Å knekke koden for Hard Rock Drilling: The Game-Changing DTH Technology.

I henhold til de geologiske forholdene i konstruksjonsområdet er det fire hovedboremetoder som vanligvis brukes av borerigger, som vist i figur 1.

en. Pneumatiske eller hydraulisk drevne rotasjonshoder kombinert med slagutstyr overfører rotasjons- og slagenergi gjennom toppen avborerør, leverer energi til borkronen via sjokkbølger i borerøret. Denne metoden er begrenset til små diametre og grunne dybder og brukes vanligvis i steinbrudd, byggeplasser og underjordiske gruveoperasjoner.

b.Down-The-Hole (DTH) hammere er plassert i bunnen av borestrengen. Trykkluft kommer inn i DTH gjennom borestrengen, og driver et stempel i en frem- og tilbakegående bevegelse som direkte påvirker borekronen, og overfører slagenergi til fjellet. Dette systemet har minimalt krafttap og er spesielt egnet for dype hull, rette hull og middels harde steiner.

c.Omvendt sirkulasjonsboring (RC).bruker DTH til å samle inn og transportere steinprøver fra forsiden av borkronen. Tørr og uforurenset borekaks transporteres gjennom senterrøret til DTH inn i en prøveoppsamlingsanordning, for å forberede geologisk analyse.

d. En girkasse drevet av hydrauliske eller elektriske motorer danner et roterende krafthode, som påfører tilstrekkelig matekraft til borkronen med tre kjegler gjennom et matesystem som beveger seg opp og ned på boreriggen og et tykkvegget borerør. Denne metoden brukes til mykere bergarter eller sterkt fugede harde bergarter.

 

1. Prinsipper og kjennetegn ved DTH

Formasjonene som er boret med DTH er nesten utelukkende i stand til å inkludere alle magmatiske bergarter, metamorfe bergarter og sedimentære bergarter som er middels harde eller hardere. DTH er spesielt fordelaktig for boring av hardt berg og tøffe lag fordi hardt berg har en tendens til å være sprøtt. Under støtbelastninger oppstår brudd ikke bare på det direkte støtstedet, men skaper også en brutt sone, noe som resulterer i større steinfragmenter. Dermed er borehastigheten betydelig høyere sammenlignet med ren rotasjonsboring. Den mekaniske modellen i figur 2 illustrerer de ulike belastningene som virker på fjellet under slagrotasjonsboring.

                                                             

I tillegg er DTH (Down-the-Hole)-boring svært effektiv i formasjoner som er utsatt for borehullsavvik, slik som lag med godt utviklet underlag og foliasjon, eller berglag med ujevn hardhet og mange brudd. Det kan redusere borehullsavvik betraktelig og også overvinne vanskeligheter med å bore gjennom gruslag og fjellmasser.

 

DTH-boring ble utviklet på slutten av 1800-tallet og har en historie på over et århundre. Selv om det finnes mange typer DTH-bor, deler de et fellestrekk: både slagmekanismen og borkronen er nedsenket i borehullet, med rotasjon kombinert med slag for å bryte fjellet. Utstyret som brukes til å generere slagkraften kan kategoriseres etter deres kjøremetode i pneumatiske, hydrauliske, oljetrykk, elektriske og mekaniske typer.

 

Siden slagenergi opplever betydelig tap under overføring og kan forårsake betydelig skade på de påvirkede komponentene, er det generelt nødvendig ved dypere boreoperasjoner at utstyret går inn i borehullet med boreverktøyet, slik at utgående slagkraft kan virke direkte på borkronen eller kjerneløpet. Dette minimerer energitap under overføring, forbedrer energieffektiviteten og reduserer sannsynligheten for feil i utstyret nedihulls.

Pneumatisk DTH, også kjent som luftdrevet DTH, kommer i mange strukturelle typer og klassifiseringsmetoder.

- Etter trykkklassifisering: høytrykks-, middels- og lavtrykkstyper.

- Etter overordnet struktur: ikke-gjennomgående og gjennomgående typer.

- Etter ventildriftsprinsipp: kontrollventiltype, friventiltype og hybridventiltype.

- Etter stempelstruktur: stempel med lik diameter, stempel med ulik diameter og tandemstempeltyper.

- Etter luftfordelingstype: ventilert DTH og ventilløs DTH. Ventil DTH kan deles inn i plateventil-, skiveventil- og sylindriske ventiltyper, mens ventilløs DTH kan deles inn i senterstangeksostype, stempelluftfordelingstype og kombinert luftfordeling etter stempel, sylinder og senterstang.

- Ved hullvask og slaggutslippsmetode: midthullsvasking, fronthullsvasking og sidehullsvask.

2. Bestemmelse av strukturelle ordninger for påvirkningsmekanismer

2.1 Stempel selvgasstilførsel, ikke-ventil slagmekanisme

Denne typen slagmekanisme bruker først og fremst gasspassasjene i selve stempelet for gasstilførsel, noe som resulterer i en kompleks stempelstruktur med mange gasskanaler, noe som reduserer stempelets styrke og levetid. Imidlertid integrerer denne slagmekanismen de indre og ytre sylindrene, øker det effektive arbeidsområdet til stempelet og forbedrer slagenergien til mekanismen.

2.2 Stempel og sylinder kombinert gassforsyning, ikke-ventil slagmekanisme

Denne typen har en enkel struktur som er enkel å produsere, har lengre stempellevetid, og gasshullene er plassert på både sylinderen og stempelet. Denne strukturen er mye brukt i utlandet.

2.3 Senterrør gassforsyning ikke-ventil slagmekanisme

I denne mekanismen er luftinntakskanalene for det øvre og nedre kammeret anordnet på det sirkulære røret der stemplet glir. Det krever høy produksjonspresisjon og har relativt kort levetid for senterrøret.

2.4 Sideeksosstøtmekanisme

Den såkalte sideeksosen betyr at avgassbanen går ut av sylinderkroppen i stedet for å passere gjennom midten av borkronen til bunnen av hullet. Denne typen slagmekanisme har typisk mange inntaks- og eksosveier på sylinderkroppen, noe som fører til dårlig strukturell styrke, potensial for langsgående utmattingssprekker og betydelig tap av lufttrykk, noe som resulterer i suboptimal fjerning av rusk og kjøleeffekter for borkronen.

2.5 Sentereksosstøtmekanisme

Denne typen slagmekanisme driver ut rusk og gass direkte fra midten av borkronen til bunnen av hullet. Direkte luftstrøm forbedrer ikke bare effektiviteten til fjerning av rusk, men forbedrer også boreeffektiviteten og kjølingen, og forlenger borkronens levetid. Denne strukturelle typen erstatter de mange langsgående sporene i den indre sylinderen til sideeksosstøtmekanismer med et ringformet spor, noe som reduserer spenningskonsentrasjonen i den indre sylinderen. Det har blitt en mye vedtatt struktur de siste årene.

2.6 Series stempelstøtmekanisme

Seriestempelmekanismen, også kjent som en dual-stempel (hode) slaganordning, deler sylinderen i to kamre ved hjelp av en isolasjonsring. Denne utformingen lar begge stempelflatene arbeide samtidig innenfor samme borediameter, noe som resulterer i større slagkraft og høyere slagfrekvens. Tilsvarende er det et dobbelt eksosanlegg som effektivt fjerner steinpulver fra bunnen av hullet. Dens største ulempe er imidlertid dens komplekse struktur og behovet for høy presisjon i bearbeiding av deler; for eksempel har stempelet opptil fem sammenfallende overflater med tilhørende komponenter, noe som begrenser dets anvendelse og promotering. Derfor tar denne designen i bruk det andre alternativet, som er den ikke-ventil slagmekanismen med stempel og sylinder kombinert gasstilførsel. Strukturen er vist i figur 3.

3. Teoretisk analyse og relevante beregninger for DTH

3.1 Valg av driftsparametre**

3.1.1 Hammerlengde og vekt: Den foreløpige designen spesifiserer en lengde på mindre enn 4500 mm og en vekt på mindre enn 2500 kg.

3.1.2 Hammerdiameter: Den passende hammerdiameteren bestemmes basert på borediameteren, satt til 540 mm.

3.1.3 Borediameter: Dette refererer til diameteren på pelehullet, vanligvis mellom 550 mm og 600 mm.

3.1.4 Boredybde: I henhold til krav til peldesign er dette typisk mellom flere titalls meter og hundre meter.

3.1.5 Borehastighet: DTH-boring opererer generelt ved lave rotasjonshastigheter, typisk mellom 7 og 25 r/s.

3.1.6 Rotasjonsmoment: Maksimalt dreiemoment for denne konstruksjonen er satt til 150 kN·m.

 

3.2 Beregning av designparametere

Designparametrene for DTH, spesielt ytelsesparametrene til DTH-støtutstyret, tjener som grunnlag for maskindesign og definerer ytelsen til det produserte utstyret.

3.2.1 Designtrykk P for støtutstyr

I Kina er et trykk på 0,49 MPa (omtrent 5 × 10^5 Pa) bredt valgt som designstandard for pneumatisk slagutstyr. Gitt at DTH for denne designen er en ikke-ventil slaganordning med stor borediameter og tungt stempel, vil høyere lufttrykk forbedre ytelsen ytterligere. I tillegg er høytrykks luftkompressorer stadig mer vanlig, og i henhold til internasjonal standard ISO 5941-1979 velges et designtrykk på 1,6 MPa.

3.2.2 Slagkraft

For DTH som brukes til å bore hull med stor diameter, kan konstruksjonsstøtenergien svinge betydelig. Slagenergien for denne designen beregnes som følger:

                                                 

3.2.3 Påvirkningsfrekvens

Generelt, under konstant støtenergi, er støtfrekvensen proporsjonal med utgangseffekten til slagenheten. Imidlertid, når sylinderdiameteren er fast, nødvendiggjør økning av slagfrekvensen en reduksjon i stempelslag, som igjen reduserer enkeltslagkraften. Når den ene slagkraften faller under en viss terskel, vil økning av frekvensen ikke gi tilfredsstillende steinbrytende resultater. Dermed er valget av støtfrekvens begrenset av støtkraften.

For pneumatisk DTH som opererer ved et designtrykk på 0,5 MPa, bør frekvensen ikke overstige 16,8 Hz. Siden DTH opererer ved designtrykk mellom 0,5 og 2,5 MPa, kan støtfrekvensen variere betydelig. Det første valget av slaglegemets frekvens kan beregnes som følger:

f = 10,4 + 7,6P

(2) hvor P er systemforsyningstrykket. For dette designet er P = 1,6 MPa, derfor:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Konstruksjonsparameterdesign

De viktigste strukturelle parametrene til DTH inkluderer sylinderboringsdiameter, stempelslag og stempeldimensjoner. Å øke sylinderdiameteren kan øke både slagkraft og frekvens, så diameteren bør maksimeres innenfor grensene for strukturell størrelse. Vanligvis bør forskjellen mellom den ytre diameteren til DTH og borediameteren ikke være mindre enn 15 til 20 mm, og den ytre kappen til DTH bør ikke være for tynn. Derfor er forholdet mellom DTH-sylinderdiameter og borediameter generelt over 0,5.

3.3.1 Arbeidsdiameter for sylinderen og det strukturelle slaget

Arbeidsdiameteren D til sylinderen kan beregnes som følger:

D = K × D(boring) = (0,57 - 0,68) × D(boring) (3)

For dette designet er D(boring) = 600 mm, så D er tatt som 360 mm. Det strukturelle slaget S er empirisk tatt som S = 500 mm.

3.3.2 Stempelmasse

De radielle dimensjonene til stempelet er begrenset av størrelsen og strukturen til sylinderen, noe som tillater stempler med lik eller forskjellig diameter. De lineære dimensjonene avhenger av vekten til stempelet, som også relaterer seg til hastigheten den har når den treffer borkronen. Derfor er å bestemme de strukturelle dimensjonene til stempelet et komplekst aspekt ved DTH-design. Massen til DTH-stemplet kan estimeres som følger:

m = 0,0205D^2,84 (4)

hvor m er stempelmassen i kg; D er sylinderens arbeidsdiameter i cm.

Erstatter D = 36 utbytter: m = 540 kg.

DTH består hovedsakelig av en dreiemomentoverføringsstruktur og en pneumatisk slagmekanisme. Momentoverføringsstrukturen forbinder borestangen og DTH, og overfører rotasjonsskjære- og trekkkrefter; den pneumatiske slagmekanismen genererer slag, og gir aksial kraft til slagborkronen. Spesifikke strukturdetaljer er vist i figur 3.

Momentoverføringsstrukturen forbinder borestangen og slagenheten. Den øvre skjøten kobles sammen med borestangen og slagenheten gjennom rørgjenger, først og fremst for å sikre gasstetthet samtidig som den overfører dreiemoment og trekkkraft. Tilbakeslagsventilen forhindrer at gjørme og vann kommer inn i slagenheten og borestangen, kontrollert av en fjær. Luftinntakssetet med gasstilførselsstangen fungerer for å introdusere komprimert luft inn i sylinderen, noe som letter gasstilførselen sammen med sylinderen og stempelet, og oppnår dermed kombinert gasstilførsel. Fjærsikringsringen hindrer stemplet i å skli ut av sylinderen ved utskifting av borkronen.

3.4 Finite Element-analyse av DTH-borkrone

DTH-boret utsettes for slagkrefter fra stempelet og dreiemoment fra drivhodet. Kraften som utøves på stempelet av trykkluften er gitt av:

F = P × S (5)

hvor P er systemtrykket i Pa; S er kraftarealet til stempelet i m².

Dermed er F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Derfor er slagkraften på borkronen:

F' = kF (6)

hvor k er påvirkningskoeffisienten; F er kraften som utøves på borkronen av trykkluften i N. Dermed er F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Dreiemomentet som påføres DTH-boret av drivhodet er N = 150 kN. Ved å påføre F' = 2688 kN og N = 150 kN på borkronen mens den nedre endeflaten på borkronen festes, og ved bruk av QT500-7-materiale med en flytegrense på 320 MPa, utføres finite element-analyse. De spesifikke belastnings- og begrensningsforholdene og maskeinndelingen er vist i figur 4 og 5.

Resultatene av finite element-analysen er vist i figur 6, som indikerer at maksimal spenning er 144.355 MPa, som er mindre enn flytegrensen til QT500-7 (320 MPa), og oppfyller dermed kravene.