Decifrare il codice della perforazione dell'hard rock: la tecnologia DTH rivoluzionaria.
A seconda delle condizioni geologiche dell'area di costruzione, esistono quattro principali metodi di perforazione comunemente utilizzati dagli impianti di perforazione, come mostrato nella Figura 1.
UN. Le teste rotanti ad azionamento pneumatico o idraulico combinate con l'attrezzatura di impatto trasmettono l'energia di rotazione e di impatto attraverso la parte superiore deltubo di perforazione, fornendo energia alla punta del trapano tramite onde d'urto nel tubo di perforazione. Questo metodo è limitato a diametri piccoli e profondità ridotte ed è generalmente utilizzato in cave, cantieri e operazioni di estrazione sotterranea.
B.Martelli Down-The-Hole (DTH). si trovano nella parte inferiore della batteria di perforazione. L'aria compressa entra nel DTH attraverso la batteria di perforazione, azionando un pistone con un movimento alternativo che colpisce direttamente la punta del trapano, trasferendo l'energia dell'impatto alla roccia. Questo sistema ha una perdita di potenza minima ed è particolarmente adatto per fori profondi, fori diritti e rocce medio-dure.
C.Perforazione a circolazione inversa (RC).utilizza DTH per raccogliere e trasportare campioni di roccia dalla faccia della punta. I tagli secchi e non contaminati vengono convogliati attraverso il tubo centrale del DTH in un dispositivo di raccolta dei campioni, preparandosi per l'analisi geologica.
D. Un cambio azionato da motori idraulici o elettrici forma una testa motrice rotante, applicando una forza di avanzamento sufficiente alla punta a tre coni attraverso un sistema di alimentazione che si muove su e giù sul carro di perforazione e su un tubo di perforazione a pareti spesse. Questo metodo viene utilizzato per rocce più morbide o rocce dure fortemente articolate.
- Principi e caratteristiche del DTH
Le formazioni perforate con DTH sono quasi interamente in grado di includere tutte le rocce ignee, le rocce metamorfiche e le rocce sedimentarie di media durezza o durezza. Il DTH è particolarmente vantaggioso per la perforazione di roccia dura e strati tenaci perché la roccia dura tende ad essere fragile. Sotto i carichi d'impatto, le fratture non si verificano solo nel punto di impatto diretto, ma creano anche una zona rotta, con conseguente frammenti di roccia più grandi. Pertanto, la velocità di perforazione è notevolmente più rapida rispetto alla perforazione rotativa pura. Il modello meccanico in Figura 2 illustra i vari carichi che agiscono sulla roccia durante la perforazione rotativa a percussione.
Inoltre, la perforazione DTH (Down-the-Hole) è molto efficace nelle formazioni soggette a deviazione del pozzo, come strati con lettiera e foliazione ben sviluppate o strati rocciosi con durezza irregolare e numerose fratture. Può ridurre significativamente la deviazione del foro di trivellazione e anche superare le difficoltà nella perforazione di strati di ghiaia e letti di massi.
La perforazione DTH è stata sviluppata alla fine del XIX secolo e ha una storia di oltre un secolo. Sebbene esistano molti tipi di perforatrici DTH, condividono una caratteristica comune: sia il meccanismo di impatto che la punta del trapano sono immersi nel foro, con rotazione combinata con impatto per rompere la roccia. Le apparecchiature utilizzate per generare la forza d'impatto possono essere classificate in base al metodo di guida in tipi pneumatici, idraulici, a pressione dell'olio, elettrici e meccanici.
Poiché l'energia d'impatto subisce una perdita significativa durante la trasmissione e può causare danni sostanziali ai componenti colpiti, nelle operazioni di perforazione più profonde è generalmente necessario che l'attrezzatura entri nel foro con l'utensile di perforazione, in modo che la forza d'impatto in uscita possa agire direttamente sulla punta del trapano. o carotiere. Ciò riduce al minimo la perdita di energia durante la trasmissione, migliora l'efficienza energetica e riduce la probabilità di guasti alle apparecchiature del fondo pozzo.
Il DTH pneumatico, noto anche come DTH ad aria, è disponibile in molti tipi strutturali e metodi di classificazione.
- In base alla pressione nominale: tipi ad alta pressione, media pressione e bassa pressione.
- Per struttura generale: tipi non passanti e passanti.
- In base al principio di funzionamento della valvola: tipo di valvola di controllo, tipo di valvola libera e tipo di valvola ibrida.
- Per struttura del pistone: pistone con diametro uguale, pistone con diametro diverso e tipi di pistone tandem.
- Per tipo di distribuzione dell'aria: DTH con valvola e DTH senza valvola. Il DTH con valvola può essere suddiviso in tipi con valvola a piastra, valvola a disco e valvola cilindrica, mentre il DTH senza valvola può essere suddiviso in tipo con scarico con stelo centrale, tipo con distribuzione dell'aria a pistone e distribuzione dell'aria combinata tramite pistone, cilindro e stelo centrale.
- Con il metodo di lavaggio del foro e scarico delle scorie: lavaggio del foro centrale, lavaggio del foro anteriore e lavaggio del foro laterale.
2. Determinazione degli schemi strutturali del meccanismo di impatto
2.1 Meccanismo di impatto senza valvola per l'erogazione del gas automatico del pistone
Questo tipo di meccanismo di impatto utilizza principalmente i passaggi del gas nel pistone stesso per l'alimentazione del gas, risultando in una struttura complessa del pistone con numerosi canali del gas, che riduce la resistenza e la durata del pistone. Tuttavia, questo meccanismo di impatto integra i cilindri interno ed esterno, aumentando l'area di lavoro effettiva del pistone e migliorando l'energia di impatto del meccanismo.
2.2 Meccanismo di impatto senza valvola per fornitura di gas combinata con pistone e cilindro
Questo tipo presenta una struttura semplice e facile da produrre, ha una durata del pistone più lunga e i fori del gas si trovano sia sul cilindro che sul pistone. Questa struttura è ampiamente utilizzata all'estero.
2.3 Meccanismo di impatto senza valvola di alimentazione del gas nel tubo centrale
In questo meccanismo i passaggi di aspirazione dell'aria per le camere superiore ed inferiore sono disposti sul tubo circolare dove scorre il pistone. Richiede un'elevata precisione di produzione e ha una durata relativamente breve per il tubo centrale.
2.4 Meccanismo di impatto dello scarico laterale
Il cosiddetto scarico laterale significa che il percorso del gas di scarico esce dal corpo del cilindro anziché passare attraverso il centro della punta fino al fondo del foro. Questo tipo di meccanismo di impatto ha tipicamente molti percorsi di aspirazione e scarico sul corpo del cilindro, che portano a una scarsa resistenza strutturale, al rischio di cricche da fatica longitudinale e a una significativa perdita di pressione dell'aria, con conseguente rimozione dei detriti e effetti di raffreddamento non ottimali per la punta del trapano.
2.5 Meccanismo di impatto dello scarico centrale
Questo tipo di meccanismo di impatto espelle detriti e gas direttamente dal centro della punta del trapano al fondo del foro. Il flusso d'aria diretto non solo migliora l'efficienza di rimozione dei detriti, ma migliora anche l'efficienza di perforazione e il raffreddamento, prolungando la durata della punta del trapano. Questo tipo strutturale sostituisce le numerose scanalature longitudinali nel cilindro interno dei meccanismi di impatto con scarico laterale con una scanalatura anulare, riducendo notevolmente la concentrazione delle sollecitazioni nel cilindro interno. È diventata una struttura ampiamente adottata negli ultimi anni.
Meccanismo di impatto del pistone serie 2.6
Il meccanismo di impatto del pistone in serie, noto anche come impattore a doppio pistone (testa), divide il cilindro in due camere utilizzando un anello di isolamento. Questo design consente a entrambe le facce del pistone di lavorare simultaneamente all'interno dello stesso diametro del foro, con conseguente maggiore potenza di impatto e frequenza di impatto più elevata. Di conseguenza è presente un doppio sistema di scarico che rimuove efficacemente la polvere di roccia dal fondo del pozzo. Tuttavia, il suo principale svantaggio è la struttura complessa e la necessità di elevata precisione nella lavorazione dei pezzi; ad esempio, il pistone ha fino a cinque superfici di accoppiamento con componenti associati, il che ne limita l'applicazione e la promozione. Pertanto, questo progetto adotta la seconda opzione, ovvero il meccanismo di impatto senza valvola con alimentazione di gas combinata pistone e cilindro. La sua struttura è mostrata nella Figura 3.
3.Analisi teorica e calcoli rilevanti per DTH
3.1 Selezione dei parametri operativi**
3.1.1 Lunghezza e peso del martello: il progetto preliminare specifica una lunghezza inferiore a 4500 mm e un peso inferiore a 2500 kg.
3.1.2 Diametro del martello: il diametro appropriato del martello è determinato in base al diametro di perforazione, fissato a 540 mm.
3.1.3 Diametro di perforazione: si riferisce al diametro del foro del palo, generalmente compreso tra 550 mm e 600 mm.
3.1.4 Profondità di perforazione: in base ai requisiti di progettazione del palo, questa è tipicamente compresa tra diverse decine di metri e un centinaio di metri.
3.1.5 Velocità di perforazione: la perforazione DTH generalmente funziona a basse velocità di rotazione, tipicamente tra 7 e 25 r/s.
3.1.6 Coppia di rotazione: la coppia massima per questo progetto è fissata a 150 kN·m.
3.2 Calcolo dei parametri di progettazione
I parametri di progettazione per DTH, in particolare i parametri prestazionali dell'attrezzatura d'impatto DTH, servono come base per la progettazione della macchina e definiscono le prestazioni dell'attrezzatura prodotta.
3.2.1 Pressione di progetto P per l'attrezzatura da impatto
In Cina, una pressione di 0,49 MPa (circa 5 × 10^5 Pa) è ampiamente scelta come standard di progettazione per le apparecchiature ad impatto pneumatico. Dato che il DTH per questo progetto è un dispositivo di impatto senza valvola con un grande diametro di foratura e un pistone pesante, una pressione dell'aria più elevata migliorerà ulteriormente le prestazioni. Inoltre, i compressori d'aria ad alta pressione sono sempre più comuni e, in conformità con lo standard internazionale ISO 5941-1979, viene selezionata una pressione di progetto di 1,6 MPa.
3.2.2 Potenza d'impatto
Per i DTH utilizzati per praticare fori di grande diametro, l'energia d'impatto di progetto può variare in modo significativo. L'energia d'impatto per questo progetto è calcolata come segue:
3.2.3 Frequenza dell'Impatto
Generalmente, con energia d'impatto costante, la frequenza dell'impatto è proporzionale alla potenza di uscita del dispositivo di simulazione. Tuttavia, quando il diametro del cilindro è fisso, l'aumento della frequenza di impatto richiede una riduzione della corsa del pistone, che a sua volta diminuisce la potenza del singolo impatto. Una volta che la potenza del singolo impatto scende al di sotto di una certa soglia, l’aumento della frequenza non produrrà risultati soddisfacenti nella frantumazione delle rocce. Pertanto, la selezione della frequenza di impatto è vincolata dalla potenza di impatto.
Per il DTH pneumatico funzionante a una pressione di progetto di 0,5 MPa, la frequenza non deve superare 16,8 Hz. Poiché il DTH funziona a pressioni di progetto comprese tra 0,5 e 2,5 MPa, la frequenza dell'impatto può variare in modo significativo. La selezione iniziale della frequenza del dispositivo di simulazione può essere calcolata come segue:
f = 10,4 + 7,6P
(2) dove P è la pressione di alimentazione del sistema. Per questo progetto, P = 1,6 MPa, quindi:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Progettazione dei parametri strutturali
I principali parametri strutturali del DTH includono il diametro del foro del cilindro, la corsa del pistone e le dimensioni del pistone. Aumentando il diametro del cilindro è possibile aumentare sia la potenza che la frequenza dell'impatto, pertanto il diametro dovrebbe essere massimizzato entro i limiti delle dimensioni strutturali. In genere, la differenza tra il diametro esterno del DTH e il diametro del foro non deve essere inferiore a 15-20 mm e l'involucro esterno del DTH non deve essere troppo sottile. Pertanto, il rapporto tra il diametro del cilindro DTH e il diametro di perforazione è generalmente superiore a 0,5.
3.3.1 Diametro di lavoro del cilindro e corsa strutturale
Il diametro utile D del cilindro può essere calcolato come segue:
D = K × D(alesaggio) = (0,57 - 0,68) × D(alesaggio) (3)
Per questo modello, D(alesaggio) = 600 mm, quindi D viene considerato pari a 360 mm. La corsa strutturale S è presa empiricamente come S = 500 mm.
3.3.2 Massa del pistone
Le dimensioni radiali del pistone sono vincolate dalle dimensioni e dalla struttura del cilindro, consentendo pistoni di diametro uguale o diverso. Le dimensioni lineari dipendono dal peso del pistone, che è legato anche alla velocità che ha quando colpisce la punta del trapano. Pertanto, determinare le dimensioni strutturali del pistone è un aspetto complesso della progettazione DTH. La massa del pistone DTH può essere stimata come segue:
m = 0,0205D^2,84 (4)
dove m è la massa del pistone in kg; D è il diametro utile del cilindro in cm.
Sostituendo D = 36 si ottiene: m = 540 kg.
Il DTH è costituito principalmente da una struttura di trasmissione della coppia e da un meccanismo di impatto pneumatico. La struttura di trasmissione della coppia collega l'asta di perforazione e il DTH, trasmettendo le forze di taglio e trazione rotazionali; il meccanismo di impatto pneumatico genera impatto, fornendo potenza assiale alla punta del trapano a percussione. I dettagli specifici della struttura sono mostrati nella Figura 3.
La struttura di trasmissione della coppia collega l'asta di perforazione e il dispositivo di simulazione. Il giunto superiore si collega all'asta di perforazione e al dispositivo di simulazione attraverso la filettatura del tubo, principalmente per garantire la tenuta al gas trasmettendo anche coppia e forza di trazione. La valvola di ritegno impedisce l'ingresso di fango e acqua nel dispositivo di simulazione e nell'asta di perforazione, controllata da una molla. La sede di presa d'aria con l'asta di alimentazione del gas ha la funzione di introdurre aria compressa nel cilindro, facilitando l'azione di alimentazione del gas insieme al cilindro e al pistone, ottenendo così un'alimentazione combinata del gas. L'anello di sicurezza a molla impedisce al pistone di scivolare fuori dal cilindro durante la sostituzione della punta.
3.4 Analisi degli elementi finiti della punta da trapano DTH
La punta DTH è soggetta alle forze di impatto del pistone e alla coppia della testa di azionamento. La forza esercitata dall’aria compressa sul pistone è data da:
F = P × S (5)
dove P è la pressione del sistema in Pa; S è l'area della forza del pistone in m².
Pertanto, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Pertanto, la forza d'impatto sulla punta del trapano è:
F' = kF (6)
dove k è il coefficiente di impatto; F è la forza esercitata sulla punta dall'aria compressa in N. Pertanto, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
La coppia applicata alla punta DTH dalla testa di azionamento è N = 150 kN. Applicando F' = 2688 kN e N = 150 kN alla punta del trapano mentre si fissa la faccia dell'estremità inferiore della punta del trapano e utilizzando il materiale QT500-7 con un carico di snervamento di 320 MPa, viene eseguita l'analisi degli elementi finiti. Le condizioni specifiche di carico e vincolo e la divisione della mesh sono mostrate nelle Figure 4 e 5.
I risultati dell'analisi degli elementi finiti sono mostrati nella Figura 6, che indica che la sollecitazione massima è 144.355 MPa, che è inferiore alla resistenza allo snervamento del QT500-7 (320 MPa), soddisfacendo così i requisiti.