شکستن کد حفاری سنگ سخت: فناوری DTH که بازی را تغییر می دهد.
با توجه به شرایط زمین شناسی منطقه ساخت و ساز، چهار روش اصلی حفاری وجود دارد که معمولاً توسط دکل های حفاری استفاده می شود، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.
الف سرهای چرخشی پنوماتیکی یا هیدرولیکی همراه با تجهیزات ضربه ای انرژی چرخشی و ضربه ای را از بالای سر انتقال می دهند.لوله مته، انرژی را از طریق امواج ضربه ای در لوله مته به مته می رساند. این روش به قطرهای کوچک و اعماق کم محدود می شود و عموماً در معادن، کارگاه های ساختمانی و عملیات معدنکاری زیرزمینی استفاده می شود.
بچکش های Down-The-Hole (DTH). در پایین رشته مته قرار دارند. هوای فشرده از طریق رشته مته وارد DTH می شود و پیستون را در یک حرکت رفت و برگشتی به حرکت در می آورد که مستقیماً بر مته ضربه می زند و انرژی ضربه را به سنگ منتقل می کند. این سیستم حداقل تلفات توان را دارد و مخصوصاً برای حفره های عمیق، سوراخ های مستقیم و سنگ های با سختی متوسط مناسب است.
ج.حفاری با گردش معکوس (RC).از DTH برای جمع آوری و انتقال نمونه های سنگ از سطح مته استفاده می کند. قلمه های خشک و بدون آلودگی از طریق لوله مرکزی DTH به دستگاه جمع آوری نمونه منتقل می شوند و برای تجزیه و تحلیل زمین شناسی آماده می شوند.
د یک گیربکس که توسط موتورهای هیدرولیک یا الکتریکی به حرکت در می‌آید، یک هد قدرت دوار را تشکیل می‌دهد و نیروی تغذیه کافی را از طریق یک سیستم تغذیه که روی دکل حفاری و یک لوله مته با دیواره ضخیم بالا و پایین می‌رود، به مته سه مخروطی وارد می‌کند. این روش برای سنگ های نرم تر یا سنگ های سخت با اتصال قوی استفاده می شود.
- اصول و ویژگی های DTH
سازندهای حفاری شده با DTH تقریباً به طور کامل می توانند شامل تمام سنگ های آذرین، سنگ های دگرگونی و سنگ های رسوبی با سختی متوسط یا سخت تر باشند. DTH به ویژه برای حفاری سنگ های سخت و لایه های سخت مفید است زیرا سنگ سخت تمایل به شکننده بودن دارد. تحت بارهای ضربه ای، شکستگی نه تنها در محل برخورد مستقیم رخ می دهد، بلکه یک ناحیه شکسته ایجاد می کند و در نتیجه قطعات سنگ بزرگتر می شود. بنابراین، سرعت حفاری در مقایسه با حفاری چرخشی خالص به طور قابل توجهی سریعتر است. مدل مکانیکی در شکل 2 بارهای مختلف وارد بر سنگ را در حین حفاری دوار ضربه ای نشان می دهد.
علاوه بر این، حفاری DTH (Down-the-Hole) در سازندهای مستعد انحراف گمانه، مانند اقشار با بستر و شاخ و برگ به خوبی توسعه یافته، یا لایه های سنگی با سختی ناهموار و شکستگی های زیاد، بسیار موثر است. این می تواند به طور قابل توجهی انحراف گمانه را کاهش دهد و همچنین بر مشکلات حفاری از طریق لایه های شن و بستر تخته سنگ غلبه کند.
حفاری DTH در اواخر قرن 19 توسعه یافت و بیش از یک قرن سابقه دارد. اگرچه انواع مختلفی از مته های DTH وجود دارد، اما آنها یک ویژگی مشترک دارند: هم مکانیسم ضربه و هم مته در داخل گمانه غوطه ور می شوند، همراه با چرخش و ضربه برای شکستن سنگ. تجهیزات مورد استفاده برای تولید نیروی ضربه را می توان بر اساس روش حرکتی آنها به انواع پنوماتیک، هیدرولیک، فشار روغن، الکتریکی و مکانیکی دسته بندی کرد.
از آنجایی که انرژی ضربه در حین انتقال تلفات قابل توجهی را تجربه می کند و می تواند آسیب قابل توجهی به اجزای ضربه خورده وارد کند، به طور کلی در عملیات حفاری عمیق تر لازم است که تجهیزات با ابزار مته وارد گمانه شوند تا نیروی ضربه خروجی بتواند مستقیماً بر روی مته اثر بگذارد. یا بشکه هسته این امر اتلاف انرژی در حین انتقال را به حداقل می رساند، بهره وری انرژی را بهبود می بخشد و احتمال خرابی تجهیزات پایین چاه را کاهش می دهد.
DTH پنوماتیک، همچنین به عنوان DTH هوا محور شناخته می شود، در انواع ساختاری و روش های طبقه بندی بسیاری وجود دارد.
- بر اساس رتبه بندی فشار: انواع فشار بالا، فشار متوسط و فشار پایین.
- بر اساس ساختار کلی: غیر از طریق و از طریق انواع.
- بر اساس اصل عملکرد سوپاپ: نوع شیر کنترل، نوع شیر آزاد و نوع شیر هیبریدی.
- بر اساس ساختار پیستونی: پیستون با قطر مساوی، پیستون با قطر نابرابر و پیستون پشت سر هم.
- بر اساس نوع توزیع هوا: DTH سوپاپ دار و DTH بدون سوپاپ. DTH سوپاپ دار را می توان به انواع شیر صفحه، شیر دیسکی و شیر استوانه ای تقسیم کرد، در حالی که DTH بدون سوپاپ را می توان به نوع اگزوز میله مرکزی، نوع توزیع هوای پیستونی و توزیع هوای ترکیبی توسط پیستون، سیلندر و میله مرکزی تقسیم کرد.
- به روش سوراخ شویی و تخلیه سرباره: شستشوی سوراخ مرکزی، شستشوی سوراخ جلویی و شستشوی سوراخ جانبی.
2. تعیین طرح های ساختاری مکانیسم ضربه
2.1 مکانیسم ضربه ای بدون سوپاپ تامین خود گاز پیستون
این نوع مکانیسم ضربه در درجه اول از مسیرهای گاز در خود پیستون برای تامین گاز استفاده می کند و در نتیجه ساختار پیستونی پیچیده با کانال های گاز متعدد ایجاد می شود که باعث کاهش استحکام و طول عمر پیستون می شود. با این حال، این مکانیسم ضربه سیلندرهای داخلی و خارجی را ادغام می کند و سطح کار موثر پیستون را افزایش می دهد و انرژی ضربه مکانیزم را افزایش می دهد.
2.2 مکانیزم گاز ترکیبی پیستون و سیلندر بدون ضربه
این نوع دارای ساختار ساده ای است که ساخت آن آسان است، طول عمر پیستون بیشتری دارد و سوراخ های گاز هم روی سیلندر و هم روی پیستون قرار دارند. این ساختار به طور گسترده در خارج از کشور استفاده می شود.
2.3 مکانیسم ضربه ای بدون سوپاپ تامین گاز لوله مرکزی
در این مکانیسم، گذرگاه های ورودی هوا برای محفظه های بالا و پایین بر روی لوله دایره ای قرار می گیرند که در آن پیستون می لغزد. این نیاز به دقت ساخت بالایی دارد و طول عمر نسبتاً کوتاهی برای لوله مرکزی دارد.
2.4 مکانیسم برخورد اگزوز جانبی
به اصطلاح اگزوز جانبی به این معنی است که مسیر گاز خروجی از بدنه سیلندر خارج می شود تا اینکه از مرکز مته به پایین سوراخ عبور کند. این نوع مکانیسم ضربه معمولاً دارای مسیرهای ورودی و خروجی زیادی بر روی بدنه سیلندر است که منجر به استحکام ساختاری ضعیف، پتانسیل ایجاد ترک‌های خستگی طولی و کاهش قابل‌توجه فشار هوا می‌شود که در نتیجه حذف زباله‌ها و اثرات خنک‌کنندگی برای مته بهینه نیست.
2.5 مکانیسم ضربه مرکزی اگزوز
این نوع مکانیسم ضربه، زباله و گاز را مستقیماً از مرکز مته به پایین سوراخ خارج می کند. جریان مستقیم هوا نه تنها راندمان حذف زباله را افزایش می دهد، بلکه راندمان حفاری و خنک کننده را نیز بهبود می بخشد و طول عمر مته را افزایش می دهد. این نوع ساختاری شیارهای طولی متعدد در سیلندر داخلی مکانیزم‌های برخورد دود خروجی جانبی را با یک شیار حلقوی جایگزین می‌کند و غلظت تنش در سیلندر داخلی را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. این ساختار در سال های اخیر به طور گسترده ای پذیرفته شده است.
مکانیسم ضربه پیستون سری 2.6
مکانیسم ضربه پیستون سری که به عنوان ضربه‌گیر دو پیستونی (سر) نیز شناخته می‌شود، سیلندر را با استفاده از یک حلقه جداسازی به دو محفظه تقسیم می‌کند. این طراحی به هر دو صفحه پیستون اجازه می دهد تا به طور همزمان در یک قطر سوراخ کار کنند و در نتیجه قدرت ضربه بیشتر و فرکانس ضربه بالاتری ایجاد می شود. به همین ترتیب، یک سیستم اگزوز دوگانه وجود دارد که به طور موثر پودر سنگ را از پایین سوراخ خارج می کند. با این حال، اشکال اصلی آن ساختار پیچیده و نیاز به دقت بالا در ماشینکاری قطعات است. به عنوان مثال، پیستون دارای حداکثر پنج سطح جفت با اجزای مرتبط است که کاربرد و ارتقاء آن را محدود می کند. بنابراین، این طرح از گزینه دوم استفاده می کند که مکانیسم ضربه بدون سوپاپ با تامین گاز ترکیبی پیستون و سیلندر است. ساختار آن در شکل 3 نشان داده شده است.
3.تحلیل نظری و محاسبات مربوطه برای DTH
3.1 انتخاب پارامترهای عملیاتی**
3.1.1 طول و وزن چکش: طرح اولیه طول کمتر از 4500 میلی متر و وزن کمتر از 2500 کیلوگرم را مشخص می کند.
3.1.2 قطر چکش: قطر چکش مناسب بر اساس قطر حفاری که روی 540 میلی متر تنظیم شده است، تعیین می شود.
3.1.3 قطر حفاری: این به قطر سوراخ شمع، به طور کلی بین 550 میلی متر تا 600 میلی متر اشاره دارد.
3.1.4 عمق حفاری: با توجه به الزامات طراحی شمع، این عمق معمولاً بین چند ده متر تا صد متر است.
3.1.5 سرعت مته: حفاری DTH عموماً در سرعت های چرخشی پایین، معمولاً بین 7 تا 25 r/s عمل می کند.
3.1.6 گشتاور چرخشی: حداکثر گشتاور برای این طرح 150 kN·m تعیین شده است.
3.2 محاسبه پارامترهای طراحی
پارامترهای طراحی برای DTH، به‌ویژه پارامترهای عملکرد تجهیزات ضربه‌ای DTH، به عنوان پایه‌ای برای طراحی ماشین عمل می‌کنند و عملکرد تجهیزات تولیدی را مشخص می‌کنند.
3.2.1 طراحی فشار P برای تجهیزات ضربه
در چین، فشار 0.49 مگاپاسکال (تقریباً 5 × 10^5 Pa) به طور گسترده ای به عنوان استاندارد طراحی برای تجهیزات ضربه پنوماتیک انتخاب می شود. با توجه به اینکه DTH برای این طراحی یک دستگاه ضربه ای بدون سوپاپ با قطر حفاری زیاد و پیستون سنگین است، فشار هوای بالاتر عملکرد را بیشتر افزایش می دهد. علاوه بر این، کمپرسورهای هوای فشار بالا به طور فزاینده ای رایج هستند و مطابق با استاندارد بین المللی ISO 5941-1979، فشار طراحی 1.6 مگاپاسکال انتخاب شده است.
3.2.2 قدرت ضربه
برای DTH که برای حفر سوراخ‌های با قطر بزرگ استفاده می‌شود، انرژی ضربه طراحی می‌تواند به طور قابل توجهی نوسان داشته باشد. انرژی ضربه برای این طرح به صورت زیر محاسبه می شود:
3.2.3 فرکانس ضربه
به طور کلی، تحت انرژی ضربه ثابت، فرکانس ضربه متناسب با توان خروجی ضربه گیر است. با این حال، هنگامی که قطر سیلندر ثابت است، افزایش فرکانس ضربه مستلزم کاهش ضربه پیستون است که به نوبه خود باعث کاهش قدرت ضربه تک می شود. هنگامی که قدرت ضربه تک به زیر یک آستانه معین می‌افتد، افزایش فرکانس نتایج رضایت‌بخشی را برای سنگ شکنی به همراه نخواهد داشت. بنابراین، انتخاب فرکانس ضربه توسط قدرت ضربه محدود می شود.
برای DTH پنوماتیکی که در فشار طراحی 0.5 مگاپاسکال کار می کند، فرکانس نباید از 16.8 هرتز تجاوز کند. از آنجایی که DTH در فشار طراحی بین 0.5 تا 2.5 مگاپاسکال کار می کند، فرکانس ضربه می تواند به طور قابل توجهی متفاوت باشد. انتخاب اولیه فرکانس ضربه گیر را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
f = 10.4 + 7.6P
(2) که در آن P فشار منبع تغذیه سیستم است. برای این طراحی، P = 1.6 مگاپاسکال، بنابراین:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 هرتز.
3.3 طراحی پارامترهای ساختاری
پارامترهای ساختاری اصلی DTH شامل قطر سوراخ سیلندر، کورس پیستون و ابعاد پیستون است. افزایش قطر سیلندر می تواند هم قدرت ضربه و هم فرکانس را افزایش دهد، بنابراین قطر باید در محدوده اندازه سازه به حداکثر برسد. به طور معمول، تفاوت بین قطر خارجی DTH و قطر سوراخ نباید کمتر از 15 تا 20 میلی متر باشد و پوشش بیرونی DTH نباید خیلی نازک باشد. بنابراین، نسبت قطر سیلندر DTH به قطر حفاری معمولاً بالای 0.5 است.
3.3.1 قطر کار سیلندر و ضربه ساختاری
قطر کار D سیلندر را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
D = K × D ( سوراخ ) = (0.57 - 0.68 ) × D ( سوراخ ) (3)
برای این طرح، D(bore) = 600 میلی متر، بنابراین D به عنوان 360 میلی متر در نظر گرفته می شود. سکته مغزی ساختاری S به طور تجربی به صورت S = 500 میلی متر در نظر گرفته می شود.
3.3.2 جرم پیستون
ابعاد شعاعی پیستون توسط اندازه و ساختار سیلندر محدود می‌شود و اجازه می‌دهد پیستون‌هایی با قطر مساوی یا متفاوت وجود داشته باشند. ابعاد خطی به وزن پیستون بستگی دارد که به سرعت آن در هنگام ضربه زدن به مته نیز مربوط می شود. بنابراین، تعیین ابعاد ساختاری پیستون یک جنبه پیچیده از طراحی DTH است. جرم پیستون DTH را می توان به صورت زیر تخمین زد:
m = 0.0205D^2.84 (4)
که در آن m جرم پیستون بر حسب کیلوگرم است. D قطر کار سیلندر بر حسب سانتی متر است.
جایگزینی D = 36 بازده: m = 540 کیلوگرم.
DTH عمدتاً از یک ساختار انتقال گشتاور و یک مکانیسم ضربه پنوماتیکی تشکیل شده است. ساختار انتقال گشتاور، میله مته و DTH را به هم متصل می کند و نیروهای برش و کشش چرخشی را منتقل می کند. مکانیزم ضربه پنوماتیکی ضربه ایجاد می کند و نیروی محوری را برای مته ضربه ای فراهم می کند. جزئیات ساختار خاص در شکل 3 نشان داده شده است.
ساختار انتقال گشتاور میله مته و ضربه گیر را به هم متصل می کند. مفصل فوقانی از طریق رزوه های لوله به میله مته و ضربه زن متصل می شود، در درجه اول برای اطمینان از سفتی گاز و همچنین انتقال گشتاور و نیروی کششی. شیر چک از ورود گل و آب به ضربه گیر و میله مته که توسط فنر کنترل می شود جلوگیری می کند. صندلی ورودی هوا با میله تامین گاز برای وارد کردن هوای فشرده به داخل سیلندر، تسهیل عمل تامین گاز همراه با سیلندر و پیستون و در نتیجه تامین گاز ترکیبی عمل می کند. حلقه ایمنی فنر از لغزش پیستون به بیرون از سیلندر هنگام تعویض مته جلوگیری می کند.
3.4 تجزیه و تحلیل المان محدود از مته DTH
مته DTH تحت تأثیر نیروهای ضربه ای از پیستون و گشتاور از سر درایو قرار می گیرد. نیرویی که توسط هوای فشرده به پیستون وارد می شود به صورت زیر است:
F = P × S (5)
که در آن P فشار سیستم بر حسب Pa است. S مساحت نیروی پیستون بر حسب متر مربع است.
بنابراین، F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 نیوتن.
بنابراین، نیروی ضربه بر مته به صورت زیر است:
F' = kF (6)
که در آن k ضریب تاثیر است. F نیرویی است که هوای فشرده در N به مته وارد می شود. بنابراین، F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
گشتاور اعمال شده به مته DTH توسط سر درایو N = 150 kN است. با اعمال F' = 2688 kN و N = 150 kN بر روی مته در حین ثابت کردن وجه انتهایی مته و با استفاده از ماده QT500-7 با قدرت تسلیم 320 مگاپاسکال، تجزیه و تحلیل المان محدود انجام می شود. شرایط خاص بارگذاری و محدودیت و تقسیم مش در شکل های 4 و 5 نشان داده شده است.
نتایج تحلیل المان محدود در شکل 6 نشان داده شده است که نشان می دهد حداکثر تنش 144.355 مگاپاسکال است که کمتر از استحکام تسلیم QT500-7 (320 مگاپاسکال) است، بنابراین نیازها را برآورده می کند.