Desvendando o código da perfuração de rocha dura: a tecnologia DTH revolucionária.
De acordo com as condições geológicas da área de construção, existem quatro métodos principais de perfuração comumente usados por sondas de perfuração, conforme mostrado na Figura 1.
a. Cabeçotes rotativos acionados pneumática ou hidraulicamente combinados com equipamentos de impacto transmitem energia rotacional e de impacto através da parte superior dotubo de perfuração, entregando energia à broca por meio de ondas de choque no tubo de perfuração. Este método é limitado a pequenos diâmetros e profundidades rasas e é geralmente usado em pedreiras, canteiros de obras e operações de mineração subterrânea.
b.Martelos de fundo de poço (DTH) estão localizados na parte inferior da coluna de perfuração. O ar comprimido entra no DTH através da coluna de perfuração, acionando um pistão em um movimento alternativo que impacta diretamente a broca, transferindo energia de impacto para a rocha. Este sistema tem perda mínima de potência e é particularmente adequado para furos profundos, furos retos e rochas de dureza média.
c.Perfuração de circulação reversa (RC)usa DTH para coletar e transportar amostras de rocha da face da broca. Cortes secos e não contaminados são transportados através do tubo central do DTH para um dispositivo de coleta de amostras, preparando-se para análise geológica.
d. Uma caixa de engrenagens acionada por motores hidráulicos ou elétricos forma uma cabeça de força rotativa, aplicando força de alimentação suficiente à broca de três cones por meio de um sistema de alimentação que se move para cima e para baixo na plataforma de perfuração e um tubo de perfuração de parede espessa. Este método é usado para rochas mais macias ou rochas duras fortemente unidas.
- Princípios e Características do DTH
As formações perfuradas com DTH são quase inteiramente capazes de incluir todas as rochas ígneas, rochas metamórficas e rochas sedimentares que são médias-duras ou mais duras. DTH é particularmente vantajoso para perfuração de rochas duras e estratos resistentes porque rochas duras tendem a ser quebradiças. Sob cargas de impacto, fraturas não ocorrem apenas no local do impacto direto, mas também criam uma zona quebrada, resultando em fragmentos de rocha maiores. Assim, a velocidade de perfuração é significativamente mais rápida em comparação com a perfuração rotativa pura. O modelo mecânico na Figura 2 ilustra as várias cargas que atuam na rocha durante a perfuração rotativa de impacto.
Além disso, a perfuração DTH (Down-the-Hole) é altamente eficaz em formações propensas a desvios de furos de sondagem, como estratos com estratificação e foliação bem desenvolvidas, ou camadas de rocha com dureza irregular e muitas fraturas. Ela pode reduzir significativamente o desvio de furos de sondagem e também superar dificuldades na perfuração através de camadas de cascalho e leitos de pedras.
A perfuração DTH foi desenvolvida no final do século XIX e tem uma história de mais de um século. Embora existam muitos tipos de brocas DTH, elas compartilham uma característica comum: tanto o mecanismo de impacto quanto a broca são submersos no furo, com rotação combinada com impacto para quebrar a rocha. O equipamento usado para gerar a força de impacto pode ser categorizado por seu método de acionamento em tipos pneumático, hidráulico, pressão de óleo, elétrico e mecânico.
Como a energia de impacto sofre perda significativa durante a transmissão e pode causar danos substanciais aos componentes impactados, geralmente é necessário em operações de perfuração mais profundas que o equipamento entre no furo com a ferramenta de perfuração, para que a força de impacto de saída possa atuar diretamente na broca ou no cilindro do núcleo. Isso minimiza a perda de energia durante a transmissão, melhora a eficiência energética e reduz a probabilidade de falhas no equipamento de fundo de poço.
O DTH pneumático, também conhecido como DTH movido a ar, vem em muitos tipos estruturais e métodos de classificação.
- Por classificação de pressão: tipos de alta pressão, média pressão e baixa pressão.
- Por estrutura geral: tipos não-através e tipos-através.
- Por princípio de operação de válvula: tipo de válvula de controle, tipo de válvula livre e tipo de válvula híbrida.
- Por estrutura de pistão: pistão de diâmetro igual, pistão de diâmetro desigual e tipos de pistão tandem.
- Por tipo de distribuição de ar: DTH valvulado e DTH sem válvula. O DTH valvulado pode ser subdividido em válvula de placa, válvula de disco e tipos de válvula cilíndrica, enquanto o DTH sem válvula pode ser dividido em tipo de exaustão de haste central, tipo de distribuição de ar de pistão e distribuição de ar combinada por pistão, cilindro e haste central.
- Por método de lavagem de furos e descarga de escória: lavagem de furos centrais, lavagem de furos frontais e lavagem de furos laterais.
2. Determinação dos Esquemas Estruturais do Mecanismo de Impacto
2.1 Mecanismo de impacto sem válvula de suprimento de gás de pistão
Este tipo de mecanismo de impacto usa principalmente as passagens de gás no próprio pistão para fornecimento de gás, resultando em uma estrutura complexa do pistão com vários canais de gás, o que reduz a resistência e a vida útil do pistão. No entanto, este mecanismo de impacto integra os cilindros interno e externo, aumentando a área de trabalho efetiva do pistão e aumentando a energia de impacto do mecanismo.
2.2 Mecanismo de impacto sem válvula de suprimento de gás combinado de pistão e cilindro
Este tipo apresenta uma estrutura simples que é fácil de fabricar, tem uma vida útil do pistão mais longa e os furos de gás estão localizados tanto no cilindro quanto no pistão. Esta estrutura é amplamente usada no exterior.
2.3 Mecanismo de impacto sem válvula de suprimento de gás de tubo central
Neste mecanismo, as passagens de admissão de ar para as câmaras superior e inferior são dispostas no tubo circular onde o pistão desliza. Ele requer alta precisão de fabricação e tem uma vida útil relativamente curta para o tubo central.
2.4 Mecanismo de impacto de exaustão lateral
O chamado escape lateral significa que o caminho do gás de escape sai do corpo do cilindro em vez de passar pelo centro da broca até o fundo do furo. Esse tipo de mecanismo de impacto normalmente tem muitos caminhos de admissão e escape no corpo do cilindro, levando a baixa resistência estrutural, potencial para rachaduras de fadiga longitudinais e perda significativa de pressão de ar, resultando em remoção de detritos e efeitos de resfriamento abaixo do ideal para a broca.
2.5 Mecanismo de impacto de escape central
Este tipo de mecanismo de impacto expele detritos e gás diretamente do centro da broca para o fundo do furo. O fluxo de ar direto não só melhora a eficiência da remoção de detritos, mas também melhora a eficiência da perfuração e o resfriamento, estendendo a vida útil da broca. Este tipo estrutural substitui as numerosas ranhuras longitudinais no cilindro interno dos mecanismos de impacto de exaustão lateral por uma ranhura anular, reduzindo muito a concentração de estresse no cilindro interno. Tornou-se uma estrutura amplamente adotada nos últimos anos.
Mecanismo de impacto de pistão da série 2.6
O mecanismo de impacto de pistão em série, também conhecido como impactor de pistão duplo (cabeça), divide o cilindro em duas câmaras usando um anel de isolamento. Este projeto permite que ambas as faces do pistão trabalhem simultaneamente dentro do mesmo diâmetro do furo, resultando em maior potência de impacto e maior frequência de impacto. Correspondentemente, há um sistema de exaustão duplo que remove efetivamente o pó de rocha do fundo do furo. No entanto, sua principal desvantagem é sua estrutura complexa e a necessidade de alta precisão na usinagem de peças; por exemplo, o pistão tem até cinco superfícies de acoplamento com componentes associados, o que limita sua aplicação e promoção. Portanto, este projeto adota a segunda opção, que é o mecanismo de impacto sem válvula com suprimento de gás combinado de pistão e cilindro. Sua estrutura é mostrada na Figura 3.
3.Análise teórica e cálculos relevantes para DTH
3.1 Seleção de parâmetros operacionais**
3.1.1 Comprimento e peso do martelo: O projeto preliminar especifica um comprimento inferior a 4500 mm e um peso inferior a 2500 kg.
3.1.2 Diâmetro do martelo: O diâmetro apropriado do martelo é determinado com base no diâmetro da perfuração, definido em 540 mm.
3.1.3 Diâmetro de perfuração: refere-se ao diâmetro do furo da estaca, geralmente entre 550 mm e 600 mm.
3.1.4 Profundidade de perfuração: De acordo com os requisitos do projeto da estaca, normalmente fica entre algumas dezenas de metros e cem metros.
3.1.5 Velocidade de perfuração: a perfuração DTH geralmente opera em baixas velocidades de rotação, normalmente entre 7 e 25 r/s.
3.1.6 Torque rotacional: O torque máximo para este projeto é definido em 150 kN·m.
3.2 Cálculo dos Parâmetros de Projeto
Os parâmetros de projeto para DTH, especificamente os parâmetros de desempenho do equipamento de impacto DTH, servem como base para o projeto da máquina e definem o desempenho do equipamento fabricado.
3.2.1 Pressão de projeto P para equipamentos de impacto
Na China, uma pressão de 0,49 MPa (aproximadamente 5 × 10^5 Pa) é amplamente escolhida como o padrão de projeto para equipamentos de impacto pneumático. Dado que o DTH para este projeto é um dispositivo de impacto sem válvula com um grande diâmetro de perfuração e pistão pesado, uma pressão de ar mais alta aumentará ainda mais o desempenho. Além disso, compressores de ar de alta pressão são cada vez mais comuns e, de acordo com o padrão internacional ISO 5941-1979, uma pressão de projeto de 1,6 MPa é selecionada.
3.2.2 Poder de Impacto
Para DTH usado para perfurar furos de grande diâmetro, a energia de impacto do projeto pode flutuar significativamente. A energia de impacto para este projeto é calculada da seguinte forma:
3.2.3 Frequência de Impacto
Geralmente, sob energia de impacto constante, a frequência de impacto é proporcional à potência de saída do impactador. No entanto, quando o diâmetro do cilindro é fixo, aumentar a frequência de impacto necessita de uma redução no curso do pistão, o que, por sua vez, diminui a potência de impacto único. Uma vez que a potência de impacto único cai abaixo de um certo limite, aumentar a frequência não produzirá resultados satisfatórios de quebra de rochas. Assim, a seleção da frequência de impacto é restringida pela potência de impacto.
Para DTH pneumático operando em uma pressão de projeto de 0,5 MPa, a frequência não deve exceder 16,8 Hz. Como o DTH opera em pressões de projeto entre 0,5 e 2,5 MPa, a frequência de impacto pode variar significativamente. A seleção inicial da frequência do impactador pode ser calculada da seguinte forma:
f = 10,4 + 7,6P
(2) onde P é a pressão de alimentação do sistema. Para este projeto, P = 1,6 MPa, portanto:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Projeto de Parâmetros Estruturais
Os principais parâmetros estruturais do DTH incluem o diâmetro do furo do cilindro, o curso do pistão e as dimensões do pistão. Aumentar o diâmetro do cilindro pode aumentar tanto a potência de impacto quanto a frequência, então o diâmetro deve ser maximizado dentro dos limites do tamanho estrutural. Normalmente, a diferença entre o diâmetro externo do DTH e o diâmetro do furo não deve ser menor que 15 a 20 mm, e o revestimento externo do DTH não deve ser muito fino. Portanto, a proporção do diâmetro do cilindro DTH para o diâmetro de perfuração é geralmente acima de 0,5.
3.3.1 Diâmetro de trabalho do cilindro e curso estrutural
O diâmetro de trabalho D do cilindro pode ser calculado da seguinte forma:
D = K × D(diâmetro) = (0,57 - 0,68) × D(diâmetro) (3)
Para este projeto, D(diâmetro interno) = 600 mm, então D é tomado como 360 mm. O curso estrutural S é empiricamente tomado como S = 500 mm.
3.3.2 Massa do pistão
As dimensões radiais do pistão são limitadas pelo tamanho e estrutura do cilindro, permitindo pistões de diâmetros iguais ou diferentes. As dimensões lineares dependem do peso do pistão, que também se relaciona com a velocidade que ele tem ao atingir a broca. Portanto, determinar as dimensões estruturais do pistão é um aspecto complexo do projeto DTH. A massa do pistão DTH pode ser estimada da seguinte forma:
m = 0,0205D^2,84 (4)
onde m é a massa do pistão em kg; D é o diâmetro de trabalho do cilindro em cm.
Substituindo D = 36, obtemos: m = 540 kg.
O DTH consiste principalmente de uma estrutura de transmissão de torque e um mecanismo de impacto pneumático. A estrutura de transmissão de torque conecta a haste de perfuração e o DTH, transmitindo forças de corte e tração rotacionais; o mecanismo de impacto pneumático gera impacto, fornecendo potência axial à broca de impacto. Detalhes específicos da estrutura são mostrados na Figura 3.
A estrutura de transmissão de torque conecta a haste de perfuração e o impactador. A junta superior conecta-se com a haste de perfuração e o impactador por meio de roscas de tubo, principalmente para garantir a estanqueidade do gás, ao mesmo tempo em que transmite torque e força de tração. A válvula de retenção impede que lama e água entrem no impactador e na haste de perfuração, controlada por uma mola. O assento de entrada de ar com a haste de fornecimento de gás funciona para introduzir ar comprimido no cilindro, facilitando a ação de fornecimento de gás junto com o cilindro e o pistão, obtendo assim o fornecimento de gás combinado. O anel de segurança da mola impede que o pistão deslize para fora do cilindro ao substituir a broca.
3.4 Análise de elementos finitos de broca DTH
A broca DTH é submetida a forças de impacto do pistão e torque da cabeça de acionamento. A força exercida no pistão pelo ar comprimido é dada por:
F = P × S (5)
onde P é a pressão do sistema em Pa; S é a área de força do pistão em m².
Portanto, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Portanto, a força de impacto na broca é:
F' = kF (6)
onde k é o coeficiente de impacto; F é a força exercida na broca pelo ar comprimido em N. Assim, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
O torque aplicado à broca DTH pela cabeça de acionamento é N = 150 kN. Aplicando F' = 2688 kN e N = 150 kN à broca enquanto fixa a face da extremidade inferior da broca, e usando material QT500-7 com um limite de escoamento de 320 MPa, a análise de elementos finitos é realizada. As condições específicas de carga e restrição e a divisão da malha são mostradas nas Figuras 4 e 5.
Os resultados da análise de elementos finitos são mostrados na Figura 6, indicando que a tensão máxima é de 144,355 MPa, que é menor que o limite de escoamento do QT500-7 (320 MPa), atendendo assim aos requisitos.