Selecția optimă a biților PDC pentru extracția cărbunelui
Construcția găurilor de foraj este o metodă tehnică utilizată pe scară largă pentru controlul gazelor, prevenirea daunelor apei și explorarea geologică în minele de cărbune, care joacă un rol crucial în asigurarea siguranței și eficienței producției de cărbune. În China, în minele de cărbune se creează anual zeci de milioane de metri de găuri de foraj. Procesul de construcție necesită sprijinul echipamentelor de foraj, cum ar fi burghie, țevi de foraj și burghie. Printre acestea, burghiele sunt instrumente esențiale pentru formarea directă a găurilor și spargerea pietrelor.
Foaia compozită cu diamant policristalin (PDC) este utilizată pe scară largă în burghie de foraj minier datorită rezistenței sale excepționale la uzură și rezistenței la impact lăudabilă.Biți PDCprezintă o durată de viață prelungită de foraj și o eficiență sporită de penetrare atunci când sunt folosite în formațiuni de rocă de duritate medie și inferioară, producând astfel beneficii economice substanțiale în operațiunile de foraj în minele de cărbune. În comparație cu forarea petrolului, forajul minier de cărbune posedă atributele tehnice de a fi rentabil, eficient în timp și proiectat dens. În consecință, cerințele generale pentru biți PDC nu sunt excesiv de solicitate.
Provocările actuale cu care se confruntă în mineritBiți PDCinclud: ①Pragul de intrare pentru minerit de biți PDC este relativ scăzut, cu o multitudine de producători care oferă niveluri diferite de calitate. ②Utilizările și cerințele forajelor subterane în minele de cărbune prezintă diferențe evidente, în timp ce clasificarea biților PDC pentru minerit este complexă și diversă. În plus, există o lipsă de specificații de selecție sistematică și rațională în procesul de utilizare ulterioară.③Odată cu prevalența în creștere a straturilor dure complexe în minele de cărbune, biți PDC minier convențional nu reușesc să îndeplinească cerințele de construcție pentru forarea eficientă la fața locului, ducând la cazuri de progres lent sau chiar lipsă completă de filmare. procedurile de către personalul din construcții pot fi uneori dificile.
Pentru a spori eficacitatea operațională a minerituluiBiți PDC, această lucrare oferă o analiză cuprinzătoare a modurilor de defecțiune primară și investighează cauzele care stau la baza fiecărei forme de defecțiune. În plus, sunt propuse recomandări practice pentru selecția prudentă și utilizarea atentă a acestor biți.
1.Analiza formei și cauzelor defecțiunii biților PDC în minerit
În prezent, componentele biților PDC pentru minerit constau în principal din corpul bitului, freze PDC, aliaje de calibrare și alte părți, așa cum este prezentat în Figura 1. Frezele PDC și aliajele de calibrare sunt lipite pe corpul bitului pentru a asigura atașarea lor sigură. În timpul operațiunilor obișnuite de găurire, tija de foraj transmite cuplul și presiunea de alimentare în partea de jos a găurii, unde se cuplează cu burghiul. Procesul de tăiere a rocii se realizează prin utilizarea frezelor PDC pe burghiu. În plus, aliajele de calibrare protejează împotriva uzurii excesive prin protejarea integrității circumferențiale a corpului bitului. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că diferiți factori, cum ar fi forțele complexe exercitate asupra tăietorului de la fundul găurii în timpul tăierii rocii cu un bit PDC, modificări ale caracteristicilor formațiunii, selecția tehnicilor și echipamentelor de construcție, competența operațională a personalului implicat în activități de construcție, împreună cu măsurile de control al calității pentru biți înșiși, pot avea un impact semnificativ asupra eficienței aplicării, ceea ce duce la diverse forme de defecțiune a acestor bit. Printr-o investigație efectuată pe site-urile de foraj ale minelor de cărbune, am rezumat și analizat diferite moduri de defecțiune și cauzele primare asociate cuBiți PDC.
1.1 Defectarea frezei PDC apare atunci când PDC este sinterizat în condiții de temperatură ridicată și presiune înaltă. Foaia compozită constă din două componente principale: un strat de diamant și o matrice de carbură, așa cum este ilustrat în Figura 2.
Principalele moduri de defecțiune ale tăietorilor PDC includ uzura normală, descuamarea, colapsul lamei și delaminarea.
(1) Uzură regulată
Fenomenul de uzură normală este un tip de deteriorare tipică care apare la frezele PDC în timpul procesului de tăiere a rocii, caracterizat în primul rând prin pierderi macroscopice semnificative prin măcinare atât în stratul de diamant, cât și în matricea de carbură cimentată a frezelor, fără urme aparente de fisurare pe suprafața de șlefuire.
(2) Scădere de așchii
Fenomenul de cădere a așchiilor are loc atunci când frezele PDC se desprind de corpul bitului, ducând la defectarea bitului. Cea mai proeminentă caracteristică este separarea completă a frezelor PDC de corpul bitului, fără reziduuri de aliaj găsite în groapa unde are loc sudarea între corpul bitului și frezele PDC.
Factorii primari care contribuie la declinul căderii filmului:
① Temperatura ridicată din partea inferioară a găurii de foraj duce la provocări în tehnologia construcției de foraj uscat sau la formarea dopurilor de apă în timpul procesului de foraj, împiedicând, de asemenea, răcirea în timp util a tăietorilor PDC pe foraj în timpul tăierii rocii rotative de mare viteză. În consecință, există o creștere semnificativă a temperaturii în partea de jos a găurii, care poate depăși temperatura critică a lipitului și poate duce la topirea lipitului și detașarea ulterioară a frezelor PDC.
② Controlul procesului de sudare a forajului nu este suficient de strict. În procedura de sudare, există o lipsă de curățare corespunzătoare înainte de sudare, suduri defectuoase sau gestionarea inadecvată a gazelor de eșapament și o temperatură nerezonabilă de conservare a căldurii sau un timp insuficient după sudare, toate acestea putând duce la detașarea bitului. In afara de a cere producatorilor sa reglementeze strict procesul de productie (in special procesul de sudare cu freza PDC) pentru a asigura suduri complete si solide, este necesara si clarificarea procedurii de constructie a forajului optand pentru forarea cu apa ori de cate ori este posibil si evitarea constructiei de foraj uscat. Pentru forarea găurilor adânci, ar trebui să se asigure că apa revine înainte de a adăuga forarea cu tije. În plus, de fiecare dată înainte de a introduce burghiul în fundul găurii, este esențial să verificați dacă există obstacole pentru a preveni blocarea.
(3) Ruperea lamei
Ruptura stratului de diamant la frezele PDC reprezintă un mod predominant de eșec ptBiți PDC. O trăsătură caracteristică a acestui mod de defectare este ruptura localizată a stratului de diamant, în unele cazuri ducând la ruperea simultană alături de matricea de carbură.
Principalele cauze ale ruperii biților PDC:
① Cutterul ales pe baza caracteristicilor inerente ale frezei PDC prezintă o rezistență scăzută la impact. Rezistența combinată a carburii de tungsten (WC) și a micropulbei de diamant este insuficientă, făcându-l predispus la eșec sub stresul fragmentării rocii;
② Factorii legați de procesul de construcție indică faptul că presiunea de construcție la fața locului este excesiv de mare. Presiunea exercitată de freza PDC asupra burghiului depășește semnificativ limita de presiune a frezei, ceea ce duce la ruperea stratului de diamant și la prăbușirea ulterioară a muchiei de tăiere.
③ Factorii legați de formațiunile complexe indică faptul că în timpul construcției formațiunilor dure, fracturate, sarcina de impact asupra frezelor PDC depășește duritatea lor la impact, ceea ce poate duce la prăbușirea muchiei de tăiere.
④ Designul unghiului de tăiere al bitului este inadecvat, deoarece nu respectă principiul conform căruia o formare mai dură necesită un unghi de tăiere mai mare. În construcția de formațiuni dure, un unghi de tăiere mai mic poate duce la o forță excesivă asupra tăietorului PDC, ducând în cele din urmă la prăbușirea muchiei de tăiere.
⑤ Alți factori indică faptul că aranjarea șuruburilor de susținere și a cablurilor de ancorare pe drumurile subterane face ca burghiul să se prăbușească la întâmpinarea acestor elemente. Pentru a preveni defectarea burghiei, este esențial nu numai să respectați cu strictețe parametrii de proces descriși în manualul de instrucțiuni de foraj, ci și să proiectați și să selectați burghiul în funcție de condițiile de formare. Mai exact, atunci când găuriți în formațiuni dure, este recomandabil să creșteți unghiul de tăiere al burghiului în mod corespunzător, să reduceți agresivitatea acestuia și să îmbunătățiți protecția burghiului. În plus, se recomandă selectarea frezelor PDC cu rezistență la impact mai mare atunci când găuriți prin formațiuni dure fracturate sau modificați forma exterioară a stratului de diamant al frezei pentru a îmbunătăți rezistența la impact; de exemplu, frezele curbate PDC prezintă în general o rezistență mai bună la impact decât cele plate. În plus, în timpul construcției ar trebui implementată o dispunere rezonabilă a găurilor pentru a evita găurirea în șuruburi și cabluri de ancorare.
(4) delaminare
Delaminarea se referă la desprinderea stratului de diamant din matricea de carbură cimentată în foile compozite PDC, așa cum este ilustrat în Figura 3.
Cauza principală a delaminării în stratul de diamant al frezelor PDC este tensiunea reziduală substanțială prezentă între stratul de diamant și matricea de carbură cimentată, cuplată cu o diferență semnificativă în coeficienții lor de dilatare termică. În timpul tăierii pietrei, stratul de diamant și matricea de carbură cimentată experimentează contracție asincronă din cauza tensiunilor termice generate de căldura de frecare și răcirea de la fluidele de spălare. Sarcina de impact rezultată și stresul rezidual duc la decojirea stratului de diamant din matricea de carbură, ducând în cele din urmă la defectarea burghiului. Pentru a atenua delaminarea, este esențial să selectați materiale de lipire adecvate și tehnologii de procesare care abordează stresul rezidual dintre aceste două componente în timpul producției. În plus, proiectarea unei noi forme de interfață pentru matrice poate îmbunătăți proprietățile de legătură între stratul de diamant și matricea de carbură cimentată.
1.2 Defecțiunea corpului de foraj este caracterizată în primul rând de fracturi ale lamei în corpul de foraj, așa cum este ilustrat în Figura 4.
Ruptura lamei a corpului bitului are loc în cea mai mare parte în bitul corpului, iar bitul corpului din oțel apare rar. Motivele rupturii lamei corpului bitului sunt următoarele: ① Lovirea lamei corpului bitului la deșurubarea corpului bitului deoarece coroana corpului bitului este sinterizată printr-un proces de metalurgie a pulberilor la un moment dat. în comparație cu bitul obișnuit al corpului din oțel. bitul corpului bitului are o rezistență mai mare la uzură. dar duritatea materialului corpului este redusă în mod corespunzător și este ușor să spargeți lama corpului bitului la deșurubarea corpului bitului; ② Controlul procesului de sinterizare a biților nu este strict. iar corpul bitului sinterizat este antrenat și pulberea metalică nu reușește să formeze un aliaj. Pentru a evita ruperea lamei. utilizatorul ar trebui să folosească mai bine instrumente, cum ar fi cleștele dentar, pentru a asista cătușul la deșurubarea burghiului. pentru a evita lovirea lamei; În al doilea rând. producătorii ar trebui să controleze cu strictețe calitatea corpului sinterizat. nu numai pentru a controla strict procesul de sinterizare. dar și să monitorizeze din când în când pulberea metalică pentru a se asigura că pulberea îndeplinește cerințele procesului.
2. Design optimizat și selecție rezonabilă a bitului PDC pentru minerit
2.1 Design de optimizare a burghiului
(1) Pentru forma de defectare a burghiului, este necesar să se optimizeze structura acestuia din designul forajului. Principalii parametri de proiectare ai bitului PDC includ unghiul de tăiere α. latura Unghiul β. Unghiul de azimut γ. etc. γ se referă la unghiul dintre linia de referință de orientare a dinților PDC și linia centrală a bitului. α se referă la Unghiul dintre linia de referință de orientare a dintelui PDC și planul de lucru al frezei. după cum se arată în Figura 5. β se referă la Unghiul dintre planul prin punctul central și linia centrală a bitului și planul de lucru al frezei. așa cum se arată în Figura 6. Cercetările preliminare și analiza cuprinzătoare a aplicației arată că unghiul de tăiere și unghiul lateral al frezelor PDC pot afecta în mod direct durata de viață și eficiența de găurire a burghiului. și este necesară optimizarea designului bitului în funcție de diferite formațiuni de foraj. Designul unghiului de tăiere va afecta foarte mult eficiența forajului. sau chiar nicio înregistrare; Dacă unghiul de tăiere este prea mic. marginea PDC este predispusă la rupere și alte fenomene. Prin urmare. designul forajului trebuie luat în considerare în mod cuprinzător atunci când se selectează schema de parametri, alegând un unghi de tăiere moderat și un unghi lateral, mai degrabă decât un design aleatoriu.
(2) Pe lângă optimizarea unghiului de tăiere al bitului, este esențial să se optimizeze și frezele PDC. Calitatea frezelor PDC influențează în mod semnificativ biții PDC pentru minerit, deoarece determină direct performanța de tăiere și durata de viață a acestora. Un factor critic în îmbunătățirea calității PDC este eliminarea tensiunii reziduale la interfața de legătură dintre stratul de diamant și matricea de carbură cimentată. Cercetările indică faptul că solicitarea maximă la frezele PDC cu o structură de interfață plană este concentrată în apropierea ambelor părți ale acestei interfețe, cu tensiuni maxime de tracțiune și forfecare care apar la marginea stratului de diamant. Prezența tensiunii de tracțiune poate duce la fracturi anormale în PDC, în timp ce efortul de forfecare servește drept cauză principală pentru delaminare la frezele PDC.
(3) În plus față de eliminarea stresului rezidual în frezele PDC, tratamentele secundare pot îmbunătăți și mai mult calitatea acestora. În prezent, metodele primare de tratare a suprafeței includ șlefuirea suprafeței cu diamante, teșirea marginilor și prelucrarea în formă. Selecția de tăietoare PDC poate fi optimizată pe baza condițiilor reale de lucru.
2.2 Selecția rezonabilă a burghiilor
În prezent, biții PDC utilizați în operațiunile de foraj în fond în majoritatea zonelor miniere au în principal un design concav cu trei aripi. Cu toate acestea, selecția acestor biți este adesea limitată și nu are clasificare, rezultând o abordare universală care nu abordează în mod adecvat cerințele specifice ale diferitelor straturi. Acest lucru este deosebit de problematic în condiții complexe de formare, în care biți concavi convenționali se luptă să ofere performanțe satisfăcătoare, ceea ce duce la scurtarea duratei de viață a bitului și la reducerea eficienței de foraj. Astfel de ineficiențe nu numai că cresc costurile de producție, dar pot, de asemenea, perturba programele de construcție și pot duce la pierderi economice semnificative. Prin urmare, este esențial să selectați burghie adecvate, adaptate la diferitele condiții de formare.
Biții PDC pentru minerit pot fi clasificați în două tipuri principale în funcție de materialul corpului bitului: tipul de oțel și tipul anvelopei. Corpurile de bit de tip oțel sunt prelucrate în primul rând prin metode mecanice, oferind o rezistență bună care le face potrivite pentru operațiunile convenționale de foraj în formațiuni. Dimpotrivă, corpurile de burghie de tip anvelopă sunt sinterizate folosind procese de metalurgie a pulberilor, oferind o rezistență ridicată la uzură, ideală pentru forarea rocii dure sau sarcinile de foraj extinse. În plus, burghiele pot fi clasificate în diferite structuri, inclusiv concavă internă, colț arc, fund plat, racletă și altele, așa cum este ilustrat în Figura 7. ①Designul structurii concave a burghiului concav îmbunătățește efectele de îndreptare în timpul construcției formațiunilor convenționale; ②Dispunerea dispersată a dinților a arcului are ca rezultat o densitate mai mare a dinților și o eficiență îmbunătățită a forajului atunci când se lucrează cu straturi de durere medie și mai sus; ③Forma buzei frezei cu fund plat este aproape plată, ceea ce își ascutește marginile laterale pentru a facilita deformarea - acest design este utilizat în principal pentru aplicații de găurire direcțională; ④ Bitul de raclere are de obicei o structură conică care oferă o agresivitate mai mare și este folosit în principal în construcții cu strate moi sau cusături de cărbune.
Biții PDC de minerit actuali au fost rezumați și organizați, împreună cu criteriile de selecție pentru biții PDC în diferite condiții de lucru și formare, așa cum sunt prezentate în Tabelul 1 pentru referință.
3. Utilizarea precauțiilor pentru biți PDC pentru minerit
Pe lângă selectarea cu atenție a burghiilor, este la fel de esențial să utilizați corect aceste instrumente. Având în vedere condițiile dificile de construcție din minele de cărbune, lucrătorii se luptă adesea să respecte cu strictețe liniile directoare operaționale ale bitului PDC, ceea ce duce la cazuri frecvente de defecțiune a bitului din cauza manipulării necorespunzătoare. Într-un efort de a spori eficiența forajului, unele zone miniere pot crește fără discriminare greutatea bitului în timpul operațiunilor, ceea ce duce la defectarea prematură a bitului. Utilizarea corectă a biților PDC poate optimiza performanța acestora și poate reduce costurile de producție. Trebuie acordată atenție următoarelor considerații atunci când utilizați biți PDC:
(1) Acordați atenție relației de gradare dintre burghiul PDC și instrumentul de foraj, asigurându-vă că țeava de foraj cu diametru mare nu este potrivită cu țeava de foraj cu diametru prea mic și țeava de foraj cu diametru mic nu este potrivită cu burghiul cu diametru mare.
(2) Abordarea optimă este utilizarea unui burghiu specializat sau a unui burghiu vechi pentru construcția cuiburilor, asigurându-se în același timp că procesul de foraj evită apropierea șuruburilor laterale ale benzii, cablurilor de ancorare și obstacolelor similare.
(3) La efectuarea operațiunilor de foraj, este esențială reglarea presiunii de alimentare pentru a preveni accidentele cauzate de presiunea excesivă în gaura de foraj.
(4) Vă rugăm să utilizați tehnica de forare cu apă curată, abținându-vă de la forarea uscată sau forarea cu aer sub presiune. Înainte de a începe operațiunile de forare sub presiune, asigurați-vă o circulație adecvată a apei în gaură pentru a preveni potențialele incidente de ardere la baza acesteia.
(5) Când scoateți bitul, asigurați-vă că nu prindeți sau loviți cuțitul PDC. În plus, aveți grijă să nu loviți lama corpului bitului.
4. Concluzie
Exploatarea ecologică sigură și eficientă a cărbunelui a fost în mod constant o temă centrală susținută de industria cărbunelui. Utilizarea eficientă a biților PDC pentru operațiuni de foraj subteran în minele de cărbune are o importanță semnificativă. Această lucrare analizează modurile de defecțiune ale biților PDC de minerit, elucidând cauzele primare din spatele diferitelor forme de defecțiune. Propune strategii optime de proiectare și selecție pentru biți în diferite condiții de lucru și formațiuni geologice, în timp ce rezumă măsurile de precauție pentru utilizarea acestora, oferind astfel o referință pentru selecția și aplicarea îmbunătățită a biților PDC pentru minerit. Selecția judicioasă și utilizarea adecvată a biților PDC pentru minerit pot maximiza eficacitatea acestora, pot minimiza risipa de resurse și pot îmbunătăți siguranța, eficiența și practicile ecologice în mineritul cărbunelui.