De code van hardrockboren kraken: de baanbrekende DTH-technologie.
Afhankelijk van de geologische omstandigheden van het bouwgebied zijn er vier belangrijke boormethoden die gewoonlijk worden gebruikt door boorinstallaties, zoals weergegeven in figuur 1.
A. Pneumatische of hydraulisch aangedreven roterende koppen in combinatie met impactapparatuur brengen rotatie- en impactenergie over via de bovenkant van deboor pijp, waarbij energie aan de boor wordt geleverd via schokgolven in de boorpijp. Deze methode is beperkt tot kleine diameters en geringe diepten en wordt over het algemeen gebruikt in steengroeven, bouwplaatsen en ondergrondse mijnbouwactiviteiten.
B.Down-The-Hole (DTH)-hamers bevinden zich aan de onderkant van de boorkolom. Perslucht komt de DTH binnen via de boorkolom en drijft een zuiger aan in een heen en weer gaande beweging die rechtstreeks op de boor botst, waardoor de impactenergie naar de rots wordt overgebracht. Dit systeem kent minimaal vermogensverlies en is bijzonder geschikt voor diepe gaten, rechte gaten en middelharde rotsen.
C.Boren met omgekeerde circulatie (RC).gebruikt DTH om steenmonsters te verzamelen en te transporteren vanaf de voorkant van de boor. Droge en niet-verontreinigde stekken worden door de middenpijp van de DTH naar een monsterverzamelapparaat getransporteerd, ter voorbereiding op geologische analyse.
D. Een door hydraulische of elektromotoren aangedreven tandwielkast vormt een roterende aandrijfkop, die voldoende voedingskracht uitoefent op de boor met drie kegels via een voedingssysteem dat op en neer beweegt op de boorinstallatie en een dikwandige boorpijp. Deze methode wordt gebruikt voor zachtere rotsen of sterk verbonden harde rotsen.
- Principes en kenmerken van DTH
De met DTH geboorde formaties zijn bijna volledig in staat om alle stollingsgesteenten, metamorfe gesteenten en sedimentaire gesteenten op te nemen die middelhard of harder zijn. DTH is bijzonder voordelig voor het boren van hard gesteente en taaie lagen, omdat hard gesteente de neiging heeft broos te zijn. Onder impactbelastingen treden breuken niet alleen op op de directe impactlocatie, maar creëren ze ook een gebroken zone, wat resulteert in grotere rotsfragmenten. Zo is de boorsnelheid aanzienlijk hoger dan bij puur roterend boren. Het mechanische model in figuur 2 illustreert de verschillende belastingen die op het gesteente inwerken tijdens impactboren.
Bovendien is DTH-boren (Down-the-Hole) zeer effectief in formaties die gevoelig zijn voor boorgatafwijkingen, zoals lagen met goed ontwikkelde bodembedekking en bladvorming, of gesteentelagen met ongelijke hardheid en veel breuken. Het kan de afwijking van het boorgat aanzienlijk verminderen en ook moeilijkheden bij het boren door grindlagen en rotsblokken overwinnen.
DTH-boringen werden eind 19e eeuw ontwikkeld en hebben een geschiedenis van meer dan een eeuw. Hoewel er veel soorten DTH-boren zijn, hebben ze een gemeenschappelijk kenmerk: zowel het slagmechanisme als de boor worden in het boorgat ondergedompeld, waarbij rotatie wordt gecombineerd met schokken om de rots te breken. De apparatuur die wordt gebruikt om de slagkracht te genereren, kan op basis van hun aandrijfmethode worden onderverdeeld in pneumatische, hydraulische, oliedruk-, elektrische en mechanische typen.
Omdat de impactenergie aanzienlijk verloren gaat tijdens de transmissie en aanzienlijke schade kan veroorzaken aan de getroffen componenten, is het bij diepere boorwerkzaamheden over het algemeen vereist dat de apparatuur met het boorgereedschap het boorgat binnendringt, zodat de uitgaande impactkracht direct op de boor kan inwerken. of kernvat. Dit minimaliseert het energieverlies tijdens de transmissie, verbetert de energie-efficiëntie en verkleint de kans op defecten aan apparatuur in het boorgat.
Pneumatische DTH, ook wel luchtaangedreven DTH genoemd, is verkrijgbaar in vele structurele typen en classificatiemethoden.
- Op drukniveau: hogedruk-, middendruk- en lagedruktypes.
- Op algemene structuur: niet-doorgaande en doorgaande typen.
- Volgens het werkingsprincipe van de klep: type regelklep, type vrije klep en type hybride klep.
- Op zuigerstructuur: zuiger met gelijke diameter, zuiger met ongelijke diameter en typen tandemzuigers.
- Per type luchtverdeling: DTH met kleppen en DTH zonder kleppen. DTH met klep kan worden onderverdeeld in plaatklep-, schijfklep- en cilindrische kleptypen, terwijl kleploze DTH kan worden onderverdeeld in uitlaattype met middenstang, type zuigerluchtverdeling en gecombineerde luchtverdeling door zuiger, cilinder en middenstang.
- Door gatenwassen en slakkenafvoermethode: wassen in het middengat, wassen in het voorste gat en wassen in het zijgat.
2. Bepaling van structurele regelingen van het impactmechanisme
2.1 Slagmechanisme voor zelfgasvoorziening van zuiger zonder klep
Dit type impactmechanisme gebruikt voornamelijk de gasdoorgangen in de zuiger zelf voor gastoevoer, wat resulteert in een complexe zuigerstructuur met talrijke gaskanalen, wat de sterkte en levensduur van de zuiger vermindert. Dit slagmechanisme integreert echter de binnenste en buitenste cilinders, waardoor het effectieve werkgebied van de zuiger wordt vergroot en de slagenergie van het mechanisme wordt vergroot.
2.2 Zuiger en cilinder gecombineerd gastoevoermechanisme zonder klep
Dit type heeft een eenvoudige structuur die gemakkelijk te vervaardigen is, een langere levensduur van de zuiger heeft en de gasgaten zich zowel op de cilinder als op de zuiger bevinden. Deze structuur wordt in het buitenland veel gebruikt.
2.3 Slagmechanisme voor gastoevoer in de centrale pijp zonder klep
Bij dit mechanisme zijn de luchtinlaatdoorgangen voor de bovenste en onderste kamers aangebracht op de cirkelvormige buis waar de zuiger schuift. Het vereist een hoge productieprecisie en heeft een relatief korte levensduur voor de middenbuis.
2.4 Impactmechanisme aan de zijkant
De zogenaamde zij-uitlaat betekent dat het uitlaatgaspad het cilinderlichaam verlaat in plaats van door het midden van de boor naar de bodem van het gat te gaan. Dit type impactmechanisme heeft doorgaans veel inlaat- en uitlaatwegen op het cilinderlichaam, wat leidt tot een slechte structurele sterkte, potentieel voor longitudinale vermoeidheidsscheuren en aanzienlijk luchtdrukverlies, wat resulteert in suboptimale vuilverwijdering en koeleffecten voor de boor.
2.5 Impactmechanisme voor centrale uitlaat
Dit type slagmechanisme verdrijft vuil en gas rechtstreeks vanuit het midden van de boor naar de bodem van het gat. Directe luchtstroom verbetert niet alleen de efficiëntie van het verwijderen van vuil, maar verbetert ook de boorefficiëntie en koeling, waardoor de levensduur van de boor wordt verlengd. Dit structurele type vervangt de talrijke longitudinale groeven in de binnencilinder van zij-uitlaatbotsmechanismen door een ringvormige groef, waardoor de spanningsconcentratie in de binnencilinder aanzienlijk wordt verminderd. Het is de afgelopen jaren een algemeen aanvaarde structuur geworden.
2.6-serie zuigerslagmechanisme
Het zuigerslagmechanisme uit de serie, ook wel een dubbele zuiger (kop) impactor genoemd, verdeelt de cilinder in twee kamers met behulp van een isolatiering. Door dit ontwerp kunnen beide zuigervlakken gelijktijdig werken binnen dezelfde boringdiameter, wat resulteert in een groter slagvermogen en een hogere slagfrequentie. Dienovereenkomstig is er een dubbel uitlaatsysteem dat steenpoeder effectief van de bodem van het gat verwijdert. Het grootste nadeel is echter de complexe structuur en de behoefte aan hoge precisie bij het bewerken van onderdelen; De zuiger heeft bijvoorbeeld maximaal vijf pasvlakken met bijbehorende componenten, wat de toepassing en promotie ervan beperkt. Daarom gebruikt dit ontwerp de tweede optie, namelijk het niet-klepslagmechanisme met gecombineerde gastoevoer met zuiger en cilinder. De structuur ervan wordt getoond in Figuur 3.
3.Theoretische analyse en relevante berekeningen voor DTH
3.1 Selectie van bedrijfsparameters**
3.1.1 Hamerlengte en gewicht: Het voorlopig ontwerp specificeert een lengte van minder dan 4500 mm en een gewicht van minder dan 2500 kg.
3.1.2 Hamerdiameter: De juiste hamerdiameter wordt bepaald op basis van de boordiameter, vastgesteld op 540 mm.
3.1.3 Boordiameter: Dit heeft betrekking op de diameter van het paalgat, doorgaans tussen 550 mm en 600 mm.
3.1.4 Boordiepte: Volgens de eisen voor het paalontwerp ligt deze doorgaans tussen enkele tientallen meters en honderd meter.
3.1.5 Boorsnelheid: DTH-boren werkt over het algemeen bij lage rotatiesnelheden, doorgaans tussen 7 en 25 r/s.
3.1.6 Rotatiekoppel: Het maximale koppel voor dit ontwerp is vastgesteld op 150 kN·m.
3.2 Berekening van ontwerpparameters
De ontwerpparameters voor DTH, met name de prestatieparameters van de DTH-impactapparatuur, dienen als basis voor het machineontwerp en bepalen de prestaties van de vervaardigde apparatuur.
3.2.1 Ontwerpdruk P voor impactapparatuur
In China wordt een druk van 0,49 MPa (ongeveer 5 × 10^5 Pa) algemeen gekozen als ontwerpnorm voor pneumatische impactapparatuur. Aangezien de DTH voor dit ontwerp een slagapparaat zonder klep is met een grote boordiameter en een zware zuiger, zal een hogere luchtdruk de prestaties verder verbeteren. Bovendien komen hogedrukluchtcompressoren steeds vaker voor en in overeenstemming met de internationale norm ISO 5941-1979 wordt een ontwerpdruk van 1,6 MPa gekozen.
3.2.2 Slagkracht
Voor DTH die wordt gebruikt om gaten met een grote diameter te boren, kan de ontwerpimpactenergie aanzienlijk fluctueren. De impactenergie voor dit ontwerp wordt als volgt berekend:
3.2.3 Impactfrequentie
Over het algemeen is de impactfrequentie bij constante impactenergie evenredig met het uitgangsvermogen van het impactor. Wanneer de cilinderdiameter echter vast is, vereist het vergroten van de slagfrequentie een vermindering van de zuigerslag, wat op zijn beurt het enkele slagvermogen vermindert. Zodra het enkele impactvermogen onder een bepaalde drempel daalt, zal het verhogen van de frequentie geen bevredigende rotsbrekende resultaten opleveren. De keuze van de impactfrequentie wordt dus beperkt door het impactvermogen.
Voor pneumatische DTH die werkt bij een ontwerpdruk van 0,5 MPa mag de frequentie niet hoger zijn dan 16,8 Hz. Omdat de DTH werkt bij ontwerpdrukken tussen 0,5 en 2,5 MPa, kan de impactfrequentie aanzienlijk variëren. De initiële selectie van de frequentie van het botslichaam kan als volgt worden berekend:
f = 10,4 + 7,6P
(2) waarbij P de systeemtoevoerdruk is. Voor dit ontwerp geldt P = 1,6 MPa, dus:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Ontwerp van structurele parameters
De belangrijkste structurele parameters van DTH omvatten cilinderboringdiameter, zuigerslag en zuigerafmetingen. Het vergroten van de cilinderdiameter kan zowel het slagvermogen als de frequentie verbeteren, dus de diameter moet worden gemaximaliseerd binnen de grenzen van de structurele afmetingen. Typisch mag het verschil tussen de buitendiameter van de DTH en de boringdiameter niet minder zijn dan 15 tot 20 mm, en de buitenmantel van de DTH mag niet te dun zijn. Daarom is de verhouding tussen de DTH-cilinderdiameter en de boordiameter in het algemeen groter dan 0,5.
3.3.1 Werkdiameter van de cilinder en structurele slag
De werkdiameter D van de cilinder kan als volgt worden berekend:
D = K × D(boring) = (0,57 - 0,68) × D(boring) (3)
Voor dit ontwerp is D(boring) = 600 mm, dus D wordt genomen als 360 mm. De structurele slag S wordt empirisch genomen als S = 500 mm.
3.3.2 Zuigermassa
De radiale afmetingen van de zuiger worden beperkt door de grootte en structuur van de cilinder, waardoor zuigers met gelijke of verschillende diameters mogelijk zijn. De lineaire afmetingen zijn afhankelijk van het gewicht van de zuiger, wat ook verband houdt met de snelheid die deze heeft bij het raken van de boor. Daarom is het bepalen van de structurele afmetingen van de zuiger een complex aspect van het DTH-ontwerp. De massa van de DTH-zuiger kan als volgt worden geschat:
m = 0,0205D^2,84 (4)
waarbij m de zuigermassa in kg is; D is de werkdiameter van de cilinder in cm.
Vervanging van D = 36 levert: m = 540 kg.
De DTH bestaat hoofdzakelijk uit een koppeloverbrengingsstructuur en een pneumatisch slagmechanisme. De koppeloverdrachtsstructuur verbindt de boorstang en DTH en brengt roterende snij- en trekkrachten over; het pneumatische slagmechanisme genereert impact en levert axiale kracht aan de klopboor. Specifieke structuurdetails worden getoond in Figuur 3.
De koppeloverbrengingsstructuur verbindt de boorstang en het botslichaam. Het bovenste gewricht is via pijpdraden verbonden met de boorstang en het botslichaam, voornamelijk om de gasdichtheid te garanderen en tegelijkertijd koppel en trekkracht over te brengen. De terugslagklep voorkomt dat modder en water het botslichaam en de boorstang binnendringen en wordt geregeld door een veer. De luchtinlaatzitting met de gastoevoerstang dient om samengeperste lucht in de cilinder te introduceren, waardoor de gastoevoer samen met de cilinder en de zuiger wordt vergemakkelijkt, waardoor een gecombineerde gastoevoer wordt bereikt. De veerveiligheidsring voorkomt dat de zuiger uit de cilinder glijdt bij het vervangen van de boor.
3.4 Eindige elementenanalyse van DTH-boor
De DTH-boor wordt onderworpen aan slagkrachten van de zuiger en koppel van de aandrijfkop. De kracht die door de perslucht op de zuiger wordt uitgeoefend, wordt gegeven door:
F = P × S (5)
waarbij P de systeemdruk in Pa is; S is het krachtoppervlak van de zuiger in m².
Dus F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Daarom is de slagkracht op de boor:
F' = kF (6)
waarbij k de impactcoëfficiënt is; F is de kracht die door de perslucht op de boor wordt uitgeoefend in N. Dus F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Het koppel dat door de aandrijfkop op de DTH-boor wordt uitgeoefend, is N = 150 kN. Door F' = 2688 kN en N = 150 kN op de boor aan te brengen terwijl het onderste eindvlak van de boor wordt bevestigd, en door gebruik te maken van QT500-7-materiaal met een vloeigrens van 320 MPa, wordt een eindige-elementenanalyse uitgevoerd. De specifieke belasting- en beperkingsomstandigheden en de maasverdeling worden weergegeven in figuren 4 en 5.
De resultaten van de eindige-elementenanalyse worden weergegeven in Figuur 6, wat aangeeft dat de maximale spanning 144,355 MPa is, wat minder is dan de vloeigrens van QT500-7 (320 MPa), en dus aan de vereisten voldoet.