Złamanie kodu wiercenia w twardych skałach: przełomowa technologia DTH.
W zależności od warunków geologicznych obszaru budowy, wiertnice powszechnie stosują cztery główne metody wiercenia, jak pokazano na rysunku 1.
a. Głowice obrotowe napędzane pneumatycznie lub hydraulicznie w połączeniu z urządzeniami udarowymi przekazują energię obrotową i uderzeniową przez górną częśćrura wiertnicza, dostarczając energię do wiertła za pomocą fal uderzeniowych w rurze wiertniczej. Ta metoda jest ograniczona do małych średnic i niewielkich głębokości i jest ogólnie stosowana w kamieniołomach, na placach budowy i w podziemnych operacjach górniczych.
B.Młoty dołkowe (DTH) znajdują się na dole przewodu wiertniczego. Sprężone powietrze dostaje się do DTH przez przewód wiertniczy, napędzając tłok ruchem posuwisto-zwrotnym, który bezpośrednio uderza w wiertło, przenosząc energię uderzenia na skałę. Ten system ma minimalną utratę mocy i jest szczególnie odpowiedni do głębokich otworów, prostych otworów i średnio twardych skał.
C.Wiercenie z odwróconą cyrkulacją (RC)używa DTH do zbierania i transportu próbek skał z powierzchni wiertła. Suche i niezanieczyszczone zwierciny są transportowane przez centralną rurę DTH do urządzenia do pobierania próbek, przygotowując je do analizy geologicznej.
d. Przekładnia napędzana silnikami hydraulicznymi lub elektrycznymi tworzy obracającą się głowicę napędową, która wywiera wystarczającą siłę posuwu na wiertło trójstożkowe za pomocą układu posuwu, który porusza się w górę i w dół na wiertarce i grubościennej rurze wiertniczej. Ta metoda jest stosowana w przypadku miękkich skał lub silnie połączonych twardych skał.
- Zasady i cechy DTH
Formacje wiercone metodą DTH są niemal w całości zdolne do uwzględnienia wszystkich skał magmowych, skał metamorficznych i skał osadowych, które są średnio twarde lub twardsze. Metoda DTH jest szczególnie korzystna w przypadku wiercenia twardych skał i twardych warstw, ponieważ twarde skały mają tendencję do kruchości. Pod wpływem obciążeń udarowych pęknięcia nie tylko występują w miejscu bezpośredniego uderzenia, ale także tworzą strefę pęknięcia, co skutkuje większymi fragmentami skał. W związku z tym prędkość wiercenia jest znacznie większa w porównaniu z czystym wierceniem obrotowym. Model mechaniczny na rysunku 2 ilustruje różne obciążenia działające na skałę podczas wiercenia obrotowego udarowego.
Ponadto wiercenie metodą DTH (Down-the-Hole) jest wysoce skuteczne w formacjach podatnych na odchylenia odwiertu, takich jak warstwy z dobrze rozwiniętym uwarstwieniem i foliacją lub warstwy skalne o nierównomiernej twardości i wielu pęknięciach. Może ono znacznie zmniejszyć odchylenia odwiertu, a także przezwyciężyć trudności w wierceniu przez warstwy żwiru i złoża głazów.
Wiercenie DTH zostało opracowane pod koniec XIX wieku i ma historię ponad stuletnią. Chociaż istnieje wiele typów wierteł DTH, mają one wspólną cechę: zarówno mechanizm udarowy, jak i wiertło są zanurzone w otworze wiertniczym, a obrót połączony z uderzeniem rozbija skałę. Sprzęt używany do generowania siły uderzenia można podzielić według metody napędu na pneumatyczne, hydrauliczne, ciśnieniowe, elektryczne i mechaniczne.
Ponieważ energia uderzenia ulega znacznej utracie podczas przesyłu i może spowodować znaczne uszkodzenia elementów uderzeniowych, w przypadku głębszych operacji wiercenia wymagane jest zazwyczaj, aby sprzęt wchodził do otworu wiertniczego za pomocą narzędzia wiertniczego, tak aby siła uderzenia wyjściowego mogła oddziaływać bezpośrednio na wiertło lub rurę rdzeniową. Minimalizuje to utratę energii podczas przesyłu, poprawia efektywność energetyczną i zmniejsza prawdopodobieństwo awarii sprzętu w otworze wiertniczym.
DTH pneumatyczne, znane również jako DTH napędzane powietrzem, występują w wielu typach konstrukcji i metodach klasyfikacji.
- Ze względu na ciśnienie robocze: wysokociśnieniowe, średniociśnieniowe i niskociśnieniowe.
- Ze względu na strukturę ogólną: typy przelotowe i nieprzelotowe.
- Ze względu na zasadę działania zaworu: typ zaworu sterującego, typ zaworu swobodnego i typ zaworu hybrydowego.
- Ze względu na konstrukcję tłoka: tłok o jednakowej średnicy, tłok o różnej średnicy i typ z tłokiem tandemowym.
- Według typu dystrybucji powietrza: DTH z zaworem i DTH bez zaworu. DTH z zaworem można podzielić na zawory płytowe, zawory tarczowe i zawory cylindryczne, podczas gdy DTH bez zaworu można podzielić na typ wydechowy z tłoczyskiem centralnym, typ dystrybucji powietrza tłokowym i łączony rozkład powietrza przez tłok, cylinder i tłoczysko centralne.
- Metodą płukania otworów i usuwania żużlu: płukanie otworów środkowych, płukanie otworów przednich i płukanie otworów bocznych.
2. Określenie schematów strukturalnych mechanizmu uderzenia
2.1 Tłokowy mechanizm uderzeniowy z własnym zasilaniem gazowym bez zaworu
Ten typ mechanizmu uderzeniowego wykorzystuje przede wszystkim kanały gazowe w samym tłoku do dostarczania gazu, co skutkuje złożoną strukturą tłoka z licznymi kanałami gazowymi, co zmniejsza wytrzymałość tłoka i jego żywotność. Jednak ten mechanizm uderzeniowy integruje wewnętrzny i zewnętrzny cylinder, zwiększając efektywny obszar roboczy tłoka i wzmacniając energię uderzenia mechanizmu.
2.2 Połączony mechanizm zasilania gazem tłokowo-cylindrowym bez zaworu
Ten typ charakteryzuje się prostą konstrukcją, która jest łatwa w produkcji, ma dłuższą żywotność tłoka, a otwory gazowe znajdują się zarówno na cylindrze, jak i na tłoku. Ta konstrukcja jest szeroko stosowana za granicą.
2.3 Mechanizm udarowy bez zaworu dopływu gazu do rury środkowej
W tym mechanizmie kanały wlotowe powietrza do górnej i dolnej komory są rozmieszczone na okrągłej rurze, po której przesuwa się tłok. Wymaga to wysokiej precyzji wykonania i ma stosunkowo krótką żywotność rury środkowej.
2.4 Mechanizm uderzeniowy wydechu bocznego
Tak zwany boczny wydech oznacza, że ścieżka spalin wychodzi z korpusu cylindra, a nie przechodzi przez środek wiertła do dna otworu. Ten typ mechanizmu udarowego ma zazwyczaj wiele ścieżek wlotowych i wylotowych na korpusie cylindra, co prowadzi do słabej wytrzymałości konstrukcyjnej, potencjalnego występowania pęknięć zmęczeniowych wzdłużnych i znacznej utraty ciśnienia powietrza, co skutkuje suboptymalnym usuwaniem zanieczyszczeń i efektami chłodzenia dla wiertła.
2.5 Mechanizm udarowy układu wydechowego centralnego
Ten typ mechanizmu udarowego wyrzuca zanieczyszczenia i gaz bezpośrednio ze środka wiertła na dno otworu. Bezpośredni przepływ powietrza nie tylko zwiększa wydajność usuwania zanieczyszczeń, ale także poprawia wydajność wiercenia i chłodzenie, wydłużając żywotność wiertła. Ten typ konstrukcyjny zastępuje liczne podłużne rowki w wewnętrznym cylindrze mechanizmów udarowych z bocznym wydechem rowkiem pierścieniowym, znacznie zmniejszając koncentrację naprężeń w wewnętrznym cylindrze. W ostatnich latach stała się szeroko przyjętą konstrukcją.
Mechanizm udarowy tłokowy serii 2.6
Mechanizm udarowy tłokowy, znany również jako udar dwutłokowy (głowicowy), dzieli cylinder na dwie komory za pomocą pierścienia izolacyjnego. Ta konstrukcja pozwala obu powierzchniom tłoka pracować jednocześnie w obrębie tej samej średnicy otworu, co skutkuje większą mocą uderzenia i wyższą częstotliwością uderzeń. Odpowiednio, istnieje podwójny układ wydechowy, który skutecznie usuwa pył skalny z dna otworu. Jednak jego główną wadą jest złożona struktura i potrzeba wysokiej precyzji w obróbce części; na przykład tłok ma do pięciu powierzchni współpracujących z powiązanymi komponentami, co ogranicza jego zastosowanie i promocję. Dlatego ta konstrukcja przyjmuje drugą opcję, którą jest mechanizm udarowy bez zaworu z połączonym zasilaniem gazowym tłoka i cylindra. Jego struktura jest pokazana na rysunku 3.
3. Analiza teoretyczna i odpowiednie obliczenia dla DTH
3.1 Wybór parametrów pracy**
3.1.1 Długość i masa młota: Wstępny projekt określa długość mniejszą niż 4500 mm i masę mniejszą niż 2500 kg.
3.1.2 Średnica młota: Właściwą średnicę młota określa się na podstawie średnicy wiercenia ustawionej na 540 mm.
3.1.3 Średnica wiercenia: Chodzi o średnicę otworu na pal, zwykle wynoszącą od 550 mm do 600 mm.
3.1.4 Głębokość wiercenia: Zgodnie z wymogami projektowymi pali, wynosi ona zazwyczaj od kilkudziesięciu do stu metrów.
3.1.5 Prędkość wiercenia: Wiercenie metodą DTH odbywa się zazwyczaj przy niskich prędkościach obrotowych, zwykle od 7 do 25 obr./s.
3.1.6 Moment obrotowy: Maksymalny moment obrotowy dla tej konstrukcji ustalono na 150 kN·m.
3.2 Obliczanie parametrów projektowych
Parametry projektowe DTH, a w szczególności parametry wydajnościowe urządzeń udarowych DTH, stanowią podstawę projektowania maszyn i określają wydajność produkowanego sprzętu.
3.2.1 Ciśnienie projektowe P dla sprzętu udarowego
W Chinach ciśnienie 0,49 MPa (około 5 × 10^5 Pa) jest powszechnie wybierane jako standard projektowy dla pneumatycznego sprzętu udarowego. Biorąc pod uwagę, że DTH dla tego projektu jest urządzeniem udarowym bez zaworu o dużej średnicy wiercenia i ciężkim tłoku, wyższe ciśnienie powietrza dodatkowo zwiększy wydajność. Ponadto sprężarki powietrza wysokociśnieniowego są coraz powszechniejsze i zgodnie z międzynarodową normą ISO 5941-1979 wybiera się ciśnienie projektowe 1,6 MPa.
3.2.2 Moc uderzenia
W przypadku DTH używanego do wiercenia otworów o dużej średnicy projektowana energia uderzenia może się znacznie wahać. Energia uderzenia dla tego projektu jest obliczana w następujący sposób:
3.2.3 Częstotliwość uderzeń
Ogólnie rzecz biorąc, przy stałej energii uderzenia, częstotliwość uderzeń jest proporcjonalna do mocy wyjściowej udaru. Jednak gdy średnica cylindra jest stała, zwiększenie częstotliwości uderzeń wymaga zmniejszenia skoku tłoka, co z kolei zmniejsza moc pojedynczego uderzenia. Gdy moc pojedynczego uderzenia spadnie poniżej pewnego progu, zwiększenie częstotliwości nie przyniesie zadowalających rezultatów kruszenia skał. Zatem wybór częstotliwości uderzeń jest ograniczony przez moc uderzenia.
W przypadku pneumatycznego DTH działającego przy ciśnieniu projektowym 0,5 MPa częstotliwość nie powinna przekraczać 16,8 Hz. Ponieważ DTH działa przy ciśnieniu projektowym od 0,5 do 2,5 MPa, częstotliwość uderzeń może się znacznie różnić. Początkowy wybór częstotliwości udaru można obliczyć w następujący sposób:
f = 10,4 + 7,6P
(2) gdzie P jest ciśnieniem zasilania układu. W tym projekcie P = 1,6 MPa, zatem:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Projektowanie parametrów konstrukcyjnych
Główne parametry strukturalne DTH obejmują średnicę otworu cylindra, skok tłoka i wymiary tłoka. Zwiększenie średnicy cylindra może zwiększyć zarówno moc uderzenia, jak i częstotliwość, dlatego średnica powinna być zmaksymalizowana w granicach rozmiaru strukturalnego. Zazwyczaj różnica między średnicą zewnętrzną DTH a średnicą otworu nie powinna być mniejsza niż 15 do 20 mm, a zewnętrzna obudowa DTH nie powinna być zbyt cienka. Dlatego stosunek średnicy cylindra DTH do średnicy otworu wynosi zazwyczaj powyżej 0,5.
3.3.1 Średnica robocza cylindra i skok konstrukcyjny
Średnicę roboczą D cylindra można obliczyć w następujący sposób:
D = K × D(średnica otworu) = (0,57 - 0,68) × D(średnica otworu) (3)
W tym projekcie D(średnica otworu) = 600 mm, więc D przyjmuje się jako 360 mm. Skok konstrukcyjny S przyjmuje się empirycznie jako S = 500 mm.
3.3.2 Masa tłoka
Wymiary promieniowe tłoka są ograniczone przez rozmiar i strukturę cylindra, co pozwala na zastosowanie tłoków o równej lub różnej średnicy. Wymiary liniowe zależą od ciężaru tłoka, który jest również związany z prędkością, z jaką uderza w wiertło. Dlatego określenie wymiarów strukturalnych tłoka jest złożonym aspektem konstrukcji DTH. Masę tłoka DTH można oszacować w następujący sposób:
m = 0,0205D^2,84 (4)
gdzie m jest masą tłoka w kg; D jest średnicą roboczą cylindra w cm.
Podstawiając D = 36 otrzymujemy: m = 540 kg.
DTH składa się głównie ze struktury przenoszącej moment obrotowy i pneumatycznego mechanizmu udarowego. Struktura przenosząca moment obrotowy łączy żerdź wiertniczą i DTH, przenosząc siły obrotowego cięcia i ciągnięcia; pneumatyczny mechanizm udarowy generuje uderzenie, zapewniając moc osiową wiertłu udarowemu. Szczegóły szczegółowe struktury przedstawiono na rysunku 3.
Struktura przenoszenia momentu obrotowego łączy żerdź wiertniczą i udar. Górny przegub łączy się z żerdzią wiertniczą i udarem za pomocą gwintów rurowych, przede wszystkim w celu zapewnienia szczelności gazowej, a także przekazywania momentu obrotowego i siły ciągnącej. Zawór zwrotny zapobiega przedostawaniu się błota i wody do udaru i żerdzi wiertniczej, sterowany sprężyną. Gniazdo wlotu powietrza z prętem doprowadzającym gaz służy do wprowadzania sprężonego powietrza do cylindra, ułatwiając działanie doprowadzania gazu wraz z cylindrem i tłokiem, uzyskując w ten sposób łączone doprowadzanie gazu. Pierścień bezpieczeństwa sprężyny zapobiega wysuwaniu się tłoka z cylindra podczas wymiany wiertła.
3.4 Analiza elementów skończonych wiertła DTH
Wiertło DTH jest poddawane siłom uderzeniowym tłoka i momentowi obrotowemu głowicy napędowej. Siła wywierana na tłok przez sprężone powietrze jest podana przez:
F = P × S (5)
gdzie P to ciśnienie układu w Pa; S to powierzchnia siły tłoka w m².
Zatem F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Zatem siła uderzenia na wiertło wynosi:
F' = kF (6)
gdzie k jest współczynnikiem udarności; F jest siłą wywieraną na wiertło przez sprężone powietrze w N. Zatem F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Moment obrotowy przyłożony do wiertła DTH przez głowicę napędową wynosi N = 150 kN. Przyłożenie F' = 2688 kN i N = 150 kN do wiertła podczas mocowania dolnej powierzchni końcowej wiertła i użycie materiału QT500-7 o granicy plastyczności 320 MPa, przeprowadza analizę elementów skończonych. Konkretne warunki obciążenia i ograniczeń oraz podział siatki pokazano na rysunkach 4 i 5.
Wyniki analizy elementów skończonych przedstawiono na rysunku 6, wskazując, że maksymalne naprężenie wynosi 144,355 MPa, co jest wartością mniejszą od granicy plastyczności QT500-7 (320 MPa), a zatem spełnia wymagania.