Sert Kaya Delmeninin Şifresi Çözüldü: Oyunu Değiştiren DTH Teknolojisi.
İnşaat alanının jeolojik koşullarına göre sondaj kulelerinde yaygın olarak kullanılan dört ana sondaj yöntemi Şekil 1’de görülmektedir.
a. Darbe ekipmanıyla birleştirilmiş pnömatik veya hidrolik tahrikli döner kafalar, dönme ve darbe enerjisini üst kısımdan iletir.sondaj borusu, matkap borusundaki şok dalgaları aracılığıyla matkap ucuna enerji iletir. Bu yöntem küçük çaplar ve sığ derinliklerle sınırlıdır ve genellikle taş ocaklarında, inşaat sahalarında ve yeraltı madenciliği operasyonlarında kullanılır.
B.Kuyu İçi (DTH) çekiçleri Matkap dizisinin alt kısmında bulunur. Basınçlı hava, matkap dizisi aracılığıyla DTH'ye girer ve doğrudan matkap ucuna çarpan ve darbe enerjisini kayaya aktaran ileri geri hareket eden bir pistonu çalıştırır. Bu sistem minimum güç kaybına sahiptir ve özellikle derin delikler, düz delikler ve orta sertlikte kayalar için uygundur.
C.Ters sirkülasyonlu (RC) sondajMatkap ucunun yüzünden kaya örneklerini toplamak ve taşımak için DTH kullanır. Kuru ve kirlenmemiş kesimler, jeolojik analiz için hazırlık amacıyla DTH'nin merkez borusundan bir örnek toplama cihazına taşınır.
d. Hidrolik veya elektrik motorları tarafından tahrik edilen bir dişli kutusu, döner bir güç başlığı oluşturur ve sondaj kulesi ve kalın duvarlı bir sondaj borusu üzerinde yukarı ve aşağı hareket eden bir besleme sistemi aracılığıyla üç konili matkap ucuna yeterli besleme kuvveti uygular. Bu yöntem daha yumuşak kayalar veya güçlü bir şekilde birleştirilmiş sert kayalar için kullanılır.
- DTH'nin İlkeleri ve Özellikleri
DTH ile delinmiş formasyonlar neredeyse tamamen orta sertlikte veya daha sert olan tüm magmatik kayaçları, metamorfik kayaçları ve tortul kayaçları kapsayabilecek kapasitededir. DTH, sert kayaçların kırılgan olma eğiliminde olması nedeniyle sert kayaçları ve sert tabakaları delmek için özellikle avantajlıdır. Darbe yükleri altında, kırıklar yalnızca doğrudan darbe bölgesinde meydana gelmez, aynı zamanda daha büyük kaya parçalarıyla sonuçlanan kırık bir bölge de oluşturur. Bu nedenle, delme hızı saf döner delmeye kıyasla önemli ölçüde daha hızlıdır. Şekil 2'deki mekanik model, darbeli döner delme sırasında kaya üzerinde etki eden çeşitli yükleri göstermektedir.
Ek olarak, DTH (Down-the-Hole) sondajı, iyi gelişmiş tabakalanma ve foliasyona sahip tabakalar veya düzensiz sertliğe ve çok sayıda kırığa sahip kaya katmanları gibi sondaj deliği sapmalarına eğilimli oluşumlarda oldukça etkilidir. Sondaj deliği sapmalarını önemli ölçüde azaltabilir ve ayrıca çakıl katmanları ve kaya yataklarında sondaj yaparken karşılaşılan zorlukların üstesinden gelebilir.
DTH sondajı 19. yüzyılın sonlarında geliştirildi ve bir asırdan fazla bir geçmişe sahip. Birçok DTH sondajı türü olmasına rağmen, ortak bir özelliği paylaşıyorlar: hem darbe mekanizması hem de matkap ucu sondaj deliğine daldırılır ve kayayı kırmak için darbeyle birlikte dönme birleştirilir. Darbe kuvvetini oluşturmak için kullanılan ekipman, sürüş yöntemlerine göre pnömatik, hidrolik, yağ basınçlı, elektrikli ve mekanik tipler olarak kategorize edilebilir.
Darbe enerjisi iletim sırasında önemli kayıplara uğradığından ve darbe alan bileşenlere önemli hasarlar verebileceğinden, daha derin sondaj işlemlerinde genellikle ekipmanın sondaj aletiyle sondaj deliğine girmesi gerekir, böylece çıkış darbe kuvveti doğrudan matkap ucuna veya karot namlusuna etki edebilir. Bu, iletim sırasında enerji kaybını en aza indirir, enerji verimliliğini artırır ve sondaj ekipmanı arızası olasılığını azaltır.
Pnömatik DTH, hava tahrikli DTH olarak da bilinir, birçok yapısal tipte ve sınıflandırma yönteminde gelir.
- Basınç derecesine göre: Yüksek basınç, orta basınç ve düşük basınç tipleri.
- Genel yapıya göre: Geçmeli ve geçmeli olmayan tipler.
- Vana çalışma prensibine göre: Kontrol vanası tipi, serbest vana tipi ve hibrit vana tipi.
- Piston yapısına göre: eşit çaplı piston, eşit olmayan çaplı piston ve tandem piston tipleri.
- Hava dağıtım tipine göre: valfli DTH ve valfsiz DTH. Valfli DTH, plaka valfi, disk valfi ve silindirik valf tiplerine ayrılabilirken, valfsiz DTH, merkez çubuk egzoz tipi, piston hava dağıtım tipi ve piston, silindir ve merkez çubuk tarafından kombine hava dağıtımı olarak ayrılabilir.
- Delik yıkama ve cüruf boşaltma yöntemi ile: Orta delik yıkama, ön delik yıkama ve yan delik yıkama.
2. Darbe Mekanizması Yapısal Şemalarının Belirlenmesi
2.1 Pistonlu Kendiliğinden Gaz Beslemeli Valfsiz Darbe Mekanizması
Bu tür darbe mekanizması, gaz beslemesi için öncelikle pistonun kendisindeki gaz kanallarını kullanır ve bu da çok sayıda gaz kanalına sahip karmaşık bir piston yapısıyla sonuçlanır ve bu da pistonun dayanıklılığını ve ömrünü azaltır. Ancak, bu darbe mekanizması iç ve dış silindirleri entegre ederek pistonun etkin çalışma alanını artırır ve mekanizmanın darbe enerjisini yükseltir.
2.2 Piston ve Silindir Kombine Gaz Beslemesi Valfsiz Darbe Mekanizması
Bu tip, üretimi kolay, basit bir yapıya sahiptir, piston ömrü daha uzundur ve gaz delikleri hem silindirde hem de pistonda bulunur. Bu yapı yurtdışında yaygın olarak kullanılmaktadır.
2.3 Merkez Boru Gaz Beslemesi Vana Olmayan Darbe Mekanizması
Bu mekanizmada, üst ve alt hazneler için hava giriş kanalları, pistonun kaydığı dairesel boru üzerinde düzenlenmiştir. Yüksek üretim hassasiyeti gerektirir ve merkez boru için nispeten kısa bir kullanım ömrüne sahiptir.
2.4 Yan Egzoz Darbe Mekanizması
Sözde yan egzoz, egzoz gazı yolunun matkap ucunun merkezinden deliğin dibine geçmek yerine silindir gövdesinden çıktığı anlamına gelir. Bu tür darbe mekanizmasında genellikle silindir gövdesinde çok sayıda emme ve egzoz yolu bulunur ve bu da zayıf yapısal mukavemete, uzunlamasına yorulma çatlakları olasılığına ve önemli hava basıncı kaybına yol açar ve bu da matkap ucu için yetersiz döküntü giderme ve soğutma etkileriyle sonuçlanır.
2.5 Merkez Egzoz Darbe Mekanizması
Bu tip darbe mekanizması, döküntüleri ve gazı doğrudan matkap ucunun merkezinden deliğin dibine doğru atar. Doğrudan hava akışı yalnızca döküntü temizleme verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda delme verimliliğini ve soğutmayı da iyileştirerek matkap ucunun kullanım ömrünü uzatır. Bu yapısal tip, yan egzoz darbe mekanizmalarının iç silindirindeki çok sayıda uzunlamasına oluğu halka şeklinde bir oluk ile değiştirerek iç silindirdeki gerilim konsantrasyonunu büyük ölçüde azaltır. Son yıllarda yaygın olarak benimsenen bir yapı haline gelmiştir.
2.6 Serisi Piston Darbe Mekanizması
Seri piston darbe mekanizması, çift pistonlu (kafa) darbeci olarak da bilinir, bir izolasyon halkası kullanarak silindiri iki bölmeye ayırır. Bu tasarım, her iki piston yüzünün aynı delik çapı içinde aynı anda çalışmasına izin vererek daha büyük darbe gücü ve daha yüksek darbe frekansı elde edilmesini sağlar. Buna karşılık, deliğin dibinden kaya tozunu etkili bir şekilde temizleyen çift egzoz sistemi vardır. Ancak, ana dezavantajı karmaşık yapısı ve parçaların işlenmesinde yüksek hassasiyete ihtiyaç duyulmasıdır; örneğin, pistonun ilişkili bileşenlere sahip beş adede kadar eşleşen yüzeyi vardır ve bu da uygulamasını ve tanıtımını sınırlar. Bu nedenle, bu tasarım, piston ve silindirin birleşik gaz beslemesine sahip valfsiz darbe mekanizması olan ikinci seçeneği benimser. Yapısı Şekil 3'te gösterilmiştir.
3. DTH için Teorik Analiz ve İlgili Hesaplamalar
3.1 Çalışma Parametrelerinin Seçimi**
3.1.1 Çekiç Uzunluğu ve Ağırlığı: Ön tasarımda 4500 mm’den az bir uzunluk ve 2500 kg’dan az bir ağırlık belirtilmektedir.
3.1.2 Çekiç Çapı: Delme çapı 540 mm olarak ayarlanarak uygun çekiç çapı belirlenir.
3.1.3 Delme Çapı: Kazık deliğinin çapını ifade eder, genellikle 550 mm ile 600 mm arasındadır.
3.1.4 Delme Derinliği: Kazık tasarım gereksinimlerine göre, bu genellikle birkaç düzine metre ile yüz metre arasındadır.
3.1.5 Matkap Hızı: DTH delme genellikle düşük dönme hızlarında, tipik olarak 7 ila 25 d/s arasında çalışır.
3.1.6 Dönme Torku: Bu tasarım için maksimum tork 150 kN·m olarak belirlenmiştir.
3.2 Tasarım Parametrelerinin Hesaplanması
DTH için tasarım parametreleri, özellikle DTH darbe ekipmanının performans parametreleri, makine tasarımının temelini oluşturur ve üretilen ekipmanın performansını tanımlar.
3.2.1 Darbeli Ekipmanlar için Tasarım Basıncı P
Çin'de, 0,49 MPa (yaklaşık 5 × 10^5 Pa) basınç, pnömatik darbe ekipmanı için tasarım standardı olarak yaygın olarak seçilmektedir. Bu tasarım için DTH'nin büyük delme çapına ve ağır pistona sahip valfsiz bir darbe cihazı olduğu göz önüne alındığında, daha yüksek hava basıncı performansı daha da artıracaktır. Ek olarak, yüksek basınçlı hava kompresörleri giderek yaygınlaşmakta ve uluslararası ISO 5941-1979 standardına uygun olarak 1,6 MPa tasarım basıncı seçilmektedir.
3.2.2 Darbe Gücü
Büyük çaplı delikler açmak için kullanılan DTH için tasarım darbe enerjisi önemli ölçüde dalgalanabilir. Bu tasarım için darbe enerjisi aşağıdaki şekilde hesaplanır:
3.2.3 Etki Frekansı
Genellikle, sabit darbe enerjisi altında, darbe frekansı, darbeli kırıcının çıkış gücüne orantılıdır. Ancak, silindir çapı sabit olduğunda, darbe frekansının artırılması piston strokunda bir azalma gerektirir ve bu da tek darbe gücünü azaltır. Tek darbe gücü belirli bir eşiğin altına düştüğünde, frekansı artırmak tatmin edici kaya kırma sonuçları vermez. Bu nedenle, darbe frekansının seçimi darbe gücüyle sınırlıdır.
0,5 MPa tasarım basıncında çalışan pnömatik DTH için frekans 16,8 Hz'i geçmemelidir. DTH 0,5 ile 2,5 MPa arasındaki tasarım basınçlarında çalıştığı için, darbe frekansı önemli ölçüde değişebilir. Darbeli aletin frekansının ilk seçimi aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
f = 10,4 + 7,6P
(2) burada P sistem besleme basıncıdır. Bu tasarım için P = 1,6 MPa, dolayısıyla:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Yapısal Parametre Tasarımı
DTH'nin ana yapısal parametreleri arasında silindir deliği çapı, piston stroku ve piston boyutları bulunur. Silindir çapını artırmak hem darbe gücünü hem de frekansı artırabilir, bu nedenle çap yapısal boyut sınırları içinde en üst düzeye çıkarılmalıdır. Tipik olarak, DTH'nin dış çapı ile delik çapı arasındaki fark 15 ila 20 mm'den az olmamalı ve DTH'nin dış muhafazası çok ince olmamalıdır. Bu nedenle, DTH silindir çapının delme çapına oranı genellikle 0,5'in üzerindedir.
3.3.1 Silindirin Çalışma Çapı ve Yapısal Strok
Silindirin çalışma çapı D aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
D = K × D(delik) = (0,57 - 0,68) × D(delik) (3)
Bu tasarım için D(delik) = 600 mm olduğundan D, 360 mm olarak alınır. Yapısal strok S, deneysel olarak S = 500 mm olarak alınır.
3.3.2 Piston Kütlesi
Pistonun radyal boyutları, silindirin boyutu ve yapısıyla sınırlandırılır ve eşit veya farklı çaplı pistonlara izin verir. Doğrusal boyutlar, pistonun ağırlığına bağlıdır ve bu da matkap ucuna vurduğunda sahip olduğu hızla da ilgilidir. Bu nedenle, pistonun yapısal boyutlarını belirlemek DTH tasarımının karmaşık bir yönüdür. DTH pistonunun kütlesi aşağıdaki şekilde tahmin edilebilir:
m = 0,0205D^2,84 (4)
Burada m, piston kütlesi (kg); D, silindirin çalışma çapı (cm)'dir.
D = 36 yerine konursa m = 540 kg bulunur.
DTH esas olarak bir tork iletim yapısı ve bir pnömatik darbe mekanizmasından oluşur. Tork iletim yapısı matkap çubuğunu ve DTH'yi birbirine bağlayarak döner kesme ve çekme kuvvetlerini iletir; pnömatik darbe mekanizması darbe üretir ve darbe matkabına eksenel güç sağlar. Belirli yapı ayrıntıları Şekil 3'te gösterilmiştir.
Tork iletim yapısı matkap çubuğunu ve darbeli matkapı birbirine bağlar. Üst eklem, boru dişleri aracılığıyla matkap çubuğu ve darbeli matkapla bağlantı kurar, temel olarak gaz sızdırmazlığını sağlarken aynı zamanda tork ve çekme kuvvetini iletir. Kontrol valfi, bir yay tarafından kontrol edilen çamur ve suyun darbeli matkap ve matkap çubuğuna girmesini önler. Gaz besleme çubuğuna sahip hava giriş yuvası, silindire basınçlı hava sokmak, silindir ve pistonla birlikte gaz besleme eylemini kolaylaştırmak ve böylece birleşik gaz beslemesi elde etmek için işlev görür. Yaylı emniyet halkası, matkap ucu değiştirilirken pistonun silindirden kaymasını önler.
3.4 DTH Matkap Ucu Sonlu Eleman Analizi
DTH matkap ucu, pistondan gelen darbe kuvvetlerine ve tahrik kafasından gelen torka maruz kalır. Basınçlı havanın pistona uyguladığı kuvvet şu şekilde verilir:
Ç = P × S (5)
Burada P, sistem basıncı (Pa)'dır; S, pistonun kuvvet alanı (m²)'dır.
Bu nedenle, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Bu nedenle matkap ucuna gelen darbe kuvveti:
F' = kF (6)
Burada k darbe katsayısıdır; F ise basınçlı havanın matkap ucuna uyguladığı kuvvettir (N cinsinden). Dolayısıyla, F' = 20 × 134400 = 2688 kN'dir.
Tahrik kafası tarafından DTH matkap ucuna uygulanan tork N = 150 kN'dir. Matkap ucunun alt uç yüzeyi sabitlenirken matkap ucuna F' = 2688 kN ve N = 150 kN uygulanarak ve 320 MPa akma dayanımına sahip QT500-7 malzemesi kullanılarak sonlu eleman analizi gerçekleştirilir. Belirli yükleme ve kısıtlama koşulları ve ağ bölümü Şekil 4 ve 5'te gösterilmiştir.
Sonlu elemanlar analizinin sonuçları Şekil 6'da gösterilmiş olup, maksimum gerilmenin 144,355 MPa olduğu, bunun da QT500-7'nin (320 MPa) akma dayanımından daha az olduğu ve dolayısıyla gereksinimleri karşıladığı görülmektedir.