石炭採掘用PDCビットの最適選択

ボーリング工事は、炭鉱におけるガス制御、水害防止、地質調査などに広く利用されている技術であり、石炭生産の安全性と効率性を確保する上で重要な役割を果たしています。中国では、炭鉱で毎年数千万メートルのボーリング穴が掘られています。建設プロセスでは、ドリル、ドリルパイプ、ドリルビットなどの掘削機器のサポートが必要です。その中でも、ドリルは直接穴を開けたり岩を砕いたりするのに欠かせないツールです。

多結晶ダイヤモンド複合シート (PDC) は、その優れた耐摩耗性と耐衝撃性により、鉱山用ドリルビットに広く利用されています。PDC ビット中硬度および低硬度の岩石層で使用すると、掘削寿命が延び、貫入効率も高まるため、石炭鉱山の掘削作業に大きな経済的メリットをもたらします。石油掘削と比較すると、石炭鉱山の掘削は、費用対効果が高く、時間効率が良く、高密度に設計されているという技術的特性を備えています。したがって、PDC ビットに対する全体的な要件はそれほど厳しくありません。

鉱業が現在直面している課題PDC ビットこれには、①鉱山用PDCビットの参入障壁が比較的低く、多数のメーカーがさまざまな品質レベルのものを提供していること、②炭鉱の地下掘削の用途と要件に明らかな差異が見られる一方で、鉱山用PDCビットの分類は複雑で多様であること、さらに、その後の利用プロセスにおいて体系的かつ合理的な選択仕様が欠如していること、③炭鉱における複雑な硬質地層の増加に伴い、従来の鉱山用PDCビットでは効率的な現場掘削の建設要件を満たせず、進捗が遅れたり、まったく掘削できないケースがあること、④炭鉱の建設条件が厳しいため、建設担当者が掘削手順を厳密に遵守することが困難な場合があることなどが含まれます。

鉱業の運用効率を高めるためにPDC ビットこの論文では、主な故障モードを包括的に分析し、それぞれの故障の根本的な原因を調査します。さらに、これらのビットを慎重に選択し、注意深い使用をするための実用的な推奨事項も提案します。

1.鉱業におけるPDCビット障害の形態と原因の分析

現在、鉱山用 PDC ビットのコンポーネントは、主にビット本体、PDC カッター、ゲージ合金、およびその他の部品で構成されています (図 1 を参照)。PDC カッターとゲージ合金は、確実に取り付けられるようにビット本体にろう付けされています。通常の掘削作業中、ドリル ロッドはトルクとフィード圧力を穴の底に伝達し、ドリル ビットと噛み合います。岩石切削プロセスは、ドリル ビットの PDC カッターを利用して行われます。さらに、ゲージ合金は、ビット本体の円周の完全性を保護することで過度の摩耗を防ぎます。ただし、PDC ビットで岩石を切削する際に穴の底でカッターに加わる複雑な力、地層特性の変化、建設技術と機器の選択、建設活動に携わる人員の操作能力、ビット自体の品質管理対策などのさまざまな要因が、適用の有効性に大きく影響し、これらのビットのさまざまな故障につながる可能性があることに留意する必要があります。石炭鉱山の掘削現場で実施した調査を通じて、さまざまな故障モードとそれに関連する主な原因をまとめ、分析しました。PDC ビット。

1.1 PDC カッターの故障は、PDC が高温高圧条件下で焼結されたときに発生します。複合シートは、図 2 に示すように、ダイヤモンド層と炭化物マトリックスの 2 つの主要コンポーネントで構成されています。

PDC カッターの主な故障モードには、通常の摩耗、剥離、ブレードの崩壊、および層間剥離が含まれます。

（１）通常の消耗

正常摩耗現象は、岩石切削プロセス中に PDC カッターで発生する典型的な損傷の一種であり、主にカッターのダイヤモンド層と超硬合金マトリックスの両方で顕著なマクロ的な研削損失が発生し、研削面に明らかな亀裂の痕跡が見られないという特徴があります。

（２）チップドロ​​ップ

チップドロ​​ップ現象は、PDC カッターがビット本体から外れ、ビットが破損したときに発生します。最も顕著な特徴は、PDC カッターがビット本体から完全に分離し、ビット本体と PDC カッターの溶接が行われるピットに合金残留物が見られないことです。

落下フィルムの減少に寄与する主な要因:

① 掘削孔底部の温度上昇は、乾式掘削施工技術の課題や掘削工程中の水栓形成につながるほか、高速回転岩石切削中にドリル上のPDCカッターの適時冷却を妨げ、その結果、掘削孔底部の温度が大幅に上昇し、はんだの臨界温度を超え、はんだが溶けてPDCカッターが外れてしまう可能性があります。

② ドリル溶接工程の管理が十分に厳格ではありません。溶接工程では、溶接前の適切な洗浄が不足していたり​​、溶接不良や排気ガス管理が不十分であったり、溶接後の保温温度が高すぎたり時間が不十分であったりして、ビットが外れてしまうことがあります。製造業者に生産工程（特にPDCカッター溶接工程）を厳しく規制して完全で強固な溶接を確保することを求めるほか、可能な限り水掘削を選択し、乾式掘削工事を避けるなど、掘削工事手順を明確にする必要があります。深穴掘削では、ロッド掘削を追加する前に水が戻ってくることを確認する必要があります。また、ドリルを穴の底に挿入する前には、詰まりを防ぐために障害物がないか毎回確認することが重要です。

（３）刃の破損

PDCカッターのダイヤモンド層の破損は、PDC ビットこの破損モードの特徴は、ダイヤモンド層の局所的な破裂であり、炭化物マトリックスに沿った同時破損が発生する場合もあります。

PDC ビット破損の主な原因:

① PDCカッターの固有の特性に基づいて選択されたカッターは、耐衝撃性が低く、炭化タングステン（WC）とダイヤモンド微粉末の複合強度が不十分で、岩石破砕の応力下で破損しやすくなります。

② 施工工程上の要因により、現場施工圧力が過度に高くなり、PDCカッターがビットに及ぼす圧力がカッターの圧力限界を大幅に超過し、ダイヤモンド層が剥離し、その後刃先が崩壊する。

③ 複雑な地層に関連する要因は、硬くて破砕された地層の構築中に、PDCカッターへの衝撃荷重が衝撃靭性を超え、刃先の崩壊につながる可能性があることを示しています。

④ ビットの切削角度の設計が不十分で、硬い地層には大きな切削角度が必要であるという原則に従っていません。硬い地層の建設では、切削角度が小さいとPDCカッターに過度の力がかかり、最終的に刃先が崩壊する可能性があります。

⑤ その他の要因として、地下道の支持ボルトやアンカーケーブルの配置により、これらの要素に遭遇するとドリルビットが崩壊する可能性が非常に高くなることが示されています。ビットの破損を防ぐためには、掘削指示書に記載されているプロセスパラメータに厳密に従うだけでなく、地層条件に基づいてドリルを設計および選択することが不可欠です。具体的には、硬い地層を掘削する場合は、ビットの切削角度を適切に大きくし、攻撃性を軽減し、ビットの保護を強化することをお勧めします。さらに、硬い亀裂地層を掘削する場合、またはカッターのダイヤモンド層の外部形状を変更して衝撃靭性を向上させる場合は、衝撃靭性が高いPDCカッターを選択することをお勧めします。たとえば、湾曲したPDCカッターは、一般にフラットタイプよりも耐衝撃性が優れています。さらに、ボルトやアンカーケーブルへの掘削を避けるために、建設中の穴の合理的なレイアウトを実施する必要があります。

（４）剥離

剥離とは、図 3 に示すように、PDC 複合シート内のダイヤモンド層が超硬合金マトリックスから剥離することを指します。

PDC カッターのダイヤモンド層で層間剥離が発生する主な原因は、ダイヤモンド層と超硬合金マトリックスの間に存在する大きな残留応力と、それらの熱膨張係数の大きな違いです。岩石切削中、ダイヤモンド層と超硬合金マトリックスは、摩擦熱と洗浄液からの冷却によって発生する熱応力により非同期収縮を起こします。その結果生じる衝撃荷重と残留応力により、ダイヤモンド層が超硬合金マトリックスから剥離し、最終的にはドリルビットが破損します。層間剥離を軽減するには、製造中にこれら 2 つのコンポーネント間の残留応力に対処する適切な接合材料と処理技術を選択することが不可欠です。さらに、マトリックスの新しいインターフェイス形状を設計することで、ダイヤモンド層と超硬合金マトリックス間の接合特性を高めることができます。

1.2 ドリル本体の故障は、主に図 4 に示すように、ドリル本体のブレードの破損によって特徴付けられます。

 

ビット本体の刃の破損は、主に本体ビットで発生し、スチール本体ビットではほとんど発生しません。ビット本体の刃が破損する原因は次のとおりです。①ビット本体のクラウンは粉末冶金プロセスによって一度に焼結されているため、ビット本体を外すときにビット本体の刃にぶつかります。通常のスチール本体ビットと比較して、ビット本体ビットは耐摩耗性が高くなっています。しかし、本体材料の靭性はそれに応じて低下し、ビット本体を外すときにビット本体の刃が破損しやすくなります。 ②ビットの焼結プロセスの管理が厳密ではなく、焼結ビット本体が巻き込まれ、金属粉末が合金を形成できません。刃の破損を避けるために、ユーザーはドリルを外すときにシャックルを補助するために歯科用ペンチなどのツールを使用することをお勧めします。刃がぶつからないようにするためです。 第二に、製造業者は焼結体の品質を厳密に管理する必要があります。焼結プロセスを厳密に管理するだけではありません。また、金属粉末がプロセス要件を満たしていることを確認するために、金属粉末を定期的に監視する必要があります。

2. マイニングPDCビットの最適化された設計と合理的な選択

2.1 ドリルビットの最適化設計

（1）ビットの破損形態については、ドリルの設計からその構造を最適化する必要があります。PDCビットの主な設計パラメータには、切断角α、サイド角β、方位角γなどがあります。γは、PDC歯の方向基準線とビットの中心線との間の角度を指します。αは、PDC歯の方向基準線とカッターの作業面との間の角度を指します。図5に示すように。βは、中心点とビットの中心線を通る平面とカッターの作業面との間の角度を指します。図6に示すように。予備調査と包括的なアプリケーション分析によると、PDCカッターの切断角とサイド角は、ビットの寿命と掘削効率に直接影響する可能性があります。異なる掘削層に応じてビットの設計を最適化する必要があります。切断角の設計は、掘削効率に大きく影響します。切断角が小さすぎると、まったくフッテージがなくなることもあります。 PDC の刃先は破損などの現象が発生しやすいため、パラメータ スキームを選択する際には、ランダムな設計ではなく、適度な切削角度とサイド アングルを選択して、ドリルの設計を総合的に考慮する必要があります。

（2）ビットの切削角度を最適化することに加えて、PDCカッターも最適化することが重要です。PDCカッターの品質は、切削性能と寿命を直接決定するため、採掘用PDCビットに大きな影響を与えます。PDCの品質を向上させるための重要な要素は、ダイヤモンド層と超硬合金マトリックスの結合界面における残留応力の除去です。研究によると、平面界面構造を持つPDCカッターの最大応力はこの界面の両側付近に集中しており、ダイヤモンド層の端で引張応力とせん断応力のピークが発生します。引張応力の存在はPDCの異常な破損につながる可能性があり、せん断応力はPDCカッターの層間剥離の主な原因となります。

（３）PDCカッターの残留応力を除去することに加えて、二次処理によりその品質をさらに高めることができます。現在、主な表面処理方法には、ダイヤモンド表面研削、エッジ面取り、形状加工などがあります。PDCカッターの選択は、実際の作業条件に基づいて最適化できます。

2.2 ドリルビットの適切な選択

現在、ほとんどの採掘エリアのダウンホール掘削作業で使用されている PDC ビットは、主に 3 翼コンケーブ デザインを特徴としています。ただし、これらのビットの選択肢は限られており、分類されていないことが多く、さまざまな地層の特定の要件に適切に対応できない画一的なアプローチになっています。これは、複雑な地層条件では特に問題となり、従来のコンケーブ ビットでは満足のいくパフォーマンスを発揮できず、ビットの寿命が短くなり、掘削効率が低下します。このような非効率性は、生産コストを増大させるだけでなく、建設スケジュールに支障をきたし、大きな経済的損失を招く可能性があります。したがって、さまざまな地層条件に合わせて適切なドリル ビットを選択することが重要です。

鉱業用 PDC ビットは、ビット本体の材質によって、スチールタイプとタイヤタイプの 2 種類に大別されます。スチールタイプのビット本体は主に機械加工されており、靭性に優れているため、従来の地層掘削作業に適しています。一方、タイヤタイプのビット本体は粉末冶金プロセスを使用して焼結されており、耐摩耗性に優れているため、硬岩の掘削や長時間の掘削作業に最適です。さらに、ドリルビットは、図 7 に示すように、内部凹面、アークコーナー、フラットボトム、スクレーパーなど、さまざまな構造に分類できます。①凹面ビットの凹面構造設計により、従来の地層構築時の矯正効果が向上します。②アークビットの歯の分散配置により、歯の密度が高くなり、中硬質地層以上での掘削効率が向上します。③フラットボトムビットのリップ形状はほぼフラットで、側面のエッジが鋭利になっているため、スキューイングが容易です。この設計は主に方向性掘削用途に使用されます。 ④スクレーパービットは、通常、より強力な攻撃性を提供する円錐構造を特徴とし、主に軟らかい地層や炭層構造に使用されます。

現在の採掘用 PDC ビットは、さまざまな作業条件と地層条件における PDC ビットの選択基準とともに要約および整理されており、参考として表 1 に示されています。

3. マイニングPDCビットの使用上の注意

ドリルビットを慎重に選択することに加えて、これらのツールを適切に使用することも同様に重要です。炭鉱の建設条件が厳しいため、作業員は PDC ビットの操作ガイドラインを厳密に遵守するのに苦労することが多く、不適切な取り扱いによるビットの故障が頻繁に発生します。掘削効率を高めるために、一部の採掘地域では、作業中にビットの重量を無差別に増やすことがあり、その結果、ビットが早期に故障することがあります。PDC ビットを正しく使用することで、そのパフォーマンスを最適化し、生産コストを削減できます。PDC ビットを使用するときは、次の点に注意してください。

（１）PDCビットと掘削工具の等級関係に注意し、大口径の掘削パイプが小さすぎるドリルパイプと合わさらない様にし、小口径の掘削パイプが大口径のドリルビットと合わさらない様にする。

（２）最適な方法は、巣の建設には専用の穴あけドリルか古くなったドリルビットを使用し、掘削作業では車線側のボルトやアンカーケーブルなどの障害物の近くを避けるようにすることです。

（３）掘削作業においては、掘削孔内の圧力が過剰になることによる事故を防止するために、供給圧力を調節することが重要である。

（4）乾式掘削や加圧空気掘削は行わず、清水掘削技術を使用してください。加圧掘削作業を開始する前に、掘削穴底部での発火事故を防止するため、掘削穴内の適切な水循環を確保してください。

（５）ビットを取り外す際は、PDCカッターを挟んだり叩いたりしないように注意してください。また、ビット本体の刃に当たらないように注意してください。

4. 結論

安全で効率的なグリーンな石炭採掘は、石炭業界が一貫して提唱してきた中心テーマです。石炭鉱山の地下掘削作業にPDCビットを効果的に利用することは、非常に重要です。本稿では、採掘用PDCビットの故障モードを分析し、さまざまな故障形態の背後にある主な原因を明らかにします。さまざまな作業条件と地質構造下でのビットの最適な設計と選択戦略を提案し、使用上の注意事項をまとめることで、採掘用PDCビットの選択と適用を改善するための参考資料を提供します。採掘用PDCビットを慎重に選択し、適切に利用することで、その有効性を最大限に高め、資源の無駄を最小限に抑え、石炭採掘の安全性、効率性、環境に優しい慣行を向上させることができます。