitasnya, dan meningkatkan perlindungan untuk mata bor. Selain itu, memilih pemotong PDC dengan ketangguhan benturan yang lebih tinggi direkomendasikan saat mengebor melalui formasi retakan keras atau memodifikasi bentuk luar lapisan berlian pemotong untuk meningkatkan ketangguhan benturan; misalnya, pemotong PDC melengkung umumnya menunjukkan ketahanan benturan yang lebih baik daripada jenis datar. Lebih jauh, tata letak lubang yang wajar selama konstruksi harus diterapkan untuk menghindari pengeboran ke dalam baut dan kabel jangkar.

(4) Delaminasi

Delaminasi mengacu pada terlepasnya lapisan berlian dari matriks karbida yang disemen pada lembaran komposit PDC, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3.

Penyebab utama delaminasi pada lapisan berlian pemotong PDC adalah tegangan sisa substansial yang ada antara lapisan berlian dan matriks karbida yang disemen, ditambah dengan perbedaan yang signifikan dalam koefisien ekspansi termal mereka. Selama pemotongan batu, lapisan berlian dan matriks karbida yang disemen mengalami kontraksi asinkron karena tegangan termal yang dihasilkan oleh panas gesekan dan pendinginan dari cairan pencuci. Beban benturan dan tegangan sisa yang dihasilkan menyebabkan terkelupasnya lapisan berlian dari matriks karbida, yang pada akhirnya mengakibatkan kegagalan mata bor. Untuk mengurangi delaminasi, penting untuk memilih bahan ikatan dan teknologi pemrosesan yang tepat yang mengatasi tegangan sisa antara kedua komponen ini selama pembuatan. Selain itu, merancang bentuk antarmuka baru untuk matriks dapat meningkatkan sifat ikatan antara lapisan berlian dan matriks karbida yang disemen.

1.2 Kegagalan badan bor terutama ditandai oleh patahnya bilah pada badan bor, seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 4.

 

Fraktur bilah badan mata bor sebagian besar terjadi pada badan mata bor dan mata bor badan baja jarang terjadi. Alasan fraktur bilah badan mata bor adalah sebagai berikut: ① Memukul bilah badan mata bor saat membuka badan mata bor karena mahkota badan mata bor disinter dengan proses metalurgi serbuk pada satu waktu. dibandingkan dengan mata bor badan baja biasa. mata bor badan mata bor memiliki ketahanan aus yang lebih tinggi. tetapi ketangguhan material badan berkurang dan bilah badan mata bor mudah patah saat membuka badan mata bor; ② Kontrol proses sintering mata bor tidak ketat. dan badan mata bor yang disinter adalah entrainment dan serbuk logam gagal membentuk paduan. Untuk menghindari patahnya bilah. pengguna sebaiknya menggunakan alat seperti tang gigi untuk membantu belenggu saat membuka bor. untuk menghindari benturan pada bilah; Kedua. produsen harus secara ketat mengontrol kualitas badan sinter. tidak hanya untuk mengontrol proses sintering secara ketat. tetapi juga untuk memantau serbuk logam dari waktu ke waktu untuk memastikan bahwa serbuk tersebut memenuhi persyaratan proses.

2. Desain yang Dioptimalkan dan Pemilihan Bit PDC Penambangan yang Wajar

2.1 Desain optimasi mata bor

(1) Untuk bentuk kegagalan bit, perlu mengoptimalkan strukturnya dari desain bor. Parameter desain utama bit PDC meliputi Sudut pemotongan α. Sudut samping β. Sudut azimuth γ. dll. γ mengacu pada Sudut antara garis referensi orientasi gigi PDC dan garis tengah bit. α mengacu pada Sudut antara garis referensi orientasi gigi PDC dan bidang kerja pemotong. seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. β mengacu pada Sudut antara bidang melalui titik tengah dan garis tengah bit dan bidang kerja pemotong. seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6. Penelitian pendahuluan dan analisis aplikasi komprehensif menunjukkan bahwa Sudut pemotongan dan Sudut samping pemotong PDC dapat secara langsung memengaruhi masa pakai dan efisiensi pengeboran bit. dan perlu mengoptimalkan desain bit sesuai dengan formasi pengeboran yang berbeda. Desain Sudut Pemotongan akan sangat memengaruhi efisiensi pengeboran. atau bahkan tidak ada rekaman sama sekali; Jika Sudut pemotongan terlalu kecil. ujung pemotongan PDC rentan terhadap kerusakan dan fenomena lainnya. Oleh karena itu. Desain bor harus dipertimbangkan secara komprehensif saat memilih skema parameter dengan memilih sudut pemotongan dan sudut samping yang moderat daripada desain acak.

(2) Selain mengoptimalkan sudut pemotongan mata bor, penting juga untuk mengoptimalkan pemotong PDC. Kualitas pemotong PDC secara signifikan memengaruhi mata bor PDC pertambangan, karena secara langsung menentukan kinerja pemotongan dan masa pakainya. Faktor penting dalam meningkatkan kualitas PDC adalah penghapusan tegangan sisa pada antarmuka ikatan antara lapisan berlian dan matriks karbida yang disemen. Penelitian menunjukkan bahwa tegangan maksimum pada pemotong PDC dengan struktur antarmuka planar terkonsentrasi di dekat kedua sisi antarmuka ini, dengan tegangan tarik dan geser puncak terjadi di tepi lapisan berlian. Adanya tegangan tarik dapat menyebabkan fraktur abnormal pada PDC, sementara tegangan geser berfungsi sebagai penyebab utama delaminasi pada pemotong PDC.

(3) Selain menghilangkan tegangan sisa pada pemotong PDC, perawatan sekunder dapat lebih meningkatkan kualitasnya. Saat ini, metode perawatan permukaan utama meliputi penggilingan permukaan berlian, chamfering tepi, dan pemesinan berbentuk. Pemilihan pemotong PDC dapat dioptimalkan berdasarkan kondisi kerja aktual.

2.2 Pemilihan mata bor yang wajar

Saat ini, mata bor PDC yang digunakan dalam operasi pengeboran bawah lubang di sebagian besar area pertambangan sebagian besar memiliki desain cekung tiga sayap. Akan tetapi, pemilihan mata bor ini sering kali terbatas dan tidak memiliki klasifikasi, sehingga menghasilkan pendekatan satu ukuran untuk semua yang tidak secara memadai memenuhi persyaratan khusus dari berbagai lapisan tanah. Hal ini khususnya bermasalah dalam kondisi formasi yang kompleks, di mana mata bor cekung konvensional kesulitan memberikan kinerja yang memuaskan, yang menyebabkan masa pakai mata bor menjadi lebih pendek dan efisiensi pengeboran berkurang. Ketidakefisienan tersebut tidak hanya meningkatkan biaya produksi tetapi juga dapat mengganggu jadwal konstruksi dan menimbulkan kerugian ekonomi yang signifikan. Oleh karena itu, penting untuk memilih mata bor yang tepat yang disesuaikan dengan berbagai kondisi formasi.

Mata bor PDC pertambangan dapat dikategorikan ke dalam dua jenis utama berdasarkan bahan badan mata bor: jenis baja dan jenis ban. Badan mata bor jenis baja terutama diproses melalui metode mekanis, memberikan ketangguhan yang baik yang membuatnya cocok untuk operasi pengeboran formasi konvensional. Sebaliknya, badan mata bor jenis ban disinter menggunakan proses metalurgi serbuk, menawarkan ketahanan aus yang tinggi yang ideal untuk pengeboran batuan keras atau tugas pengeboran yang diperpanjang. Selain itu, mata bor dapat diklasifikasikan ke dalam berbagai struktur, termasuk cekung internal, sudut busur, dasar datar, pengikis, dan lainnya seperti yang diilustrasikan pada Gambar 7. ①Desain struktur cekung dari mata bor cekung meningkatkan efek pelurusan selama konstruksi formasi konvensional; ②Susunan gigi yang tersebar dari mata bor busur menghasilkan kepadatan gigi yang lebih tinggi dan efisiensi pengeboran yang lebih baik saat bekerja dengan strata sedang-keras dan di atasnya; ③Bentuk bibir mata bor dasar datar hampir datar, yang mempertajam tepi sampingnya untuk memfasilitasi kemiringan—desain ini sebagian besar digunakan untuk aplikasi pengeboran terarah; ④Mata pengikis biasanya memiliki struktur kerucut yang memberikan agresivitas lebih besar dan terutama digunakan pada lapisan lunak atau konstruksi lapisan batubara.

Bit PDC penambangan saat ini telah dirangkum dan diatur, bersama dengan kriteria pemilihan bit PDC dalam berbagai kondisi kerja dan pembentukan, seperti yang disajikan dalam Tabel 1 sebagai referensi.

3. Penggunaan Tindakan Pencegahan Bit PDC Penambangan

Selain memilih mata bor dengan cermat, sama pentingnya untuk menggunakan alat-alat ini dengan benar. Mengingat kondisi konstruksi yang menantang di tambang batu bara, pekerja sering kali kesulitan untuk mematuhi pedoman pengoperasian mata bor PDC secara ketat, yang mengakibatkan seringnya terjadi kegagalan mata bor karena penanganan yang tidak tepat. Dalam upaya untuk meningkatkan efisiensi pengeboran, beberapa area pertambangan dapat secara sembarangan menambah berat mata bor selama operasi, yang menyebabkan kegagalan mata bor sebelum waktunya. Memanfaatkan mata bor PDC dengan benar dapat mengoptimalkan kinerjanya dan mengurangi biaya produksi. Perhatikan pertimbangan berikut saat menggunakan mata bor PDC:

(1) Perhatikan hubungan gradasi antara bit PDC dan alat bor, pastikan pipa bor berdiameter besar tidak cocok dengan pipa bor berdiameter terlalu kecil, dan pipa bor berdiameter kecil tidak cocok dengan mata bor berdiameter besar.

(2) Pendekatan optimal adalah menggunakan bor lubang khusus atau mata bor yang sudah tua untuk konstruksi sarang, sambil memastikan bahwa proses pengeboran menghindari sekitar baut sisi jalur, kabel jangkar, dan penghalang serupa.

(3) Pada saat melakukan operasi pemboran, pengaturan tekanan umpan sangatlah penting untuk mencegah terjadinya kecelakaan yang disebabkan oleh tekanan yang berlebihan di dalam lubang bor.

(4) Gunakan teknik pengeboran air bersih, hindari pengeboran kering atau pengeboran udara bertekanan. Sebelum memulai operasi pengeboran bertekanan, pastikan sirkulasi air yang baik di dalam lubang untuk mencegah potensi insiden pembakaran di dasarnya.

(5) Saat melepaskan mata bor, pastikan untuk tidak menjepit atau membentur pemotong PDC. Selain itu, berhati-hatilah agar tidak membentur bilah badan mata bor.

4. Kesimpulan

Penambangan batu bara hijau yang aman dan efisien secara konsisten telah menjadi tema utama yang didukung oleh industri batu bara. Pemanfaatan mata bor PDC secara efektif untuk operasi pengeboran bawah tanah di tambang batu bara memegang peranan penting. Makalah ini menganalisis mode kegagalan mata bor PDC pertambangan, menjelaskan penyebab utama di balik berbagai bentuk kegagalan. Makalah ini mengusulkan desain dan strategi pemilihan mata bor yang optimal dalam berbagai kondisi kerja dan formasi geologi, sekaligus merangkum tindakan pencegahan untuk penggunaannya, sehingga memberikan referensi untuk pemilihan dan penerapan mata bor PDC pertambangan yang lebih baik. Pemilihan yang bijaksana dan pemanfaatan mata bor PDC pertambangan yang tepat dapat memaksimalkan efektivitasnya, meminimalkan pemborosan sumber daya, dan meningkatkan keselamatan, efisiensi, serta praktik ramah lingkungan dalam penambangan batu bara.