Knäcka koden för hårdbergsborrning: DTH-tekniken som förändrar spelet.
Enligt de geologiska förhållandena i byggområdet finns det fyra huvudsakliga borrmetoder som vanligtvis används av borriggar, som visas i figur 1.
a. Pneumatiska eller hydrauliskt drivna roterande huvuden i kombination med slagutrustning överför rotations- och slagenergi genom toppen avborrrör, levererar energi till borrkronan via stötvågor i borrröret. Denna metod är begränsad till små diametrar och grunda djup och används vanligtvis i stenbrott, byggarbetsplatser och underjordiska gruvdrifter.
b.Down-The-Hole (DTH) hammare finns i botten av borrsträngen. Tryckluft kommer in i DTH genom borrsträngen och driver en kolv i en fram- och återgående rörelse som direkt träffar borrkronan och överför slagenergi till berget. Detta system har minimal effektförlust och är särskilt lämpligt för djupa hål, raka hål och medelhårda stenar.
c.Omvänd cirkulationsborrning (RC).använder DTH för att samla in och transportera stenprover från borrkronans yta. Torra och oförorenade sticklingar transporteras genom mittröret på DTH till en provtagningsanordning, för att förbereda för geologisk analys.
d. En växellåda som drivs av hydrauliska eller elektriska motorer bildar ett roterande krafthuvud som applicerar tillräcklig matningskraft på den trekoniga borrkronan genom ett matningssystem som rör sig upp och ner på borriggen och ett tjockväggigt borrrör. Denna metod används för mjukare bergarter eller starkt fogade hårda bergarter.
- Principer och egenskaper hos DTH
De formationer som borrats med DTH är nästan helt kapabla att inkludera alla magmatiska bergarter, metamorfa bergarter och sedimentära bergarter som är medelhårda eller hårdare. DTH är särskilt fördelaktigt för borrning av hårt berg och tuffa skikt eftersom hårt berg tenderar att vara sprött. Vid slaglaster uppstår sprickor inte bara vid den direkta nedslagsplatsen utan skapar också en bruten zon, vilket resulterar i större stenfragment. Därmed är borrhastigheten betydligt snabbare jämfört med ren roterande borrning. Den mekaniska modellen i figur 2 illustrerar de olika belastningarna som verkar på berget vid slagborrning.
Dessutom är DTH-borrning (Down-the-Hole) mycket effektiv i formationer som är utsatta för borrhålsavvikelser, såsom skikt med välutvecklade strö och blad, eller bergskikt med ojämn hårdhet och många sprickor. Det kan avsevärt minska borrhålsavvikelsen och även övervinna svårigheter med att borra genom gruslager och stenblock.
DTH-borrning utvecklades i slutet av 1800-talet och har en historia på över ett sekel. Även om det finns många typer av DTH-borrar har de ett gemensamt särdrag: både slagmekanismen och borrkronan är nedsänkta i borrhålet, med rotation kombinerad med slag för att bryta berget. Utrustningen som används för att generera slagkraften kan kategoriseras efter sin körmetod i pneumatiska, hydrauliska, oljetrycks-, elektriska och mekaniska typer.
Eftersom slagenergi upplever betydande förluster under transmissionen och kan orsaka avsevärd skada på de påverkade komponenterna, krävs det i allmänhet vid djupare borrningsoperationer att utrustningen går in i borrhålet med borrverktyget, så att den utgående stötkraften kan verka direkt på borrkronan eller kärncylindern. Detta minimerar energiförlusten under överföring, förbättrar energieffektiviteten och minskar sannolikheten för utrustningsfel i hålet.
Pneumatisk DTH, även känd som luftdriven DTH, finns i många strukturella typer och klassificeringsmetoder.
- Efter tryckklassning: högtrycks-, medeltrycks- och lågtryckstyper.
- Efter övergripande struktur: icke-genomgående och genomgående typer.
- Enligt ventildriftsprincip: styrventiltyp, friventiltyp och hybridventiltyp.
- Genom kolvstruktur: kolv med samma diameter, kolv med ojämn diameter och tandemkolvtyper.
- Per luftdistributionstyp: ventilförsedd DTH och ventillös DTH. Ventilförsedd DTH kan delas in i plattventil, skivventil och cylindrisk ventiltyper, medan ventillös DTH kan delas in i centrumstångsavgastyp, kolvluftdistributionstyp och kombinerad luftdistribution med kolv, cylinder och mittstång.
- Genom håltvättning och slaggutmatningsmetod: tvättning av mitthål, tvättning av främre hål och tvättning av sidohål.
2. Fastställande av strukturplaner för effektmekanismer
2.1 Kolv självgasförsörjning utan ventil slagmekanism
Denna typ av slagmekanism använder i första hand gaspassagerna i själva kolven för gastillförsel, vilket resulterar i en komplex kolvstruktur med många gaskanaler, vilket minskar kolvens styrka och livslängd. Denna slagmekanism integrerar emellertid de inre och yttre cylindrarna, vilket ökar kolvens effektiva arbetsarea och förbättrar mekanismens slagenergi.
2.2 Kolv och cylinder kombinerad gastillförsel utan ventil slagmekanism
Denna typ har en enkel struktur som är lätt att tillverka, har en längre kolvlivslängd och gashålen är placerade på både cylindern och kolven. Denna struktur används i stor utsträckning utomlands.
2.3 Mittrör gasförsörjning icke-ventil slagmekanism
I denna mekanism är luftintagspassagerna för de övre och nedre kamrarna anordnade på det cirkulära röret där kolven glider. Det kräver hög tillverkningsprecision och har en relativt kort livslängd för mittröret.
2.4 Sidoavgasstötmekanism
Det så kallade sidoavloppet innebär att avgasbanan lämnar cylinderkroppen istället för att passera genom borrkronans mitt till botten av hålet. Denna typ av slagmekanism har typiskt många insugs- och avgasvägar på cylinderkroppen, vilket leder till dålig strukturell hållfasthet, potential för längsgående utmattningssprickor och betydande förlust av lufttryck, vilket resulterar i suboptimal borttagning av skräp och kylningseffekter för borrkronan.
2.5 Mittavgasstötmekanism
Denna typ av slagmekanism driver ut skräp och gas direkt från mitten av borrkronan till botten av hålet. Direkt luftflöde förbättrar inte bara skräpborttagningseffektiviteten utan förbättrar också borreffektiviteten och kylningen, vilket förlänger borrkronans livslängd. Denna konstruktionstyp ersätter de många längsgående spåren i den inre cylindern av sidoavgasslagmekanismer med ett ringformigt spår, vilket kraftigt minskar spänningskoncentrationen i den inre cylindern. Det har blivit en allmänt antagen struktur de senaste åren.
2.6 Series kolvslagmekanism
Seriekolvslagmekanismen, även känd som en dual-kolv (huvud) impactor, delar cylindern i två kammare med hjälp av en isoleringsring. Denna design tillåter båda kolvytorna att arbeta samtidigt inom samma håldiameter, vilket resulterar i större slagkraft och högre slagfrekvens. På motsvarande sätt finns ett dubbelt avgassystem som effektivt tar bort stenpulver från botten av hålet. Dess största nackdel är dock dess komplexa struktur och behovet av hög precision vid bearbetning av delar; till exempel har kolven upp till fem passande ytor med tillhörande komponenter, vilket begränsar dess användning och marknadsföring. Därför antar denna design det andra alternativet, som är den icke-ventil slagmekanismen med kolv och cylinder kombinerad gastillförsel. Dess struktur visas i figur 3.
3. Teoretisk analys och relevanta beräkningar för DTH
3.1 Val av driftsparametrar**
3.1.1 Hammarens längd och vikt: Den preliminära designen specificerar en längd på mindre än 4500 mm och en vikt på mindre än 2500 kg.
3.1.2 Hammardiameter: Lämplig hammardiameter bestäms baserat på borrdiametern, inställd på 540 mm.
3.1.3 Borrdiameter: Detta avser pålhålets diameter, vanligtvis mellan 550 mm och 600 mm.
3.1.4 Borrdjup: Enligt krav på påldesign är detta vanligtvis mellan flera dussin meter och hundra meter.
3.1.5 Borrhastighet: DTH-borrning arbetar vanligtvis med låga rotationshastigheter, vanligtvis mellan 7 och 25 r/s.
3.1.6 Roterande vridmoment: Det maximala vridmomentet för denna design är satt till 150 kN·m.
3.2 Beräkning av designparametrar
Designparametrarna för DTH, specifikt prestandaparametrarna för DTH-slagutrustningen, fungerar som grund för maskinkonstruktion och definierar prestandan för den tillverkade utrustningen.
3.2.1 Konstruktionstryck P för slagutrustning
I Kina är ett tryck på 0,49 MPa (ungefär 5 × 10^5 Pa) allmänt valt som designstandard för pneumatisk slagutrustning. Med tanke på att DTH för denna design är en icke-ventil slaganordning med stor borrdiameter och tung kolv, kommer högre lufttryck att förbättra prestandan ytterligare. Dessutom är högtrycksluftkompressorer allt vanligare och i enlighet med internationell standard ISO 5941-1979 väljs ett designtryck på 1,6 MPa.
3.2.2 Slagkraft
För DTH som används för att borra hål med stor diameter kan konstruktionens slagenergi fluktuera avsevärt. Slagenergin för denna design beräknas enligt följande:
3.2.3 Stötfrekvens
Generellt, under konstant stötenergi, är stötfrekvensen proportionell mot uteffekten från stötdonet. Emellertid, när cylinderdiametern är fixerad, kräver ökning av slagfrekvensen en minskning av kolvens slaglängd, vilket i sin tur minskar den enstaka slagkraften. När väl den enstaka slagkraften faller under ett visst tröskelvärde kommer en ökning av frekvensen inte att ge tillfredsställande stenbrytningsresultat. Sålunda begränsas valet av stötfrekvens av slagkraften.
För pneumatisk DTH som arbetar vid ett designtryck på 0,5 MPa bör frekvensen inte överstiga 16,8 Hz. Eftersom DTH arbetar vid designtryck mellan 0,5 och 2,5 MPa, kan stötfrekvensen variera avsevärt. Det initiala valet av provkroppens frekvens kan beräknas enligt följande:
f = 10,4 + 7,6P
(2) där P är systemets matningstryck. För denna design är P = 1,6 MPa, därför:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Konstruktion av strukturella parametrar
De huvudsakliga strukturella parametrarna för DTH inkluderar cylinderloppsdiameter, kolvslag och kolvdimensioner. Att öka cylinderdiametern kan öka både slagkraften och frekvensen, så diametern bör maximeras inom gränserna för strukturell storlek. Vanligtvis bör skillnaden mellan ytterdiametern hos DTH och håldiametern inte vara mindre än 15 till 20 mm, och det yttre höljet på DTH:n bör inte vara för tunt. Därför är förhållandet mellan DTH-cylinderdiameter och borrdiameter i allmänhet över 0,5.
3.3.1 Arbetsdiameter för cylindern och konstruktionsslaget
Cylinderns arbetsdiameter D kan beräknas enligt följande:
D = K × D(hål) = (0,57 - 0,68) × D(hål) (3)
För denna design är D(hål) = 600 mm, så D tas som 360 mm. Det strukturella slaget S är empiriskt taget som S = 500 mm.
3.3.2 Kolvmassa
Kolvens radiella dimensioner begränsas av cylinderns storlek och struktur, vilket tillåter kolvar med antingen lika eller olika diameter. De linjära måtten beror på kolvens vikt, vilket också relaterar till hastigheten den har när den träffar borrkronan. Därför är bestämning av kolvens strukturella dimensioner en komplex aspekt av DTH-design. Massan av DTH-kolven kan uppskattas enligt följande:
m = 0,0205D^2,84 (4)
där m är kolvmassan i kg; D är cylinderns arbetsdiameter i cm.
Ersättande D = 36 utbyten: m = 540 kg.
DTH består huvudsakligen av en vridmomentöverföringsstruktur och en pneumatisk slagmekanism. Vridmomentöverföringsstrukturen förbinder borrstången och DTH, överför roterande skär- och dragkrafter; den pneumatiska slagmekanismen genererar slag och ger axiell kraft till slagborrkronan. Specifika strukturdetaljer visas i figur 3.
Vridmomentöverföringsstrukturen förbinder borrstången och slagkroppen. Den övre leden ansluter till borrstången och slagkroppen genom rörgängor, främst för att säkerställa gastäthet samtidigt som den överför vridmoment och dragkraft. Backventilen hindrar lera och vatten från att komma in i slagkroppen och borrstången, kontrollerad av en fjäder. Luftintagssätet med gastillförselstaven fungerar för att införa tryckluft i cylindern, vilket underlättar gastillförseln tillsammans med cylindern och kolven, och uppnår därmed kombinerad gastillförsel. Fjädersäkerhetsringen förhindrar att kolven glider ut ur cylindern vid byte av borr.
3.4 Finita elementanalys av DTH-borr
DTH-borren utsätts för slagkrafter från kolven och vridmoment från drivhuvudet. Kraften som utövas på kolven av tryckluften ges av:
F = P × S (5)
där P är systemtrycket i Pa; S är kolvens kraftarea i m².
Således är F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Därför är slagkraften på borrkronan:
F' = kF (6)
där k är effektkoefficienten; F är kraften som utövas på borrkronan av tryckluften i N. F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Vridmomentet som appliceras på DTH-borren av drivhuvudet är N = 150 kN. Genom att applicera F' = 2688 kN och N = 150 kN på borrkronan samtidigt som den undre ändytan på borrkronan fixeras, och med QT500-7-material med en sträckgräns på 320 MPa, utförs finita elementanalys. De specifika belastnings- och begränsningsförhållandena och maskindelningen visas i figurerna 4 och 5.
Resultaten av finita elementanalysen visas i figur 6, vilket indikerar att den maximala spänningen är 144.355 MPa, vilket är mindre än sträckgränsen för QT500-7 (320 MPa), vilket uppfyller kraven.