경암 굴착의 암호 해독: 획기적인 DTH 기술
그림 1에서 볼 수 있듯이, 건설 지역의 지질 조건에 따라 일반적으로 시추 장비에서 사용하는 주요 시추 방법은 4가지가 있습니다.
a. 충격 장비와 결합된 공압 또는 유압 구동 회전 헤드는 상단을 통해 회전 및 충격 에너지를 전달합니다.드릴 파이프, 드릴 파이프의 충격파를 통해 드릴 비트에 에너지를 전달합니다. 이 방법은 작은 직경과 얕은 깊이로 제한되며 일반적으로 채석장, 건설 현장 및 지하 채굴 작업에 사용됩니다.
비.다운 더 홀(DTH) 해머 드릴 스트링의 바닥에 위치합니다. 압축 공기는 드릴 스트링을 통해 DTH로 들어가 왕복 운동으로 피스톤을 구동하여 드릴 비트에 직접 충격을 가하고 충격 에너지를 바위로 전달합니다. 이 시스템은 전력 손실이 최소화되며 특히 깊은 구멍, 직선 구멍 및 중간 단단한 바위에 적합합니다.
기음.역순환(RC) 드릴링DTH를 사용하여 드릴 비트 표면에서 암석 샘플을 수집하고 운반합니다. 건조하고 오염되지 않은 절단물은 DTH의 중앙 파이프를 통해 샘플 수집 장치로 운반되어 지질 분석을 준비합니다.
d. 유압 또는 전기 모터로 구동되는 기어박스는 회전하는 파워 헤드를 형성하여 드릴 장비에서 위아래로 움직이는 피드 시스템과 두꺼운 벽의 드릴 파이프를 통해 3개의 콘 드릴 비트에 충분한 피드 힘을 가합니다. 이 방법은 부드러운 암석이나 강하게 절리된 단단한 암석에 사용됩니다.
- DTH의 원리와 특성
DTH로 드릴링한 지층은 거의 모든 화성암, 변성암, 중간-경도 또는 더 단단한 퇴적암을 포함할 수 있습니다. DTH는 단단한 암석과 단단한 지층을 드릴링하는 데 특히 유리한데, 단단한 암석은 취성이 있는 경향이 있기 때문입니다. 충격 하중 하에서 균열은 직접적인 충격 지점에서 발생할 뿐만 아니라 깨진 구역을 만들어 더 큰 암석 파편을 생성합니다. 따라서 드릴링 속도는 순수한 회전 드릴링에 비해 상당히 빠릅니다. 그림 2의 기계적 모델은 충격 회전 드릴링 중에 암석에 작용하는 다양한 하중을 보여줍니다.
또한 DTH(Down-the-Hole) 드릴링은 잘 발달된 층리와 엽리의 지층이나 경도가 고르지 않고 균열이 많은 암석층과 같이 시추공 편향이 발생하기 쉬운 지층에서 매우 효과적입니다. 시추공 편향을 크게 줄일 수 있으며 자갈층과 암석층을 뚫는 데 어려움을 극복할 수도 있습니다.
DTH 드릴링은 19세기 후반에 개발되었으며 1세기 이상의 역사를 가지고 있습니다. DTH 드릴에는 여러 유형이 있지만 공통적인 특징이 있습니다. 충격 메커니즘과 드릴 비트가 모두 시추공에 잠기고 회전과 충격이 결합되어 바위를 깨뜨립니다. 충격력을 생성하는 데 사용되는 장비는 구동 방법에 따라 공압, 유압, 유압, 전기 및 기계 유형으로 분류할 수 있습니다.
충격 에너지는 전달 중에 상당한 손실을 겪고 충격을 받은 구성 요소에 상당한 손상을 일으킬 수 있으므로 일반적으로 더 깊은 드릴링 작업에서는 장비가 드릴 도구와 함께 시추공에 들어가 출력 충격력이 드릴 비트 또는 코어 배럴에 직접 작용할 수 있도록 해야 합니다. 이렇게 하면 전달 중에 에너지 손실이 최소화되고 에너지 효율성이 향상되며 시추공 장비 고장 가능성이 줄어듭니다.
공압 DTH는 공기 구동 DTH라고도 하며 다양한 구조 유형과 분류 방법으로 제공됩니다.
- 압력 등급에 따라 고압, 중압, 저압 유형이 있습니다.
- 전체 구조에 따라: 비관통형과 관통형.
- 밸브 작동 원리에 따라 컨트롤 밸브형, 프리 밸브형, 하이브리드 밸브형이 있습니다.
- 피스톤 구조에 따라 동일 직경 피스톤, 비동일 직경 피스톤, 탠덤 피스톤 유형이 있습니다.
- 공기 분배 유형별: 밸브형 DTH와 밸브리스 DTH. 밸브형 DTH는 플레이트 밸브, 디스크 밸브, 원통형 밸브 유형으로 세분할 수 있고, 밸브리스 DTH는 센터 로드 배기 유형, 피스톤 공기 분배 유형, 피스톤, 실린더, 센터 로드에 의한 복합 공기 분배로 세분할 수 있습니다.
- 구멍세척 및 슬래그 배출방법에 따라 : 중앙구멍세척, 전면구멍세척, 측면구멍세척.
2. 충격 메커니즘 구조 계획의 결정
2.1 피스톤 셀프 가스 공급 비밸브 임팩트 메커니즘
이러한 유형의 충격 메커니즘은 주로 피스톤 자체의 가스 통로를 가스 공급에 사용하여 수많은 가스 채널이 있는 복잡한 피스톤 구조를 만들어 피스톤 강도와 수명을 줄입니다. 그러나 이 충격 메커니즘은 내부 및 외부 실린더를 통합하여 피스톤의 효과적인 작업 영역을 늘리고 메커니즘의 충격 에너지를 향상시킵니다.
2.2 피스톤 및 실린더 결합 가스 공급 비밸브 충격 메커니즘
이 유형은 제조하기 쉬운 간단한 구조, 더 긴 피스톤 수명을 특징으로 하며, 가스 구멍은 실린더와 피스톤 모두에 위치합니다. 이 구조는 해외에서 널리 사용됩니다.
2.3 센터 파이프 가스 공급 비밸브 충격 메커니즘
이 메커니즘에서, 상부 및 하부 챔버의 공기 흡입 통로는 피스톤이 미끄러지는 원형 파이프에 배치됩니다. 높은 제조 정밀도가 필요하고 중앙 파이프의 수명이 비교적 짧습니다.
2.4 측면 배기 충격 메커니즘
소위 측면 배기는 배기 가스 경로가 드릴 비트 중앙을 통과하여 구멍 바닥까지 가는 대신 실린더 본체에서 빠져나간다는 것을 의미합니다. 이러한 유형의 충격 메커니즘은 일반적으로 실린더 본체에 많은 흡입 및 배기 경로가 있어 구조적 강도가 낮고 종방향 피로 균열이 발생할 가능성이 있으며 공기압이 크게 손실되어 드릴 비트에 대한 파편 제거 및 냉각 효과가 최적이 아닙니다.
2.5 센터 배기 충격 메커니즘
이 유형의 충격 메커니즘은 드릴 비트 중앙에서 구멍 바닥으로 직접 파편과 가스를 배출합니다. 직접적인 공기 흐름은 파편 제거 효율을 향상시킬 뿐만 아니라 드릴링 효율과 냉각을 개선하여 드릴 비트의 수명을 연장합니다. 이 구조 유형은 측면 배기 충격 메커니즘의 내부 실린더에 있는 수많은 세로 홈을 환형 홈으로 대체하여 내부 실린더의 응력 집중을 크게 줄입니다. 최근 몇 년 동안 널리 채택된 구조가 되었습니다.
2.6 시리즈 피스톤 임팩트 메커니즘
시리즈 피스톤 임팩트 메커니즘은 듀얼 피스톤(헤드) 임팩터라고도 하며, 격리 링을 사용하여 실린더를 두 개의 챔버로 나눕니다. 이 설계는 두 피스톤 면이 동일한 보어 직경 내에서 동시에 작동할 수 있게 하여 더 큰 임팩트 파워와 더 높은 임팩트 주파수를 제공합니다. 이에 따라 구멍 바닥에서 암석 가루를 효과적으로 제거하는 듀얼 배기 시스템이 있습니다. 그러나 주요 단점은 복잡한 구조와 가공 부품의 높은 정밀도가 필요하다는 것입니다. 예를 들어 피스톤에는 관련 구성 요소가 있는 최대 5개의 결합 표면이 있어 적용 및 홍보가 제한됩니다. 따라서 이 설계는 피스톤과 실린더가 결합된 가스 공급 장치가 있는 비밸브 임팩트 메커니즘인 두 번째 옵션을 채택합니다. 구조는 그림 3에 나와 있습니다.
3. DTH에 대한 이론적 분석 및 관련 계산
3.1 작동 매개변수 선택**
3.1.1 해머 길이 및 무게: 예비 설계에서는 길이를 4500mm 미만, 무게를 2500kg 미만으로 지정합니다.
3.1.2 해머 직경: 적절한 해머 직경은 540mm로 설정된 드릴링 직경을 기준으로 결정됩니다.
3.1.3 굴착 직경: 이는 파일 구멍의 직경을 말하며 일반적으로 550mm~600mm 사이입니다.
3.1.4 굴착 깊이: 파일 설계 요구 사항에 따르면 일반적으로 수십 미터에서 100미터 사이입니다.
3.1.5 드릴 속도: DTH 드릴링은 일반적으로 7~25 r/s 사이의 낮은 회전 속도에서 수행됩니다.
3.1.6 회전 토크: 이 설계의 최대 토크는 150 kN·m로 설정되었습니다.
3.2 설계 매개변수 계산
DTH의 설계 매개변수, 특히 DTH 충격 장비의 성능 매개변수는 기계 설계의 기초가 되며 제조된 장비의 성능을 정의합니다.
3.2.1 충격 장비의 설계 압력 P
중국에서는 0.49MPa(약 5×10^5Pa)의 압력이 공압 충격 장비의 설계 표준으로 널리 선택됩니다. 이 설계의 DTH가 큰 드릴링 직경과 무거운 피스톤을 갖춘 비밸브 충격 장치라는 점을 감안할 때, 더 높은 공기 압력은 성능을 더욱 향상시킵니다. 또한 고압 공기 압축기가 점점 더 보편화되고 있으며, 국제 표준 ISO 5941-1979에 따라 1.6MPa의 설계 압력이 선택됩니다.
3.2.2 충격력
대구경 구멍을 뚫는 데 사용되는 DTH의 경우 설계 충격 에너지는 상당히 변동될 수 있습니다. 이 설계의 충격 에너지는 다음과 같이 계산됩니다.
3.2.3 충격 빈도
일반적으로 일정한 충격 에너지 하에서 충격 주파수는 충격기의 출력 전력에 비례합니다. 그러나 실린더 직경이 고정된 경우 충격 주파수를 높이면 피스톤 스트로크가 감소해야 하며, 이는 단일 충격 전력을 감소시킵니다. 단일 충격 전력이 특정 임계값 아래로 떨어지면 주파수를 높여도 만족스러운 암석 파쇄 결과를 얻을 수 없습니다. 따라서 충격 주파수 선택은 충격 전력에 의해 제한됩니다.
설계 압력 0.5MPa에서 작동하는 공압 DTH의 경우 주파수는 16.8Hz를 초과해서는 안 됩니다. DTH는 설계 압력 0.5~2.5MPa에서 작동하므로 충격 주파수가 상당히 달라질 수 있습니다. 충격기 주파수의 초기 선택은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
f = 10.4 + 7.6P
(2) 여기서 P는 시스템 공급 압력입니다. 이 설계의 경우 P = 1.6MPa이므로 다음과 같습니다.
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5Hz.
3.3 구조 매개변수 설계
DTH의 주요 구조적 매개변수에는 실린더 보어 직경, 피스톤 스트로크, 피스톤 치수가 포함됩니다. 실린더 직경을 늘리면 충격력과 주파수가 모두 향상되므로 구조적 크기의 한계 내에서 직경을 최대화해야 합니다. 일반적으로 DTH의 외경과 보어 직경의 차이는 15~20mm 이상이어야 하며 DTH의 외부 케이싱은 너무 얇아서는 안 됩니다. 따라서 DTH 실린더 직경과 드릴링 직경의 비율은 일반적으로 0.5 이상입니다.
3.3.1 실린더의 작동 직경 및 구조 스트로크
실린더의 작동 직경 D는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
D = K × D(보어) = (0.57 - 0.68) × D(보어) (3)
이 설계의 경우 D(보어) = 600mm이므로 D는 360mm로 간주됩니다. 구조적 스트로크 S는 경험적으로 S = 500mm로 간주됩니다.
3.3.2 피스톤 질량
피스톤의 반경 치수는 실린더의 크기와 구조에 의해 제한되어 동일하거나 다른 직경의 피스톤을 허용합니다. 선형 치수는 피스톤의 무게에 따라 달라지며, 이는 드릴 비트를 타격할 때의 속도와도 관련이 있습니다. 따라서 피스톤의 구조적 치수를 결정하는 것은 DTH 설계의 복잡한 측면입니다. DTH 피스톤의 질량은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.
m = 0.0205D^2.84 (4)
여기서 m은 피스톤의 질량(kg)이고, D는 실린더의 작동 직경(cm)입니다.
D = 36으로 대입하면 m = 540kg이 됩니다.
DTH는 주로 토크 전달 구조와 공압 충격 메커니즘으로 구성됩니다. 토크 전달 구조는 드릴 로드와 DTH를 연결하여 회전 절단 및 인장력을 전달합니다. 공압 충격 메커니즘은 충격을 생성하여 충격 드릴 비트에 축방향 동력을 제공합니다. 구체적인 구조 세부 사항은 그림 3에 나와 있습니다.
토크 전달 구조는 드릴 로드와 임팩터를 연결합니다. 상부 조인트는 파이프 나사산을 통해 드릴 로드와 임팩터와 연결되어 주로 가스 기밀성을 보장하는 동시에 토크와 인장력을 전달합니다. 체크 밸브는 스프링으로 제어되는 임팩터와 드릴 로드에 진흙과 물이 들어가는 것을 방지합니다. 가스 공급 로드가 있는 공기 흡입 시트는 압축 공기를 실린더로 유입하여 실린더와 피스톤과 함께 가스 공급 동작을 용이하게 하여 결합된 가스 공급을 달성합니다. 스프링 안전 링은 드릴 비트를 교체할 때 피스톤이 실린더에서 미끄러지는 것을 방지합니다.
3.4 DTH 드릴 비트의 유한 요소 분석
DTH 드릴 비트는 피스톤의 충격력과 드라이브 헤드의 토크를 받습니다. 압축 공기가 피스톤에 가하는 힘은 다음과 같습니다.
F = P × S (5)
여기서 P는 시스템 압력(Pa)이고, S는 피스톤의 힘 면적(m²)입니다.
따라서 F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400N입니다.
따라서 드릴 비트에 가해지는 충격력은 다음과 같습니다.
F' = kF (6)
여기서 k는 충격 계수이고 F는 압축 공기가 드릴 비트에 가하는 힘(N)입니다. 따라서 F' = 20 × 134400 = 2688 kN입니다.
드라이브 헤드가 DTH 드릴 비트에 가하는 토크는 N = 150 kN입니다. 드릴 비트의 하단 끝면을 고정하는 동안 F' = 2688 kN 및 N = 150 kN을 드릴 비트에 적용하고 항복 강도가 320 MPa인 QT500-7 소재를 사용하여 유한 요소 해석을 수행합니다. 구체적인 하중 및 구속 조건과 메시 분할은 그림 4 및 5에 나와 있습니다.
유한요소해석 결과는 그림 6과 같으며, 최대응력은 144.355MPa로 QT500-7의 항복강도(320MPa)보다 낮아 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다.