Présentation de la tige de forage à percussion

Lors de la sélection d'une tige de forage pour une perceuse à percussion, les ingénieurs miniers sont confrontés à de nombreux facteurs à prendre en compte, notamment le diamètre de la tige, la forme de la section transversale, le type d'acier de forage et le processus de traitement thermique. La sélection dépend non seulement des conditions techniques, mais également des préférences régionales et de la disponibilité du marché.

Il existe actuellement deux types de base de tiges de forage produites : la première est dotée d'une queue de forage forgée et la seconde est dotée de filetages à chaque extrémité. Le premier convient aux têtes de forage intégrales, coniques ou filetées. La seconde est utilisée dans le cas d'une queue de forage, telle qu'une tige de forage unique pour une foreuse de type rail, ou une tige de forage à assemblage de tiges reliée à un manchon de tige filetée.

Types d'acier de forage

L'acier de forage creux est laminé à chaud à partir d'une billette d'acier avec un noyau entièrement métallique à centre rond en une section ronde ou hexagonale et différentes longueurs. La composition chimique de l'acier doit être bien sélectionnée et contrôlée avec précision pour la rendre adaptée au type de tige de forage requis et à la méthode de traitement thermique utilisée. Après laminage à la taille requise, il est étiré pour réduire le diamètre puis le noyau métallique est retiré.

L'acier à haute teneur en carbone contenant 1 % de carbone et 1 % de chrome, ainsi qu'une petite quantité de manganèse et de molybdène, présente une forte résistance à la fatigue et peut être traité thermiquement et soudé localement. Ils sont utilisés pour fabriquer des tiges de forage avec des queues de forage, y compris des tiges de forage intégrées.

Le processus de trempe à haute fréquence consiste à chauffer rapidement la pièce à 900°C, puis à la refroidir rapidement dans l'eau. Cela modifie la structure métallique et provoque également des contraintes de compression sur la surface. La méthode à haute fréquence peut être utilisée pour traiter thermiquement localement le cône, la queue de foret et le filetage, rendant la tige de forage flexible et capable de résister à de grandes opérations de flexion et à des opérations difficiles. Le sablage est un processus de durcissement à froid qui élimine les défauts de surface et prolonge la durée de vie.

L'acier à faible et moyenne teneur en carbone contenant 0,2 à 0,27 % de carbone, 2 à 3 % de chrome ou de nickel et du manganèse ou du molybdène est utilisé pour fabriquer des tiges d'extension, des queues de tige d'extension, des manchons de tige d'extension et des corps de forets. Ils sont généralement entièrement carburés. Pendant la carburation, un faisceau de 200 à 300 tiges de forage est suspendu dans une cage et traité dans une atmosphère riche en carbone à 925°C dans un four à fosse pendant environ 6 heures. En raison de la carburation, la composition chimique de base et les propriétés de la couche externe changent, provoquant une augmentation de volume et des contraintes de compression. Ce processus se produit sur toute la surface, y compris les trous de rinçage internes, améliorant la durabilité, la résistance à la fatigue, la dureté et la rigidité de la tige de forage, ainsi que sa résistance à l'usure et à la corrosion. Lors du perçage humide, il est naturellement important d'améliorer la résistance à l'usure et à la corrosion afin de protéger les trous de rinçage. Il est rapporté qu'environ 95 % des pièces de bielle utilisées pour le forage humide dans les puits souterrains sont carburées dans leur ensemble, y compris le manchon de bielle et le filetage du trépan. Lorsque ce type d'acier est partiellement cémenté, il est difficile de réaliser un recuit local car"recuit"des zones seront formées.

Souder des feuilles de carbure dans de l'acier cémenté pour fabriquer des forets intégrés est un processus techniquement difficile, mais certains fabricants ont réussi. Les tiges de forage intégrées robustes qu'ils produisent sont utilisées dans les perceuses à roche de haute puissance pour le forage mécanisé de roche. On rapporte que leur durée de vie est trois fois supérieure à celle de l'acier à haute teneur en carbone, par exemple 900 mètres contre 300 mètres.

Un autre acier allié à faible teneur en carbone présente une usinabilité particulièrement bonne. Il contient du nickel et du chrome. Généralement, cet acier est également cémenté dans son ensemble. L'acier au chrome-nickel au carbone moyen (0,42 %) est utilisé par certaines usines pour fabriquer de longues tiges de forage intégrales et robustes.

La surface extérieure et les trous de rinçage peuvent être phosphatés pour éviter la rouille. Une couche de cire protectrice peut également être appliquée pendant le stockage. La corrosion et la rouille peuvent provoquer des fissures de fatigue prématurées.

Lors du forage de roches dures abrasives avec une perceuse à roche humide, les tiges de forage entièrement cémentées sont généralement préférées. Cependant, lors du forage de roches sur des marches à ciel ouvert avec des joints ou des formations rocheuses brisées, la tige de forage risque d'être sérieusement pliée et la tige de forage carburée peut être cassée. Les tiges de forage de trempe à haute fréquence peuvent mieux s'adapter à cette situation. Étant donné que les tiges de forage de trempe à haute fréquence ont une plus grande ténacité, elles ne sont pas facilement endommagées par un impact provoqué par des impacts accidentels ou intentionnels, et elles ne sont pas non plus facilement endommagées par des filetages desserrés causés par une force de propulsion insuffisante, ce qui provoque un échauffement et des dommages locaux. La purge d'air comprimé peut également provoquer un échauffement local et une érosion de la surface. Les tiges de forage de trempe à haute fréquence ne sont pas sujettes à ce phénomène, mais elles sont sujettes à l'usure des filetages.

Lorsque le forage est peu profond, disons en dessous de 6 mètres, ou à mesure que le forage s'approfondit, un ensemble de tiges de forage de différentes longueurs est utilisé, ou un seul foret égal à la profondeur du forage est utilisé, ce qui est largement utilisé aujourd'hui. Ce type de tige de forage est forgé avec une queue de forage. La tête de forage est soit solidaire de la tige de forage, soit une tête de forage mobile reliée par un cône ou un filetage. Les tiges de forage avec queue de forage sont fabriquées en acier de forage hexagonal avec des dimensions latérales opposées de 19 mm, 22 mm ou 25 mm et sont utilisées pour les perceuses à roche portatives, les perceuses à roche pneumatiques et les véhicules de forage mécanisés pour percer des trous dans les fronts de taille ou la roche. boulons. Comme mentionné ci-dessus, ce type de tige de forage est généralement constitué d’acier allié à haute teneur en carbone contenant du chrome. Cet acier allié peut résister à la flexion sans rupture ni déformation permanente.

L'extrémité de la queue de forage (si la tige de forage n'est pas entièrement carburée) est trempée séparément pour résister aux contraintes d'impact provoquées par le piston et le couple de rotation. Si la tête de forage est reliée par un cône, elle peut également être traitée thermiquement séparément. La structure globale de la tige de forage doit rendre la durée de vie totale du carbure de tungstène égale à la durée de vie en fatigue de la tige de forage. Cependant, cette approche est irréaliste dans les roches très abrasives et il est préférable d'utiliser une tête de forage active.

Pour le forage mécanisé de roche qui utilise de l'eau à haute pression pour rincer les déblais de roche, la tige de forage doit être équipée d'un joint de queue de forage pour empêcher l'eau de rinçage de pénétrer dans la foreuse, car pour les foreuses pneumatiques, cette situation peut affecter la lubrification et provoquer glace.

Au moins un fabricant propose une tige de forage globale avec une tête de forage à dents sphériques au lieu d'une tête de forage à fente. Une tige de forage globale avec une tête de forage croisée convient aux roches brisées ou fracturées, car il existe un risque de pincement du foret lors du forage dans ces roches. Néanmoins, la tête de forage à fente présente l'avantage exceptionnel d'être facile à meuler.

Queue de forage de connecteur

Lors de l'utilisation d'une bielle pour percer des trous profonds, la queue de forage de la bielle est insérée dans le manchon de queue de forage de la perceuse à roche, et le manchon de bielle est connecté à la première tige de forage du groupe de tiges de forage. Étant donné que les foreuses à roche fabriquées par le fabricant de foreuses à roche ont des manchons de forage de structures diverses, il existe de nombreux types de queues de forage à bielle. Le plus simple est la tige à épaulement hexagonal, d'autres varient en complexité, avec des bossages ou des cannelures.

La tige doit transférer l'énergie d'impact, le couple de rotation et la poussée à la tige de forage, et sa face arrière, ses filetages et cannelures ou sa tige doivent avoir une résistance élevée à l'usure. L'onde de choc générée par le piston se propage à la vitesse du son dans l'acier (environ 5000 m/s) et à une fréquence de 60 fois/s. De petits déplacements se produisent au niveau de la connexion filetée et l'usure provoquée doit être minimisée par un acier résistant à l'usure, qui a la caractéristique de devenir cassant mais de ne pas perdre sa résistance à la fatigue. L'acier le plus approprié est l'acier au chrome à faible teneur en carbone ou l'acier au nickel-chrome, et le traitement thermique courant est la carburation complète.

Lors du forage de trous peu profonds, il est préférable de connecter une perceuse à tige et un foret dynamique pour une perceuse à roche de type rail après la tige plutôt que d'utiliser une seule tige avec une tige, en particulier lors du forage de trous de mine de grand diamètre dans la roche dure et en utilisant perforatrices de grande puissance. Cette méthode permet le remplacement de l'adaptateur, du manchon adaptateur, de la tige de forage et de la tête de forage si nécessaire. Cependant, étant donné que le manchon adaptateur passe à travers un porte-foret ouvert, il existe un inconvénient en ce que la longueur d'extension est perdue, ce qui équivaut à la longueur de l'adaptateur.

Lors du forage d'un trou de mine abaisseur, la première section de la tige de forage doit être déconnectée de l'adaptateur avant d'ajouter l'adaptateur. Avec le manchon adaptateur, il est possible qu'il tombe, il est donc parfois préférable d'utiliser un adaptateur avec filetage interne. À moins que tous les filetages femelles ne soient utilisés, le manchon adaptateur est connecté à l'extrémité inférieure de la tige de forage. Par rapport à l'utilisation du manchon adaptateur, une connexion plus rigide est formée entre l'adaptateur de foret et la première tige de forage. Si des contraintes de flexion importantes sont provoquées dans l'adaptateur de forage en raison de la déviation du trou de mine, la connexion rigide est plus susceptible d'être endommagée.

Il y a un"mince"section de transition entre la queue de l'adaptateur de foret et la partie filetée, censée rendre l'adaptateur de foret élastique et capable de résister aux contraintes de flexion.

Le fluide de rinçage (eau ou air comprimé) pénètre dans le trou de mine par l'aiguille à eau du marteau perforateur ou un dispositif rotatif indépendant. Lors d'un rinçage à l'eau sous haute pression (supérieure à 8 bars), un dispositif rotatif indépendant doit être utilisé. Les perforatrices hydrauliques modernes disposent d'un système de purge intégré à l'extrémité du manchon de queue de forage.

Bielles

Les tiges de forage de roches pour trous profonds sont fabriquées en acier au chrome-molybdène contenant 2 à 3 % de chrome ou de nickel et peuvent être hexagonales ou rondes. Le diamètre du corps de tige et de la partie filetée de la tige de forage de grande section est le même, tandis que le diamètre de l'extrémité filetée de la tige de forage légère est plus grand. Bien que la tige de forage plus légère présente le risque de déviation du trou de mine en raison de sa rigidité réduite, il est plus pratique d'utiliser des tiges de forage légères lors du forage vers le haut. Les tiges de forage légères nécessitent des processus de forgeage complexes et la carburation est la méthode de base pour obtenir une résistance à la fatigue plus élevée.

Les tiges de forage rondes d'un diamètre supérieur à 32 mm sont utilisées pour percer des trous profonds sur les véhicules de forage lourds. Lors de la connexion et du déchargement de tiges de forage lourdes pour des trous profonds, utilisez des dispositifs auxiliaires efficaces pour mécaniser la connexion et le déchargement des tiges de forage.

Sujets

Il existe quatre constructions de base de filetages pour tiges de forage :"R."ou du fil ondulé,"T"ou filetage trapézoïdal,"C"ou un fil à double démarrage, et"Salut-Leed"ou un filetage à dentelure inversée (Figure 1). Le"T"Le fil a été développé par Sandvik et peut être produit par d'autres fabricants sous licence de Sandvik, mais dans la plupart des cas, il est marqué d'autres symboles. L'ensemble du filetage doit être fabriqué selon des tolérances de haute précision et avoir une finition de surface élevée.

Image

Le"R."Le filetage a un angle de filetage constant de 20° mesuré à partir de l'axe de la tige et un pas constant de 0,5 pouces. Il est utilisé pour les tiges de petite taille d'un diamètre de 22 mm à 28 mm. Pour les perforatrices de grande puissance, il est possible de trop serrer le"R."filetage, le degré de serrage en fonction de l'énergie d'impact, du couple de rotation et de la résistance générée par la roche et la poussée.

Par rapport au"R."fil, le"T"le filetage a un angle de filetage plus grand et son pas augmente avec l'augmentation du diamètre. Il présente les caractéristiques d'étanchéité équilibrée et est utilisé pour les tiges de forage d'un diamètre de 38 mm et 45 mm."C"Le filetage convient aux équipements plus grands, tels que les tiges de forage d'un diamètre de 51 mm ou 57 mm. Il est doté de filetages à double départ et son angle de profil de filetage est similaire à celui de"T"fil de discussion."Salut-Leed"Le profil de la dent filetée est en forme de dent de scie et ses performances de connexion et de démontage se situent entre"R."et"T*"fils. Il est utilisé pour les tiges de forage d'un diamètre compris entre 25 mm et 57 mm, et sa taille d'angle de filetage est comprise entre"R."et"T"fils.

Lorsque le forage de la roche est plus facile, la section filetée de la bielle peut être deux fois plus longue, de sorte que lorsque la première section du filetage est usée, elle puisse être coupée, mais une attention particulière doit être portée lors de la coupe pour éviter les chauffage et revenu de la tige de forage. Dans certains cas, la tige de forage a atteint sa durée de vie en fatigue après l'usure du filetage. Le choix du filetage à simple ou double filetage est déterminé par l'essai d'inspection de la foreuse et de l'état de la roche, mais la poussée est un paramètre important.

Ingersoll-Rand ( Ingersoll-Rand a fabriqué un filetage spécial qui est enfilé sur toute la longueur de la tige de forage, de sorte que lorsqu'une extrémité du filetage est usée, il peut être coupé puis chanfreiné et réutilisé. Il est rapporté que son la durée de vie est multipliée par 5 par rapport aux tiges de forage avec des filetages uniquement aux extrémités. Les filetages sont roulés, ce qui présente une résistance élevée au cisaillement, et la surface est durcie, elle est donc solide et résistante à l'usure. afin qu'il puisse être desserré avec un minimum de couple. Ses spécifications sont de 32 mm, 38 mm et 44 mm.

Amélioration des tiges de forage

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Une nouvelle génération de foreuses à percussion, des foreuses spéciales à entraînement hydraulique particulier, qui peuvent gagner dans de nombreux aspects du forage de roche à ciel ouvert en concurrence avec les foreuses rotatives et les foreuses de fond de trou. Ces progrès se sont produits simultanément avec l’amélioration des tiges de forage et des trépans. À mesure que la vitesse de forage augmente, la tige de forage doit avoir une plus grande ténacité et est généralement plus lourde. Évidemment, le dispositif de manutention et le contrôle automatique des tiges de forage lourdes sont très importants et constituent des équipements auxiliaires nécessaires.

La durée de vie de la tige de forage est principalement affectée par l'amplitude de l'onde de contrainte, c'est pourquoi les ondes de contrainte longues avec une faible amplitude et une distribution uniforme sont les plus favorables. Les perceuses à percussion hydrauliques produisent ce type de vague. Comparé au piston court et épais de la perceuse pneumatique, son diamètre de piston est petit et long. On estime qu’il est possible d’économiser 15 % sur le coût de la consommation des tiges de forage en utilisant des foreuses hydrauliques. Un autre facteur favorable est que la puissance du foret peut être ajustée relativement facilement en fonction de la correspondance entre la vitesse de forage et le coût de la tige de forage. De plus, l'utilisation de dispositifs d'ouverture automatique des yeux et de dispositifs anti-blocage peut également empêcher ou au moins minimiser l'apparition d'un blocage de foret.

On estime que l'investissement de base représente 25 à 30 % du coût de forage de roche, les pièces de rechange et la maintenance représentent 22 à 33 %, les salaires représentent 12 à 25 %, la consommation d'énergie représente 2 à 6 % et les tiges de forage. et les forets représentent 20 à 22 %. Parmi les dépenses ci-dessus, les différences entre les mines sont très importantes. Cependant, si le coût total du forage du minerai est de 2 $/tonne, le coût de la tige de forage et du trépan est de 0,4 $/tonne. Si la perceuse se casse souvent pendant le forage, cela entraînera une augmentation des coûts et des retards. Dans les grandes mines, même une petite économie de consommation de trépans et de tiges de forage peut présenter des avantages considérables. Afin de minimiser les coûts, il est très important de discuter avec le fabricant de tiges de forage et de sélectionner soigneusement la tige de forage en fonction des conditions de production et d'utilisation.

Entretien des tiges de forage

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La perceuse garantit que le manchon de queue de forage est intact et que la tête de forage est tranchante.

Retournez la bielle et utilisez tour à tour les tiges de forage du groupe de tiges de forage pour que les filetages du groupe de tiges de forage s'usent uniformément. Utilisez le manchon de bielle en fonction de la durée de vie correspondante du filetage de la tige de forage - un nouveau manchon de bielle avec une nouvelle tige de forage.

Lors du perçage à sec, nettoyer et lubrifier les filetages avec de la graisse spéciale et utiliser uniquement des tiges de forage droites. Chauffer la tige de forage avant de démarrer par temps froid prolongera sa durée de vie.

Percez soigneusement et utilisez 1/4 ~ 1/2 de la puissance de la perceuse à roche lors du forage. Si la tige de forage n’est pas alignée, elle doit être repercée.

Utilisez la meilleure poussée. Une poussée trop importante entraînera la courbure de la tige et réduira sa durée de vie, et peut également bloquer le trou de purge de la tête de forage et provoquer l'usure ou l'endommagement de la plaque en carbure de la tête de forage ; une poussée insuffisante provoquera un échauffement au niveau de la connexion, endommagera la connexion, une usure excessive ou un desserrage de la plaque en carbure de la tête de forage.

Le manchon de tige"s'enclenche"contre le porte-foret, ce qui endommagerait le manchon de tige.

Assurer le rinçage signifie qu'il y a toujours suffisamment d'eau de rinçage pour éliminer rapidement les éclats de roche.

Soyez prudent lorsque vous retirez la perceuse : utilisez 1/4 de la vitesse de poussée lors du retrait de la perceuse pour éviter que la perceuse ne reste coincée.

Utilisez une bonne clé pour retirer la tige de forage. Le fait de marteler ou d'utiliser un collier de serrage endommagera la surface durcie. Les pièges peuvent provoquer des fractures de fatigue. Utilisez une jauge spéciale pour mesurer l'usure des filetages sur le manchon de tige et la tige de forage. Lorsque l'usure dépasse la limite spécifiée, elle doit être mise au rebut.

Stockage S'il doit être stocké après utilisation, il doit être traité avec un antirouille et ne pas être empilé à proximité de l'eau ou de la poussière. La corrosion est un problème majeur dans les mines souterraines.