Pag-crack sa Code ng Hard Rock Drilling: Ang Teknolohiya ng DTH na Nagbabago ng Laro.
Ayon sa mga geological na kondisyon ng lugar ng konstruksiyon, mayroong apat na pangunahing pamamaraan ng pagbabarena na karaniwang ginagamit ng mga drill rig, tulad ng ipinapakita sa Figure 1.
a. Ang mga pneumatic o hydraulic-driven na rotary head na pinagsama sa impact equipment ay nagpapadala ng rotational at impact energy sa tuktok ngdrill pipe, naghahatid ng enerhiya sa drill bit sa pamamagitan ng mga shock wave sa drill pipe. Ang pamamaraang ito ay limitado sa maliliit na diyametro at mababaw na lalim at karaniwang ginagamit sa mga quarry, construction site, at underground mining operations.
b.Mga martilyo ng Down-The-Hole (DTH). ay matatagpuan sa ilalim ng drill string. Ang compressed air ay pumapasok sa DTH sa pamamagitan ng drill string, na nagtutulak ng piston sa isang pabalik-balik na paggalaw na direktang nakakaapekto sa drill bit, na naglilipat ng impact energy sa bato. Ang sistemang ito ay may kaunting pagkawala ng kuryente at partikular na angkop para sa malalalim na butas, tuwid na butas, at medium-hard na bato.
c.Baliktarin ang sirkulasyon (RC) pagbabarenagumagamit ng DTH upang mangolekta at magdala ng mga sample ng bato mula sa mukha ng drill bit. Ang mga tuyo at hindi kontaminadong pinagputulan ay dinadala sa gitnang tubo ng DTH sa isang sample collection device, naghahanda para sa geological analysis.
d. Ang isang gearbox na pinapatakbo ng mga haydroliko o de-kuryenteng motor ay bumubuo ng isang umiikot na power head, na naglalapat ng sapat na puwersa ng feed sa tatlong-kono na drill bit sa pamamagitan ng isang feed system na gumagalaw pataas at pababa sa drill rig at isang makapal na pader na drill pipe. Ang pamamaraang ito ay ginagamit para sa mas malambot na mga bato o malakas na pinagsanib na mga matigas na bato.
- Mga Prinsipyo at Katangian ng DTH
Ang mga pormasyon na na-drill gamit ang DTH ay halos ganap na may kakayahang isama ang lahat ng igneous na bato, metamorphic na bato, at sedimentary na bato na medium-hard o mas mahirap. Ang DTH ay partikular na kapaki-pakinabang para sa pagbabarena ng matigas na bato at matigas na strata dahil ang matigas na bato ay may posibilidad na maging malutong. Sa ilalim ng mga impact load, ang mga bali ay hindi lamang nangyayari sa direktang impact site ngunit lumilikha din ng sirang zone, na nagreresulta sa mas malalaking fragment ng bato. Kaya, ang bilis ng pagbabarena ay makabuluhang mas mabilis kumpara sa purong rotary drilling. Ang mekanikal na modelo sa Figure 2 ay naglalarawan ng iba't ibang load na kumikilos sa bato sa panahon ng impact rotary drilling.
Bilang karagdagan, ang DTH (Down-the-Hole) drilling ay lubos na epektibo sa mga pormasyon na madaling kapitan ng paglihis ng borehole, tulad ng mga strata na may mahusay na nabuong bedding at foliation, o mga rock layer na may hindi pantay na tigas at maraming mga bali. Ito ay maaaring makabuluhang bawasan ang borehole deviation at mapagtagumpayan din ang mga kahirapan sa pagbabarena sa pamamagitan ng mga gravel layer at boulder bed.
Ang DTH drilling ay binuo noong huling bahagi ng ika-19 na siglo at may kasaysayan ng mahigit isang siglo. Bagama't maraming uri ng DTH drills, ang mga ito ay may karaniwang katangian: parehong ang impact mechanism at ang drill bit ay nakalubog sa borehole, na may pag-ikot na sinamahan ng impact para masira ang bato. Ang mga kagamitan na ginamit upang makabuo ng puwersa ng epekto ay maaaring ikategorya sa pamamagitan ng kanilang paraan ng pagmamaneho sa mga uri ng pneumatic, hydraulic, oil pressure, electric, at mekanikal.
Dahil ang epekto ng enerhiya ay nakakaranas ng malaking pagkawala sa panahon ng paghahatid at maaaring magdulot ng malaking pinsala sa mga apektadong bahagi, karaniwang kinakailangan sa mas malalim na mga operasyon ng pagbabarena na ang kagamitan ay pumasok sa borehole gamit ang drill tool, upang ang puwersa ng epekto ng output ay maaaring direktang kumilos sa drill bit o core barrel. Pinaliit nito ang pagkawala ng enerhiya sa panahon ng paghahatid, pinapabuti ang kahusayan ng enerhiya, at binabawasan ang posibilidad ng mga pagkabigo ng kagamitan sa downhole.
Ang pneumatic DTH, na kilala rin bilang air-driven DTH, ay may maraming uri ng istruktura at mga pamamaraan ng pag-uuri.
- Sa pamamagitan ng rating ng presyon: mga uri ng high-pressure, medium-pressure, at low-pressure.
- Sa pamamagitan ng pangkalahatang istraktura: non-through at through na mga uri.
- Sa prinsipyo ng pagpapatakbo ng balbula: uri ng control valve, uri ng libreng balbula, at uri ng hybrid na balbula.
- Sa pamamagitan ng istraktura ng piston: pantay na diameter ng piston, hindi pantay na diameter ng piston, at mga uri ng tandem piston.
- Sa pamamagitan ng uri ng air distribution: valved DTH at valveless DTH. Ang Valved DTH ay maaaring hatiin sa mga uri ng plate valve, disc valve, at cylindrical valve, habang ang valveless DTH ay maaaring hatiin sa center rod exhaust type, piston air distribution type, at combined air distribution sa pamamagitan ng piston, cylinder, at center rod.
- Sa pamamagitan ng paghuhugas ng butas at paraan ng paglabas ng slag: paghuhugas ng butas sa gitna, paghuhugas ng butas sa harap, at paghuhugas ng butas sa gilid.
2. Pagpapasiya ng Epekto ng Mekanismo ng mga Structural Scheme
2.1 Piston Self-Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Ang ganitong uri ng mekanismo ng epekto ay pangunahing ginagamit ang mga sipi ng gas sa piston mismo para sa supply ng gas, na nagreresulta sa isang kumplikadong istraktura ng piston na may maraming mga channel ng gas, na nagpapababa sa lakas at habang-buhay ng piston. Gayunpaman, ang mekanismo ng epekto na ito ay nagsasama ng panloob at panlabas na mga cylinder, pinatataas ang epektibong lugar ng pagtatrabaho ng piston at pinahuhusay ang enerhiya ng epekto ng mekanismo.
2.2 Piston at Cylinder Combined Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Nagtatampok ang ganitong uri ng isang simpleng istraktura na madaling gawin, may mas mahabang buhay ng piston, at ang mga butas ng gas ay matatagpuan sa parehong silindro at piston. Ang istraktura na ito ay malawakang ginagamit sa ibang bansa.
2.3 Center Pipe Gas Supply Non-Valve Impact Mechanism
Sa mekanismong ito, ang mga daanan ng air intake para sa upper at lower chambers ay nakaayos sa circular pipe kung saan dumudulas ang piston. Nangangailangan ito ng mataas na katumpakan sa pagmamanupaktura at may medyo maikling habang-buhay para sa center pipe.
2.4 Side Exhaust Impact Mechanism
Ang tinatawag na side exhaust ay nangangahulugan na ang exhaust gas path ay lumabas sa cylinder body sa halip na dumaan sa gitna ng drill bit hanggang sa ilalim ng butas. Ang ganitong uri ng mekanismo ng epekto ay karaniwang may maraming mga daanan ng intake at exhaust sa katawan ng silindro, na humahantong sa mahinang structural strength, potensyal para sa longitudinal fatigue cracks, at makabuluhang pagkawala ng air pressure, na nagreresulta sa suboptimal na pagtanggal ng mga debris at mga cooling effect para sa drill bit.
2.5 Center Exhaust Impact Mechanism
Ang ganitong uri ng mekanismo ng epekto ay direktang naglalabas ng mga labi at gas mula sa gitna ng drill bit hanggang sa ilalim ng butas. Ang direktang daloy ng hangin ay hindi lamang pinahuhusay ang kahusayan sa pag-alis ng mga labi ngunit pinapabuti din ang kahusayan at paglamig ng pagbabarena, na nagpapahaba ng habang-buhay ng drill bit. Pinapalitan ng ganitong uri ng istruktura ang maraming mga longitudinal grooves sa inner cylinder ng side exhaust impact mechanism na may annular groove, na lubos na nagpapababa ng stress concentration sa inner cylinder. Ito ay naging isang malawak na pinagtibay na istraktura sa mga nakaraang taon.
2.6 Serye Piston Impact Mechanism
Ang mekanismo ng epekto ng serye ng piston, na kilala rin bilang isang dual-piston (head) impactor, ay naghahati sa silindro sa dalawang silid gamit ang isang isolation ring. Ang disenyong ito ay nagbibigay-daan sa parehong mga mukha ng piston na gumana nang sabay-sabay sa loob ng parehong diameter ng butas, na nagreresulta sa higit na lakas ng epekto at mas mataas na dalas ng epekto. Kaugnay nito, mayroong dual exhaust system na epektibong nag-aalis ng rock powder mula sa ilalim ng butas. Gayunpaman, ang pangunahing disbentaha nito ay ang kumplikadong istraktura nito at ang pangangailangan para sa mataas na katumpakan sa mga bahagi ng machining; halimbawa, ang piston ay may hanggang limang mating surface na may kaugnay na mga bahagi, na naglilimita sa paggamit at promosyon nito. Samakatuwid, ang disenyo na ito ay gumagamit ng pangalawang opsyon, na kung saan ay ang non-valve impact mechanism na may piston at cylinder na pinagsamang supply ng gas. Ang istraktura nito ay ipinapakita sa Figure 3.
3. Theoretical Analysis at Relevant Calculations para sa DTH
3.1 Pagpili ng Mga Operating Parameter**
3.1.1 Hammer at Timbang ng martilyo: Tinutukoy ng paunang disenyo ang haba na mas mababa sa 4500 mm at timbang na mas mababa sa 2500 kg.
3.1.2 Diameter ng Hammer: Ang naaangkop na diameter ng martilyo ay tinutukoy batay sa diameter ng pagbabarena, na nakatakda sa 540 mm.
3.1.3 Diameter ng Pagbabarena: Ito ay tumutukoy sa diameter ng pile hole, sa pangkalahatan ay nasa pagitan ng 550 mm at 600 mm.
3.1.4 Lalim ng Pagbabarena: Ayon sa mga kinakailangan sa disenyo ng pile, ito ay karaniwang nasa pagitan ng ilang dosenang metro at isang daang metro.
3.1.5 Bilis ng Pag-drill: Ang DTH drilling ay karaniwang gumagana sa mababang bilis ng pag-ikot, karaniwang nasa pagitan ng 7 at 25 r/s.
3.1.6 Rotational Torque: Ang pinakamataas na torque para sa disenyong ito ay nakatakda sa 150 kN·m.
3.2 Pagkalkula ng Mga Parameter ng Disenyo
Ang mga parameter ng disenyo para sa DTH, partikular ang mga parameter ng pagganap ng kagamitan sa epekto ng DTH, ay nagsisilbing batayan para sa disenyo ng makina at tinutukoy ang pagganap ng mga kagamitang ginawa.
3.2.1 Design Pressure P para sa Impact Equipment
Sa China, ang presyon na 0.49 MPa (humigit-kumulang 5 × 10^5 Pa) ay malawak na pinili bilang pamantayan sa disenyo para sa pneumatic impact equipment. Dahil ang DTH para sa disenyong ito ay isang non-valve impact device na may malaking diameter ng pagbabarena at mabigat na piston, ang mas mataas na presyon ng hangin ay higit na magpapahusay sa pagganap. Bilang karagdagan, ang mga high-pressure na air compressor ay lalong karaniwan, at alinsunod sa internasyonal na pamantayang ISO 5941-1979, ang isang disenyo ng presyon ng 1.6 MPa ay pinili.
3.2.2 Lakas ng Epekto
Para sa DTH na ginamit upang mag-drill ng malalaking butas sa diameter, ang enerhiya ng epekto ng disenyo ay maaaring magbago nang malaki. Ang epekto ng enerhiya para sa disenyong ito ay kinakalkula bilang mga sumusunod:
3.2.3 Dalas ng Epekto
Sa pangkalahatan, sa ilalim ng patuloy na enerhiya ng epekto, ang dalas ng epekto ay proporsyonal sa lakas ng output ng impactor. Gayunpaman, kapag ang diameter ng silindro ay naayos, ang pagtaas ng dalas ng epekto ay nangangailangan ng pagbawas sa piston stroke, na kung saan ay nagpapababa sa kapangyarihan ng isang epekto. Sa sandaling bumaba ang kapangyarihan ng nag-iisang epekto sa isang tiyak na threshold, ang pagtaas ng dalas ay hindi magbubunga ng kasiya-siyang resulta ng pagbagsak ng bato. Kaya, ang pagpili ng dalas ng epekto ay pinipigilan ng lakas ng epekto.
Para sa pneumatic DTH na tumatakbo sa isang presyon ng disenyo na 0.5 MPa, ang dalas ay hindi dapat lumampas sa 16.8 Hz. Dahil ang DTH ay gumagana sa mga presyon ng disenyo sa pagitan ng 0.5 at 2.5 MPa, ang dalas ng epekto ay maaaring mag-iba nang malaki. Ang paunang pagpili ng dalas ng impactor ay maaaring kalkulahin tulad ng sumusunod:
f = 10.4 + 7.6P
(2) kung saan ang P ay ang presyon ng supply ng system. Para sa disenyong ito, P = 1.6 MPa, samakatuwid:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 Hz.
3.3 Disenyo ng Structural Parameter
Kabilang sa mga pangunahing structural parameter ng DTH ang cylinder bore diameter, piston stroke, at mga sukat ng piston. Ang pagtaas ng diameter ng silindro ay maaaring mapahusay ang parehong lakas at dalas ng epekto, kaya ang diameter ay dapat na i-maximize sa loob ng mga limitasyon ng sukat ng istruktura. Karaniwan, ang pagkakaiba sa pagitan ng panlabas na diameter ng DTH at ng bore diameter ay hindi dapat mas mababa sa 15 hanggang 20 mm, at ang panlabas na casing ng DTH ay hindi dapat masyadong manipis. Samakatuwid, ang ratio ng diameter ng silindro ng DTH sa diameter ng pagbabarena ay karaniwang nasa itaas ng 0.5.
3.3.1 Working Diameter ng Cylinder at Structural Stroke
Ang working diameter D ng silindro ay maaaring kalkulahin bilang mga sumusunod:
D = K × D(bore) = (0.57 - 0.68) × D(bore) (3)
Para sa disenyong ito, D(bore) = 600 mm, kaya ang D ay kinuha bilang 360 mm. Ang structural stroke S ay empirically kinuha bilang S = 500 mm.
3.3.2 Mass ng Piston
Ang mga sukat ng radial ng piston ay pinipigilan ng laki at istraktura ng silindro, na nagbibigay-daan para sa alinman sa pantay o magkaibang diameter ng mga piston. Ang mga linear na sukat ay nakasalalay sa bigat ng piston, na nauugnay din sa bilis na mayroon ito kapag hinahampas ang drill bit. Samakatuwid, ang pagtukoy sa mga sukat ng istruktura ng piston ay isang kumplikadong aspeto ng disenyo ng DTH. Ang masa ng DTH piston ay maaaring tantyahin tulad ng sumusunod:
m = 0.0205D^2.84 (4)
kung saan ang m ay ang piston mass sa kg; D ay ang gumaganang diameter ng silindro sa cm.
Pinapalitan ang D = 36 na ani: m = 540 kg.
Ang DTH ay pangunahing binubuo ng isang torque transmission structure at isang pneumatic impact mechanism. Ang torque transmission structure ay nag-uugnay sa drill rod at DTH, na nagpapadala ng rotational cutting at pulling forces; ang mekanismo ng epekto ng pneumatic ay bumubuo ng epekto, na nagbibigay ng axial power sa impact drill bit. Ang mga partikular na detalye ng istraktura ay ipinapakita sa Figure 3.
Ang torque transmission structure ay nag-uugnay sa drill rod at sa impactor. Ang itaas na joint ay kumokonekta sa drill rod at ang impactor sa pamamagitan ng pipe thread, pangunahin upang matiyak ang higpit ng gas habang nagpapadala din ng torque at pulling force. Pinipigilan ng check valve ang putik at tubig na makapasok sa impactor at drill rod, na kinokontrol ng spring. Ang air intake seat na may gas supply rod ay gumagana upang ipasok ang compressed air sa cylinder, na pinapadali ang pagkilos ng gas supply kasama ng cylinder at piston, at sa gayon ay nakakamit ang pinagsamang supply ng gas. Pinipigilan ng spring safety ring ang piston mula sa pag-slide palabas ng cylinder kapag pinapalitan ang drill bit.
3.4 Finite Element Analysis ng DTH Drill Bit
Ang DTH drill bit ay sumasailalim sa impact forces mula sa piston at torque mula sa drive head. Ang puwersa na ginawa sa piston ng naka-compress na hangin ay ibinibigay ng:
F = P × S (5)
kung saan ang P ay ang presyon ng system sa Pa; Ang S ay ang force area ng piston sa m².
Kaya, F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N.
Samakatuwid, ang puwersa ng epekto sa drill bit ay:
F' = kF (6)
kung saan ang k ay ang koepisyent ng epekto; Ang F ay ang puwersa na ibinibigay sa drill bit ng naka-compress na hangin sa N. Kaya, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Ang torque na inilapat sa DTH drill bit ng drive head ay N = 150 kN. Ang paglalapat ng F' = 2688 kN at N = 150 kN sa drill bit habang inaayos ang lower end face ng drill bit, at gamit ang QT500-7 na materyal na may yield strength na 320 MPa, isinasagawa ang finite element analysis. Ang mga partikular na kondisyon ng pagkarga at pagpilit at paghahati ng mesh ay ipinapakita sa Mga Figure 4 at 5.
Ang mga resulta ng pagsusuri ng finite element ay ipinapakita sa Figure 6, na nagpapahiwatig na ang maximum na stress ay 144.355 MPa, na mas mababa kaysa sa lakas ng ani ng QT500-7 (320 MPa), kaya natutugunan ang mga kinakailangan.