פיצוח הקוד של קידוח סלע קשיח: טכנולוגיית ה-DTH שמשנה את המשחק.
על פי התנאים הגיאולוגיים של אזור הבנייה, קיימות ארבע שיטות קידוח עיקריות בשימוש אסדות קידוח, כפי שמוצג באיור 1.
א. ראשים סיבוביים מונעים פניאומטיים או הידראוליים בשילוב עם ציוד פגיעה מעבירים אנרגיית סיבוב ופגיעה דרך החלק העליון שלצינור מקדחה, אספקת אנרגיה למקדחה באמצעות גלי הלם בצינור המקדחה. שיטה זו מוגבלת לקטרים קטנים ולעומקים רדודים והיא משמשת בדרך כלל במחצבות, אתרי בנייה ופעולות כרייה תת-קרקעיות.
ב.פטישי Down-The-Hole (DTH). ממוקמים בתחתית מחרוזת המקדחה. אוויר דחוס נכנס ל-DTH דרך מחרוזת הקידוח, ומניע בוכנה בתנועה הדדית שפוגעת ישירות במקדחה, ומעבירה את אנרגיית ההשפעה לסלע. למערכת זו אובדן חשמל מינימלי והיא מתאימה במיוחד לחורים עמוקים, חורים ישרים וסלעים בינוניים קשים.
ג.קידוח מחזור הפוך (RC).משתמש ב-DTH כדי לאסוף ולהעביר דגימות סלע מפני המקדחה. ייחורים יבשים ולא מזוהמים מועברים דרך הצינור המרכזי של ה-DTH לתוך מכשיר איסוף דגימות, מתכוננים לניתוח גיאולוגי.
ד. תיבת הילוכים המונעת על ידי מנועים הידראוליים או חשמליים יוצרת ראש כוח מסתובב, מפעילה כוח הזנה מספיק על המקדח בעל שלושת החרוטים באמצעות מערכת הזנה הנעה מעלה ומטה על אסדת הקידוח וצינור מקדחה עבה דופן. שיטה זו משמשת לסלעים רכים יותר או לסלעים קשים בעלי חיבור חזק.
- עקרונות ומאפיינים של DTH
התצורות שנקדחו ב-DTH מסוגלות כמעט לחלוטין לכלול את כל הסלעים המאתיים, סלעים מטמורפיים וסלעי משקע שהם בינוניים-קשים או קשים יותר. DTH יתרון במיוחד לקידוח סלע קשה ושכבות קשוחות מכיוון שסלע קשה נוטה להיות שביר. תחת עומסי פגיעה, שברים לא רק מתרחשים באתר הפגיעה הישירה אלא גם יוצרים אזור שבור, וכתוצאה מכך שברי סלע גדולים יותר. לפיכך, מהירות הקידוח מהירה משמעותית בהשוואה לקידוח סיבובי טהור. המודל המכני באיור 2 ממחיש את העומסים השונים הפועלים על הסלע במהלך קידוח סיבובי השפעה.
בנוסף, קידוח DTH (Down-the-Hole) יעיל ביותר בתצורות המועדות לסטיית קידוח, כגון שכבות עם מצעים ופליאה מפותחים היטב, או שכבות סלע בעלות קשיות לא אחידה ושברים רבים. זה יכול להפחית באופן משמעותי את סטיית הקידוח וגם להתגבר על קשיים בקידוח דרך שכבות חצץ וערוגות סלע.
קידוח DTH פותח בסוף המאה ה-19 ויש לו היסטוריה של למעלה ממאה שנה. למרות שישנם סוגים רבים של מקדחי DTH, יש להם תכונה משותפת: גם מנגנון הפגיעה וגם המקדחה שקועים לתוך הקידוח, עם סיבוב בשילוב עם פגיעה לשבירת הסלע. ניתן לסווג את הציוד המשמש ליצירת כוח הפגיעה לפי שיטת הנהיגה שלהם לסוגים פניאומטיים, הידראוליים, לחץ שמן, חשמלי ומכני.
מכיוון שאנרגיית הפגיעה חווה אובדן משמעותי במהלך ההולכה ועלולה לגרום לנזק מהותי לרכיבים שנפגעו, בדרך כלל נדרש בפעולות קידוח עמוקות יותר שהציוד ייכנס לקידוח עם כלי הקידוח, כך שכוח הפגיעה של הפלט יוכל לפעול ישירות על המקדחה או על קנה הליבה. זה ממזער את אובדן האנרגיה במהלך השידור, משפר את יעילות האנרגיה ומפחית את הסבירות לתקלות בציוד למטה.
DTH פניאומטי, הידוע גם בשם DTH מונע באוויר, מגיע בסוגים מבניים רבים ובשיטות סיווג.
- לפי דירוג לחץ: סוגי לחץ גבוה, לחץ בינוני ולחץ נמוך.
- לפי מבנה כולל: טיפוסים לא דרך ודרך.
- לפי עקרון פעולת השסתום: סוג שסתום בקרה, סוג שסתום חופשי וסוג שסתום היברידי.
- לפי מבנה בוכנה: בוכנה בקוטר שווה, בוכנה בקוטר לא שווה וסוגי בוכנות טנדם.
- לפי סוג חלוקת אוויר: DTH עם שסתומים ו-DTH ללא שסתומים. ניתן לחלק DTH עם שסתומים לסוגי שסתום לוח, שסתום דיסק ושסתומים גליליים, בעוד ש-DTH ללא שסתומים ניתן לחלק לסוג פליטה של מוט מרכזי, סוג חלוקת אוויר בוכנה וחלוקת אוויר משולבת לפי בוכנה, צילינדר ומוט מרכזי.
- על ידי שטיפת חורים ושיטת פריקת סיגים: שטיפת חורים במרכז, שטיפת חורים קדמיים ושטיפת חורים בצד.
2. קביעת תוכניות מבניות של מנגנון השפעה
2.1 מנגנון אספקת גז עצמי בוכנה ללא שסתומים
סוג זה של מנגנון פגיעה משתמש בעיקר במעברי הגז בבוכנה עצמה לאספקת גז, וכתוצאה מכך נוצר מבנה בוכנה מורכב עם תעלות גז רבות, מה שמפחית את חוזק הבוכנה ואת תוחלת החיים. עם זאת, מנגנון פגיעה זה משלב את הצילינדרים הפנימיים והחיצוניים, מגדיל את אזור העבודה האפקטיבי של הבוכנה ומשפר את אנרגיית הפגיעה של המנגנון.
2.2 מנגנון אספקת גז משולבת בוכנה וצילינדר ללא שסתומים
סוג זה כולל מבנה פשוט קל לייצור, בעל תוחלת חיים בוכנה ארוכה יותר, וחורי הגז ממוקמים הן על הצילינדר והן על הבוכנה. מבנה זה נמצא בשימוש נרחב בחו"ל.
2.3 מנגנון אספקת גז צינור מרכזי ללא שסתומים
במנגנון זה, מעברי כניסת האוויר לחדרים העליונים והתחתונים מסודרים על הצינור העגול שבו מחליקה הבוכנה. הוא דורש דיוק ייצור גבוה ויש לו אורך חיים קצר יחסית לצינור המרכזי.
2.4 מנגנון פגיעת פליטה צדדית
מה שנקרא פליטת צד פירושו שמסלול גז הפליטה יוצא מגוף הגליל במקום לעבור דרך מרכז המקדחה לתחתית החור. לסוג זה של מנגנון פגיעות יש בדרך כלל נתיבי כניסה ופליטה רבים על גוף הצילינדר, מה שמוביל לחוזק מבני ירוד, פוטנציאל לסדקי עייפות אורכיים ואובדן משמעותי של לחץ אוויר, וכתוצאה מכך להסרת פסולת והשפעות קירור לא אופטימליות עבור המקדחה.
2.5 מנגנון השפעת פליטה מרכזית
סוג זה של מנגנון פגיעה מוציא פסולת וגז ישירות ממרכז המקדחה לתחתית החור. זרימת אוויר ישירה לא רק משפרת את יעילות פינוי הפסולת אלא גם משפרת את יעילות הקידוח והקירור, ומאריכה את תוחלת החיים של המקדחה. סוג מבני זה מחליף את החריצים האורכיים הרבים בצילינדר הפנימי של מנגנוני פגיעת פליטה צדדית בחריץ טבעתי, מה שמפחית מאוד את ריכוז המתח בצילינדר הפנימי. זה הפך למבנה מאומץ מאוד בשנים האחרונות.
מנגנון השפעת בוכנה מסדרה 2.6
מנגנון פגיעת הבוכנה מסדרת, הידוע גם כאטב דו-בוכנה (ראש), מחלק את הצילינדר לשני חדרים באמצעות טבעת בידוד. עיצוב זה מאפשר לשני פני הבוכנה לעבוד בו-זמנית בתוך אותו קוטר קדח, וכתוצאה מכך כוח פגיעה גדול יותר ותדירות פגיעה גבוהה יותר. בהתאם, קיימת מערכת פליטה כפולה המסירה ביעילות אבקת סלעים מתחתית החור. עם זאת, החיסרון העיקרי שלו הוא המבנה המורכב שלו והצורך בדייקנות גבוהה בעיבוד חלקים; לדוגמה, לבוכנה יש עד חמישה משטחים מתאימים עם רכיבים נלווים, מה שמגביל את היישום והקידום שלה. לכן, עיצוב זה מאמץ את האפשרות השנייה, שהיא מנגנון הפגיעה ללא שסתום עם אספקת גז משולבת בוכנה וצילינדר. המבנה שלו מוצג באיור 3.
3.ניתוח תיאורטי וחישובים רלוונטיים עבור DTH
3.1 בחירת פרמטרים תפעוליים**
3.1.1 אורך ומשקל הפטיש: התכנון המקדים מציין אורך של פחות מ-4500 מ"מ ומשקל של פחות מ-2500 ק"ג.
3.1.2 קוטר הפטיש: קוטר הפטיש המתאים נקבע על פי קוטר הקידוח, שנקבע על 540 מ"מ.
3.1.3 קוטר קידוח: זה מתייחס לקוטר חור הערימה, בדרך כלל בין 550 מ"מ ל-600 מ"מ.
3.1.4 עומק קידוח: על פי דרישות תכנון כלונסאות, זה בדרך כלל בין כמה עשרות מטרים למאה מטרים.
3.1.5 מהירות קידוח: קידוח DTH פועל בדרך כלל במהירויות סיבוב נמוכות, בדרך כלל בין 7 ל-25 r/s.
3.1.6 מומנט סיבובי: המומנט המרבי עבור עיצוב זה נקבע על 150 קילו-נוט-מ'.
3.2 חישוב פרמטרי עיצוב
פרמטרי התכנון של DTH, במיוחד פרמטרי הביצועים של ציוד ההשפעה של DTH, משמשים כבסיס לתכנון המכונה ומגדירים את הביצועים של הציוד המיוצר.
3.2.1 לחץ עיצובי P עבור ציוד השפעה
בסין, לחץ של 0.49 MPa (כ-5 × 10^5 Pa) נבחר באופן נרחב כסטנדרט התכנון לציוד פגיעה פניאומטי. בהתחשב בכך שה-DTH עבור עיצוב זה הוא התקן פגיעה ללא שסתום עם קוטר קידוח גדול ובוכנה כבדה, לחץ אוויר גבוה יותר ישפר עוד יותר את הביצועים. בנוסף, מדחסי אוויר בלחץ גבוה נפוצים יותר ויותר, ובהתאם לתקן הבינלאומי ISO 5941-1979, נבחר לחץ עיצובי של 1.6 MPa.
3.2.2 כוח השפעה
עבור DTH המשמש לקידוח חורים בקוטר גדול, אנרגיית ההשפעה העיצובית יכולה להשתנות באופן משמעותי. אנרגיית ההשפעה עבור תכנון זה מחושבת באופן הבא:
3.2.3 תדירות ההשפעה
בדרך כלל, באנרגיית פגיעה קבועה, תדירות הפגיעה היא פרופורציונלית להספק המוצא של הפגיעה. עם זאת, כאשר קוטר הצילינדר קבוע, הגדלת תדירות הפגיעה מחייבת הפחתת מהלך הבוכנה, אשר בתורו מקטין את כוח הפגיעה הבודדת. ברגע שעוצמת הפגיעה הבודדת יורדת מתחת לסף מסוים, הגדלת התדירות לא תניב תוצאות משביעות רצון של שבירת סלעים. לפיכך, בחירת תדירות ההשפעה מוגבלת על ידי כוח ההשפעה.
עבור DTH פניאומטי הפועל בלחץ עיצובי של 0.5 MPa, התדר לא יעלה על 16.8 הרץ. מכיוון שה-DTH פועל בלחצי עיצוב בין 0.5 ל-2.5 MPa, תדירות ההשפעה יכולה להשתנות באופן משמעותי. ניתן לחשב את הבחירה הראשונית של תדירות הפגיעה באופן הבא:
f = 10.4 + 7.6P
(2) כאשר P הוא לחץ אספקת המערכת. עבור עיצוב זה, P = 1.6 MPa, לכן:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 הרץ.
3.3 עיצוב פרמטרים מבניים
הפרמטרים המבניים העיקריים של DTH כוללים קוטר קדח צילינדר, מהלך בוכנה וממדי בוכנה. הגדלת קוטר הגליל יכולה לשפר הן את כוח ההשפעה והן את התדירות, לכן יש למקסם את הקוטר בגבולות הגודל המבני. בדרך כלל, ההבדל בין הקוטר החיצוני של ה-DTH לקוטר הקדח לא צריך להיות פחות מ-15 עד 20 מ"מ, והמארז החיצוני של ה-DTH לא צריך להיות דק מדי. לכן, היחס בין קוטר גליל DTH לקוטר קידוח הוא בדרך כלל מעל 0.5.
3.3.1 קוטר עבודה של הצילינדר ומכת המבנה
ניתן לחשב את קוטר העבודה D של הגליל באופן הבא:
D = K × D(קדח) = (0.57 - 0.68) × D(קדח) (3)
עבור עיצוב זה, D(קדח) = 600 מ"מ, כך ש-D נלקח כ-360 מ"מ. המהלך המבני S נלקח באופן אמפירי כ-S = 500 מ"מ.
3.3.2 מסת בוכנה
הממדים הרדיאליים של הבוכנה מוגבלים על ידי הגודל והמבנה של הצילינדר, מה שמאפשר בוכנות בקוטר שווה או שונה. הממדים הליניאריים תלויים במשקל הבוכנה, המתייחס גם למהירות שיש לה בעת הפגיעה במקדחה. לכן, קביעת הממדים המבניים של הבוכנה היא היבט מורכב של עיצוב DTH. ניתן להעריך את המסה של בוכנת DTH באופן הבא:
m = 0.0205D^2.84 (4)
כאשר m היא מסת הבוכנה בק"ג; D הוא קוטר העבודה של הגליל בס"מ.
החלפת D = 36 יבולים: מ = 540 ק"ג.
ה-DTH מורכב בעיקר ממבנה העברת מומנט ומנגנון פגיעה פניאומטי. מבנה העברת המומנט מחבר את מוט המקדחה וה-DTH, מעביר כוחות חיתוך ומשיכה סיבוביים; מנגנון הפגיעה הפנאומטי יוצר פגיעה, ומספק כוח צירי למקדח הפגיעה. פרטי מבנה ספציפיים מוצגים באיור 3.
מבנה העברת המומנט מחבר בין מוט המקדחה לבין הפגיעה. המפרק העליון מתחבר עם מוט המקדחה והמכתש דרך הברגות צינור, בעיקר כדי להבטיח אטימות גזים תוך העברת מומנט וכוח משיכה. שסתום הסימון מונע כניסת בוץ ומים למחטף ולמוט המקדחה, הנשלט על ידי קפיץ. מושב צריכת האוויר עם מוט אספקת הגז מתפקד להחדרת אוויר דחוס לתוך הצילינדר, ומקל על פעולת אספקת הגז יחד עם הגליל והבוכנה, ובכך משיג אספקת גז משולבת. טבעת הבטיחות הקפיצית מונעת מהבוכנה להחליק החוצה מהצילינדר בעת החלפת המקדח.
3.4 ניתוח אלמנטים סופיים של מקדח DTH
מקדח DTH נתון לכוחות פגיעה מהבוכנה ולמומנט מראש הכונן. הכוח המופעל על הבוכנה על ידי האוויר הדחוס ניתן על ידי:
F = P × S (5)
כאשר P הוא לחץ המערכת ב-Pa; S הוא שטח הכוח של הבוכנה במ"ר.
לפיכך, F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N.
לכן, כוח הפגיעה על המקדח הוא:
F' = kF (6)
כאשר k הוא מקדם ההשפעה; F הוא הכוח המופעל על המקדח על ידי האוויר הדחוס ב-N. לפיכך, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
המומנט המופעל על מקדח DTH על ידי ראש הכונן הוא N = 150 kN. החלת F' = 2688 kN ו-N = 150 kN על המקדח תוך קיבוע הקצה התחתון של המקדח, ושימוש בחומר QT500-7 בעל חוזק תפוקה של 320 MPa, מתבצע ניתוח אלמנטים סופיים. תנאי הטעינה והאילוצים הספציפיים וחלוקת הרשת מוצגים באיורים 4 ו-5.
התוצאות של ניתוח האלמנטים הסופיים מוצגות באיור 6, מה שמצביע על כך שהמתח המרבי הוא 144.355 MPa, שהוא פחות מעוצמת התפוקה של QT500-7 (320 MPa), ובכך עומד בדרישות.