Sert Kaya Delme Kurallarını Kırmak: Oyunun Kurallarını Değiştiren DTH Teknolojisi.
İnşaat alanının jeolojik koşullarına göre, Şekil 1'de gösterildiği gibi sondaj kuleleri tarafından yaygın olarak kullanılan dört ana sondaj yöntemi vardır.
A. Darbe ekipmanıyla birleştirilmiş pnömatik veya hidrolik tahrikli döner kafalar, dönme ve darbe enerjisini üst kısımdan iletirsondaj borususondaj borusundaki şok dalgaları yoluyla matkap ucuna enerji iletir. Bu yöntem küçük çaplar ve sığ derinliklerle sınırlıdır ve genellikle taş ocaklarında, şantiyelerde ve yer altı maden işletmelerinde kullanılır.
B.Delik Aşağısı (DTH) çekiçler matkap ipinin alt kısmında bulunur. Basınçlı hava sondaj ipi yoluyla DTH'ye girerek pistonu ileri geri hareketle tahrik ederek doğrudan matkap ucuna etki eder ve darbe enerjisini kayaya aktarır. Bu sistem minimum güç kaybına sahiptir ve özellikle derin delikler, düz delikler ve orta sert kayalar için uygundur.
C.Ters sirkülasyon (RC) sondajımatkap ucunun yüzeyinden kaya örnekleri toplamak ve taşımak için DTH'yi kullanır. Kuru ve kirlenmemiş kesimler, DTH'nin merkez borusu aracılığıyla bir numune toplama cihazına aktarılarak jeolojik analize hazırlanır.
D. Hidrolik veya elektrik motorlarıyla çalıştırılan bir dişli kutusu, sondaj kulesi ve kalın duvarlı sondaj borusu üzerinde yukarı ve aşağı hareket eden bir besleme sistemi aracılığıyla üç konili matkap ucuna yeterli besleme kuvveti uygulayan, dönen bir güç başlığı oluşturur. Bu yöntem daha yumuşak kayalar veya güçlü eklemlere sahip sert kayalar için kullanılır.
- DTH'nin İlkeleri ve Özellikleri
DTH ile açılan formasyonlar neredeyse tamamen orta-sert veya daha sert tüm magmatik kayaları, metamorfik kayaları ve tortul kayaları içerebilecek kapasitededir. DTH, sert kaya ve sert tabakaları delmek için özellikle avantajlıdır çünkü sert kaya kırılgan olma eğilimindedir. Darbe yükleri altında, kırıklar yalnızca doğrudan çarpma bölgesinde meydana gelmekle kalmaz, aynı zamanda kırık bir bölge oluşturarak daha büyük kaya parçalarına neden olur. Böylece delme hızı, salt döner delmeye kıyasla önemli ölçüde daha hızlıdır. Şekil 2'deki mekanik model, darbeli döner sondaj sırasında kayaya etki eden çeşitli yükleri göstermektedir.
Buna ek olarak, DTH (Kuyu Aşağısı) sondajı, iyi gelişmiş tabakalanma ve yapraklanma içeren tabakalar veya eşit olmayan sertliğe ve çok sayıda kırığa sahip kaya tabakaları gibi sondaj deliği sapmasına eğilimli formasyonlarda oldukça etkilidir. Sondaj deliği sapmasını önemli ölçüde azaltabilir ve ayrıca çakıl katmanları ve kaya yatakları boyunca sondaj yaparken karşılaşılan zorlukların üstesinden gelebilir.
DTH sondajı 19. yüzyılın sonlarında geliştirildi ve yüzyılı aşkın bir geçmişe sahip. Birçok DTH matkap türü olmasına rağmen ortak bir özelliği paylaşıyorlar: hem darbe mekanizması hem de matkap ucu sondaj deliğine batırılmış ve kayayı kırmak için darbeyle birlikte dönüş sağlanıyor. Darbe kuvvetini oluşturmak için kullanılan ekipmanlar, tahrik yöntemlerine göre pnömatik, hidrolik, yağ basınçlı, elektrikli ve mekanik tiplere ayrılabilir.
Darbe enerjisi iletim sırasında önemli bir kayıp yaşadığından ve etkilenen bileşenlerde önemli hasara neden olabileceğinden, daha derin delme operasyonlarında genellikle ekipmanın sondaj aletiyle sondaj deliğine girmesi gerekir, böylece çıkış darbe kuvveti doğrudan matkap ucuna etki edebilir. veya çekirdek varil. Bu, iletim sırasında enerji kaybını en aza indirir, enerji verimliliğini artırır ve kuyu içi ekipman arızası olasılığını azaltır.
Hava tahrikli DTH olarak da bilinen pnömatik DTH, birçok yapısal tip ve sınıflandırma yöntemiyle gelir.
- Basınç derecesine göre: yüksek basınç, orta basınç ve düşük basınç türleri.
- Genel yapıya göre: geçişsiz ve geçişli türler.
- Valf çalışma prensibine göre: kontrol valfi tipi, serbest valf tipi ve hibrit valf tipi.
- Piston yapısına göre: eşit çaplı piston, eşit olmayan çaplı piston ve tandem piston tipleri.
- Hava dağıtım türüne göre: valfli DTH ve valfsiz DTH. Valfli DTH, plaka valfi, disk valfi ve silindirik valf türlerine bölünebilirken valfsiz DTH, merkez çubuk egzoz tipine, pistonlu hava dağıtım tipine ve piston, silindir ve merkez çubukla birleşik hava dağıtımına bölünebilir.
- Delik yıkama ve cüruf boşaltma yöntemiyle: orta delik yıkama, ön delik yıkama ve yan delik yıkama.
2. Etki Mekanizmasının Yapısal Şemalarının Belirlenmesi
2.1 Pistonlu Kendinden Gaz Beslemeli Valfsiz Darbe Mekanizması
Bu tip darbe mekanizması, gaz beslemesi için öncelikle pistonun içindeki gaz geçitlerini kullanır, bu da çok sayıda gaz kanalına sahip karmaşık bir piston yapısıyla sonuçlanır, bu da pistonun gücünü ve ömrünü azaltır. Ancak bu darbe mekanizması iç ve dış silindirleri entegre ederek pistonun etkin çalışma alanını arttırır ve mekanizmanın darbe enerjisini arttırır.
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 silindir hem de piston üzerinde bulunur. Bu yapı yurtdışında yaygın olarak kullanılmaktadır.
2.3 Merkez Boru Gaz Beslemesi Valfsiz Darbe Mekanizması
Bu mekanizmada üst ve alt haznelerin hava giriş kanalları pistonun kaydığı dairesel boru üzerinde düzenlenmiştir. Yüksek üretim hassasiyeti gerektirir ve merkez borunun ömrü nispeten kısadır.
2.4 Yan Egzoz Darbe Mekanizması
Yan egzoz olarak adlandırılan egzoz gazı yolunun, matkap ucunun ortasından deliğin tabanına geçmek yerine silindir gövdesinden çıkması anlamına gelir. Bu tür darbe mekanizmasında tipik olarak silindir gövdesi üzerinde çok sayıda giriş ve çıkış yolu bulunur; bu da zayıf yapısal dayanıklılığa, uzunlamasına yorulma çatlakları potansiyeline ve önemli miktarda hava basıncı kaybına neden olur, bu da matkap ucu için optimal olmayan döküntü giderme ve soğutma etkileriyle sonuçlanır.
2.5 Merkezi Egzoz Darbe Mekanizması
Bu tip darbe mekanizması, döküntüleri ve gazı doğrudan matkap ucunun merkezinden deliğin tabanına doğru dışarı atar. Doğrudan hava akışı yalnızca döküntü giderme verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda delme verimliliğini ve soğutmayı da geliştirerek matkap ucunun ömrünü uzatır. Bu yapısal tip, yan egzoz darbe mekanizmalarının iç silindirindeki çok sayıda uzunlamasına oluğu halka şeklinde bir oyukla değiştirerek iç silindirdeki stres konsantrasyonunu büyük ölçüde azaltır. Son yıllarda yaygın olarak benimsenen bir yapı haline geldi.
2.6 Serisi Pistonlu Darbe Mekanizması
Çift pistonlu (kafalı) çarpma tertibatı olarak da bilinen seri pistonlu darbe mekanizması, bir izolasyon halkası kullanarak silindiri iki bölmeye ayırır. Bu tasarım, her iki piston yüzünün de aynı delik çapı içinde aynı anda çalışmasına olanak tanıyarak daha yüksek darbe gücü ve daha yüksek darbe frekansı sağlar. Buna uygun olarak, kaya tozunu deliğin tabanından etkili bir şekilde uzaklaştıran ikili egzoz sistemi bulunmaktadır. Ancak ana dezavantajı karmaşık yapısı ve parçaların işlenmesinde yüksek hassasiyete duyulan ihtiyaçtır; örneğin piston, ilgili bileşenlerle birlikte en fazla beş eşleşen yüzeye sahiptir, bu da onun uygulamasını ve tanıtımını sınırlandırır. Bu nedenle, bu tasarım, piston ve silindirin kombine gaz beslemesine sahip valfsiz darbe mekanizması olan ikinci seçeneği benimser. Yapısı Şekil 3'te gösterilmektedir.
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 uzunluk ve 2500 kg'dan az ağırlık belirtilmektedir.
3.1.2 Çekiç Çapı: Uygun çekiç çapı, 540 mm olarak ayarlanan delme çapına göre belirlenir.
3.1.3 Delme Çapı: Bu, genellikle 550 mm ile 600 mm arasında olan kazık deliğinin çapını ifade eder.
3.1.4 Sondaj Derinliği: Kazık tasarım gerekliliklerine göre bu genellikle birkaç düzine metre ile yüz metre arasındadır.
3.1.5 Delme Hızı: DTH delme genellikle düşük dönme hızlarında, tipik olarak 7 ile 25 r/s arasında çalışır.
3.1.6 Dönme Torku: Bu tasarım için maksimum tork 150 kN·m olarak ayarlanmıştır.
3.2 Tasarım Parametrelerinin Hesaplanması
DTH'ye yönelik tasarım parametreleri, özellikle de DTH darbe ekipmanının performans parametreleri, makine tasarımının temelini oluşturur ve üretilen ekipmanın performansını tanımlar.
3.2.1 Darbe Ekipmanı için Tasarım Basıncı P
Çin'de, 0,49 MPa'lık (yaklaşık 5 × 10^5 Pa) basınç, pnömatik darbe ekipmanı için tasarım standardı olarak yaygın olarak seçilmiştir. 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 daha yaygın hale geliyor ve uluslararası ISO 5941-1979 standardına uygun olarak 1,6 MPa'lık bir tasarım basıncı seçiliyor.
3.2.2 Darbe Gücü
Büyük çaplı delikleri delmek için kullanılan DTH için tasarım darbe enerjisi önemli ölçüde dalgalanabilir. Bu tasarım için darbe enerjisi aşağıdaki şekilde hesaplanır:
3.2.3 Etki Frekansı
Genel olarak sabit darbe enerjisi altında darbe frekansı, çarpma tertibatının çıkış gücüyle orantılıdır. Ancak silindir çapı sabitlendiğinde darbe frekansının arttırılması piston strokunun azaltılmasını gerektirir, bu da tekli darbe gücünün azalmasına neden olur. Tek darbe gücü belirli bir eşiğin altına düştüğünde, frekansın arttırılması tatmin edici kaya kırma sonuçları vermeyecektir. Bu nedenle darbe frekansının seçimi darbe gücüyle sınırlanır.
0,5 MPa tasarım basıncında çalışan pnömatik DTH için frekans 16,8 Hz'yi aşmamalıdır. DTH, 0,5 ila 2,5 MPa arasındaki tasarım basınçlarında çalıştığından darbe frekansı önemli ölçüde değişiklik gösterebilir. Çarpma 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 çapı, piston stroku ve piston boyutları yer alır. Silindir çapının arttırılması hem darbe gücünü hem de frekansı arttırabilir, bu nedenle çapın yapısal boyut sınırları dahilinde maksimuma çıkarılması gerekir. Tipik olarak DTH'nin dış çapı ile delik çapı arasındaki fark 15 ila 20 mm'den az olmamalı ve DTH'nin dış kasası 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 ampirik olarak S = 500 mm olarak alınır.
3.3.2 Piston Kütlesi
Pistonun radyal boyutları, silindirin boyutu ve yapısı ile sınırlandırılmıştır; bu da eşit veya farklı çaplı pistonlara izin verir. Doğrusal boyutlar pistonun ağırlığına bağlıdır ve bu aynı zamanda matkap ucuna çarptığında sahip olduğu hız ile de ilgilidir. Bu nedenle pistonun yapısal boyutlarının belirlenmesi DTH tasarımının karmaşık bir yönüdür. DTH pistonunun kütlesi şu şekilde tahmin edilebilir:
m = 0,0205D^2,84 (4)
m, kg cinsinden piston kütlesidir; D, silindirin cm cinsinden çalışma çapıdır.
D = 36 yerine koyarsak sonuç: m = 540 kg.
DTH esas olarak bir tork aktarım yapısından ve bir pnömatik darbe mekanizmasından oluşur. Tork iletim yapısı, sondaj çubuğunu ve DTH'yi birbirine bağlayarak dönmeli kesme ve çekme kuvvetlerini iletir; Pnömatik darbe mekanizması darbe oluşturarak darbeli matkap ucuna eksenel güç sağlar. Spesifik yapı ayrıntıları Şekil 3'te gösterilmektedir.
Tork aktarım yapısı sondaj çubuğunu ve çarpma tertibatını birbirine bağlar. Üst bağlantı, öncelikle gaz sızdırmazlığını sağlamak ve aynı zamanda tork ve çekme kuvvetini iletmek için boru dişleri aracılığıyla sondaj çubuğuna ve çarpma tertibatına bağlanır. Çek valf, bir yay tarafından kontrol edilen çamur ve suyun çarpma tertibatına ve sondaj çubuğuna girmesini önler. Gaz besleme çubuğuna sahip hava emme yuvası, silindire basınçlı hava verme işlevi görür, silindir ve pistonla birlikte gaz besleme işlemini kolaylaştırır ve böylece birleşik gaz beslemesi elde edilir. Yaylı emniyet halkası, matkap ucunu değiştirirken pistonun silindirden kaymasını önler.
3.4 DTH Matkap Ucunun 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:
F = P × S (5)
burada P, Pa cinsinden sistem basıncıdır; S, pistonun m² cinsinden kuvvet alanıdır.
Böylece, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Bu nedenle matkap ucu üzerindeki darbe kuvveti:
F' = kF (6)
burada k darbe katsayısıdır; F, N cinsinden basınçlı havanın matkap ucuna uyguladığı kuvvettir. Dolayısıyla F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Tahrik kafası tarafından DTH matkap ucuna uygulanan tork N = 150 kN'dir. Matkap ucunun alt uç yüzü sabitlenirken matkap ucuna F' = 2688 kN ve N = 150 kN uygulanarak akma dayanımı 320 MPa olan QT500-7 malzemesi kullanılarak sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilir. Özel yükleme ve kısıtlama koşulları ve ağ bölümü Şekil 4 ve 5'te gösterilmektedir.
Sonlu elemanlar analizinin sonuçları, maksimum gerilimin 144.355 MPa olduğunu ve bunun QT500-7'nin (320 MPa) akma dayanımından daha düşük olduğunu ve dolayısıyla gereksinimleri karşıladığını gösteren Şekil 6'da gösterilmektedir.