Kεφάλαιο 2 ο : Μηχανική Διάτρηση των Πετρωμάτων Βασικές έννοιες, εξοπλισμός διάτρησης, διάνοιξη υπογείων έργων & μέτωπα παραγωγής

Transcript

1 Kεφάλαιο 2 ο : Μηχανική Διάτρηση των Πετρωμάτων Βασικές έννοιες, εξοπλισμός διάτρησης, διάνοιξη υπογείων έργων & μέτωπα παραγωγής Γ. Εξαδάκτυλος, Καθηγητής Τμήματος Μηχανικών Ορυκτών Πόρων, Πολυτεχνείο Κρήτης 1

2 2 Pie-diagrams επιμερισμού του λειτουργικού κόστους σε υπαίθρια μεταλλεία

3 Διατρησιμότητα Επίδραση των γεωλογικών συνθηκών 3

4 Διατρησιμότητα (Drillability) 4

5 Ταχύτητα διάτρησης Μήκος διατρήματος Καθαρός χρόνος διάτρησης Συνολικά μέτρα διάτρησης Χρόνος ζωής κοπτικού άκρου Αριθμός κοπτικών άκρων που χρησιμοποιήθηκαν 5

6 6

7 7

8 Επιλογή διαμέτρου διατρήματος σε σχέση με το ύψος της βαθμίδας 8

9 Εφαρμογές Κρουστικής και Περιστροφικής διάτρησης 9

10 Επιλογή της μεθόδου διάτρησης (περιστροφική και κρουστική) Mc Gregor (1967) Mc Gregor, The drilling of rock, CR Books Ltd., London

11 Από τον οίκο Tamrock 11

12 Σωληνωτά διατρητικά στελέχη οδήγησης της στήλης Coprod= ειδικός σχεδιασμός διατρητικής στήλης για μείωση αποκλίσεων και θορύβου 12

13 Κρουστικο-περιστροφική διάτρηση των πετρωμάτων Διατρητική στήλη Διατρητικό στέλεχος Κοπτικό άκρο Προσαρμογέας ουράς στελέχους Διατρητική μονάδα (ελαστιχοφόρο με δύο σφύρες) ολισθητήρας Υδραυλικός βραχίονας (μπούμα) 13

14 Διατρητικά φορεία (jumbos) διάνοιξης υπογείων μετώπων μορφής στοάς 14

15 15

16 16 Διάτρηση στοών 3.5x3.5 m σε χαλαζίτη με φλέβα χρυσού (Αλάσκα)

17 Διατρητικά φορεία (drill rigs) υπαιθρίων εργοταξίων Crawler drill Atlas Copco ROC612 for drilling horizontal & vertical holes with DTH m /shift 17

18 Τα διατρητικά φορεία των υπαιθρίων (αλλά και των υπόγειων παραγωγικών μετώπων αρκετές φορές) είναι ντηζελοκίνητα ερπυστριοφόρα 18

19 φορείο μπούμα ολισθητήρας Τα κύρια επί μέρους τμήματα μιας διατρητικής μονάδας και το μέγεθος τους σφύρα 19

20 Τμηματική διάνοιξη θαλάμου ή σήραγγας με τη μέθοδο NATM 20

21 Ερπυστριοφόρα διατρητική μονάδα για διάτρηση μετώπων μορφής βαθμίδας 21

22 Διατρητικά φορεία (jumbos) Διάνοιξης υπογείων μετώπων μορφής στοάς 22

23 23

24 24

25 Αερόσφυρα (αεροπίστολο) 25

26 Ελαφρές αερόσφυρες με υδραυλικό υποστάτη για όρυξη οριζόντιων ή κεκλιμένων διατρημάτων 26

27 27

28 Στοές προσπέλασης/περιχάραξης/προπαρασκευής Σχέδιο διάτρησης στοάς (με κυλινδρικό τύπο προεσκαφής & 4 τετράγωνα Διάτρηση με jumbo με 1, 2 ή 3 μπούμες 15/12/2016 Prof. George Exadaktylos 28 28/34

29 29

30 30

31 Βασικός μηχανολογικός εξοπλισμός 1) Jumbo με 2 μπούμες για τις μέτωπα στοών 3) 10 ton Load Haul Dump (LHD) Unit. 2) Διατρητικό Simba για τα ακτινικά διατρήματα μετώπων παραγωγής (διάταξη βεντάλιας) 4) Αυτοκινούμενη πλατφόρμα (ξεσκάρωμα) Hole diameter range Optimal hole depth mm up to 100 m Rock drill COP 44/54/64 Drilling system Semi-automatic drilling system 15/12/2016 Prof. George Exadaktylos 31 31/34

32 32

33 33

34 34

35 Κρούση Περιστροφή Ωση Καθαρισμός διατρήματος Καθαρισμός διατρήματος (με αέρα στα υπάίθρια και νερό στα υπόγεια) 35

36 36

37 Πλακίδια κομβία 37

38 38

39 Rock drillability Penetration of a cutter into the flat surface of the rock (I) Fairhurst & Lacabanne (1957) The depth to which the cutter penetrates the flat rock surface is a function of the stresses imposed on the rock by the cutter. Διείσδυση 39 κοπτικού άκρου με πίεση (κρούση).

40 Rock drillability Penetration of a cutter into the flat surface of the rock (II): Influence of wedge angle (acute angle and obtuse angle) Fairhurst & Lacabanne (1957) 40

41 41

42 42

43 Σύμφωνα με το μοντέλο του Thuro προτείνεται η συσχέτιση του ρυθμού διάτρησης με το έργο θραύσης (destruction work) δοκιμίων σε ανεμπόδιστη θλίψη. 43

44 44

45 45

46 Bauer diagram: Tαχύτητα διάτρησης, σημαντική για την παραγωγικότητα 46

47 Penetration rate is a function of the impact energy imparted to the bit, frequency of impacts, feed pressure, rotational speed, drill bit type, and rock mass properties. (Darling 2011: 437). The time accounts only for drilling (Darling 2011). The penetration rate can be calculated according to equation (1) below: 47

48 48

49 49

50 50

51 51

52 52

53 53

54 Αερόσφυρα με κρούση στην ουρά της διατρητικής στήλης 54

55 Σφύρες με κρούση στη κεφαλή (top hammer) προσαρμογέας Διατρητικό στέλεχος Κοπτικό άκρο έμβολο σύνδεσμος πέτρωμα Οπή καθαρισμού Υδραυλική κρουστική σφύρα Οδοντώσεις περιστροφής 55

56 Εσωτερικό αερόσφυρας με ανεξάρτητο μηχανισμό περιστροφής Αέρας για περιστροφή και αεροκινητήρα σφύρας Προσαρμογέας ουράς διατρητικού στελέχους Καστάνια έμβολο Διαμήκης ανοικτή τομή βαρειάς διατρητικής αερόσφυρας Παλινδρομικός κρουστικός μηχανισμός Εισερχόμ ενος αέρας καθαρισ μού 56

57 Διαμήκης τομή υδραυλικής σφύρας (έμβολο σταθερής διατομής) Η περιστροφή του διατρητικού στελέχους γίνεται μέσω άξονα και γραναζιού πηνιόν που περιστρέφει το χιτώνιο (chuck) υποδοχής εντός του οποίου εισέρχεται ο προσαρμογέας της ουράς (shank adaptor) του διατρητικού στελέχους. 57

58 Μύλος (ίδιος μηχανισμός για ελαφρές και βαρείες αερόσφυρες) Διαμήκης τομή αερόσφυρας χιτώνιο 58

59 59

60 Δύναμη [Ν] μήκος 2 x μήκος εμβόλου Μορφή κρουστικού (τασικού) κύματος που οδεύει με ταχύτητα v σε διατρητικό στέλεχος. Η ενέργεια του κύματος βρίσκεται από το εμβαδόν που περικλείεται από το κύμα και τον οριζόντιο άξονα. Το αρνητικό πρόσημο σημαίνει θλιπτική δύναμη. Για τον υπολογισμό της αποδιδόμενης ισχύος από μία σφύρα η κυματική ενέργεια πολλαπλασιάζεται με τη συχνότητα κρούσεων του εμβόλου και συνήθως εκφράζεται σε kw. Οι σχεδιαστές των σφυρών ερευνούν τον καλύτερο συνδυασμό των διαφόρων παραμέτρων όπως είναι η γεωμετρία του εμβόλου, η συχνότητα κρούσεων και η ταχύτητα του εμβόλου. 60

61 Πειραματική μέθοδος προσδιορισμού του κρουστικού παλμού Σφυρί Μακάπι (βελόνι) Ηλεκτρικά μηκυνσιόμετρα Ενισχυτής σήματος Παλμογράφος Δοκίμιο πετρώματος 61

62 Η πίεση στον κύλινδρο της σφύρας είναι 30-40% της πίεσης του αεροσυημπιεστή λόγω απωλειών. 62

63 63

64 Σφύρες με κρούση στον πυθμένα ή ενδοδιατρηματικές σφύρες (Down-the-hole) H σφύρα DTH είναι παραγωγική για διαμέτρους διατρημάτων mm σε επιφανειακές εκμεταλλεύσεις. 64

65 Rule of Thumb The optimum hole sizes for production of blastholes with DTH drilling range from 90 mm up to 254 mm. Below these hole sizes, tophammer drilling is the preferred method, and above 254 mm diameter, rotary drilling is generally used. 65

66 66

67 Ελαφρές αερόσφυρες 67

68 Oλόσωμα (integral) διατρητικά στελέχη (μακάπια) 68

69 Πλάτος του κύματος εκφρασμένο σε μονάδες δύναμης μήκος Μορφή κρουστικού (τασικού) κύματος που παράγεται από υδραυλική σφύρα. Λόγω της υψηλής πίεσης του ελαίου με την οποία λειτουργεί η υδραυλική σφύρα ( bar) απαιτείται έμβολο μικρότερης διατομής από της αερόσφυρας. 69

70 Πλάτος του κύματος εκφρασμένο σε μονάδες δύναμης μήκος Μορφή κρουστικού (τασικού) κύματος που παράγεται από αερόσφυρα The shock waves that are generated by hydraulic (Figure 3) and pneumatic (Figure 4) rock drills are significantly different in shape. Προσέξτε το διαφορετικό σχήμα του εμβόλου. 70

71 Figure 5 compares the stress level generated by three different pistons having the same weight, but with different shapes and working at different pressures. The lowest stress, or shock wave amplitude, is obtained with the long slender piston working at high pressure. 71

72 72

73 73

74 74

75 75

76 76

77 Υπολογισμός ετήσιων αποσβέσεων [$/year]): D C y 1 i i y 1 i 1 C=κεφαλαιουχικό κόστος y=αριθμός ετών αποσβέσεως i=επιτόκιο (rate of interest) D=ετήσιο κόστος απόσβεσης 28,296$ D ( 120,000 18,000)

78 /h 0.48m / min x m / min 200m / 0,96m / min 208min 208min 60min 268min 200m / 268min 0.75m / min 0.75m / min x60 min/ h 45m / h 0.75m / min x m / min 0.6m / min x6h / shift x 60 min/ h 215m / shift Κόστος εργατικών ανά m διατρήσεως 128$/ shift /215m / shift 0.6$ / m Απαιτούμενη ισχύς Μοναδιαίο κόστος ενέργειας κόστος ενέργειας/m 0.04$/ kwhx 140kW 5.6$ / h 5.6$/ h /45m / h 0.125$ / m 78

79 215m / shiftx 470shifts / 101,050m / year year 79

80 80

81 Πλατφόρμα γόμωσης διατρημάτων με ANFO 81

82 Διάμετρος διατρήματος 48mm Aριθμός διατρημάτων 50- Μήκος διατρημάτων 4m Προσέγγιση Eιδικό βάρος πετρώματος 3t/m3 Διατομή στοάς 25m2 Ογκος ανατίναξης ανά βάρδια 100m3 Ειδική διάτρηση 2m/m3 Bάρος Γαλάκτωμα Βάρος ΑΝFO Eιδική κατανάλωση ΕΥ Τιμή Γαλάκτωμα Τιμή ANFO Nonel DT Νο 0 70 Σύνδεσμος δέσμης (6 μ) Ηλεκτικό καψύλι Aριθμός συνδέσμων Κόστος ΕΥ ανατίναξης Κόστος πλατφόρμας γόμωσης Κόστος εργατικών/βάρδια (2 γομωτές+1χειριστής) Ανατινάξεις/χρόνο Συνολικό κόστος ανατίναξης/χρόνο Μέτρα διάτρησης /χρόνο Kόστος διάτρησης/m Συνολικό κόστος διάτρησης/χρόνο 1kg/διάτρημα 2kg/διάτρημα 1.47kg/m3 1.65$/kg 0.7$/kg 2.2$/τεμ 1.9$/τεμ 1.4$/τεμ 5#/ανατίναξη $/ανατίναξη 150$/ανατίναξη 192$/βάρδια 470shifts/year $/year m/year 1.06$/m $/year 82

83 Yπολογισμός μοναδιαίου κόστους εκρηκτικών 83

84 84

85 85

86 86

87 87

88 88

89 89

90 Πίεση κρούσης (percussion pressure) Πίεση ώθησης (feed pressure) Πίεση περιστροφής (rotation pressure) 90

91 91

92 92

93 93

94 94

95 95

96 Mηχανοποίηση μεθόδου 1. Διάτρηση με jumbos & simba (διατρήματα μορφής «βεντάλιας» fan drilling, long hole drilling), mm & μήκος m με DTH (με μεγαλύτερες διαμέτρους επιτυγχάνονται μεγαλύτερα φορτία ανατίναξης & μεγαλύτερες παραγωγές). 2. Σχέδιο ανατίναξης - Μείωση της απόκλισης των διατρημάτων (αποφυγή αραίωσης, αναγκών υποστύλωσης, υπερβάσεων των εκσκαφών κ.λπ.) Retrac 96

97 Correct Selection of Tophammer Rock Drilling Tools In order to achieve best possible penetration rate, a bit should be chosen where the total contact area between the cemented carbide and the rock creates the best possible penetration per blow. As a rule of thumb, the following penetration rate index can be used: button bit with ballistic buttons, 130; button bit with spherical buttons, 115; insert bit (με πλακίδια μορφής ακμής),

98 98

99 Σχεδιασμός κοπτικών κεφαλών Κορώνες (κοπτικά άκρα) τύπου κομβίων (Button drill bits). Tυπικά κοπτικά άκρα με 6, 7, 8 και 9 κομβία και διαφορετικά συστήματα καθαρισμού που χρησιμοποιούνται κυρίως σε σκληρά πετρώματα 99

100 100

101 Σχεδιασμός κοπτικών κεφαλών «γαρύφαλλα» 101

102 Κορώνες με πλακίδια ή παρεμβύσματα 102

103 103

104 Σχήμα κοπτικού άκρου σε σχέση με την αντοχή του πετρώματος 104

105 Επανατρόχιση κομβίων 105

106 Τι παρατηρούμε από αυτό το διάγραμμα? Χρόνος ζωής κορώνας 10 ακονίσματα ανά κορώνα Διάστημα σε m των διαδοχικών ακονισμάτων 106

107 Ρίσκο καταστροφής των κομβίων με την φθορά τους 107

108 Ρυθμός διάτρησης με το βαθμό φθοράς των κομβίων 108

109 Επιμέρους τμήματα της διατρητικής στήλης (1) Προσαρμογείς ουράς στελέχους (τύποι) Shank Adapters: The task of the shank adapter is to transmit rotation torque, feed force, impact energy, and flushing medium. It is made from specially selected material to withstand the transmission of impact energy and rotation from the rock drill to the drillstring, and is hardened through carburizing. 109

110 (2) Διατρητικά στελέχη (επιλογή) For bench drilling, three types of drillrods can be chosen: surface hardened rods, in which only the thread parts are hardened; Carburized rods, where all surfaces, including the inside of the flushing hole, are hardened; and carburized Speedrods, having integrated couplings with male and female threads at opposite ends. Round extension rods Διατρητικά στελέχη 110

111 Σύστημα retrac 111

112 Site layout is designed to keep noise, vibration and visual impact to a minimum, by downward excavation from the hill. To reduce the noise, dust and danger associated with truck movements, the rock is fed through gyratory crushers, and transported along a system of shafts and conveyors to a stocking area at the bottom of the hill. There are three 6 m-diameter vertical shafts, and three tunnels. The first 900 m-long tunnel came into operation in 1981; the second, 1,100 m- long, began operation in 1986; and the third, not yet in operation, is also 1,100 m- long. Chien-Kuo carries out two blasts each day, 28 days a month. A total of 17 dump trucks are employed on the project, as well as one Cat 992 loader, one Komatsu WA 600 loader, three Hitachi excavators and two Komatsu excavators. 112