Bẻ khóa quy tắc khoan đá cứng: Công nghệ DTH thay đổi cuộc chơi.
Theo điều kiện địa chất của khu vực thi công, có 4 phương pháp khoan chính được các giàn khoan thường sử dụng như Hình 1.
Một. Đầu quay dẫn động bằng khí nén hoặc thủy lực kết hợp với thiết bị va đập truyền năng lượng quay và năng lượng va đập qua đỉnh củaống khoan, cung cấp năng lượng cho mũi khoan thông qua sóng xung kích trong ống khoan. Phương pháp này được giới hạn ở đường kính nhỏ và độ sâu nông và thường được sử dụng trong các mỏ đá, công trường và hoạt động khai thác dưới lòng đất.
b.Búa xuống lỗ (DTH) nằm ở dưới cùng của chuỗi khoan. Khí nén đi vào DTH thông qua dây khoan, dẫn động pít-tông theo chuyển động tịnh tiến tác động trực tiếp vào mũi khoan, truyền năng lượng va chạm sang đá. Hệ thống này có tổn thất điện năng tối thiểu và đặc biệt thích hợp cho các hố sâu, hố thẳng và đá có độ cứng trung bình.
c.Khoan tuần hoàn ngược (RC)sử dụng DTH để thu thập và vận chuyển các mẫu đá từ mặt mũi khoan. Các cành giâm khô và không bị nhiễm bẩn được chuyển qua ống trung tâm của DTH vào thiết bị lấy mẫu, chuẩn bị cho phân tích địa chất.
d. Hộp số được điều khiển bởi động cơ thủy lực hoặc điện tạo thành một đầu nguồn quay, tác dụng đủ lực cấp liệu lên mũi khoan ba côn thông qua hệ thống cấp liệu di chuyển lên xuống trên giàn khoan và ống khoan có thành dày. Phương pháp này được sử dụng cho đá mềm hơn hoặc đá cứng có mối nối chặt chẽ.
- Nguyên tắc và đặc điểm của DTH
Các thành tạo được khoan bằng DTH gần như hoàn toàn có khả năng bao gồm tất cả các loại đá lửa, đá biến chất và đá trầm tích có độ cứng trung bình hoặc cứng hơn. DTH đặc biệt thuận lợi cho việc khoan đá cứng và các tầng cứng vì đá cứng có xu hướng giòn. Dưới tác dụng của tải trọng, các vết nứt không chỉ xảy ra tại vị trí va chạm trực tiếp mà còn tạo ra một vùng đứt gãy, dẫn đến các mảnh đá lớn hơn. Nhờ đó, tốc độ khoan nhanh hơn đáng kể so với khoan quay thuần túy. Mô hình cơ học trong Hình 2 minh họa các tải trọng khác nhau tác động lên đá trong quá trình khoan quay va chạm.
Ngoài ra, khoan DTH (Down-the-Hole) có hiệu quả cao ở các thành tạo dễ bị lệch lỗ khoan, chẳng hạn như địa tầng có lớp lót và phiến lá phát triển tốt, hoặc các lớp đá có độ cứng không đồng đều và nhiều vết nứt. Nó có thể làm giảm đáng kể độ lệch của lỗ khoan và cũng khắc phục được những khó khăn khi khoan qua các lớp sỏi và nền đá cuội.
Khoan DTH được phát triển vào cuối thế kỷ 19 và có lịch sử hơn một thế kỷ. Tuy có nhiều loại máy khoan DTH nhưng chúng đều có chung một đặc điểm là cơ cấu tác động và mũi khoan đều chìm trong lỗ khoan, có chuyển động quay kết hợp va đập làm vỡ đá. Thiết bị được sử dụng để tạo ra lực tác động có thể được phân loại theo phương pháp truyền động của chúng thành các loại khí nén, thủy lực, áp suất dầu, điện và cơ khí.
Do năng lượng va chạm bị tổn thất đáng kể trong quá trình truyền và có thể gây ra hư hỏng đáng kể cho các bộ phận bị va đập nên thông thường, trong các hoạt động khoan sâu hơn, thiết bị phải đi vào lỗ khoan bằng dụng cụ khoan để lực tác động đầu ra có thể tác động trực tiếp lên mũi khoan. hoặc thùng lõi. Điều này giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình truyền tải, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm khả năng hỏng hóc thiết bị trong hố.
DTH khí nén, còn được gọi là DTH điều khiển bằng không khí, có nhiều loại cấu trúc và phương pháp phân loại.
- Theo mức áp suất: loại cao áp, loại áp suất trung bình và loại áp suất thấp.
- Theo cơ cấu tổng thể: loại không xuyên suốt và xuyên suốt.
- Theo nguyên lý hoạt động của các loại van: loại van điều khiển, loại van tự do, loại van hybrid.
- Theo cấu trúc piston: các loại piston có đường kính bằng nhau, các loại piston có đường kính không bằng nhau và các loại piston song song.
- Theo loại phân phối khí: DTH có van và DTH không van. DTH có van có thể được chia thành các loại van tấm, van đĩa và van hình trụ, trong khi DTH không có van có thể được chia thành loại ống xả thanh trung tâm, loại phân phối khí piston và phân phối khí kết hợp bằng piston, xi lanh và thanh trung tâm.
- Bằng phương pháp rửa lỗ và xả xỉ: rửa lỗ giữa, rửa lỗ trước và rửa lỗ bên.
2. Xác định sơ đồ kết cấu cơ chế tác động
2.1 Cơ cấu tác động không van cấp khí tự động cho Piston
Loại cơ cấu tác động này chủ yếu sử dụng các đường dẫn khí trong chính piston để cung cấp khí, dẫn đến cấu trúc piston phức tạp với nhiều kênh khí, làm giảm độ bền và tuổi thọ của piston. Tuy nhiên, cơ cấu tác động này tích hợp xi lanh bên trong và bên ngoài, làm tăng diện tích làm việc hiệu quả của piston và tăng cường năng lượng tác động của cơ cấu.
2.2 Cơ cấu cấp khí kết hợp Piston và Xi lanh Không Van
Loại này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, tuổi thọ piston dài hơn, các lỗ khí nằm trên cả xi lanh và piston. Cấu trúc này được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài.
2.3 Đường ống trung tâm Cơ chế tác động không van
Trong cơ cấu này, các đường dẫn khí vào buồng trên và buồng dưới được bố trí trên ống tròn nơi piston trượt. Nó đòi hỏi độ chính xác sản xuất cao và có tuổi thọ tương đối ngắn đối với ống trung tâm.
2.4 Cơ chế tác động ống xả bên
Cái gọi là ống xả bên có nghĩa là đường dẫn khí thải thoát ra khỏi thân xi lanh chứ không phải đi qua tâm mũi khoan đến đáy lỗ. Loại cơ cấu tác động này thường có nhiều đường nạp và thoát khí trên thân xi lanh, dẫn đến độ bền kết cấu kém, tiềm ẩn các vết nứt mỏi dọc và mất áp suất không khí đáng kể, dẫn đến hiệu quả loại bỏ mảnh vụn và làm mát dưới mức tối ưu cho mũi khoan.
2.5 Cơ chế tác động ống xả trung tâm
Loại cơ chế tác động này sẽ đẩy các mảnh vụn và khí trực tiếp từ tâm mũi khoan xuống đáy lỗ. Luồng khí trực tiếp không chỉ nâng cao hiệu quả loại bỏ mảnh vụn mà còn cải thiện hiệu quả khoan và làm mát, kéo dài tuổi thọ của mũi khoan. Kiểu kết cấu này thay thế nhiều rãnh dọc ở xi lanh bên trong của cơ cấu tác động khí thải bên bằng một rãnh hình khuyên, làm giảm đáng kể sự tập trung ứng suất ở xi lanh bên trong. Nó đã trở thành một cấu trúc được áp dụng rộng rãi trong những năm gần đây.
Cơ chế tác động của Piston dòng 2.6
Cơ cấu va đập piston nối tiếp hay còn gọi là bộ va đập hai piston (đầu), chia xi lanh thành hai buồng bằng một vòng cách ly. Thiết kế này cho phép cả hai mặt piston hoạt động đồng thời trong cùng một đường kính lỗ khoan, dẫn đến lực va đập lớn hơn và tần suất va đập cao hơn. Tương ứng với đó là hệ thống ống xả kép có tác dụng loại bỏ bột đá dưới đáy hố một cách hiệu quả. Tuy nhiên, nhược điểm chính của nó là cấu trúc phức tạp và yêu cầu độ chính xác cao trong gia công các chi tiết; ví dụ, piston có tới năm bề mặt tiếp xúc với các bộ phận liên quan, điều này hạn chế ứng dụng và khả năng phát huy của nó. Do đó, thiết kế này áp dụng phương án thứ hai, đó là cơ cấu tác động không van với nguồn cung cấp khí kết hợp piston và xi lanh. Cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 3.
3. Phân tích lý thuyết và tính toán liên quan cho DTH
3.1 Lựa chọn thông số vận hành**
3.1.1 Chiều dài và trọng lượng búa: Thiết kế sơ bộ xác định chiều dài búa nhỏ hơn 4500 mm và trọng lượng búa nhỏ hơn 2500 kg.
3.1.2 Đường kính búa: Đường kính búa thích hợp được xác định dựa trên đường kính khoan, đặt ở mức 540 mm.
3.1.3 Đường kính khoan: Là đường kính của hố cọc, thông thường từ 550 mm đến 600 mm.
3.1.4 Độ sâu khoan: Theo yêu cầu thiết kế cọc thường từ vài chục mét đến một trăm mét.
3.1.5 Tốc độ khoan: Khoan DTH thường hoạt động ở tốc độ quay thấp, thường từ 7 đến 25 r/s.
3.1.6 Mô-men quay: Mô-men xoắn cực đại cho thiết kế này được đặt ở mức 150 kN·m.
3.2 Tính toán các thông số thiết kế
Các thông số thiết kế cho DTH, cụ thể là các thông số hiệu suất của thiết bị tác động DTH, làm cơ sở cho thiết kế máy và xác định hiệu suất của thiết bị được sản xuất.
3.2.1 Áp suất thiết kế P cho thiết bị va đập
Ở Trung Quốc, áp suất 0,49 MPa (khoảng 5 × 10^5 Pa) được chọn rộng rãi làm tiêu chuẩn thiết kế cho thiết bị tác động bằng khí nén. Vì DTH cho thiết kế này là một thiết bị tác động không có van với đường kính khoan lớn và piston nặng, nên áp suất không khí cao hơn sẽ nâng cao hiệu suất hơn nữa. Ngoài ra, máy nén khí cao áp ngày càng phổ biến và theo tiêu chuẩn quốc tế ISO 5941-1979, áp suất thiết kế 1,6 MPa được chọn.
3.2.2 Sức mạnh tác động
Đối với DTH dùng để khoan lỗ có đường kính lớn, năng lượng va đập thiết kế có thể dao động đáng kể. Năng lượng tác động cho thiết kế này được tính như sau:
3.2.3 Tần suất tác động
Nói chung, dưới năng lượng va chạm không đổi, tần số va chạm tỷ lệ thuận với công suất đầu ra của vật va chạm. Tuy nhiên, khi đường kính xi lanh được cố định, việc tăng tần số va chạm đòi hỏi phải giảm hành trình piston, từ đó làm giảm công suất va chạm đơn lẻ. Một khi lực tác động đơn lẻ giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, việc tăng tần số sẽ không mang lại kết quả phá đá như ý. Do đó, việc lựa chọn tần số tác động bị hạn chế bởi công suất tác động.
Đối với DTH khí nén hoạt động ở áp suất thiết kế 0,5 MPa, tần số không được vượt quá 16,8 Hz. Do DTH hoạt động ở áp suất thiết kế trong khoảng 0,5 đến 2,5 MPa nên tần suất tác động có thể thay đổi đáng kể. Việc lựa chọn ban đầu tần số của tác nhân có thể được tính như sau:
f = 10,4 + 7,6P
(2) trong đó P là áp suất cung cấp của hệ thống. Đối với thiết kế này, P = 1,6 MPa, do đó:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Thiết kế thông số kết cấu
Các thông số cấu trúc chính của DTH bao gồm đường kính lỗ xi lanh, hành trình piston và kích thước piston. Việc tăng đường kính hình trụ có thể tăng cường cả sức mạnh và tần số va chạm, do đó đường kính phải được tối đa hóa trong giới hạn kích thước kết cấu. Thông thường, chênh lệch giữa đường kính ngoài của DTH và đường kính lỗ khoan không được nhỏ hơn 15 đến 20 mm và vỏ ngoài của DTH không được quá mỏng. Do đó, tỷ lệ đường kính xi lanh DTH với đường kính khoan thường trên 0,5.
3.3.1 Đường kính làm việc của xi lanh và hành trình kết cấu
Đường kính làm việc D của xi lanh có thể được tính như sau:
D = K × D(đường kính) = (0,57 - 0,68) × D(đường kính) (3)
Đối với thiết kế này, D(lỗ khoan) = 600 mm nên D được lấy là 360 mm. Hành trình kết cấu S được lấy theo kinh nghiệm là S = 500 mm.
3.3.2 Khối lượng pít-tông
Kích thước hướng tâm của piston bị ràng buộc bởi kích thước và cấu trúc của xi lanh, cho phép các piston có đường kính bằng nhau hoặc khác nhau. Kích thước tuyến tính phụ thuộc vào trọng lượng của piston, điều này cũng liên quan đến vận tốc của nó khi chạm vào mũi khoan. Do đó, việc xác định kích thước kết cấu của piston là một khía cạnh phức tạp của thiết kế DTH. Khối lượng của piston DTH có thể được ước tính như sau:
m = 0,0205D^2,84 (4)
m là khối lượng piston tính bằng kg; D là đường kính làm việc của xi lanh tính bằng cm.
Thay D = 36 thu được: m = 540 kg.
DTH chủ yếu bao gồm cấu trúc truyền mô-men xoắn và cơ cấu tác động bằng khí nén. Cấu trúc truyền mô-men xoắn kết nối thanh khoan và DTH, truyền lực cắt và kéo quay; cơ cấu tác động bằng khí nén tạo ra lực tác động, cung cấp lực dọc trục cho mũi khoan tác động. Chi tiết cấu trúc cụ thể được thể hiện trong Hình 3.
Cấu trúc truyền mô-men xoắn kết nối thanh khoan và bộ va chạm. Khớp phía trên kết nối với cần khoan và bộ va đập thông qua các ren ống, chủ yếu để đảm bảo độ kín khí đồng thời truyền mô-men xoắn và lực kéo. Van một chiều ngăn bùn và nước xâm nhập vào thiết bị va đập và cần khoan, được điều khiển bằng lò xo. Ghế nạp khí với thanh cung cấp khí có chức năng đưa khí nén vào xi lanh, tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động cung cấp khí cùng với xi lanh và piston, từ đó đạt được nguồn cung cấp khí kết hợp. Vòng an toàn lò xo ngăn piston trượt ra khỏi xi lanh khi thay mũi khoan.
3.4 Phân tích phần tử hữu hạn của mũi khoan DTH
Mũi khoan DTH chịu tác động của lực tác động từ piston và mô-men xoắn từ đầu truyền động. Lực do không khí nén tác dụng lên piston được tính bằng:
F = P × S (5)
trong đó P là áp suất hệ thống tính bằng Pa; S là diện tích chịu lực của piston tính bằng m2.
Do đó, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Do đó lực tác dụng lên mũi khoan là:
F' = kF (6)
trong đó k là hệ số tác động; F là lực tác dụng lên mũi khoan bởi khí nén tính bằng N. Do đó F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Mômen xoắn mà đầu truyền động tác dụng lên mũi khoan DTH là N = 150 kN. Áp dụng F' = 2688 kN và N = 150 kN cho mũi khoan trong khi cố định mặt dưới của mũi khoan và sử dụng vật liệu QT500-7 có cường độ năng suất 320 MPa, phân tích phần tử hữu hạn được thực hiện. Các điều kiện tải trọng, ràng buộc cụ thể và phân chia lưới được thể hiện trên Hình 4 và 5.
Kết quả phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện trên Hình 6 cho thấy ứng suất cực đại là 144,355 MPa, nhỏ hơn cường độ chảy của QT500-7 (320 MPa) nên đáp ứng được yêu cầu.