석탄 채굴을 위한 PDC 비트의 최적 선택

시추공 건설은 석탄 광산에서 가스 제어, 수해 방지 및 지질 탐사에 널리 사용되는 기술 방법으로, 석탄 생산의 안전과 효율성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다. 중국에서는 매년 수천만 미터의 시추공이 석탄 광산에 만들어집니다. 건설 과정에는 드릴, 드릴 파이프, 드릴 비트와 같은 시추 장비의 지원이 필요합니다. 그 중에서도 드릴은 구멍을 직접 형성하고 암석을 깨는 데 필수적인 도구입니다.

다결정 다이아몬드 복합 시트(PDC)는 뛰어난 내마모성과 칭찬할 만한 충격 인성으로 인해 광산 드릴 비트에 광범위하게 사용됩니다.PDC 비트중간 경도와 낮은 암석층에 적용할 경우 장기 드릴링 수명과 높은 관통 효율을 보여 석탄 광산 드릴링 작업에 상당한 경제적 이익을 제공합니다.석유 드릴링과 비교할 때 석탄 광산 드릴링은 비용 효율적이고 시간 효율적이며 밀도 있게 설계된다는 기술적 특성을 가지고 있습니다.결과적으로 PDC 비트에 대한 전반적인 요구 사항은 지나치게 까다롭지 않습니다.

현재 광산에서 직면한 과제PDC 비트포함: ① PDC 비트 채굴의 진입 문턱은 비교적 낮고, 다양한 수준의 품질을 제공하는 제조업체가 많습니다. ② 석탄 광산의 지하 드릴링 용도와 요구 사항은 뚜렷한 차이를 보이는 반면, 채굴 PDC 비트의 분류는 복잡하고 다양합니다. 더욱이, 후속 활용 프로세스에서 체계적이고 합리적인 선택 사양이 부족합니다. ③ 석탄 광산에서 복잡한 단단한 지층이 점점 더 널리 퍼지면서, 기존 채굴 PDC 비트는 효율적인 현장 드릴링을 위한 건설 요구 사항을 충족하지 못해, 진행 속도가 느리거나 심지어 영상이 전혀 없는 경우가 발생합니다. ④ 석탄 광산의 까다로운 건설 조건으로 인해 건설 인력이 드릴링 절차를 엄격히 준수하는 것이 어려울 수 있습니다.

광산의 운영 효율성을 높이기 위해PDC 비트, 이 논문은 주요 고장 모드에 대한 포괄적인 분석을 제공하고 각 고장 형태의 근본 원인을 조사합니다. 또한 이러한 비트의 신중한 선택과 세심한 활용을 위한 실용적인 권장 사항을 제안합니다.

1. 광산에서의 PDC 비트 고장 형태 및 원인 분석

현재, 채굴 PDC 비트의 구성 요소는 주로 그림 1에 나와 있는 비트 본체, PDC 커터, 게이지 합금 및 기타 부품으로 구성됩니다. PDC 커터와 게이지 합금은 비트 본체에 브레이징되어 안전하게 부착됩니다. 정기적인 드릴링 작업 중에 드릴 로드는 토크와 이송 압력을 구멍 바닥으로 전달하여 드릴 비트와 맞물립니다. 암석 절단 공정은 드릴 비트에 PDC 커터를 사용하여 수행됩니다. 또한 게이지 합금은 비트 본체의 원주 방향 무결성을 보호하여 과도한 마모로부터 보호합니다. 그러나 PDC 비트로 암석을 절단하는 동안 구멍 바닥에서 커터에 가해지는 복잡한 힘, 지층 특성의 변화, 건설 기술 및 장비 선택, 건설 활동에 참여하는 인력의 운영 능력과 비트 자체에 대한 품질 관리 조치와 같은 다양한 요인이 이러한 비트의 다양한 형태의 고장으로 이어지는 적용 효과에 상당한 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 석탄 광산 드릴링 현장에서 수행한 조사를 통해 다양한 고장 모드와 관련된 주요 원인을 요약하고 분석했습니다.PDC 비트.

1.1 PDC 커터 고장은 PDC가 고온 및 고압 조건에서 소결될 때 발생합니다. 복합 시트는 그림 2에서 볼 수 있듯이 다이아몬드 층과 카바이드 매트릭스의 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

PDC 커터의 주요 고장 모드에는 정상적 마모, 박리, 블레이드 붕괴 및 박리가 있습니다.

(1) 정기적인 마모 및 파손

정상 마모 현상은 암석 절삭 공정 중 PDC 커터에서 발생하는 전형적인 손상 유형으로, 주로 커터의 다이아몬드 층과 시멘트 카바이드 매트릭스에서 상당한 거시적 연삭 손실이 특징이며 연삭 표면에 균열의 흔적은 나타나지 않습니다.

(2) 칩 드롭

칩 드롭 현상은 PDC 커터가 비트 바디에서 분리되어 비트가 고장날 때 발생합니다. 가장 두드러진 특징은 PDC 커터가 비트 바디에서 완전히 분리되어 비트 바디와 PDC 커터 사이의 용접이 이루어지는 구덩이에서 합금 잔류물이 발견되지 않는다는 것입니다.

떨어지는 필름의 감소에 기여하는 주요 요인:

① 시추공 바닥의 높은 온도는 시추 공정 중 건식 시추 시공 기술이나 워터 플러그 형성에 문제를 일으키고, 고속 회전 암석 절단 중 드릴의 PDC 커터가 적시에 냉각되는 것을 방해합니다. 결과적으로 시추공 바닥의 온도가 상당히 상승하여 솔더의 임계 온도를 초과하여 솔더가 녹고 PDC 커터가 분리될 수 있습니다.

② 드릴 용접 공정의 제어가 충분히 엄격하지 않습니다. 용접 절차에서 용접 전 적절한 세척이 부족하고, 용접이 잘못되었거나 배기 가스 관리가 부적절하며, 용접 후 열 보존 온도가 불합리하거나 시간이 충분하지 않아 비트가 분리될 수 있습니다. 완전하고 견고한 용접을 보장하기 위해 제조업체에 생산 공정(특히 PDC 커터 용접 공정)을 엄격하게 규제하도록 요구하는 것 외에도 가능한 한 물 드릴링을 선택하고 건식 드릴링 구조를 피하여 드릴링 구조 절차를 명확히 하는 것도 필요합니다. 심공 드릴링의 경우 막대 드릴링을 추가하기 전에 물이 돌아오는지 확인해야 합니다. 또한 드릴을 구멍 바닥에 삽입하기 전에 매번 막힘을 방지하기 위해 장애물이 있는지 확인하는 것이 필수적입니다.

(3) 블레이드 파손

PDC 커터의 다이아몬드 층 파손은 널리 퍼진 고장 모드를 나타냅니다.PDC 비트. 이 파손 모드의 특징은 다이아몬드 층의 국부적 파손이며, 어떤 경우에는 카바이드 매트릭스와 함께 동시에 파손되는 결과를 초래합니다.

PDC 비트 파손의 주요 원인:

① PDC 커터의 고유 특성에 따라 선택된 커터는 충격 저항성이 낮습니다. 텅스텐 카바이드(WC)와 다이아몬드 미세 분말의 결합 강도가 부족하여 암석 파편화 응력 하에서 파손되기 쉽습니다.

② 시공 공정과 관련된 요인은 현장 시공 압력이 지나치게 높다는 것을 나타낸다. PDC 커터가 비트에 가하는 압력이 커터의 압력 한계를 크게 초과하여 다이아몬드 층이 박리되고 그에 따라 절삭날이 붕괴된다.

③ 복잡한 지반과 관련된 요인은 단단하고 파괴된 지반을 구성하는 동안 PDC 커터에 가해지는 충격 하중이 충격 인성을 초과하여 절삭날이 붕괴될 수 있음을 나타냅니다.

④ 비트 절삭 각도의 설계가 부적절합니다. 더 단단한 형성은 더 큰 절삭 각도를 필요로 한다는 원칙을 고수하지 않기 때문입니다. 단단한 형성의 구성에서 더 작은 절삭 각도는 PDC 커터에 과도한 힘을 가하여 궁극적으로 절삭 모서리가 붕괴되는 결과를 초래할 수 있습니다.

⑤ 다른 요인들은 지하 도로의 지지 볼트와 앵커 케이블의 배열이 이러한 요소에 부딪혔을 때 드릴 비트가 붕괴될 가능성이 매우 높다는 것을 나타냅니다. 비트 고장을 방지하려면 드릴링 지침 설명서에 설명된 공정 매개변수를 엄격히 준수할 뿐만 아니라 형성 조건에 따라 드릴을 설계하고 선택하는 것이 필수적입니다. 특히, 단단한 형성에 드릴링할 때는 비트의 절삭 각도를 적절히 늘리고, 공격성을 줄이고, 비트에 대한 보호를 강화하는 것이 좋습니다. 또한, 단단한 균열 형성을 드릴링하거나 충격 인성을 개선하기 위해 커터의 다이아몬드 층의 외부 모양을 수정할 때 충격 인성이 더 높은 PDC 커터를 선택하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 곡선 PDC 커터는 일반적으로 평평한 유형보다 충격 저항성이 더 좋습니다. 또한, 볼트와 앵커 케이블에 드릴링하는 것을 피하기 위해 시공 중에 합리적인 구멍 레이아웃을 구현해야 합니다.

(4) 박리현상

박리란 그림 3에서 보는 것과 같이 PDC 복합재 시트의 시멘트 카바이드 매트릭스에서 다이아몬드 층이 분리되는 현상을 말합니다.

PDC 커터의 다이아몬드 층에서 박리의 주요 원인은 다이아몬드 층과 시멘트 카바이드 매트릭스 사이에 존재하는 상당한 잔류 응력과 열 팽창 계수의 상당한 차이입니다. 암석 절단 중에 다이아몬드 층과 시멘트 카바이드 매트릭스는 마찰열과 세척액의 냉각으로 인해 발생하는 열 응력으로 인해 비동기 수축을 겪습니다. 그 결과 충격 하중과 잔류 응력으로 인해 다이아몬드 층이 카바이드 매트릭스에서 벗겨져 궁극적으로 드릴 비트가 고장납니다. 박리를 완화하려면 제조 중에 이 두 구성 요소 사이의 잔류 응력을 해결하는 적절한 접합 재료와 처리 기술을 선택하는 것이 필수적입니다. 또한 매트릭스에 대한 새로운 인터페이스 모양을 설계하면 다이아몬드 층과 시멘트 카바이드 매트릭스 사이의 접합 특성을 향상시킬 수 있습니다.

1.2 드릴 바디 고장은 주로 그림 4에서 볼 수 있듯이 드릴 바디의 블레이드 파손으로 특징지어집니다.

 

비트 본체의 블레이드 파손은 대부분 본체 비트에서 발생하고 강철 본체 비트는 거의 발생하지 않습니다.비트 본체 블레이드가 파손되는 이유는 다음과 같습니다. ① 비트 본체의 크라운이 한 번에 분말 야금 공정으로 소결되기 때문에 비트 본체를 풀 때 비트 본체의 블레이드를 때립니다.일반 강철 본체 비트와 비교했을 때 비트 본체 비트는 내마모성이 더 높습니다.그러나 본체 재료의 인성이 상응하게 감소하고 비트 본체를 풀 때 비트 본체의 블레이드가 부러지기 쉽습니다. ② 비트 소결 공정의 제어가 엄격하지 않습니다.소결된 비트 본체가 유입되어 금속 분말이 합금을 형성하지 못합니다.블레이드가 부러지는 것을 피하기 위해 사용자는 드릴을 풀 때 섀클을 돕기 위해 치과용 플라이어와 같은 도구를 사용하는 것이 좋습니다.그러면 블레이드가 두드리는 것을 피할 수 있습니다.둘째.제조업체는 소결 본체의 품질을 엄격하게 제어해야 합니다.소결 공정을 엄격하게 제어하는 ​​것뿐만 아니라. 하지만 금속 분말이 공정 요건을 충족하는지 확인하기 위해 때때로 금속 분말을 모니터링해야 합니다.

2. 최적화된 설계 및 합리적인 채굴 PDC 비트 선택

2.1 드릴비트의 최적화 설계

(1) 비트의 파손 형태에 대해서는 드릴 설계에서 구조를 최적화할 필요가 있다. PDC 비트의 주요 설계 매개변수에는 절삭 각도 α, 측면 각도 β, 방위각 각도 γ 등이 있다. γ는 PDC 이빨의 방향 기준선과 비트의 중심선 사이의 각도를 말한다. α는 PDC 이빨의 방향 기준선과 커터의 작업 평면 사이의 각도를 말한다. 그림 5와 같다. β는 중심점을 통과하는 평면과 비트의 중심선과 커터의 작업 평면 사이의 각도를 말한다. 그림 6과 같다. 예비 연구와 포괄적인 응용 분석에 따르면 PDC 커터의 절삭 각도와 측면 각도는 비트의 수명과 드릴링 효율성에 직접적인 영향을 미칠 수 있으며, 다양한 드릴링 형성에 따라 비트 설계를 최적화할 필요가 있다. 절삭 각도 설계는 드릴링 효율성에 큰 영향을 미칠 것이다. 또는 전혀 촬영하지 않을 수도 있다. 절삭 각도가 너무 작으면 PDC 절삭 날이 파손 및 기타 현상이 발생하기 쉽다. 따라서. 매개변수 체계를 선택할 때는 무작위 설계보다는 적당한 절삭 각도와 측면 각도를 선택하여 드릴 설계를 종합적으로 고려해야 합니다.

(2) 비트의 절삭 각도를 최적화하는 것 외에도 PDC 커터를 최적화하는 것도 필수적입니다. PDC 커터의 품질은 채굴 PDC 비트에 상당한 영향을 미치는데, 이는 절삭 성능과 수명을 직접 결정하기 때문입니다. PDC의 품질을 향상시키는 데 중요한 요소는 다이아몬드 층과 시멘트 카바이드 매트릭스 사이의 결합 계면에서 잔류 응력을 제거하는 것입니다. 연구에 따르면 평면 계면 구조를 가진 PDC 커터의 최대 응력은 이 계면의 양쪽 근처에 집중되어 있으며, 피크 인장 및 전단 응력은 다이아몬드 층의 가장자리에서 발생합니다. 인장 응력이 있으면 PDC에서 비정상적인 파손이 발생할 수 있는 반면, 전단 응력은 PDC 커터에서 박리의 주요 원인으로 작용합니다.

(3) PDC 커터의 잔류응력을 제거하는 것 외에도 2차 처리를 통해 품질을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 현재 1차 표면 처리 방법으로는 다이아몬드 표면 연삭, 모서리 챔퍼링, 형상 가공이 있습니다. PDC 커터의 선택은 실제 작업 조건에 따라 최적화할 수 있습니다.

2.2 드릴 비트의 합리적인 선택

현재 대부분 광산 지역에서 다운홀 드릴링 작업에 사용되는 PDC 비트는 주로 3날개 오목 디자인을 특징으로 합니다. 그러나 이러한 비트의 선택은 종종 제한적이고 분류가 부족하여 다양한 지층의 특정 요구 사항을 적절히 해결하지 못하는 일률적인 접근 방식이 발생합니다. 이는 복잡한 형성 조건에서 특히 문제가 되는데, 기존의 오목 비트는 만족스러운 성능을 제공하는 데 어려움을 겪어 비트 수명이 단축되고 드릴링 효율성이 저하됩니다. 이러한 비효율성은 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 건설 일정을 방해하고 상당한 경제적 손실을 초래할 수도 있습니다. 따라서 다양한 형성 조건에 맞는 적절한 드릴 비트를 선택하는 것이 필수적입니다.

광산 PDC 비트는 비트 본체 소재에 따라 강철 유형과 타이어 유형의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다. 강철 유형 비트 본체는 주로 기계적 방법을 통해 가공되어 기존 지층 드릴링 작업에 적합한 우수한 인성을 제공합니다. 반면 타이어 유형 비트 본체는 분말 야금 공정을 사용하여 소결되어 단단한 암석 드릴링이나 장기 드릴링 작업에 이상적인 높은 내마모성을 제공합니다. 또한 드릴 비트는 그림 7에 나와 있는 것처럼 내부 오목, 아크 코너, 평평한 바닥, 스크레이퍼 등 다양한 구조로 분류할 수 있습니다. ① 오목 비트의 오목 구조 설계는 기존 지층 건설 중에 교정 효과를 향상시킵니다. ② 아크 비트의 분산된 이빨 배열은 중간 경도 지층 이상에서 작업할 때 더 높은 이빨 밀도와 향상된 드릴링 효율을 제공합니다. ③ 평평한 바닥 비트의 립 모양은 거의 평평하여 측면 모서리를 날카롭게 하여 기울임을 용이하게 합니다. 이 설계는 주로 방향성 드릴링 응용 분야에 사용됩니다. ④스크레이퍼 비트는 일반적으로 원뿔형 구조를 갖추고 있어 공격성이 더욱 뛰어나며 주로 연약한 지층이나 석탄층 구조에 사용됩니다.

현재 채굴 PDC 비트를 요약하고 정리했으며, 다양한 작업 및 형성 조건에서 PDC 비트에 대한 선택 기준을 참고로 표 1에 제시했습니다.

3. 채굴 PDC 비트 사용 시 주의사항

드릴 비트를 신중하게 선택하는 것 외에도 이러한 도구를 올바르게 활용하는 것도 마찬가지로 중요합니다. 석탄 광산의 까다로운 건설 조건을 감안할 때, 작업자는 종종 PDC 비트 작동 지침을 엄격히 준수하는 데 어려움을 겪으며, 부적절한 취급으로 인해 비트가 자주 고장나는 경우가 발생합니다. 드릴링 효율성을 높이기 위해 일부 광산 지역에서는 작업 중에 무차별적으로 비트 무게를 늘려 조기에 비트가 고장날 수 있습니다. PDC 비트를 올바르게 사용하면 성능을 최적화하고 생산 비용을 줄일 수 있습니다. PDC 비트를 사용할 때는 다음 사항을 고려해야 합니다.

(1) PDC비트와 드릴공구의 등급관계에 주의하여 대구경 드릴파이프가 너무 소구경 드릴파이프와 맞지 않도록 하고, 소구경 드릴파이프가 대구경 드릴비트와 맞지 않도록 주의한다.

(2) 최적의 접근 방식은 둥지 건설을 위해 특수 홀 드릴이나 오래된 드릴 비트를 활용하는 것이며, 드릴링 과정에서 차선 측면 볼트, 앵커 케이블 및 이와 유사한 장애물 근처를 피하는 것입니다.

(3) 굴착작업을 실시할 때에는 굴착공 내부의 과도한 압력으로 인한 사고를 예방하기 위하여 공급압력을 조절하는 것이 필수적이다.

(4) 건식 드릴링이나 압력 공기 드릴링을 삼가하고 깨끗한 물 드릴링 기술을 활용하십시오. 압력 드릴링 작업을 시작하기 전에 구멍 내부의 적절한 물 순환을 보장하여 바닥에서 잠재적인 연소 사고를 방지하십시오.

(5) 비트 제거시 PDC커터에 끼거나 부딪히지 않도록 주의하세요. 또한 비트 본체 블레이드를 부딪히지 않도록 주의하세요.

4. 결론

안전하고 효율적인 석탄 녹색 채굴은 석탄 산업에서 지속적으로 옹호하는 중심 주제였습니다. 석탄 광산에서 지하 시추 작업에 PDC 비트를 효과적으로 활용하는 것은 상당한 중요성을 갖습니다. 이 논문은 채굴 PDC 비트의 고장 모드를 분석하여 다양한 고장 형태의 주요 원인을 밝힙니다. 다양한 작업 조건과 지질 구조에서 비트에 대한 최적의 설계 및 선택 전략을 제안하는 동시에 사용 시 예방 조치를 요약하여 채굴 PDC 비트의 선택 및 적용을 개선하기 위한 참고 자료를 제공합니다. 채굴 PDC 비트를 신중하게 선택하고 적절하게 활용하면 효과를 극대화하고 자원 낭비를 최소화하며 석탄 채굴에서 안전성, 효율성 및 환경 친화적 관행을 향상시킬 수 있습니다.