Riešenia pre vŕtanie tvrdých hornín: Efektívne operačné zručnosti pre hydraulické vŕtačky na horniny

Veľmi tvrdé horniny s pevnosťou vyššou ako 150 MPa odolávajú vŕtaniu iným spôsobom než mäkké a stredne tvrdé horninové útvary. Karbidový vrták je v kontakte s povrchom, ktorý sa nedeformuje ľahko – preto každý úder musí dodávať dostatočnú energiu na vznik trhliny, nie len na elastickú deformáciu horniny. Ak energia úderu nedosahuje hodnotu potrebnú na rozbitie danej horniny, úder spôsobuje iba zahrievanie a opotrebovanie vrtáka bez postupu pri vŕtaní. Preto zlyhávajú operácie vŕtania veľmi tvrdých hornín nielen v dôsledku nesprávnej voľby zariadenia, ale aj vtedy, keď sa správne zariadenie prevádzkuje pri nesprávnych prevádzkových parametroch.

Zručnosti, ktoré oddelujú výkonné vŕtanie veľmi tvrdých hornín od drahého vŕtania veľmi tvrdých hornín, sa väčšinou týkajú schopnosti rozpoznať, či systém správne pôsobí proti hornine – alebo či sa jednoducho spotrebúva palivo.

Problém energetickej prahovej hodnoty v tvrdom kameni

Každý druh kameňa má prahovú nárazovú energiu, pod ktorou každý úder spôsobí iba elastickú deformáciu – kameň sa vráti do pôvodného tvaru bez trvalého zlomenia. Nad touto prahovou hodnotou sa začínajú vytvárať a šíriť trhliny a vŕtací nástroj sa posúva dopredu. Táto prahová hodnota stúpa so zvyšujúcou sa UCS: granit s UCS 200 MPa má oveľa vyššiu prahovú hodnotu ako vápenec s UCS 80 MPa. Vŕtací stroj, ktorý dodáva 150 J energie na každý úder, môže efektívne vŕtať vápenec, zatiaľ čo granit takmer nezaráža – nie preto, lebo 150 J je „nízka“ hodnota, ale preto, lebo 150 J je pod prahovou hodnotou pre daný typ horniny.

Praktický dôsledok: pri vŕtaní v tvrdom horninovom prostredí sa neodporúča šetriť tlakom úderového mechanizmu. Prevádzka na 80 % menovitého tlaku úderového mechanizmu s cieľom „šetriť zariadenie“ pri vŕtaní v tvrdom žulovom prostredí je kontraproduktívna – vŕtacia hlavica pracuje dlhšie hodiny na meter vŕtaného otvoru, vŕtací klin a vŕtacie tyče sú vystavené vyššiemu počtu kumulatívnych úderov na meter postupu (pretože každý úder je menej účinný) a celková spotreba vŕtacieho ocele stúpa. Tvrdé horniny vyžadujú maximálnu energiu na každý úder a správnu tlačnú silu, aby sa udržal kontakt počas každého úderu.

Výber vŕtacieho klina: geometria guľových výstupkov je dôležitejšia ako veľkosť

Pri tvrdých horninách s pevnosťou vyššou ako 150 MPa určuje geometria guľových výstupkov, ako efektívne sa úderová energia premieňa na šírenie trhlin. Balistické (kužeľové) výstupky prenikajú hlbšie na každý úder a sú vhodné pre homogénne tvrdé horniny. Guľové výstupky rozdeľujú kontaktnú plochu širšie a sú odolnejšie v prípade trhlinovitých alebo nehomogénnych tvrdých hornín, kde by asymetrické zaťaženie spôsobené trhlinami poškodilo ostrejšiu geometriu.

Priemer tlačidiel – priemer každého karbidového vložku – by mal zodpovedať tvrdosti horniny. Tlačidlá s väčším priemerom rozdeľujú zaťaženie na väčšiu plochu, čím sa zníži napätie na jednotlivých tlačidlách pri vŕtaní extrémne tvrdých hornín. Tlačidlá s menším priemerom koncentrujú energiu v kontakte s horninou, čo zlepšuje prienik do stredne tvrdých hornín. Použitie geometrie vrtáka pre mäkké horniny pri vŕtaní tvrdého žuly spôsobuje rýchle opotrebovanie karbidových vložiek, pretože každé tlačidlo je príliš malé na to, aby odolalo odrazovému zaťaženiu od rozhrania s horninou s vysokou pevnosťou v tlaku (UCS).

Nastavenia parametrov pre tvrdé horniny a indikátory úpravy

Rané rozpoznávanie opotrebovania vŕtačky pred tým, než sa stane katastrofickým

Pri vŕtaní tvrdých hornín sa vŕtačka opotrebuje rýchlejšie a menej toleruje opotrebovanie ako pri mäkkých horninách. Tri ukazovatele, ktoré vám napovedajú stav vŕtačky už pred plnou kontrolou: pokles rýchlosti prenikania bez zmeny akýchkoľvek parametrov (opotrebovaný karbid dodáva menej energie na trhák), zvýšenie tlaku pri rotácii bez zmeny geologických podmienok (potrebný je väčší krútiaci moment, keď sa opotrebuje karbid na obvode vŕtačky a jej vonkajší priemer sa zmenší, čím sa zväčší obvod kontaktu), a zosilnenie hlasu percusie (opotrebované guľôčky umožňujú priamejší kontakt čela vŕtačky s horninou, čo mení tvar tlakových vĺn v vŕtacej tyči).

Zmena vrtákov v tvrdom granite by mala byť riadená údajmi o rýchlosti prieniku, nie pevným časovým intervalom – rýchlosť klesá predvídateľne so zosilovaním karbidu a zaznamenanie poklesu o 15–20 % namiesto čakania na pokles o 35–40 % znamená, že opotrebovaný vrták prešiel pomalším vŕtaním o výrazne menší počet metrov pred výmenou. Sledovanie počtu prebúraných metrov na jeden vrták namiesto počtu hodín na jeden vrták poskytuje normalizovaný parameter podľa geologického prostredia, ktorý je konzistentný v rámci jednotlivých vŕtacích kampaní.

Správa závitov vrtácich tyčí v tvrdom kameni

Životnosť závitov v tvrdej hornine je kratší ako v mäkkých vrstvách, pretože kombinácia maximálnej úderovej energie, vysokého krútiaceho momentu otáčania a tendencie tvrdej horniny zakliesniť vŕtací nástroj spôsobuje opakované cykly vysokého zaťaženia v každom závitovom spoji. Závitový koreň je miestom vzniku únavových trhlin. Karbonizované spojky vydržia v aplikáciách v tvrdej hornine 3–4-krát dlhšie ako štandardné tepelne spracované typy. Mazanie závitov správnym protizlepeným prostriedkom – nie len akýmkoľvek mazivom – zabraňuje lepeniu kovov na závitových plochách počas zaťaženia nárazom.

Kontrola závitov po každom prechode pri výrobe v tvrdej hornine je štandardnou praxou na prevádzkach s vysokou využiteľnosťou. Praskliny v koreni závitu sú viditeľné pri jasnom osvetlení na hlavnom priemere; prasklina pozorovaná v koreni závitu znamená nevyhnutný lom pod úderovým zaťažením. Výmena prasknutého tyče pred jej lomom ušetrí operáciu obnovy vŕtacej súpravy, ktorú spôsobuje lom v strede vrtáku. HOVOO dodáva tesniace sady pre najpoužívanejšie modely vŕtacích vŕtačiek používaných v tvrdej hornine – Epiroc COP 1838+, Sandvik HL/RD séria, Furukawa HD700 – v materiáloch PU a HNBR vhodných pre prevádzkovú teplotu. Referencie na webovej stránke hovooseal.com.