Prelomenie kódexu Hard Rock Drilling: Technológia DTH, ktorá mení hru.
Podľa geologických podmienok oblasti výstavby existujú štyri hlavné metódy vŕtania bežne používané vrtnými súpravami, ako je znázornené na obrázku 1.
a. Pneumatické alebo hydraulicky poháňané rotačné hlavy kombinované s nárazovým zariadením prenášajú rotačnú a nárazovú energiu cez hornú časťvŕtacie potrubiedodáva energiu do vrtnej korunky prostredníctvom rázových vĺn vo vrtnej rúrke. Táto metóda je obmedzená na malé priemery a malé hĺbky a vo všeobecnosti sa používa v lomoch, na staveniskách a v podzemných banských operáciách.
b.Kladivá Down-The-Hole (DTH). sú umiestnené v spodnej časti vŕtacej kolóny. Stlačený vzduch vstupuje do DTH cez vrtnú kolónu a poháňa piest vratným pohybom, ktorý priamo naráža na vrták a prenáša energiu nárazu na horninu. Tento systém má minimálne straty výkonu a je vhodný najmä pre hlboké diery, rovné diery a stredne tvrdé skaly.
c.Vŕtanie s reverznou cirkuláciou (RC).používa DTH na zber a prepravu vzoriek hornín z čela vrtnej korunky. Suché a nekontaminované odrezky sú dopravované cez centrálnu rúrku DTH do zariadenia na odber vzoriek, kde sa pripravujú na geologickú analýzu.
d. Prevodovka poháňaná hydraulickými alebo elektrickými motormi tvorí rotačnú výkonovú hlavu, ktorá aplikuje dostatočnú posuvnú silu na trojkužeľovú vrtnú korunku prostredníctvom posuvného systému, ktorý sa pohybuje hore a dole na vrtnej súprave a hrubostennej vrtnej rúrky. Táto metóda sa používa pre mäkšie horniny alebo silne spojené tvrdé horniny.
- Princípy a charakteristiky DTH
Útvary vyvŕtané pomocou DTH sú takmer úplne schopné zahrnúť všetky vyvrelé horniny, metamorfované horniny a sedimentárne horniny, ktoré sú stredne tvrdé alebo tvrdšie. DTH je obzvlášť výhodné na vŕtanie tvrdej horniny a húževnatých vrstiev, pretože tvrdá hornina má tendenciu byť krehká. Pri nárazovom zaťažení sa zlomy vyskytujú nielen v mieste priameho nárazu, ale vytvárajú aj rozbitú zónu, čo vedie k väčším úlomkom hornín. Rýchlosť vŕtania je teda výrazne vyššia v porovnaní s čistým rotačným vŕtaním. Mechanický model na obrázku 2 znázorňuje rôzne zaťaženia pôsobiace na horninu počas nárazového rotačného vŕtania.
Okrem toho je vŕtanie DTH (Down-the-Hole) vysoko účinné vo formáciách náchylných na odchýlky vrtu, ako sú vrstvy s dobre vyvinutým podložím a listom alebo vrstvy hornín s nerovnomernou tvrdosťou a mnohými zlommi. Môže výrazne znížiť odchýlku vrtu a tiež prekonať ťažkosti pri vŕtaní cez štrkové vrstvy a balvanité lôžka.
Vŕtanie DTH bolo vyvinuté koncom 19. storočia a má viac ako storočnú históriu. Aj keď existuje veľa typov DTH vrtákov, majú spoločnú vlastnosť: príklepový mechanizmus aj vrták sú ponorené do vrtu, pričom rotácia kombinovaná s príklepom rozbíja horninu. Zariadenia používané na generovanie nárazovej sily možno kategorizovať podľa spôsobu ich pohonu na pneumatické, hydraulické, tlakové olejové, elektrické a mechanické typy.
Keďže energia nárazu počas prenosu zaznamenáva značné straty a môže spôsobiť značné poškodenie zasiahnutých komponentov, vo všeobecnosti sa pri hlbších vŕtacích operáciách vyžaduje, aby zariadenie vstúpilo do vrtu s vŕtacím nástrojom, aby výstupná nárazová sila mohla pôsobiť priamo na vrták alebo jadro. Tým sa minimalizujú straty energie počas prenosu, zlepšuje sa energetická účinnosť a znižuje sa pravdepodobnosť zlyhania zariadenia v hĺbke.
Pneumatické DTH, tiež známe ako vzduchom poháňané DTH, prichádza v mnohých konštrukčných typoch a klasifikačných metódach.
- Podľa tlakovej triedy: vysokotlakové, stredotlakové a nízkotlakové typy.
- Podľa celkovej štruktúry: nepriechodné a priechodné typy.
- Podľa princípu činnosti ventilu: typ riadiaceho ventilu, typ voľného ventilu a typ hybridného ventilu.
- Podľa štruktúry piestu: piest s rovnakým priemerom, piest s nerovnakým priemerom a typ tandemového piestu.
- Podľa typu rozvodu vzduchu: ventilový DTH a bezventilový DTH. Ventilový DTH možno rozdeliť na typ tanierového ventilu, tanierového ventilu a valcového ventilu, zatiaľ čo bezventilový typ DTH možno rozdeliť na typ výfuku so stredovou tyčou, typ distribúcie vzduchu v pieste a kombinovanú distribúciu vzduchu piestom, valcom a stredovou tyčou.
- Metódou umývania otvorov a vypúšťania trosky: umývanie stredových otvorov, umývanie predných otvorov a umývanie bočných otvorov.
2. Určenie štrukturálnych schém dopadového mechanizmu
2.1 Bezventilový nárazový mechanizmus s vlastným prívodom plynu
Tento typ nárazového mechanizmu primárne využíva plynové kanáliky v samotnom pieste na prívod plynu, výsledkom čoho je zložitá piestová konštrukcia s početnými plynovými kanálmi, čo znižuje pevnosť a životnosť piestu. Tento nárazový mechanizmus však integruje vnútorné a vonkajšie valce, čím zväčšuje efektívnu pracovnú plochu piestu a zvyšuje energiu nárazu mechanizmu.
2.2 Neventilový nárazový mechanizmus s kombinovaným prívodom plynu piestom a valcom
Tento typ sa vyznačuje jednoduchou konštrukciou, ktorá sa ľahko vyrába, má dlhšiu životnosť piestu a plynové otvory sú umiestnené na valci aj pieste. Táto štruktúra je široko používaná v zahraničí.
2.3 Neventilový nárazový mechanizmus centrálneho potrubia prívodu plynu
V tomto mechanizme sú nasávacie kanály vzduchu pre hornú a dolnú komoru usporiadané na kruhovom potrubí, kde sa piest posúva. Vyžaduje vysokú výrobnú presnosť a má relatívne krátku životnosť stredového potrubia.
2.4 Mechanizmus nárazu bočného výfuku
Takzvaný bočný výfuk znamená, že cesta výfukových plynov opúšťa telo valca namiesto toho, aby prechádzala stredom vrtáka na dno otvoru. Tento typ nárazového mechanizmu má na tele valca zvyčajne veľa nasávacích a výfukových ciest, čo vedie k nízkej štrukturálnej pevnosti, potenciálu pozdĺžnych únavových trhlín a výraznej strate tlaku vzduchu, čo vedie k neoptimálnemu odstraňovaniu nečistôt a chladeniu vrtáka.
2.5 Mechanizmus nárazu stredného výfuku
Tento typ nárazového mechanizmu vytláča úlomky a plyny priamo zo stredu vrtáku na dno otvoru. Priame prúdenie vzduchu nielen zvyšuje účinnosť odstraňovania nečistôt, ale tiež zlepšuje účinnosť vŕtania a chladenia, čím sa predlžuje životnosť vrtáka. Tento konštrukčný typ nahrádza početné pozdĺžne drážky vo vnútornom valci mechanizmov bočného nárazu výfuku prstencovou drážkou, čím sa výrazne znižuje koncentrácia napätia vo vnútornom valci. V posledných rokoch sa stala široko prijatou štruktúrou.
2.6 Nárazový mechanizmus piestu série
Sériový piestový nárazový mechanizmus, tiež známy ako dvojpiestový (hlavový) nárazový mechanizmus, rozdeľuje valec na dve komory pomocou izolačného krúžku. Táto konštrukcia umožňuje, aby obe čelá piesta pracovali súčasne v rámci rovnakého priemeru otvoru, čo má za následok väčšiu nárazovú silu a vyššiu frekvenciu nárazov. Tomu zodpovedá aj dvojitý výfukový systém, ktorý účinne odstraňuje kamenný prach zo spodnej časti otvoru. Jeho hlavnou nevýhodou je však zložitá štruktúra a potreba vysokej presnosti pri obrábaní dielov; napríklad piest má až päť spojovacích plôch s pridruženými komponentmi, čo obmedzuje jeho použitie a propagáciu. Preto táto konštrukcia využíva druhú možnosť, ktorou je bezventilový nárazový mechanizmus s kombinovaným prívodom plynu piestom a valcom. Jeho štruktúra je znázornená na obrázku 3.
3. Teoretická analýza a príslušné výpočty pre DTH
3.1 Výber prevádzkových parametrov**
3.1.1 Dĺžka a hmotnosť kladiva: Predbežný návrh špecifikuje dĺžku menšiu ako 4500 mm a hmotnosť menšiu ako 2500 kg.
3.1.2 Priemer kladiva: Vhodný priemer kladiva je určený na základe priemeru vŕtania, nastaveného na 540 mm.
3.1.3 Priemer vŕtania: Vzťahuje sa na priemer otvoru pilóty, vo všeobecnosti medzi 550 mm a 600 mm.
3.1.4 Hĺbka vŕtania: Podľa požiadaviek na návrh pilóty je to zvyčajne niekoľko desiatok metrov až sto metrov.
3.1.5 Rýchlosť vŕtania: Vŕtanie DTH vo všeobecnosti funguje pri nízkych otáčkach, typicky medzi 7 a 25 ot./s.
3.1.6 Rotačný moment: Maximálny krútiaci moment pre túto konštrukciu je nastavený na 150 kN·m.
3.2 Výpočet konštrukčných parametrov
Konštrukčné parametre pre DTH, konkrétne výkonové parametre nárazového zariadenia DTH, slúžia ako základ pre návrh stroja a definujú výkon vyrábaného zariadenia.
3.2.1 Návrhový tlak P pre nárazové zariadenie
V Číne je tlak 0,49 MPa (približne 5 × 10^5 Pa) široko zvolený ako konštrukčný štandard pre pneumatické nárazové zariadenia. Vzhľadom na to, že DTH pre túto konštrukciu je bezventilové nárazové zariadenie s veľkým priemerom vŕtania a ťažkým piestom, vyšší tlak vzduchu ešte viac zvýši výkon. Okrem toho sú vysokotlakové vzduchové kompresory čoraz bežnejšie av súlade s medzinárodnou normou ISO 5941-1979 sa volí konštrukčný tlak 1,6 MPa.
3.2.2 Nárazová sila
Pre DTH používané na vŕtanie otvorov s veľkým priemerom môže konštrukčná energia nárazu výrazne kolísať. Energia nárazu pre tento dizajn sa vypočíta takto:
3.2.3 Frekvencia nárazov
Vo všeobecnosti platí, že pri konštantnej energii nárazu je frekvencia nárazu úmerná výstupnému výkonu nárazovej hlavice. Keď je však priemer valca pevný, zvýšenie frekvencie nárazov si vyžaduje zníženie zdvihu piestu, čo zase znižuje silu jedného nárazu. Akonáhle výkon jedného nárazu klesne pod určitú hranicu, zvýšenie frekvencie neprinesie uspokojivé výsledky pri rozbíjaní skál. Výber frekvencie nárazu je teda obmedzený silou nárazu.
Pre pneumatické DTH pracujúce pri konštrukčnom tlaku 0,5 MPa by frekvencia nemala presiahnuť 16,8 Hz. Pretože DTH pracuje pri konštrukčnom tlaku medzi 0,5 a 2,5 MPa, frekvencia nárazov sa môže výrazne líšiť. Počiatočný výber frekvencie nárazovej hlavice možno vypočítať takto:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) kde P je prívodný tlak systému. Pre tento dizajn je P = 1,6 MPa, preto:
f = 10,4 + 7,6 x 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Návrh konštrukčných parametrov
Medzi hlavné konštrukčné parametre DTH patrí priemer vŕtania valca, zdvih piestu a rozmery piestu. Zväčšenie priemeru valca môže zvýšiť silu aj frekvenciu nárazu, takže priemer by mal byť maximalizovaný v rámci limitov konštrukčnej veľkosti. Typicky by rozdiel medzi vonkajším priemerom DTH a priemerom otvoru nemal byť menší ako 15 až 20 mm a vonkajší plášť DTH by nemal byť príliš tenký. Preto je pomer priemeru valca DTH k priemeru vŕtania vo všeobecnosti nad 0,5.
3.3.1 Pracovný priemer valca a zdvih konštrukcie
Pracovný priemer D valca možno vypočítať takto:
D = K × D (vŕtanie) = (0,57 – 0,68) × D (vŕtanie) (3)
Pre tento dizajn je D(diera) = 600 mm, takže D sa berie ako 360 mm. Štrukturálny zdvih S je empiricky braný ako S = 500 mm.
3.3.2 Hmotnosť piestu
Radiálne rozmery piestu sú obmedzené veľkosťou a štruktúrou valca, čo umožňuje piesty s rovnakým alebo odlišným priemerom. Lineárne rozmery závisia od hmotnosti piesta, čo súvisí aj s rýchlosťou, ktorú má pri údere vrtáka. Preto je určenie konštrukčných rozmerov piesta zložitým aspektom konštrukcie DTH. Hmotnosť piestu DTH možno odhadnúť takto:
m = 0,0205 D^2,84 (4)
kde m je hmotnosť piesta v kg; D je pracovný priemer valca v cm.
Nahradením D = 36 sa získa m = 540 kg.
DTH pozostáva hlavne z konštrukcie prenosu krútiaceho momentu a pneumatického nárazového mechanizmu. Štruktúra prenosu krútiaceho momentu spája vrtnú tyč a DTH, prenáša rotačné rezné a ťažné sily; pneumatický príklepový mechanizmus vytvára príklep a poskytuje axiálnu silu príklepovej vŕtacej korunke. Konkrétne detaily štruktúry sú znázornené na obrázku 3.
Štruktúra prenosu krútiaceho momentu spája vŕtaciu tyč a nárazovú hlavicu. Horný kĺb sa spája s vŕtacou tyčou a nárazovou hlavicou cez rúrkové závity, predovšetkým na zabezpečenie plynotesnosti a zároveň prenášanie krútiaceho momentu a ťažnej sily. Spätný ventil zabraňuje vniknutiu blata a vody do nárazového telesa a vŕtacej tyče, ovládaný pružinou. Sedlo nasávania vzduchu s tyčou na prívod plynu funguje tak, že privádza stlačený vzduch do valca, čím uľahčuje činnosť prívodu plynu spolu s valcom a piestom, čím sa dosahuje kombinované zásobovanie plynom. Pružinový poistný krúžok zabraňuje vykĺznutiu piestu z valca pri výmene vrtáka.
3.4 Analýza konečných prvkov vrtáku DTH
Vrták DTH je vystavený nárazovým silám piestu a krútiacemu momentu hnacej hlavy. Sila, ktorou na piest pôsobí stlačený vzduch, je daná:
F = P × S (5)
kde P je systémový tlak v Pa; S je silová plocha piesta v m².
F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Preto je nárazová sila na vrták:
F' = kF (6)
kde k je koeficient nárazu; F je sila, ktorou pôsobí na vrták stlačený vzduch v N. F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Krútiaci moment aplikovaný na vrták DTH hnacou hlavou je N = 150 kN. Aplikáciou F' = 2688 kN a N = 150 kN na vrták pri upevňovaní spodnej čelnej plochy vrtáka a použitím materiálu QT500-7 s medzou klzu 320 MPa sa vykoná analýza metódou konečných prvkov. Špecifické podmienky zaťaženia a obmedzenia a rozdelenie siete sú znázornené na obrázkoch 4 a 5.
Výsledky analýzy metódou konečných prvkov sú znázornené na obrázku 6, čo naznačuje, že maximálne napätie je 144,355 MPa, čo je menej ako medza klzu QT500-7 (320 MPa), čím sú splnené požiadavky.