Kietųjų uolienų gręžimo kodo nulaužimas: žaidimą keičianti DTH technologija.
Atsižvelgiant į geologines statybos srities sąlygas, yra keturi pagrindiniai gręžimo būdai, dažniausiai naudojami gręžimo įrenginiuose, kaip parodyta 1 paveiksle.
a. Pneumatinės arba hidraulinės pavaros sukamosios galvutės kartu su smūgine įranga perduoda sukimosi ir smūgio energiją per viršutinę dalįgręžimo vamzdis, tiekianti energiją į grąžtą per smūgines bangas gręžimo vamzdyje. Šis metodas taikomas tik mažo skersmens ir mažo gylio ir paprastai naudojamas karjeruose, statybvietėse ir požeminėse kasybos operacijose.
b.„Down-The-Hole“ (DTH) plaktukai yra gręžimo stygos apačioje. Suslėgtas oras patenka į DTH per gręžimo stygą, varydamas stūmoklį slenkančiu judesiu, kuris tiesiogiai atsitrenkia į grąžtą, perduodamas smūgio energiją uolienai. Ši sistema turi minimalius galios nuostolius ir ypač tinka gilioms, tiesioms ir vidutinio kietumo uolienoms.
c.Gręžimas atvirkštine cirkuliacija (RC).naudoja DTH uolienų pavyzdžiams rinkti ir transportuoti nuo grąžto paviršiaus. Sausi ir neužteršti auginiai per centrinį DTH vamzdį nukreipiami į mėginių surinkimo įrenginį, paruošiant geologinei analizei.
d. Pavarų dėžė, varoma hidrauliniais arba elektriniais varikliais, sudaro besisukančią jėgos galvutę, pakankamai tiekiančią trijų kūgių grąžtą per tiekimo sistemą, kuri juda aukštyn ir žemyn gręžimo įrenginiu ir storasieniu gręžimo vamzdžiu. Šis metodas naudojamas minkštesnėms uolienoms arba stipriai sujungtoms kietoms uolienoms.
- DTH principai ir charakteristikos
Dariniai, išgręžti DTH, beveik visiškai gali apimti visas magmines uolienas, metamorfines uolienas ir nuosėdines uolienas, kurios yra vidutinio kietumo arba kietesnės. DTH yra ypač naudingas gręžiant kietas uolienas ir kietus sluoksnius, nes kietos uolienos yra trapios. Esant smūgio apkrovoms, lūžiai ne tik atsiranda tiesioginio smūgio vietoje, bet ir sukuria lūžusią zoną, dėl kurios susidaro didesnės uolienų skeveldros. Taigi, gręžimo greitis yra žymiai didesnis, palyginti su grynu rotaciniu gręžimu. 2 paveiksle pateiktas mechaninis modelis iliustruoja įvairias apkrovas, veikiančias uolieną atliekant smūginį sukamąjį gręžimą.
Be to, DTH (Down-the-Hole) gręžimas yra labai efektyvus formacijose, linkusiose į gręžinių nukrypimus, pavyzdžiui, sluoksniuose su gerai išvystyta paklote ir lapija arba uolienų sluoksniuose, kurių kietumas yra netolygus ir daug įtrūkimų. Tai gali žymiai sumažinti gręžinio nuokrypį ir taip pat įveikti sunkumus gręžiant žvyro sluoksnius ir riedulius.
DTH gręžimas buvo sukurtas XIX amžiaus pabaigoje ir turi daugiau nei šimtmečio istoriją. Nors yra daug DTH grąžtų tipų, jie turi bendrą bruožą: ir smūgio mechanizmas, ir grąžtas yra panardinami į gręžinį, o sukimas kartu su smūgiu sulaužo uolą. Smūgio jėgai generuoti naudojama įranga pagal vairavimo būdą gali būti suskirstyta į pneumatinę, hidraulinę, alyvos slėgio, elektrinę ir mechaninę.
Kadangi perdavimo metu smūgio energija patiria didelių nuostolių ir gali padaryti didelę žalą smūginėms sudedamosioms dalims, atliekant gilesnius gręžimo darbus, paprastai reikalaujama, kad įranga su gręžimo įrankiu patektų į gręžinį, kad išėjimo smūgio jėga galėtų veikti tiesiogiai grąžtą arba šerdies cilindrą. Tai sumažina energijos nuostolius perdavimo metu, pagerina energijos vartojimo efektyvumą ir sumažina gręžinių įrangos gedimų tikimybę.
Pneumatinis DTH, taip pat žinomas kaip oru valdomas DTH, yra įvairių struktūrinių tipų ir klasifikavimo metodų.
- Pagal slėgio reitingą: aukšto slėgio, vidutinio slėgio ir žemo slėgio tipai.
- Pagal bendrą struktūrą: neperteklinės ir nepertraukiamos rūšys.
- Pagal vožtuvo veikimo principą: valdymo vožtuvo tipas, laisvasis vožtuvo tipas ir hibridinis vožtuvo tipas.
- Pagal stūmoklio struktūrą: vienodo skersmens stūmokliai, nevienodo skersmens stūmokliai ir tandeminiai stūmoklių tipai.
- Pagal oro paskirstymo tipą: vožtuvinis DTH ir be vožtuvų DTH. Vožtuvinis DTH gali būti suskirstytas į plokštelinius vožtuvus, diskinius vožtuvus ir cilindrinius vožtuvus, o be vožtuvų DTH galima suskirstyti į centrinio strypo išmetimo tipą, stūmoklinio oro paskirstymo tipą ir kombinuotą oro paskirstymą pagal stūmoklį, cilindrą ir centrinį strypą.
- Pagal skylių plovimo ir šlako išleidimo metodą: centrinės skylės plovimas, priekinių angų plovimas ir šoninių angų plovimas.
2. Poveikio mechanizmo struktūrinių schemų nustatymas
2.1 Stūmoklio savaiminio dujų tiekimo ne vožtuvo smūgio mechanizmas
Šio tipo smūginiai mechanizmai dujoms tiekti pirmiausia naudoja pačiame stūmoklyje esančius dujų kanalus, todėl susidaro sudėtinga stūmoklio struktūra su daugybe dujų kanalų, o tai sumažina stūmoklio stiprumą ir tarnavimo laiką. Tačiau šis smūgio mechanizmas sujungia vidinį ir išorinį cilindrus, padidindamas efektyvią stūmoklio darbo sritį ir padidindamas mechanizmo smūgio energiją.
2.2 stūmoklio ir cilindro kombinuoto dujų tiekimo ne vožtuvo smūgio mechanizmas
Šis tipas pasižymi paprasta konstrukcija, kurią lengva gaminti, ilgesnis stūmoklio tarnavimo laikas, o dujų angos yra tiek ant cilindro, tiek ant stūmoklio. Ši struktūra plačiai naudojama užsienyje.
2.3 Centrinio vamzdžio dujų tiekimo ne vožtuvo smūgio mechanizmas
Šiame mechanizme viršutinės ir apatinės kamerų oro įleidimo angos yra išdėstytos ant apskrito vamzdžio, kuriame slysta stūmoklis. Jis reikalauja didelio gamybos tikslumo, o centrinio vamzdžio tarnavimo laikas yra palyginti trumpas.
2.4 Šoninio išmetimo smūgio mechanizmas
Vadinamasis šoninis išmetimas reiškia, kad išmetamųjų dujų kelias išeina iš cilindro korpuso, o ne eina per grąžto centrą į skylės apačią. Šio tipo smūginiai mechanizmai paprastai turi daug įsiurbimo ir išmetimo takų ant cilindro korpuso, dėl ko prastas konstrukcijos stiprumas, gali atsirasti išilginių nuovargio įtrūkimų ir didelis oro slėgio praradimas, dėl to neoptimalus grąžto pašalinimas ir aušinimo poveikis.
2.5 Centrinis išmetimo smūgio mechanizmas
Šio tipo smūgio mechanizmas pašalina šiukšles ir dujas tiesiai iš grąžto centro į skylės apačią. Tiesioginis oro srautas ne tik padidina šiukšlių šalinimo efektyvumą, bet ir pagerina gręžimo efektyvumą bei aušinimą, prailgindamas grąžto tarnavimo laiką. Šis konstrukcijos tipas pakeičia daugybę išilginių griovelių šoninių išmetamųjų dujų smūgio mechanizmų vidiniame cilindre žiediniu grioveliu, labai sumažindamas įtempių koncentraciją vidiniame cilindre. Pastaraisiais metais ji tapo plačiai priimta struktūra.
2.6 serijos stūmoklio smūgio mechanizmas
Serijinis stūmoklio smūgio mechanizmas, dar žinomas kaip dviejų stūmoklių (galvos) smūgiuotuvas, padalija cilindrą į dvi kameras, naudodamas izoliacinį žiedą. Dėl šios konstrukcijos abu stūmoklių paviršiai vienu metu gali dirbti tame pačiame kiaurymės skersmenyje, todėl yra didesnė smūgio galia ir didesnis smūgio dažnis. Atitinkamai yra dviguba išmetimo sistema, kuri efektyviai pašalina akmens miltelius iš skylės dugno. Tačiau pagrindinis jo trūkumas yra sudėtinga struktūra ir didelio tikslumo poreikis apdirbti dalis; Pavyzdžiui, stūmoklis turi iki penkių jungiamųjų paviršių su susijusiais komponentais, o tai riboja jo pritaikymą ir skatinimą. Todėl šioje konstrukcijoje naudojamas antrasis variantas, tai yra ne vožtuvo smūgio mechanizmas su stūmoklio ir cilindro kombinuotu dujų tiekimu. Jo struktūra parodyta 3 paveiksle.
3. DTH teorinė analizė ir atitinkami skaičiavimai
3.1 Veikimo parametrų pasirinkimas**
3.1.1 Plaktuko ilgis ir svoris: preliminarioje konstrukcijoje nurodytas mažesnis nei 4500 mm ilgis ir mažesnis nei 2500 kg svoris.
3.1.2 Plaktuko skersmuo: tinkamas plaktuko skersmuo nustatomas pagal gręžimo skersmenį, nustatytą 540 mm.
3.1.3 Gręžimo skersmuo: tai reiškia polių skylės skersmenį, paprastai nuo 550 mm iki 600 mm.
3.1.4 Gręžimo gylis: pagal polių projektavimo reikalavimus jis paprastai yra nuo kelių dešimčių metrų iki šimto metrų.
3.1.5 Gręžimo greitis: DTH gręžimas paprastai veikia mažu sukimosi greičiu, paprastai nuo 7 iki 25 r/s.
3.1.6 Sukimo momentas: didžiausias šios konstrukcijos sukimo momentas yra 150 kN·m.
3.2 Projektavimo parametrų apskaičiavimas
DTH projektiniai parametrai, ypač DTH smūginės įrangos veikimo parametrai, yra mašinos projektavimo pagrindas ir apibrėžia gaminamos įrangos našumą.
3.2.1 Smūginės įrangos projektinis slėgis P
Kinijoje 0,49 MPa (maždaug 5 × 10^5 Pa) slėgis plačiai pasirenkamas kaip pneumatinio smūgio įrangos projektavimo standartas. Atsižvelgiant į tai, kad šios konstrukcijos DTH yra nevožtuvinis smūginis įtaisas su dideliu gręžimo skersmeniu ir sunkiu stūmokliu, didesnis oro slėgis dar labiau pagerins veikimą. Be to, vis labiau paplitę aukšto slėgio oro kompresoriai, o pagal tarptautinį standartą ISO 5941-1979 pasirenkamas 1,6 MPa projektinis slėgis.
3.2.2 Smūgio galia
DTH, naudojamo didelio skersmens skylėms gręžti, projektinė smūgio energija gali labai svyruoti. Šios konstrukcijos smūgio energija apskaičiuojama taip:
3.2.3 Poveikio dažnis
Paprastai, esant pastoviai smūgio energijai, smūgio dažnis yra proporcingas smogtuvo išėjimo galiai. Tačiau, kai cilindro skersmuo yra fiksuotas, padidinus smūgio dažnį, reikia sumažinti stūmoklio eigą, o tai savo ruožtu sumažina vieno smūgio galią. Vieno smūgio galiai nukritus žemiau tam tikros ribos, dažnio didinimas neduos patenkinamų uolienų ardymo rezultatų. Taigi smūgio dažnio pasirinkimą riboja smūgio galia.
Pneumatinio DTH, veikiančio esant 0,5 MPa projektiniam slėgiui, dažnis neturi viršyti 16,8 Hz. Kadangi DTH veikia esant projektiniam slėgiui nuo 0,5 iki 2,5 MPa, smūgio dažnis gali labai skirtis. Pradinį smogtuvo dažnio pasirinkimą galima apskaičiuoti taip:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) čia P yra sistemos tiekimo slėgis. Šios konstrukcijos P = 1,6 MPa, todėl:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Struktūrinių parametrų projektavimas
Pagrindiniai DTH konstrukciniai parametrai yra cilindro angos skersmuo, stūmoklio eiga ir stūmoklio matmenys. Padidinus cilindro skersmenį, gali padidėti smūgio galia ir dažnis, todėl skersmuo turėtų būti maksimalus neperžengiant konstrukcijos dydžio ribų. Paprastai skirtumas tarp DTH išorinio skersmens ir angos skersmens turi būti ne mažesnis kaip 15–20 mm, o išorinis DTH korpusas neturi būti per plonas. Todėl DTH cilindro skersmens ir gręžimo skersmens santykis paprastai yra didesnis nei 0,5.
3.3.1 Darbinis cilindro skersmuo ir konstrukcijos eiga
Darbinį cilindro skersmenį D galima apskaičiuoti taip:
D = K × D (angą) = (0,57–0,68) × D (angą) (3)
Šioje konstrukcijoje D(skyla) = 600 mm, taigi D laikomas 360 mm. Struktūrinis eiga S empiriškai laikoma S = 500 mm.
3.3.2 Stūmoklio masė
Radialinius stūmoklio matmenis riboja cilindro dydis ir struktūra, todėl galima naudoti vienodo arba skirtingo skersmens stūmoklius. Linijiniai matmenys priklauso nuo stūmoklio svorio, kuris taip pat yra susijęs su greičiu, kurį jis turi atsitrenkiant į grąžtą. Todėl stūmoklio konstrukcinių matmenų nustatymas yra sudėtingas DTH projektavimo aspektas. DTH stūmoklio masę galima apskaičiuoti taip:
m = 0,0205D^2,84 (4)
čia m yra stūmoklio masė kg; D yra darbinis cilindro skersmuo cm.
Pakeičiant D = 36 išeiga: m = 540 kg.
DTH daugiausia susideda iš sukimo momento perdavimo struktūros ir pneumatinio smūgio mechanizmo. Sukimo momento perdavimo konstrukcija jungia gręžimo strypą ir DTH, perduodama sukimosi pjovimo ir traukimo jėgas; pneumatinis smūgio mechanizmas sukuria smūgį, suteikdamas ašinę galią smūginiam grąžtui. Konkrečios struktūros detalės parodytos 3 paveiksle.
Sukimo momento perdavimo konstrukcija jungia gręžimo strypą ir smogtuvą. Viršutinė jungtis jungiasi su gręžimo strypu ir smūgiuotuvu per vamzdžio sriegius, visų pirma siekiant užtikrinti dujų sandarumą, kartu perduodant sukimo momentą ir traukimo jėgą. Atbulinis vožtuvas neleidžia purvui ir vandeniui patekti į smogtuvą ir gręžimo strypą, valdomą spyruokle. Oro įsiurbimo lizdas su dujų tiekimo strypu padeda į cilindrą tiekti suslėgtą orą, palengvindama dujų tiekimą kartu su cilindru ir stūmokliu, taip užtikrinant kombinuotą dujų tiekimą. Spyruoklinis apsauginis žiedas neleidžia stūmokliui išslysti iš cilindro keičiant grąžtą.
3.4 DTH grąžto baigtinių elementų analizė
DTH grąžtą veikia stūmoklio smūgio jėgos ir pavaros galvutės sukimo momentas. Suspausto oro stūmoklį veikianti jėga apskaičiuojama taip:
F = P × S (5)
čia P yra sistemos slėgis Pa; S yra stūmoklio jėgos plotas m².
Taigi, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Todėl grąžto smūgio jėga yra tokia:
F' = kF (6)
čia k – smūgio koeficientas; F yra jėga, kurią grąžtą veikia suspaustas oras N. Taigi, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Sukimo momentas, kurį DTH grąžtą veikia pavaros galvutė, yra N = 150 kN. Grąžtui pritaikant F' = 2688 kN ir N = 150 kN fiksuojant apatinį grąžto galinį paviršių ir naudojant QT500-7 medžiagą, kurios takumo riba 320 MPa, atliekama baigtinių elementų analizė. Konkrečios apkrovos ir suvaržymo sąlygos bei akių padalijimas parodyti 4 ir 5 paveiksluose.
Baigtinių elementų analizės rezultatai pateikti 6 paveiksle, nurodant, kad didžiausias įtempis yra 144,355 MPa, o tai yra mažesnė už QT500-7 takumo ribą (320 MPa), taigi atitinka keliamus reikalavimus.