Optimálny výber bitov PDC pre ťažbu uhlia

Stavba vrtu je široko používaná technická metóda na kontrolu plynu, prevenciu škôd spôsobených vodou a geologický prieskum v uhoľných baniach, ktorý zohráva kľúčovú úlohu pri zabezpečovaní bezpečnosti a efektívnosti ťažby uhlia. V Číne sa v uhoľných baniach ročne vytvoria desiatky miliónov metrov vrtov. Konštrukčný proces vyžaduje podporu vŕtacieho zariadenia, ako sú vrtáky, vrtné rúrky a vrtáky. Medzi nimi sú vrtáky základnými nástrojmi na priame vytváranie otvorov a lámanie hornín.

Polykryštalický diamantový kompozitný list (PDC) sa vo veľkej miere používa v banských vrtných korunkách vďaka svojej výnimočnej odolnosti proti opotrebovaniu a chvályhodnej rázovej húževnatosti.PDC bityvykazujú predĺženú životnosť vŕtania a zvýšenú penetračnú účinnosť pri použití v stredne tvrdých a nižších horninových formáciách, čím prinášajú značné ekonomické výhody pri vŕtaní v uhoľných baniach. V porovnaní s ťažbou ropy má ťažba uhlia technické atribúty, že je nákladovo efektívna, časovo efektívna a hustá. V dôsledku toho nie sú celkové požiadavky na bity PDC príliš náročné.

Súčasné výzvy, ktorým čelí ťažbaPDC bityzahŕňajú: ① Vstupný prah pre ťažbu bitov PDC je relatívne nízky, pričom množstvo výrobcov ponúka rôzne úrovne kvality. ②Využitie a požiadavky podzemného vŕtania v uhoľných baniach vykazujú zjavné rozdiely, zatiaľ čo klasifikácia ťažobných PDC bitov je zložitá a rôznorodá. Okrem toho chýbajú systematické a racionálne výberové špecifikácie v následnom procese využitia.③S rastúcou prevahou zložitých tvrdých vrstiev v uhoľných baniach konvenčné ťažobné PDC bity nespĺňajú konštrukčné požiadavky na efektívne vŕtanie na mieste, čo má za následok pomalé napredovanie alebo dokonca úplnú absenciu záberov.④Vzhľadom na náročné stavebné podmienky v uhoľnej bani môže byť niekedy ťažké dodržiavanie stavebných postupov pri vŕtaní personálu.

S cieľom zvýšiť prevádzkovú efektivitu ťažbyPDC bityTento dokument poskytuje komplexnú analýzu primárnych režimov zlyhania a skúma základné príčiny každej formy zlyhania. Okrem toho sú navrhnuté praktické odporúčania pre obozretný výber a pozorné používanie týchto bitov.

1.Analýza formy a príčin zlyhania bitu PDC pri ťažbe

V súčasnosti komponenty ťažobných PDC bitov pozostávajú predovšetkým z tela bitov, PDC fréz, kalibrových zliatin a iných častí, ako je znázornené na obrázku 1. PDC frézy a kalibračné zliatiny sú na telo bitu priletované, aby sa zabezpečilo ich bezpečné pripevnenie. Počas bežných vŕtacích operácií prenáša vrtná tyč krútiaci moment a posuvný tlak na spodok otvoru, kde zaberá s vrtákom. Proces rezania hornín sa vykonáva pomocou PDC fréz na vrtáku. Zliatiny kalibru navyše chránia pred nadmerným opotrebovaním tým, že chránia obvodovú integritu tela vrtáka. Je však potrebné poznamenať, že rôzne faktory, ako sú zložité sily pôsobiace na frézu na dne otvoru počas rezania horniny pomocou PDC bitu, zmeny charakteristík formovania, výber konštrukčných techník a zariadení, prevádzková odbornosť personálu zapojených do stavebných činností spolu s opatreniami na kontrolu kvality samotných bitov, môžu významne ovplyvniť účinnosť aplikácie, čo vedie k rôznym formám zlyhania týchto bitov. Prostredníctvom vyšetrovania na miestach vŕtania uhoľných baní sme zhrnuli a analyzovali rôzne spôsoby zlyhania a primárne príčiny spojené sPDC bity.

1.1 Porucha rezačky PDC nastane, keď sa PDC speká pri vysokej teplote a vysokom tlaku. Kompozitný plech pozostáva z dvoch hlavných komponentov: diamantovej vrstvy a karbidovej matrice, ako je znázornené na obrázku 2.

Primárne spôsoby zlyhania rezačiek PDC zahŕňajú normálne opotrebovanie, odlupovanie, zrútenie čepele a delamináciu.

(1) Bežné opotrebovanie

Fenomén normálneho opotrebovania je typ typického poškodenia, ktoré sa vyskytuje v PDC frézach počas procesu rezania hornín, charakterizované predovšetkým významnými makroskopickými stratami pri brúsení v diamantovej vrstve aj v matrici zo slinutého karbidu fréz, bez akýchkoľvek zjavných stôp po praskaní na brúsnom povrchu.

(2) Odpad čipu

K javu vypadávania triesky dochádza, keď sa PDC frézy oddelia od tela bitu, čo má za následok zlyhanie bitu. Najvýraznejšou charakteristikou je úplné oddelenie PDC fréz od ​​tela korunky, pričom sa v jamke, kde dochádza k zváraniu medzi telom korunky a PDC frézami, nenachádzajú žiadne zvyšky zliatiny.

Primárne faktory, ktoré prispievajú k poklesu padajúceho filmu:

① Zvýšená teplota na dne vrtu vedie k problémom v technológii suchého vŕtania alebo vytváraniu vodnej zátky počas procesu vŕtania a zároveň bráni včasnému chladeniu PDC fréz na vrtáku počas vysokorýchlostného rotačného rezania hornín. V dôsledku toho dochádza k výraznému zvýšeniu teploty na dne otvoru, čo môže prekročiť kritickú teplotu spájky a viesť k roztaveniu spájky a následnému oddeleniu rezačiek PDC.

② Kontrola procesu zvárania vŕtačkou nie je dostatočne prísna. Pri postupe zvárania chýba správne čistenie pred zváraním, chybné zvary alebo neadekvátne hospodárenie s výfukovými plynmi a neprimeraná teplota uchovávania tepla alebo nedostatočný čas po zváraní, čo všetko môže viesť k oddeleniu nástavca. Okrem náročných výrobcov na prísnu reguláciu výrobného procesu (najmä proces zvárania PDC frézou), aby sa zabezpečili úplné a pevné zvary, je tiež potrebné objasniť postup konštrukcie vŕtania tým, že sa vždy, keď je to možné, rozhodneme pre vŕtanie vodou a vyhneme sa suchej konštrukcii vŕtania. Pri vŕtaní hlbokých otvorov by sa malo pred pridaním tyčového vŕtania zabezpečiť, aby sa voda vrátila späť. Okrem toho pred každým vložením vrtáka do spodnej časti otvoru je nevyhnutné skontrolovať, či tam nie sú nejaké prekážky, aby sa zabránilo upchatiu.

(3) Zlomenie čepele

Zlomenie diamantovej vrstvy v PDC frézach predstavuje prevládajúci spôsob zlyhania prePDC bity. Charakteristickým znakom tohto spôsobu zlyhania je lokalizované pretrhnutie diamantovej vrstvy, pričom v niektorých prípadoch dochádza k súčasnému rozbitiu popri karbidovej matrici.

Hlavné príčiny zlomenia bitov PDC:

① Fréza vybraná na základe vlastných charakteristík frézy PDC vykazuje nízku odolnosť proti nárazu. Kombinovaná pevnosť karbidu volfrámu (WC) a diamantového mikroprášku je nedostatočná, čo spôsobuje, že je náchylný na zlyhanie pri namáhaní fragmentácie hornín;

② Faktory súvisiace s procesom výstavby naznačujú, že stavebný tlak na mieste je príliš vysoký. Tlak vyvíjaný PDC frézou na korunku výrazne prekračuje tlakovú hranicu frézy, čo vedie k odlupovaniu diamantovej vrstvy a následnému zrúteniu reznej hrany.

③ Faktory súvisiace so zložitými formáciami naznačujú, že pri konštrukcii tvrdých, zlomených formácií, rázová záťaž na PDC frézy prevyšuje ich rázovú húževnatosť, čo môže viesť k zrúteniu reznej hrany.

④ Konštrukcia uhla rezu bitov je neadekvátna, pretože nedodržiava zásadu, že tvrdšia formácia si vyžaduje väčší uhol rezu. Pri konštrukcii tvrdých útvarov môže mať menší uhol rezu za následok nadmernú silu na PDC frézu, čo v konečnom dôsledku vedie k zrúteniu reznej hrany.

⑤ Iné faktory naznačujú, že usporiadanie podporných skrutiek a kotevných káblov v podzemných cestách spôsobuje, že vrták sa pri stretnutí s týmito prvkami veľmi ľahko zrúti. Aby sa predišlo zlyhaniu vrtáka, je dôležité nielen prísne dodržiavať parametre procesu uvedené v návode na vŕtanie, ale tiež navrhnúť a vybrať vrták na základe podmienok formovania. Konkrétne pri vŕtaní do tvrdých útvarov je vhodné primerane zväčšiť uhol rezu korunky, znížiť jej agresivitu a zvýšiť ochranu korunky. Okrem toho sa odporúča výber PDC fréz s vyššou rázovou húževnatosťou pri vŕtaní cez tvrdé lomové útvary alebo pri úprave vonkajšieho tvaru diamantovej vrstvy frézy na zlepšenie rázovej húževnatosti; napríklad zakrivené PDC frézy vo všeobecnosti vykazujú lepšiu odolnosť proti nárazu ako ploché typy. Okrem toho by sa počas výstavby malo zaviesť primerané rozloženie otvorov, aby sa zabránilo vŕtaniu do skrutiek a kotevných káblov.

(4) Delaminácia

Delaminácia sa vzťahuje na oddelenie diamantovej vrstvy od matrice slinutého karbidu v PDC kompozitných doskách, ako je znázornené na obrázku 3.

Primárnou príčinou delaminácie v diamantovej vrstve PDC fréz je značné zvyškové napätie prítomné medzi diamantovou vrstvou a matricou slinutého karbidu, spojené s významným rozdielom v ich koeficientoch tepelnej rozťažnosti. Počas rezania hornín dochádza k asynchrónnej kontrakcii diamantovej vrstvy a matrice zo slinutého karbidu v dôsledku tepelných napätí generovaných trecím teplom a chladením z umývacích kvapalín. Výsledné rázové zaťaženie a zvyškové napätie vedú k odlupovaniu diamantovej vrstvy z karbidovej matrice, čo v konečnom dôsledku vedie k poruche vrtáku. Na zmiernenie delaminácie je nevyhnutné vybrať vhodné spojovacie materiály a technológie spracovania, ktoré riešia zvyškové napätie medzi týmito dvoma komponentmi počas výroby. Navyše, návrh nového tvaru rozhrania pre matricu môže zlepšiť väzbové vlastnosti medzi diamantovou vrstvou a matricou zo slinutého karbidu.

1.2 Porucha tela vrtáka je primárne charakterizovaná zlomeninami čepele v tele vrtáku, ako je znázornené na obrázku 4.

 

Zlomenie čepele tela korunky sa väčšinou vyskytuje v tele korunky a korunky s oceľovým telom sa vyskytujú zriedka. Príčiny zlomenia čepele tela vrtáka sú nasledovné: ① Zasiahnutie čepele tela vrtáka pri odskrutkovaní tela vrtáku, pretože korunka tela vrtáka je naraz sintrovaná procesom práškovej metalurgie. v porovnaní s bežným oceľovým nástavcom. bit telo bitu má vyššiu odolnosť proti opotrebovaniu. ale húževnatosť materiálu tela vrtáka je zodpovedajúcim spôsobom znížená a je ľahké zlomiť čepeľ tela vrtáka pri odskrutkovaní tela vrtáka; ② Kontrola procesu spekania bitov nie je prísna. a teleso spekaného hrotu je strhávané a kovový prášok netvorí zliatinu. Aby sa predišlo zlomeniu čepele. používateľ by mal lepšie použiť nástroje, ako sú zubárske kliešte, aby pomohol okovu pri odskrutkovaní vŕtačky. aby sa predišlo klepaniu čepele; Po druhé. výrobcovia by mali prísne kontrolovať kvalitu sintrovaného telesa. nielen prísne kontrolovať proces spekania. ale tiež z času na čas monitorovať kovový prášok, aby sa zabezpečilo, že prášok spĺňa požiadavky procesu.

2. Optimalizovaný dizajn a rozumný výber ťažobného bitu PDC

2.1 Návrh optimalizácie vrtáku

(1) Pre poruchový tvar korunky je potrebné optimalizovať jej štruktúru z konštrukcie vrtáka. Medzi hlavné konštrukčné parametre bitu PDC patrí uhol rezu α. bočný uhol β. azimut Uhol γ. atď. y označuje uhol medzi orientačnou referenčnou čiarou zubov PDC a stredovou čiarou bitu. α označuje uhol medzi orientačnou referenčnou čiarou zuba PDC a pracovnou rovinou frézy. ako je znázornené na obrázku 5. β označuje uhol medzi rovinou prechádzajúcou stredovým bodom a stredovou čiarou vrtáka a pracovnou rovinou frézy. ako je znázornené na obrázku 6. Predbežný výskum a komplexná aplikačná analýza ukazujú, že uhol rezu a bočný uhol fréz PDC môžu priamo ovplyvniť životnosť a účinnosť vŕtania korunky. a je potrebné optimalizovať konštrukciu korunky podľa rôznych vŕtacích formácií. Dizajn uhla rezu výrazne ovplyvní účinnosť vŕtania. alebo dokonca žiadne zábery; Ak je uhol rezu príliš malý. rezná hrana PDC je náchylná na zlomenie a iné javy. Preto. dizajn vrtáka by sa mal posudzovať komplexne pri výbere schémy parametrov pri výbere mierneho rezného uhla a bočného uhla, a nie náhodného dizajnu.

(2) Okrem optimalizácie uhla rezu vrtáka je nevyhnutné optimalizovať aj PDC frézy. Kvalita PDC fréz výrazne ovplyvňuje ťažbu PDC bitov, pretože priamo určuje ich rezný výkon a životnosť. Kritickým faktorom pri zvyšovaní kvality PDC je eliminácia zvyškového napätia na spojovacom rozhraní medzi diamantovou vrstvou a matricou zo slinutého karbidu. Výskum naznačuje, že maximálne napätie v PDC frézach s rovinnou štruktúrou rozhrania je sústredené blízko oboch strán tohto rozhrania, pričom maximálne ťahové a šmykové napätia sa vyskytujú na okraji diamantovej vrstvy. Prítomnosť ťahového napätia môže viesť k abnormálnym zlomeninám v PDC, zatiaľ čo šmykové napätie slúži ako primárna príčina delaminácie v PDC rezačkách.

(3) Okrem odstránenia zvyškového napätia v PDC frézach môžu sekundárne úpravy ešte viac zvýšiť ich kvalitu. V súčasnosti medzi primárne metódy povrchovej úpravy patrí brúsenie povrchu diamantom, zrážanie hrán a tvarové obrábanie. Výber PDC fréz je možné optimalizovať na základe skutočných pracovných podmienok.

2.2 Rozumný výber vrtákov

V súčasnosti sa bity PDC používané pri operáciách vŕtania dolu vo väčšine banských oblastí vyznačujú prevažne trojkrídlovým konkávnym dizajnom. Výber týchto bitov je však často obmedzený a chýba mu klasifikácia, čo vedie k univerzálnemu prístupu, ktorý dostatočne nerieši špecifické požiadavky rôznych vrstiev. To je obzvlášť problematické pri zložitých formovacích podmienkach, kde sa konvenčné konkávne vrtáky snažia poskytnúť uspokojivý výkon, čo vedie k skráteniu životnosti vrtákov a zníženej účinnosti vŕtania. Takáto neefektívnosť nielenže zvyšuje výrobné náklady, ale môže tiež narušiť harmonogram výstavby a spôsobiť značné ekonomické straty. Preto je nevyhnutné vybrať vhodné vrtáky prispôsobené rôznym podmienkam formovania.

Ťažobné PDC bity možno kategorizovať do dvoch hlavných typov na základe materiálu tela bitov: typ ocele a typ pneumatiky. Telá vrtákov z ocele sú primárne spracovávané mechanickými metódami, ktoré poskytujú dobrú húževnatosť, vďaka čomu sú vhodné pre konvenčné formovacie vŕtacie operácie. Na rozdiel od toho sú telá vrtákov typu pneumatiky spekané pomocou procesov práškovej metalurgie, čo ponúka vysokú odolnosť proti opotrebeniu, ktorá je ideálna na vŕtanie do tvrdých hornín alebo rozsiahle vŕtacie úlohy. Okrem toho môžu byť vrtáky klasifikované do rôznych štruktúr, vrátane vnútorných konkávnych, oblúkových rohov, plochého dna, škrabiek a iných, ako je znázornené na obrázku 7. ①Konkávna konštrukcia konkávneho vrtáka zvyšuje vyrovnávacie efekty počas konvenčnej formovacej konštrukcie; ②Rozptýlené usporiadanie zubov oblúkovej korunky vedie k vyššej hustote zubov a zlepšenej účinnosti vŕtania pri práci so stredne tvrdými vrstvami a vyššie; ③ Tvar pery vrtáka s plochým spodkom je takmer plochý, čo ostrí jeho bočné hrany, aby sa uľahčilo zošikmenie – tento dizajn sa používa predovšetkým na aplikácie smerového vŕtania; ④ Škrabka má zvyčajne kónickú štruktúru, ktorá poskytuje väčšiu agresivitu a používa sa hlavne v mäkkých vrstvách alebo konštrukciách uhoľných slojov.

Súčasné ťažobné bity PDC boli zhrnuté a usporiadané spolu s výberovými kritériami pre bity PDC v rôznych pracovných a formovacích podmienkach, ako je uvedené v tabuľke 1 pre referenciu.

3. Použitie opatrení pri ťažbe bitov PDC

Okrem starostlivého výberu vrtákov je rovnako dôležité správne používať tieto nástroje. Vzhľadom na náročné stavebné podmienky v uhoľných baniach majú pracovníci často problémy s prísnym dodržiavaním prevádzkových smerníc vrtákov PDC, čo vedie k častým prípadom zlyhania vrtákov v dôsledku nesprávnej manipulácie. V snahe zvýšiť efektivitu vŕtania môžu niektoré ťažobné oblasti bez rozdielu zvyšovať hmotnosť korunky počas operácií, čo vedie k predčasnému zlyhaniu korunky. Správne využitie bitov PDC môže optimalizovať ich výkon a znížiť výrobné náklady. Pri používaní bitov PDC je potrebné venovať pozornosť nasledujúcim úvahám:

(1) Venujte pozornosť vzťahu medzi vrtákom PDC a vrtákom, pričom zaistite, aby sa vrtná rúrka s veľkým priemerom nezhodovala s vrtnou rúrkou s príliš malým priemerom a vrtná rúrka s malým priemerom sa nezhodovala s vrtákom s veľkým priemerom.

(2) Optimálnym prístupom je použiť špecializovaný vrták alebo starý vrták na stavbu hniezda, pričom treba zabezpečiť, aby sa proces vŕtania vyhýbal blízkosti skrutiek na boku jazdného pruhu, kotevných káblov a podobných prekážok.

(3) Pri vykonávaní vrtných prác je nevyhnutné regulovať prívodný tlak, aby sa predišlo nehodám spôsobeným nadmerným tlakom vo vrte.

(4) Použite techniku ​​vŕtania čistou vodou, vyhnite sa suchému vŕtaniu alebo vŕtaniu tlakovým vzduchom. Pred začatím tlakového vŕtania zaistite správnu cirkuláciu vody v otvore, aby ste predišli možným prípadom horenia v jeho základni.

(5) Pri odstraňovaní nástavca dbajte na to, aby ste sa vyhli zovretiu alebo nárazu rezača PDC. Okrem toho buďte opatrní, aby ste nezasiahli čepeľ tela vrtáka.

4. Záver

Bezpečná a efektívna zelená ťažba uhlia bola trvalo ústrednou témou, ktorú presadzuje uhoľný priemysel. Efektívne využitie PDC bitov na podzemné vŕtanie v uhoľných baniach má veľký význam. Tento článok analyzuje spôsoby zlyhania ťažby bitov PDC a objasňuje primárne príčiny rôznych foriem zlyhania. Navrhuje optimálny dizajn a stratégie výberu bitov v rôznych pracovných podmienkach a geologických formáciách, pričom sumarizuje opatrenia na ich použitie, čím poskytuje referenciu pre lepší výber a aplikáciu ťažobných bitov PDC. Rozumný výber a správne využitie ťažobných PDC bitov môže maximalizovať ich efektivitu, minimalizovať plytvanie zdrojmi a zvýšiť bezpečnosť, efektívnosť a postupy šetrné k životnému prostrediu pri ťažbe uhlia.