Cieto akmeņu urbšanas koda uzlaušana: DTH tehnoloģija, kas maina spēli.
Saskaņā ar būvniecības apgabala ģeoloģiskajiem apstākļiem ir četras galvenās urbšanas metodes, ko parasti izmanto urbšanas iekārtās, kā parādīts 1. attēlā.
a. Pneimatiskās vai hidrauliskās piedziņas rotējošās galviņas, kas apvienotas ar trieciena aprīkojumu, pārraida rotācijas un trieciena enerģiju caur ierīces augšdaļu.urbšanas caurule, piegādājot enerģiju urbim ar triecienviļņiem urbšanas caurulē. Šī metode ir ierobežota ar nelielu diametru un sekla dziļumu, un to parasti izmanto karjeros, būvlaukumos un pazemes raktuvēs.
b.Down-The-Hole (DTH) āmuri atrodas urbšanas auklas apakšā. Saspiests gaiss ieplūst DTH caur urbšanas virkni, virzot virzuli ar abpusējās kustības kustību, kas tieši iedarbojas uz urbi, pārnesot trieciena enerģiju uz akmeni. Šai sistēmai ir minimāls jaudas zudums, un tā ir īpaši piemērota dziļiem caurumiem, taisniem caurumiem un vidēji cietiem akmeņiem.
c.Reversās cirkulācijas (RC) urbšanaizmanto DTH, lai savāktu un transportētu iežu paraugus no urbja priekšpuses. Sausie un nepiesārņotie spraudeņi caur DTH centrālo cauruli tiek novadīti paraugu savākšanas ierīcē, sagatavojot ģeoloģiskajai analīzei.
d. Pārnesumkārba, ko darbina hidrauliskie vai elektromotori, veido rotējošu jaudas galvu, pieliekot pietiekamu padeves spēku trīs konusu urbim, izmantojot padeves sistēmu, kas pārvietojas uz augšu un uz leju pa urbjmašīnu un biezu sienu urbšanas cauruli. Šo metodi izmanto mīkstākiem iežiem vai stipri savienotiem cietiem iežiem.
- DTH principi un raksturojums
Ar DTH urbtie veidojumi gandrīz pilnībā spēj ietvert visus magmatiskos iežus, metamorfos iežus un nogulumiežus, kas ir vidēji cieti vai cietāki. DTH ir īpaši izdevīga cieto iežu un cieto slāņu urbšanai, jo cietais iezis mēdz būt trausls. Trieciena slodžu ietekmē lūzumi rodas ne tikai tiešā trieciena vietā, bet arī veido šķelto zonu, kā rezultātā veidojas lielāki iežu fragmenti. Tādējādi urbšanas ātrums ir ievērojami lielāks, salīdzinot ar tīru rotācijas urbšanu. Mehāniskais modelis 2. attēlā ilustrē dažādas slodzes, kas iedarbojas uz akmeni trieciena rotācijas urbšanas laikā.
Turklāt DTH (Down-the-Hole) urbšana ir ļoti efektīva veidojumos ar noslieci uz urbuma novirzēm, piemēram, slāņos ar labi attīstītu pamatni un lapotni, vai iežu slāņos ar nevienmērīgu cietību un daudziem lūzumiem. Tas var ievērojami samazināt urbuma novirzi, kā arī pārvarēt grūtības urbt cauri grants slāņiem un laukakmeņu gultnēm.
DTH urbšana tika izstrādāta 19. gadsimta beigās, un tās vēsture ir vairāk nekā gadsimtu. Lai gan ir daudz DTH urbju veidu, tiem ir kopīga iezīme: gan trieciena mehānisms, gan urbis ir iegremdēti urbumā, rotāciju apvienojot ar triecienu, lai salauztu akmeni. Iekārtas, ko izmanto trieciena spēka radīšanai, var iedalīt pneimatiskajos, hidrauliskajos, eļļas spiediena, elektriskās un mehāniskajos veidos.
Tā kā trieciena enerģija pārvades laikā piedzīvo ievērojamus zudumus un var radīt būtiskus bojājumus triecienā esošajām sastāvdaļām, dziļākos urbšanas darbos parasti ir nepieciešams, lai iekārta kopā ar urbjinstrumentu iekļūtu urbumā, lai izejas trieciena spēks varētu iedarboties tieši uz urbja uzgali vai serdes cilindru. Tas samazina enerģijas zudumus pārraides laikā, uzlabo energoefektivitāti un samazina urbuma aprīkojuma kļūmju iespējamību.
Pneimatiskais DTH, kas pazīstams arī kā gaisa vadīts DTH, ir pieejams daudzos strukturālos veidos un klasifikācijas metodēs.
- Pēc spiediena reitinga: augstspiediena, vidēja spiediena un zema spiediena veidi.
- Pēc vispārējās struktūras: necaurlaidīgi un caurejoši veidi.
- Pēc vārsta darbības principa: vadības vārsta tips, brīvā vārsta tips un hibrīda vārsta tips.
- Pēc virzuļa struktūras: vienāda diametra virzuļi, nevienāda diametra virzuļi un tandēma virzuļu veidi.
- Pēc gaisa sadales veida: vārstu DTH un bezvārstu DTH. Vārstu DTH var iedalīt plākšņu vārstu, disku vārstu un cilindrisko vārstu veidos, savukārt bezvārstu DTH var iedalīt centrālā stieņa izplūdes tipa, virzuļa gaisa sadales tipa un kombinētā gaisa sadales ar virzuli, cilindru un centrālo stieni.
- Pēc caurumu mazgāšanas un izdedžu izvadīšanas metodes: centra caurumu mazgāšana, priekšējo caurumu mazgāšana un sānu caurumu mazgāšana.
2. Ietekmes mehānisma strukturālo shēmu noteikšana
2.1. Virzuļa pašgāzes padeves bezvārsta trieciena mehānisms
Šāda veida triecienmehānisms gāzes padevei galvenokārt izmanto pašā virzuļa gāzes kanālus, kā rezultātā tiek iegūta sarežģīta virzuļa struktūra ar daudziem gāzes kanāliem, kas samazina virzuļa izturību un kalpošanas laiku. Tomēr šis trieciena mehānisms integrē iekšējo un ārējo cilindru, palielinot virzuļa efektīvo darba zonu un uzlabojot mehānisma trieciena enerģiju.
2.2. Vizuļa un cilindra kombinētās gāzes padeves bezvārsta trieciena mehānisms
Šim tipam ir vienkārša konstrukcija, kuru ir viegli izgatavot, tam ir ilgāks virzuļa kalpošanas laiks, un gāzes atveres atrodas gan uz cilindra, gan uz virzuļa. Šo struktūru plaši izmanto ārzemēs.
2.3. Centrālās caurules gāzes padeves bezvārsta trieciena mehānisms
Šajā mehānismā gaisa ieplūdes ejas augšējai un apakšējai kamerai ir izvietotas uz apļveida caurules, kur virzulis slīd. Tam nepieciešama augsta ražošanas precizitāte, un centrālās caurules kalpošanas laiks ir salīdzinoši īss.
2.4 Sānu izplūdes trieciena mehānisms
Tā sauktā sānu izplūde nozīmē, ka izplūdes gāzu ceļš iziet no cilindra korpusa, nevis iet caur urbja centru līdz urbuma apakšai. Šāda veida trieciena mehānismam parasti ir daudz ieplūdes un izplūdes ceļu uz cilindra korpusa, kas izraisa vāju konstrukcijas izturību, garenvirziena noguruma plaisu iespējamību un ievērojamu gaisa spiediena zudumu, kā rezultātā urbja uzgalim nav optimāla netīrumu noņemšana un dzesēšana.
2.5. Centra izplūdes trieciena mehānisms
Šāda veida triecienmehānisms izspiež gružus un gāzi tieši no urbja centra uz urbuma apakšu. Tiešā gaisa plūsma ne tikai uzlabo gružu noņemšanas efektivitāti, bet arī uzlabo urbšanas efektivitāti un dzesēšanu, pagarinot urbja kalpošanas laiku. Šis konstrukcijas veids aizvieto neskaitāmās gareniskās rievas sānu izplūdes triecienmehānismu iekšējā cilindrā ar gredzenveida rievu, ievērojami samazinot sprieguma koncentrāciju iekšējā cilindrā. Pēdējos gados tā ir kļuvusi par plaši pieņemtu struktūru.
2.6. sērijas virzuļa trieciena mehānisms
Sērijveida virzuļa trieciena mehānisms, kas pazīstams arī kā divu virzuļu (galvas) triecienelements, sadala cilindru divās kamerās, izmantojot izolācijas gredzenu. Šī konstrukcija ļauj abām virzuļu virsmām darboties vienlaikus vienā un tajā pašā urbuma diametrā, tādējādi nodrošinot lielāku trieciena jaudu un lielāku trieciena biežumu. Attiecīgi ir dubultā izplūdes sistēma, kas efektīvi noņem akmeņu pulveri no urbuma apakšas. Tomēr tā galvenais trūkums ir sarežģītā struktūra un nepieciešamība pēc augstas precizitātes detaļu apstrādē; piemēram, virzulim ir līdz piecām savienojošām virsmām ar saistītajām sastāvdaļām, kas ierobežo tā pielietojumu un veicināšanu. Tāpēc šī konstrukcija izmanto otro iespēju, kas ir bezvārstu trieciena mehānisms ar virzuļa un cilindra kombinētu gāzes padevi. Tās struktūra ir parādīta 3. attēlā.
3. Teorētiskā analīze un attiecīgie aprēķini DTH
3.1. Darbības parametru izvēle**
3.1.1. Āmura garums un svars: sākotnējā projektā norādīts, ka garums ir mazāks par 4500 mm un svars ir mazāks par 2500 kg.
3.1.2. Āmura diametrs: atbilstošo āmura diametru nosaka, pamatojoties uz urbuma diametru, kas iestatīts uz 540 mm.
3.1.3. Urbšanas diametrs: tas attiecas uz pāļa cauruma diametru, parasti no 550 mm līdz 600 mm.
3.1.4. Urbšanas dziļums: saskaņā ar pāļu konstrukcijas prasībām tas parasti ir no vairākiem desmitiem metru līdz simt metriem.
3.1.5. Urbšanas ātrums: DTH urbšana parasti darbojas ar zemu rotācijas ātrumu, parasti no 7 līdz 25 apgr./s.
3.1.6. Rotācijas griezes moments: maksimālais griezes moments šai konstrukcijai ir iestatīts uz 150 kN·m.
3.2. Projektēšanas parametru aprēķins
DTH projektēšanas parametri, jo īpaši DTH triecieniekārtu darbības parametri, kalpo par pamatu mašīnas projektēšanai un nosaka ražotās iekārtas veiktspēju.
3.2.1. Projektētais spiediens P triecieniekārtām
Ķīnā spiediens 0,49 MPa (aptuveni 5 × 10^5 Pa) ir plaši izvēlēts kā pneimatiskā trieciena aprīkojuma konstrukcijas standarts. Ņemot vērā, ka šīs konstrukcijas DTH ir bezvārstu triecienierīce ar lielu urbšanas diametru un smagu virzuli, augstāks gaisa spiediens vēl vairāk uzlabos veiktspēju. Turklāt augstspiediena gaisa kompresori kļūst arvien izplatītāki, un saskaņā ar starptautisko standartu ISO 5941-1979 tiek izvēlēts projektētais spiediens 1,6 MPa.
3.2.2 Trieciena jauda
DTH, ko izmanto liela diametra caurumu urbšanai, projektētā trieciena enerģija var ievērojami svārstīties. Šīs konstrukcijas trieciena enerģiju aprēķina šādi:
3.2.3. Trieciena biežums
Parasti pie pastāvīgas trieciena enerģijas trieciena frekvence ir proporcionāla triecienelementa izejas jaudai. Tomēr, ja cilindra diametrs ir fiksēts, palielinot trieciena biežumu, ir jāsamazina virzuļa gājiens, kas savukārt samazina viena trieciena jaudu. Tiklīdz viena trieciena jauda nokrītas zem noteikta sliekšņa, frekvences palielināšana nedos apmierinošus klinšu laušanas rezultātus. Tādējādi trieciena frekvences izvēli ierobežo trieciena jauda.
Pneimatiskajam DTH, kas darbojas ar projektēto spiedienu 0,5 MPa, frekvence nedrīkst pārsniegt 16,8 Hz. Tā kā DTH darbojas ar projektēto spiedienu no 0,5 līdz 2,5 MPa, trieciena biežums var ievērojami atšķirties. Triecienelementa frekvences sākotnējo izvēli var aprēķināt šādi:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) kur P ir sistēmas padeves spiediens. Šim dizainam P = 1,6 MPa, tāpēc:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3. Strukturālo parametru projektēšana
Galvenie DTH strukturālie parametri ietver cilindra urbuma diametru, virzuļa gājienu un virzuļa izmērus. Cilindra diametra palielināšana var palielināt gan trieciena jaudu, gan biežumu, tāpēc diametram jābūt maksimāli palielinātam konstrukcijas izmēra robežās. Parasti starpība starp DTH ārējo diametru un urbuma diametru nedrīkst būt mazāka par 15 līdz 20 mm, un DTH ārējais apvalks nedrīkst būt pārāk plāns. Tāpēc DTH cilindra diametra attiecība pret urbuma diametru parasti ir lielāka par 0,5.
3.3.1. Cilindra darba diametrs un konstrukcijas gājiens
Cilindra darba diametru D var aprēķināt šādi:
D = K × D (urbums) = (0,57–0,68) × D (urbums) (3)
Šim dizainam D(urbums) = 600 mm, tāpēc D tiek pieņemts kā 360 mm. Strukturālo gājienu S empīriski pieņem kā S = 500 mm.
3.3.2. Virzuļa masa
Virzuļa radiālos izmērus ierobežo cilindra izmērs un struktūra, pieļaujot vienāda vai atšķirīga diametra virzuļus. Lineārie izmēri ir atkarīgi no virzuļa svara, kas attiecas arī uz ātrumu, kāds tam ir, atsitoties pret urbi. Tāpēc virzuļa strukturālo izmēru noteikšana ir sarežģīts DTH dizaina aspekts. DTH virzuļa masu var novērtēt šādi:
m = 0,0205D^2,84 (4)
kur m ir virzuļa masa kg; D ir cilindra darba diametrs cm.
Aizstājot D = 36, iegūst: m = 540 kg.
DTH galvenokārt sastāv no griezes momenta pārvades struktūras un pneimatiskā trieciena mehānisma. Griezes momenta pārvades struktūra savieno urbšanas stieni un DTH, pārraidot rotācijas griešanas un vilkšanas spēkus; pneimatiskais trieciena mehānisms rada triecienu, nodrošinot triecienurbja aksiālo jaudu. Konkrētas struktūras detaļas ir parādītas 3. attēlā.
Griezes momenta pārvades struktūra savieno urbšanas stieni un triecienelementu. Augšējais savienojums savienojas ar urbjstieni un triecienelementu caur caurules vītnēm, galvenokārt, lai nodrošinātu gāzes necaurlaidību, vienlaikus pārraidot griezes momentu un vilkšanas spēku. Pretvārsts novērš dubļu un ūdens iekļūšanu triecienelementā un urbjstieņā, ko kontrolē atspere. Gaisa ieplūdes sēdeklis ar gāzes padeves stieni darbojas, lai cilindrā ievadītu saspiestu gaisu, atvieglojot gāzes padevi kopā ar cilindru un virzuli, tādējādi panākot kombinētu gāzes padevi. Atsperes drošības gredzens neļauj virzulim izslīdēt no cilindra, nomainot urbi.
3.4. DTH urbja galīgo elementu analīze
DTH urbis tiek pakļauts trieciena spēkiem no virzuļa un griezes momenta no piedziņas galvas. Spēku, ko uz virzuli iedarbojas saspiestais gaiss, nosaka:
F = P × S (5)
kur P ir sistēmas spiediens Pa; S ir virzuļa spēka laukums m².
Tādējādi F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Tāpēc trieciena spēks uz urbja uzgali ir:
F' = kF (6)
kur k ir trieciena koeficients; F ir spēks, ko uz urbi iedarbojas saspiestais gaiss N. Tādējādi F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Griezes moments, ko piedziņas galva pieliek DTH urbjam, ir N = 150 kN. Uzliekot urbjam F' = 2688 kN un N = 150 kN, vienlaikus nostiprinot urbja apakšējo gala virsmu, un izmantojot QT500-7 materiālu ar tecēšanas robežu 320 MPa, tiek veikta galīgo elementu analīze. Īpašie slodzes un ierobežošanas nosacījumi un acu dalījums ir parādīti 4. un 5. attēlā.
Galīgo elementu analīzes rezultāti ir parādīti 6. attēlā, norādot, ka maksimālais spriegums ir 144,355 MPa, kas ir mazāks par QT500-7 tecēšanas robežu (320 MPa), tādējādi atbilst prasībām.