Memecahkan Kode Pengeboran Batuan Keras: Teknologi DTH yang Mengubah Permainan.
Menurut kondisi geologi area konstruksi, ada empat metode pengeboran utama yang umum digunakan oleh rig pengeboran, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.
a. Kepala putar yang digerakkan oleh pneumatik atau hidrolik dikombinasikan dengan peralatan benturan mengirimkan energi rotasi dan benturan melalui bagian ataspipa bor, menyalurkan energi ke mata bor melalui gelombang kejut di pipa bor. Metode ini terbatas pada diameter kecil dan kedalaman dangkal dan umumnya digunakan di tambang, lokasi konstruksi, dan operasi penambangan bawah tanah.
B.Palu Down-The-Hole (DTH) terletak di bagian bawah rangkaian bor. Udara bertekanan memasuki DTH melalui rangkaian bor, menggerakkan piston dalam gerakan bolak-balik yang secara langsung mengenai mata bor, mentransfer energi tumbukan ke batu. Sistem ini memiliki kehilangan daya minimal dan sangat cocok untuk lubang yang dalam, lubang lurus, dan batu yang cukup keras.
C.Pengeboran sirkulasi terbalik (RC)menggunakan DTH untuk mengumpulkan dan mengangkut sampel batuan dari permukaan mata bor. Potongan yang kering dan tidak terkontaminasi diangkut melalui pipa tengah DTH ke dalam alat pengumpul sampel, yang dipersiapkan untuk analisis geologi.
d. Kotak roda gigi yang digerakkan oleh motor hidrolik atau listrik membentuk kepala daya yang berputar, yang memberikan gaya umpan yang cukup ke mata bor tiga kerucut melalui sistem umpan yang bergerak naik turun pada rig pengeboran dan pipa bor berdinding tebal. Metode ini digunakan untuk batuan yang lebih lunak atau batuan keras yang memiliki sambungan yang kuat.
- Prinsip dan Karakteristik DTH
Formasi yang dibor dengan DTH hampir seluruhnya mampu mencakup semua batuan beku, batuan metamorf, dan batuan sedimen yang sedang-keras atau lebih keras. DTH khususnya menguntungkan untuk pengeboran batuan keras dan lapisan tanah keras karena batuan keras cenderung getas. Di bawah beban impak, retakan tidak hanya terjadi di lokasi impak langsung tetapi juga menciptakan zona patah, yang menghasilkan fragmen batuan yang lebih besar. Dengan demikian, kecepatan pengeboran jauh lebih cepat dibandingkan dengan pengeboran putar murni. Model mekanis pada Gambar 2 menggambarkan berbagai beban yang bekerja pada batuan selama pengeboran putar impak.
Selain itu, pengeboran DTH (Down-the-Hole) sangat efektif dalam formasi yang rentan terhadap deviasi lubang bor, seperti strata dengan perlapisan dan foliasi yang berkembang dengan baik, atau lapisan batuan dengan kekerasan yang tidak merata dan banyak retakan. Hal ini dapat secara signifikan mengurangi deviasi lubang bor dan juga mengatasi kesulitan dalam pengeboran melalui lapisan kerikil dan lapisan batu besar.
Pengeboran DTH dikembangkan pada akhir abad ke-19 dan memiliki sejarah lebih dari satu abad. Meskipun ada banyak jenis bor DTH, semuanya memiliki fitur yang sama: mekanisme tumbukan dan mata bor terbenam ke dalam lubang bor, dengan rotasi dikombinasikan dengan tumbukan untuk memecah batu. Peralatan yang digunakan untuk menghasilkan gaya tumbukan dapat dikategorikan berdasarkan metode penggeraknya menjadi tipe pneumatik, hidrolik, tekanan oli, elektrik, dan mekanis.
Karena energi impak mengalami kehilangan yang signifikan selama transmisi dan dapat menyebabkan kerusakan besar pada komponen yang terdampak, maka dalam operasi pengeboran yang lebih dalam, peralatan umumnya harus masuk ke lubang bor dengan alat bor, sehingga gaya impak keluaran dapat bekerja langsung pada mata bor atau laras inti. Hal ini meminimalkan kehilangan energi selama transmisi, meningkatkan efisiensi energi, dan mengurangi kemungkinan kegagalan peralatan di bawah lubang.
DTH pneumatik, juga dikenal sebagai DTH bertenaga udara, tersedia dalam banyak jenis struktur dan metode klasifikasi.
- Berdasarkan peringkat tekanan: jenis tekanan tinggi, tekanan sedang, dan tekanan rendah.
- Berdasarkan struktur keseluruhan: tipe non-through dan through.
- Berdasarkan prinsip operasi katup: tipe katup kontrol, tipe katup bebas, dan tipe katup hibrida.
- Berdasarkan struktur piston: jenis piston diameter sama, piston diameter tidak sama, dan piston tandem.
- Berdasarkan jenis distribusi udara: DTH berkatup dan DTH tanpa katup. DTH berkatup dapat dibagi lagi menjadi tipe katup pelat, katup cakram, dan katup silinder, sedangkan DTH tanpa katup dapat dibagi lagi menjadi tipe pembuangan batang tengah, tipe distribusi udara piston, dan distribusi udara gabungan oleh piston, silinder, dan batang tengah.
- Dengan metode pencucian lubang dan pembuangan terak: pencucian lubang tengah, pencucian lubang depan, dan pencucian lubang samping.
2. Penentuan Skema Struktur Mekanisme Dampak
2.1 Mekanisme Dampak Non-Katup Pasokan Gas Sendiri Piston
Mekanisme benturan jenis ini terutama menggunakan saluran gas di piston itu sendiri untuk pasokan gas, sehingga menghasilkan struktur piston yang kompleks dengan banyak saluran gas, yang mengurangi kekuatan dan masa pakai piston. Akan tetapi, mekanisme benturan ini mengintegrasikan silinder bagian dalam dan luar, sehingga meningkatkan area kerja piston yang efektif dan meningkatkan energi benturan mekanisme.
2.2 Piston dan Silinder Gabungan Pasokan Gas Mekanisme Dampak Non-Katup
Tipe ini memiliki struktur sederhana yang mudah diproduksi, memiliki masa pakai piston yang lebih lama, dan lubang gas terletak di silinder dan piston. Struktur ini banyak digunakan di luar negeri.
2.3 Mekanisme Dampak Non-Katup Pasokan Gas Pipa Tengah
Pada mekanisme ini, saluran pemasukan udara untuk ruang atas dan bawah disusun pada pipa melingkar tempat piston meluncur. Mekanisme ini membutuhkan presisi produksi yang tinggi dan memiliki masa pakai yang relatif pendek untuk pipa tengah.
2.4 Mekanisme Dampak Knalpot Samping
Yang disebut pembuangan samping berarti bahwa jalur gas buang keluar dari badan silinder alih-alih melewati bagian tengah mata bor ke dasar lubang. Jenis mekanisme benturan ini biasanya memiliki banyak jalur pemasukan dan pembuangan pada badan silinder, yang menyebabkan kekuatan struktural yang buruk, potensi retakan kelelahan longitudinal, dan hilangnya tekanan udara yang signifikan, yang mengakibatkan pembuangan serpihan dan efek pendinginan yang kurang optimal untuk mata bor.
2.5 Mekanisme Dampak Knalpot Tengah
Mekanisme benturan jenis ini mengeluarkan serpihan dan gas langsung dari bagian tengah mata bor ke dasar lubang. Aliran udara langsung tidak hanya meningkatkan efisiensi pembuangan serpihan tetapi juga meningkatkan efisiensi pengeboran dan pendinginan, sehingga memperpanjang masa pakai mata bor. Jenis struktur ini menggantikan banyak alur memanjang di silinder bagian dalam mekanisme benturan pembuangan samping dengan alur melingkar, sehingga sangat mengurangi konsentrasi tegangan di silinder bagian dalam. Struktur ini telah banyak diadopsi dalam beberapa tahun terakhir.
Mekanisme Dampak Piston Seri 2.6
Mekanisme tumbukan piston seri, juga dikenal sebagai penumbuk piston ganda (kepala), membagi silinder menjadi dua ruang menggunakan cincin isolasi. Desain ini memungkinkan kedua permukaan piston bekerja secara bersamaan dalam diameter lubang yang sama, sehingga menghasilkan daya tumbukan yang lebih besar dan frekuensi tumbukan yang lebih tinggi. Dengan demikian, terdapat sistem pembuangan ganda yang secara efektif menghilangkan bubuk batu dari dasar lubang. Namun, kelemahan utamanya adalah strukturnya yang kompleks dan kebutuhan akan presisi tinggi dalam pemesinan komponen; misalnya, piston memiliki hingga lima permukaan yang saling berhubungan dengan komponen terkait, yang membatasi penerapan dan promosinya. Oleh karena itu, desain ini mengadopsi opsi kedua, yaitu mekanisme tumbukan non-katup dengan pasokan gas gabungan piston dan silinder. Strukturnya ditunjukkan pada Gambar 3.
3.Analisis Teoritis dan Perhitungan Relevan untuk DTH
3.1 Pemilihan Parameter Operasional**
3.1.1 Panjang dan Berat Palu: Desain awal menentukan panjang kurang dari 4500 mm dan berat kurang dari 2500 kg.
3.1.2 Diameter Palu: Diameter palu yang tepat ditentukan berdasarkan diameter pengeboran, ditetapkan pada 540 mm.
3.1.3 Diameter Pengeboran: Ini merujuk pada diameter lubang tiang, umumnya antara 550 mm dan 600 mm.
3.1.4 Kedalaman Pengeboran: Berdasarkan persyaratan desain tiang pancang, biasanya antara beberapa puluh meter hingga seratus meter.
3.1.5 Kecepatan Pengeboran: Pengeboran DTH umumnya beroperasi pada kecepatan putaran rendah, biasanya antara 7 dan 25 putaran/detik.
3.1.6 Torsi Rotasi: Torsi maksimum untuk desain ini ditetapkan pada 150 kN·m.
3.2 Perhitungan Parameter Desain
Parameter desain untuk DTH, khususnya parameter kinerja peralatan dampak DTH, berfungsi sebagai dasar untuk desain mesin dan menentukan kinerja peralatan yang diproduksi.
3.2.1 Tekanan Desain P untuk Peralatan Dampak
Di Tiongkok, tekanan 0,49 MPa (sekitar 5 × 10^5 Pa) dipilih secara luas sebagai standar desain untuk peralatan impak pneumatik. Mengingat DTH untuk desain ini adalah perangkat impak non-katup dengan diameter pengeboran besar dan piston berat, tekanan udara yang lebih tinggi akan semakin meningkatkan kinerja. Selain itu, kompresor udara bertekanan tinggi semakin umum digunakan, dan sesuai dengan standar internasional ISO 5941-1979, tekanan desain 1,6 MPa dipilih.
3.2.2 Daya Dampak
Untuk DTH yang digunakan untuk mengebor lubang berdiameter besar, energi impak desain dapat berfluktuasi secara signifikan. Energi impak untuk desain ini dihitung sebagai berikut:
3.2.3 Frekuensi Dampak
Secara umum, pada energi impak konstan, frekuensi impak sebanding dengan daya keluaran penumbuk. Akan tetapi, ketika diameter silinder tetap, peningkatan frekuensi impak memerlukan pengurangan langkah piston, yang pada gilirannya menurunkan daya impak tunggal. Setelah daya impak tunggal turun di bawah ambang batas tertentu, peningkatan frekuensi tidak akan menghasilkan hasil pemecahan batu yang memuaskan. Dengan demikian, pemilihan frekuensi impak dibatasi oleh daya impak.
Untuk DTH pneumatik yang beroperasi pada tekanan desain 0,5 MPa, frekuensinya tidak boleh melebihi 16,8 Hz. Karena DTH beroperasi pada tekanan desain antara 0,5 dan 2,5 MPa, frekuensi tumbukan dapat bervariasi secara signifikan. Pemilihan awal frekuensi penumbuk dapat dihitung sebagai berikut:
f = 10.4 + 7.6P
(2) di mana P adalah tekanan suplai sistem. Untuk desain ini, P = 1,6 MPa, oleh karena itu:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Desain Parameter Struktural
Parameter struktural utama DTH meliputi diameter lubang silinder, langkah piston, dan dimensi piston. Peningkatan diameter silinder dapat meningkatkan daya impak dan frekuensi, sehingga diameter harus dimaksimalkan dalam batasan ukuran struktural. Biasanya, perbedaan antara diameter luar DTH dan diameter lubang tidak boleh kurang dari 15 hingga 20 mm, dan casing luar DTH tidak boleh terlalu tipis. Oleh karena itu, rasio diameter silinder DTH terhadap diameter pengeboran umumnya di atas 0,5.
3.3.1 Diameter Kerja Silinder dan Langkah Struktural
Diameter kerja D silinder dapat dihitung sebagai berikut:
D = K × D(lubang) = (0,57 - 0,68) × D(lubang) (3)
Untuk desain ini, D(bore) = 600 mm, jadi D diambil sebagai 360 mm. Langkah struktural S secara empiris diambil sebagai S = 500 mm.
3.3.2 Massa Piston
Dimensi radial piston dibatasi oleh ukuran dan struktur silinder, yang memungkinkan piston dengan diameter yang sama atau berbeda. Dimensi linier bergantung pada berat piston, yang juga berkaitan dengan kecepatannya saat menghantam mata bor. Oleh karena itu, menentukan dimensi struktural piston merupakan aspek rumit dari desain DTH. Massa piston DTH dapat diperkirakan sebagai berikut:
m = 0,0205D^2,84 (4)
di mana m adalah massa piston dalam kg; D adalah diameter kerja silinder dalam cm.
Substitusikan D = 36 menghasilkan: m = 540 kg.
DTH terutama terdiri dari struktur transmisi torsi dan mekanisme impak pneumatik. Struktur transmisi torsi menghubungkan batang bor dan DTH, mentransmisikan gaya pemotongan dan tarikan putar; mekanisme impak pneumatik menghasilkan impak, menyediakan daya aksial ke mata bor impak. Rincian struktur spesifik ditunjukkan pada Gambar 3.
Struktur transmisi torsi menghubungkan batang bor dan impactor. Sambungan atas terhubung dengan batang bor dan impactor melalui ulir pipa, terutama untuk memastikan kekencangan gas sekaligus mentransmisikan torsi dan gaya tarik. Katup periksa mencegah lumpur dan air masuk ke impactor dan batang bor, yang dikontrol oleh pegas. Dudukan pemasukan udara dengan batang suplai gas berfungsi untuk memasukkan udara terkompresi ke dalam silinder, memfasilitasi aksi suplai gas bersama dengan silinder dan piston, sehingga mencapai suplai gas gabungan. Cincin pengaman pegas mencegah piston meluncur keluar dari silinder saat mengganti mata bor.
3.4 Analisis Elemen Hingga Mata Bor DTH
Mata bor DTH menerima gaya benturan dari piston dan torsi dari kepala penggerak. Gaya yang diberikan pada piston oleh udara terkompresi diberikan oleh:
F = P × S (5)
di mana P adalah tekanan sistem dalam Pa; S adalah luas gaya piston dalam m².
Jadi, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Oleh karena itu, gaya tumbukan pada mata bor adalah:
F' = kF (6)
di mana k adalah koefisien impak; F adalah gaya yang diberikan pada mata bor oleh udara terkompresi dalam N. Jadi, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Torsi yang diterapkan pada mata bor DTH oleh kepala penggerak adalah N = 150 kN. Menerapkan F' = 2688 kN dan N = 150 kN pada mata bor sambil memperbaiki permukaan ujung bawah mata bor, dan menggunakan material QT500-7 dengan kekuatan luluh 320 MPa, dilakukan analisis elemen hingga. Kondisi pembebanan dan kendala spesifik serta pembagian mata bor ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5.
Hasil analisis elemen hingga ditunjukkan pada Gambar 6, menunjukkan tegangan maksimum sebesar 144,355 MPa, lebih kecil dari kekuatan luluh QT500-7 (320 MPa), sehingga memenuhi persyaratan.