Het kraken van de code van het boren naar hard gesteente: de baanbrekende DTH-technologie.
Afhankelijk van de geologische omstandigheden van het bouwgebied worden er vier hoofdboormethoden gebruikt door boortorens, zoals weergegeven in Figuur 1.
a. Pneumatisch of hydraulisch aangedreven roterende koppen gecombineerd met slagapparatuur brengen rotatie- en slagenergie over via de bovenkant van deboorpijp, waarbij energie aan de boor wordt geleverd via schokgolven in de boorbuis. Deze methode is beperkt tot kleine diameters en ondiepe dieptes en wordt over het algemeen gebruikt in steengroeven, bouwplaatsen en ondergrondse mijnbouwactiviteiten.
B.Down-The-Hole (DTH) hamers bevinden zich onderaan de boorstang. Perslucht komt via de boorstang de DTH binnen en drijft een zuiger aan in een heen en weer gaande beweging die direct op de boorkop inwerkt en impactenergie overbrengt op de rots. Dit systeem heeft minimaal vermogensverlies en is met name geschikt voor diepe gaten, rechte gaten en middelharde rotsen.
C.Boren met omgekeerde circulatie (RC)gebruikt DTH om gesteentemonsters van het booroppervlak te verzamelen en te transporteren. Droge en niet-verontreinigde boorgruis wordt door de middelste buis van de DTH naar een monsterverzamelapparaat getransporteerd, ter voorbereiding op geologische analyse.
d. Een tandwielkast die wordt aangestuurd door hydraulische of elektrische motoren vormt een roterende aandrijfkop, die voldoende toevoerkracht op de drie-kegelboor toepast via een toevoersysteem dat op en neer beweegt op de boorinstallatie en een dikwandige boorbuis. Deze methode wordt gebruikt voor zachtere rotsen of sterk verbonden harde rotsen.
- Principes en kenmerken van DTH
De formaties die met DTH worden geboord, kunnen bijna alle stollingsgesteenten, metamorfe gesteenten en sedimentaire gesteenten bevatten die middelhard of harder zijn. DTH is met name voordelig voor het boren van hard gesteente en taaie lagen, omdat hard gesteente de neiging heeft bros te zijn. Bij impactbelastingen ontstaan er niet alleen breuken op de directe impactlocatie, maar creëren ze ook een gebroken zone, wat resulteert in grotere gesteentefragmenten. De boorsnelheid is dus aanzienlijk hoger in vergelijking met puur roterend boren. Het mechanische model in Afbeelding 2 illustreert de verschillende belastingen die op het gesteente inwerken tijdens impactroterend boren.
Daarnaast is DTH (Down-the-Hole) boren zeer effectief in formaties die gevoelig zijn voor boorgatafwijkingen, zoals strata met goed ontwikkelde bedding en foliatie, of rotslagen met ongelijke hardheid en veel breuken. Het kan boorgatafwijkingen aanzienlijk verminderen en ook de moeilijkheden overwinnen bij het boren door grindlagen en rotsblokkenbedden.
DTH-boren werd ontwikkeld in de late 19e eeuw en heeft een geschiedenis van meer dan een eeuw. Hoewel er veel soorten DTH-boren zijn, hebben ze een gemeenschappelijk kenmerk: zowel het slagmechanisme als de boorkop worden ondergedompeld in het boorgat, met rotatie gecombineerd met impact om de rots te breken. De apparatuur die wordt gebruikt om de slagkracht te genereren, kan worden gecategoriseerd op basis van hun aandrijfmethode in pneumatische, hydraulische, oliedruk-, elektrische en mechanische typen.
Omdat impactenergie aanzienlijk verlies ondervindt tijdens de transmissie en aanzienlijke schade kan veroorzaken aan de geraakte componenten, is het over het algemeen vereist bij diepere booroperaties dat de apparatuur het boorgat binnengaat met het boorgereedschap, zodat de output impactkracht direct op de boorkop of kerncilinder kan werken. Dit minimaliseert energieverlies tijdens de transmissie, verbetert de energie-efficiëntie en vermindert de kans op downhole apparatuurstoringen.
Pneumatische DTH, ook wel luchtgedreven DTH genoemd, is verkrijgbaar in vele structuurtypen en classificatiemethoden.
- Op drukklasse: hogedruk-, middendruk- en lagedruktypes.
- Op basis van de algemene structuur: niet-doorgaande en doorgaande typen.
- Op basis van het werkingsprincipe van de klep: regelkleptype, vrijkleptype en hybridekleptype.
- Op basis van de zuigerstructuur: zuigers met gelijke diameter, zuigers met ongelijke diameter en tandemzuigertypen.
- Op type luchtverdeling: klep-DTH en kleploze DTH. Klep-DTH kan worden onderverdeeld in plaatklep-, schijfklep- en cilindrische kleptypen, terwijl kleploze DTH kan worden onderverdeeld in middenstang-uitlaattype, zuigerluchtverdelingstype en gecombineerde luchtverdeling door zuiger, cilinder en middenstang.
- Door middel van het wassen van het gat en de slakafvoermethode: wassen van het middelste gat, wassen van het voorste gat en wassen van het zijgat.
2. Bepaling van impactmechanisme structurele schema's
2.1 Zuiger zelf-gastoevoer niet-klep impactmechanisme
Dit type impactmechanisme gebruikt voornamelijk de gaspassages in de zuiger zelf voor de gastoevoer, wat resulteert in een complexe zuigerstructuur met talrijke gaskanalen, wat de sterkte en levensduur van de zuiger vermindert. Dit impactmechanisme integreert echter de binnen- en buitencilinders, waardoor het effectieve werkgebied van de zuiger wordt vergroot en de impactenergie van het mechanisme wordt verbeterd.
2.2 Zuiger- en cilindergecombineerd gastoevoermechanisme zonder klep
Dit type heeft een eenvoudige structuur die makkelijk te produceren is, een langere levensduur van de zuiger heeft en de gasgaten bevinden zich op zowel de cilinder als de zuiger. Deze structuur wordt in het buitenland veel gebruikt.
2.3 Gastoevoermechanisme zonder klep in het midden
In dit mechanisme zijn de luchtinlaatkanalen voor de bovenste en onderste kamers op de cirkelvormige pijp geplaatst waar de zuiger overheen glijdt. Het vereist een hoge productieprecisie en heeft een relatief korte levensduur voor de middelste pijp.
2.4 Zij-uitlaat-impactmechanisme
De zogenaamde zijuitlaat betekent dat het uitlaatgaspad het cilinderlichaam verlaat in plaats van door het midden van de boor naar de bodem van het gat te gaan. Dit type impactmechanisme heeft doorgaans veel inlaat- en uitlaatpaden op het cilinderlichaam, wat leidt tot slechte structurele sterkte, potentieel voor longitudinale vermoeidheidsscheuren en aanzienlijk verlies van luchtdruk, wat resulteert in suboptimale verwijdering van vuil en koeleffecten voor de boor.
2.5 Midden uitlaat impactmechanisme
Dit type impactmechanisme stoot puin en gas direct uit het midden van de boor naar de bodem van het gat. Directe luchtstroom verbetert niet alleen de efficiëntie van het verwijderen van puin, maar verbetert ook de boorefficiëntie en koeling, waardoor de levensduur van de boor wordt verlengd. Dit structurele type vervangt de talrijke longitudinale groeven in de binnencilinder van zijuitlaat-impactmechanismen door een ringvormige groef, waardoor de spanningsconcentratie in de binnencilinder aanzienlijk wordt verminderd. Het is de afgelopen jaren een veelgebruikte structuur geworden.
2.6 Serie Zuiger Impact Mechanisme
Het seriezuiger-impactmechanisme, ook bekend als een dubbele-zuiger (kop) impactor, verdeelt de cilinder in twee kamers met behulp van een isolatiering. Dit ontwerp zorgt ervoor dat beide zuigervlakken tegelijkertijd binnen dezelfde boringdiameter kunnen werken, wat resulteert in een groter slagvermogen en een hogere slagfrequentie. Overeenkomstig is er een dubbel uitlaatsysteem dat effectief steenpoeder van de bodem van het gat verwijdert. Het grootste nadeel is echter de complexe structuur en de noodzaak van hoge precisie bij het bewerken van onderdelen; de zuiger heeft bijvoorbeeld tot vijf passende oppervlakken met bijbehorende componenten, wat de toepassing en promotie ervan beperkt. Daarom maakt dit ontwerp gebruik van de tweede optie, namelijk het niet-klep-impactmechanisme met gecombineerde gastoevoer van zuiger en cilinder. De structuur ervan wordt weergegeven in Afbeelding 3.
3. Theoretische analyse en relevante berekeningen voor DTH
3.1 Selectie van bedrijfsparameters**
3.1.1 Lengte en gewicht van de hamer: Het voorlopige ontwerp specificeert een lengte van minder dan 4500 mm en een gewicht van minder dan 2500 kg.
3.1.2 Hamerdiameter: De juiste hamerdiameter wordt bepaald op basis van de boordiameter, ingesteld op 540 mm.
3.1.3 Boordiameter: Dit heeft betrekking op de diameter van het paalgat, doorgaans tussen 550 mm en 600 mm.
3.1.4 Boordiepte: Afhankelijk van de ontwerpvereisten van de paal ligt deze doorgaans tussen enkele tientallen meters en honderd meter.
3.1.5 Boorsnelheid: DTH-boren vindt over het algemeen plaats bij lage rotatiesnelheden, meestal tussen 7 en 25 tpm.
3.1.6 Rotatiekoppel: Het maximale koppel voor dit ontwerp is ingesteld op 150 kN·m.
3.2 Berekening van ontwerpparameters
De ontwerpparameters voor DTH, met name de prestatieparameters van de DTH-impactapparatuur, vormen de basis voor het machineontwerp en bepalen de prestaties van de vervaardigde apparatuur.
3.2.1 Ontwerp druk P voor impact apparatuur
In China wordt een druk van 0,49 MPa (ongeveer 5 × 10^5 Pa) veelvuldig gekozen als ontwerpstandaard voor pneumatische impactapparatuur. Aangezien de DTH voor dit ontwerp een non-valve impactapparaat is met een grote boordiameter en zware zuiger, zal een hogere luchtdruk de prestaties verder verbeteren. Bovendien worden hogedrukluchtcompressoren steeds gebruikelijker en wordt in overeenstemming met de internationale norm ISO 5941-1979 een ontwerpdruk van 1,6 MPa gekozen.
3.2.2 Impactkracht
Voor DTH dat wordt gebruikt om gaten met een grote diameter te boren, kan de ontwerpimpactenergie aanzienlijk fluctueren. De impactenergie voor dit ontwerp wordt als volgt berekend:
3.2.3 Impactfrequentie
Over het algemeen is de impactfrequentie bij constante impactenergie evenredig met het uitgangsvermogen van de impactor. Wanneer de cilinderdiameter echter vast is, vereist het verhogen van de impactfrequentie een vermindering van de zuigerslag, wat op zijn beurt het enkele impactvermogen verlaagt. Zodra het enkele impactvermogen onder een bepaalde drempelwaarde zakt, zal het verhogen van de frequentie geen bevredigende resultaten opleveren bij het breken van rotsen. De selectie van impactfrequentie wordt dus beperkt door het impactvermogen.
Voor pneumatische DTH die werkt bij een ontwerpdruk van 0,5 MPa, mag de frequentie niet hoger zijn dan 16,8 Hz. Omdat de DTH werkt bij ontwerpdrukken tussen 0,5 en 2,5 MPa, kan de impactfrequentie aanzienlijk variëren. De initiële selectie van de impactorfrequentie kan als volgt worden berekend:
f = 10,4 + 7,6P
(2) waarbij P de systeemtoevoerdruk is. Voor dit ontwerp is P = 1,6 MPa, dus:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Ontwerp van structurele parameters
De belangrijkste structurele parameters van DTH omvatten cilinderboringdiameter, zuigerslag en zuigerafmetingen. Het vergroten van de cilinderdiameter kan zowel de slagkracht als de frequentie verbeteren, dus de diameter moet worden gemaximaliseerd binnen de grenzen van de structurele grootte. Normaal gesproken mag het verschil tussen de buitendiameter van de DTH en de boringdiameter niet kleiner zijn dan 15 tot 20 mm en mag de buitenmantel van de DTH niet te dun zijn. Daarom is de verhouding van de DTH-cilinderdiameter tot de boordiameter over het algemeen groter dan 0,5.
3.3.1 Werkdiameter van de cilinder en structurele slag
De werkdiameter D van de cilinder kan als volgt worden berekend:
D = K × D(boring) = (0,57 - 0,68) × D(boring) (3)
Voor dit ontwerp is D(boring) = 600 mm, dus D wordt genomen als 360 mm. De structurele slag S wordt empirisch genomen als S = 500 mm.
3.3.2 Zuigermassa
De radiale afmetingen van de zuiger worden beperkt door de grootte en structuur van de cilinder, waardoor zuigers met gelijke of verschillende diameters mogelijk zijn. De lineaire afmetingen zijn afhankelijk van het gewicht van de zuiger, wat ook verband houdt met de snelheid die deze heeft bij het raken van de boor. Daarom is het bepalen van de structurele afmetingen van de zuiger een complex aspect van DTH-ontwerp. De massa van de DTH-zuiger kan als volgt worden geschat:
m = 0,0205D^2,84 (4)
waarbij m de zuigermassa in kg is; D de werkdiameter van de cilinder in cm.
Als we D = 36 invullen, krijgen we: m = 540 kg.
De DTH bestaat voornamelijk uit een koppeltransmissiestructuur en een pneumatisch slagmechanisme. De koppeltransmissiestructuur verbindt de boorstang en de DTH, en brengt roterende snij- en trekkrachten over; het pneumatische slagmechanisme genereert impact, en levert axiale kracht aan de slagboor. Specifieke structuurdetails worden weergegeven in Afbeelding 3.
De koppeltransmissiestructuur verbindt de boorstang en de impactor. De bovenste verbinding verbindt met de boorstang en de impactor via pijpdraden, voornamelijk om gasdichtheid te garanderen en tegelijkertijd koppel en trekkracht over te brengen. De terugslagklep voorkomt dat modder en water de impactor en boorstang binnendringen, aangestuurd door een veer. De luchtinlaatzitting met de gastoevoerstang functioneert om samengeperste lucht in de cilinder te introduceren, waardoor de gastoevoeractie samen met de cilinder en de zuiger wordt vergemakkelijkt, waardoor een gecombineerde gastoevoer wordt bereikt. De veerveiligheidsring voorkomt dat de zuiger uit de cilinder glijdt bij het vervangen van de boor.
3.4 Eindige elementenanalyse van DTH-boor
De DTH-boor wordt onderworpen aan impactkrachten van de zuiger en koppel van de aandrijfkop. De kracht die door de perslucht op de zuiger wordt uitgeoefend, wordt gegeven door:
V = P × S (5)
waarbij P de systeemdruk in Pa is; S het krachtoppervlak van de zuiger in m².
Dus F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
De slagkracht op de boor is dus:
F' = kF (6)
waarbij k de impactcoëfficiënt is; F de kracht die door de perslucht op de boor wordt uitgeoefend in N. Dus F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Het koppel dat door de aandrijfkop op de DTH-boor wordt toegepast, is N = 150 kN. Door F' = 2688 kN en N = 150 kN op de boor toe te passen terwijl het onderste uiteinde van de boor wordt vastgezet, en door QT500-7-materiaal met een vloeigrens van 320 MPa te gebruiken, wordt een eindige-elementenanalyse uitgevoerd. De specifieke belasting- en beperkingsomstandigheden en mesh-verdeling worden weergegeven in figuren 4 en 5.
De resultaten van de eindige-elementenanalyse worden weergegeven in Figuur 6. Hieruit blijkt dat de maximale spanning 144,355 MPa bedraagt, wat lager is dan de vloeigrens van QT500-7 (320 MPa) en dus aan de eisen voldoet.