Seleção ideal de brocas PDC para mineração de carvão
A construção de furos de sondagem é um método técnico amplamente utilizado para controle de gás, prevenção de danos causados pela água e exploração geológica em minas de carvão, que desempenha um papel crucial em garantir a segurança e a eficiência da produção de carvão. Na China, dezenas de milhões de metros de furos de perfuração são criados anualmente em minas de carvão. O processo de construção requer o suporte de equipamentos de perfuração, como brocas, tubos de perfuração e brocas. Entre eles, as brocas são ferramentas essenciais para formar furos diretamente e quebrar rochas.
A folha composta de diamante policristalino (PDC) é amplamente utilizada em brocas de mineração devido à sua excepcional resistência ao desgaste e notável tenacidade ao impacto.Bits PDCapresentam vida útil de perfuração prolongada e maior eficiência de penetração quando empregadas em formações rochosas médias-duras e baixas, gerando benefícios econômicos substanciais em operações de perfuração de minas de carvão. Em comparação com a perfuração de petróleo, a perfuração de mineração de carvão possui os atributos técnicos de ser econômica, eficiente em termos de tempo e densamente projetada. Consequentemente, os requisitos gerais para brocas PDC não são excessivamente exigentes.
Os desafios atuais enfrentados na mineraçãoBits PDCincluem: ①O limite de entrada para brocas PDC de mineração é relativamente baixo, com uma infinidade de fabricantes oferecendo vários níveis de qualidade. ②Os usos e requisitos de perfuração subterrânea em minas de carvão exibem disparidades evidentes, enquanto a classificação de brocas PDC de mineração é intrincada e diversa. Além disso, há uma falta de especificações de seleção sistemáticas e racionais no processo de utilização subsequente. ③Com a crescente prevalência de estratos duros complexos em minas de carvão, as brocas PDC de mineração convencionais não atendem aos requisitos de construção para perfuração eficiente no local, resultando em casos de progresso lento ou mesmo falta completa de metragem. ④Devido às desafiadoras condições de construção na mina de carvão, a adesão estrita aos procedimentos de perfuração pelo pessoal da construção pode às vezes ser difícil.
A fim de aumentar a eficácia operacional da mineraçãoBits PDC, este artigo fornece uma análise abrangente dos modos de falha primários e investiga as causas subjacentes para cada forma de falha. Além disso, recomendações práticas são propostas para a seleção prudente e utilização atenta desses bits.
1.Análise da forma e das causas da falha do bit PDC na mineração
Atualmente, os componentes das brocas PDC de mineração consistem principalmente no corpo da broca, cortadores PDC, ligas de calibre e outras peças, conforme ilustrado na Figura 1. Os cortadores PDC e as ligas de calibre são soldados no corpo da broca para garantir sua fixação segura. Durante as operações regulares de perfuração, a haste de perfuração transmite torque e pressão de alimentação para o fundo do furo, onde se encaixa na broca. O processo de corte de rocha é realizado por meio da utilização de cortadores PDC na broca. Além disso, as ligas de calibre protegem contra desgaste excessivo, protegendo a integridade circunferencial do corpo da broca. No entanto, deve-se observar que vários fatores, como forças complexas exercidas no cortador no fundo do furo durante o corte de rocha com uma broca PDC, mudanças nas características de formação, seleção de técnicas e equipamentos de construção, proficiência operacional do pessoal envolvido em atividades de construção, juntamente com medidas de controle de qualidade para as próprias brocas, podem impactar significativamente a eficácia da aplicação, levando a diversas formas de falha para essas brocas. Por meio de uma investigação conduzida em locais de perfuração de minas de carvão, resumimos e analisamos diferentes modos de falha e causas primárias associadas aBits PDC.
1.1 A falha do cortador PDC ocorre quando o PDC é sinterizado sob condições de alta temperatura e alta pressão. A folha composta consiste em dois componentes principais: uma camada de diamante e uma matriz de carboneto, conforme ilustrado na Figura 2.
Os principais modos de falha dos cortadores PDC incluem desgaste normal, descamação, colapso da lâmina e delaminação.
(1) Desgaste regular
O fenômeno do desgaste normal é um tipo de dano típico que ocorre em fresas PDC durante o processo de corte de rochas, caracterizado principalmente por perda macroscópica significativa de retificação tanto na camada de diamante quanto na matriz de carboneto cimentado das fresas, sem quaisquer traços aparentes de rachaduras na superfície de retificação.
(2) Queda de ficha
O fenômeno de queda de cavacos ocorre quando os cortadores PDC se desprendem do corpo da broca, resultando em falha da broca. A característica mais proeminente é a separação completa dos cortadores PDC do corpo da broca, sem resíduos de liga encontrados no poço onde ocorre a soldagem entre o corpo da broca e os cortadores PDC.
Principais fatores que contribuem para o declínio do filme em queda:
① A temperatura elevada no fundo do furo leva a desafios na tecnologia de construção de perfuração a seco ou formação de tampão de água durante o processo de perfuração, ao mesmo tempo em que impede o resfriamento oportuno dos cortadores PDC na broca durante o corte de rocha rotativo de alta velocidade. Consequentemente, há um aumento significativo na temperatura no fundo do furo, que pode ultrapassar a temperatura crítica da solda e resultar no derretimento da solda e subsequente desprendimento dos cortadores PDC.
② O controle do processo de soldagem de broca não é suficientemente rigoroso. No procedimento de soldagem, há falta de limpeza adequada antes da soldagem, soldas defeituosas ou gerenciamento inadequado de gases de exaustão e temperatura de preservação de calor irracional ou tempo insuficiente após a soldagem, tudo isso pode resultar no desprendimento da broca. Além de exigir que os fabricantes regulem rigorosamente o processo de produção (especialmente o processo de soldagem do cortador PDC) para garantir soldas completas e sólidas, também é necessário esclarecer o procedimento de construção da perfuração optando pela perfuração com água sempre que possível e evitando a construção de perfuração a seco. Para perfuração de furos profundos, deve-se garantir que a água retorne antes de adicionar perfuração de haste. Além disso, sempre que inserir a broca no fundo do furo, é essencial verificar se há alguma obstrução para evitar bloqueios.
(3) Quebra de lâmina
A fratura da camada de diamante em fresas PDC representa um modo prevalente de falha paraBits PDC. Uma característica desse modo de falha é a ruptura localizada da camada de diamante, com alguns casos resultando em quebra simultânea ao longo da matriz de carboneto.
As principais causas da quebra do bit PDC:
① O cortador escolhido com base nas características inerentes do cortador PDC exibe baixa resistência ao impacto. A resistência combinada do carboneto de tungstênio (WC) e do micropó de diamante é insuficiente, tornando-o propenso a falhas sob o estresse da fragmentação da rocha;
② Fatores relacionados ao processo de construção indicam que a pressão de construção no local é excessivamente alta. A pressão exercida pelo cortador PDC na broca excede significativamente o limite de pressão do cortador, levando à fragmentação da camada de diamante e ao colapso subsequente da aresta de corte.
③ Fatores relacionados a formações complexas indicam que, durante a construção de formações duras e fraturadas, a carga de impacto nas fresas PDC excede sua tenacidade ao impacto, o que pode levar ao colapso da aresta de corte.
④ O design do ângulo de corte da broca é inadequado, pois não adere ao princípio de que uma formação mais dura necessita de um ângulo de corte maior. Na construção de formações duras, um ângulo de corte menor pode resultar em força excessiva no cortador PDC, levando, em última análise, ao colapso da aresta de corte.
⑤ Outros fatores indicam que o arranjo de parafusos de suporte e cabos de ancoragem em estradas subterrâneas torna altamente suscetível ao colapso da broca ao encontrar esses elementos. Para evitar a falha da broca, é essencial não apenas aderir estritamente aos parâmetros do processo descritos no manual de instruções de perfuração, mas também projetar e selecionar a broca com base nas condições de formação. Especificamente, ao perfurar formações duras, é aconselhável aumentar o ângulo de corte da broca adequadamente, reduzir sua agressividade e aumentar a proteção da broca. Além disso, é recomendável selecionar cortadores PDC com maior resistência ao impacto ao perfurar formações fraturadas duras ou modificar o formato externo da camada de diamante do cortador para melhorar a resistência ao impacto; por exemplo, cortadores PDC curvos geralmente apresentam melhor resistência ao impacto do que os tipos planos. Além disso, um layout razoável de furos durante a construção deve ser implementado para evitar a perfuração em parafusos e cabos de ancoragem.
(4) Delaminação
Delaminação refere-se ao desprendimento da camada de diamante da matriz de carboneto cimentado em folhas compostas de PDC, conforme ilustrado na Figura 3.
A principal causa da delaminação na camada de diamante das fresas PDC é o estresse residual substancial presente entre a camada de diamante e a matriz de carboneto cimentado, juntamente com uma diferença significativa em seus coeficientes de expansão térmica. Durante o corte de rochas, a camada de diamante e a matriz de carboneto cimentado sofrem contração assíncrona devido a tensões térmicas geradas pelo calor de atrito e resfriamento de fluidos de lavagem. A carga de impacto resultante e o estresse residual levam ao descascamento da camada de diamante da matriz de carboneto, resultando em falha da broca. Para mitigar a delaminação, é essencial selecionar materiais de ligação apropriados e tecnologias de processamento que abordem o estresse residual entre esses dois componentes durante a fabricação. Além disso, projetar um novo formato de interface para a matriz pode melhorar as propriedades de ligação entre a camada de diamante e a matriz de carboneto cimentado.
1.2 A falha do corpo da broca é caracterizada principalmente por fraturas da lâmina no corpo da broca, conforme ilustrado na Figura 4.
A fratura da lâmina do corpo da broca ocorre principalmente na broca do corpo e a broca do corpo de aço raramente ocorre. As razões para a fratura da lâmina do corpo da broca são as seguintes: ① Bater na lâmina do corpo da broca ao desparafusar o corpo da broca porque a coroa do corpo da broca é sinterizada pelo processo de metalurgia do pó de uma só vez. em comparação com a broca do corpo de aço comum. a broca do corpo da broca tem maior resistência ao desgaste. mas a tenacidade do material do corpo é correspondentemente reduzida e é fácil quebrar a lâmina do corpo da broca ao desparafusar o corpo da broca; ② O controle do processo de sinterização da broca não é rigoroso. e o corpo da broca sinterizada é arrastado e o pó de metal não forma uma liga. Para evitar a quebra da lâmina. o usuário deve usar ferramentas como alicates dentários para auxiliar a manilha ao desparafusar a broca. para evitar bater na lâmina; Em segundo lugar. os fabricantes devem controlar rigorosamente a qualidade do corpo sinterizado. não apenas para controlar rigorosamente o processo de sinterização. mas também monitorar o pó metálico de tempos em tempos para garantir que o pó atenda aos requisitos do processo.
2. Design otimizado e seleção razoável de bits PDC de mineração
2.1 Projeto de otimização da broca
(1) Para a forma de falha da broca, é necessário otimizar sua estrutura a partir do projeto da broca. Os principais parâmetros de projeto da broca PDC incluem ângulo de corte α. ângulo lateral β. ângulo azimute γ. etc. γ se refere ao ângulo entre a linha de referência de orientação dos dentes PDC e a linha central da broca. α se refere ao ângulo entre a linha de referência de orientação do dente PDC e o plano de trabalho do cortador. conforme mostrado na Figura 5. β se refere ao ângulo entre o plano através do ponto central e a linha central da broca e o plano de trabalho do cortador. conforme mostrado na Figura 6. Pesquisas preliminares e análises abrangentes de aplicação mostram que o ângulo de corte e o ângulo lateral das fresas PDC podem afetar diretamente a vida útil e a eficiência de perfuração da broca. e é necessário otimizar o projeto da broca de acordo com diferentes formações de perfuração. O projeto do ângulo de corte afetará muito a eficiência de perfuração. ou mesmo nenhuma metragem; Se o ângulo de corte for muito pequeno. a aresta de corte do PDC está sujeita a quebras e outros fenômenos. Portanto. o projeto da broca deve ser considerado de forma abrangente ao selecionar o esquema de parâmetros, escolhendo um ângulo de corte e um ângulo lateral moderados em vez de um projeto aleatório.
(2) Além de otimizar o ângulo de corte da broca, é essencial também otimizar as fresas PDC. A qualidade das fresas PDC influencia significativamente as brocas PDC de mineração, pois determina diretamente seu desempenho de corte e vida útil. Um fator crítico para melhorar a qualidade do PDC é a eliminação do estresse residual na interface de ligação entre a camada de diamante e a matriz de carboneto cimentado. A pesquisa indica que o estresse máximo em fresas PDC com uma estrutura de interface plana é concentrado próximo a ambos os lados dessa interface, com picos de tensões de tração e cisalhamento ocorrendo na borda da camada de diamante. A presença de estresse de tração pode levar a fraturas anormais no PDC, enquanto o estresse de cisalhamento serve como causa primária para delaminação em fresas PDC.
(3) Além de eliminar o estresse residual em fresas PDC, tratamentos secundários podem melhorar ainda mais sua qualidade. Atualmente, os métodos primários de tratamento de superfície incluem retificação de superfície de diamante, chanfragem de arestas e usinagem moldada. A seleção de fresas PDC pode ser otimizada com base nas condições reais de trabalho.
2.2 Seleção razoável de brocas
Atualmente, as brocas PDC utilizadas em operações de perfuração de fundo de poço na maioria das áreas de mineração apresentam predominantemente um design côncavo de três asas. No entanto, a seleção dessas brocas é frequentemente limitada e carece de classificação, resultando em uma abordagem única que não aborda adequadamente os requisitos específicos de diferentes estratos. Isso é particularmente problemático em condições de formação complexas, onde brocas côncavas convencionais lutam para fornecer desempenho satisfatório, levando à redução da vida útil da broca e à redução da eficiência de perfuração. Essas ineficiências não apenas aumentam os custos de produção, mas também podem interromper os cronogramas de construção e incorrer em perdas econômicas significativas. Portanto, é essencial selecionar brocas de perfuração apropriadas, adaptadas às diferentes condições de formação.
As brocas PDC de mineração podem ser categorizadas em dois tipos principais com base no material do corpo da broca: tipo aço e tipo pneu. Os corpos de broca do tipo aço são processados principalmente por métodos mecânicos, proporcionando boa tenacidade que os torna adequados para operações convencionais de perfuração de formação. Em contraste, os corpos de broca do tipo pneu são sinterizados usando processos de metalurgia do pó, oferecendo alta resistência ao desgaste, ideal para perfuração de rocha dura ou tarefas de perfuração estendidas. Além disso, as brocas podem ser classificadas em várias estruturas, incluindo côncavo interno, canto de arco, fundo plano, raspador e outros, conforme ilustrado na Figura 7. ①O design da estrutura côncava da broca côncava melhora os efeitos de endireitamento durante a construção de formação convencional; ②O arranjo de dentes dispersos da broca de arco resulta em uma densidade de dentes mais alta e eficiência de perfuração aprimorada ao trabalhar com estratos médios-duros e acima; ③O formato do lábio da broca de fundo plano é quase plano, o que afia suas bordas laterais para facilitar a inclinação — este design é usado predominantemente para aplicações de perfuração direcional; ④A broca raspadora normalmente apresenta uma estrutura cônica que proporciona maior agressividade e é empregada principalmente em estratos moles ou construções de veios de carvão.
Os bits PDC de mineração atuais foram resumidos e organizados, juntamente com os critérios de seleção para bits PDC sob várias condições de trabalho e formação, conforme apresentado na Tabela 1 para referência.
3. Precauções com o uso de bits de mineração PDC
Além de selecionar cuidadosamente as brocas, é igualmente crucial utilizar adequadamente essas ferramentas. Dadas as desafiadoras condições de construção em minas de carvão, os trabalhadores muitas vezes lutam para aderir estritamente às diretrizes operacionais da broca PDC, resultando em casos frequentes de falha da broca devido ao manuseio inadequado. Em um esforço para aumentar a eficiência da perfuração, algumas áreas de mineração podem aumentar indiscriminadamente o peso da broca durante as operações, levando à falha prematura da broca. A utilização correta das brocas PDC pode otimizar seu desempenho e reduzir os custos de produção. Deve-se dar atenção às seguintes considerações ao usar brocas PDC:
(1) Preste atenção à relação de classificação entre a broca PDC e a ferramenta de perfuração, garantindo que o tubo de perfuração de grande diâmetro não seja combinado com o tubo de perfuração de diâmetro muito pequeno, e o tubo de perfuração de pequeno diâmetro não seja combinado com a broca de grande diâmetro.
(2) A abordagem ideal é utilizar uma broca de furo especializada ou uma broca antiga para a construção do ninho, garantindo que o processo de perfuração evite a proximidade de parafusos laterais da faixa, cabos de ancoragem e obstruções semelhantes.
(3) Ao realizar operações de perfuração, é essencial regular a pressão de alimentação para evitar acidentes causados por pressão excessiva dentro do furo.
(4) Utilize a técnica de perfuração com água limpa, evitando perfuração a seco ou perfuração com ar pressurizado. Antes de iniciar as operações de perfuração com pressão, garanta a circulação adequada de água dentro do furo para evitar potenciais incidentes de combustão em sua base.
(5) Ao remover a broca, certifique-se de evitar prender ou bater no cortador PDC. Além disso, tenha cuidado para não bater na lâmina do corpo da broca.
4. Conclusão
A mineração verde segura e eficiente de carvão tem sido consistentemente um tema central defendido pela indústria do carvão. Utilizar efetivamente brocas PDC para operações de perfuração subterrânea em minas de carvão tem importância significativa. Este artigo analisa os modos de falha de brocas PDC de mineração, elucidando as principais causas por trás de várias formas de falha. Ele propõe estratégias de design e seleção ideais para brocas sob diferentes condições de trabalho e formações geológicas, ao mesmo tempo em que resume as precauções para seu uso, fornecendo assim uma referência para seleção e aplicação aprimoradas de brocas PDC de mineração. A seleção criteriosa e a utilização adequada de brocas PDC de mineração podem maximizar sua eficácia, minimizar o desperdício de recursos e aumentar a segurança, a eficiência e as práticas ecologicamente corretas na mineração de carvão.