하드락 드릴링 코드 해독: 판도를 바꾸는 DTH 기술.
건설 지역의 지질 조건에 따라 그림 1과 같이 굴착 장치에서 일반적으로 사용되는 네 가지 주요 굴착 방법이 있습니다.
에이. 충격 장비와 결합된 공압 또는 유압 구동 로터리 헤드는 상단을 통해 회전 및 충격 에너지를 전달합니다.드릴 파이프, 드릴 파이프의 충격파를 통해 드릴 비트에 에너지를 전달합니다. 이 방법은 작은 직경과 얕은 깊이로 제한되며 일반적으로 채석장, 건설 현장 및 지하 광산 작업에 사용됩니다.
비.Down-The-Hole(DTH) 해머 드릴 스트링의 하단에 있습니다. 압축 공기는 드릴 스트링을 통해 DTH로 유입되어 드릴 비트에 직접 영향을 미치는 왕복 운동으로 피스톤을 구동하여 충격 에너지를 암석에 전달합니다. 이 시스템은 전력 손실이 최소화되며 특히 깊은 구멍, 직선 구멍 및 중간 정도의 단단한 암석에 적합합니다.
기음.역순환(RC) 드릴링DTH를 사용하여 드릴 비트 표면에서 암석 샘플을 수집하고 운반합니다. 건조하고 오염되지 않은 절단물은 DTH의 중앙 파이프를 통해 샘플 수집 장치로 운반되어 지질 분석을 준비합니다.
디. 유압 또는 전기 모터로 구동되는 기어박스는 회전 파워 헤드를 형성하여 드릴 장비와 두꺼운 벽의 드릴 파이프에서 위아래로 움직이는 피드 시스템을 통해 3콘 드릴 비트에 충분한 피드력을 적용합니다. 이 방법은 부드러운 암석이나 강하게 결합된 단단한 암석에 사용됩니다.
- DTH의 원리와 특성
DTH로 뚫은 지층은 거의 모든 화성암, 변성암, 중간 경도 이상의 퇴적암을 포함할 수 있습니다. 단단한 암석은 부서지기 쉬운 경향이 있기 때문에 DTH는 단단한 암석과 거친 지층을 굴착하는 데 특히 유리합니다. 충격하중이 작용하면 직접 충돌 부위에 균열이 발생할 뿐만 아니라 파손된 영역이 생성되어 더 큰 암석 조각이 생성됩니다. 따라서 드릴링 속도는 순수 회전 드릴링에 비해 훨씬 빠릅니다. 그림 2의 기계 모델은 충격 회전 드릴링 중에 암석에 작용하는 다양한 하중을 보여줍니다.
또한 DTH(Down-the-Hole) 드릴링은 층리와 엽리가 잘 발달된 지층이나 경도가 고르지 않고 균열이 많은 암석층과 같이 시추공 편차가 발생하기 쉬운 지층에 매우 효과적입니다. 시추공 편차를 크게 줄이고 자갈층과 바위층을 뚫는 데 따른 어려움을 극복할 수 있습니다.
DTH 드릴링은 19세기 후반에 개발되었으며 100년이 넘는 역사를 가지고 있습니다. DTH 드릴에는 다양한 유형이 있지만 공통된 특징은 충격 메커니즘과 드릴 비트가 모두 시추공에 잠기고 회전과 충격이 결합되어 암석을 부수는 것입니다. 충격력을 발생시키기 위해 사용되는 장비는 구동 방식에 따라 공압식, 유압식, 유압식, 전기식, 기계식으로 분류할 수 있습니다.
충격 에너지는 전달 중에 상당한 손실을 경험하고 영향을 받은 부품에 상당한 손상을 일으킬 수 있으므로 일반적으로 더 깊은 드릴링 작업에서는 장비가 드릴 도구를 사용하여 시추공에 들어가 출력 충격력이 드릴 비트에 직접 작용할 수 있어야 합니다. 또는 코어 배럴. 이는 전송 중 에너지 손실을 최소화하고, 에너지 효율성을 향상시키며, 다운홀 장비 고장 가능성을 줄입니다.
공기 구동 DTH라고도 알려진 공압 DTH는 다양한 구조 유형과 분류 방법으로 제공됩니다.
- 압력 등급별: 고압, 중압, 저압 유형.
- 전체 구조별 : non-through 및 through 유형.
- 밸브 작동원리별 : 컨트롤 밸브형, 프리밸브형, 하이브리드 밸브형.
- 피스톤 구조별: 동일직경 피스톤, 부등직경 피스톤, 탠덤 피스톤형.
- 공기 분배 유형별: 밸브형 DTH 및 밸브리스 DTH. 밸브형 DTH는 플레이트 밸브, 디스크 밸브, 원통형 밸브형으로 세분화할 수 있으며, 밸브리스 DTH는 센터 로드 배기형, 피스톤 공기 분배형, 피스톤, 실린더, 센터 로드에 의한 복합 공기 분배형으로 나눌 수 있습니다.
- 홀 세척 및 슬래그 배출 방식 : 중앙 홀 세척, 전면 홀 세척, 측면 홀 세척.
2. 충격 메커니즘 구조 계획의 결정
2.1 피스톤 자체 가스 공급 비밸브 충격 메커니즘
이러한 유형의 충격 메커니즘은 주로 가스 공급을 위해 피스톤 자체의 가스 통로를 사용하므로 수많은 가스 채널이 있는 복잡한 피스톤 구조가 되어 피스톤 강도와 수명이 단축됩니다. 그러나 이 충격 메커니즘은 내부 실린더와 외부 실린더를 통합하여 피스톤의 유효 작업 영역을 늘리고 메커니즘의 충격 에너지를 향상시킵니다.
2.2 피스톤 및 실린더 결합 가스 공급 비밸브 충격 메커니즘
간단한 구조로 제작이 용이하고, 피스톤 수명이 길며, 가스 구멍이 실린더와 피스톤 양쪽에 위치하는 것이 특징입니다. 이 구조는 해외에서 널리 사용됩니다.
2.3 중앙 파이프 가스 공급 비밸브 충격 메커니즘
이 메커니즘에서는 피스톤이 미끄러지는 원형 파이프에 상부 챔버와 하부 챔버의 공기 흡입 통로가 배치됩니다. 높은 제조 정밀도가 요구되며 중앙 파이프의 수명이 상대적으로 짧습니다.
2.4 측면 배기 충격 메커니즘
소위 측면 배기란 배기 가스 경로가 드릴 비트의 중심을 통과하여 구멍 바닥까지 통과하지 않고 실린더 본체에서 빠져나오는 것을 의미합니다. 이러한 유형의 충격 메커니즘은 일반적으로 실린더 본체에 흡기 및 배기 경로가 많으므로 구조적 강도가 저하되고 세로 방향 피로 균열이 발생할 가능성이 있으며 상당한 공기압 손실이 발생하여 드릴 비트에 대한 차선의 잔해 제거 및 냉각 효과가 발생합니다.
2.5 중앙 배기 충격 메커니즘
이러한 유형의 충격 메커니즘은 드릴 비트 중앙에서 구멍 바닥으로 잔해와 가스를 직접 배출합니다. 직접적인 공기 흐름은 이물질 제거 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 드릴링 효율성과 냉각을 향상시켜 드릴 비트의 수명을 연장시킵니다. 이 구조 유형은 측면 배기 충격 메커니즘의 내부 실린더에 있는 수많은 세로 홈을 환형 홈으로 대체하여 내부 실린더의 응력 집중을 크게 줄입니다. 최근에는 널리 채택되는 구조가 되었습니다.
2.6 시리즈 피스톤 충격 메커니즘
이중 피스톤(헤드) 임팩터라고도 알려진 시리즈 피스톤 충격 메커니즘은 격리 링을 사용하여 실린더를 두 개의 챔버로 나눕니다. 이 설계를 통해 두 피스톤 면이 동일한 보어 직경 내에서 동시에 작동할 수 있으므로 충격력이 커지고 충격 빈도가 높아집니다. 이에 맞춰 구멍 바닥의 암석 가루를 효과적으로 제거하는 이중 배기 시스템이 있습니다. 그러나 가장 큰 단점은 구조가 복잡하고 부품 가공 시 고정밀도가 필요하다는 것입니다. 예를 들어, 피스톤에는 관련 구성 요소와 결합하는 표면이 최대 5개 있으므로 적용 및 홍보가 제한됩니다. 따라서 이 설계에서는 피스톤과 실린더가 결합된 가스 공급 장치를 갖춘 비밸브 충격 메커니즘인 두 번째 옵션을 채택합니다. 그 구조는 그림 3에 나와 있습니다.
3.DTH에 대한 이론적 분석 및 관련 계산
3.1 작동 매개변수 선택**
3.1.1 해머 길이 및 무게: 예비 설계에서는 길이가 4500mm 미만이고 무게가 2500kg 미만으로 지정되어 있습니다.
3.1.2 해머 직경: 적절한 해머 직경은 540mm로 설정된 드릴 직경을 기준으로 결정됩니다.
3.1.3 드릴링 직경: 이는 파일 구멍의 직경을 의미하며 일반적으로 550mm에서 600mm 사이입니다.
3.1.4 드릴링 깊이: 파일 설계 요구 사항에 따르면 일반적으로 수십 미터에서 100미터 사이입니다.
3.1.5 드릴 속도: DTH 드릴링은 일반적으로 7~25r/s 사이의 낮은 회전 속도에서 작동합니다.
3.1.6 회전 토크: 이 설계의 최대 토크는 150kN·m으로 설정됩니다.
3.2 설계변수의 계산
DTH의 설계 매개변수, 특히 DTH 충격 장비의 성능 매개변수는 기계 설계의 기초 역할을 하며 제조된 장비의 성능을 정의합니다.
3.2.1 충격장비의 설계압력 P
중국에서는 0.49 MPa(약 5 × 10^5 Pa)의 압력이 공압 충격 장비의 설계 표준으로 널리 선택됩니다. 이 설계의 DTH는 드릴링 직경이 크고 피스톤이 무거운 비밸브 충격 장치이므로 공기 압력이 높을수록 성능이 더욱 향상됩니다. 또한 고압 공기 압축기가 점점 일반화되고 있으며 국제 표준 ISO 5941-1979에 따라 1.6MPa의 설계 압력이 선택됩니다.
3.2.2 충격력
큰 직경의 구멍을 뚫는 데 사용되는 DTH의 경우 설계 충격 에너지가 크게 변동될 수 있습니다. 이 설계의 충격 에너지는 다음과 같이 계산됩니다.
3.2.3 영향 빈도
일반적으로 일정한 충격 에너지 하에서 충격 주파수는 충격기의 출력 전력에 비례합니다. 그러나 실린더 직경이 고정된 경우 충격 주파수를 높이면 피스톤 스트로크가 감소하고 결과적으로 단일 충격력이 감소합니다. 단일 충격력이 특정 임계값 아래로 떨어지면 빈도를 높이더라도 만족스러운 결과를 얻을 수 없습니다. 따라서 충격 주파수의 선택은 충격 전력에 의해 제한됩니다.
0.5MPa의 설계 압력에서 작동하는 공압식 DTH의 경우 주파수는 16.8Hz를 초과해서는 안 됩니다. DTH는 0.5~2.5MPa의 설계 압력에서 작동하므로 충격 빈도가 크게 달라질 수 있습니다. 임팩터 주파수의 초기 선택은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
f = 10.4 + 7.6P
(2) 여기서 P는 시스템 공급 압력입니다. 이 설계의 경우 P = 1.6MPa이므로 다음과 같습니다.
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5Hz.
3.3 구조적 매개변수 설계
DTH의 주요 구조 매개변수에는 실린더 보어 직경, 피스톤 스트로크 및 피스톤 치수가 포함됩니다. 실린더 직경을 늘리면 충격력과 빈도가 모두 향상되므로 구조적 크기의 한계 내에서 직경을 최대화해야 합니다. 일반적으로 DTH의 외경과 보어 직경의 차이는 15~20mm 이상이어야 하며 DTH의 외부 케이싱은 너무 얇아서는 안 됩니다. 따라서 DTH 실린더 직경과 드릴링 직경의 비율은 일반적으로 0.5 이상입니다.
3.3.1 실린더의 작동 직경과 구조적 스트로크
실린더의 작업 직경 D는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.
D = K × D(내경) = (0.57 - 0.68) × D(내경) (3)
이 설계에서는 D(보어) = 600mm이므로 D는 360mm로 간주됩니다. 구조적 스트로크 S는 경험적으로 S = 500mm로 간주됩니다.
3.3.2 피스톤 질량
피스톤의 반경 방향 치수는 실린더의 크기와 구조에 의해 제한되므로 피스톤 직경이 같거나 다를 수 있습니다. 선형 치수는 피스톤의 무게에 따라 달라지며, 이는 드릴 비트를 칠 때의 속도와도 관련이 있습니다. 따라서 피스톤의 구조적 치수를 결정하는 것은 DTH 설계의 복잡한 측면입니다. DTH 피스톤의 질량은 다음과 같이 추정할 수 있습니다.
m = 0.0205D^2.84 (4)
여기서 m은 피스톤 질량(kg)입니다. D는 실린더의 작업 직경(cm)입니다.
D = 36을 대체하면 m = 540kg이 됩니다.
DTH는 주로 토크 전달 구조와 공압 충격 메커니즘으로 구성됩니다. 토크 전달 구조는 드릴 로드와 DTH를 연결하여 회전 절단 및 당기는 힘을 전달합니다. 공압식 충격 메커니즘은 충격을 발생시켜 충격 드릴 비트에 축방향 동력을 제공합니다. 구체적인 구조 세부 사항은 그림 3에 나와 있습니다.
토크 전달 구조는 드릴 로드와 임팩터를 연결합니다. 상부 조인트는 파이프 나사산을 통해 드릴 로드 및 임팩터와 연결되어 주로 기밀성을 보장하는 동시에 토크와 당기는 힘을 전달합니다. 체크 밸브는 스프링으로 제어되는 임팩터와 드릴 로드에 진흙과 물이 들어가는 것을 방지합니다. 가스 공급 로드가 장착된 흡기 시트는 압축 공기를 실린더 내부로 유입시키는 역할을 하며, 실린더 및 피스톤과 함께 가스 공급 작용을 원활하게 하여 복합 가스 공급을 실현합니다. 스프링 안전 링은 드릴 비트를 교체할 때 피스톤이 실린더 밖으로 미끄러지는 것을 방지합니다.
3.4 DTH 드릴비트의 유한요소해석
DTH 드릴 비트는 피스톤의 충격력과 드라이브 헤드의 토크를 받습니다. 압축공기가 피스톤에 가하는 힘은 다음과 같이 주어진다.
F = P × S (5)
여기서 P는 시스템 압력(Pa)입니다. S는 피스톤의 힘 면적(m²)입니다.
따라서 F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400N입니다.
따라서 드릴 비트에 대한 충격력은 다음과 같습니다.
F' = kF (6)
여기서 k는 충격 계수입니다. F는 N의 압축 공기에 의해 드릴 비트에 가해지는 힘입니다. 따라서 F' = 20 × 134400 = 2688 kN입니다.
구동 헤드에 의해 DTH 드릴 비트에 적용되는 토크는 N = 150kN입니다. 드릴비트 하단면을 고정하면서 드릴비트에 F' = 2688 kN, N = 150 kN을 적용하고, 항복강도 320 MPa의 QT500-7 소재를 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 특정 하중 및 구속조건과 메시 분할은 그림 4와 5에 나와 있습니다.
유한요소해석 결과는 Figure 6과 같으며, 최대응력은 144.355MPa로 QT500-7의 항복강도(320MPa)보다 낮아 요구사항을 만족하는 것으로 나타났다.