BRPI0616970A2 - método e aparelhamento de perfuração de rocha para perfuração de cavidade - Google Patents

Abstract

MéTODO E APARELHAMENTO DE PERFURAçãO DE ROCHA PARA PERFURAçAO DE CAVIDADE. A presente invenção se refere a um método e a um aparelhamento de perfuração de rocha para perfuração de uma cavidade em uma rocha. No método, a cavidade é perfurada com um assim chamado aparelhamento de martelo de topo de perfuração de rocha incluindo uma haste de broca e uma ponta rolante de cone na extremidade da haste de broca. Durante perfuração com o dispositivo de percussão, pulsos de pressão de baixa amplitude são produzidos em uma alta frequência de pelo menos 200 Hz. No aparelhamento de perfuração de rocha, a ponta rolante de cone (3) na extremidade da haste de broca e o dispositivo de percussão são configurados para alimentação de pulsos de pressão de baixa amplitude, na freqúência de pelo menos 200 Hz, por intermédio da haste de broca e da ponta rolante de cone para a rocha.

Description

"MÉTODO E APARELHAMENTO DE PERFURAÇÃO DE ROCHAPARA PERFURAÇAO DE CAVIDADE"

CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um método paraperfuração de uma cavidade em rocha com um aparelhamento demartelo de topo de perfuração de rocha compreendendo umabroca de rocha, para a qual é atada uma haste de broca, emuma extremidade da qual existe atada uma ponta de broca, eque inclui um dispositivo de percussão e um motor derotação, método no qual a haste de broca e a ponta de brocasão rotacionadas com a rotação do motor, e pulsos depressão são direcionados com o dispositivo de percussão porintermédio da. haste de broca e da ponta de broca para arocha para quebrar a rocha. A presente invençãoadicionalmente se refere a um aparelhamento de perfuraçãode rocha para perfuração de uma cavidade em rocha, oaparelhamento de perfuração de rocha compreendendo ummartelo de topo de broca de rocha, uma haste de broca atadapara o mesmo e uma ponta de broca atada para a extremidadeda haste de broca, e a broca de rocha inclui um dispositivode percussão para proporcionar pulsos de pressão porintermédio da haste de broca e da ponta de broca para arocha e um motor de rotação para rotação da haste de brocae da ponta de broca.

Quando tipos de rochas duras são levados emconsideração, perfuração de rocha é realizada com os assimchamados aparelhamentos de martelo de topo de perfuração de

PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃOrocha, que compreendem uma broca de rocha, uma haste debroca consistindo de uma ou mais partes interconectadasatadas para a mesma e uma ferramenta na extremidade dahaste de broca, isto é, uma ponta de broca. Em soluçõesconhecidas, a ponta de broca possui um corpo fixado em cujasuperfície voltando-se para a direção de perfuração existemembutidos botões de metal duro (resistente) que desempenhama efetiva quebra de rocha pelo efeito de um pulso depressão a partir do dispositivo de percussão. As soluçõesconhecidas possuem a desvantagem de que a quebra de rocharequer grandes forças, e conseqüentemente, os botões demetal duro devem ser projetados mais em vista da duração decarregamento do que da eficiente quebra de rocha. Na medidaem que o diâmetro da cavidade aumenta, o número de botõesquebrando o fundo da cavidade deveria também ser aumentado.

O aumento no número de botões, por sua vez, torna maisdifícil o projeto de pontas de broca, devido ao fato de queos botões são para serem carregados de uma maneirauniforme. O fato de que, na prática, os botões sãocarregados de uma maneira relativamente não uniforme(desigual), diminui a taxa de perfuração.

Adicionalmente, é também difícil para perfurarcavidades grandes, o tamanho de cavidade máximo sendo de5,5 polegadas até 6 polegadas, com aparelhamentos demartelo de topo de perfuração, devido ao fato de queproblemas consideráveis já aparecem em cavidades deperfuração possuindo um diâmetro de 5 polegadas. Nosaparelhamentos de martelo de topo de perfuração de rochaconhecidos também a quantidade de energia requerida paraquebra de rocha é muito alta, tipicamente de cerca de 600 Jaté 800 J. Nos aparelhamentos rotineiros, os botões demetal duro das pontas de broca são submetidos a forças (deresistência) extremamente altas. Na medida em que as pontasde broca são empurradas contra a rocha com grande força eem que os botões se movimentam deslizando sobre asuperfície de rocha, o resultado é desgaste intenso, quetem que também ser levado em consideração no projeto deconfiguração de botão.

Grandes cavidades possuindo um diâmetro de 8 polegadasaté 10 polegadas, são tipicamente perfuradas com brocasrotativas operando sem percussão e utilizando pontas debroca proporcionadas com pontas rolantes de cone rotativas.Estas possuem um problema de que quebra de rocha requerforça estática extremamente grande, e conseqüentemente,estes assim chamados aparelhamentos de perfuração rotativossão pesados e requerem fundamentos robustos.

BREVE DESCRIÇÃO DA PRESENTE INVENÇÃO

O objetivo da presente invenção é o de proporcionar ummétodo e um aparelho para perfuração de rocha, quepossibilita perfuração mais eficiente do que anteriormentee que possibilita aparelhamentos de martelo de topo deperfuração de rocha para aumentar o tamanho de uma cavidadea ser perfurada economicamente e eficientemente quandocomparados com o tamanho rotineiramente possível.

0 método em concordância com a presente invenção estácaracterizado pelo fato de que a ponta de broca utilizada éuma ponta rolante de cone e de que o dispositivo depercussão proporciona pulsos de pressão de baixa amplitudeem uma alta freqüência tal que o fator de carga da ponta debroca é de pelo menos 0,075.

0 aparelhamento de perfuração de rocha em concordânciacom a presente invenção está caracterizado pelo fato de quea ponta de broca é uma ponta rolante de cone e de que odispositivo de percussão é configurado para proporcionarpulsos de pressão de baixa amplitude por intermédio dahaste de broca e da ponta de broca para a rocha em uma altafreqüência tal que o fator de carga da ponta de broca é depelo menos 0,075.

A idéia fundamental em concordância com a presenteinvenção é a de que o aparelhamento de martelo de topo deperfuração de rocha utiliza uma ponta rolante de cone comoa ferramenta. Uma outra idéia fundamental em concordânciacom a presente invenção é a de que a perfuração empregapulsos de pressão de baixa amplitude que são produzidos emuma alta freqüência tal que o fator de carga da ponta debroca é alto, de pelo menos 0,075.

A presente invenção possui uma vantagem de que a cargasobre os botões diminui quando comparada com as soluçõesrotineiramente utilizadas em perfuração de martelo de topo.Da mesma forma, a força de alimentação é significativamentemenor do que a força de alimentação rotineiramenterequerida em perfuração rotativa. Devido ao fato de que aamplitude do pulso de pressão é baixa, o equipamento dehaste utilizado para perfuração pode ser mais bem projetadoem vista dos parâmetros cruciais para perfuração, tais comorigidez, robustez, etc., agora que a tensão na haste debroca não restringe o projeto. Uma vantagem adicional é ade que a ponta rolante de cone proporciona uma cargasimétrica, o que não é freqüentemente o caso com uma pontade broca normal, na qual os botões sobre a superfíciefrontal têm que ser colocados assimetricamente de maneira apossibilitar perfuração eficiente. Ainda uma outra vantagemé a de que, graças à movimentação rotativa da ponta rolantede cone, fricção de perfuração e desgaste de ferramenta sãosignificativamente menores do que em soluçõesrotineiramente disponíveis.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO

A presente invenção irá ser descrita em maioresdetalhes posteriormente, de uma maneira não limitante, comreferência para as Figuras dos Desenhos acompanhantes, nosquais:

A Figura 1 é uma vista esquemática de um aparelhamentode perfuração de rocha em concordância com a presenteinvenção;

A Figura 2 mostra esquematicamente uma força atuandosobre uma ponta de broca em um aparelhamento de martelo detopo de perfuração de rocha convencional, uma assim chamadabroca rotativa e o aparelhamento de perfuração de rocha emconcordância com a presente invenção; e

A Figura 3 mostra esquematicamente, similarmente paraa Figura 2, as mesmas forças com diferentes valores.

As Figuras são somente representações esquemáticas e apresente invenção não está limitada para as concretizaçõesnelas representadas.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE ALGUMAS CONCRETIZAÇÕES DAPRESENTE INVENÇÃO

A Figura 1 mostra um aparelhamento de martelo de topode perfuração de rocha, que compreende uma broca de rocha(1), uma haste de broca (2) atada para a broca de rocha (1)e uma ponta rolante de cone (3) atada na extremidade dahaste de broca (2) . A broca de rocha (1) compreende umdispositivo de percussão (Ia) e um motor de rotação (Ib). 0dispositivo de percussão (Ia) entrega impactos porintermédio da haste de broca (2) para uma ponta rolante decone (3), e correspondentemente, o motor de rotação (Ib)rotaciona a haste de broca (2) e a ponta rolante de cone(3) com a mesma. Suas estrutura e operação são conhecidasde per se, e conseqüentemente, elas não necessitam serdescritas em maiores detalhes.

Tipicamente, o dispositivo de percussão se movimentade uma maneira conhecida de per se e por intermédio demecanismos de alimentação conhecidos de per se ao longo deum feixe de alimentação (4) , na extremidade do qual existetipicamente um guia de broca (5) para guiar a haste debroca (2) e, por conseqüência, a ponta de broca (3) duranteperfuração. O feixe de alimentação (4), por sua vez, étipicamente conectado com um botaló (pontalete) (6) ou oassemelhado para uma base (um assentamento), não mostrada,do aparelhamento de perfuração. Estas estruturas e aoperação das mesmas são comumente conhecidas e aparentespara uma pessoa especializada no estado da técnica, econseqüentemente, elas não necessitam ser descritas emmaiores detalhes considerando-se isto. No curso deperfuração, uma cavidade (7) é tipicamente produzida narocha (8).

No aparelhamento de perfuração de rocha emconcordância com a presente invenção, o dispositivo depercussão (Ia) da broca de rocha (1) produz pulsos defreqüência em uma freqüência de 200 Hz até 1.000 Hz para ahaste de broca (2) e através dela para a ponta de broca (3)e adicionalmente para a rocha a ser perfurada. Quando aponta de broca (3) é correspondentemente rotacionada com omotor de rotação (Ib) , por exemplo, de 250 rpm até 300 rpmno mínimo, enquanto perfurando uma cavidade de 100 mm dediâmetro, a ponta rolante de cone (3) gerencia para virar(girar) tal que sobre chegada de cada pulso de pressão, osbotões em contato com a rocha estão sempre sobre umaposição diferente a partir de um sobre chegada do pulso depressão precedente. A amplitude do pulso de pressão a seralimentado para a ponta rolante de cone é baixa,tipicamente de 100 MPa, 150 MPa no máximo. Quando somenteuns poucos botões da ponta rolante de cone, que tipicamenteinclui três cones de rotação proporcionados com botões demetal duro, estão em contato com a rocha, é possíveldirecionar força suficiente para a rocha por intermédio dosbotões e, por conseqüência, conseguir a rocha quebrada. Aquantidade requerida de energia por pulso de pressão étipicamente de cerca de 1/5 até 1/10 da energia requeridaem aparelhamento de perfuração de rocha convencional,quando uma cavidade de um tamanho correspondente éperfurada. Por outro lado, devido ao fato de que na pontarolante de cone (3) os botões de metal duro não sãofriccionados contra a rocha, mas enquanto rotacionando aponta faz com que os cones rolantes rotacionem e os botõesde metal duro contra a rocha mudem sobre um fundamentocontínuo devido à rotação, os botões de metal duro nãonecessitam ser projetados para resistir às grandes forçase, portanto, eles podem ser configurados para seremeficientes a partir do ponto de vista de quebra de rocha.

Devido à ponta rolante de cone a movimentação rotativanecessária é baixa, devido ao fato de que não existenecessidade para superar fricção de deslizamento como emsoluções conhecidas. A força de alimentação requerida érelativamente baixa e, contudo, como um resultado, aquebradura de rocha é muito eficiente.

A Figura 2 mostra esquematicamente uma força atuandosobre a ponta de broca em um martelo de topo convencionalde broca de rocha, uma assim chamada broca rotativa e oaparelhamento de perfuração de rocha em concordância com apresente invenção utilizando o método em concordância com apresente invenção. A amplitude de pulsos de pressão geradospelo martelo de topo de broca de rocha convencional é altae a duração dos pulsos de pressão é muito curta. No caso daFigura 2, pulsos de pressão típicos de uma broca de rochaconvencional (por exemplo, freqüência de 50 Hz, comprimentode pulso de 0,2 ms) produzem uma força de carga momentâneade cerca de 250 kN, por intermédio do que como o fator decarga total (a) da ponta de broca é de cerca de 0,01. Estespulsos estão simbolizados com a letra (A).

A especificação de fator de carga total (a) utilizadoem quebra de rocha determina como a rocha a ser quebradairá ser carregada temporariamente. Isto pode ser expressadopela fórmula:

a = tp/T = tpf = Lp f/c. (1)

onde (tp) é o comprimento de um pulso de pressão, (f) éa freqüência, (Lp) é o comprimento de onda e (c) é avelocidade de pulso de pressão em uma ferramenta. Emdispositivos de percussão rotineiros um típico fator decarga é de (a) = 0,01 - 0,025.

Por exemplo, em dispositivos de percussão cujocomprimento de pistão é de 0,5 m e freqüência é de 60 Hz, ofator de carga (a) é de 0,012.

0 método em concordância com a presente invençãoproporciona um fator de carga consideravelmente mais alto,em que:

(a) => 0,075, preferivelmente de pelo menos 0,1.

Na teoria o valor de carga máximo é 1, mas na práticaele não pode ser aquele. O dispositivo gerando a onda depressão dispende (consome) algum do tempo para geração deonda de pressão e algum do tempo para recuperação, isto é,retornando para a posição de geração de onda de pressão. Naprática, isto significa que devido ao fato efetivo de que avelocidade de recuperação não pode ser mais alta do que avelocidade de geração de onda de pressão, o fator de cargamáximo permitido é, na prática, de cerca de 0,5.

Quando a assim chamada broca rotativa é utilizada paraperfuração, a ponta de broca é continuamente submetida parauma carga estática [ (a) ~ 1] , representada por uma linhahorizontal (B). Ela é da ordem de 70 kN, por exemplo.

No martelo de topo de broca de rocha convencional, aponta de broca fixada convencional tem que serprimariamente projetada otimizada para resistência à forçade carga. Esta é a razão pela qual tanto a configuração e aestrutura dos botões e quanto a estrutura da ponta de brocatêm que ser projetadas, na prática, unicamente com estepropósito em mente, devido ao fato de que é crucial paraperfuração que a ponta de broca permaneça (dure) pelo menospor um período de tempo razoável. Em perfuração rotativanormal desempenhada por uma ponta rolante de cone de altaresistência de carga não é o fator primordial, devido aofato de que a força de carga é de cerca de 1/3 da força decarga do martelo de topo de broca de rocha com uma ponta debroca fixada. Aparelhamento pesado para provisão de umacarga estática é necessário, ao invés disso.

A letra (C) simboliza uma situação criada porntermédio do aparelhamento de perfuração de rocha emconcordância com a presente invenção, isto é, o martelo detopo de broca de rocha proporcionado com uma ponta rolantede cone (por exemplo, freqüência de 500 Hz, comprimento depulso de 0,4 ms). Aqui, a força de carga é de cerca de 70 %mais alto do que em brocas rotativas, mas menor do quemetade da força de carga proporcionada por uma máquina demartelo de topo de perfuração de rocha convencional. Aponta rolante de cone suporta (resiste a) esta espécie decarregamento momentâneo, em que a utilização de pulso depressão de alta freqüência produz um fator de carga (a) de0,01. Na medida em que as freqüências de pulso de pressãoentre a máquina de martelo de topo de perfuração de rochaconvencional e o aparelhamento de perfuração de rocha emconcordância com a presente invenção são comparadas, éaparente a partir da Figura 2 que no aparelhamento deperfuração de rocha e no método em concordância com apresente invenção, a freqüência de pulso de pressão podeser até de mais do que dez vezes mais alta. A utilização debaixa amplitude, que é mais alta do que o valor estáticotipicamente obtido por uma broca rotativa, e altafreqüência produzem um alto fator de carga (a), que é de 10até 200 vezes mais alto comparado com o fator de cargaproduzido levando-se em consideração uma máquina de martelode topo de perfuração de rocha convencional proporcionadacom uma ponta de broca fixada.

A Figura 3 mostra esquematicamente, similarmente paraaquela na Figura 2, uma força atuando sobre a ponta debroca em um martelo de topo de broca de rocha convencional,um assim chamado dispositivo de perfuração rotativo e oaparelhamento de perfuração de rocha em concordância com apresente invenção utilizando o método em concordância com apresente invenção. Entretanto, neste caso os valores depulso de pressão utilizados levando-se em consideração ométodo em concordância com a presente invenção sãodiferentes, isto é, a freqüência é de 400 Hz e ocomprimento de pulso é de 0,25 ms, ainda que a amplitude depulso seja a mesma. 0 fator de carga (a) irá ser então de 0,1.

Nos testes experimentais executados para estudo daoperação do método e do aparelho em concordância com apresente invenção, foi verificado que quando utilizando umafreqüência de pulso de 200 Hz até 1.000 Hz é vantajosoutilizar uma proporção de carga de 0,075 - 0,5. Na medidaem que a proporção de carga aumenta, a necessidade paraforça de alimentação aumenta consideravelmente, o que nãodesej ável.

O desenho e o relatório descritivo a ele relacionadosão somente intencionados para ilustrar a idéia inventiva.

Os detalhes em concordância com a presente invenção podemvariar dentro do escopo de proteção das reivindicações depatente subseqüentemente.

Portanto, embora a presente invenção tenha sidodescrita com referência para concretizações especificas,deverá ser observado por aqueles especializados no estadoda técnica que a presente invenção não é para serconsiderada como estando limitada para as concretizaçõesilustrativas, preferidas e vantajosas descritasanteriormente, mas certamente, um número de variações e demodificações é conceptivel dentro do escopo de proteção dasreivindicações de patente posteriormente.

Claims (6)

1. Um método para perfuração de uma cavidade em umarocha com um aparelhamento de martelo de topo de perfuraçãode rocha compreendendo uma broca de rocha (1), para a qualé atada uma haste de broca (2), em uma extremidade da qualexiste atada uma ponta de broca, e que inclui umdispositivo de percussão (Ia) e um motor de rotação (Ib),método no qual a haste de broca (2) e a ponta de broca sãorotacionadas com o motor de rotação, e pulsos de pressãosão direcionados com o dispositivo de percussão (Ia) porintermédio da haste de broca (2) e da ponta de broca para arocha para quebrar a rocha, caracterizado pelo fato de quea ponta de broca utilizada é uma ponta de rolante de cone(3) e de que o dispositivo de percussão (Ia) gera pulsos depressão de baixa amplitude em uma alta freqüência tal que ofator de carga (a) da ponta de broca é de pelo menos 0,075.

2. 0 método de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que a freqüência de pulso depressão é de pelo menos 200 Hz.

3. 0 método de acordo com as reivindicações 1 ou 2,caracterizado pelo fato de que a amplitude dos pulsos depressão é de 150 MPa no máximo, preferivelmente de 100 MPa.

4. Um aparelhamento de perfuração de rocha paraperfuração de uma cavidade em uma rocha, o aparelhamento deperfuração de rocha compreendendo um martelo de topo debroca de rocha (1), uma haste de broca (2) atada para omesmo e uma ponta de broca atada para a extremidade dahaste de broca (2) , e a broca de rocha (1) compreende umdispositivo de percussão (Ia) para provisão de pulsos depressão por intermédio da haste de broca (2) e a ponta debroca para a rocha e um motor de rotação (Ib) para rotaçãoda haste de broca (2) e da ponta de broca, caracterizadopelo fato de que a ponta de broca é uma ponta rolante decone (3) e de que o dispositivo de percussão (Ia) éconfigurado para proporcionar pulsos de pressão de baixaamplitude por intermédio da haste de broca (2) e a ponta debroca para a rocha em uma alta freqüência tal que o fatorde carga (a) da ponta de broca é de pelo menos 0,075.

5. O aparelhamento de perfuração de rocha de acordocom a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que odispositivo de percussão (Ia) é configurado para produçãode pulsos de pressão na freqüência de pelo menos 200 Hz.

6. 0 aparelhamento de perfuração de rocha de acordocom as reivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato deque o dispositivo de percussão (Ia) é configurado paraprodução de pulsos de pressão possuindo a amplitude de 150MPa no máximo, preferivelmente de 100 MPa.