Að sprunga kóðann fyrir harðbergsboranir: DTH tæknin sem breytir leik.

Samkvæmt jarðfræðilegum aðstæðum byggingarsvæðisins eru fjórar meginborunaraðferðir sem almennt eru notaðar af borpallum, eins og sýnt er á mynd 1.

a. Pneumatic eða vökvadrifnir snúningshausar ásamt höggbúnaði senda snúnings- og höggorku í gegnum toppinn áborrör, sem skilar orku til borkronans með höggbylgjum í borpípunni. Þessi aðferð er takmörkuð við lítið þvermál og grunnt dýpi og er almennt notuð í námum, byggingarsvæðum og neðanjarðar námuvinnslu.

b.Down-The-Hole (DTH) hamar eru staðsettar neðst á borstrengnum. Þjappað loft fer inn í DTH í gegnum borstrenginn og knýr stimpil í fram og aftur hreyfingu sem hefur bein áhrif á borann og flytur höggorku til bergsins. Þetta kerfi hefur lágmarks orkutap og hentar sérstaklega vel fyrir djúpar holur, beinar holur og meðalhart steina.

c.Reverse circulation (RC) borunnotar DTH til að safna og flytja bergsýni frá yfirborði borsins. Þurrt og ómengað græðlingur er fluttur í gegnum miðpípu DTH inn í sýnatökutæki til að undirbúa jarðfræðilega greiningu.

d. Gírkassi knúinn áfram af vökva- eða rafmótorum myndar snúningsaflhaus, sem beitir nægilegum straumkrafti á þriggja keilu borann í gegnum fóðurkerfi sem hreyfist upp og niður á borbúnaðinum og þykkveggað borpípa. Þessi aðferð er notuð fyrir mýkra steina eða sterksamsett harðberg.

 

1. Meginreglur og einkenni DTH

Myndanirnar sem boraðar eru með DTH eru nær algjörlega færar um að innihalda allt gjóskuberg, myndbreytt berg og setberg sem eru meðalharðar eða harðari. DTH er sérstaklega hagkvæmt fyrir borun á hörðu bergi og hörðum jarðlögum vegna þess að hart berg hefur tilhneigingu til að vera brothætt. Við höggálag myndast brot ekki aðeins á beinan höggstað heldur myndast einnig brotið svæði sem leiðir til stærri bergbrota. Þannig er borhraðinn umtalsvert hraðari miðað við hreina snúningsborun. Vélræna líkanið á mynd 2 sýnir mismunandi álag sem verkar á bergið við höggsnúningsborun.

                                                             

Að auki er DTH-borun (Down-the-Hole) mjög áhrifarík í myndunum sem eru viðkvæmar fyrir frávikum í borholu, svo sem jarðlögum með vel þróaðri undirlagi og foli, eða berglögum með ójafnri hörku og mörgum brotum. Það getur dregið verulega úr frávik borholu og einnig sigrast á erfiðleikum við að bora í gegnum malarlög og stórgrýti.

 

DTH borun var þróuð seint á 19. öld og á sér meira en aldar sögu. Þó að það séu margar gerðir af DTH borum, þá deila þær sameiginlegum eiginleikum: bæði höggvélin og boran eru á kafi í borholuna, með snúningi ásamt höggi til að brjóta bergið. Búnaðurinn sem notaður er til að mynda höggkraftinn er hægt að flokka eftir akstursaðferðum í pneumatic, vökva, olíuþrýsting, rafmagns og vélrænni gerð.

 

Þar sem höggorka verður fyrir verulegu tapi við sendingu og getur valdið verulegu tjóni á högghlutunum, er almennt krafist í dýpri borunaraðgerðum að búnaðurinn fari inn í borholuna með borverkfærinu, svo að höggkrafturinn geti virkað beint á borholuna eða kjarnatunnu. Þetta lágmarkar orkutap við flutning, bætir orkunýtingu og dregur úr líkum á bilun í búnaði niðri í holu.

Pneumatic DTH, einnig þekkt sem loftdrifið DTH, kemur í mörgum burðargerðum og flokkunaraðferðum.

- Eftir þrýstingsmat: háþrýstings-, meðalþrýstings- og lágþrýstingstegundir.

- Eftir heildarskipulagi: ekki í gegnum og gegnum gerðir.

- Eftir aðgerðareglu loksins: gerð stýriventils, gerð lausa ventils og gerð blendingsloka.

- Eftir stimplabyggingu: stimpla með jöfnum þvermál, stimpla með ójöfnum þvermáli og gerðum stimpla með hliðstæðum þvermál.

- Eftir tegund loftdreifingar: DTH með lokum og DTH án loka. Hægt er að skipta DTH með lokum í plötuloka, skífuloka og sívala lokagerðir, en lokalausan DTH má skipta í útblástursgerð fyrir miðjustangir, gerð stimplaloftdreifingar og samsetta loftdreifingu með stimpli, strokka og miðstöng.

- Með holuþvotti og gjalllosunaraðferð: miðholuþvottur, framholuþvottur og hliðarholaþvottur.

2. Ákvörðun byggingarkerfis áhrifakerfis

2.1 Stimpla sjálf-gas framboð Non-Valve Impact Mechanism

Þessi tegund af höggbúnaði notar fyrst og fremst gasgöngin í stimplinum sjálfum til að veita gas, sem leiðir til flókinnar stimplabyggingar með fjölmörgum gasrásum, sem dregur úr stimplastyrk og líftíma. Hins vegar samþættir þessi höggbúnaður innri og ytri strokka, eykur virkt vinnusvæði stimpilsins og eykur höggorku vélbúnaðarins.

2.2 Stimpla og strokka sameinuð gasframleiðsla án ventiláhrifa

Þessi tegund er með einfalda uppbyggingu sem auðvelt er að framleiða, hefur lengri líftíma stimpla og gasgötin eru staðsett bæði á strokknum og stimplinum. Þessi uppbygging er mikið notuð erlendis.

2.3 Miðpípa gasframleiðsla Non-Valve Impact Mechanism

Í þessu kerfi er loftinntaksgöngunum fyrir efri og neðri hólfið komið fyrir á hringlaga pípunni þar sem stimpillinn rennur. Það krefst mikillar framleiðslu nákvæmni og hefur tiltölulega stuttan líftíma fyrir miðpípuna.

2.4 Hliðarútblástursáhrifabúnaður

Hið svokallaða hliðarútblástur þýðir að útblástursloftsleiðin fer út úr strokkahlutanum frekar en að fara í gegnum miðju borsins niður í botn holunnar. Þessi tegund höggbúnaðar hefur venjulega margar inntaks- og útblástursleiðir á strokkahlutanum, sem leiðir til lélegs burðarstyrks, möguleika á langsum þreytusprungum og verulegs taps á loftþrýstingi, sem leiðir til óákjósanlegrar brottnáms rusl og kælingaráhrifa fyrir borkronann.

2.5 Miðútblástursáhrifabúnaður

Þessi tegund af höggbúnaði rekur rusl og gas beint frá miðju borsins niður í botn holunnar. Beint loftstreymi eykur ekki aðeins skilvirkni við að fjarlægja rusl heldur bætir einnig skilvirkni borunar og kælingu, sem lengir líftíma borsins. Þessi burðargerð kemur í stað fjölmargra lengdarrafa í innri strokki hliðarútblástursáhrifabúnaðar fyrir hringlaga gróp, sem dregur verulega úr álagsstyrk í innra strokknum. Það hefur orðið almennt viðtekið skipulag á undanförnum árum.

2.6 Series stimpla högg vélbúnaður

Röð stimpla höggbúnaðurinn, einnig þekktur sem tveggja stimpla (haus) höggbúnaður, skiptir strokknum í tvö hólf með einangrunarhring. Þessi hönnun gerir báðum stimplaflötunum kleift að vinna samtímis innan sama borþvermáls, sem leiðir til meiri höggafls og hærri höggtíðni. Að sama skapi er til tvöfalt útblásturskerfi sem fjarlægir á áhrifaríkan hátt grjótduft úr botni holunnar. Hins vegar er helsti galli þess flókin uppbygging og þörf fyrir mikla nákvæmni í vinnsluhlutum; td hefur stimpillinn allt að fimm passafleti með tilheyrandi íhlutum, sem takmarkar beitingu þess og kynningu. Þess vegna samþykkir þessi hönnun seinni valmöguleikann, sem er höggbúnaður sem ekki er loki með samsettu gasi fyrir stimpla og strokka. Uppbygging þess er sýnd á mynd 3.

3. Fræðileg greining og viðeigandi útreikningar fyrir DTH

3.1 Val á rekstrarfæribreytum**

3.1.1 Hamarslengd og þyngd: Forhönnunin tilgreinir lengd sem er minni en 4500 mm og þyngd undir 2500 kg.

3.1.2 Hamarsþvermál: Viðeigandi hamarþvermál er ákvarðað út frá borþvermáli, stillt á 540 mm.

3.1.3 Borþvermál: Hér er átt við þvermál hauggatsins, venjulega á milli 550 mm og 600 mm.

3.1.4 Bordýpt: Samkvæmt kröfum um hönnun á staurum er þetta venjulega á milli nokkurra tugi metra og hundrað metra.

3.1.5 Borhraði: DTH borun starfar almennt við lágan snúningshraða, venjulega á milli 7 og 25 r/s.

3.1.6 Snúningstog: Hámarkstog fyrir þessa hönnun er stillt á 150 kN·m.

 

3.2 Útreikningur á hönnunarbreytum

Hönnunarfæribreytur DTH, sérstaklega frammistöðubreytur DTH höggbúnaðarins, þjóna sem grunnur fyrir vélhönnun og skilgreina frammistöðu framleidda búnaðarins.

3.2.1 Hönnunarþrýstingur P fyrir höggbúnað

Í Kína er þrýstingur upp á 0,49 MPa (um það bil 5 × 10^5 Pa) víða valinn sem hönnunarstaðall fyrir pneumatic höggbúnað. Í ljósi þess að DTH fyrir þessa hönnun er höggbúnaður án loka með stóru borþvermáli og þungum stimpli, mun hærri loftþrýstingur auka enn frekar afköst. Auk þess eru háþrýstiloftþjöppur sífellt algengari og í samræmi við alþjóðlegan staðal ISO 5941-1979 er hönnunarþrýstingur 1,6 MPa valinn.

3.2.2 Áhrifsafl

Fyrir DTH sem notað er til að bora göt í stórum þvermál getur höggorka hönnunarinnar sveiflast verulega. Áhrifsorkan fyrir þessa hönnun er reiknuð sem hér segir:

                                                 

3.2.3 Áhrifatíðni

Almennt, við stöðuga höggorku, er höggtíðnin í réttu hlutfalli við úttakskraft höggbúnaðarins. Hins vegar, þegar þvermál strokksins er fast, krefst aukinnar höggtíðni minnkunar á stimplaslagi, sem aftur dregur úr staka höggaflinum. Þegar einn höggafli fer niður fyrir ákveðin þröskuld mun aukning tíðnarinnar ekki skila viðunandi niðurstöðum við bergbrot. Þannig er val á höggtíðni takmarkað af höggafli.

Fyrir pneumatic DTH sem starfar við hönnunarþrýsting sem er 0,5 MPa, ætti tíðnin ekki að fara yfir 16,8 Hz. Þar sem DTH starfar við hönnunarþrýsting á milli 0,5 og 2,5 MPa, getur höggtíðnin verið mjög breytileg. Upphaflega val á tíðni höggbúnaðarins má reikna út sem hér segir:

f = 10,4 + 7,6P

(2) þar sem P er framboðsþrýstingur kerfisins. Fyrir þessa hönnun er P = 1,6 MPa, því:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Hönnun byggingarfæribreytu

Helstu byggingarfæribreytur DTH innihalda þvermál strokkhols, stimpilslag og stimplamál. Að auka þvermál strokksins getur aukið bæði höggafl og tíðni, þannig að þvermálið ætti að vera hámarkað innan ramma byggingarstærðar. Venjulega ætti munurinn á ytri þvermál DTH og borþvermál ekki að vera minni en 15 til 20 mm og ytra hlíf DTH ætti ekki að vera of þunnt. Þess vegna er hlutfall DTH strokka þvermál og borþvermál almennt yfir 0,5.

3.3.1 Vinnuþvermál strokka og burðarlags

Vinnuþvermál D strokksins má reikna út sem hér segir:

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

Fyrir þessa hönnun er D(hola) = 600 mm, þannig að D er tekið sem 360 mm. Byggingarslag S er reynslulega tekið sem S = 500 mm.

3.3.2 Stimplamassa

Geislamyndamál stimpilsins eru takmörkuð af stærð og uppbyggingu strokksins, sem gerir ráð fyrir annaðhvort jafna eða mismunandi þvermál stimpla. Línulegu stærðirnar eru háðar þyngd stimplsins, sem tengist einnig hraðanum sem hann hefur þegar hann slær á borann. Þess vegna er það flókinn þáttur í DTH hönnun að ákvarða byggingarstærðir stimpilsins. Massa DTH stimpla má áætla sem hér segir:

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

þar sem m er stimpilmassi í kg; D er vinnsluþvermál strokksins í cm.

Í stað D = 36 afrakstur: m = 540 kg.

DTH samanstendur aðallega af togflutningsbyggingu og pneumatic höggbúnaði. Togflutningsbyggingin tengir borstöngina og DTH, sendir snúningsskurðar- og togkrafta; pneumatic höggbúnaðurinn framkallar högg og veitir höggboranum axialkraft. Sérstakar upplýsingar um uppbyggingu eru sýndar á mynd 3.

Togflutningsbyggingin tengir borstöngina og höggbúnaðinn. Efri samskeytin tengist borstönginni og höggbúnaðinum í gegnum pípuþráða, fyrst og fremst til að tryggja gasþéttleika á meðan það sendir einnig tog og togkraft. Afturlokinn kemur í veg fyrir að leðja og vatn komist inn í höggbúnaðinn og borstöngina, stjórnað af gorm. Loftinntakssætið með gasstönginni virkar til að setja þjappað loft inn í hylkið, auðveldar gasflæðisaðgerðina ásamt hylkinu og stimplinum, þannig að sameinuð gasgjöf fæst. Fjaðröryggishringurinn kemur í veg fyrir að stimpillinn renni út úr strokknum þegar skipt er um bor.

3.4 Finite Element Analysis of DTH Bor Bite

DTH-borinn verður fyrir höggkrafti frá stimplinum og tog frá drifhausnum. Krafturinn sem þrýstiloftið beitir á stimpilinn er gefinn af:

F = P × S (5)

þar sem P er kerfisþrýstingurinn í Pa; S er kraftflatarmál stimpilsins í m².

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

Þess vegna er höggkrafturinn á borann:

F' = kF (6)

þar sem k er höggstuðullinn; F er krafturinn sem þrýstiloftið beitir á borann í N. Þannig er F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Togið sem drifhausinn beitir á DTH borann er N = 150 kN. Með því að beita F' = 2688 kN og N = 150 kN á borkronann á meðan neðri endaflötur borkronans er festur og QT500-7 efni með 320 MPa flæðistyrk er framkvæmd endanleg frumefnagreining. Sértæk hleðslu- og þvingunarskilyrði og skipting möskva eru sýnd á myndum 4 og 5.

Niðurstöður endanlegra frumefnagreiningar eru sýndar á mynd 6, sem gefur til kynna að hámarksspenna sé 144.355 MPa, sem er minna en flæðistyrkur QT500-7 (320 MPa) og uppfyllir þannig kröfur.