Memecahkan Kode Pengeboran Hard Rock: Teknologi DTH yang Mengubah Permainan.
Menurut kondisi geologi area konstruksi, ada empat metode pengeboran utama yang biasa digunakan oleh rig pengeboran, seperti ditunjukkan pada Gambar 1.
A. Kepala putar yang digerakkan oleh pneumatik atau hidrolik dikombinasikan dengan peralatan tumbukan mengirimkan energi rotasi dan tumbukan melalui bagian ataspipa bor, menyalurkan energi ke mata bor melalui gelombang kejut di pipa bor. Metode ini terbatas pada diameter kecil dan kedalaman dangkal dan umumnya digunakan di pertambangan, lokasi konstruksi, dan operasi penambangan bawah tanah.
B.Palu Bawah Lubang (DTH). terletak di bagian bawah tali bor. Udara terkompresi memasuki DTH melalui rangkaian bor, menggerakkan piston dalam gerakan bolak-balik yang berdampak langsung pada mata bor, mentransfer energi tumbukan ke batu. Sistem ini memiliki kehilangan daya yang minimal dan sangat cocok untuk lubang dalam, lubang lurus, dan batuan dengan kekerasan sedang.
C.Pengeboran sirkulasi terbalik (RC).menggunakan DTH untuk mengumpulkan dan mengangkut sampel batuan dari permukaan mata bor. Potongan kering dan tidak terkontaminasi dialirkan melalui pipa tengah DTH ke dalam alat pengumpul sampel, untuk persiapan analisis geologi.
D. Gearbox yang digerakkan oleh motor hidrolik atau listrik membentuk power head yang berputar, menerapkan gaya umpan yang cukup ke mata bor tiga kerucut melalui sistem umpan yang bergerak naik dan turun pada rig pengeboran dan pipa bor berdinding tebal. Metode ini digunakan untuk batuan yang lebih lunak atau batuan keras yang memiliki persendian kuat.
- Prinsip dan Karakteristik DTH
Formasi yang dibor dengan DTH hampir seluruhnya mampu mencakup semua batuan beku, batuan metamorf, dan batuan sedimen dengan kekerasan sedang atau keras. DTH sangat menguntungkan untuk mengebor batuan keras dan lapisan keras karena batuan keras cenderung rapuh. Di bawah beban tumbukan, rekahan tidak hanya terjadi di lokasi tumbukan langsung tetapi juga menciptakan zona patahan, sehingga menghasilkan pecahan batuan yang lebih besar. Dengan demikian, kecepatan pengeboran jauh lebih cepat dibandingkan dengan pengeboran putar murni. Model mekanis pada Gambar 2 mengilustrasikan berbagai beban yang bekerja pada batuan selama pengeboran impact rotary.
Selain itu, pengeboran DTH (Down-the-Hole) sangat efektif pada formasi yang rentan terhadap penyimpangan lubang bor, seperti lapisan dengan lapisan dan foliasi yang berkembang dengan baik, atau lapisan batuan dengan kekerasan yang tidak merata dan banyak retakan. Hal ini dapat secara signifikan mengurangi penyimpangan lubang bor dan juga mengatasi kesulitan dalam pengeboran melalui lapisan kerikil dan lapisan batu besar.
Pengeboran DTH dikembangkan pada akhir abad ke-19 dan memiliki sejarah lebih dari satu abad. Meskipun ada banyak jenis bor DTH, bor ini memiliki fitur yang sama: mekanisme tumbukan dan mata bor dimasukkan ke dalam lubang bor, dengan rotasi yang dikombinasikan dengan tumbukan untuk memecahkan batu. Peralatan yang digunakan untuk menghasilkan gaya tumbukan dapat dikategorikan berdasarkan metode penggeraknya menjadi tipe pneumatik, hidrolik, tekanan oli, listrik, dan mekanis.
Karena energi tumbukan mengalami kehilangan yang signifikan selama transmisi dan dapat menyebabkan kerusakan besar pada komponen yang terkena dampak, pada operasi pengeboran yang lebih dalam umumnya diperlukan peralatan yang memasuki lubang bor dengan alat bor, sehingga gaya tumbukan keluaran dapat bekerja langsung pada mata bor. atau barel inti. Hal ini meminimalkan kehilangan energi selama transmisi, meningkatkan efisiensi energi, dan mengurangi kemungkinan kegagalan peralatan downhole.
DTH pneumatik, juga dikenal sebagai DTH yang digerakkan oleh udara, hadir dalam berbagai tipe struktural dan metode klasifikasi.
- Berdasarkan peringkat tekanan: tipe tekanan tinggi, tekanan sedang, dan tekanan rendah.
- Berdasarkan struktur keseluruhan: tipe non-through dan through.
- Berdasarkan prinsip pengoperasian katup: jenis katup kontrol, jenis katup bebas, dan jenis katup hibrid.
- Berdasarkan struktur piston: piston berdiameter sama, piston berdiameter tidak sama, dan tipe piston tandem.
- Berdasarkan jenis distribusi udara: DTH katup dan DTH tanpa katup. DTH katup dapat dibagi lagi menjadi jenis katup pelat, katup cakram, dan katup silinder, sedangkan DTH tanpa katup dapat dibagi lagi menjadi jenis knalpot batang tengah, jenis distribusi udara piston, dan distribusi udara gabungan berdasarkan piston, silinder, dan batang tengah.
- Dengan metode pencucian lubang dan pembuangan terak: pencucian lubang tengah, pencucian lubang depan, dan pencucian lubang samping.
2. Penetapan Skema Struktural Mekanisme Dampak
2.1 Mekanisme Dampak Non-Katup Pasokan Gas Mandiri Piston
Mekanisme tumbukan jenis ini terutama menggunakan saluran gas di dalam piston itu sendiri untuk memasok gas, sehingga menghasilkan struktur piston yang kompleks dengan banyak saluran gas, sehingga mengurangi kekuatan dan umur piston. Namun, mekanisme tumbukan ini mengintegrasikan silinder dalam dan luar, meningkatkan area kerja efektif piston dan meningkatkan energi tumbukan mekanisme tersebut.
2.2 Mekanisme Dampak Non-Katup Pasokan Gas Gabungan Piston dan Silinder
Tipe ini memiliki struktur sederhana yang mudah dibuat, umur piston lebih panjang, dan lubang gas terletak pada silinder dan piston. Struktur ini banyak digunakan di luar negeri.
2.3 Mekanisme Dampak Non-Katup Pasokan Gas Pipa Tengah
Pada mekanisme ini, saluran pemasukan udara untuk ruang atas dan bawah disusun pada pipa melingkar tempat piston meluncur. Hal ini memerlukan presisi produksi yang tinggi dan umur pipa tengah yang relatif singkat.
2.4 Mekanisme Dampak Buang Samping
Yang disebut knalpot samping berarti jalur gas buang keluar dari badan silinder daripada melewati bagian tengah mata bor ke dasar lubang. Mekanisme tumbukan jenis ini biasanya memiliki banyak jalur masuk dan keluar pada badan silinder, sehingga menyebabkan kekuatan struktural yang buruk, potensi retak lelah memanjang, dan hilangnya tekanan udara secara signifikan, yang mengakibatkan penghilangan serpihan dan efek pendinginan pada mata bor menjadi kurang optimal.
2.5 Mekanisme Dampak Buang Pusat
Mekanisme tumbukan jenis ini mengeluarkan serpihan dan gas langsung dari bagian tengah mata bor ke dasar lubang. Aliran udara langsung tidak hanya meningkatkan efisiensi penghilangan serpihan namun juga meningkatkan efisiensi pengeboran dan pendinginan, sehingga memperpanjang masa pakai mata bor. Tipe struktural ini menggantikan banyak alur memanjang di silinder bagian dalam mekanisme tumbukan knalpot samping dengan alur melingkar, sehingga sangat mengurangi konsentrasi tegangan di silinder bagian dalam. Ini telah menjadi struktur yang diadopsi secara luas dalam beberapa tahun terakhir.
2.6 Mekanisme Dampak Piston Seri
Mekanisme tumbukan piston seri, juga dikenal sebagai tumbukan piston ganda (kepala), membagi silinder menjadi dua ruang menggunakan cincin isolasi. Desain ini memungkinkan kedua permukaan piston bekerja secara bersamaan dalam diameter lubang yang sama, sehingga menghasilkan daya tumbukan yang lebih besar dan frekuensi tumbukan yang lebih tinggi. Sejalan dengan itu, terdapat sistem pembuangan ganda yang efektif menghilangkan serbuk batu dari dasar lubang. Namun, kelemahan utamanya adalah strukturnya yang rumit dan kebutuhan akan presisi tinggi pada bagian-bagian pemesinan; misalnya, piston memiliki hingga lima permukaan kawin dengan komponen terkait, sehingga membatasi penerapan dan pergerakannya. Oleh karena itu, desain ini mengadopsi opsi kedua, yaitu mekanisme tumbukan non-katup dengan pasokan gas gabungan piston dan silinder. Strukturnya ditunjukkan pada Gambar 3.
3.Analisis Teoritis dan Perhitungan yang Relevan untuk DTH
3.1 Pemilihan Parameter Operasi**
3.1.1 Panjang dan Berat Palu: Desain awal menentukan panjang kurang dari 4500 mm dan berat kurang dari 2500 kg.
3.1.2 Diameter Palu: Diameter palu yang sesuai ditentukan berdasarkan diameter pengeboran, yang ditetapkan sebesar 540 mm.
3.1.3 Diameter Pengeboran: Ini mengacu pada diameter lubang tiang, umumnya antara 550 mm dan 600 mm.
3.1.4 Kedalaman Pengeboran: Menurut persyaratan desain tiang, biasanya antara beberapa puluh meter dan seratus meter.
3.1.5 Kecepatan Pengeboran: Pengeboran DTH umumnya beroperasi pada kecepatan rotasi rendah, biasanya antara 7 dan 25 r/s.
3.1.6 Torsi Rotasi: Torsi maksimum untuk desain ini ditetapkan pada 150 kN·m.
3.2 Perhitungan Parameter Desain
Parameter desain untuk DTH, khususnya parameter kinerja peralatan tumbukan DTH, berfungsi sebagai dasar desain mesin dan menentukan kinerja peralatan yang diproduksi.
3.2.1 Tekanan Desain P untuk Peralatan Impact
Di Cina, tekanan 0,49 MPa (kira-kira 5 × 10^5 Pa) banyak dipilih sebagai standar desain untuk peralatan tumbukan pneumatik. Mengingat DTH untuk desain ini adalah perangkat tumbukan non-katup dengan diameter pengeboran besar dan piston berat, tekanan udara yang lebih tinggi akan semakin meningkatkan kinerja. Selain itu, kompresor udara bertekanan tinggi semakin umum digunakan, dan sesuai dengan standar internasional ISO 5941-1979, tekanan desain dipilih sebesar 1,6 MPa.
3.2.2 Kekuatan Dampak
Untuk DTH yang digunakan untuk mengebor lubang berdiameter besar, energi tumbukan desain dapat berfluktuasi secara signifikan. Energi tumbukan untuk desain ini dihitung sebagai berikut:
3.2.3 Frekuensi Dampak
Umumnya, pada energi tumbukan yang konstan, frekuensi tumbukan sebanding dengan daya keluaran penabrak. Namun, bila diameter silinder tetap, peningkatan frekuensi tumbukan memerlukan pengurangan langkah piston, yang pada gilirannya menurunkan daya tumbukan tunggal. Ketika kekuatan tumbukan tunggal turun di bawah ambang batas tertentu, peningkatan frekuensi tidak akan memberikan hasil pemecahan batu yang memuaskan. Dengan demikian, pemilihan frekuensi dampak dibatasi oleh kekuatan dampak.
Untuk DTH pneumatik yang beroperasi pada tekanan desain 0,5 MPa, frekuensinya tidak boleh melebihi 16,8 Hz. Karena DTH beroperasi pada tekanan desain antara 0,5 dan 2,5 MPa, frekuensi tumbukan dapat bervariasi secara signifikan. Pemilihan awal frekuensi tumbukan dapat dihitung sebagai berikut:
f = 10,4 + 7,6P
(2) di mana P adalah tekanan suplai sistem. Untuk desain ini, P = 1,6 MPa, oleh karena itu:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Desain Parameter Struktural
Parameter struktur utama DTH meliputi diameter lubang silinder, langkah piston, dan dimensi piston. Menambah diameter silinder dapat meningkatkan daya tumbukan dan frekuensi, sehingga diameter harus dimaksimalkan dalam batas ukuran struktural. Biasanya, perbedaan antara diameter luar DTH dan diameter lubang tidak boleh kurang dari 15 hingga 20 mm, dan selubung luar DTH tidak boleh terlalu tipis. Oleh karena itu, rasio diameter silinder DTH terhadap diameter pengeboran umumnya di atas 0,5.
3.3.1 Diameter Kerja Silinder dan Langkah Struktural
Diameter kerja D silinder dapat dihitung sebagai berikut:
D = K × D(lubang) = (0,57 - 0,68) × D(lubang) (3)
Untuk desain ini D(bore) = 600 mm, jadi D diambil 360 mm. Stroke struktural S secara empiris diambil sebagai S = 500 mm.
3.3.2 Massa Piston
Dimensi radial piston dibatasi oleh ukuran dan struktur silinder, memungkinkan diameter piston sama atau berbeda. Dimensi linier bergantung pada berat piston, yang juga berhubungan dengan kecepatan saat memukul mata bor. Oleh karena itu, menentukan dimensi struktural piston merupakan aspek kompleks dari desain DTH. Massa piston DTH dapat diperkirakan sebagai berikut:
m = 0,0205D^2,84 (4)
dimana m adalah massa piston dalam kg; D adalah diameter kerja silinder dalam cm.
Substitusi D = 36 menghasilkan: m = 540 kg.
DTH terutama terdiri dari struktur transmisi torsi dan mekanisme tumbukan pneumatik. Struktur transmisi torsi menghubungkan batang bor dan DTH, mentransmisikan gaya potong dan tarik rotasi; mekanisme tumbukan pneumatik menghasilkan tumbukan, memberikan daya aksial ke mata bor tumbukan. Detail struktur spesifik ditunjukkan pada Gambar 3.
Struktur transmisi torsi menghubungkan batang bor dan penabrak. Sambungan atas terhubung dengan batang bor dan penabrak melalui benang pipa, terutama untuk memastikan kekencangan gas sekaligus mentransmisikan torsi dan gaya tarik. Katup periksa mencegah lumpur dan air masuk ke dalam penabrak dan batang bor, dikendalikan oleh pegas. Kursi pemasukan udara dengan batang suplai gas berfungsi untuk memasukkan udara bertekanan ke dalam silinder, memfasilitasi aksi suplai gas bersama dengan silinder dan piston, sehingga mencapai suplai gas gabungan. Cincin pengaman pegas mencegah piston meluncur keluar silinder saat mengganti mata bor.
3.4 Analisis Elemen Hingga Mata Bor DTH
Mata bor DTH terkena gaya tumbukan dari piston dan torsi dari kepala penggerak. Gaya yang diberikan pada piston oleh udara terkompresi diberikan oleh:
F = P × S (5)
dimana P adalah tekanan sistem dalam Pa; S adalah luas gaya piston dalam m².
Jadi, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Oleh karena itu, gaya tumbukan pada mata bor adalah:
F' = kF (6)
dimana k adalah koefisien dampak; F adalah gaya yang diberikan pada mata bor oleh udara terkompresi dalam N. Jadi, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Torsi yang diterapkan pada mata bor DTH oleh kepala penggerak adalah N = 150 kN. Menerapkan F' = 2688 kN dan N = 150 kN pada mata bor sambil mengencangkan permukaan ujung bawah mata bor, dan menggunakan material QT500-7 dengan kekuatan luluh 320 MPa, dilakukan analisis elemen hingga. Kondisi pembebanan dan kendala spesifik serta pembagian mesh ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5.
Hasil analisis elemen hingga ditunjukkan pada Gambar 6, menunjukkan tegangan maksimum sebesar 144,355 MPa, lebih kecil dari kekuatan luluh QT500-7 (320 MPa), sehingga memenuhi persyaratan.