Selezione ottimale di punte PDC per l'estrazione del carbone

La costruzione di pozzi è un metodo tecnico ampiamente utilizzato per il controllo del gas, la prevenzione dei danni causati dall'acqua e l'esplorazione geologica nelle miniere di carbone, che svolge un ruolo cruciale nel garantire la sicurezza e l'efficienza della produzione di carbone. In Cina, ogni anno vengono creati decine di milioni di metri di fori di perforazione nelle miniere di carbone. Il processo di costruzione richiede il supporto di attrezzature di perforazione come trapani, tubi di perforazione e punte di perforazione. Tra questi, i trapani sono strumenti essenziali per formare direttamente i fori e rompere le rocce.

Il foglio composito di diamante policristallino (PDC) è ampiamente utilizzato nelle punte da trapano per l'industria mineraria grazie alla sua eccezionale resistenza all'usura e all'encomiabile tenacità all'impatto.Bit PDCpresentano una durata di perforazione prolungata e un'efficienza di penetrazione aumentata se impiegati in formazioni rocciose medio-dure e meno dure, producendo così sostanziali vantaggi economici nelle operazioni di perforazione delle miniere di carbone. Rispetto alla perforazione petrolifera, la perforazione delle miniere di carbone possiede gli attributi tecnici di essere conveniente, efficiente in termini di tempo e densamente progettata. Di conseguenza, i requisiti generali per le punte PDC non sono eccessivamente esigenti.

Le attuali sfide affrontate dall’industria minerariaBit PDCincludono: ①La soglia di ingresso per le punte PDC da miniera è relativamente bassa, con una moltitudine di produttori che offrono diversi livelli di qualità. ②Gli usi e i requisiti della perforazione sotterranea nelle miniere di carbone presentano evidenti disparità, mentre la classificazione delle punte PDC da miniera è intricata e diversificata. Inoltre, vi è una mancanza di specifiche di selezione sistematiche e razionali nel successivo processo di utilizzo. ③Con la crescente prevalenza di strati duri complessi nelle miniere di carbone, le punte PDC da miniera convenzionali non riescono a soddisfare i requisiti di costruzione per una perforazione efficiente in loco, con conseguenti casi di lento progresso o addirittura completa mancanza di riprese. ④A causa delle difficili condizioni di costruzione nella miniera di carbone, la rigorosa aderenza alle procedure di perforazione da parte del personale di costruzione può talvolta essere difficile.

Al fine di migliorare l'efficacia operativa dell'attività minerariaBit PDC, questo documento fornisce un'analisi completa delle modalità di guasto primarie e analizza le cause sottostanti per ogni forma di guasto. Inoltre, vengono proposte raccomandazioni pratiche per la selezione prudente e l'utilizzo attento di questi bit.

1.Analisi della forma e delle cause del guasto del bit PDC nel mining

Attualmente, i componenti delle punte PDC per l'estrazione mineraria sono costituiti principalmente dal corpo della punta, dalle frese PDC, dalle leghe di calibro e da altre parti come illustrato nella Figura 1. Le frese PDC e le leghe di calibro sono brasate sul corpo della punta per garantirne un fissaggio sicuro. Durante le normali operazioni di perforazione, l'asta di perforazione trasmette coppia e pressione di alimentazione al fondo del foro dove si innesta con la punta di perforazione. Il processo di taglio della roccia viene eseguito tramite l'utilizzo di frese PDC sulla punta di perforazione. Inoltre, le leghe di calibro proteggono dall'usura eccessiva proteggendo l'integrità circonferenziale del corpo della punta. Tuttavia, va notato che vari fattori come forze complesse esercitate sulla fresa sul fondo del foro durante il taglio della roccia con una punta PDC, cambiamenti nelle caratteristiche della formazione, selezione di tecniche e attrezzature di costruzione, competenza operativa del personale coinvolto nelle attività di costruzione insieme a misure di controllo qualità per le punte stesse possono avere un impatto significativo sull'efficacia dell'applicazione, portando a diverse forme di guasto per queste punte. Attraverso un'indagine condotta nei siti di perforazione delle miniere di carbone, abbiamo riassunto e analizzato diverse modalità di guasto e cause primarie associate aBit PDC.

1.1 Il guasto della fresa PDC si verifica quando la PDC viene sinterizzata in condizioni di alta temperatura e alta pressione. Il foglio composito è costituito da due componenti principali: uno strato di diamante e una matrice di carburo, come illustrato nella Figura 2.

I principali tipi di guasto delle frese PDC includono la normale usura, lo sfaldamento, il collasso della lama e la delaminazione.

(1) Usura normale

Il fenomeno dell'usura normale è un tipo di danno tipico che si verifica nelle frese PDC durante il processo di taglio della roccia, caratterizzato principalmente da una significativa perdita di macinazione macroscopica sia nello strato di diamante che nella matrice di carburo cementato delle frese, senza alcuna traccia apparente di cricche sulla superficie di macinazione.

(2) Caduta di chip

Il fenomeno della caduta del truciolo si verifica quando le frese PDC si staccano dal corpo della punta, con conseguente rottura della punta. La caratteristica più evidente è la completa separazione delle frese PDC dal corpo della punta, senza residui di lega nella cavità in cui avviene la saldatura tra il corpo della punta e le frese PDC.

Fattori principali che contribuiscono al declino della pellicola cadente:

① L'elevata temperatura sul fondo del foro di trivellazione comporta delle sfide nella tecnologia di costruzione della perforazione a secco o nella formazione di tappi d'acqua durante il processo di perforazione, impedendo inoltre il raffreddamento tempestivo delle frese PDC sulla perforatrice durante il taglio rotativo ad alta velocità della roccia. Di conseguenza, si verifica un aumento significativo della temperatura sul fondo del foro, che può superare la temperatura critica della saldatura e causare la fusione della saldatura e il successivo distacco delle frese PDC.

② Il controllo del processo di saldatura a trapano non è sufficientemente rigoroso. Nella procedura di saldatura, vi è una mancanza di pulizia adeguata prima della saldatura, saldature difettose o gestione inadeguata dei gas di scarico e temperatura di conservazione del calore irragionevole o tempo insufficiente dopo la saldatura, tutti fattori che possono causare il distacco della punta. Oltre a richiedere ai produttori di regolamentare rigorosamente il processo di produzione (in particolare il processo di saldatura con taglierina PDC) per garantire saldature complete e solide, è anche necessario chiarire la procedura di costruzione della perforazione optando per la perforazione ad acqua quando possibile ed evitando la costruzione con perforazione a secco. Per la perforazione di fori profondi, è necessario assicurarsi che l'acqua ritorni prima di aggiungere la perforazione con asta. Inoltre, ogni volta prima di inserire la punta nel fondo del foro, è essenziale verificare se vi sono ostruzioni per evitare blocchi.

(3) Rottura della lama

La frattura dello strato di diamante nelle frese PDC rappresenta una modalità di guasto prevalente perBit PDCUna caratteristica di questa modalità di guasto è la rottura localizzata dello strato di diamante, con alcuni casi che determinano la rottura simultanea lungo la matrice di carburo.

Le cause principali della rottura della punta PDC:

① La fresa scelta in base alle caratteristiche intrinseche della fresa PDC presenta una bassa resistenza agli urti. La resistenza combinata del carburo di tungsteno (WC) e della micropolvere di diamante è insufficiente, rendendola soggetta a guasti sotto lo stress della frammentazione della roccia;

② I fattori correlati al processo di costruzione indicano che la pressione di costruzione in loco è eccessivamente elevata. La pressione esercitata dalla fresa PDC sulla punta supera significativamente il limite di pressione della fresa, causando la scheggiatura dello strato di diamante e il successivo collasso del tagliente.

③ I fattori correlati alle formazioni complesse indicano che durante la costruzione di formazioni dure e fratturate, il carico d'impatto sulle frese PDC supera la loro tenacità all'impatto, il che può portare al collasso del tagliente.

④ Il design dell'angolo di taglio della punta è inadeguato, poiché non rispetta il principio secondo cui una formazione più dura richiede un angolo di taglio più ampio. Nella costruzione di formazioni dure, un angolo di taglio più piccolo può causare una forza eccessiva sulla fresa PDC, portando infine al collasso del tagliente.

⑤ Altri fattori indicano che la disposizione dei bulloni di supporto e dei cavi di ancoraggio nelle carreggiate sotterranee rende altamente suscettibile il crollo della punta del trapano quando incontra questi elementi. Per evitare guasti alla punta, è essenziale non solo attenersi rigorosamente ai parametri di processo descritti nel manuale di istruzioni di perforazione, ma anche progettare e selezionare la punta in base alle condizioni della formazione. In particolare, quando si perforano formazioni dure, è consigliabile aumentare l'angolo di taglio della punta in modo appropriato, ridurne l'aggressività e migliorare la protezione della punta. Inoltre, si consiglia di selezionare frese PDC con maggiore tenacità all'impatto quando si perforano formazioni dure fratturate o si modifica la forma esterna dello strato di diamante della fresa per migliorare la tenacità all'impatto; ad esempio, le frese PDC curve generalmente presentano una migliore resistenza all'impatto rispetto ai tipi piatti. Inoltre, durante la costruzione dovrebbe essere implementata una disposizione ragionevole dei fori per evitare di perforare bulloni e cavi di ancoraggio.

(4) Delaminazione

La delaminazione si riferisce al distacco dello strato di diamante dalla matrice in carburo cementato nei fogli compositi PDC, come illustrato nella Figura 3.

La causa principale della delaminazione nello strato di diamante delle frese PDC è il notevole stress residuo presente tra lo strato di diamante e la matrice in carburo cementato, abbinato a una differenza significativa nei loro coefficienti di espansione termica. Durante il taglio della roccia, lo strato di diamante e la matrice in carburo cementato subiscono una contrazione asincrona dovuta a stress termici generati dal calore di attrito e dal raffreddamento dei fluidi di lavaggio. Il carico d'impatto risultante e lo stress residuo portano allo scollamento dello strato di diamante dalla matrice in carburo, con conseguente rottura della punta del trapano. Per mitigare la delaminazione, è essenziale selezionare materiali di legame e tecnologie di lavorazione appropriati che affrontino lo stress residuo tra questi due componenti durante la produzione. Inoltre, la progettazione di una nuova forma di interfaccia per la matrice può migliorare le proprietà di legame tra lo strato di diamante e la matrice in carburo cementato.

1.2 La rottura del corpo della trivella è caratterizzata principalmente da fratture della lama nel corpo della trivella, come illustrato nella Figura 4.

 

La frattura della lama del corpo della punta si verifica principalmente nel corpo della punta e raramente nella punta in acciaio. Le ragioni della frattura della lama del corpo della punta sono le seguenti: ① Colpire la lama del corpo della punta quando si svita il corpo della punta perché la corona del corpo della punta viene sinterizzata tramite processo di metallurgia delle polveri in una volta. rispetto alla normale punta in acciaio. la punta del corpo della punta ha una maggiore resistenza all'usura. ma la tenacità del materiale del corpo è corrispondentemente ridotta ed è facile rompere la lama del corpo della punta quando si svita il corpo della punta; ② Il controllo del processo di sinterizzazione della punta non è rigoroso. e il corpo della punta sinterizzata è trascinato e la polvere di metallo non riesce a formare una lega. Per evitare la rottura della lama. l'utente dovrebbe utilizzare strumenti come pinze odontoiatriche per aiutare la maniglia quando svita il trapano. in modo da evitare di urtare la lama; In secondo luogo. i produttori dovrebbero controllare rigorosamente la qualità del corpo sinterizzato. non solo per controllare rigorosamente il processo di sinterizzazione. ma anche per monitorare periodicamente la polvere metallica per garantire che soddisfi i requisiti del processo.

2. Progettazione ottimizzata e selezione ragionevole del bit PDC di mining

2.1 Ottimizzazione della progettazione della punta del trapano

(1) Per la forma di guasto della punta, è necessario ottimizzare la sua struttura dalla progettazione della punta. I principali parametri di progettazione della punta PDC includono l'angolo di taglio α. Angolo laterale β. Angolo azimutale γ. ecc. γ si riferisce all'angolo tra la linea di riferimento dell'orientamento dei denti PDC e la linea centrale della punta. α si riferisce all'angolo tra la linea di riferimento dell'orientamento del dente PDC e il piano di lavoro della fresa. come mostrato nella Figura 5. β si riferisce all'angolo tra il piano attraverso il punto centrale e la linea centrale della punta e il piano di lavoro della fresa. come mostrato nella Figura 6. La ricerca preliminare e l'analisi completa delle applicazioni mostrano che l'angolo di taglio e l'angolo laterale delle frese PDC possono influenzare direttamente la durata e l'efficienza di perforazione della punta. ed è necessario ottimizzare la progettazione della punta in base a diverse formazioni di perforazione. La progettazione dell'angolo di taglio influirà notevolmente sull'efficienza di perforazione. o addirittura nessuna ripresa; se l'angolo di taglio è troppo piccolo. il tagliente PDC è soggetto a rotture e altri fenomeni. Pertanto. la progettazione della perforatrice deve essere considerata in modo completo quando si seleziona lo schema dei parametri, scegliendo un angolo di taglio e un angolo laterale moderati piuttosto che una progettazione casuale.

(2) Oltre a ottimizzare l'angolo di taglio della punta, è essenziale ottimizzare anche le frese PDC. La qualità delle frese PDC influenza in modo significativo le punte PDC da estrazione, poiché determina direttamente le loro prestazioni di taglio e la loro durata. Un fattore critico per migliorare la qualità del PDC è l'eliminazione dello stress residuo all'interfaccia di legame tra lo strato di diamante e la matrice in carburo cementato. La ricerca indica che lo stress massimo nelle frese PDC con una struttura di interfaccia planare è concentrato vicino a entrambi i lati di questa interfaccia, con picchi di stress di trazione e taglio che si verificano sul bordo dello strato di diamante. La presenza di stress di trazione può portare a fratture anomale nel PDC, mentre lo stress di taglio funge da causa primaria di delaminazione nelle frese PDC.

(3) Oltre a eliminare lo stress residuo nelle frese PDC, i trattamenti secondari possono migliorarne ulteriormente la qualità. Attualmente, i metodi di trattamento superficiale primario includono la rettifica superficiale diamantata, la smussatura dei bordi e la lavorazione sagomata. La selezione delle frese PDC può essere ottimizzata in base alle reali condizioni di lavoro.

2.2 Scelta ragionevole delle punte da trapano

Attualmente, le punte PDC utilizzate nelle operazioni di perforazione in profondità nella maggior parte delle aree minerarie presentano prevalentemente un design concavo a tre ali. Tuttavia, la selezione di queste punte è spesso limitata e priva di classificazione, con conseguente approccio universale che non affronta adeguatamente i requisiti specifici dei diversi strati. Ciò è particolarmente problematico in condizioni di formazione complesse, in cui le punte concave convenzionali hanno difficoltà a fornire prestazioni soddisfacenti, con conseguente riduzione della durata della punta e dell'efficienza di perforazione. Tali inefficienze non solo aumentano i costi di produzione, ma possono anche interrompere i programmi di costruzione e comportare perdite economiche significative. Pertanto, è essenziale selezionare punte di perforazione appropriate su misura per le diverse condizioni di formazione.

Le punte PDC per l'estrazione mineraria possono essere classificate in due tipi principali in base al materiale del corpo della punta: tipo acciaio e tipo pneumatico. I corpi delle punte di tipo acciaio sono principalmente lavorati tramite metodi meccanici, fornendo una buona tenacità che li rende adatti per le operazioni di perforazione di formazioni convenzionali. Al contrario, i corpi delle punte di tipo pneumatico sono sinterizzati utilizzando processi di metallurgia delle polveri, offrendo un'elevata resistenza all'usura ideale per la perforazione di rocce dure o attività di perforazione prolungate. Inoltre, le punte da trapano possono essere classificate in varie strutture, tra cui concava interna, angolo ad arco, fondo piatto, raschietto e altre come illustrato nella Figura 7. ①Il design della struttura concava della punta concava migliora gli effetti di raddrizzamento durante la costruzione di formazioni convenzionali; ②La disposizione dei denti dispersi della punta ad arco determina una maggiore densità dei denti e una migliore efficienza di perforazione quando si lavora con strati medio-duri e superiori; ③La forma del labbro della punta a fondo piatto è quasi piatta, il che ne affila i bordi laterali per facilitare l'inclinazione: questo design è utilizzato prevalentemente per applicazioni di perforazione direzionale; ④La punta raschiante presenta in genere una struttura conica che garantisce una maggiore aggressività e viene utilizzata principalmente in strati morbidi o in costruzioni di filoni di carbone.

Sono stati riepilogati e organizzati gli attuali bit PDC per l'estrazione mineraria, insieme ai criteri di selezione per i bit PDC in varie condizioni di lavoro e formazione, come presentato nella Tabella 1 a titolo di riferimento.

3. L'uso delle precauzioni per i bit PDC di mining

Oltre a selezionare attentamente le punte da trapano, è altrettanto fondamentale utilizzare correttamente questi strumenti. Date le difficili condizioni di costruzione nelle miniere di carbone, i lavoratori spesso hanno difficoltà a rispettare rigorosamente le linee guida operative delle punte PDC, con conseguenti frequenti casi di guasti delle punte dovuti a una manipolazione impropria. Nel tentativo di migliorare l'efficienza di perforazione, alcune aree minerarie possono aumentare indiscriminatamente il peso delle punte durante le operazioni, portando a guasti prematuri delle punte. L'utilizzo corretto delle punte PDC può ottimizzare le loro prestazioni e ridurre i costi di produzione. Si dovrebbe prestare attenzione alle seguenti considerazioni quando si utilizzano punte PDC:

(1) Prestare attenzione alla relazione di classificazione tra la punta PDC e l'utensile di perforazione, assicurandosi che il tubo di perforazione di grande diametro non sia abbinato a un tubo di perforazione di diametro troppo piccolo e che il tubo di perforazione di piccolo diametro non sia abbinato a una punta di perforazione di grande diametro.

(2) L'approccio ottimale è quello di utilizzare un trapano specializzato o una punta da trapano invecchiata per la costruzione del nido, assicurandosi che il processo di perforazione eviti la vicinanza di bulloni laterali della corsia, cavi di ancoraggio e simili ostacoli.

(3) Durante le operazioni di perforazione è fondamentale regolare la pressione di alimentazione per evitare incidenti causati da una pressione eccessiva all'interno del foro.

(4) Utilizzare la tecnica di perforazione con acqua pulita, astenendosi dalla perforazione a secco o dalla perforazione con aria compressa. Prima di iniziare le operazioni di perforazione a pressione, assicurarsi che l'acqua circoli correttamente all'interno del foro per prevenire potenziali incidenti di combustione alla sua base.

(5) Quando si rimuove la punta, assicurarsi di evitare di bloccare o colpire la fresa PDC. Inoltre, fare attenzione a non colpire la lama del corpo della punta.

4. Conclusion

L'estrazione sicura ed efficiente del carbone è sempre stata un tema centrale sostenuto dall'industria del carbone. L'utilizzo efficace di punte PDC per le operazioni di perforazione sotterranea nelle miniere di carbone riveste un'importanza significativa. Questo documento analizza le modalità di guasto delle punte PDC per l'estrazione, chiarendo le cause primarie alla base di varie forme di guasto. Propone strategie di progettazione e selezione ottimali per le punte in diverse condizioni di lavoro e formazioni geologiche, riassumendo al contempo le precauzioni per il loro utilizzo, fornendo così un riferimento per una migliore selezione e applicazione delle punte PDC per l'estrazione. La selezione giudiziosa e l'utilizzo appropriato delle punte PDC per l'estrazione possono massimizzare la loro efficacia, ridurre al minimo lo spreco di risorse e migliorare la sicurezza, l'efficienza e le pratiche ecocompatibili nell'estrazione del carbone.