Despărțirea codului forajului Hard Rock: tehnologia DTH care schimbă jocul.
În funcție de condițiile geologice ale zonei de construcție, există patru metode principale de foraj utilizate în mod obișnuit de instalațiile de foraj, așa cum se arată în Figura 1.
o. Capetele rotative acționate pneumatic sau hidraulic, combinate cu echipamente de impact, transmit energie de rotație și de impact prin partea superioară ateava de foraj, furnizând energie burghiului prin undele de șoc în țeava de foraj. Această metodă este limitată la diametre mici și adâncimi mici și este utilizată în general în cariere, șantiere și operațiuni miniere subterane.
b.Ciocane de jos (DTH). sunt situate în partea de jos a garniturii de foraj. Aerul comprimat intră în DTH prin garnitura de foraj, antrenând un piston într-o mișcare alternativă care impactează direct burghiul, transferând energia de impact rocii. Acest sistem are pierderi minime de putere și este potrivit în special pentru găuri adânci, găuri drepte și roci cu duritate medie.
c.Foraj cu circulație inversă (RC).folosește DTH pentru a colecta și transporta probe de rocă de pe fața burghiului. Butașii uscati și necontaminați sunt transportați prin conducta centrală a DTH într-un dispozitiv de colectare a probei, pregătindu-se pentru analiza geologică.
d. O cutie de viteze antrenată de motoare hidraulice sau electrice formează un cap de putere rotativ, aplicând o forță de avans suficientă burghiului cu trei conuri printr-un sistem de alimentare care se mișcă în sus și în jos pe instalația de foraj și o țeavă de foraj cu pereți groși. Această metodă este folosită pentru roci mai moi sau roci dure puternic îmbinate.
- Principii și caracteristici ale DTH
Formațiunile forate cu DTH sunt aproape în întregime capabile să includă toate rocile magmatice, rocile metamorfice și rocile sedimentare care sunt mediu-dure sau mai dure. DTH este deosebit de avantajos pentru forarea rocii dure și a straturilor dure, deoarece rocile dure tinde să fie casante. Sub sarcini de impact, fracturile nu apar numai la locul impactului direct, dar creează și o zonă spartă, rezultând fragmente de rocă mai mari. Astfel, viteza de găurire este semnificativ mai rapidă în comparație cu găurirea rotativă pură. Modelul mecanic din figura 2 ilustrează diferitele sarcini care acționează asupra rocii în timpul forării rotative de impact.
În plus, forarea DTH (Down-the-Hole) este foarte eficientă în formațiunile predispuse la deviația forajului, cum ar fi straturile cu așternut și folie bine dezvoltate sau straturi de rocă cu duritate neuniformă și multe fracturi. Poate reduce semnificativ deviația forajului și, de asemenea, poate depăși dificultățile de foraj prin straturi de pietriș și paturi de bolovani.
Forajul DTH a fost dezvoltat la sfârșitul secolului al XIX-lea și are o istorie de peste un secol. Deși există multe tipuri de burghie DTH, ele au o caracteristică comună: atât mecanismul de impact, cât și burghiul sunt scufundate în gaura de foraj, cu rotație combinată cu impact pentru a sparge roca. Echipamentele utilizate pentru generarea forței de impact pot fi clasificate în funcție de metoda lor de antrenare în tipuri pneumatice, hidraulice, presiune ulei, electrice și mecanice.
Deoarece energia de impact suferă pierderi semnificative în timpul transmisiei și poate provoca daune substanțiale componentelor afectate, în general, în operațiunile de foraj mai profunde, este necesar ca echipamentul să intre în gaura de foraj cu instrumentul de foraj, astfel încât forța de impact de ieșire să poată acționa direct asupra burghiului sau cilindrului. Acest lucru minimizează pierderile de energie în timpul transmisiei, îmbunătățește eficiența energetică și reduce probabilitatea defecțiunilor echipamentelor de fund.
DTH pneumatic, cunoscut și sub denumirea de DTH acționat cu aer, vine în multe tipuri structurale și metode de clasificare.
- După evaluarea presiunii: tipuri de presiune înaltă, presiune medie și presiune joasă.
- După structura generală: tipuri non-through și through.
- După principiul de funcționare a supapei: tip supapă de control, tip supapă liberă și tip supapă hibridă.
- După structura pistonului: piston cu diametru egal, piston cu diametru inegal și tipuri de piston tandem.
- După tipul de distribuție a aerului: DTH cu supape și DTH fără supape. DTH cu supapă poate fi subdivizat în tipuri de supape cu placă, supapă cu disc și supape cilindrice, în timp ce DTH fără supapă poate fi împărțit în tip de evacuare cu tijă centrală, tip de distribuție a aerului cu piston și distribuție combinată a aerului pe piston, cilindru și tijă centrală.
- Prin spălarea găurilor și metoda de evacuare a zgurii: spălare găuri centrale, spălare găuri frontale și spălare găuri laterale.
2. Determinarea Schemelor Structurale ale Mecanismului de Impact
2.1 Mecanism de impact fără supapă de alimentare cu gaz cu piston
Acest tip de mecanism de impact utilizează în primul rând pasajele de gaz din pistonul în sine pentru alimentarea cu gaz, rezultând o structură complexă a pistonului cu numeroase canale de gaz, ceea ce reduce rezistența și durata de viață a pistonului. Cu toate acestea, acest mecanism de impact integrează cilindrii interior și exterior, mărind zona de lucru efectivă a pistonului și sporind energia de impact a mecanismului.
2.2 Mecanism de impact fără supapă de alimentare cu gaz combinat cu piston și cilindru
Acest tip are o structură simplă care este ușor de fabricat, are o durată de viață mai lungă a pistonului, iar orificiile de gaz sunt situate atât pe cilindru, cât și pe piston. Această structură este utilizată pe scară largă în străinătate.
2.3 Mecanism de impact fără supapă de alimentare cu gaz a conductei centrale
În acest mecanism, pasajele de admisie a aerului pentru camerele superioare și inferioare sunt dispuse pe conducta circulară în care alunecă pistonul. Necesită o mare precizie de fabricație și are o durată de viață relativ scurtă pentru conducta centrală.
2.4 Mecanismul de impact lateral al evacuarii
Așa-numita evacuare laterală înseamnă că calea gazelor de eșapament iese din corpul cilindrului, mai degrabă decât să treacă prin centrul burghiului până în partea de jos a găurii. Acest tip de mecanism de impact are în mod obișnuit multe căi de admisie și evacuare pe corpul cilindrului, ceea ce duce la o rezistență structurală slabă, potențial de fisuri de oboseală longitudinală și pierderi semnificative de presiune a aerului, ducând la îndepărtarea resturilor suboptime și la efecte de răcire pentru burghiu.
2.5 Mecanismul de impact central al evacuarii
Acest tip de mecanism de impact elimină reziduurile și gazul direct din centrul burghiului spre fundul găurii. Fluxul de aer direct nu numai că îmbunătățește eficiența de îndepărtare a resturilor, ci și eficiența forării și răcirea, prelungind durata de viață a burghiului. Acest tip structural înlocuiește numeroasele caneluri longitudinale din cilindrul interior al mecanismelor de impact laterale de evacuare cu o canelură inelară, reducând foarte mult concentrația de tensiuni în cilindrul interior. A devenit o structură larg adoptată în ultimii ani.
Mecanism de impact cu piston din seria 2.6
Mecanismul de lovire cu piston din serie, cunoscut și sub numele de impactor cu piston dublu (cap), împarte cilindrul în două camere folosind un inel de izolare. Acest design permite ambelor fețe ale pistonului să funcționeze simultan în același diametru al alezajului, rezultând o putere de impact mai mare și o frecvență de impact mai mare. În mod corespunzător, există un sistem dublu de evacuare care îndepărtează eficient praful de rocă din fundul găurii. Cu toate acestea, principalul său dezavantaj este structura sa complexă și nevoia de înaltă precizie în prelucrarea pieselor; de exemplu, pistonul are până la cinci suprafețe de împerechere cu componente asociate, ceea ce limitează aplicarea și promovarea acestuia. Prin urmare, acest design adoptă a doua opțiune, care este mecanismul de impact fără supapă cu alimentare cu gaz combinată cu piston și cilindru. Structura sa este prezentată în figura 3.
3.Analiza teoretică și calcule relevante pentru DTH
3.1 Selectarea parametrilor de funcționare**
3.1.1 Lungimea și greutatea ciocanului: Proiectul preliminar specifică o lungime mai mică de 4500 mm și o greutate mai mică de 2500 kg.
3.1.2 Diametrul ciocanului: Diametrul ciocanului corespunzător este determinat pe baza diametrului de găurire, stabilit la 540 mm.
3.1.3 Diametrul de foraj: Se referă la diametrul găurii pilonului, în general între 550 mm și 600 mm.
3.1.4 Adâncimea de foraj: Conform cerințelor de proiectare a piloților, aceasta este de obicei între câteva zeci de metri și o sută de metri.
3.1.5 Viteza de foraj: Forajul DTH funcționează în general la viteze de rotație mici, de obicei între 7 și 25 r/s.
3.1.6 Cuplul de rotație: Cuplul maxim pentru acest proiect este setat la 150 kN·m.
3.2 Calculul parametrilor de proiectare
Parametrii de proiectare pentru DTH, în special parametrii de performanță ai echipamentului de impact DTH, servesc ca bază pentru proiectarea mașinii și definesc performanța echipamentului fabricat.
3.2.1 Presiunea de proiectare P pentru echipamente de impact
În China, o presiune de 0,49 MPa (aproximativ 5 × 10^5 Pa) este aleasă pe scară largă ca standard de proiectare pentru echipamentele de impact pneumatic. Având în vedere că DTH pentru acest design este un dispozitiv de impact fără supapă, cu un diametru mare de găurire și piston greu, o presiune mai mare a aerului va îmbunătăți și mai mult performanța. În plus, compresoarele de aer de înaltă presiune sunt din ce în ce mai frecvente și, în conformitate cu standardul internațional ISO 5941-1979, este selectată o presiune de proiectare de 1,6 MPa.
3.2.2 Puterea de impact
Pentru DTH folosit pentru găuri de diametru mare, energia de impact de proiectare poate fluctua semnificativ. Energia de impact pentru acest proiect este calculată după cum urmează:
3.2.3 Frecvența impactului
În general, la energie de impact constantă, frecvența impactului este proporțională cu puterea de ieșire a elementului de lovire. Cu toate acestea, atunci când diametrul cilindrului este fix, creșterea frecvenței de impact necesită o reducere a cursei pistonului, care la rândul său scade puterea unică de impact. Odată ce puterea unică de impact scade sub un anumit prag, creșterea frecvenței nu va produce rezultate satisfăcătoare la spargerea pietrei. Astfel, selectarea frecvenței de impact este constrânsă de puterea de impact.
Pentru DTH pneumatic care funcționează la o presiune de proiectare de 0,5 MPa, frecvența nu trebuie să depășească 16,8 Hz. Deoarece DTH funcționează la presiuni de proiectare între 0,5 și 2,5 MPa, frecvența impactului poate varia semnificativ. Selecția inițială a frecvenței elementului de lovire poate fi calculată după cum urmează:
f = 10,4 + 7,6P
(2) unde P este presiunea de alimentare a sistemului. Pentru acest proiect, P = 1,6 MPa, prin urmare:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Proiectarea parametrilor structurali
Principalii parametri structurali ai DTH includ diametrul alezajului cilindrului, cursa pistonului și dimensiunile pistonului. Creșterea diametrului cilindrului poate spori atât puterea de impact, cât și frecvența, astfel încât diametrul ar trebui să fie maximizat în limitele dimensiunii structurale. De obicei, diferența dintre diametrul exterior al DTH și diametrul alezajului nu trebuie să fie mai mică de 15 până la 20 mm, iar carcasa exterioară a DTH nu trebuie să fie prea subțire. Prin urmare, raportul dintre diametrul cilindrului DTH și diametrul de găurire este în general peste 0,5.
3.3.1 Diametrul de lucru al cilindrului și cursa structurală
Diametrul de lucru D al cilindrului poate fi calculat după cum urmează:
D = K × D(alezaj) = (0,57 - 0,68) × D(alezaj) (3)
Pentru acest design, D(alezaj) = 600 mm, deci D este luat ca 360 mm. Cursa structurală S este luată empiric ca S = 500 mm.
3.3.2 Masa pistonului
Dimensiunile radiale ale pistonului sunt limitate de dimensiunea și structura cilindrului, permițând pistoane cu diametru egal sau diferit. Dimensiunile liniare depind de greutatea pistonului, care se referă și la viteza pe care o are la lovirea burghiului. Prin urmare, determinarea dimensiunilor structurale ale pistonului este un aspect complex al proiectării DTH. Masa pistonului DTH poate fi estimată după cum urmează:
m = 0,0205D^2,84 (4)
unde m este masa pistonului în kg; D este diametrul de lucru al cilindrului în cm.
Înlocuind D = 36 se obține: m = 540 kg.
DTH constă în principal dintr-o structură de transmisie a cuplului și un mecanism pneumatic de impact. Structura de transmisie a cuplului conectează tija de foraj și DTH, transmițând forțele de tăiere și tragere de rotație; mecanismul pneumatic de impact generează impact, oferind putere axială burghiului cu impact. Detaliile specifice structurii sunt prezentate în Figura 3.
Structura de transmisie a cuplului conectează tija de foraj și elementul de lovire. Articulația superioară se conectează cu tija de foraj și elementul de lovire prin filete ale țevii, în primul rând pentru a asigura etanșeitatea la gaze, transmitend și cuplul și forța de tragere. Supapa de reținere împiedică pătrunderea noroiului și apei în elementul de lovire și tija de foraj, controlată de un arc. Scaunul de admisie a aerului cu tija de alimentare cu gaz funcționează pentru a introduce aer comprimat în cilindru, facilitând acțiunea de alimentare cu gaz împreună cu cilindrul și pistonul, realizând astfel alimentarea combinată cu gaz. Inelul de siguranță cu arc previne alunecarea pistonului din cilindru la înlocuirea burghiului.
3.4 Analiza cu elemente finite a burghiului DTH
Burghiul DTH este supus forțelor de impact ale pistonului și cuplului de la capul de antrenare. Forța exercitată asupra pistonului de aerul comprimat este dată de:
F = P × S (5)
unde P este presiunea sistemului în Pa; S este aria de forță a pistonului în m².
Astfel, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Prin urmare, forța de impact asupra burghiului este:
F' = kF (6)
unde k este coeficientul de impact; F este forța exercitată asupra burghiului de aerul comprimat în N. Astfel, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Cuplul aplicat burghiului DTH de către capul de antrenare este N = 150 kN. Aplicând F' = 2688 kN și N = 150 kN burghiului în timp ce se fixează suprafața de capăt inferioară a burghiului și folosind material QT500-7 cu o curgere de 320 MPa, se efectuează analiza cu elemente finite. Condițiile specifice de încărcare și constrângeri și diviziunea ochiurilor sunt prezentate în figurile 4 și 5.
Rezultatele analizei cu elemente finite sunt prezentate în Figura 6, indicând faptul că solicitarea maximă este de 144,355 MPa, care este mai mică decât limita de curgere a QT500-7 (320 MPa), îndeplinind astfel cerințele.