انواع فولاد مته سنگی: ابزارهای یکپارچه، جداشدنی و الحاقی
عملکرد حفاری سنگ به عواملی بیش از خود دستگاه حفاری یا مته سنگ بستگی دارد. فولاد مته، مته، اتصال ساق مته و سیستم کوپلینگ تعیین می‌کنند که انرژی ضربه و گشتاور چرخشی چقدر به طور مؤثر به سنگ می‌رسند. انتخاب ابزار حفاری سنگ مناسب بر سرعت حفاری، راستای سوراخ، حجم کار تعمیر و نگهداری، مصرف ابزار و هزینه عملیاتی تأثیر می‌گذارد.
ابزارهای حفاری سنگ که با مته‌های سنگی معمولی با چکش از بالا استفاده می‌شوند، معمولاً به سه گروه تقسیم می‌شوند: فولاد مته یکپارچه، فولاد مته قابل جدا شدن و ابزارهای حفاری کششی. هر طرح ساختار، محدوده عملیاتی و مزیت اقتصادی متفاوتی دارد. درک این تفاوت‌ها به پیمانکاران، معادن و اپراتورهای معدن کمک می‌کند تا سیستم ابزار را با شرایط سنگ و عمق حفاری تطبیق دهند.
چگونه فولاد مته سنگی انرژی را منتقل می‌کند
یک مته سنگ معمولی با چکش از بالا، هم انرژی ضربه و هم چرخش را از طریق فولاد مته منتقل می‌کند. پیستون به انتهای ساقه ضربه می‌زند و یک موج تنش ایجاد می‌کند که در امتداد فولاد به سمت مته حرکت می‌کند. همزمان، دستگاه چرخش و نیروی تغذیه را اعمال می‌کند تا مته به طور مکرر به مناطق جدید سنگ ضربه بزند.
این با حفاری درون چاهی متفاوت است. در سیستم DTH، چکش در نزدیکی ته چاه، بلافاصله پشت مته DTH کار می‌کند. لوله مته عمدتاً چرخش، نیروی تغذیه و هوای شستشو را منتقل می‌کند؛ و همان انرژی ضربه‌ای مکرر را از یک چکش بالایی حمل نمی‌کند. به همین دلیل، ابزارهای مورد استفاده در حفاری با چکش بالایی عموماً به عنوان فولاد مته توصیف می‌شوند، در حالی که ابزارهای DTH معمولاً به عنوان لوله مته، چکش و مته توصیف می‌شوند.
برای کاربردهای چکش‌کاری، هدف اصلی فولاد مته، انتقال انرژی ضربه و گشتاور با حداقل اتلاف و در عین حال حفظ استحکام کافی، مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر سایش است.
فولاد مته یکپارچه برای حفاری سوراخ کم عمق
فولاد مته یکپارچه به صورت یک واحد ساخته می‌شود. یک سر آن به صورت یک ساقه که با مته سنگی متناسب است، فورج می‌شود، در حالی که سر دیگر آن به صورت یک بخش مته مجهز به درج‌های کاربیدی یا دکمه‌ها فورج می‌شود. مواد رایج شامل فولاد مته شش ضلعی توخالی است که اغلب با ابعاد مسطح عرضی مانند ۱۹ میلی‌متر، ۲۲ میلی‌متر و ۲۵ میلی‌متر ساخته می‌شود.
از آنجا که مته و فولاد به طور دائم به هم متصل هستند، فولاد مته یکپارچه هیچ اتصال جداگانه‌ای بین میله و مته ندارد. این امر چندین مزیت به آن می‌دهد:
خطر گم شدن مته جداشونده در سوراخ وجود ندارد.
انتقال خوب انرژی ضربه به دلیل عدم وجود اتصال سر مته به میله.
مقاومت بالا در برابر ضربه و گشتاور با توجه به اندازه آن.
خروج آسان از چالهای انفجاری کم عمق.
عملکرد ساده برای سوراخکاری با قطر کوچک و سوراخکاری با قطر کم.
فولاد مته یکپارچه به طور گسترده در سنگ‌های نرم تا متوسط، سوراخ‌های با قطر کوچک، کارهای معدنی، ساخت و ساز و کاربردهای استخراج معادن سبک استفاده می‌شود. این فولاد به ویژه در مواردی که عمق حفاری محدود است و تعویض سریع ابزار از حداکثر قابلیت استفاده مجدد مهم‌تر است، کاربرد دارد.
شکل مته باید با توجه به سنگ انتخاب شود. مته‌های انتگرالی از نوع اسکنه‌ای به راحتی تیز می‌شوند و در شرایط مناسب می‌توانند از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشند. مته‌های متقاطع یا چند لبه می‌توانند پایداری را در سنگ‌های نرم، شکسته یا دارای درزه‌های شدید بهبود بخشند زیرا خطر گیر کردن مته در سوراخ را کاهش می‌دهند. طرح‌های سه لبه همچنین ممکن است شیارهای شستشوی زیادی ایجاد کنند که به حذف خرده‌ها و کاهش سایش کاربید کمک می‌کند.
فولادهای انتگرال مته دکمه‌ای معمولاً برای سنگ‌هایی که به راحتی قابل نفوذ هستند و سایش کمی دارند، مناسب‌ترند. ارزش آنها از کاهش نیاز به تیز کردن مجدد ناشی می‌شود، اما کاربید و بدنه فولادی باید به یک عمر مفید نسبتاً متعادل برسند تا ابزار اقتصادی باقی بماند.
محدودیت اصلی فولاد مته یکپارچه این است که به محض آسیب جدی به انتهای مته، ممکن است کل ابزار نیاز به کنار گذاشتن داشته باشد. اپراتورها همچنین باید موجودی فولادهای مته چندگانه را در طول‌های مختلف نگهداری کنند که می‌تواند نیازهای حمل و نقل، ذخیره‌سازی و تیز کردن را افزایش دهد.
فولاد مته قابل جدا شدن برای جایگزینی ابزار انعطاف‌پذیر
فولاد مته جداشدنی از یک مته قابل جدا شدن متصل به یک میله مته جداگانه استفاده می‌کند. این اتصال ممکن است از یک اتصال مخروطی یا رزوه‌دار، بسته به طراحی و کاربرد ابزار، استفاده کند. جدا کردن مته، میله مته را باقی می‌گذارد که اغلب به طور خلاصه به عنوان فولاد مته یا میله مته شناخته می‌شود.
مزیت اصلی سیستم جداشدنی، انعطاف‌پذیری در سرویس‌دهی است. وقتی مته فرسوده می‌شود، می‌توان آن را بدون دور انداختن میله تعویض کرد. اگر میله در نزدیکی یک اتصال بشکند، گاهی اوقات می‌توان آن را با بازسازی مخروط یا رزوه به جای تعویض کل مجموعه تعمیر کرد.
یک سیستم جداشونده همچنین می‌تواند از حفاری عمیق‌تر پشتیبانی کند. یک مته می‌تواند سوراخ عمیقی ایجاد کند در حالی که میله‌هایی با طول‌های مختلف با پیشرفت سوراخ تعویض می‌شوند. این امر باعث می‌شود کیفیت سوراخ حفظ شود و در عین حال تعداد ابزارهای کاملی که باید به سطح کار حمل شوند محدود شود.
از دیگر مزایا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
حجم حمل و نقل کمتر برای تیز کردن و سرویس مته.
انتخاب جداگانه جنس میله و جنس مته.
عمر مفید بالقوه طولانی‌تر برای بدنه میله.
ذخیره‌سازی ساده‌شده‌ی بیت‌ها و میله‌ها.
وقتی فقط مته خراب شده است، ضایعات را کاهش دهید.
با این حال، هر اتصالی ممکن است باعث اتلاف انرژی ضربه و یک نقطه ضعف اضافی شود. اتصالات مخروطی، اتصالات رزوه‌دار با قطر مساوی و اتصالات رزوه‌دار واژگون، همگی می‌توانند ویژگی‌های اتلاف انرژی متفاوتی داشته باشند. سایش، کیفیت پایین تولید، سفت شدن ناکافی یا رزوه‌های آسیب‌دیده می‌تواند باعث شل شدن مته شود. اتصال شل مته می‌تواند سایش را تسریع کند، به مته آسیب برساند و راندمان حفاری را کاهش دهد.
به همین دلیل، فولاد مته قابل جدا شدن زمانی بیشترین تأثیر را دارد که نگهداری اتصال به عنوان یک کار عملیاتی معمول در نظر گرفته شود. اپراتورها باید رزوه‌ها یا مخروط‌ها را بررسی کنند، اتصالات را تمیز نگه دارند، در صورت لزوم از روانکاری مناسب استفاده کنند و قطعات فرسوده را قبل از ایجاد آسیب ثانویه تعویض کنند.
میله‌های مته کششی برای سوراخ‌های عمیق‌تر
ابزارهای حفاری کششی برای سوراخ‌های طولانی‌تر طراحی شده‌اند. آنها شامل یک آداپتور ساق یا بخش ساق، یک یا چند میله کششی، کوپلینگ و یک مته هستند. این پیکربندی معمولاً برای حفاری رومیزی، رانش و سایر کاربردهای سوراخ عمیق‌تر که در آنها فولاد یک تکه غیرعملی است، استفاده می‌شود.
میله‌های کششی مدرن اغلب از اتصالات رزوه‌دار استفاده می‌کنند. پروفیل‌های رزوه رایج شامل انواع موجی و نوع پشت‌بند معکوس هستند که برای تحمل بار ضربه‌ای، چرخش و نیروی تغذیه طراحی شده‌اند. میله‌های کششی در ابعاد مختلف شش ضلعی و گرد موجود هستند و اندازه صحیح آنها با توجه به مته سنگ، قطر سوراخ مورد نیاز، عمق حفاری و شرایط عملیاتی مورد انتظار تعیین می‌شود.
یکی از نواحی مهم فرسایش، رزوه است. در شرایط خوب حفاری، عمر مفید یک میله رابط ممکن است تا حد زیادی توسط فرسایش رزوه تعیین شود تا خرابی بدنه میله. یکی از راه‌های بهبود عمر اقتصادی، استفاده از یک بخش رزوه‌دار با طول بیشتر است. وقتی اولین بخش رزوه‌دار فرسوده می‌شود، می‌توان آن را جدا کرد و بخش دوم را به کار انداخت.
این رویکرد می‌تواند به ویژه برای میله‌های حفاری بزرگتر کاربوریزه شده ارزشمند باشد. این روش از دشواری ماشینکاری مجدد رزوه فرسوده پس از حذف لایه سطحی سخت شده اولیه جلوگیری می‌کند. کوپلینگ‌های مورد استفاده با مقاطع رزوه بلندتر باید دارای یک استاپ داخلی مناسب برای قرار دادن صحیح میله‌ها باشند.
انتخاب سیستم ابزار حفاری صحیح
بهترین ابزار حفاری سنگ صرفاً قوی‌ترین یا ارزان‌ترین قطعه نیست، بلکه سیستمی است که به بهترین شکل با عمق حفاری، سختی سنگ، میزان سایندگی، محل اتصال، قطر سوراخ، مدل مته و قابلیت نگهداری مطابقت داشته باشد.
فولاد مته یکپارچه معمولاً انتخاب عملی برای سوراخ‌های کم‌عمق، با قطر کوچک و شرایط حفاری ساده است. فولاد مته جداشونده، جایگزینی مته اقتصادی‌تر و انعطاف‌پذیری بیشتری را در هنگام تغییر شرایط حفاری ارائه می‌دهد. سیستم‌های حفاری کششی، راه‌حل ترجیحی برای سوراخ‌های عمیق‌تر هستند که به چندین میله و اتصالات کنترل‌شده نیاز دارند.
اپراتورها همچنین باید از یک محدوده برنامه‌ریزی‌شده برای طول فولاد مته و قطر مته استفاده کنند. در یک مجموعه فولاد مته، هر ابزار متوالی می‌تواند از نظر طول و قطر مته متفاوت باشد. تفاوت طول مناسب به سختی سنگ و طول پیشروی بستگی دارد، در حالی که قطر مته معمولاً با عمیق‌تر شدن سوراخ کاهش می‌یابد. این به حفظ راندمان حفاری کمک می‌کند و اجازه می‌دهد اندازه نهایی سوراخ با بار انفجاری مورد نظر یا سایر الزامات استفاده از سوراخ سازگار بماند.
