Optimale selectie van PDC-bits voor steenkoolwinning

Boorgatconstructie is een veelgebruikte technische methode voor gasbeheersing, preventie van waterschade en geologische exploratie in kolenmijnen, die een cruciale rol speelt bij het waarborgen van de veiligheid en efficiëntie van kolenproductie. In China worden jaarlijks tientallen miljoenen meters aan boorgaten gemaakt in kolenmijnen. Het bouwproces vereist de ondersteuning van boorapparatuur zoals boren, boorpijpen en boorbits. Onder hen zijn boren essentiële hulpmiddelen voor het direct vormen van gaten en het breken van rotsen.

Het polykristallijne diamantcomposietblad (PDC) wordt veelvuldig gebruikt in boorkoppen voor mijnbouw vanwege de uitzonderlijke slijtvastheid en de uitstekende slagvastheid.PDC-bitsVertonen een langere levensduur van de boor en een hogere penetratie-efficiëntie bij gebruik in middelharde en lagere gesteenteformaties, wat aanzienlijke economische voordelen oplevert bij booroperaties in kolenmijnen. In vergelijking met het boren naar olie, bezit het boren in kolenmijnen de technische eigenschappen van kosteneffectief, tijdsefficiënt en dicht ontworpen te zijn. Bijgevolg zijn de algemene vereisten voor PDC-bits niet buitensporig veeleisend.

De huidige uitdagingen in de mijnbouwPDC-bitsomvatten: ①De instapdrempel voor PDC-bits voor mijnbouw is relatief laag, met een veelheid aan fabrikanten die verschillende kwaliteitsniveaus bieden. ②Het gebruik en de vereisten van ondergronds boren in kolenmijnen vertonen duidelijke verschillen, terwijl de classificatie van PDC-bits voor mijnbouw ingewikkeld en divers is. Bovendien is er een gebrek aan systematische en rationele selectiespecificaties in het daaropvolgende gebruiksproces. ③Met de toenemende prevalentie van complexe harde lagen in kolenmijnen, voldoen conventionele PDC-bits voor mijnbouw niet aan de bouwvereisten voor efficiënt boren op locatie, wat resulteert in gevallen van trage voortgang of zelfs volledig gebrek aan beeldmateriaal. ④Vanwege de uitdagende bouwomstandigheden in de kolenmijn kan het soms moeilijk zijn om de boorprocedures strikt na te leven door bouwpersoneel.

Om de operationele effectiviteit van de mijnbouw te verbeterenPDC-bits, dit artikel biedt een uitgebreide analyse van de primaire faalmodi en onderzoekt de onderliggende oorzaken voor elke vorm van falen. Daarnaast worden praktische aanbevelingen voorgesteld voor de voorzichtige selectie en het aandachtige gebruik van deze bits.

1. Analyse van de vorm en oorzaken van PDC-bitstoringen in de mijnbouw

Momenteel bestaan ​​de componenten van PDC-bits voor mijnbouw voornamelijk uit het bitlichaam, PDC-frezen, gauge-legeringen en andere onderdelen zoals afgebeeld in Afbeelding 1. De PDC-frezen en gauge-legeringen worden op het bitlichaam gesoldeerd om een ​​veilige bevestiging te garanderen. Tijdens normale boorbewerkingen brengt de boorstang koppel en invoerdruk over naar de bodem van het gat, waar deze in de boorkop grijpt. Het gesteentebewerkingsproces wordt uitgevoerd door het gebruik van PDC-frezen op de boorkop. Bovendien beschermen gauge-legeringen tegen overmatige slijtage door de omtrekintegriteit van het bitlichaam te beschermen. Er moet echter worden opgemerkt dat verschillende factoren, zoals complexe krachten die op de frees op de bodem van het gat worden uitgeoefend tijdens het gesteentebewerking met een PDC-bit, veranderingen in de formatie-eigenschappen, de selectie van bouwtechnieken en -apparatuur, operationele bekwaamheid van personeel dat betrokken is bij bouwactiviteiten, samen met kwaliteitscontrolemaatregelen voor bits zelf, een aanzienlijke impact kunnen hebben op de effectiviteit van de toepassing, wat leidt tot verschillende vormen van falen voor deze bits. Door een onderzoek dat is uitgevoerd op boorlocaties in kolenmijnen, hebben we verschillende faalmodi en primaire oorzaken samengevat en geanalyseerd die verband houden metPDC-bits.

1.1 Het falen van de PDC-frees treedt op wanneer de PDC wordt gesinterd onder hoge temperatuur- en hoge drukomstandigheden. Het composietvel bestaat uit twee hoofdcomponenten: een diamantlaag en een carbidematrix, zoals geïllustreerd in Figuur 2.

De belangrijkste faalwijzen van PDC-snijmachines zijn normale slijtage, afbladderen, instorten van het snijblad en delaminatie.

(1) Regelmatige slijtage

Het verschijnsel van normale slijtage is een type schade dat typisch optreedt bij PDC-frezen tijdens het slijpen van gesteente. Het wordt voornamelijk gekenmerkt door aanzienlijk macroscopisch slijpverlies in zowel de diamantlaag als de geharde hardmetaalmatrix van de frezen, zonder zichtbare sporen van scheuren op het slijpoppervlak.

(2) Chip-drop

Het fenomeen van chip drop treedt op wanneer PDC-frezen loskomen van het bitlichaam, wat resulteert in een bitstoring. Het meest opvallende kenmerk is de volledige scheiding van PDC-frezen van het bitlichaam, zonder dat er legeringsresten worden aangetroffen in de put waar het lassen tussen het bitlichaam en PDC-frezen plaatsvindt.

Belangrijkste factoren die bijdragen aan de afname van vallende film:

① De verhoogde temperatuur aan de onderkant van het boorgat leidt tot uitdagingen in de droogboorconstructietechnologie of waterplugvorming tijdens het boorproces, terwijl het ook de tijdige koeling van PDC-frezen op de boor tijdens het roterend snijden van rotsen met hoge snelheid belemmert. Bijgevolg is er een aanzienlijke temperatuurstijging aan de onderkant van het gat, wat de kritische temperatuur van soldeer kan overschrijden en kan resulteren in het smelten van soldeer en daaropvolgende loslating van PDC-frezen.

② De controle van het boorlasproces is niet streng genoeg. Bij de lasprocedure is er sprake van een gebrek aan goede reiniging voorafgaand aan het lassen, foutieve lassen of onvoldoende uitlaatgasbeheer, en een onredelijke warmtebehoudtemperatuur of onvoldoende tijd na het lassen, wat allemaal kan leiden tot losraken van de bit. Naast het eisen van fabrikanten om het productieproces strikt te reguleren (met name het PDC-snijproces) om volledige en solide lassen te garanderen, is het ook noodzakelijk om de boorconstructieprocedure te verduidelijken door te kiezen voor waterboren wanneer dat mogelijk is en droge boorconstructie te vermijden. Voor diepgatboren moet ervoor worden gezorgd dat het water terugkeert voordat staafboren wordt toegevoegd. Bovendien is het elke keer voordat de boor in de bodem van het gat wordt gestoken, essentieel om te controleren of er obstakels zijn om verstopping te voorkomen.

(3) Breuk van het blad

De breuk van de diamantlaag in PDC-frezen is een veelvoorkomende faalwijze voorPDC-bitsEen kenmerkend kenmerk van deze faalmodus is de plaatselijke breuk van de diamantlaag, waarbij in sommige gevallen gelijktijdig een breuk optreedt naast de carbidematrix.

De belangrijkste oorzaken van PDC-bitbreuk:

① De frees die is gekozen op basis van de inherente kenmerken van de PDC-frees vertoont een lage slagvastheid. De gecombineerde sterkte van wolfraamcarbide (WC) en diamantmicropoeder is onvoldoende, waardoor het gevoelig is voor falen onder de spanning van gesteentefragmentatie;

② Factoren gerelateerd aan het bouwproces geven aan dat de bouwdruk op locatie buitensporig hoog is. De druk die door de PDC-frees op de bit wordt uitgeoefend, overschrijdt de druklimiet van de frees aanzienlijk, wat leidt tot afbrokkeling van de diamantlaag en daaropvolgende ineenstorting van de snijkant.

③ Factoren die verband houden met complexe formaties geven aan dat tijdens de constructie van harde, gebroken formaties de impactbelasting op PDC-frezen hun impacttaaiheid overschrijdt, wat kan leiden tot het bezwijken van de snijkant.

④ Het ontwerp van de snijhoek van de bit is ontoereikend, omdat het niet voldoet aan het principe dat een hardere formatie een grotere snijhoek vereist. Bij de constructie van harde formaties kan een kleinere snijhoek resulteren in een overmatige kracht op de PDC-frees, wat uiteindelijk leidt tot het instorten van de snijkant.

⑤ Andere factoren geven aan dat de opstelling van steunbouten en ankerkabels in ondergrondse wegen het zeer gevoelig maakt voor het instorten van de boor bij het tegenkomen van deze elementen. Om te voorkomen dat de boor kapotgaat, is het niet alleen essentieel om strikt de procesparameters te volgen die in de boorinstructiehandleiding staan, maar ook om de boor te ontwerpen en te selecteren op basis van de formatieomstandigheden. Met name bij het boren in harde formaties is het raadzaam om de snijhoek van de boor op de juiste manier te vergroten, de agressiviteit ervan te verminderen en de bescherming van de boor te verbeteren. Bovendien wordt het aanbevolen om PDC-frezen met een hogere slagvastheid te selecteren bij het boren door hard gebroken formaties of het aanpassen van de externe vorm van de diamantlaag van de frees om de slagvastheid te verbeteren; gebogen PDC-frezen vertonen bijvoorbeeld over het algemeen een betere slagvastheid dan platte typen. Bovendien moet er tijdens de constructie een redelijke indeling van gaten worden geïmplementeerd om te voorkomen dat er in bouten en ankerkabels wordt geboord.

(4) Delaminatie

Delaminatie verwijst naar het loskomen van de diamantlaag van de geharde carbidematrix in PDC-composietplaten, zoals geïllustreerd in Figuur 3.

De primaire oorzaak van delaminatie in de diamantlaag van PDC-frezen is de aanzienlijke restspanning die aanwezig is tussen de diamantlaag en de gecementeerde carbidematrix, gekoppeld aan een aanzienlijk verschil in hun thermische uitzettingscoëfficiënten. Tijdens het snijden van gesteente ervaren de diamantlaag en de gecementeerde carbidematrix asynchrone contractie vanwege thermische spanningen die worden gegenereerd door wrijvingswarmte en koeling van wasvloeistoffen. De resulterende impactbelasting en restspanning leiden tot het afbladderen van de diamantlaag van de carbidematrix, wat uiteindelijk resulteert in het falen van de boor. Om delaminatie te beperken, is het essentieel om geschikte verbindingsmaterialen en verwerkingstechnologieën te selecteren die de restspanning tussen deze twee componenten tijdens de productie aanpakken. Bovendien kan het ontwerpen van een nieuwe interfacevorm voor de matrix de verbindingseigenschappen tussen de diamantlaag en de gecementeerde carbidematrix verbeteren.

1.2 Het falen van het boorlichaam wordt voornamelijk gekenmerkt door breuken in het boorblad, zoals geïllustreerd in Figuur 4.

 

De bladbreuk van het bitlichaam treedt meestal op in de bodybit en de stalen bodybit komt zelden voor. De redenen voor de breuk van het blad van het bitlichaam zijn als volgt: ① Het raken van het blad van het bitlichaam bij het losdraaien van het bitlichaam omdat de kroon van het bitlichaam in één keer wordt gesinterd door poedermetallurgieproces. vergeleken met de gewone stalen bodybit. heeft de bitlichaambit een hogere slijtvastheid. maar de taaiheid van het bodymateriaal wordt overeenkomstig verminderd en het is gemakkelijk om het blad van het bitlichaam te breken bij het losdraaien van het bitlichaam; ② De controle van het bitsinterproces is niet strikt. en het gesinterde bitlichaam is meesleur en het metaalpoeder kan geen legering vormen. Om te voorkomen dat het blad breekt. kan de gebruiker beter gereedschappen gebruiken zoals een tandartstang om de beugel te helpen bij het losdraaien van de boor. om te voorkomen dat het blad wordt gestoten; Ten tweede. moeten fabrikanten de kwaliteit van het gesinterde lichaam strikt controleren. niet alleen om het sinterproces strikt te controleren. maar ook om het metaalpoeder van tijd tot tijd te controleren om ervoor te zorgen dat het poeder voldoet aan de procesvereisten.

2. Geoptimaliseerd ontwerp en redelijke selectie van PDC-bit voor mijnbouw

2.1 Optimalisatieontwerp van boor

(1) Voor de faalvorm van de bit is het noodzakelijk om de structuur ervan te optimaliseren vanuit het boorontwerp. De belangrijkste ontwerpparameters van de PDC-bit omvatten snijhoek α. zijhoek β. azimuthoek γ. enz. γ verwijst naar de hoek tussen de oriëntatiereferentielijn van de PDC-tanden en de middellijn van de bit. α verwijst naar de hoek tussen de oriëntatiereferentielijn van de PDC-tand en het werkvlak van de frees. zoals weergegeven in Afbeelding 5. β verwijst naar de hoek tussen het vlak door het middelpunt en de middellijn van de bit en het werkvlak van de frees. zoals weergegeven in Afbeelding 6. Voorlopig onderzoek en uitgebreide toepassingsanalyse tonen aan dat de snijhoek en zijhoek van PDC-frezen direct van invloed kunnen zijn op de levensduur en boorefficiëntie van de bit. en het is noodzakelijk om het ontwerp van de bit te optimaliseren op basis van verschillende boorformaties. Het ontwerp van de snijhoek heeft grote invloed op de boorefficiëntie. of zelfs helemaal geen beeldmateriaal; Als de snijhoek te klein is. is de PDC-snijkant vatbaar voor breuk en andere verschijnselen. Daarom. Bij het selecteren van het parameterschema moet het boorontwerp uitgebreid worden overwogen, waarbij een gematigde snijhoek en zijhoek wordt gekozen in plaats van een willekeurig ontwerp.

(2) Naast het optimaliseren van de snijhoek van de bit, is het essentieel om ook PDC-frezen te optimaliseren. De kwaliteit van PDC-frezen heeft een aanzienlijke invloed op PDC-mijnbits, omdat het direct hun snijprestaties en levensduur bepaalt. Een kritische factor bij het verbeteren van de kwaliteit van PDC is het elimineren van restspanning op de bindingsinterface tussen de diamantlaag en de gecementeerde carbidematrix. Onderzoek geeft aan dat de maximale spanning in PDC-frezen met een vlakke interfacestructuur geconcentreerd is nabij beide zijden van deze interface, met piektrek- en schuifspanningen die optreden aan de rand van de diamantlaag. De aanwezigheid van trekspanning kan leiden tot abnormale breuken in PDC, terwijl schuifspanning de primaire oorzaak is van delaminatie in PDC-frezen.

(3) Naast het elimineren van restspanning in PDC-frezen, kunnen secundaire behandelingen hun kwaliteit verder verbeteren. Momenteel omvatten de primaire oppervlaktebehandelingsmethoden diamantoppervlakteslijpen, randafschuining en gevormde bewerking. De selectie van PDC-frezen kan worden geoptimaliseerd op basis van de werkelijke werkomstandigheden.

2.2 Redelijke selectie van boortjes

Momenteel hebben PDC-bits die worden gebruikt bij booroperaties in de meeste mijnbouwgebieden voornamelijk een concaaf ontwerp met drie vleugels. De selectie van deze bits is echter vaak beperkt en mist classificatie, wat resulteert in een one-size-fits-all-benadering die niet adequaat inspeelt op de specifieke vereisten van verschillende lagen. Dit is met name problematisch onder complexe formatieomstandigheden, waarbij conventionele concave bits moeite hebben om bevredigende prestaties te leveren, wat leidt tot een kortere levensduur van de bit en een verminderde boorefficiëntie. Dergelijke inefficiënties verhogen niet alleen de productiekosten, maar kunnen ook de bouwplanning verstoren en aanzienlijke economische verliezen veroorzaken. Daarom is het essentieel om geschikte boorbits te selecteren die zijn afgestemd op verschillende formatieomstandigheden.

Mijnbouw-PDC-bits kunnen worden gecategoriseerd in twee hoofdtypen op basis van het bitlichaammateriaal: staaltype en bandentype. Bitlichamen van het staaltype worden voornamelijk verwerkt door middel van mechanische methoden, wat zorgt voor een goede taaiheid die ze geschikt maakt voor conventionele formatieboorbewerkingen. Bandentype bitlichamen worden daarentegen gesinterd met behulp van poedermetallurgieprocessen, wat een hoge slijtvastheid biedt die ideaal is voor het boren van hard gesteente of uitgebreide boortaken. Bovendien kunnen boorbits worden geclassificeerd in verschillende structuren, waaronder interne concave, booghoek, vlakke bodem, schraper en andere, zoals geïllustreerd in Afbeelding 7. ①Het concave structuurontwerp van de concave bit verbetert de rechttrekkende effecten tijdens conventionele formatieconstructie; ②De verspreide tandopstelling van de boogbit resulteert in een hogere tanddichtheid en verbeterde boorefficiëntie bij het werken met middelharde lagen en hoger; ③De lipvorm van de vlakke bodembit is bijna vlak, wat de zijkanten scherper maakt om scheeftrekken te vergemakkelijken - dit ontwerp wordt voornamelijk gebruikt voor gerichte boortoepassingen; ④De schraperbit heeft doorgaans een conische structuur die zorgt voor een grotere agressiviteit en wordt voornamelijk gebruikt in zachte lagen of steenkoollaagconstructies.

De huidige PDC-bits voor mijnbouw zijn samengevat en georganiseerd, samen met de selectiecriteria voor PDC-bits onder verschillende werk- en vormingsomstandigheden, zoals weergegeven in Tabel 1 ter referentie.

3. Het gebruik van voorzorgsmaatregelen voor mining-PDC-bits

Naast het zorgvuldig selecteren van boorbits is het net zo belangrijk om deze gereedschappen op de juiste manier te gebruiken. Gezien de uitdagende bouwomstandigheden in kolenmijnen, worstelen werknemers vaak met het strikt naleven van de operationele richtlijnen voor PDC-bits, wat resulteert in frequente gevallen van bitfalen door onjuiste behandeling. In een poging om de boorefficiëntie te verbeteren, kunnen sommige mijngebieden willekeurig het bitgewicht verhogen tijdens de werkzaamheden, wat leidt tot voortijdig bitfalen. Het correct gebruiken van PDC-bits kan hun prestaties optimaliseren en productiekosten verlagen. Er moet aandacht worden besteed aan de volgende overwegingen bij het gebruik van PDC-bits:

(1) Let op de gradatieverhouding tussen de PDC-bit en het boorgereedschap, en zorg ervoor dat een boorbuis met een grote diameter niet past bij een boorbuis met een te kleine diameter, en een boorbuis met een kleine diameter niet past bij een boor met een grote diameter.

(2) De optimale aanpak is om een ​​gespecialiseerde gatenboor of een verouderde boor te gebruiken voor de bouw van het nest, terwijl ervoor gezorgd wordt dat het boorproces de nabijheid van spoorzijbouten, ankerkabels en soortgelijke obstakels vermijdt.

(3) Bij het uitvoeren van booroperaties is het van essentieel belang de toevoerdruk te reguleren om ongelukken te voorkomen die worden veroorzaakt door overmatige druk in het boorgat.

(4) Gebruik de schoonwaterboortechniek en vermijd droog boren of persluchtboren. Zorg voor een goede watercirculatie in het gat voordat u met drukboorwerkzaamheden begint, om mogelijke verbrandingsincidenten aan de basis te voorkomen.

(5) Zorg ervoor dat u bij het verwijderen van de bit de PDC-snijder niet klemt of raakt. Wees bovendien voorzichtig dat u het bodyblad van de bit niet raakt.

4. Conclusie

De veilige en efficiënte groene winning van steenkool is altijd een centraal thema geweest dat door de steenkoolindustrie wordt bepleit. Het effectief gebruiken van PDC-bits voor ondergrondse booroperaties in steenkoolmijnen is van groot belang. Dit artikel analyseert de faalwijzen van PDC-bits voor de winning van steenkool en verduidelijkt de primaire oorzaken achter verschillende faalvormen. Het stelt optimale ontwerp- en selectiestrategieën voor bits voor onder verschillende werkomstandigheden en geologische formaties, terwijl het voorzorgsmaatregelen voor hun gebruik samenvat, en biedt zo een referentie voor verbeterde selectie en toepassing van PDC-bits voor de winning van steenkool. De oordeelkundige selectie en het juiste gebruik van PDC-bits voor de winning van steenkool kunnen hun effectiviteit maximaliseren, verspilling van hulpbronnen minimaliseren en de veiligheid, efficiëntie en milieuvriendelijke praktijken in de steenkoolwinning verbeteren.