Optymalny wybór wierteł PDC do wydobycia węgla
Budowa otworów wiertniczych jest szeroko stosowaną metodą techniczną do kontroli gazu, zapobiegania szkodom wyrządzanym przez wodę i eksploracji geologicznej w kopalniach węgla, która odgrywa kluczową rolę w zapewnianiu bezpieczeństwa i wydajności produkcji węgla. W Chinach co roku w kopalniach węgla wykonuje się dziesiątki milionów metrów otworów wiertniczych. Proces budowy wymaga wsparcia sprzętu wiertniczego, takiego jak wiertła, rury wiertnicze i wiertła. Wśród nich wiertła są niezbędnymi narzędziami do bezpośredniego formowania otworów i rozbijania skał.
Płyta kompozytowa z polikrystalicznego diamentu (PDC) jest szeroko stosowana w wiertłach górniczych ze względu na wyjątkową odporność na zużycie i godną pochwały wytrzymałość na uderzenia.Bity PDCcharakteryzują się wydłużoną żywotnością wiercenia i zwiększoną wydajnością penetracji przy stosowaniu w średniotwardych i twardszych formacjach skalnych, przynosząc tym samym znaczne korzyści ekonomiczne w operacjach wiercenia w kopalniach węgla. W porównaniu z wierceniem w kopalniach ropy naftowej, wiercenie w kopalniach węgla charakteryzuje się takimi cechami technicznymi, jak opłacalność, oszczędność czasu i gęsta konstrukcja. W związku z tym ogólne wymagania dotyczące wierteł PDC nie są nadmiernie rygorystyczne.
Obecne wyzwania w górnictwieBity PDCobejmują: ①Próg wejścia dla górniczych bitów PDC jest stosunkowo niski, a wielu producentów oferuje różne poziomy jakości. ②Zastosowania i wymagania dotyczące podziemnego wiercenia w kopalniach węgla wykazują wyraźne rozbieżności, podczas gdy klasyfikacja górniczych bitów PDC jest skomplikowana i różnorodna. Ponadto brakuje systematycznych i racjonalnych specyfikacji wyboru w późniejszym procesie wykorzystania. ③Wraz ze wzrastającą powszechnością złożonych, twardych warstw w kopalniach węgla, konwencjonalne górnicze bity PDC nie spełniają wymagań konstrukcyjnych dotyczących wydajnego wiercenia na miejscu, co skutkuje przypadkami powolnego postępu lub nawet całkowitego braku materiału. ④Ze względu na trudne warunki budowlane w kopalni węgla, ścisłe przestrzeganie procedur wiercenia przez personel budowlany może być czasami trudne.
W celu zwiększenia efektywności operacyjnej górnictwaBity PDC, w tym dokumencie przedstawiono kompleksową analizę głównych trybów awarii i zbadano przyczyny leżące u podstaw każdej formy awarii. Ponadto zaproponowano praktyczne zalecenia dotyczące ostrożnego wyboru i uważnego wykorzystania tych bitów.
1. Analiza formy i przyczyn awarii bitu PDC w górnictwie
Obecnie komponenty wierteł górniczych PDC składają się głównie z korpusu wiertła, frezów PDC, stopów kalibracyjnych i innych części przedstawionych na rysunku 1. Frezy PDC i stopy kalibracyjne są lutowane na korpusie wiertła, aby zapewnić ich bezpieczne mocowanie. Podczas regularnych operacji wiercenia żerdź wiertnicza przenosi moment obrotowy i ciśnienie posuwu na dno otworu, gdzie łączy się z wiertłem. Proces cięcia skał odbywa się poprzez wykorzystanie frezów PDC na wiertle. Ponadto stopy kalibracyjne zabezpieczają przed nadmiernym zużyciem, chroniąc obwodową integralność korpusu wiertła. Należy jednak zauważyć, że różne czynniki, takie jak złożone siły wywierane na frez na dnie otworu podczas cięcia skał za pomocą wiertła PDC, zmiany w charakterystyce formacji, wybór technik budowlanych i sprzętu, biegłość operacyjna personelu zaangażowanego w prace budowlane wraz ze środkami kontroli jakości samych wierteł mogą znacząco wpływać na skuteczność zastosowania, prowadząc do różnych form awarii tych wierteł. Poprzez badanie przeprowadzone w miejscach wierceń w kopalniach węgla podsumowaliśmy i przeanalizowaliśmy różne tryby awarii i główne przyczyny związane zBity PDC.
1.1 Awaria frezu PDC występuje, gdy PDC jest spiekany w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia. Arkusz kompozytowy składa się z dwóch głównych komponentów: warstwy diamentowej i matrycy węglikowej, jak pokazano na rysunku 2.
Do najczęstszych przyczyn awarii przecinaków PDC zalicza się normalne zużycie, łuszczenie, zapadanie się ostrza i rozwarstwianie.
(1) Normalne zużycie
Zjawisko normalnego zużycia jest typowym rodzajem uszkodzeń, które występują w frezach PDC podczas procesu cięcia skał i charakteryzują się przede wszystkim znacznym makroskopowym ubytkiem szlifierskim zarówno w warstwie diamentowej, jak i w matrycy węglikowej frezów, bez widocznych śladów pęknięć na powierzchni szlifującej.
(2) Upuszczenie żetonu
Zjawisko wypadania wiórów występuje, gdy frezy PDC odłączają się od korpusu wiertła, co powoduje uszkodzenie wiertła. Najbardziej widoczną cechą jest całkowite oddzielenie frezów PDC od korpusu wiertła, bez pozostałości stopu w otworze, w którym następuje spawanie między korpusem wiertła a frezami PDC.
Główne czynniki wpływające na spadek opadania filmu:
① Podwyższona temperatura na dnie otworu wiertniczego stwarza problemy w technologii wiercenia na sucho lub tworzeniu się korków wodnych podczas procesu wiercenia, a także utrudnia terminowe chłodzenie frezów PDC na wiertarce podczas szybkiego obrotowego cięcia skał. W rezultacie następuje znaczny wzrost temperatury na dnie otworu, który może przekroczyć krytyczną temperaturę lutu i spowodować stopienie lutu i późniejsze oderwanie się frezów PDC.
② Kontrola procesu spawania wiertłem nie jest wystarczająco rygorystyczna. W procedurze spawania występuje brak odpowiedniego czyszczenia przed spawaniem, wadliwe spoiny lub nieodpowiednie zarządzanie gazami wydechowymi oraz nieuzasadniona temperatura utrzymania ciepła lub niewystarczający czas po spawaniu, co może skutkować oderwaniem się bitu. Oprócz wymagania od producentów ścisłej regulacji procesu produkcji (zwłaszcza procesu spawania przecinaka PDC) w celu zapewnienia kompletnych i solidnych spoin, konieczne jest również wyjaśnienie procedury konstrukcji wiertniczej poprzez wybór wiercenia wodnego, kiedy tylko jest to możliwe, i unikanie konstrukcji wiercenia na sucho. W przypadku wiercenia głębokich otworów należy upewnić się, że woda powróci przed dodaniem wiercenia prętem. Ponadto, za każdym razem przed włożeniem wiertła do dna otworu, konieczne jest sprawdzenie, czy nie ma żadnych przeszkód, aby zapobiec zablokowaniu.
(3) Złamanie ostrza
Pęknięcie warstwy diamentowej w frezach PDC stanowi powszechny sposób awariiBity PDCCharakterystyczną cechą tego typu awarii jest lokalne pęknięcie warstwy diamentowej, w niektórych przypadkach powodujące równoczesne pęknięcie wraz z matrycą węglikową.
Główne przyczyny uszkodzenia bitu PDC:
① Frez wybrany na podstawie wrodzonych cech frezu PDC wykazuje niską odporność na uderzenia. Łączna wytrzymałość węglika wolframu (WC) i mikroproszku diamentowego jest niewystarczająca, co czyni go podatnym na awarie pod wpływem naprężeń wywołanych fragmentacją skał;
② Czynniki związane z procesem budowy wskazują, że ciśnienie na miejscu budowy jest nadmiernie wysokie. Ciśnienie wywierane przez frez PDC na wiertło znacznie przekracza limit ciśnienia frezu, co prowadzi do odpryskiwania warstwy diamentowej i późniejszego zapadnięcia się krawędzi tnącej.
③ Czynniki związane ze złożonymi formacjami wskazują, że podczas budowy twardych, spękanych formacji, obciążenie udarowe frezów PDC przekracza ich wytrzymałość na uderzenia, co może prowadzić do załamania się krawędzi skrawającej.
④ Konstrukcja kąta cięcia wiertła jest nieodpowiednia, ponieważ nie jest zgodna z zasadą, że twardsza formacja wymaga większego kąta cięcia. Podczas budowy twardych formacji mniejszy kąt cięcia może powodować nadmierną siłę na frez PDC, co ostatecznie prowadzi do zapadnięcia się krawędzi tnącej.
⑤ Inne czynniki wskazują, że układ śrub podporowych i lin kotwiących w podziemnych drogach sprawia, że wiertło jest bardzo podatne na zapadnięcie się po napotkaniu tych elementów. Aby zapobiec uszkodzeniu wiertła, istotne jest nie tylko ścisłe przestrzeganie parametrów procesu określonych w instrukcji wiercenia, ale także zaprojektowanie i wybór wiertła w oparciu o warunki formacji. W szczególności podczas wiercenia w twardych formacjach zaleca się odpowiednie zwiększenie kąta cięcia wiertła, zmniejszenie jego agresywności i zwiększenie ochrony wiertła. Ponadto zaleca się wybór frezów PDC o wyższej wytrzymałości na uderzenia podczas wiercenia przez twarde spękane formacje lub modyfikowanie zewnętrznego kształtu warstwy diamentowej frezu w celu zwiększenia wytrzymałości na uderzenia; na przykład zakrzywione frezy PDC wykazują na ogół lepszą odporność na uderzenia niż typy płaskie. Ponadto należy wdrożyć rozsądny układ otworów podczas budowy, aby uniknąć wiercenia w śrubach i linach kotwiących.
(4) Rozwarstwienie
Delaminacja to odrywanie się warstwy diamentowej od matrycy węglika spiekanego w płytach kompozytowych PDC, jak pokazano na rysunku 3.
Podstawową przyczyną rozwarstwienia warstwy diamentowej frezów PDC jest znaczne naprężenie szczątkowe występujące między warstwą diamentową a matrycą z węglika spiekanego, w połączeniu ze znaczną różnicą współczynników rozszerzalności cieplnej. Podczas cięcia skał warstwa diamentowa i matryca z węglika spiekanego ulegają asynchronicznemu skurczowi z powodu naprężeń cieplnych generowanych przez ciepło tarcia i chłodzenie z płynów myjących. Powstałe obciążenie udarowe i naprężenie szczątkowe prowadzą do łuszczenia się warstwy diamentowej od matrycy z węglika, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia wiertła. Aby złagodzić rozwarstwienie, niezbędne jest wybranie odpowiednich materiałów wiążących i technologii przetwarzania, które uwzględniają naprężenie szczątkowe między tymi dwoma komponentami podczas produkcji. Ponadto zaprojektowanie nowego kształtu interfejsu dla matrycy może poprawić właściwości wiążące między warstwą diamentową a matrycą z węglika spiekanego.
1.2 Uszkodzenie korpusu wiertła objawia się przede wszystkim pęknięciem ostrza w korpusie wiertła, jak pokazano na rysunku 4.
Pęknięcie ostrza korpusu wiertła najczęściej występuje w korpusie wiertła, a rzadko w korpusie stalowym. Powody pęknięcia ostrza korpusu wiertła są następujące: ① Uderzenie ostrza korpusu wiertła podczas odkręcania korpusu wiertła, ponieważ korona korpusu wiertła jest spiekana jednorazowo w procesie metalurgii proszków. w porównaniu ze zwykłym korpusem stalowym. korpus wiertła ma wyższą odporność na zużycie. ale wytrzymałość materiału korpusu jest odpowiednio zmniejszona i łatwo jest złamać ostrze korpusu wiertła podczas odkręcania korpusu wiertła; ② Kontrola procesu spiekania wiertła nie jest ścisła. a spiekany korpus wiertła jest porywany, a proszek metalowy nie tworzy stopu. Aby uniknąć złamania ostrza, użytkownik powinien lepiej użyć narzędzi, takich jak szczypce dentystyczne, aby pomóc w kajdankach podczas odkręcania wiertła. aby uniknąć uderzenia ostrza; Po drugie, producenci powinni ściśle kontrolować jakość spiekanego korpusu. nie tylko w celu ścisłej kontroli procesu spiekania. ale także do okresowego monitorowania proszku metalowego, aby upewnić się, że spełnia on wymagania procesu.
2. Zoptymalizowana konstrukcja i rozsądny wybór bitów górniczych PDC
2.1 Projekt optymalizacji wiertła
(1) W przypadku awarii wiertła konieczne jest zoptymalizowanie jego struktury na podstawie projektu wiertła. Główne parametry konstrukcyjne wiertła PDC obejmują kąt skrawania α, kąt boczny β, kąt azymutu γ itd. γ odnosi się do kąta między linią odniesienia orientacji zębów PDC a linią środkową wiertła. α odnosi się do kąta między linią odniesienia orientacji zęba PDC a płaszczyzną roboczą frezu. jak pokazano na rysunku 5. β odnosi się do kąta między płaszczyzną przechodzącą przez punkt środkowy a linią środkową wiertła i płaszczyzną roboczą frezu. jak pokazano na rysunku 6. Wstępne badania i kompleksowa analiza zastosowań pokazują, że kąt skrawania i kąt boczny frezów PDC mogą bezpośrednio wpływać na żywotność i wydajność wiercenia wiertła. i konieczne jest zoptymalizowanie konstrukcji wiertła zgodnie z różnymi formacjami wiercenia. Projekt kąta skrawania będzie miał duży wpływ na wydajność wiercenia. lub nawet w ogóle nie będzie żadnego materiału; jeśli kąt skrawania jest zbyt mały. krawędź tnąca PDC jest podatna na pękanie i inne zjawiska. Dlatego też projekt wiertła powinien być rozpatrywany kompleksowo przy wyborze schematu parametrów, wybierając umiarkowany kąt cięcia i kąt boczny, a nie losowy projekt.
(2) Oprócz optymalizacji kąta cięcia wiertła, istotne jest również zoptymalizowanie frezów PDC. Jakość frezów PDC znacząco wpływa na górnicze wiertła PDC, ponieważ bezpośrednio determinuje ich wydajność cięcia i żywotność. Krytycznym czynnikiem w poprawie jakości PDC jest eliminacja naprężeń szczątkowych na styku wiązania między warstwą diamentową a matrycą węglika spiekanego. Badania wskazują, że maksymalne naprężenie w frezach PDC o płaskiej strukturze styku jest skoncentrowane w pobliżu obu stron tego styku, przy czym szczytowe naprężenia rozciągające i ścinające występują na krawędzi warstwy diamentowej. Obecność naprężeń rozciągających może prowadzić do nieprawidłowych pęknięć w PDC, podczas gdy naprężenie ścinające jest główną przyczyną rozwarstwienia w frezach PDC.
(3) Oprócz eliminacji naprężeń szczątkowych w frezach PDC, wtórne obróbki mogą dodatkowo poprawić ich jakość. Obecnie główne metody obróbki powierzchni obejmują diamentowe szlifowanie powierzchni, fazowanie krawędzi i obróbkę kształtową. Wybór frezów PDC można zoptymalizować na podstawie rzeczywistych warunków pracy.
2.2 Rozsądny wybór wierteł
Obecnie wiertła PDC wykorzystywane w operacjach wiercenia otworów w większości obszarów górniczych charakteryzują się głównie trójskrzydłową wklęsłą konstrukcją. Jednak wybór tych wierteł jest często ograniczony i brakuje klasyfikacji, co skutkuje podejściem typu „jeden rozmiar dla wszystkich”, które nie uwzględnia w odpowiedni sposób specyficznych wymagań różnych warstw. Jest to szczególnie problematyczne w przypadku złożonych warunków formacji, w których konwencjonalne wiertła wklęsłe mają problemy z zapewnieniem zadowalającej wydajności, co prowadzi do skrócenia żywotności wiertła i zmniejszenia wydajności wiercenia. Takie nieefektywności nie tylko zwiększają koszty produkcji, ale mogą również zakłócić harmonogramy budowy i spowodować znaczne straty ekonomiczne. Dlatego też kluczowe jest wybranie odpowiednich wierteł dostosowanych do różnych warunków formacji.
Wiertła górnicze PDC można podzielić na dwa główne typy w zależności od materiału korpusu: stalowy i oponowy. Korpusy wierteł stalowych są przetwarzane głównie za pomocą metod mechanicznych, co zapewnia dobrą wytrzymałość, dzięki czemu nadają się do konwencjonalnych operacji wiercenia formacji. Natomiast korpusy wierteł oponowych są spiekane przy użyciu procesów metalurgii proszków, co zapewnia wysoką odporność na zużycie, idealną do wiercenia w twardych skałach lub dłuższych zadań wiercenia. Ponadto wiertła można podzielić na różne struktury, w tym wewnętrzne wklęsłe, łukowe, płaskie dno, skrobak i inne, jak pokazano na rysunku 7. ①Wklęsła konstrukcja wklęsłego wiertła zwiększa efekty prostowania podczas konwencjonalnej budowy formacji; ②Rozproszony układ zębów wiertła łukowego zapewnia większą gęstość zębów i lepszą wydajność wiercenia podczas pracy ze średnio-twardymi warstwami i wyżej; ③Kształt wargi wiertła o płaskim dnie jest prawie płaski, co wyostrza jego krawędzie boczne, ułatwiając przechylanie — ta konstrukcja jest głównie stosowana w zastosowaniach wiercenia kierunkowego; ④Wiertło skrobakowe ma zazwyczaj stożkową konstrukcję, która zapewnia większą agresywność i jest stosowane głównie w miękkich warstwach lub pokładach węgla.
Podsumowano i uporządkowano obecnie stosowane świdry górnicze PDC, a także kryteria doboru świderków PDC w różnych warunkach pracy i formacji, jak przedstawiono w tabeli 1 w celach informacyjnych.
3. Środki ostrożności przy korzystaniu z bitów PDC
Oprócz starannego doboru wierteł, równie ważne jest prawidłowe wykorzystanie tych narzędzi. Biorąc pod uwagę trudne warunki konstrukcyjne w kopalniach węgla, pracownicy często mają trudności ze ścisłym przestrzeganiem wytycznych dotyczących obsługi wierteł PDC, co skutkuje częstymi przypadkami awarii wiertła z powodu niewłaściwej obsługi. W celu zwiększenia wydajności wiercenia, niektóre obszary górnicze mogą bezmyślnie zwiększać ciężar wiertła podczas operacji, co prowadzi do przedwczesnej awarii wiertła. Prawidłowe wykorzystanie wierteł PDC może zoptymalizować ich wydajność i obniżyć koszty produkcji. Podczas korzystania z wierteł PDC należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:
(1) Należy zwrócić uwagę na relację stopniowania pomiędzy wiertłem PDC a narzędziem wiertniczym, upewniając się, że rura wiertnicza o dużej średnicy nie jest dopasowana do rury wiertniczej o zbyt małej średnicy, a rura wiertnicza o małej średnicy nie jest dopasowana do wiertła o dużej średnicy.
(2) Optymalnym podejściem jest wykorzystanie specjalistycznego wiertła do otworów lub starego wiertła do budowy gniazda, przy jednoczesnym zapewnieniu, że proces wiercenia będzie przebiegał w pobliżu śrub przy pasie ruchu, lin kotwicznych i podobnych przeszkód.
(3) Podczas prowadzenia prac wiertniczych należy koniecznie regulować ciśnienie zasilania, aby zapobiec wypadkom spowodowanym nadmiernym ciśnieniem w otworze wiertniczym.
(4) Proszę stosować technikę wiercenia czystą wodą, unikając wiercenia na sucho lub wiercenia sprężonym powietrzem. Przed rozpoczęciem wiercenia ciśnieniowego należy zapewnić odpowiednią cyrkulację wody w otworze, aby zapobiec potencjalnym incydentom spalania u jego podstawy.
(5) Podczas wyjmowania bitu, należy unikać zaciśnięcia lub uderzenia w frez PDC. Ponadto należy uważać, aby nie uderzyć w ostrze korpusu bitu.
4. Wnioski
Bezpieczne i wydajne zielone wydobycie węgla jest niezmiennie głównym tematem propagowanym przez przemysł węglowy. Efektywne wykorzystanie bitów PDC do podziemnych operacji wiercenia w kopalniach węgla ma duże znaczenie. W niniejszym artykule analizuje się tryby awarii bitów PDC, wyjaśniając główne przyczyny różnych form awarii. Proponuje się optymalne strategie projektowania i doboru bitów w różnych warunkach pracy i formacjach geologicznych, podsumowując jednocześnie środki ostrożności dotyczące ich stosowania, zapewniając tym samym odniesienie do ulepszonego doboru i stosowania bitów PDC. Rozważny dobór i właściwe wykorzystanie bitów PDC może zmaksymalizować ich skuteczność, zminimalizować marnotrawstwo zasobów oraz zwiększyć bezpieczeństwo, wydajność i przyjazne dla środowiska praktyki w górnictwie węgla.