Den Code des Hartgesteinsbohrens knacken: Die bahnbrechende DTH-Technologie.

Abhängig von den geologischen Bedingungen des Baugebiets gibt es vier Hauptbohrmethoden, die üblicherweise von Bohrgeräten verwendet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.

A. Pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Drehköpfe in Kombination mit Schlaggeräten übertragen Rotations- und Schlagenergie durch die Oberseite des GerätsBohrgestängeDabei wird über Stoßwellen im Bohrgestänge Energie an den Bohrer abgegeben. Diese Methode ist auf kleine Durchmesser und geringe Tiefen beschränkt und wird im Allgemeinen in Steinbrüchen, auf Baustellen und im Untertagebergbau eingesetzt.

B.Down-The-Hole-Hämmer (DTH). befinden sich am unteren Ende des Bohrstrangs. Druckluft dringt durch den Bohrstrang in das DTH ein und treibt einen Kolben in einer Hin- und Herbewegung an, die direkt auf den Bohrmeißel trifft und die Aufprallenergie auf das Gestein überträgt. Dieses System hat einen minimalen Leistungsverlust und eignet sich besonders für tiefe Löcher, gerade Löcher und mittelhartes Gestein.

C.Reverse Circulation (RC)-Bohrennutzt DTH, um Gesteinsproben von der Oberfläche des Bohrmeißels zu sammeln und zu transportieren. Trockenes und nicht kontaminiertes Bohrklein wird durch das Mittelrohr des DTH in ein Probensammelgerät geleitet und bereitet dort die geologische Analyse vor.

D. Ein von Hydraulik- oder Elektromotoren angetriebenes Getriebe bildet einen rotierenden Antriebskopf, der über ein Vorschubsystem, das sich auf dem Bohrgerät und einem dickwandigen Bohrrohr auf und ab bewegt, ausreichend Vorschubkraft auf den Dreikegelbohrer ausübt. Diese Methode wird für weicheres Gestein oder stark verklebtes Hartgestein verwendet.

 

1. Prinzipien und Eigenschaften von DTH

Die mit DTH gebohrten Formationen sind nahezu vollständig in der Lage, alle magmatischen Gesteine, metamorphen Gesteine ​​und Sedimentgesteine ​​von mittlerer oder höherer Härte aufzunehmen. DTH ist besonders vorteilhaft beim Bohren von Hartgestein und zähen Schichten, da Hartgestein dazu neigt, spröde zu sein. Bei Stoßbelastungen entstehen Brüche nicht nur an der direkten Einschlagstelle, sondern es entsteht auch eine Bruchzone, wodurch größere Gesteinsfragmente entstehen. Dadurch ist die Bohrgeschwindigkeit im Vergleich zum reinen Drehbohren deutlich höher. Das mechanische Modell in Abbildung 2 veranschaulicht die verschiedenen Belastungen, die beim Schlagdrehbohren auf das Gestein wirken.

                                                             

Darüber hinaus ist das DTH-Bohren (Down-the-Hole) äußerst effektiv in Formationen, die zu Bohrlochabweichungen neigen, wie z. B. Schichten mit gut entwickelter Bettung und Schieferung oder Gesteinsschichten mit ungleichmäßiger Härte und vielen Brüchen. Es kann die Bohrlochabweichung erheblich reduzieren und auch Schwierigkeiten beim Bohren durch Kiesschichten und Geröllbetten überwinden.

 

DTH-Bohrungen wurden im späten 19. Jahrhundert entwickelt und haben eine über hundertjährige Geschichte. Obwohl es viele Arten von DTH-Bohrern gibt, haben sie ein gemeinsames Merkmal: Sowohl der Schlagmechanismus als auch die Bohrkrone werden in das Bohrloch eingetaucht, wobei die Rotation mit dem Schlag kombiniert wird, um das Gestein zu brechen. Die zur Erzeugung der Schlagkraft verwendeten Geräte können nach ihrer Antriebsmethode in pneumatische, hydraulische, Öldruck-, elektrische und mechanische Geräte eingeteilt werden.

 

Da die Schlagenergie bei der Übertragung erheblich verloren geht und zu erheblichen Schäden an den getroffenen Bauteilen führen kann, ist es bei tieferen Bohrarbeiten in der Regel erforderlich, dass das Gerät mit dem Bohrwerkzeug in das Bohrloch eindringt, damit die abgegebene Schlagkraft direkt auf die Bohrkrone wirken kann oder Kernrohr. Dies minimiert den Energieverlust während der Übertragung, verbessert die Energieeffizienz und verringert die Wahrscheinlichkeit von Ausfällen der Bohrlochausrüstung.

Pneumatisches DTH, auch bekannt als luftbetriebenes DTH, gibt es in vielen Strukturtypen und Klassifizierungsmethoden.

- Nach Druckstufen: Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdrucktypen.

- Nach Gesamtstruktur: Nicht-Durchgangs- und Durchgangstypen.

- Nach Ventilbetriebsprinzip: Steuerventiltyp, freier Ventiltyp und Hybridventiltyp.

- Nach Kolbenstruktur: Kolben mit gleichem Durchmesser, Kolben mit ungleichem Durchmesser und Tandemkolbentypen.

- Nach Luftverteilungstyp: DTH mit Ventil und DTH ohne Ventil. DTH mit Ventil können in Plattenventil-, Scheibenventil- und zylindrische Ventiltypen unterteilt werden, während ventillose DTH in den Typ mit Mittelstangenauslass, den Typ mit Kolbenluftverteilung und die kombinierte Luftverteilung durch Kolben, Zylinder und Mittelstange unterteilt werden können.

- Durch Lochwasch- und Schlackenaustragsmethode: Mittellochwaschen, Vorderlochwaschen und Seitenlochwaschen.

2. Bestimmung der Strukturschemata des Aufprallmechanismus

2.1 Kolben-Selbstgasversorgung, Schlagmechanismus ohne Ventil

Diese Art von Schlagmechanismus nutzt für die Gasversorgung hauptsächlich die Gaskanäle im Kolben selbst, was zu einer komplexen Kolbenstruktur mit zahlreichen Gaskanälen führt, was die Festigkeit und Lebensdauer des Kolbens verringert. Dieser Schlagmechanismus integriert jedoch den inneren und den äußeren Zylinder, wodurch der effektive Arbeitsbereich des Kolbens vergrößert und die Schlagenergie des Mechanismus erhöht wird.

2.2 Kombinierter Gasversorgungsmechanismus mit Kolben und Zylinder ohne Ventil

Dieser Typ zeichnet sich durch eine einfache Struktur aus, die leicht herzustellen ist, eine längere Kolbenlebensdauer aufweist und die Gaslöcher sowohl am Zylinder als auch am Kolben befinden. Diese Struktur ist im Ausland weit verbreitet.

2.3 Mittelrohr-Gasversorgungs-Schlagmechanismus ohne Ventil

Bei diesem Mechanismus sind die Lufteinlasskanäle für die obere und untere Kammer auf dem kreisförmigen Rohr angeordnet, auf dem der Kolben gleitet. Es erfordert eine hohe Fertigungspräzision und hat eine relativ kurze Lebensdauer des Mittelrohrs.

2.4 Aufprallmechanismus des seitlichen Auspuffs

Der sogenannte Seitenauslass bedeutet, dass der Abgasweg aus dem Zylinderkörper austritt und nicht durch die Mitte des Bohrers zum Boden des Lochs verläuft. Diese Art von Schlagmechanismus verfügt typischerweise über viele Einlass- und Auslasswege am Zylinderkörper, was zu einer geringen strukturellen Festigkeit, der Möglichkeit von Ermüdungsrissen in Längsrichtung und einem erheblichen Luftdruckverlust führt, was zu einer suboptimalen Schmutzentfernung und Kühlwirkung für den Bohrer führt.

2.5 Center-Auspuff-Aufprallmechanismus

Diese Art von Schlagmechanismus schleudert Schmutz und Gas direkt aus der Mitte des Bohrers auf den Boden des Lochs. Der direkte Luftstrom verbessert nicht nur die Effizienz der Schmutzentfernung, sondern verbessert auch die Bohreffizienz und Kühlung und verlängert so die Lebensdauer des Bohrers. Dieser Bautyp ersetzt die zahlreichen Längsnuten im Innenzylinder von Seitenauspuff-Prallmechanismen durch eine Ringnut, wodurch die Spannungskonzentration im Innenzylinder deutlich reduziert wird. Es hat sich in den letzten Jahren zu einer weit verbreiteten Struktur entwickelt.

Kolbenschlagwerk der Serie 2.6

Der Serienkolben-Schlagmechanismus, auch Doppelkolben-(Kopf-)Schlagwerk genannt, teilt den Zylinder mithilfe eines Isolierrings in zwei Kammern. Durch diese Konstruktion können beide Kolbenflächen gleichzeitig innerhalb desselben Bohrungsdurchmessers arbeiten, was zu einer größeren Schlagkraft und einer höheren Schlagfrequenz führt. Dementsprechend gibt es ein Doppelabsaugsystem, das Gesteinsmehl effektiv vom Boden des Lochs entfernt. Sein Hauptnachteil ist jedoch seine komplexe Struktur und die Notwendigkeit einer hohen Präzision bei der Bearbeitung der Teile; Beispielsweise verfügt der Kolben über bis zu fünf Passflächen mit zugehörigen Komponenten, was seine Anwendung und Förderung einschränkt. Daher übernimmt diese Konstruktion die zweite Option, nämlich den Schlagmechanismus ohne Ventil mit kombinierter Gasversorgung aus Kolben und Zylinder. Seine Struktur ist in Abbildung 3 dargestellt.

3. Theoretische Analyse und relevante Berechnungen für DTH

3.1 Auswahl der Betriebsparameter**

3.1.1 Hammerlänge und -gewicht: Der vorläufige Entwurf sieht eine Länge von weniger als 4500 mm und ein Gewicht von weniger als 2500 kg vor.

3.1.2 Hammerdurchmesser: Der geeignete Hammerdurchmesser wird anhand des Bohrdurchmessers ermittelt, der auf 540 mm eingestellt ist.

3.1.3 Bohrdurchmesser: Dies bezieht sich auf den Durchmesser des Pfahllochs, im Allgemeinen zwischen 550 mm und 600 mm.

3.1.4 Bohrtiefe: Je nach Anforderungen an die Pfahlkonstruktion liegt diese typischerweise zwischen mehreren Dutzend Metern und hundert Metern.

3.1.5 Bohrgeschwindigkeit: DTH-Bohrungen werden im Allgemeinen mit niedrigen Drehzahlen durchgeführt, typischerweise zwischen 7 und 25 U/s.

3.1.6 Drehmoment: Das maximale Drehmoment für diese Konstruktion ist auf 150 kN·m festgelegt.

 

3.2 Berechnung der Designparameter

Die Konstruktionsparameter für DTH, insbesondere die Leistungsparameter der DTH-Schlagausrüstung, dienen als Grundlage für die Maschinenkonstruktion und definieren die Leistung der hergestellten Ausrüstung.

3.2.1 Auslegungsdruck P für Schlaggeräte

In China wird häufig ein Druck von 0,49 MPa (ungefähr 5 × 10^5 Pa) als Konstruktionsstandard für pneumatische Schlaggeräte gewählt. Da es sich bei dem DTH für diese Konstruktion um ein Schlaggerät ohne Ventil mit großem Bohrdurchmesser und schwerem Kolben handelt, wird ein höherer Luftdruck die Leistung weiter steigern. Darüber hinaus werden Hochdruck-Luftkompressoren immer häufiger eingesetzt und gemäß der internationalen Norm ISO 5941-1979 wird ein Auslegungsdruck von 1,6 MPa gewählt.

3.2.2 Schlagkraft

Bei DTH, die zum Bohren von Löchern mit großem Durchmesser verwendet werden, kann die Auslegungsschlagenergie erheblich schwanken. Die Aufprallenergie für diese Konstruktion wird wie folgt berechnet:

                                                 

3.2.3 Aufprallhäufigkeit

Im Allgemeinen ist die Schlagfrequenz bei konstanter Schlagenergie proportional zur Ausgangsleistung des Schlagkörpers. Wenn jedoch der Zylinderdurchmesser festgelegt ist, erfordert eine Erhöhung der Schlagfrequenz eine Verringerung des Kolbenhubs, was wiederum zu einer Verringerung der Einzelschlagleistung führt. Sobald die Einzelschlagleistung einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, führt eine Erhöhung der Frequenz nicht zu zufriedenstellenden Steinbrechergebnissen. Somit wird die Auswahl der Schlagfrequenz durch die Schlagleistung eingeschränkt.

Für pneumatische DTH, die bei einem Auslegungsdruck von 0,5 MPa betrieben werden, sollte die Frequenz 16,8 Hz nicht überschreiten. Da das DTH bei Auslegungsdrücken zwischen 0,5 und 2,5 MPa arbeitet, kann die Schlagfrequenz erheblich variieren. Die anfängliche Auswahl der Impaktorfrequenz kann wie folgt berechnet werden:

f = 10,4 + 7,6P

(2) wobei P der Systemversorgungsdruck ist. Für dieses Design gilt P = 1,6 MPa, daher:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Strukturparameterdesign

Zu den wichtigsten Strukturparametern von DTH gehören Zylinderbohrungsdurchmesser, Kolbenhub und Kolbenabmessungen. Eine Vergrößerung des Zylinderdurchmessers kann sowohl die Schlagkraft als auch die Schlagfrequenz erhöhen, daher sollte der Durchmesser innerhalb der Grenzen der Strukturgröße maximiert werden. Typischerweise sollte der Unterschied zwischen dem Außendurchmesser des DTH und dem Bohrungsdurchmesser nicht weniger als 15 bis 20 mm betragen und das Außengehäuse des DTH sollte nicht zu dünn sein. Daher liegt das Verhältnis von DTH-Zylinderdurchmesser zu Bohrdurchmesser im Allgemeinen über 0,5.

3.3.1 Arbeitsdurchmesser des Zylinders und Strukturhub

Der Arbeitsdurchmesser D des Zylinders lässt sich wie folgt berechnen:

D = K × D(Bohrung) = (0,57 - 0,68) × D(Bohrung) (3)

Für diese Konstruktion ist D(Bohrung) = 600 mm, daher wird D mit 360 mm angenommen. Der Strukturhub S wird empirisch mit S = 500 mm angenommen.

3.3.2 Kolbenmasse

Die radialen Abmessungen des Kolbens werden durch die Größe und Struktur des Zylinders eingeschränkt, sodass Kolben mit gleichem oder unterschiedlichem Durchmesser möglich sind. Die linearen Abmessungen hängen vom Gewicht des Kolbens ab, das auch von der Geschwindigkeit abhängt, mit der er auf die Bohrkrone trifft. Daher ist die Bestimmung der Strukturabmessungen des Kolbens ein komplexer Aspekt der DTH-Konstruktion. Die Masse des DTH-Kolbens lässt sich wie folgt abschätzen:

m = 0,0205D^2,84 (4)

wobei m die Kolbenmasse in kg ist; D ist der Arbeitsdurchmesser des Zylinders in cm.

Das Ersetzen von D = 36 ergibt: m = 540 kg.

Der DTH besteht hauptsächlich aus einer Drehmomentübertragungsstruktur und einem pneumatischen Schlagmechanismus. Die Drehmomentübertragungsstruktur verbindet die Bohrstange und das DTH und überträgt rotierende Schnitt- und Zugkräfte. Der pneumatische Schlagmechanismus erzeugt einen Schlag und versorgt den Schlagbohrer mit axialer Kraft. Spezifische Strukturdetails sind in Abbildung 3 dargestellt.

Die Drehmomentübertragungsstruktur verbindet die Bohrstange und den Schlagkörper. Das obere Gelenk ist über Rohrgewinde mit der Bohrstange und dem Schlagkörper verbunden, um in erster Linie die Gasdichtheit zu gewährleisten und gleichzeitig Drehmoment und Zugkraft zu übertragen. Das durch eine Feder gesteuerte Rückschlagventil verhindert, dass Schlamm und Wasser in den Schlagkörper und die Bohrstange eindringen. Der Lufteinlasssitz mit der Gaszufuhrstange dient dazu, Druckluft in den Zylinder einzuleiten und so die Gaszufuhr zusammen mit Zylinder und Kolben zu erleichtern, wodurch eine kombinierte Gaszufuhr erreicht wird. Der Federsicherungsring verhindert, dass der Kolben beim Bohrerwechsel aus dem Zylinder rutscht.

3.4 Finite-Elemente-Analyse des DTH-Bohrers

Der DTH-Bohrer ist den Schlagkräften des Kolbens und dem Drehmoment des Antriebskopfes ausgesetzt. Die von der Druckluft auf den Kolben ausgeübte Kraft ergibt sich zu:

F = P × S (5)

wobei P der Systemdruck in Pa ist; S ist die Kraftfläche des Kolbens in m².

Somit ist F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Daher beträgt die Schlagkraft auf den Bohrer:

F' = kF (6)

wobei k der Stoßkoeffizient ist; F ist die Kraft, die die Druckluft in N auf den Bohrer ausübt. Somit ist F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Das vom Antriebskopf auf den DTH-Bohrer ausgeübte Drehmoment beträgt N = 150 kN. Unter Anwendung von F' = 2688 kN und N = 150 kN auf den Bohrer, während die untere Endfläche des Bohrers befestigt wird, und unter Verwendung von QT500-7-Material mit einer Streckgrenze von 320 MPa wird eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt. Die spezifischen Belastungs- und Zwangsbedingungen sowie die Netzaufteilung sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt.

Die Ergebnisse der Finite-Elemente-Analyse sind in Abbildung 6 dargestellt. Sie zeigen, dass die maximale Spannung 144,355 MPa beträgt, was unter der Streckgrenze von QT500-7 (320 MPa) liegt und somit die Anforderungen erfüllt.