كسر قواعد حفر الصخور الصلبة: تقنية DTH التي تغير قواعد اللعبة.
وفقا للظروف الجيولوجية لمنطقة البناء، هناك أربع طرق حفر رئيسية تستخدم عادة من قبل منصات الحفر، كما هو مبين في الشكل 1.
أ. تعمل الرؤوس الدوارة الهوائية أو الهيدروليكية جنبًا إلى جنب مع معدات التصادم على نقل الطاقة الدورانية وطاقة التصادم من خلال الجزء العلوي من الجهازأنبوب الحفر، توصيل الطاقة إلى لقمة الحفر عبر موجات الصدمة في أنبوب الحفر. تقتصر هذه الطريقة على الأقطار الصغيرة والأعماق الضحلة وتستخدم بشكل عام في المحاجر ومواقع البناء وعمليات التعدين تحت الأرض.
ب.مطارق أسفل الحفرة (DTH). تقع في الجزء السفلي من سلسلة الحفر. يدخل الهواء المضغوط إلى DTH من خلال سلسلة الحفر، مما يؤدي إلى دفع المكبس في حركة ترددية تؤثر بشكل مباشر على لقمة الحفر، مما ينقل طاقة التأثير إلى الصخور. يتمتع هذا النظام بأقل قدر من فقدان الطاقة وهو مناسب بشكل خاص للثقوب العميقة والثقوب المستقيمة والصخور متوسطة الصلابة.
ج.الحفر بالتدوير العكسي (RC).يستخدم DTH لجمع ونقل عينات الصخور من وجه لقمة الحفر. يتم نقل القطع الجافة وغير الملوثة من خلال الأنبوب المركزي لـ DTH إلى جهاز جمع العينات، للتحضير للتحليل الجيولوجي.
د. يشكل صندوق التروس الذي يتم تشغيله بواسطة محركات هيدروليكية أو كهربائية رأسًا دوارًا للطاقة، حيث يطبق قوة تغذية كافية على لقمة الحفر ثلاثية المخروط من خلال نظام تغذية يتحرك لأعلى ولأسفل على جهاز الحفر وأنبوب الحفر ذو الجدران السميكة. تستخدم هذه الطريقة للصخور اللينة أو الصخور الصلبة المفصلية بقوة.
- مبادئ وخصائص DTH
إن التكوينات المحفورة بتقنية DTH قادرة تمامًا تقريبًا على تضمين جميع الصخور النارية والصخور المتحولة والصخور الرسوبية متوسطة الصلابة أو الأكثر صلابة. يعتبر DTH مفيدًا بشكل خاص لحفر الصخور الصلبة والطبقات الصلبة لأن الصخور الصلبة تميل إلى أن تكون هشة. تحت أحمال الصدمات، لا تحدث الكسور في موقع التأثير المباشر فحسب، بل تنشئ أيضًا منطقة مكسورة، مما يؤدي إلى شظايا صخرية أكبر. وبالتالي، فإن سرعة الحفر تكون أسرع بكثير مقارنة بالحفر الدوراني النقي. يوضح النموذج الميكانيكي في الشكل 2 الأحمال المختلفة المؤثرة على الصخر أثناء الحفر الدوراني الصدمي.
بالإضافة إلى ذلك، يعتبر الحفر DTH (أسفل الحفرة) فعالاً للغاية في التكوينات المعرضة لانحراف البئر، مثل الطبقات ذات الفرش والتورق المتطور، أو الطبقات الصخرية ذات الصلابة غير المتساوية والعديد من الكسور. يمكن أن يقلل بشكل كبير من انحراف البئر ويتغلب أيضًا على صعوبات الحفر من خلال طبقات الحصى وطبقات الصخور.
تم تطوير الحفر DTH في أواخر القرن التاسع عشر وله تاريخ يمتد لأكثر من قرن من الزمان. على الرغم من وجود أنواع عديدة من مثقاب DTH، إلا أنها تشترك في سمة مشتركة: يتم غمر كل من آلية التأثير وريشة الحفر في حفرة البئر، مع الدوران جنبًا إلى جنب مع التأثير لكسر الصخور. يمكن تصنيف المعدات المستخدمة لتوليد قوة التأثير من خلال طريقة قيادتها إلى أنواع هوائية، وهيدروليكية، وضغط زيت، وكهربائية، وميكانيكية.
نظرًا لأن طاقة الصدم تتعرض لخسارة كبيرة أثناء النقل ويمكن أن تسبب ضررًا كبيرًا للمكونات المتأثرة، فمن المطلوب عمومًا في عمليات الحفر الأعمق أن تدخل المعدات إلى ثقب البئر باستخدام أداة الحفر، بحيث يمكن لقوة الصدم الناتجة أن تعمل مباشرة على لقمة الحفر أو برميل الأساسية. وهذا يقلل من فقدان الطاقة أثناء النقل، ويحسن كفاءة الطاقة، ويقلل من احتمالية تعطل المعدات الموجودة في قاع البئر.
DTH الهوائي، المعروف أيضًا باسم DTH الموجه بالهواء، يأتي في العديد من الأنواع الهيكلية وطرق التصنيف.
- حسب تصنيف الضغط: أنواع الضغط العالي، والضغط المتوسط، والضغط المنخفض.
- حسب الهيكل العام: غير من خلال وأنواع.
- حسب مبدأ تشغيل الصمام: نوع صمام التحكم، ونوع الصمام الحر، ونوع الصمام الهجين.
- حسب هيكل المكبس: المكبس ذو القطر المتساوي، والمكبس غير المتساوي القطر، وأنواع المكابس الترادفية.
- حسب نوع توزيع الهواء: DTH بصمام وDTH بدون صمام. يمكن تقسيم DTH ذو الصمامات إلى أنواع صمامات لوحة، وصمام قرصي، وصمامات أسطوانية، في حين يمكن تقسيم DTH بدون صمامات إلى نوع عادم قضيب مركزي، ونوع توزيع هواء المكبس، وتوزيع الهواء المدمج بواسطة المكبس، والأسطوانة، والقضيب المركزي.
- بواسطة طريقة غسل الثقب وتفريغ الخبث: غسل الثقب المركزي، وغسل الثقب الأمامي، وغسل الثقب الجانبي.
2. تحديد المخططات الهيكلية لآلية التأثير
2.1 آلية تأثير إمداد الغاز الذاتي بالمكبس بدون صمام
يستخدم هذا النوع من آلية التصادم في المقام الأول ممرات الغاز الموجودة في المكبس نفسه لإمداد الغاز، مما ينتج عنه بنية مكبس معقدة تحتوي على قنوات غاز عديدة، مما يقلل من قوة المكبس وعمره الافتراضي. ومع ذلك، فإن آلية التأثير هذه تدمج الأسطوانات الداخلية والخارجية، مما يزيد من مساحة العمل الفعالة للمكبس ويعزز طاقة التأثير للآلية.
2.2 آلية إمداد الغاز المجمعة بالمكبس والأسطوانة بدون صمام
ويتميز هذا النوع بهيكل بسيط يسهل تصنيعه، وله عمر أطول للمكبس، كما توجد فتحات الغاز على كل من الأسطوانة والمكبس. يستخدم هذا الهيكل على نطاق واسع في الخارج.
2.3 آلية تأثير أنابيب إمداد الغاز المركزية
في هذه الآلية يتم ترتيب ممرات سحب الهواء للغرفتين العلوية والسفلية على الأنبوب الدائري الذي ينزلق فيه المكبس. إنها تتطلب دقة تصنيع عالية ولها عمر افتراضي قصير نسبيًا للأنبوب المركزي.
2.4 آلية تأثير العادم الجانبي
ويعني ما يسمى بالعادم الجانبي أن مسار غاز العادم يخرج من جسم الأسطوانة بدلاً من المرور عبر مركز لقمة الحفر إلى أسفل الحفرة. يحتوي هذا النوع من آلية التصادم عادةً على العديد من مسارات السحب والعادم على جسم الأسطوانة، مما يؤدي إلى ضعف القوة الهيكلية، واحتمال حدوث شقوق التعب الطولية، وفقدان كبير لضغط الهواء، مما يؤدي إلى إزالة الحطام دون المستوى الأمثل وتأثيرات التبريد لقمة الحفر.
2.5 آلية تأثير عادم المركز
يقوم هذا النوع من آلية التأثير بطرد الحطام والغاز مباشرة من مركز لقمة الحفر إلى أسفل الحفرة. لا يؤدي تدفق الهواء المباشر إلى تعزيز كفاءة إزالة الحطام فحسب، بل يعمل أيضًا على تحسين كفاءة الحفر والتبريد، مما يطيل عمر لقمة الحفر. يستبدل هذا النوع الهيكلي الأخاديد الطولية العديدة الموجودة في الأسطوانة الداخلية لآليات تأثير العادم الجانبي بأخدود حلقي، مما يقلل بشكل كبير من تركيز الضغط في الأسطوانة الداخلية. لقد أصبح هيكلًا معتمدًا على نطاق واسع في السنوات الأخيرة.
2.6 سلسلة آلية تأثير المكبس
تعمل آلية تصادم المكبس المتسلسلة، والمعروفة أيضًا باسم المصادم ثنائي المكبس (الرأس)، على تقسيم الأسطوانة إلى حجرتين باستخدام حلقة عزل. يسمح هذا التصميم لكلا وجهي المكبس بالعمل في وقت واحد ضمن نفس قطر التجويف، مما يؤدي إلى قوة تأثير أكبر وتردد تأثير أعلى. في المقابل، يوجد نظام عادم مزدوج يزيل مسحوق الصخور من قاع الحفرة بشكل فعال. ومع ذلك، فإن عيبها الرئيسي هو هيكلها المعقد والحاجة إلى دقة عالية في تصنيع الأجزاء؛ على سبيل المثال، يحتوي المكبس على ما يصل إلى خمسة أسطح متزاوجة مع المكونات المرتبطة بها، مما يحد من تطبيقه وتعزيزه. ولذلك، فإن هذا التصميم يعتمد الخيار الثاني، وهو آلية التأثير غير الصمامية مع إمداد الغاز المدمج بالمكبس والأسطوانة. يظهر هيكلها في الشكل 3.
3. التحليل النظري والحسابات ذات الصلة بـ DTH
3.1 اختيار معلمات التشغيل**
3.1.1 طول المطرقة ووزنها: يحدد التصميم الأولي طولًا أقل من 4500 مم ووزنًا أقل من 2500 كجم.
3.1.2 قطر المطرقة: يتم تحديد قطر المطرقة المناسب بناءً على قطر الحفر المحدد بـ 540 مم.
3.1.3 قطر الحفر: يشير هذا إلى قطر ثقب الوبر، بشكل عام بين 550 مم و600 مم.
3.1.4 عمق الحفر: وفقًا لمتطلبات تصميم الركيزة، يتراوح هذا عادةً بين عدة عشرات من الأمتار ومائة متر.
3.1.5 سرعة الحفر: يعمل الحفر DTH عمومًا بسرعات دوران منخفضة، عادةً ما بين 7 و25 دورة/ثانية.
3.1.6 عزم الدوران: الحد الأقصى لعزم الدوران لهذا التصميم هو 150 كيلو نيوتن متر.
3.2 حساب معلمات التصميم
تعمل معلمات التصميم الخاصة بـ DTH، وتحديدًا معلمات الأداء لمعدات التأثير DTH، كأساس لتصميم الماكينة وتحديد أداء المعدات المصنعة.
3.2.1 الضغط التصميمي P لمعدات التصادم
في الصين، يتم اختيار ضغط قدره 0.49 ميجا باسكال (حوالي 5 × 10 ^ 5 باسكال) على نطاق واسع كمعيار تصميم لمعدات الصدمات الهوائية. نظرًا لأن DTH لهذا التصميم عبارة عن جهاز تصادم بدون صمام مع قطر حفر كبير ومكبس ثقيل، فإن ضغط الهواء المرتفع سيزيد من تحسين الأداء. بالإضافة إلى ذلك، أصبحت ضواغط الهواء ذات الضغط العالي شائعة بشكل متزايد، ووفقًا للمعيار الدولي ISO 5941-1979، تم اختيار ضغط تصميمي قدره 1.6 ميجاباسكال.
3.2.2 قوة التأثير
بالنسبة إلى DTH المستخدم لحفر ثقوب ذات قطر كبير، يمكن أن تتقلب طاقة تأثير التصميم بشكل كبير. يتم حساب طاقة التأثير لهذا التصميم على النحو التالي:
3.2.3 تردد التأثير
بشكل عام، في ظل طاقة الصدم الثابتة، يتناسب تردد الارتطام مع طاقة خرج جهاز الارتطام. ومع ذلك، عندما يكون قطر الأسطوانة ثابتًا، فإن زيادة تردد التأثير يستلزم تقليل شوط المكبس، مما يؤدي بدوره إلى تقليل قوة التأثير الفردية. بمجرد أن تنخفض قوة التأثير الفردية إلى ما دون عتبة معينة، فإن زيادة التردد لن يؤدي إلى نتائج مرضية في تكسير الصخور. وبالتالي، فإن اختيار تردد التأثير مقيد بقوة التأثير.
بالنسبة إلى DTH الهوائي الذي يعمل عند ضغط تصميمي قدره 0.5 ميجا باسكال، يجب ألا يتجاوز التردد 16.8 هرتز. نظرًا لأن DTH يعمل عند ضغوط تصميمية تتراوح بين 0.5 و2.5 ميجا باسكال، فقد يختلف تردد التأثير بشكل كبير. يمكن حساب الاختيار الأولي لتردد المرتطم على النحو التالي:
و = 10.4 + 7.6P
(2) حيث P هو ضغط إمداد النظام. لهذا التصميم، P = 1.6 ميجا باسكال، وبالتالي:
و = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 هرتز.
3.3 تصميم المعلمات الهيكلية
تشمل المعلمات الهيكلية الرئيسية لـ DTH قطر تجويف الأسطوانة وشوط المكبس وأبعاد المكبس. يمكن أن تؤدي زيادة قطر الأسطوانة إلى تعزيز قوة التأثير والتردد، لذلك يجب تعظيم القطر ضمن حدود الحجم الهيكلي. عادةً، يجب ألا يقل الفرق بين القطر الخارجي لـ DTH وقطر التجويف عن 15 إلى 20 مم، ويجب ألا يكون الغلاف الخارجي لـ DTH رقيقًا جدًا. ولذلك، فإن نسبة قطر أسطوانة DTH إلى قطر الحفر تكون بشكل عام أعلى من 0.5.
3.3.1 قطر العمل للأسطوانة والشوط الهيكلي
يمكن حساب قطر العمل D للأسطوانة على النحو التالي:
D = K × D(التجويف) = (0.57 - 0.68) × D(التجويف) (3)
بالنسبة لهذا التصميم، D(التجويف) = 600 مم، لذلك يتم أخذ D على أنه 360 مم. يتم أخذ السكتة الهيكلية S تجريبيًا على أنها S = 500 مم.
3.3.2 كتلة المكبس
الأبعاد الشعاعية للمكبس مقيدة بحجم وبنية الأسطوانة، مما يسمح بمكابس ذات أقطار متساوية أو مختلفة. تعتمد الأبعاد الخطية على وزن المكبس، والذي يرتبط أيضًا بالسرعة التي يمتلكها عند ضرب لقمة الحفر. لذلك، يعد تحديد الأبعاد الهيكلية للمكبس جانبًا معقدًا في تصميم DTH. يمكن تقدير كتلة مكبس DTH على النحو التالي:
م = 0.0205 د ^ 2.84 (4)
حيث m هي كتلة المكبس بالكيلو جرام؛ D هو قطر العمل للأسطوانة بالسنتيمتر.
استبدال D = 36 غلة: م = 540 كجم.
يتكون DTH بشكل أساسي من هيكل نقل عزم الدوران وآلية التأثير الهوائي. هيكل نقل عزم الدوران يربط قضيب الحفر وDTH، وينقل قوى القطع والسحب الدورانية؛ تعمل آلية التأثير الهوائي على توليد التأثير، مما يوفر طاقة محورية لقمة الحفر الصدمية. وتظهر تفاصيل الهيكل المحددة في الشكل 3.
يربط هيكل نقل عزم الدوران قضيب الحفر والمصادم. يتصل المفصل العلوي بقضيب الحفر والمصادم من خلال سن الأنابيب، بشكل أساسي لضمان إحكام الغاز أثناء نقل عزم الدوران وقوة السحب أيضًا. يمنع صمام الفحص الطين والماء من الدخول إلى جهاز التصادم وقضيب الحفر، ويتم التحكم فيهما بواسطة زنبرك. يعمل مقعد سحب الهواء مع قضيب إمداد الغاز على إدخال الهواء المضغوط إلى الأسطوانة، مما يسهل عمل إمداد الغاز مع الأسطوانة والمكبس، وبالتالي تحقيق إمداد الغاز المشترك. تمنع حلقة الأمان الزنبركية المكبس من الانزلاق خارج الأسطوانة عند استبدال لقمة الحفر.
3.4 تحليل العناصر المحدودة لقمة الحفر DTH
تتعرض لقمة الحفر DTH لقوى التأثير من المكبس وعزم الدوران من رأس المحرك. القوة التي يؤثر بها الهواء المضغوط على المكبس تعطى بالعلاقة التالية:
و = ف × ق (5)
حيث P هو ضغط النظام في Pa؛ S هي مساحة قوة المكبس بالمتر المربع.
وبالتالي، F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 ن.
وبالتالي فإن قوة التأثير على لقمة الحفر هي:
F' = kF (6)
حيث k هو معامل التأثير؛ F هي القوة التي يمارسها الهواء المضغوط على لقمة الحفر في N. وبالتالي، F' = 20 × 134400 = 2688 كيلو نيوتن.
عزم الدوران المطبق على لقمة الحفر DTH بواسطة رأس المحرك هو N = 150 كيلو نيوتن. بتطبيق F' = 2688 كيلو نيوتن وN = 150 كيلو نيوتن على لقمة الحفر أثناء تثبيت الوجه السفلي لقمة الحفر، واستخدام مادة QT500-7 بقوة إنتاج تبلغ 320 ميجا باسكال، يتم إجراء تحليل العناصر المحدودة. تظهر شروط التحميل والقيود المحددة وتقسيم الشبكة في الشكلين 4 و5.
تظهر نتائج تحليل العناصر المحدودة في الشكل 6، مما يشير إلى أن الحد الأقصى للضغط هو 144.355 ميجا باسكال، وهو أقل من قوة الخضوع QT500-7 (320 ميجا باسكال)، وبالتالي تلبية المتطلبات.