Złamanie kodeksu wierceń w twardych skałach: technologia DTH zmieniająca zasady gry.
W zależności od warunków geologicznych obszaru budowy, wiertnice powszechnie stosują cztery główne metody wiercenia, jak pokazano na rysunku 1.
A. Głowice obrotowe o napędzie pneumatycznym lub hydraulicznym w połączeniu z urządzeniami udarowymi przenoszą energię obrotową i udarową przez góręrura wiertnicza, dostarczając energię do wiertła poprzez fale uderzeniowe w rurze wiertniczej. Metoda ta ogranicza się do małych średnic i małych głębokości i jest powszechnie stosowana w kamieniołomach, na budowach i w kopalniach podziemnych.
B.Młoty typu Down-The-Hole (DTH). znajdują się w dolnej części przewodu wiertniczego. Sprężone powietrze dostaje się do DTH przez przewód wiertniczy, wprawiając tłok w ruch posuwisto-zwrotny, który bezpośrednio oddziałuje na wiertło, przenosząc energię uderzenia na skałę. System ten charakteryzuje się minimalną utratą mocy i jest szczególnie odpowiedni do głębokich otworów, prostych otworów i średnio twardych skał.
C.Wiercenie z odwróconym obiegiem (RC).wykorzystuje DTH do zbierania i transportu próbek skał z czoła wiertła. Suche i niezanieczyszczone sadzonki są transportowane środkową rurą DTH do urządzenia do pobierania próbek w celu przygotowania do analizy geologicznej.
D. Przekładnia napędzana silnikami hydraulicznymi lub elektrycznymi tworzy obrotową głowicę napędową, przykładając wystarczającą siłę posuwu do trójstożkowego wiertła poprzez system podawania, który porusza się w górę i w dół na wiertnicy oraz grubościennej rurze wiertniczej. Metodę tę stosuje się w przypadku skał bardziej miękkich lub skał twardych o silnych spękaniach.
- Zasady i charakterystyka DTH
Formacje przewiercone za pomocą DTH są w stanie niemal w całości objąć wszystkie skały magmowe, metamorficzne i osadowe o średniej twardości lub twardości. DTH jest szczególnie korzystny do wiercenia w twardych skałach i twardych warstwach, ponieważ twarda skała ma tendencję do kruchości. Pod obciążeniem udarowym pęknięcia powstają nie tylko w miejscu bezpośredniego uderzenia, ale także tworzą strefę pęknięć, w wyniku czego powstają większe fragmenty skał. Dzięki temu prędkość wiercenia jest znacznie większa w porównaniu do wiercenia wyłącznie obrotowego. Model mechaniczny na rysunku 2 ilustruje różne obciążenia działające na skałę podczas udarowego wiercenia obrotowego.
Ponadto wiercenie DTH (Down-the-Hole) jest bardzo skuteczne w formacjach podatnych na odchylenia odwiertów, takich jak warstwy o dobrze rozwiniętym podłożu i foliacji lub warstwy skał o nierównej twardości i licznych spękaniach. Może znacznie zmniejszyć odchylenie odwiertu, a także przezwyciężyć trudności w przewiercaniu warstw żwiru i głazów.
Wiercenie DTH powstało pod koniec XIX wieku i ma ponad stuletnią historię. Chociaż istnieje wiele rodzajów wierteł DTH, mają one wspólną cechę: zarówno mechanizm udarowy, jak i wiertło są zanurzone w odwiercie, a obrót połączony jest z uderzeniem w celu rozbicia skały. Sprzęt używany do generowania siły uderzenia można podzielić ze względu na sposób napędzania na pneumatyczny, hydrauliczny, ciśnieniowy olejowy, elektryczny i mechaniczny.
Ponieważ energia uderzenia ulega znacznej utracie podczas przenoszenia i może spowodować znaczne uszkodzenia uderzanych elementów, w przypadku głębszych operacji wiercenia wymagane jest, aby sprzęt wprowadzał się do otworu wiertniczego, tak aby wyjściowa siła uderzenia mogła oddziaływać bezpośrednio na wiertło lub rdzeń. Minimalizuje to straty energii podczas przesyłu, poprawia efektywność energetyczną i zmniejsza prawdopodobieństwo awarii sprzętu wiertniczego.
Pneumatyczny DTH, znany również jako napędzany powietrzem DTH, występuje w wielu typach konstrukcji i metodach klasyfikacji.
- Według ciśnienia znamionowego: typy wysokociśnieniowe, średniociśnieniowe i niskociśnieniowe.
- Według ogólnej struktury: typy nieprzelotowe i przelotowe.
- Według zasady działania zaworu: typ zaworu sterującego, typ zaworu swobodnego i typ zaworu hybrydowego.
- Ze względu na konstrukcję tłoka: tłok o równej średnicy, tłok o różnej średnicy i tłok tandemowy.
- Według typu dystrybucji powietrza: DTH z zaworem i DTH bez zaworu. Zaworowy DTH można podzielić na zawór płytowy, zawór talerzowy i zawór cylindryczny, natomiast bezzaworowy DTH można podzielić na typ wydechowy z drążkiem centralnym, typ dystrybucji powietrza w tłoku i kombinowany rozkład powietrza przez tłok, cylinder i drążek środkowy.
- Metodą płukania otworów i usuwania żużla: płukanie otworu centralnego, płukanie otworu przedniego i płukanie otworu bocznego.
2. Wyznaczanie schematów strukturalnych mechanizmów oddziaływania
2.1 Mechanizm udarowy bez zasilania gazem tłokowym
Ten typ mechanizmu udarowego wykorzystuje przede wszystkim kanały gazowe w samym tłoku do zasilania gazem, co skutkuje złożoną konstrukcją tłoka z licznymi kanałami gazowymi, co zmniejsza wytrzymałość i żywotność tłoka. Jednakże ten mechanizm udarowy integruje cylinder wewnętrzny i zewnętrzny, zwiększając efektywną powierzchnię roboczą tłoka i zwiększając energię uderzenia mechanizmu.
2.2 Mechanizm udarowy połączony z tłokiem i cylindrem, bez zaworu
Ten typ charakteryzuje się prostą konstrukcją, jest łatwy w produkcji, ma dłuższą żywotność tłoka, a otwory gazowe znajdują się zarówno na cylindrze, jak i na tłoku. Struktura ta jest szeroko stosowana za granicą.
2.3 Mechanizm udarowy zasilania gazem z rury środkowej bez zaworu
W tym mechanizmie kanały wlotu powietrza dla górnej i dolnej komory są umieszczone na okrągłej rurze, po której ślizga się tłok. Wymaga dużej precyzji wykonania i ma stosunkowo krótką żywotność rury środkowej.
2.4 Boczny mechanizm udarowy wydechu
Tak zwany wylot boczny oznacza, że ścieżka spalin wychodzi z korpusu cylindra, a nie przechodzi przez środek wiertła do dna otworu. Ten typ mechanizmu udarowego ma zazwyczaj wiele dróg wlotowych i wylotowych w korpusie cylindra, co prowadzi do słabej wytrzymałości konstrukcyjnej, możliwości wystąpienia podłużnych pęknięć zmęczeniowych i znacznej utraty ciśnienia powietrza, co skutkuje nieoptymalnym usuwaniem zanieczyszczeń i efektami chłodzenia wiertła.
2.5 Środkowy mechanizm udarowy wydechu
Ten typ mechanizmu udarowego wyrzuca zanieczyszczenia i gaz bezpośrednio ze środka wiertła na dno otworu. Bezpośredni przepływ powietrza nie tylko zwiększa skuteczność usuwania zanieczyszczeń, ale także poprawia wydajność wiercenia i chłodzenie, wydłużając żywotność wiertła. Ten typ konstrukcyjny zastępuje liczne rowki wzdłużne w cylindrze wewnętrznym mechanizmów uderzenia bocznego wydechu rowkiem pierścieniowym, znacznie zmniejszając koncentrację naprężeń w cylindrze wewnętrznym. W ostatnich latach stała się ona powszechnie przyjętą strukturą.
Mechanizm udarowy tłokowy serii 2.6
Szeregowy mechanizm udarowy tłokowy, znany również jako udar dwutłokowy (głowicowy), dzieli cylinder na dwie komory za pomocą pierścienia izolacyjnego. Taka konstrukcja umożliwia jednoczesną pracę obu powierzchni tłoka w obrębie tej samej średnicy otworu, co skutkuje większą siłą udaru i wyższą częstotliwością uderzeń. Odpowiednio, istnieje podwójny układ wydechowy, który skutecznie usuwa pył skalny z dna otworu. Jednak jego główną wadą jest złożona konstrukcja i konieczność dużej precyzji obróbki części; na przykład tłok ma do pięciu współpracujących powierzchni z powiązanymi z nim elementami, co ogranicza jego zastosowanie i promocję. Dlatego w tej konstrukcji zastosowano drugą opcję, czyli bezzaworowy mechanizm udarowy z połączonym zasilaniem gazem tłoka i cylindra. Jego strukturę pokazano na rysunku 3.
3.Analiza teoretyczna i obliczenia dla DTH
3.1 Wybór parametrów pracy**
3.1.1 Długość i masa młota: Wstępny projekt określa długość mniejszą niż 4500 mm i masę mniejszą niż 2500 kg.
3.1.2 Średnica młotka: Odpowiednią średnicę młotka ustala się na podstawie średnicy wiercenia ustawionej na 540 mm.
3.1.3 Średnica wiercenia: odnosi się do średnicy otworu na pala, zazwyczaj pomiędzy 550 mm a 600 mm.
3.1.4 Głębokość wiercenia: Zgodnie z wymogami projektu pala, wynosi ona zazwyczaj od kilkudziesięciu do stu metrów.
3.1.5 Prędkość wiercenia: Wiercenie DTH zazwyczaj odbywa się przy niskich prędkościach obrotowych, zazwyczaj od 7 do 25 obr/s.
3.1.6 Moment obrotowy: Maksymalny moment obrotowy dla tej konstrukcji wynosi 150 kN·m.
3.2 Obliczanie parametrów projektowych
Parametry projektowe DTH, w szczególności parametry wydajnościowe sprzętu udarowego DTH, służą jako podstawa do projektowania maszyn i definiują wydajność produkowanego sprzętu.
3.2.1 Ciśnienie projektowe P dla urządzeń udarowych
W Chinach ciśnienie 0,49 MPa (około 5 × 10^5 Pa) jest powszechnie wybierane jako standard konstrukcyjny dla pneumatycznych urządzeń udarowych. Biorąc pod uwagę, że DTH w tej konstrukcji jest urządzeniem udarowym bez zaworu, z dużą średnicą wiercenia i ciężkim tłokiem, wyższe ciśnienie powietrza dodatkowo poprawi wydajność. Dodatkowo coraz powszechniejsze są wysokociśnieniowe sprężarki powietrza, które zgodnie z międzynarodową normą ISO 5941-1979 wybiera się na ciśnienie projektowe 1,6 MPa.
3.2.2 Siła uderzenia
W przypadku DTH używanego do wiercenia otworów o dużych średnicach projektowa energia uderzenia może znacznie się wahać. Energię uderzenia dla tego projektu oblicza się w następujący sposób:
3.2.3 Częstotliwość uderzeń
Ogólnie rzecz biorąc, przy stałej energii uderzenia częstotliwość uderzeń jest proporcjonalna do mocy wyjściowej impaktora. Jednakże, gdy średnica cylindra jest stała, zwiększenie częstotliwości udarów powoduje konieczność zmniejszenia skoku tłoka, co z kolei zmniejsza siłę pojedynczego udaru. Gdy moc pojedynczego uderzenia spadnie poniżej pewnego progu, zwiększenie częstotliwości nie przyniesie zadowalających wyników w zakresie kruszenia skał. Zatem wybór częstotliwości uderzeń jest ograniczony siłą uderzenia.
W przypadku pneumatycznego DTH pracującego przy ciśnieniu obliczeniowym 0,5 MPa częstotliwość nie powinna przekraczać 16,8 Hz. Ponieważ DTH działa przy ciśnieniach projektowych od 0,5 do 2,5 MPa, częstotliwość uderzeń może się znacznie różnić. Wstępny dobór częstotliwości impaktora można obliczyć w następujący sposób:
f = 10,4 + 7,6P
(2) gdzie P jest ciśnieniem zasilania układu. Zatem dla tego projektu P = 1,6 MPa:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Projektowanie parametrów konstrukcyjnych
Główne parametry strukturalne DTH obejmują średnicę cylindra, skok tłoka i wymiary tłoka. Zwiększanie średnicy cylindra może zwiększyć zarówno siłę, jak i częstotliwość udaru, dlatego należy maksymalizować średnicę w granicach wielkości konstrukcyjnej. Zazwyczaj różnica między średnicą zewnętrzną DTH a średnicą otworu nie powinna być mniejsza niż 15 do 20 mm, a osłona zewnętrzna DTH nie powinna być zbyt cienka. Dlatego stosunek średnicy cylindra DTH do średnicy wiercenia wynosi na ogół powyżej 0,5.
3.3.1 Średnica robocza cylindra i skok konstrukcyjny
Średnicę roboczą D cylindra można obliczyć w następujący sposób:
D = K × D(otwór) = (0,57 - 0,68) × D(otwór) (3)
W tym projekcie D(otwór) = 600 mm, zatem D przyjmuje się jako 360 mm. Skok konstrukcyjny S przyjmuje się empirycznie jako S = 500 mm.
3.3.2 Masa tłoka
Promieniowe wymiary tłoka są ograniczone przez rozmiar i konstrukcję cylindra, co pozwala na stosowanie tłoków o tej samej lub różnej średnicy. Wymiary liniowe zależą od ciężaru tłoka, który ma również związek z prędkością, jaką osiąga on podczas uderzania w wiertło. Dlatego określenie wymiarów konstrukcyjnych tłoka jest złożonym aspektem projektowania DTH. Masę tłoka DTH można oszacować w następujący sposób:
m = 0,0205D^2,84 (4)
gdzie m jest masą tłoka w kg; D to średnica robocza cylindra w cm.
Podstawiając D = 36 otrzymujemy: m = 540 kg.
DTH składa się głównie z konstrukcji przenoszącej moment obrotowy i pneumatycznego mechanizmu udarowego. Konstrukcja przenoszenia momentu obrotowego łączy żerdź wiertniczą i DTH, przenosząc obrotowe siły tnące i ciągnące; pneumatyczny mechanizm udarowy wytwarza uderzenie, dostarczając siłę osiową do wiertła udarowego. Konkretne szczegóły konstrukcji pokazano na rysunku 3.
Konstrukcja przenoszenia momentu obrotowego łączy żerdź wiertniczą i udar. Górne złącze łączy się z żerdzią wiertniczą i udarem poprzez gwinty rurowe, przede wszystkim w celu zapewnienia szczelności gazowej, a jednocześnie do przenoszenia momentu obrotowego i siły ciągnącej. Zawór zwrotny zapobiega przedostawaniu się błota i wody do udaru i żerdzi wiertniczej, kontrolowany za pomocą sprężyny. Gniazdo wlotu powietrza wraz z prętem doprowadzającym gaz wprowadza sprężone powietrze do cylindra, ułatwiając dostarczanie gazu wraz z cylindrem i tłokiem, uzyskując w ten sposób łączne zasilanie gazem. Sprężynowy pierścień zabezpieczający zapobiega wysuwaniu się tłoka z cylindra podczas wymiany wiertła.
3.4 Analiza elementów skończonych wiertła DTH
Wiertło DTH poddawane jest działaniu sił udarowych tłoka i momentu obrotowego pochodzącego od głowicy napędowej. Siłę wywieraną na tłok przez sprężone powietrze wyrażamy wzorem:
F = P × S (5)
gdzie P jest ciśnieniem w układzie w Pa; S to powierzchnia siły działającej na tłok w m².
Zatem F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Zatem siła uderzenia działająca na wiertło wynosi:
F' = kF (6)
gdzie k jest współczynnikiem uderzenia; F jest siłą wywieraną na wiertło przez sprężone powietrze w N. Zatem F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Moment obrotowy przyłożony do wiertła DTH przez głowicę napędową wynosi N = 150 kN. Przykładając do wiertła siły F' = 2688 kN i N = 150 kN podczas mocowania dolnego czoła wiertła i stosując materiał QT500-7 o granicy plastyczności 320 MPa, przeprowadza się analizę elementów skończonych. Specyficzne warunki obciążenia i wiązania oraz podział siatki pokazano na rysunkach 4 i 5.
Wyniki analizy metodą elementów skończonych przedstawiono na rysunku 6, wskazując, że maksymalne naprężenie wynosi 144,355 MPa, czyli jest mniej niż granica plastyczności QT500-7 (320 MPa), spełniając tym samym wymagania.