Decifrare il codice della perforazione delle rocce dure: la rivoluzionaria tecnologia DTH.
In base alle condizioni geologiche dell'area di costruzione, sono quattro i principali metodi di perforazione comunemente utilizzati dalle piattaforme di perforazione, come mostrato nella Figura 1.
a. Le teste rotanti pneumatiche o idrauliche combinate con l'attrezzatura di impatto trasmettono l'energia rotazionale e di impatto attraverso la parte superiore dell'tubo di perforazione, che fornisce energia alla punta di perforazione tramite onde d'urto nel tubo di perforazione. Questo metodo è limitato a diametri ridotti e profondità ridotte ed è generalmente utilizzato in cave, cantieri edili e operazioni di estrazione mineraria sotterranea.
B.Martelli DTH (fondo foro) si trovano nella parte inferiore della colonna di perforazione. L'aria compressa entra nel DTH attraverso la colonna di perforazione, azionando un pistone con un movimento alternato che impatta direttamente sulla punta di perforazione, trasferendo l'energia d'impatto alla roccia. Questo sistema ha una perdita di potenza minima ed è particolarmente adatto per fori profondi, fori dritti e rocce medio-dure.
C.Perforazione a circolazione inversa (RC)utilizza DTH per raccogliere e trasportare campioni di roccia dalla faccia della punta di perforazione. I tagli asciutti e non contaminati vengono convogliati attraverso il tubo centrale del DTH in un dispositivo di raccolta campioni, preparandoli per l'analisi geologica.
d. Un riduttore azionato da motori idraulici o elettrici forma una testa di potenza rotante, applicando una forza di alimentazione sufficiente alla punta di perforazione a tre coni tramite un sistema di alimentazione che si muove su e giù sulla piattaforma di perforazione e un tubo di perforazione a parete spessa. Questo metodo è utilizzato per rocce più morbide o rocce dure fortemente articolate.
- Principi e caratteristiche del DTH
Le formazioni perforate con DTH sono quasi interamente in grado di includere tutte le rocce ignee, le rocce metamorfiche e le rocce sedimentarie di media durezza o più dure. Il DTH è particolarmente vantaggioso per la perforazione di rocce dure e strati tenaci perché le rocce dure tendono a essere fragili. Sotto carichi d'impatto, le fratture non solo si verificano nel sito di impatto diretto, ma creano anche una zona di rottura, con conseguenti frammenti di roccia più grandi. Pertanto, la velocità di perforazione è significativamente più rapida rispetto alla perforazione rotativa pura. Il modello meccanico nella Figura 2 illustra i vari carichi che agiscono sulla roccia durante la perforazione rotativa a impatto.
Inoltre, la perforazione DTH (Down-the-Hole) è altamente efficace in formazioni soggette a deviazione del foro di trivellazione, come strati con stratificazione e foliazione ben sviluppati, o strati di roccia con durezza irregolare e molte fratture. Può ridurre significativamente la deviazione del foro di trivellazione e anche superare le difficoltà nella perforazione attraverso strati di ghiaia e letti di massi.
La perforazione DTH è stata sviluppata alla fine del XIX secolo e ha una storia di oltre un secolo. Sebbene esistano molti tipi di perforatrici DTH, condividono una caratteristica comune: sia il meccanismo di impatto che la punta di perforazione sono immersi nel foro di trivellazione, con rotazione combinata all'impatto per rompere la roccia. L'attrezzatura utilizzata per generare la forza di impatto può essere classificata in base al metodo di azionamento in tipi pneumatici, idraulici, a pressione di olio, elettrici e meccanici.
Poiché l'energia d'impatto subisce una perdita significativa durante la trasmissione e può causare danni sostanziali ai componenti interessati, in genere è necessario nelle operazioni di perforazione più profonde che l'attrezzatura entri nel foro di trivellazione con l'utensile di perforazione, in modo che la forza d'impatto in uscita possa agire direttamente sulla punta di perforazione o sul tubo di carotaggio. Ciò riduce al minimo la perdita di energia durante la trasmissione, migliora l'efficienza energetica e riduce la probabilità di guasti alle attrezzature di fondo pozzo.
I DTH pneumatici, noti anche come DTH ad aria compressa, sono disponibili in numerose tipologie strutturali e con diversi metodi di classificazione.
- In base alla pressione nominale: tipi ad alta pressione, media pressione e bassa pressione.
- Per struttura complessiva: tipi non passanti e passanti.
- In base al principio di funzionamento della valvola: tipo di valvola di controllo, tipo di valvola libera e tipo di valvola ibrida.
- In base alla struttura del pistone: pistone di diametro uguale, pistone di diametro diverso e pistone tandem.
- Per tipo di distribuzione dell'aria: DTH con valvola e DTH senza valvola. Il DTH con valvola può essere suddiviso in valvola a piastra, valvola a disco e valvola cilindrica, mentre il DTH senza valvola può essere suddiviso in tipo di scarico a stelo centrale, tipo di distribuzione dell'aria a pistone e distribuzione dell'aria combinata tramite pistone, cilindro e stelo centrale.
- Con il metodo di lavaggio dei fori e di scarico delle scorie: lavaggio dei fori centrali, lavaggio dei fori anteriori e lavaggio dei fori laterali.
2. Determinazione degli schemi strutturali del meccanismo di impatto
2.1 Meccanismo di impatto senza valvola con alimentazione a gas autonoma del pistone
Questo tipo di meccanismo di impatto utilizza principalmente i passaggi del gas nel pistone stesso per l'alimentazione del gas, con conseguente struttura complessa del pistone con numerosi canali del gas, che riduce la resistenza e la durata del pistone. Tuttavia, questo meccanismo di impatto integra i cilindri interno ed esterno, aumentando l'area di lavoro effettiva del pistone e migliorando l'energia di impatto del meccanismo.
2.2 Meccanismo di impatto senza valvola con alimentazione combinata di gas a pistone e cilindro
Questo tipo presenta una struttura semplice che è facile da produrre, ha una durata di vita del pistone più lunga e i fori del gas sono posizionati sia sul cilindro che sul pistone. Questa struttura è ampiamente utilizzata all'estero.
2.3 Meccanismo di impatto senza valvola dell'alimentazione del gas del tubo centrale
In questo meccanismo, i passaggi di aspirazione dell'aria per le camere superiore e inferiore sono disposti sul tubo circolare dove scorre il pistone. Richiede un'elevata precisione di fabbricazione e ha una durata relativamente breve per il tubo centrale.
2.4 Meccanismo di impatto dello scarico laterale
Il cosiddetto scarico laterale significa che il percorso dei gas di scarico esce dal corpo del cilindro anziché passare attraverso il centro della punta del trapano fino al fondo del foro. Questo tipo di meccanismo di impatto ha in genere molti percorsi di aspirazione e scarico sul corpo del cilindro, il che comporta una scarsa resistenza strutturale, potenziale di cricche da fatica longitudinale e significativa perdita di pressione dell'aria, con conseguente rimozione dei detriti non ottimale ed effetti di raffreddamento per la punta del trapano.
2.5 Meccanismo di impatto dello scarico centrale
Questo tipo di meccanismo di impatto espelle detriti e gas direttamente dal centro della punta del trapano al fondo del foro. Il flusso d'aria diretto non solo migliora l'efficienza di rimozione dei detriti, ma migliora anche l'efficienza di perforazione e il raffreddamento, prolungando la durata della punta del trapano. Questo tipo strutturale sostituisce le numerose scanalature longitudinali nel cilindro interno dei meccanismi di impatto a scarico laterale con una scanalatura anulare, riducendo notevolmente la concentrazione di stress nel cilindro interno. È diventata una struttura ampiamente adottata negli ultimi anni.
Meccanismo di impatto del pistone serie 2.6
Il meccanismo di impatto del pistone in serie, noto anche come impattore a doppio pistone (testa), divide il cilindro in due camere utilizzando un anello di isolamento. Questo design consente a entrambe le facce del pistone di lavorare simultaneamente all'interno dello stesso diametro del foro, con conseguente maggiore potenza di impatto e frequenza di impatto più elevata. Di conseguenza, c'è un doppio sistema di scarico che rimuove efficacemente la polvere di roccia dal fondo del foro. Tuttavia, il suo principale svantaggio è la sua struttura complessa e la necessità di elevata precisione nelle parti di lavorazione; ad esempio, il pistone ha fino a cinque superfici di accoppiamento con componenti associati, il che ne limita l'applicazione e la promozione. Pertanto, questo design adotta la seconda opzione, che è il meccanismo di impatto senza valvola con alimentazione di gas combinata di pistone e cilindro. La sua struttura è mostrata nella Figura 3.
3.Analisi teorica e calcoli rilevanti per DTH
3.1 Selezione dei parametri operativi**
3.1.1 Lunghezza e peso del martello: il progetto preliminare specifica una lunghezza inferiore a 4500 mm e un peso inferiore a 2500 kg.
3.1.2 Diametro del martello: il diametro appropriato del martello viene determinato in base al diametro di perforazione, impostato su 540 mm.
3.1.3 Diametro di perforazione: si riferisce al diametro del foro del palo, generalmente compreso tra 550 mm e 600 mm.
3.1.4 Profondità di perforazione: in base ai requisiti di progettazione del palo, questa è in genere compresa tra diverse decine di metri e cento metri.
3.1.5 Velocità di perforazione: la perforazione DTH generalmente funziona a basse velocità di rotazione, in genere comprese tra 7 e 25 giri/s.
3.1.6 Coppia di rotazione: la coppia massima per questo progetto è impostata a 150 kN·m.
3.2 Calcolo dei parametri di progettazione
I parametri di progettazione per DTH, in particolare i parametri prestazionali dell'attrezzatura d'impatto DTH, servono come base per la progettazione della macchina e definiscono le prestazioni dell'attrezzatura prodotta.
3.2.1 Pressione di progetto P per l'attrezzatura d'impatto
In Cina, una pressione di 0,49 MPa (circa 5 × 10^5 Pa) è ampiamente scelta come standard di progettazione per le apparecchiature di impatto pneumatiche. Dato che il DTH per questa progettazione è un dispositivo di impatto senza valvola con un ampio diametro di foratura e un pistone pesante, una pressione dell'aria più elevata migliorerà ulteriormente le prestazioni. Inoltre, i compressori d'aria ad alta pressione sono sempre più comuni e, in conformità con lo standard internazionale ISO 5941-1979, viene selezionata una pressione di progettazione di 1,6 MPa.
3.2.2 Potenza d'impatto
Per DTH utilizzato per perforare fori di grande diametro, l'energia d'impatto di progettazione può variare in modo significativo. L'energia d'impatto per questa progettazione è calcolata come segue:
3.2.3 Frequenza dell'impatto
In genere, a energia d'impatto costante, la frequenza d'impatto è proporzionale alla potenza di uscita dell'impattatore. Tuttavia, quando il diametro del cilindro è fisso, l'aumento della frequenza d'impatto richiede una riduzione della corsa del pistone, che a sua volta diminuisce la potenza d'impatto singola. Una volta che la potenza d'impatto singola scende al di sotto di una certa soglia, l'aumento della frequenza non produrrà risultati soddisfacenti nella rottura delle rocce. Pertanto, la selezione della frequenza d'impatto è vincolata dalla potenza d'impatto.
Per DTH pneumatici che operano a una pressione di progetto di 0,5 MPa, la frequenza non deve superare 16,8 Hz. Poiché il DTH opera a pressioni di progetto comprese tra 0,5 e 2,5 MPa, la frequenza di impatto può variare in modo significativo. La selezione iniziale della frequenza dell'impattore può essere calcolata come segue:
f = 10,4 + 7,6P
(2) dove P è la pressione di alimentazione del sistema. Per questo progetto, P = 1,6 MPa, quindi:
La frequenza di campionamento è 10,4 Hz.
3.3 Progettazione dei parametri strutturali
I principali parametri strutturali del DTH includono il diametro dell'alesaggio del cilindro, la corsa del pistone e le dimensioni del pistone. Aumentare il diametro del cilindro può aumentare sia la potenza d'impatto che la frequenza, quindi il diametro dovrebbe essere massimizzato entro i limiti delle dimensioni strutturali. In genere, la differenza tra il diametro esterno del DTH e il diametro dell'alesaggio non dovrebbe essere inferiore a 15-20 mm e la cassa esterna del DTH non dovrebbe essere troppo sottile. Pertanto, il rapporto tra il diametro del cilindro del DTH e il diametro di foratura è generalmente superiore a 0,5.
3.3.1 Diametro di lavoro del cilindro e corsa strutturale
Il diametro di lavoro D del cilindro può essere calcolato come segue:
D = K × D(alesaggio) = (0,57 - 0,68) × D(alesaggio) (3)
Per questo progetto, D(alesaggio) = 600 mm, quindi D è preso come 360 mm. La corsa strutturale S è presa empiricamente come S = 500 mm.
3.3.2 Massa del pistone
Le dimensioni radiali del pistone sono vincolate dalle dimensioni e dalla struttura del cilindro, consentendo pistoni di diametro uguale o diverso. Le dimensioni lineari dipendono dal peso del pistone, che è anche correlato alla velocità che ha quando colpisce la punta del trapano. Pertanto, determinare le dimensioni strutturali del pistone è un aspetto complesso della progettazione DTH. La massa del pistone DTH può essere stimata come segue:
m = 0,0205D^2,84 (4)
dove m è la massa del pistone in kg; D è il diametro utile del cilindro in cm.
Sostituendo D = 36 si ottiene: m = 540 kg.
Il DTH è costituito principalmente da una struttura di trasmissione della coppia e da un meccanismo di impatto pneumatico. La struttura di trasmissione della coppia collega l'asta di perforazione e il DTH, trasmettendo forze di taglio e trazione rotazionali; il meccanismo di impatto pneumatico genera l'impatto, fornendo potenza assiale alla punta di perforazione a impatto. I dettagli specifici della struttura sono mostrati nella Figura 3.
La struttura di trasmissione della coppia collega l'asta di perforazione e l'impattore. Il giunto superiore si collega all'asta di perforazione e all'impattore tramite filettature di tubi, principalmente per garantire la tenuta del gas e allo stesso tempo trasmettere coppia e forza di trazione. La valvola di ritegno impedisce al fango e all'acqua di entrare nell'impattore e nell'asta di perforazione, controllata da una molla. La sede di aspirazione dell'aria con l'asta di alimentazione del gas funziona per introdurre aria compressa nel cilindro, facilitando l'azione di alimentazione del gas insieme al cilindro e al pistone, ottenendo così un'alimentazione di gas combinata. L'anello di sicurezza a molla impedisce al pistone di scivolare fuori dal cilindro quando si sostituisce la punta del trapano.
3.4 Analisi degli elementi finiti della punta da trapano DTH
La punta DTH è sottoposta alle forze d'impatto del pistone e alla coppia della testa di azionamento. La forza esercitata sul pistone dall'aria compressa è data da:
E = P × S (5)
dove P è la pressione del sistema in Pa; S è l'area di forza del pistone in m².
Pertanto, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Pertanto, la forza d'impatto sulla punta del trapano è:
F' = kF (6)
dove k è il coefficiente di impatto; F è la forza esercitata sulla punta del trapano dall'aria compressa in N. Pertanto, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
La coppia applicata alla punta del trapano DTH dalla testa di azionamento è N = 150 kN. Applicando F' = 2688 kN e N = 150 kN alla punta del trapano durante il fissaggio della faccia terminale inferiore della punta del trapano e utilizzando materiale QT500-7 con un limite di snervamento di 320 MPa, viene eseguita un'analisi agli elementi finiti. Le condizioni specifiche di carico e vincolo e la divisione della mesh sono illustrate nelle Figure 4 e 5.
I risultati dell'analisi agli elementi finiti sono mostrati nella Figura 6, indicando che la sollecitazione massima è di 144,355 MPa, che è inferiore al limite di snervamento del QT500-7 (320 MPa), soddisfacendo quindi i requisiti.