Optimalt urval av PDC-bitar för kolbrytning

Borrhålskonstruktion är en allmänt använd teknisk metod för gaskontroll, förebyggande av vattenskador och geologisk utforskning i kolgruvor, vilket spelar en avgörande roll för att säkerställa säkerheten och effektiviteten i kolproduktionen. I Kina skapas tiotals miljoner meter borrhål årligen i kolgruvor. Byggprocessen kräver stöd av borrutrustning såsom borrar, borrrör och borrkronor. Bland dem är borrar viktiga verktyg för att direkt forma hål och bryta stenar.

Polykristallin diamantkompositskiva (PDC) används i stor utsträckning vid gruvborr på grund av dess exceptionella slitstyrka och berömvärda slagseghet.PDC-bitaruppvisar förlängd borrlivslängd och ökad penetrationseffektivitet när de används i medelhårda och lägre bergformationer, vilket ger avsevärda ekonomiska fördelar vid borrning av kolgruvor. Jämfört med oljeborrning har kolbrytning de tekniska egenskaperna att vara kostnadseffektiva, tidseffektiva, och därför är de övergripande kraven på borrkronor inte överdrivet konstruerade. krävande.

De nuvarande utmaningarna inom gruvdriftPDC-bitarinkluderar: ①Tröskeln för att bryta PDC-bitar är relativt låg, med en mängd tillverkare som erbjuder olika kvalitetsnivåer. ②Användningen och kraven för underjordsborrning i kolgruvor uppvisar uppenbara skillnader, medan klassificeringen av gruv-PDC-bitar är intrikat och mångsidig. Dessutom saknas systematiska och rationella urvalsspecifikationer i den efterföljande användningsprocessen.③Med den ökande förekomsten av komplexa hårda skikt i kolgruvor, klarar inte konventionella PDC-bitar för gruvdrift att uppfylla konstruktionskraven för effektiv borrning på plats, vilket resulterar i fall av långsamma framsteg eller till och med fullständig avsaknad av filmmaterial i de stränga konstruktionsförhållandena. byggnadspersonalens borrprocedurer kan ibland vara svåra.

För att förbättra gruvdriftens operativa effektivitetPDC-bitar, ger detta dokument en omfattande analys av de primära fellägena och undersöker de bakomliggande orsakerna till varje form av fel. Dessutom föreslås praktiska rekommendationer för försiktigt urval och uppmärksamt utnyttjande av dessa bitar.

1. Analys av formen och orsakerna till PDC-bitfel i gruvdrift

För närvarande består komponenterna i gruv-PDC-bits primärt av borrkronans kropp, PDC-skärar, kalibreringslegeringar och andra delar som visas i figur 1. PDC-skärarna och kalibreringslegeringarna är fastlödda på borrkronans kropp för att säkerställa deras säkra fäste. Under vanliga borroperationer överför borrstången vridmoment och matningstryck till botten av hålet där den griper in i borrkronan. Bergskärningsprocessen åstadkoms genom användning av PDC-fräsar på borrkronan. Dessutom skyddar måttlegeringar mot överdrivet slitage genom att skydda den perifera integriteten hos borrkronans kropp. Det bör dock noteras att olika faktorer såsom komplexa krafter som utövas på skäraren vid hålets botten under bergskärning med en PDC-borrkrona, förändringar i formationsegenskaper, val av konstruktionstekniker och utrustning, operativ skicklighet hos personal som är involverad i konstruktionsaktiviteter tillsammans med kvalitetskontrollåtgärder för själva borrkronorna kan avsevärt påverka tillämpningens effektivitet vilket leder till olika former av fel för dessa borrkronor. Genom en undersökning gjord vid kolgruvors borrplatser har vi sammanfattat och analyserat olika fellägen och primära orsaker förknippade medPDC-bitar.

1.1 PDC-skärfelet uppstår när PDC:n sintras under förhållanden med hög temperatur och högt tryck. Kompositskivan består av två huvudkomponenter: ett diamantskikt och en karbidmatris, som illustreras i figur 2.

De primära fellägena för PDC-fräsar inkluderar normalt slitage, avflagning, klingkollaps och delaminering.

(1) Regelbundet slitage

Fenomenet normalt slitage är en typ av typisk skada som uppstår i PDC-fräsar under bergskärningsprocessen, främst kännetecknad av betydande makroskopisk slipförlust i både diamantskiktet och hårdmetallmatrisen hos fräsen, utan några uppenbara spår av sprickbildning på slipytan.

(2) Spånfall

Fenomenet med spånfall uppstår när PDC-skärare lossnar från borrkronans kropp, vilket resulterar i borrsfel. Den mest framträdande egenskapen är den fullständiga separeringen av PDC-skär från borrkronans kropp, utan att det finns några legeringsrester i gropen där svetsning mellan borrkronan och PDC-skärarna sker.

Primära faktorer som bidrar till nedgången av fallande film:

① Den förhöjda temperaturen i botten av borrhålet leder till utmaningar i torrborrningskonstruktionsteknik eller vattenpluggbildning under borrprocessen, samtidigt som det hindrar snabb kylning av PDC-fräsar på borren under höghastighets roterande bergskärning. Följaktligen finns det en betydande temperaturökning vid hålets botten, vilket kan överträffa den kritiska temperaturen för lod och resultera i lodsmältning och efterföljande lossning av PDC-skärare.

② Kontrollen av borrsvetsprocessen är inte tillräckligt sträng. I svetsproceduren är det brist på ordentlig rengöring före svetsning, felaktiga svetsar eller otillräcklig avgashantering och orimlig värmekonserveringstemperatur eller otillräcklig tid efter svetsning, vilket allt kan leda till att bitarna lossnar. Förutom att kräva att tillverkare strikt reglerar produktionsprocessen (särskilt PDC-svetsningsprocessen) för att säkerställa fullständiga och solida svetsar, är det också nödvändigt att förtydliga borrkonstruktionsproceduren genom att välja vattenborrning när det är möjligt och undvika torrborrkonstruktion. För djuphålsborrning bör det säkerställas att vattnet kommer tillbaka innan du lägger till stavborrning. Dessutom, varje gång innan du sätter in borren i botten av hålet, är det viktigt att kontrollera om det finns några hinder för att förhindra blockering.

(3) Bladbrott

Brottningen av diamantskiktet i PDC-skärare representerar ett utbrett misslyckande förPDC-bitar. Ett karakteristiskt särdrag för detta felläge är det lokala brottet av diamantskiktet, med vissa fall som resulterar i samtidig brott längs karbidmatrisen.

De främsta orsakerna till att PDC-biten går sönder:

① Den fräs som valts baserat på de inneboende egenskaperna hos PDC-skäraren uppvisar låg slaghållfasthet. Den kombinerade styrkan av volframkarbid (WC) och diamantmikropulver är otillräcklig, vilket gör det benäget att gå sönder under påfrestningar från bergfragmentering;

② Faktorer relaterade till byggprocessen indikerar att byggtrycket på plats är för högt. Trycket som utövas av PDC-fräsen på borrkronan överskrider avsevärt skärets tryckgräns, vilket leder till att diamantskiktet spjälkas och att skäreggen kollapsar.

③ Faktorer relaterade till komplexa formationer indikerar att under konstruktionen av hårda, spruckna formationer överstiger slagbelastningen på PDC-fräsar deras slagseghet, vilket kan leda till att skäreggen kollapsar.

④ Utformningen av borrkronans skärvinkel är otillräcklig, eftersom den inte följer principen att en hårdare formation kräver en större skärvinkel. Vid konstruktion av hårda formationer kan en mindre skärvinkel resultera i överdriven kraft på PDC-fräsen, vilket i slutändan leder till att skäreggen kollapsar.

⑤ Andra faktorer indikerar att arrangemanget av stödbultar och ankarkablar i underjordiska vägar gör det mycket känsligt för borrkronan att kollapsa vid möte med dessa element. För att förhindra borrbrott är det viktigt att inte bara följa processparametrarna som beskrivs i borrinstruktionsmanualen utan också att designa och välja borren baserat på formningsförhållandena. Närmare bestämt, när man borrar i hårda formationer, är det tillrådligt att öka skärvinkeln för borrkronan på lämpligt sätt, minska dess aggressivitet och förbättra skyddet för borrkronan. Dessutom rekommenderas att välja PDC-fräsar med högre slagseghet vid borrning genom hårda spruckna formationer eller modifiering av den yttre formen på fräsens diamantskikt för att förbättra slagsegheten; till exempel uppvisar böjda PDC-fräsar i allmänhet bättre slaghållfasthet än platta typer. Vidare bör en rimlig utformning av hål under konstruktion implementeras för att undvika borrning i bultar och ankarkablar.

(4) Delaminering

Delaminering hänvisar till att diamantskiktet lossnar från hårdmetallmatrisen i PDC-kompositskivor, som illustreras i figur 3.

Den primära orsaken till delaminering i diamantskiktet hos PDC-skärar är den avsevärda kvarvarande spänningen som finns mellan diamantskiktet och hårdmetallmatrisen, tillsammans med en signifikant skillnad i deras värmeutvidgningskoefficienter. Under bergskärning upplever diamantskiktet och hårdmetallmatrisen asynkron sammandragning på grund av termiska spänningar som genereras av friktionsvärme och kylning från tvättvätskor. Den resulterande stötbelastningen och kvarvarande spänningen leder till att diamantskiktet lossnar från karbidmatrisen, vilket i slutändan resulterar i borrborrsfel. För att minska delaminering är det viktigt att välja lämpliga bindningsmaterial och bearbetningstekniker som hanterar kvarvarande spänningar mellan dessa två komponenter under tillverkningen. Dessutom kan design av en ny gränssnittsform för matrisen förbättra bindningsegenskaperna mellan diamantskiktet och hårdmetallmatrisen.

1.2 Borrkroppsfel kännetecknas främst av bladbrott i borrkroppen, som illustreras i figur 4.

 

Bladbrottet på borrkronans kropp förekommer mestadels i kroppskronan och stålkroppskronan förekommer sällan. Orsakerna till brottet på bitskroppens blad är följande: ① Att slå mot bitskroppens blad när bitskroppen skruvas loss eftersom kronan på bitskroppen sintras av en pulvermetallurgisk process på en gång. jämfört med den vanliga stålkroppsbiten. borrkronan har högre slitstyrka. men kroppsmaterialets seghet reduceras på motsvarande sätt och det är lätt att bryta bladet på bitskroppen när man skruvar loss bitskroppen; ② Kontrollen av bitsintringsprocessen är inte strikt. och den sintrade bitkroppen medförs och metallpulvret misslyckas med att bilda en legering. För att undvika att bladet går sönder. användaren hade bättre användning av verktyg som tandtång för att hjälpa bygeln när borren skruvas av. för att undvika att bladet knackar; För det andra. tillverkare bör strikt kontrollera kvaliteten på den sintrade kroppen. inte bara för att strikt kontrollera sintringsprocessen. men också att övervaka metallpulvret då och då för att säkerställa att pulvret uppfyller processkraven.

2. Optimerad design och rimligt urval av gruv-PDC-bitar

2.1 Optimeringsdesign av borrkrona

(1) För borrkronans felform är det nödvändigt att optimera dess struktur från borrkonstruktionen. Huvuddesignparametrarna för PDC-bit inkluderar skärvinkel α. sidovinkel β. azimut Vinkel γ. etc. γ hänför sig till vinkeln mellan orienteringsreferenslinjen för PDC-tänderna och borrkronans mittlinje. α hänvisar till vinkeln mellan orienteringsreferenslinjen för PDC-tanden och skärmaskinens arbetsplan. som visas i figur 5. β hänvisar till vinkeln mellan planet genom mittpunkten och borrkronans mittlinje och skärmaskinens arbetsplan. som visas i figur 6. Preliminär forskning och omfattande tillämpningsanalys visar att skärvinkeln och sidovinkeln för PDC-fräsar direkt kan påverka borrkronans livslängd och borreffektivitet. och det är nödvändigt att optimera utformningen av borrkronan enligt olika borrformationer. Skärvinkeldesign kommer att i hög grad påverka borrningseffektiviteten. eller till och med inga bilder alls; Om skärvinkeln är för liten. PDC-skärkanten är benägen att gå sönder och andra fenomen. Därför. borrdesignen bör övervägas heltäckande när man väljer parameterschema och väljer en måttlig skärvinkel och sidovinkel snarare än slumpmässig design.

(2) Förutom att optimera skärvinkeln på borrkronan är det viktigt att även optimera PDC-skärar. Kvaliteten på PDC-fräsar påverkar avsevärt gruvbrytnings-PDC-bits, eftersom den direkt bestämmer deras skärprestanda och livslängd. En kritisk faktor för att förbättra kvaliteten på PDC är elimineringen av kvarvarande spänningar vid bindningsgränsytan mellan diamantskiktet och hårdmetallmatrisen. Forskning indikerar att maximal spänning i PDC-fräsar med en plan gränssnittsstruktur är koncentrerad nära båda sidor av detta gränssnitt, med toppdrag- och skjuvspänningar som uppträder vid kanten av diamantskiktet. Förekomsten av dragspänning kan leda till onormala brott i PDC, medan skjuvspänning fungerar som en primär orsak till delaminering i PDC-fräsar.

(3) Förutom att eliminera kvarvarande spänningar i PDC-fräsar kan sekundära behandlingar förbättra kvaliteten ytterligare. För närvarande inkluderar de primära ytbehandlingsmetoderna diamantytslipning, kantfasning och formad bearbetning. Valet av PDC-fräsar kan optimeras baserat på faktiska arbetsförhållanden.

2.2 Rimligt urval av borr

För närvarande har PDC-borrkronor som används vid borrning i hål i de flesta gruvområden huvudsakligen en konkav design med tre vingar. Valet av dessa bitar är dock ofta begränsat och saknar klassificering, vilket resulterar i ett tillvägagångssätt som passar alla som inte tillgodoser de specifika kraven för olika strata. Detta är särskilt problematiskt under komplexa formningsförhållanden, där konventionella konkava borrkronor kämpar för att leverera tillfredsställande prestanda, vilket leder till förkortad borrkronalivslängd och minskad borreffektivitet. Sådana ineffektiviteter eskalerar inte bara produktionskostnaderna utan kan också störa byggscheman och medföra betydande ekonomiska förluster. Därför är det viktigt att välja lämpliga borrkronor som är skräddarsydda för varierande formationsförhållanden.

Mining PDC-bits kan kategoriseras i två huvudtyper baserat på borrkroppsmaterialet: ståltyp och däcktyp. Bitkroppar av ståltyp bearbetas i första hand genom mekaniska metoder, vilket ger god seghet som gör dem lämpliga för konventionella formationsborrningsoperationer. Däremot sintras borrkroppar av däcktyp med hjälp av pulvermetallurgiska processer, vilket ger hög slitstyrka, idealisk för borrning i hårda berg eller utökade borruppgifter. Dessutom kan borrkronor klassificeras i olika strukturer, inklusive invändig konkav, båghörn, plan botten, skrapa och andra som illustreras i figur 7. ①Den konkava konstruktionen av den konkava borrkronan förbättrar rätningseffekterna under konventionell konstruktionskonstruktion; ②Det spridda kuggarrangemanget hos bågskronan resulterar i en högre tanddensitet och förbättrad borreffektivitet vid arbete med medelhårda skikt och uppåt; ③Läppformen på den platta borrkronan är nästan platt, vilket skärper dess sidokanter för att underlätta snedställning – den här designen används främst för riktningsborrning; ④Skrapbiten har vanligtvis en konisk struktur som ger större aggressivitet och används huvudsakligen i mjuka skikt- eller kolfogskonstruktioner.

De nuvarande PDC-bitarna för gruvdrift har sammanfattats och organiserats, tillsammans med urvalskriterierna för PDC-bitar under olika arbets- och formningsförhållanden, som presenteras i Tabell 1 för referens.

3. Användningen av Mining PDC Bit Försiktighetsåtgärder

Förutom att noggrant välja borr, är det lika viktigt att använda dessa verktyg på rätt sätt. Med tanke på de utmanande konstruktionsförhållandena i kolgruvor, kämpar arbetare ofta för att strikt följa PDC-bitarnas driftriktlinjer, vilket resulterar i frekventa fall av bitfel på grund av felaktig hantering. I ett försök att förbättra borrningseffektiviteten kan vissa gruvområden urskillningslöst öka borrkronans vikt under drift, vilket leder till för tidigt borrbrott. Korrekt användning av PDC-bitar kan optimera deras prestanda och minska produktionskostnaderna. Uppmärksamhet bör ägnas åt följande överväganden när du använder PDC-bitar:

(1) Var uppmärksam på graderingsförhållandet mellan PDC-kronan och borrverktyget, se till att borrrör med stor diameter inte matchas med borrrör med för liten diameter och borrrör med liten diameter inte matchas med borr med stor diameter.

(2) Det optimala tillvägagångssättet är att använda en specialiserad hålborr eller en åldrad borrkrona för bokonstruktion, samtidigt som man säkerställer att borrprocessen undviker närheten av sidobultar, ankarkablar och liknande hinder.

(3) Vid borrning är det viktigt att reglera matningstrycket för att förhindra olyckor orsakade av för högt tryck i borrhålet.

(4) Använd rentvattenborrningstekniken, avstå från torrborrning eller tryckluftsborrning. Innan du påbörjar tryckborrningsoperationer, säkerställ korrekt vattencirkulation i hålet för att förhindra potentiella förbränningsincidenter vid dess bas.

(5) När du tar bort borrkronan, se till att undvika att klämma eller träffa PDC-skäraren. Var dessutom försiktig så att du inte träffar borrkronan.

4. Slutsats

Säker och effektiv grön utvinning av kol har genomgående varit ett centralt tema som förespråkats av kolindustrin. Att effektivt använda PDC-borrkronor för underjordiska borroperationer i kolgruvor har stor betydelse. Den här artikeln analyserar fellägen för gruvdrift av PDC-bitar, och belyser de primära orsakerna bakom olika felformer. Den föreslår optimala design- och urvalsstrategier för bitar under olika arbetsförhållanden och geologiska formationer, samtidigt som man sammanfattar försiktighetsåtgärder för deras användning, vilket ger en referens för förbättrat urval och tillämpning av gruv-PDC-bitar. Det kloka valet och korrekt användning av PDC-bitar för gruvdrift kan maximera deras effektivitet, minimera resursslöseri och förbättra säkerheten, effektiviteten och miljövänliga metoder inom kolbrytning.