Zasada działania hydraulicznego wiertła do skał: podstawowy mechanizm uderzeniowo-obrotowego wiercenia

Większość wyjaśnień działania hydraulicznego wiertła skalnego zaczyna się od tłoka. To nieodpowiednie miejsce, od którego należy zacząć. Tłok jest wyjściem układu sprzężenia hydrauliczno-mechanicznego – zrozumienie tego, co tłok wykonuje, ma sens jedynie wtedy, gdy najpierw zrozumiemy, co go kontroluje. Układ uderzeniowy jest zasadniczo oscylatorem hydraulicznym: zawór przełączający przepływa oleju między przednim a tylnym komorem tłoka w odpowiednim momencie, zapewniając ciągłe ruchy posuwisto-zwrotne. Wszystkie parametry występujące dalej – prędkość tłoka, energia uderzenia, częstotliwość – zależą od dokładności momentu przełączenia.

Pełna akcja wiercenia składa się z trzech jednoczesnych funkcji: uderzenia osiowego (uderzenie tłoka), obrotu (obracania zestawu wiertniczego, dzięki czemu każde uderzenie trafia w świeży materiał skalny) oraz siły docisku (nacisku przesuwającego wiertło ku powierzchni wierconej). Wszystkie trzy funkcje muszą być wzajemnie zrównoważone – w przeciwnym razie system działa nieefektywnie, niezależnie od ilości dostarczanej mocy hydraulicznej.

Cykl uderzeniowy: osiem stanów w jednym uderzeniu

Ruch tłoka w jednym cyklu uderzeniowym przechodzi przez około osiem różnych stanów hydraulicznych, przy czym zawór odwracający koordynuje przepływ oleju z położeniem tłoka. W stanie 1 olej pod wysokim ciśnieniem wypełnia komorę przednią i napędza tłok w tył (suw zwrotny). Podczas suwu zwrotnego zawór odwracający wykrywa położenie tłoka za pośrednictwem wewnętrznego kanału sterującego i rozpoczyna własny proces odwrócenia — przełączając ciśnienie wysokie z komory przedniej na tylną. W stanie 7 tłok osiąga maksymalną prędkość w chwili kontaktu z powierzchnią trzpienia. Zawór odwracający musi osiągnąć swoje przełączone położenie dokładnie w tej chwili: jeśli przełączenie nastąpi zbyt wcześnie, olej pod wysokim ciśnieniem w komorze przedniej zatrzyma tłok jeszcze przed jego dotknięciem trzpienia; jeśli przełączenie nastąpi zbyt późno, komora tylna pozostanie nadal pod ciśnieniem po uderzeniu, co spowoduje wtórne, tzw. 'podwójne uderzenie', marnujące energię zamiast wspierającej kolejne skuteczne uderzenie.

Badania dotyczące zmiany kierunku przepływu w zaworze odwracającym wykazały, że uderzenie wtórne jest główną przyczyną energii uderzeniowej niższej niż wymagana w produkcyjnych młotach obrotowych. Uderzenie wtórne występuje wówczas, gdy prędkość zaworu odwracającego jest zbyt niska — luz zaworowy ε pomiędzy cylindrem a otworem zaworu określa szybkość przełączania zaworu. Przy ε = 0,01 mm przepływ przez luz zapewnia zaprojektowaną prędkość przełączania; zarówno większy, jak i mniejszy luz pogarszają wydajność uderzeniową – odpowiednio poprzez zbyt wolne przełączanie (uderzenie wtórne) lub przekroczenie docelowej pozycji (utratę prędkości tłoka).

Przesył fali naprężeń: energia na powierzchni skały

Gdy tłoczek uderza w trzpień z prędkością v, uderzenie to generuje falę naprężeń ściskających, która rozchodzi się w dół drążka wiertniczego w kierunku końcówki. Amplituda tej fali określa siłę niszczącą skałę na powierzchni czołowej końcówki. Fala naprężeń tłumiona jest wykładniczo wzdłuż drążka w wyniku rozpraszania geometrycznego, odbić na połączeniach drążków oraz tłumienia materiału. Pomiary polowe wykazują, że kształt fali naprężeń jest okresowy i tłumiony do wartości bliskich zeru na całej długości drążka — co oznacza, że użyteczna energia uderzeniowa na głębokości stanowi jedynie ułamek energii wygenerowanej przez tłoczek przy trzpieniu.

Dopasowanie impedancji między tłoczkiem, trzpieniem, prętem i wiertłem ma znaczenie dla przekazywania energii. Gdy opór falowy (iloczyn pola przekroju poprzecznego i prędkości fali akustycznej) jest dopasowany między tymi elementami, fala naprężeń przenosi się wydajnie bez odbić na każdej granicy. Gdy średnica pręta tłoczka znacznie różni się od średnicy pręta wiertniczego, część fali odbija się z powrotem — ta odbita część stanowi stratę energii. Dlatego geometria tłoczka jest zoptymalizowana pod kątem określonej klasy średnic prętów, a nie zaprojektowana jako rozwiązanie uniwersalne.

Mechanizm obrotu: synchronizacja uderzeń

Silnik obrotowy obraca ciągle rurę wiertniczą podczas uderzeń, przy czym prędkość obrotowa jest ustawiana tak, aby wiertło przesuwało się o około 5–10 stopni między kolejnymi uderzeniami. Taki kąt przesunięcia umieszcza nową powierzchnię skały pod każdym karbidowym guzkiem przed następnym uderzeniem. Zbyt mały przesuw: karbid ponownie uderza w już pękniętą kieszeń, co prowadzi do powstawania drobnej mączki i ciepła zamiast rozprzestrzeniania się nowych pęknięć. Zbyt duży przesuw: karbid uderza w niepękniętą skałę pomiędzy strefami zniszczenia pozostawionymi przez poprzednie uderzenia — jest to mniej wydajne niż uderzenie w powierzchnię częściowo pękniętą.

Silnik obrotowy działa niezależnie od obwodu uderzeniowego i jest sterowany oddzielnym obwodem hydraulicznym. Moment obrotowy rośnie, gdy wiertło napotyka twarde warstwy lub gdy odpadki gromadzą się i utrudniają ich usuwanie. Szczyt momentu obrotowego powodujący zatrzymanie obrotu – przy nadal działającym uderzeniu – blokuje wiertło w miejscu, podczas gdy tłok nadal dostarcza uderzeń do nieruchomego zestawu rur wiertniczych. W takim stanie rura wiertnicza podlega jednoczesnemu obciążeniu skręcającemu i ściskającemu, które może przekroczyć jej granicę zmęczenia już w ciągu kilku sekund. Funkcja zapobiegania zakleszczeniom w nowoczesnych maszynach wiertniczych wykrywa ten stan i zmniejsza ciśnienie uderzeniowe lub na krótko odwraca kierunek obrotu przed uszkodzeniem zestawu rur.

Siła docisku: równanie kontaktu

Siła podawania zapewnia osiową siłę docisku, która przytrzymuje wiertło przy powierzchni skały między uderzeniami. Bez niej wiertło lekko unosi się pod wpływem fali naprężenia zwrotnego i traci kontakt z powierzchnią jeszcze przed nadejściem kolejnego uderzenia — w związku z tym każda energia uderzenia jest częściowo marnowana na przyspieszanie wiertła z powrotem do powierzchni skały, zanim będzie mogło rozdrobić skałę. Przy nadmiernie dużej sile podawania wiertło jest tak mocno przytwierdzone do powierzchni skały, że tłok nie może wykonać pełnej długości skoku; energia uderzenia zostaje obcięta, a skuteczna energia uderzeniowa spada.

Optymalna siła docisku zapewnia stały, wyważony kontakt wiertła z górotworem bez ograniczania skoku tłoka. W praktyce ciśnienie docisku musi wzrastać wraz ze zwiększaniem się głębokości otworu, ponieważ ciężar zestawu wiertniczego generuje rosnącą siłę przeciwdziałającą, która częściowo kompensuje siłę docisku cylindra. Monitorowanie w terenie na kopalni LKAB w Malmberget wykazało liniowy wzrost ciśnienia docisku wraz ze wzrostem długości otworu w prawidłowo eksploatowanych wiertnicach produkcyjnych — co potwierdza, że stałe ustawienia ciśnienia docisku powodują nieodpowiednią siłę kontaktu na większych głębokościach.

Tłumienie: odzyskiwanie energii, której skała nie wykorzystała

Po dotarciu fali naprężeniowej do powierzchni wiertła część energii rozdrabnia skałę. Pozostała energia odbija się w górę rury wiertniczej jako fala rozciągająca. Jeśli nic jej nie przeszkadza, odbita fala dociera do trzpienia i jest przekazywana z powrotem do korpusu wiertarki — powodując naprężenie obudowy, mocowań ramy oraz połączeń konstrukcyjnych. System tłumienia przechwytuje tę odbitą energię. Konstrukcje z pojedynczym tłumieniem (adapter pływający, jak w modelu Epiroc COP) pochłaniają odbitą falę na granicy trzpienia i tłoka. Konstrukcje z podwójnym tłumieniem (seria Furukawa HD) wykorzystują dwie kolejne komory: pierwsza pochłania główną falę odbitą, a druga chwyta pozostałą energię odbicia, którą pierwsza komora nie zdołała pochłonąć.

Podczas intensywnego, podziemnego cyklu pracy trwającego 8 godzin uderzeń łączna energia fali odbitej pochłaniana przez system tłumienia jest znaczna. Zużycie uszczelek w obwodzie tłumienia zmniejsza skuteczność pochłaniania energii — obudowa zaczyna odbierać energię, którą system tłumienia miał przechwycić. HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do obwodów tłumienia dla głównych platform udarowych oraz standardowych zestawów uderzeniowych. Pełne odniesienia na stronie hovooseal.com.