ถอดรหัสรหัสการขุดเจาะฮาร์ดร็อค: เทคโนโลยี DTH ที่เปลี่ยนแปลงเกม
ตามสภาพทางธรณีวิทยาของพื้นที่ก่อสร้าง มีวิธีการขุดเจาะหลักๆ ที่ใช้กันทั่วไปในแท่นขุดเจาะอยู่ 4 วิธี ดังแสดงในรูปที่ 1
ก. หัวหมุนที่ขับเคลื่อนด้วยนิวแมติกหรือไฮดรอลิกรวมกับอุปกรณ์กระแทกจะส่งพลังงานการหมุนและพลังงานกระแทกผ่านด้านบนของท่อเจาะโดยส่งพลังงานไปยังดอกสว่านผ่านคลื่นกระแทกในท่อเจาะ วิธีการนี้จำกัดเฉพาะเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็กและความลึกตื้น โดยทั่วไปจะใช้ในเหมืองหิน สถานที่ก่อสร้าง และการทำเหมืองใต้ดิน
ข.ค้อนเจาะลงหลุม (DTH) จะอยู่ที่ด้านล่างของสายสว่าน อากาศอัดเข้าสู่ DTH ผ่านทางสายสว่าน ขับเคลื่อนลูกสูบในการเคลื่อนที่แบบลูกสูบซึ่งส่งผลกระทบโดยตรงต่อดอกสว่าน และถ่ายเทพลังงานกระแทกไปยังหิน ระบบนี้มีการสูญเสียพลังงานน้อยที่สุด และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับหลุมลึก หลุมตรง และหินแข็งปานกลาง
ค.การเจาะแบบหมุนเวียนย้อนกลับ (RC)ใช้ DTH ในการรวบรวมและขนส่งตัวอย่างหินจากหน้าสว่าน การตัดแบบแห้งและไม่มีการปนเปื้อนจะถูกส่งผ่านท่อกลางของ DTH ไปยังอุปกรณ์เก็บตัวอย่าง เพื่อเตรียมการวิเคราะห์ทางธรณีวิทยา
ง. กระปุกเกียร์ที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฮดรอลิกหรือไฟฟ้าจะสร้างหัวกำลังที่หมุนได้ โดยส่งแรงป้อนที่เพียงพอไปยังดอกสว่านแบบสามกรวยผ่านระบบป้อนที่เลื่อนขึ้นและลงบนแท่นขุดเจาะและท่อเจาะที่มีผนังหนา วิธีนี้ใช้สำหรับหินเนื้ออ่อนหรือหินแข็งที่มีรอยต่ออย่างแน่นหนา
- หลักการและลักษณะของ DTH
หินที่เจาะด้วย DTH เกือบทั้งหมดสามารถรวมหินอัคนี หินแปร และหินตะกอนที่มีความแข็งปานกลางหรือแข็งกว่าได้ทั้งหมด DTH มีข้อได้เปรียบเป็นพิเศษสำหรับการเจาะฮาร์ดร็อคและชั้นหินแข็ง เนื่องจากฮาร์ดร็อคมีแนวโน้มที่จะเปราะ ภายใต้แรงกระแทก การแตกหักไม่เพียงแต่เกิดขึ้นที่บริเวณที่กระแทกโดยตรงเท่านั้น แต่ยังสร้างโซนที่แตกหักด้วย ส่งผลให้เศษหินมีขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นความเร็วในการเจาะจึงเร็วกว่ามากเมื่อเทียบกับการเจาะแบบหมุนบริสุทธิ์ แบบจำลองทางกลในรูปที่ 2 แสดงให้เห็นโหลดต่างๆ ที่กระทำบนหินในระหว่างการเจาะแบบหมุนกระแทก
นอกจากนี้ การขุดเจาะ DTH (Down-the-Hole) ยังมีประสิทธิภาพสูงในชั้นหินที่มีแนวโน้มที่จะเบี่ยงเบนจากหลุมเจาะ เช่น ชั้นที่มีวัสดุรองและชั้นหินที่ได้รับการพัฒนามาอย่างดี หรือชั้นหินที่มีความแข็งไม่เท่ากันและมีการแตกหักจำนวนมาก สามารถลดการเบี่ยงเบนของหลุมเจาะได้อย่างมาก และยังเอาชนะความยากลำบากในการเจาะผ่านชั้นกรวดและแผ่นหินได้อีกด้วย
การขุดเจาะ DTH ได้รับการพัฒนาในปลายศตวรรษที่ 19 และมีประวัติยาวนานกว่าศตวรรษ แม้ว่าจะมีสว่าน DTH หลายประเภท แต่ก็มีคุณสมบัติเหมือนกัน นั่นคือ ทั้งกลไกการกระแทกและดอกสว่านจะจุ่มลงไปในหลุมเจาะ โดยมีการหมุนรวมกับการกระแทกเพื่อทำให้หินแตก อุปกรณ์ที่ใช้สร้างแรงกระแทกสามารถแบ่งตามวิธีการขับขี่ได้เป็นประเภทนิวแมติก ไฮดรอลิก แรงดันน้ำมัน ไฟฟ้า และเครื่องกล
เนื่องจากพลังงานกระแทกประสบกับการสูญเสียอย่างมีนัยสำคัญในระหว่างการส่งผ่าน และอาจทำให้เกิดความเสียหายอย่างมากต่อส่วนประกอบที่ได้รับผลกระทบ โดยทั่วไปแล้ว การดำเนินการเจาะลึกจะต้องใช้อุปกรณ์เจาะเข้าไปในรูเจาะ เพื่อให้แรงกระแทกเอาท์พุตสามารถกระทำต่อดอกสว่านได้โดยตรง หรือกระบอกแกน สิ่งนี้จะช่วยลดการสูญเสียพลังงานในระหว่างการส่งสัญญาณ ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และลดโอกาสที่อุปกรณ์ในหลุมเจาะจะล้มเหลว
นิวเมติก DTH หรือที่เรียกว่า DTH ที่ขับเคลื่อนด้วยอากาศ มีโครงสร้างหลายประเภทและวิธีการจำแนกประเภท
- ตามระดับแรงดัน: ประเภทแรงดันสูง แรงดันปานกลาง และแรงดันต่ำ
- ตามโครงสร้างโดยรวม: แบบไม่ผ่านและแบบผ่าน
- ตามหลักการทำงานของวาล์ว: ประเภทวาล์วควบคุม, ประเภทวาล์วอิสระ และประเภทวาล์วไฮบริด
- ตามโครงสร้างลูกสูบ: ลูกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน, ลูกสูบที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เท่ากัน และลูกสูบแบบตีคู่
- ตามประเภทการกระจายอากาศ: DTH แบบมีวาล์ว และ DTH แบบไม่มีวาล์ว Valved DTH สามารถแบ่งออกเป็นประเภทเพลทวาล์ว ดิสก์วาล์ว และวาล์วทรงกระบอก ในขณะที่ DTH แบบไม่มีวาล์วสามารถแบ่งออกเป็นประเภทท่อไอเสียแกนกลาง ประเภทการกระจายลมลูกสูบ และการกระจายอากาศแบบรวมโดยลูกสูบ กระบอกสูบ และแกนกลาง
- โดยการล้างรูและการกำจัดตะกรัน: การล้างรูตรงกลาง, การล้างรูหน้า และการล้างรูด้านข้าง
2. การกำหนดแผนโครงสร้างกลไกผลกระทบ
2.1 กลไกการกระแทกแบบไม่มีวาล์วจ่ายแก๊สในตัวลูกสูบ
กลไกการกระแทกประเภทนี้ใช้ทางเดินก๊าซในลูกสูบเป็นหลักเพื่อจ่ายก๊าซ ส่งผลให้โครงสร้างลูกสูบซับซ้อนพร้อมช่องก๊าซจำนวนมาก ซึ่งจะทำให้ความแข็งแรงและอายุการใช้งานของลูกสูบลดลง อย่างไรก็ตาม กลไกการกระแทกนี้รวมกระบอกสูบด้านในและด้านนอกเข้าด้วยกัน เพื่อเพิ่มพื้นที่ทำงานที่มีประสิทธิภาพของลูกสูบ และเพิ่มพลังงานกระแทกของกลไก
2.2 กลไกการจ่ายก๊าซรวมแบบลูกสูบและกระบอกสูบแบบไม่มีวาล์ว
ประเภทนี้มีโครงสร้างเรียบง่ายที่ผลิตง่าย มีอายุการใช้งานลูกสูบยาวนานขึ้น และรูแก๊สอยู่ที่ทั้งกระบอกสูบและลูกสูบ โครงสร้างนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในต่างประเทศ
2.3 กลไกการกระแทกแบบไม่มีวาล์วจ่ายก๊าซท่อกลาง
ในกลไกนี้ ช่องอากาศเข้าสำหรับห้องด้านบนและด้านล่างจะถูกจัดเรียงไว้บนท่อทรงกลมที่ลูกสูบเลื่อน ต้องใช้ความแม่นยำในการผลิตสูงและมีอายุการใช้งานค่อนข้างสั้นสำหรับท่อกลาง
2.4 กลไกการกระแทกไอเสียด้านข้าง
สิ่งที่เรียกว่าไอเสียด้านข้างหมายความว่าเส้นทางก๊าซไอเสียจะออกจากตัวกระบอกสูบแทนที่จะผ่านตรงกลางของสว่านไปที่ด้านล่างของรู กลไกการกระแทกประเภทนี้มักจะมีทางเดินเข้าและไอเสียจำนวนมากบนตัวกระบอกสูบ ส่งผลให้โครงสร้างมีความแข็งแรงต่ำ มีโอกาสเกิดรอยแตกเมื่อยล้าตามยาว และสูญเสียความดันอากาศอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้สว่านมีการกำจัดเศษและความเย็นที่ต่ำกว่าปกติ
2.5 กลไกการกระแทกไอเสียของศูนย์
กลไกการกระแทกประเภทนี้จะขับเศษและก๊าซโดยตรงจากศูนย์กลางของดอกสว่านไปที่ด้านล่างของรู การไหลเวียนของอากาศโดยตรงไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพในการกำจัดเศษซากเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงประสิทธิภาพการเจาะและการระบายความร้อนอีกด้วย ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของดอกสว่านอีกด้วย โครงสร้างประเภทนี้มาแทนที่ร่องตามยาวจำนวนมากในกระบอกสูบด้านในของกลไกการกระแทกไอเสียด้านข้างด้วยร่องวงแหวน ซึ่งช่วยลดความเข้มข้นของความเค้นในกระบอกสูบด้านในได้อย่างมาก ได้กลายเป็นโครงสร้างที่นำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
กลไกการกระแทกลูกสูบซีรีส์ 2.6
กลไกการกระแทกลูกสูบแบบซีรีส์หรือที่เรียกว่าอิมแพ็คเตอร์ลูกสูบคู่ (หัว) แบ่งกระบอกสูบออกเป็นสองห้องโดยใช้วงแหวนแยก การออกแบบนี้ช่วยให้หน้าลูกสูบทั้งสองทำงานพร้อมกันภายในเส้นผ่านศูนย์กลางรูเจาะเดียวกัน ส่งผลให้มีกำลังกระแทกมากขึ้นและความถี่ในการกระแทกสูงขึ้น มีระบบไอเสียคู่ที่กำจัดผงหินออกจากก้นหลุมได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบหลักคือโครงสร้างที่ซับซ้อนและความต้องการความแม่นยำสูงในการตัดเฉือนชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น ลูกสูบมีพื้นผิวเชื่อมต่อกันมากถึงห้าพื้นผิวพร้อมส่วนประกอบที่เกี่ยวข้อง ซึ่งจำกัดการใช้งานและการเลื่อนตำแหน่ง ดังนั้นการออกแบบนี้จึงใช้ตัวเลือกที่สองซึ่งเป็นกลไกการกระแทกแบบไม่มีวาล์วที่มีการจ่ายก๊าซแบบลูกสูบและกระบอกสูบรวมกัน โครงสร้างของมันถูกแสดงไว้ในรูปที่ 3
3. การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีและการคำนวณที่เกี่ยวข้องสำหรับ DTH
3.1 การเลือกพารามิเตอร์การทำงาน**
3.1.1 ความยาวและน้ำหนักของค้อน การออกแบบเบื้องต้นระบุความยาวน้อยกว่า 4,500 มม. และน้ำหนักไม่เกิน 2,500 กก.
3.1.2 เส้นผ่านศูนย์กลางของค้อน: เส้นผ่านศูนย์กลางของค้อนที่เหมาะสมจะพิจารณาจากเส้นผ่านศูนย์กลางของการเจาะ ซึ่งตั้งไว้ที่ 540 มม.
3.1.3 เส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะ: หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลางของรูเสาเข็ม โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 550 มม. ถึง 600 มม.
3.1.4 ความลึกของการเจาะ: ตามข้อกำหนดการออกแบบเสาเข็ม โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างหลายสิบเมตรถึงหนึ่งร้อยเมตร
3.1.5 ความเร็วในการเจาะ: โดยทั่วไปการเจาะ DTH จะทำงานที่ความเร็วการหมุนต่ำ โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 7 ถึง 25 r/s
3.1.6 แรงบิดในการหมุน: แรงบิดสูงสุดสำหรับการออกแบบนี้ตั้งไว้ที่ 150 kN·m
3.2 การคำนวณพารามิเตอร์การออกแบบ
พารามิเตอร์การออกแบบสำหรับ DTH โดยเฉพาะพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทก DTH ทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบเครื่องจักรและกำหนดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่ผลิต
3.2.1 การออกแบบแรงดัน P สำหรับอุปกรณ์กระแทก
ในประเทศจีน ความดัน 0.49 MPa (ประมาณ 5 × 10^5 Pa) ได้รับเลือกอย่างกว้างขวางให้เป็นมาตรฐานการออกแบบสำหรับอุปกรณ์กระแทกแบบนิวแมติก เนื่องจาก DTH สำหรับการออกแบบนี้เป็นอุปกรณ์กระแทกแบบไม่มีวาล์วที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะขนาดใหญ่และลูกสูบหนัก ความกดอากาศที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานให้ดียิ่งขึ้น นอกจากนี้ เครื่องอัดอากาศแรงดันสูงยังพบเห็นได้ทั่วไปมากขึ้น และตามมาตรฐานสากล ISO 5941-1979 จึงมีการเลือกแรงดันการออกแบบที่ 1.6 MPa
3.2.2 พลังกระแทก
สำหรับ DTH ที่ใช้ในการเจาะรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ พลังงานกระแทกที่ออกแบบอาจมีความผันผวนอย่างมาก พลังงานกระแทกสำหรับการออกแบบนี้คำนวณได้ดังนี้:
3.2.3 ความถี่กระแทก
โดยทั่วไป ภายใต้พลังงานกระแทกคงที่ ความถี่การกระแทกจะเป็นสัดส่วนกับกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตของเครื่องส่งผลกระทบ อย่างไรก็ตาม เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบคงที่ การเพิ่มความถี่การกระแทกจะทำให้จังหวะลูกสูบลดลง ซึ่งจะทำให้กำลังการกระแทกครั้งเดียวลดลง เมื่อพลังกระแทกครั้งเดียวลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด การเพิ่มความถี่จะไม่ให้ผลการทำลายหินที่น่าพอใจ ดังนั้นการเลือกความถี่ในการกระแทกจึงถูกจำกัดโดยกำลังการกระแทก
สำหรับการทำงานของ DTH แบบนิวแมติกที่ความดันการออกแบบ 0.5 MPa ความถี่ไม่ควรเกิน 16.8 Hz เนื่องจาก DTH ทำงานที่แรงกดดันการออกแบบระหว่าง 0.5 ถึง 2.5 MPa ความถี่ในการกระแทกจึงอาจแตกต่างกันอย่างมาก การเลือกความถี่ของเครื่องส่งผลกระทบเริ่มต้นสามารถคำนวณได้ดังนี้:
ฉ = 10.4 + 7.6P
(2) โดยที่ P คือแรงดันการจ่ายของระบบ สำหรับการออกแบบนี้ P = 1.6 MPa ดังนั้น:
ฉ = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 เฮิรตซ์
3.3 การออกแบบพารามิเตอร์โครงสร้าง
พารามิเตอร์โครงสร้างหลักของ DTH ได้แก่ เส้นผ่านศูนย์กลางรูกระบอกสูบ ระยะชักของลูกสูบ และขนาดลูกสูบ การเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางของกระบอกสูบสามารถเพิ่มทั้งกำลังกระแทกและความถี่ ดังนั้นควรเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางให้สูงสุดภายในขีดจำกัดของขนาดโครงสร้าง โดยทั่วไป ความแตกต่างระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอกของ DTH และเส้นผ่านศูนย์กลางของรูไม่ควรน้อยกว่า 15 ถึง 20 มม. และปลอกด้านนอกของ DTH ไม่ควรบางเกินไป ดังนั้นอัตราส่วนของเส้นผ่านศูนย์กลางกระบอกสูบ DTH ต่อเส้นผ่านศูนย์กลางการเจาะโดยทั่วไปจึงสูงกว่า 0.5
3.3.1 เส้นผ่านศูนย์กลางการทำงานของกระบอกสูบและระยะชักของโครงสร้าง
เส้นผ่านศูนย์กลางการทำงานของ D ของกระบอกสูบสามารถคำนวณได้ดังนี้:
D = K × D(เจาะ) = (0.57 - 0.68) × D(เจาะ) (3)
สำหรับการออกแบบนี้ D(เจาะ) = 600 มม. ดังนั้น D จึงเท่ากับ 360 มม. ระยะชักของโครงสร้าง S นำมาจากการทดลองเป็น S = 500 มม.
3.3.2 มวลลูกสูบ
ขนาดรัศมีของลูกสูบถูกจำกัดโดยขนาดและโครงสร้างของกระบอกสูบ ทำให้ลูกสูบมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากันหรือต่างกันก็ได้ ขนาดเชิงเส้นขึ้นอยู่กับน้ำหนักของลูกสูบ ซึ่งสัมพันธ์กับความเร็วที่มีเมื่อกระแทกดอกสว่านด้วย ดังนั้น การกำหนดขนาดโครงสร้างของลูกสูบจึงเป็นลักษณะที่ซับซ้อนของการออกแบบ DTH สามารถประมาณมวลของลูกสูบ DTH ได้ดังนี้:
ม. = 0.0205D^2.84 (4)
โดยที่ m คือมวลลูกสูบเป็นกิโลกรัม D คือเส้นผ่านศูนย์กลางการทำงานของกระบอกสูบเป็นซม.
การทดแทน D = 36 อัตราผลตอบแทน: m = 540 กก.
DTH ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโครงสร้างการส่งแรงบิดและกลไกการกระแทกแบบนิวแมติก โครงสร้างการส่งแรงบิดเชื่อมต่อแกนสว่านและ DTH ส่งแรงตัดและแรงดึงแบบหมุน กลไกการกระแทกแบบนิวแมติกจะสร้างแรงกระแทก โดยให้กำลังตามแนวแกนแก่สว่านกระแทก รายละเอียดโครงสร้างเฉพาะแสดงในรูปที่ 3
โครงสร้างการส่งแรงบิดเชื่อมต่อก้านเจาะและตัวกระแทก ข้อต่อด้านบนเชื่อมต่อกับแกนสว่านและตัวกระแทกผ่านเกลียวท่อ โดยหลักๆ แล้วเพื่อให้มั่นใจว่าก๊าซมีความแน่นหนา ในขณะเดียวกันก็ส่งแรงบิดและแรงดึงด้วย เช็ควาล์วป้องกันไม่ให้โคลนและน้ำเข้าไปในตัวกระแทกและก้านเจาะซึ่งควบคุมโดยสปริง ที่นั่งรับอากาศพร้อมก้านจ่ายแก๊สทำหน้าที่นำอากาศอัดเข้าไปในกระบอกสูบ ช่วยให้การจ่ายแก๊สร่วมกับกระบอกสูบและลูกสูบสะดวกขึ้น ส่งผลให้มีการจ่ายแก๊สรวมกัน แหวนนิรภัยแบบสปริงป้องกันไม่ให้ลูกสูบเลื่อนออกจากกระบอกสูบเมื่อเปลี่ยนดอกสว่าน
3.4 การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัดของดอกสว่าน DTH
ดอกสว่าน DTH ต้องรับแรงกระแทกจากลูกสูบและแรงบิดจากหัวขับเคลื่อน แรงที่กระทำต่อลูกสูบโดยอากาศอัดนั้นได้มาจาก:
ฉ = พี × ส (5)
โดยที่ P คือความดันของระบบใน Pa; S คือพื้นที่แรงของลูกสูบในหน่วยตร.ม.
ดังนั้น F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N
ดังนั้น แรงกระแทกต่อดอกสว่านคือ:
เอฟ' = กิโลเอฟ (6)
โดยที่ k คือค่าสัมประสิทธิ์การกระแทก F คือแรงที่กระทำต่อดอกสว่านโดยอากาศอัดในหน่วย N ดังนั้น F' = 20 × 134400 = 2688 kN
แรงบิดที่จ่ายให้กับดอกสว่าน DTH ข้างหัวขับเคลื่อนคือ N = 150 kN การใช้ F' = 2688 kN และ N = 150 kN กับดอกสว่านขณะยึดหน้าส่วนล่างของดอกสว่าน และใช้วัสดุ QT500-7 ที่มีความแข็งแรงครากที่ 320 MPa การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์จะดำเนินการ เงื่อนไขการรับน้ำหนักและข้อจำกัดเฉพาะ และการแบ่งตาข่ายแสดงในรูปที่ 4 และ 5
ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์แสดงในรูปที่ 6 ซึ่งบ่งชี้ว่าความเค้นสูงสุดคือ 144.355 MPa ซึ่งน้อยกว่ากำลังรับผลผลิตของ QT500-7 (320 MPa) จึงเป็นไปตามข้อกำหนด