เจาะรหัสการเจาะหินแข็ง: เทคโนโลยี DTH ที่จะเปลี่ยนเกม

จากสภาพธรณีวิทยาของพื้นที่ก่อสร้าง มีวิธีการเจาะหลักๆ 4 วิธีที่ใช้กับแท่นเจาะทั่วไป ดังแสดงในรูปที่ 1

ก. หัวโรเตอรีขับเคลื่อนด้วยลมหรือไฮดรอลิกรวมกับอุปกรณ์กระแทกจะส่งพลังงานหมุนและแรงกระแทกผ่านด้านบนของท่อเจาะโดยส่งพลังงานไปยังหัวเจาะผ่านคลื่นกระแทกในท่อเจาะ วิธีนี้จำกัดเฉพาะเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กและความลึกตื้น และมักใช้ในเหมืองหิน สถานที่ก่อสร้าง และเหมืองใต้ดิน

ข.ค้อนเจาะลงหลุม (DTH) อยู่ที่ด้านล่างของชุดสว่าน อากาศอัดจะเข้าสู่ DTH ผ่านชุดสว่าน ขับเคลื่อนลูกสูบด้วยการเคลื่อนที่แบบลูกสูบไปกลับที่กระทบหัวเจาะโดยตรง ถ่ายโอนพลังงานการกระทบไปยังหิน ระบบนี้สูญเสียพลังงานเพียงเล็กน้อย และเหมาะเป็นพิเศษสำหรับหลุมลึก หลุมตรง และหินที่มีความแข็งปานกลาง

ค.การเจาะแบบหมุนเวียนย้อนกลับ (RC)ใช้ DTH เพื่อรวบรวมและขนส่งตัวอย่างหินจากหน้าของดอกสว่าน ชิ้นส่วนที่แห้งและไม่มีการปนเปื้อนจะถูกส่งผ่านท่อตรงกลางของ DTH ไปยังอุปกรณ์รวบรวมตัวอย่างเพื่อเตรียมการวิเคราะห์ทางธรณีวิทยา

d. กระปุกเกียร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฮดรอลิกหรือมอเตอร์ไฟฟ้าจะสร้างหัวกำลังหมุนซึ่งส่งแรงป้อนที่เพียงพอไปยังหัวเจาะแบบกรวยสามอันผ่านระบบป้อนที่เคลื่อนขึ้นและลงบนแท่นเจาะและท่อเจาะที่มีผนังหนา วิธีนี้ใช้สำหรับหินที่อ่อนกว่าหรือหินแข็งที่มีรอยต่อแน่น

 

1. หลักการและคุณลักษณะของ DTH

หินที่เจาะด้วย DTH นั้นมีศักยภาพในการเจาะหินอัคนี หินแปร และหินตะกอนที่มีความแข็งปานกลางหรือแข็งกว่าได้เกือบทั้งหมด DTH มีประโยชน์อย่างยิ่งในการเจาะหินแข็งและชั้นหินที่แข็ง เนื่องจากหินแข็งมักจะเปราะ เมื่อได้รับแรงกระแทก จะเกิดรอยแตกไม่เพียงแต่ที่จุดที่กระทบโดยตรงเท่านั้น แต่ยังสร้างโซนที่แตกหัก ส่งผลให้มีเศษหินขนาดใหญ่ ดังนั้น ความเร็วในการเจาะจึงเร็วกว่าการเจาะแบบโรเตอรี่เพียงอย่างเดียวอย่างเห็นได้ชัด แบบจำลองทางกลในรูปที่ 2 แสดงให้เห็นแรงต่างๆ ที่กระทำต่อหินในระหว่างการเจาะแบบโรเตอรี่แบบโรเตอรี่

                                                             

นอกจากนี้ การเจาะแบบ DTH (Down-the-Hole) ยังมีประสิทธิภาพสูงในการขุดเจาะหินที่มีแนวโน้มจะเกิดการเบี่ยงเบนของหลุมเจาะ เช่น ชั้นหินที่มีชั้นหินและชั้นหินที่พัฒนาดี หรือชั้นหินที่มีความแข็งไม่สม่ำเสมอและมีรอยแตกจำนวนมาก นอกจากนี้ยังสามารถลดการเบี่ยงเบนของหลุมเจาะได้อย่างมาก และยังช่วยแก้ปัญหาการเจาะผ่านชั้นกรวดและชั้นหินก้อนใหญ่ได้อีกด้วย

 

การเจาะ DTH ได้รับการพัฒนาในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 และมีประวัติยาวนานกว่าศตวรรษ แม้ว่าจะมีสว่าน DTH หลายประเภท แต่ลักษณะที่เหมือนกันคือทั้งกลไกการกระแทกและหัวเจาะจะจมลงไปในหลุมเจาะ โดยมีการหมุนร่วมกับแรงกระแทกเพื่อทำลายหิน อุปกรณ์ที่ใช้สร้างแรงกระแทกสามารถแบ่งตามวิธีการขับเคลื่อนได้เป็นประเภทนิวเมติก ไฮดรอลิก แรงดันน้ำมัน ไฟฟ้า และเครื่องกล

 

เนื่องจากพลังงานจากการกระแทกจะสูญเสียไปอย่างมากระหว่างการส่ง และอาจทำให้ชิ้นส่วนที่ได้รับผลกระทบได้รับความเสียหายอย่างมาก ดังนั้น โดยทั่วไปแล้ว ในการขุดเจาะที่ลึกขึ้น จำเป็นต้องให้อุปกรณ์เจาะเข้าไปในหลุมเจาะด้วยเครื่องมือเจาะ เพื่อให้แรงกระแทกที่ส่งออกมาสามารถกระทำกับดอกสว่านหรือกระบอกแกนได้โดยตรง ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียพลังงานระหว่างการส่ง ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และลดโอกาสที่อุปกรณ์ในหลุมจะเสียหาย

DTH แบบลม หรือที่เรียกอีกอย่างว่า DTH ขับเคลื่อนด้วยลม มีโครงสร้างหลายประเภทและวิธีการจำแนกหลายประเภท

- แบ่งตามระดับแรงดัน ได้แก่ แรงดันสูง แรงดันปานกลาง และแรงดันต่ำ

- โดยโครงสร้างโดยรวม: ชนิดไม่ผ่าน และชนิดผ่าน

- หลักการทำงานของวาล์ว: ประเภทวาล์วควบคุม ประเภทวาล์วอิสระ และประเภทวาล์วไฮบริด

- โดยโครงสร้างลูกสูบ ได้แก่ ลูกสูบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน ลูกสูบขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เท่ากัน และลูกสูบแบบเรียงแถว

- ตามประเภทการกระจายอากาศ: DTH แบบมีวาล์วและ DTH แบบไม่มีวาล์ว DTH แบบมีวาล์วสามารถแบ่งย่อยได้เป็นวาล์วแผ่น วาล์วดิสก์ และวาล์วทรงกระบอก ในขณะที่ DTH แบบไม่มีวาล์วสามารถแบ่งย่อยได้เป็นประเภทไอเสียของแกนกลาง ประเภทการกระจายอากาศแบบลูกสูบ และการกระจายอากาศแบบรวมโดยลูกสูบ กระบอกสูบ และแกนกลาง

- วิธีการล้างรูและการระบายตะกรัน: การล้างรูตรงกลาง การล้างรูด้านหน้า และการล้างรูด้านข้าง

2. การกำหนดโครงร่างโครงสร้างกลไกการกระทบ

2.1 กลไกการจ่ายก๊าซแบบลูกสูบโดยไม่กระทบกับวาล์ว

กลไกการกระแทกประเภทนี้ใช้ช่องแก๊สในลูกสูบเป็นหลักในการจ่ายแก๊ส ส่งผลให้โครงสร้างลูกสูบมีความซับซ้อนและมีช่องแก๊สจำนวนมาก ส่งผลให้ความแข็งแรงและอายุการใช้งานของลูกสูบลดลง อย่างไรก็ตาม กลไกการกระแทกประเภทนี้ผสานกระบอกสูบด้านในและด้านนอกเข้าด้วยกัน ทำให้พื้นที่ทำงานที่มีประสิทธิภาพของลูกสูบเพิ่มขึ้น และเพิ่มพลังงานการกระแทกของกลไก

2.2 กลไกการจ่ายก๊าซรวมแบบลูกสูบและกระบอกสูบแบบไม่มีวาล์ว

ประเภทนี้มีลักษณะโครงสร้างเรียบง่ายที่ผลิตง่าย มีอายุการใช้งานของลูกสูบยาวนานขึ้น และรูแก๊สจะอยู่ที่ทั้งกระบอกสูบและลูกสูบ โครงสร้างนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในต่างประเทศ

2.3 กลไกการกระแทกท่อส่งก๊าซกลางแบบไม่มีวาล์ว

กลไกนี้มีช่องรับอากาศเข้าสำหรับห้องบนและห้องล่างที่จัดวางไว้บนท่อกลมที่ลูกสูบเลื่อนได้ กลไกนี้ต้องใช้ความแม่นยำในการผลิตสูง และท่อกลางมีอายุการใช้งานค่อนข้างสั้น

2.4 กลไกการกระแทกไอเสียด้านข้าง

ท่อไอเสียแบบด้านข้างหมายถึงท่อไอเสียจะไหลออกจากตัวกระบอกสูบแทนที่จะไหลผ่านจุดศูนย์กลางของดอกสว่านไปยังก้นรู กลไกการกระแทกประเภทนี้มักมีช่องทางเข้าและช่องทางออกหลายช่องทางบนตัวกระบอกสูบ ส่งผลให้โครงสร้างมีความแข็งแรงต่ำ มีโอกาสเกิดรอยแตกร้าวตามยาว และสูญเสียแรงดันอากาศอย่างมาก ส่งผลให้การขจัดเศษวัสดุและการระบายความร้อนของดอกสว่านทำได้ไม่ดีเท่าที่ควร

2.5 กลไกการกระแทกไอเสียตรงกลาง

กลไกการกระแทกประเภทนี้จะระบายเศษวัสดุและก๊าซออกจากจุดศูนย์กลางของดอกสว่านไปยังก้นรูโดยตรง การไหลเวียนของอากาศโดยตรงไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดเศษวัสดุเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการเจาะและการระบายความร้อนอีกด้วย ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของดอกสว่านได้ กลไกการกระแทกประเภทนี้จะแทนที่ร่องตามยาวจำนวนมากในกระบอกสูบด้านในของกลไกการกระแทกไอเสียด้านข้างด้วยร่องวงแหวน ซึ่งช่วยลดความเข้มข้นของความเค้นในกระบอกสูบด้านในได้อย่างมาก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กลไกการกระแทกประเภทนี้ได้กลายเป็นโครงสร้างที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย

กลไกการกระแทกลูกสูบซีรีส์ 2.6

กลไกการกระแทกลูกสูบแบบซีรีส์ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่ากลไกการกระแทกแบบลูกสูบคู่ (หัว) แบ่งกระบอกสูบออกเป็นสองห้องโดยใช้แหวนแยก การออกแบบนี้ทำให้ลูกสูบทั้งสองหน้าทำงานพร้อมกันได้ภายในเส้นผ่านศูนย์กลางรูเดียวกัน ส่งผลให้มีพลังการกระแทกที่มากขึ้นและความถี่ในการกระแทกที่สูงขึ้น พร้อมกันนั้น ยังมีระบบไอเสียคู่ที่ช่วยขจัดผงหินออกจากก้นรูได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียหลักคือโครงสร้างที่ซับซ้อนและความต้องการความแม่นยำสูงในการตัดเฉือนชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น ลูกสูบมีพื้นผิวประกบกันสูงสุดห้าพื้นผิวที่มีส่วนประกอบที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจำกัดการใช้งานและการส่งเสริมการขาย ดังนั้น การออกแบบนี้จึงใช้ตัวเลือกที่สอง ซึ่งเป็นกลไกการกระแทกแบบไม่ใช้วาล์วที่มีแหล่งจ่ายก๊าซรวมกันระหว่างลูกสูบและกระบอกสูบ โครงสร้างของระบบแสดงไว้ในรูปที่ 3

3.การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและการคำนวณที่เกี่ยวข้องสำหรับ DTH

3.1 การเลือกพารามิเตอร์การทำงาน**

3.1.1 ความยาวและน้ำหนักค้อน การออกแบบเบื้องต้นกำหนดความยาวน้อยกว่า 4,500 มม. และน้ำหนักน้อยกว่า 2,500 กก.

3.1.2 เส้นผ่านศูนย์กลางค้อน: เส้นผ่านศูนย์กลางค้อนที่เหมาะสมจะถูกกำหนดตามเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจาะที่ตั้งไว้ที่ 540 มม.

3.1.3 เส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะ: หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเสาเข็ม โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 550 มม. ถึง 600 มม.

3.1.4 ความลึกในการเจาะ: ตามข้อกำหนดการออกแบบเสาเข็ม โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างหลายสิบเมตรถึงหนึ่งร้อยเมตร

3.1.5 ความเร็วในการเจาะ: การเจาะ DTH โดยทั่วไปจะทำงานด้วยความเร็วในการหมุนต่ำ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 7 ถึง 25 รอบต่อวินาที

3.1.6 แรงบิดหมุน: แรงบิดสูงสุดสำหรับการออกแบบนี้กำหนดไว้ที่ 150 kN·m

 

3.2 การคำนวณพารามิเตอร์การออกแบบ

พารามิเตอร์การออกแบบสำหรับ DTH โดยเฉพาะพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทก DTH ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบเครื่องจักรและกำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ผลิต

3.2.1 การออกแบบแรงดัน P สำหรับอุปกรณ์กระแทก

ในประเทศจีน แรงดัน 0.49 MPa (ประมาณ 5 × 10^5 Pa) ถือเป็นมาตรฐานการออกแบบอุปกรณ์กระแทกลม เนื่องจาก DTH ที่ใช้ในการออกแบบนี้เป็นอุปกรณ์กระแทกแบบไม่มีวาล์ว มีเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะขนาดใหญ่ และลูกสูบหนัก แรงดันอากาศที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน นอกจากนี้ เครื่องอัดอากาศแรงดันสูงยังเป็นที่นิยมมากขึ้นเรื่อยๆ และตามมาตรฐานสากล ISO 5941-1979 จึงเลือกใช้แรงดันการออกแบบที่ 1.6 MPa

3.2.2 กำลังการกระแทก

สำหรับ DTH ที่ใช้ในการเจาะรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ พลังงานการกระแทกตามการออกแบบอาจผันผวนอย่างมาก พลังงานการกระแทกสำหรับการออกแบบนี้จะคำนวณได้ดังนี้:

                                                 

3.2.3 ความถี่ของการกระทบ

โดยทั่วไป ภายใต้พลังงานการกระแทกคงที่ ความถี่การกระแทกจะแปรผันตามกำลังส่งออกของตัวกระแทก อย่างไรก็ตาม เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบคงที่ การเพิ่มความถี่การกระแทกจะต้องลดระยะชักของลูกสูบ ซึ่งจะทำให้กำลังการกระแทกครั้งเดียวลดลง เมื่อกำลังการกระแทกครั้งเดียวลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด การเพิ่มความถี่จะไม่ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์การกระแทกที่น่าพอใจ ดังนั้น การเลือกความถี่การกระแทกจึงถูกจำกัดด้วยกำลังการกระแทก

สำหรับ DTH แบบลมที่ทำงานภายใต้แรงดันออกแบบ 0.5 MPa ความถี่ไม่ควรเกิน 16.8 Hz เนื่องจาก DTH ทำงานภายใต้แรงดันออกแบบระหว่าง 0.5 ถึง 2.5 MPa ความถี่ของการกระทบจึงอาจแตกต่างกันได้มาก การเลือกความถี่ของเครื่องกระทบเบื้องต้นสามารถคำนวณได้ดังนี้:

ฟ = 10.4 + 7.6P

(2) โดยที่ P คือแรงดันจ่ายของระบบ สำหรับการออกแบบนี้ P = 1.6 MPa ดังนั้น:

f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 เฮิรตซ์

 

3.3 การออกแบบพารามิเตอร์โครงสร้าง

พารามิเตอร์โครงสร้างหลักของ DTH ได้แก่ เส้นผ่านศูนย์กลางรูกระบอกสูบ ระยะชักลูกสูบ และขนาดของลูกสูบ การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบสามารถเพิ่มทั้งกำลังการกระแทกและความถี่ได้ ดังนั้น เส้นผ่านศูนย์กลางจึงควรขยายให้สูงสุดภายในขีดจำกัดของขนาดโครงสร้าง โดยทั่วไป ความแตกต่างระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของ DTH และเส้นผ่านศูนย์กลางรูไม่ควรน้อยกว่า 15 ถึง 20 มม. และปลอกหุ้มภายนอกของ DTH ไม่ควรบางเกินไป ดังนั้น อัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบ DTH ต่อเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะโดยทั่วไปจะอยู่เหนือ 0.5

3.3.1 เส้นผ่านศูนย์กลางการทำงานของกระบอกสูบและระยะชักโครงสร้าง

สามารถคำนวณเส้นผ่านศูนย์กลางการทำงาน D ของกระบอกสูบได้ดังนี้:

D = K × D(รูเจาะ) = (0.57 - 0.68) × D(รูเจาะ) (3)

สำหรับการออกแบบนี้ D(bore) = 600 มม. ดังนั้น D จึงถูกกำหนดให้เป็น 360 มม. ส่วนระยะชักโครงสร้าง S ถูกกำหนดตามประสบการณ์ว่า S = 500 มม.

3.3.2 มวลลูกสูบ

ขนาดรัศมีของลูกสูบถูกจำกัดด้วยขนาดและโครงสร้างของกระบอกสูบ ซึ่งทำให้ลูกสูบมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันหรือต่างกันก็ได้ ขนาดเชิงเส้นขึ้นอยู่กับน้ำหนักของลูกสูบ ซึ่งสัมพันธ์กับความเร็วที่ลูกสูบมีเมื่อกระทบดอกสว่านด้วย ดังนั้น การกำหนดขนาดโครงสร้างของลูกสูบจึงเป็นแง่มุมที่ซับซ้อนในการออกแบบ DTH สามารถประมาณมวลของลูกสูบ DTH ได้ดังนี้:

ม = 0.0205D^2.84 (4)

โดยที่ m คือมวลลูกสูบเป็นกิโลกรัม D คือเส้นผ่านศูนย์กลางการทำงานของกระบอกสูบเป็นเซนติเมตร

การแทนที่ D = 36 จะได้: m = 540 กก.

DTH ประกอบด้วยโครงสร้างส่งแรงบิดและกลไกการกระแทกด้วยลมเป็นหลัก โครงสร้างส่งแรงบิดเชื่อมต่อแท่งเจาะและ DTH โดยส่งแรงตัดหมุนและแรงดึง กลไกการกระแทกด้วยลมจะสร้างแรงกระแทกโดยส่งกำลังแนวแกนไปยังหัวเจาะกระแทก รายละเอียดโครงสร้างเฉพาะแสดงไว้ในรูปที่ 3

โครงสร้างส่งแรงบิดเชื่อมต่อแกนสว่านและตัวกระแทก ข้อต่อด้านบนเชื่อมต่อกับแกนสว่านและตัวกระแทกผ่านเกลียวท่อ โดยหลักแล้วเพื่อให้แน่ใจว่าก๊าซมีความแน่นหนาในขณะเดียวกันก็ส่งแรงบิดและแรงดึง วาล์วตรวจสอบป้องกันไม่ให้โคลนและน้ำเข้าไปในตัวกระแทกและแกนสว่าน ซึ่งควบคุมด้วยสปริง ที่นั่งรับอากาศพร้อมแกนจ่ายก๊าซทำหน้าที่ส่งอากาศอัดเข้าไปในกระบอกสูบ ช่วยให้การจ่ายก๊าซร่วมกับกระบอกสูบและลูกสูบเป็นไปอย่างราบรื่น จึงทำให้ได้ก๊าซที่จ่ายรวมกัน วงแหวนนิรภัยแบบสปริงช่วยป้องกันไม่ให้ลูกสูบเลื่อนออกจากกระบอกสูบเมื่อเปลี่ยนดอกสว่าน

3.4 การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์ของดอกสว่าน DTH

ดอกสว่าน DTH จะต้องรับแรงกระแทกจากลูกสูบและแรงบิดจากหัวขับเคลื่อน แรงที่กระทำต่อลูกสูบโดยอากาศอัดนั้นกำหนดโดย:

เอฟ = พี × เอส (5)

โดยที่ P คือความดันระบบเป็น Pa; S คือพื้นที่แรงของลูกสูบเป็น m²

ดังนั้น F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N

ดังนั้น แรงกระแทกที่เกิดกับดอกสว่านคือ

เอฟ' = กิโลเอฟ (6)

โดยที่ k คือค่าสัมประสิทธิ์การกระแทก F คือแรงที่กระทำต่อดอกสว่านโดยอากาศอัดในหน่วย N ดังนั้น F' = 20 × 134400 = 2688 kN

แรงบิดที่ใช้กับดอกสว่าน DTH โดยหัวขับเคลื่อนคือ N = 150 kN โดยใช้ F' = 2688 kN และ N = 150 kN กับดอกสว่านในขณะที่ยึดหน้าปลายด้านล่างของดอกสว่าน และใช้วัสดุ QT500-7 ที่มีความแข็งแรงยืดหยุ่น 320 MPa จะทำการวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด รูปที่ 4 และ 5 แสดงเงื่อนไขการโหลดและข้อจำกัดเฉพาะและการแบ่งตาข่าย

ผลการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์แสดงไว้ในรูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าความเค้นสูงสุดคือ 144.355 MPa ซึ่งน้อยกว่าความแข็งแรงผลผลิตของ QT500-7 (320 MPa) จึงตรงตามข้อกำหนด