FI90276B - Menetelmä reiän poraamiseksi kallioon - Google Patents

Description

1 90276

Menetelmä reiän poraamiseksi kallioon Tämän keksinnön kohteena on menetelmä kallionpo-rauksen ohjaamiseksi, jossa menetelmässä porakoneen isku-5 tehoa ja syöttövoimaa säädetään porauksen optimoimiseksi siten, että poran pyöritysteho on korkeintaan ennalta asetetun raja-arvon suuruinen, jolloin porauksessa on erillinen aloitusporausvaihe ja varsinainen porausvaihe ja porausta ohjataan automaattisesti vaiheittain siten, että 10 porausvaiheet toteutetaan peräkkäin yksi kerrallaan, aloi-tusporausvaiheen ja varsinaisen porausvaiheen välissä on siirtymävaihe aloitusporauksesta varsinaisen reiän poraukseen, kussakin porausvaiheessa iskutehoon ja syöttövoimaan vaikuttavat säätöparametrit asetetaan siten, että iskuteho 15 ja syöttövoima ovat kyseistä porausvaihetta varten mahdollisimman sopivat, aloitusporausvaiheessa parametreinä käytetään iskutehoa, syöttövoimaa ja porausaikaa tai poraus-matkaa niin, että iskuteho ja syöttövoima asetetaan porauksen aloitusta varten sopiviksi ja reiän poraus aloite-20 taan poraamalla reikää ennalta asetetun ajan tai ennalta asetetun poraussyvyyden verran.

Kallionporauksessa yleensä poraus perustuu ohjaukseen, jossa porari ohjaa laitteen toimintaa käytännössä hankkimansa kokemuksen perusteella. Tässä tapauksessa po-• · 25 rari yleensä asettaa tietyt perusasetukset oletettujen olosuhteiden mukaan eikä ehdi mahdollisia poikkeamia havaitsemaan ja niiden perusteella ohjaamaan toimintaa. Erityisesti silloin, kun kyseessä on useampi-puominen poraus-laite, ei porari yksinkertaisesti ehdi jokaista seurata : 30 niin tehokkaasti ja jatkuvasti, että hän pystyisi kaikkia optimaalisesti ohjaamaan. Tästä seuraa yleensä osittain tehotonta porausta ja toisaalta laiterikkoja.

Automaattiseen porauksenohjaukseen perustuvissa järjestelmissä takaisinkytkentä ja ohjaus on toteutettu 35 hydraulisilla toimilaitteilla siten, että jotain toimin- 2 90276 taparametria kuten iskua, pyöritystä tai syöttöä ohjataan jonkin muun parametrin perusteella niin, että esimerkiksi pyörityksen vaatiman voiman kasvaessa syöttöä hidastetaan tai iskua lisätään. Näissä ratkaisuissa säätö perustuu 5 puhtaaseen tietynlaisten toimintapiirteiden suhteuttamiseen ilman, että olosuhteisiin liittyviä säätöparametreja olisi millään tavalla voitu määritellä sen tarkemmin.

US-patentissa 4,793,421 on esitetty ohjelmoitu automaattisen porauksen säätö, jolla pyritään porausta opti-10 moimaan. Kyseisen julkaisun ratkaisussa on käytetty kahta parametriryhmää, joissa toisella ohjataan tuntoelimien avulla pyörimisnopeuden maksimisäätöä ja toisessa ohjataan maksimitehoa syöttömoottorille. Julkaisun mukaan sekä pyörityksen että syötön maksimiarvoja käytetään kunnes saavu-15 tetaan jommalla kummalla tavalla asetetut raja-arvot tai porausolosuhteet edellyttävät raja-arvojen uudelleen asettelun. Julkaisun ratkaisu ei suoranaisesti ole sovellettavissa kallionporaukseen, koska se säätää pelkästään pyörivää porausta. Lisäksi ratkaisussa pyritään pelkästään mah-20 dollisimman suureen pyöritystehoon tai syöttötehoon eikä porauksen eri vaiheita siinä mielessä säädetä erikseen.

US-patentissa 4,354,233 on esitetty ratkaisu, jossa tietokone vertaa asetettua tunkeutuma-arvoa toteutuneeseen tunkeutuma-arvoon. Tässä menetelmässä säädetään pyöritys-25 nopeutta ja aksiaalikuormitusta eli syöttöä sekä vääntöä ja heilahdusnopeutta. Julkaisussa ei millään tavalla ole otettu huomioon eri porausvaiheiden säätöarvojen muutoksia.

US-patentissa 4,165,789 on esitetty menetelmä, jos-30 sa optimointi perustuu porakoneen pyörityksen säätöön ja pyöritysvastuksen säätöön. Menetelmässä toista parametria pyritään pitämään vakiona säätämällä toista. Ratkaisu on varsin yksinkertainen eikä sillä pystytä optimoimaan koko porausta. Ratkaisussa ei myöskään millään tavalla oteta 35 huomioon eri porausvaiheiden vaatimia säätöeroja ja para- ii 3 90276 metrimuutoksia.

US-patentissa 3,581,830 mitataan poratangon vääntöä ja säätöparametrina käytetään syöttövoimaa, jolloin syöt-tövoimaa eli syöttönopeutta vähennetään, kun säätö ylittää 5 ennalta asetetun arvon. Kyseisellä ratkaisulla pyritään pelkästään pitämään poratangon vääntörasitus alle tietyn raja-arvon eikä sillä mitenkään säädetä tai edes pyritä säätämään porausta sen eri vaiheiden vaatimien asetusarvo-jen muutosten mukaan. Edellä esitetyissä viitejulkaisuis-10 sa on yleisenä heikkona piirteenä se, että ne säätävät vain osaa porauksesta ja niiden parametrien muuttaminen on hankalaa tai useimmiten mahdotonta.

Tunnetun tekniikan haittapuolena on, että sillä tyypillisesti saadaan epätaloudellista porausta, koska 15 porausparametrit ovat tavalla tai toisella vääriä. Hydrau-liikkaohjaukseen perustuvat järjestelmät ovat varsin hitaita reagoimaan äkillisiin muutoksiin porauksen aikana, jonka seurauksena sekä tehoton että epätaloudellinen poraus että laiterikot ovat hyvin tavallisia. Edelleen pelk-20 kään hydrauliikkaan perustuvien järjestelmien virittäminen ja modifiointi on hankalaa ja niitä on käytännössä mahdoton saada seuraamaan porausolosuhteita tarkasti ja siten taloudellisesti ja teknisesti tehokkaasti.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sel-25 lainen menetelmä porauksen toteuttamiseksi, jolla vältetään tunnettujen ratkaisujen haittapuolia ja jolla saadaan poraus toteutetuksi tehokkaasti ja aina porausolosuhteet hyvin huomioonottaen. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on ominaista, että siirtymävaiheessa parametrina käytetään 30 iskutehon ja syöttövoiman välistä suhdetta niin, että aloitusporauksesta siirrytään varsinaiseen poraukseen lisäämällä iskutehoa ja syöttövoimaa olennaisen tasaisesti nousevasti, kunnes saavutetaan varsinaisen porauksen ase-tusarvot.

35 Keksinnön olennainen ajatus on, että porausta ohja- 4 90276 taan sen eri vaiheissa kunkin vaiheen mukaan välttämättömillä ja tarpeellisilla säätöparametreilla siten, että kukin porauksen vaihe saadaan tehdyksi mahdollisimman hyvin ja tehokkaasti. Keksinnön etuna on, että poraus saa-5 daan mahdollisimman taloudelliseksi samalla, kun porauskaluston tarpeeton rasitus saadaan poistetuksi ja siten vauriot vähennetyksi nykyisestä tekniikasta merkittävästi.

Keksintöä selostetaan lähemmin oheisissa piirustuksissa, joissa 10 kuvio 1 esittää kaavamaisesti keksinnön mukaisen menetelmän säätöperiaatetta, kuvio 2 esittää kaavamaisesti poraustehon ja syötön suhdetta keksinnön mukaista menetelmää toteutettaessa, kuvio 3 esittää kaavamaisesti terä-kivikontaktin 15 säädön periaatetta ja kuvio 4 esittää kaavamaisesti kuvion 3 mukaisen säätäjän toiminta-aluetta.

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti keksinnön mukaisen säätömenetelmän säätökaavio. Säätö 1 käsittää eri-20 laisia toiminnallisia vaihtoehtoja, jotka perustuvat olo suhteisiin ja tilanteeseen ja sen perusosat ovat sekvens-siperustainen porauksensäätö 2, porausparametrien tason säätö 3 ja poikkeuksellisten tilanteiden käsittely 4. Normaali sekvenssiporaus perustuu neljään sekvenssiin, joista 25 ensimmäinen on aloitusporaus 2a ja sen jälkeen ramppivaihe 2b, jolla siirrytään aloitusporauksesta normaaliporaukseen 2c ja tämän jälkeen poraamisen lopetus 2d. Näiden lisäksi on vielä periaatteessa viides tila, eli seis-tila, jossa laitteisto on valmiina aloittamaan poraamisen. Poikkeuk-30 sellisten tilanteiden käsittely puolestaan sisältää erilaiset mahdolliset poikkeustilanteet, kuten kiinnitarttu-minen 4a, rikkoutunut terä 4b, ryntääminen 4c ja riittämätön tunkeutuma 4d, ja niiden käsittelyn.

Aloitusporauksessa 2a asetetaan ennalta iskun teho 35 ja syötön nopeustaso sekä aika tai poraussyvyys, jona ai-

II

5 90276 kana aloitusporausparametreja käytetään. Tämän jälkeen siirrytään aloitusporauksesta normaaliin poraukseen rampin kautta, jolloin iskun ja syötön ohjausta kasvatetaan asetettuun tehotasoon päin nousevan rampin kautta siten, että 5 nousu on olennaisesti lineaarista. Tässä siirtymävaiheessa eli ramppivaiheessa 2b on ennalta asetettavana parametrina iskun ja syötön välinen suhde eli iskutehon ja syöttövoi-man välinen suhde. Rampin 2b jälkeen ollaan normaalipo-rauksessa 2c, jolloin toimintaan lisätään terä-kivikontak-10 tin säätö ja syötön taso säädetään siten, että poratangon pyöritysmoottorin pyörityspaine pysyy ennalta-asetetussa säätöarvossa. Normaaliporaukseen liittyy edelleen rajoit-timen sisältävä säätäjä, joka huolehtii riittävästä syötöstä asetettuun poraustehotasoon nähden myös tilanteissa, 15 joissa pyörityspaine on syystä tai toisesta poikkeuksellisen suuri kuten porattaessa jostain syystä vinoon tai porauksen alkaessa hydrauliöljyn ollessa vielä kylmä. Pyöri-tyspaineen kasvaessa tarpeeksi suureksi kyseinen säätäjä muuttuu passiiviseksi ja normaaliporauksessa otetaan käyt-20 töön niin sanottu lusta-automatiikkasäätö, jolla poraus-toimintaa säädetään normaalisti. Lusta-automatiikkasäätö on sinänsä yleisesti tunnettu ja se voidaan toteuttaa eri tavoin, minkä vuoksi sitä ei ole tässä yksityiskohtaisemmin selostettu. Reiän tultua valmiiksi poratuksi siirry-25 tään paluuvaiheeseen 2d, jossa poraa vedetään yleensä pi-kaliikkeellä taaksepäin ja porakruunun tullessa ennalta asetetun matkan päähän taka-asemastaan poran liikettä hidastetaan, kunnes se pysäytetään sen saavuttua taka-ase-mansa.

30 Porauksen valvonnassa tarkkaillaan muun muassa aiemmin mainittua lustatilannetta, huuhtelua ja tunkeutu-vuutta.

Lusta-automatiikka toimii pyörityspaineen tarkkailun perusteella, jolloin pyörityspaineen ylittäessä ennal-35 ta-asetetun ylärajan poraa vedetään välittömästi pikaliik- 6 90276 keellä taaksepäin ja vasta pyörityspaineen laskiessa en-nalta-asetetun alarajan alapuolella porausta jatketaan osateholla ennaltamääritellyn matkan verran eteenpäin. Vasta tämän ennaltamäärätyn osateholla tapahtuvan porauk-5 sen jälkeen siirrytään osateholta uudelleen ramppivaiheen 2b kautta asetetulle poraustehotasolle.

Huuhtelua valvotaan tarkkailemalla huuhteluveden virtausta virtausvahdilla. Mikäli huuhtelu jostain syystä katkeaa ja on pois päältä ennaltamääritellyn ajan verran, 10 poraa vedetään esim. isketyksellä taaksepäin, kunnes huuhtelu jälleen toimii tai kunnes pora saavuttaa taka-aseman-sa. Mikäli huuhtelu alkaa toimia ennenkuin pora on taka-asemassaan, porausta jatketaan jälleen osateholla ennaltamääritellyn matkan verran ja vasta tämän jälkeen siirry-15 tään jälleen ramppivaiheen 2b kautta osateholta asetetulle tehotasolle.

Tunkeutuvuutta valvotaan asettamalla tunkeutumis-nopeudelle alaraja, joka estää poraustoiminnon, mikäli pora ei tunkeudu kiveen riittävän nopeasti porauksen aika-20 na. Näin saattaa tapahtua esimerkiksi, mikäli porakruunu on rikkoutunut tai muu osa kalustoa on rikkoutunut. Tässä tapauksessa asetettava parametri on aika. Mikäli tunkeutu-misnopeus kyseisenä asetettuna aikana on pienempi kuin ennalta-asetettu tunkeutumisen raja-arvo, käynnistyy val-25 vontatoiminta ja siten poraustoimintojen pysäyttäminen. Vastaavasti tunkeutumisnopeuden ylärajaa valvotaan sen vuoksi, että voitaisiin estää poraus silloin, kun tunkeu-tumisnopeus on liian suuri eli poralaite ryntää eteenpäin. Tämä ryntäyksen valvonta estää iskutoiminnon silloin, kun 30 terä on irti kivestä ja siten estää kaluston vaurioitumisen. Tässä tapauksessa asetettava parametri on aika, jonka verran tunkeutumisnopeuden on ylitettävä asetettu raja-arvo ennenkuin valvontatoiminto aktivoituu.

Kuviossa 2 on kaavamaisesti esitetty poraussäädön 35 lohkokaavio. Lohkokaaviossa on numerolla 20 merkitty poti 7 90276 raustehon säätö, jossa asetetaan poraustehon asetusarvo 21 välille 0 - 100 % ja sen jälkeen kulmakerroin 22, jolla säädetään poraustehon nousukulmaa kO eli sitä nopeutta, millä poraustehon arvo kasvaa ramppivaiheessa. Poraustehon 5 sen hetkinen oloarvo siirtyy edelleen iskutehon säätöön 30, jossa vastaavasti asetetaan iskutehon aloitusarvo 31 eli iskutehon minimiarvo ai ja vastaavasti iskutehon kulma-kerroin 32, jolla säädetään sen nousukulmaa kl. Tämän säätölohkon ohjaamiin säätöelimiin vaikuttaa iskutehon 10 säätöarvo Pp. Vastaavasti kullakin hetkellä oleva porauksen tehon oloarvo vaikuttaa säätölohkoon 40, jolla asetetaan minimi syöttövoimakkuus syötön säätämiseksi. Säätölohkoa 30 vastaavalla tavalla tässä asetetaan minimiarvo 41, jolla säädetään syötön voiman minimiarvo a2 ja vastaavasti 15 42, jolla säädetään syötön voiman nousun kulmaa k2. Näiden arvojen perusteella saadaan asetusarvo Fm, joka ilmaisee syöttövoiman minimiarvon. Tämä johdetaan puolestaan syöt-tövoiman säätimeen 50. Vastaavasti syöttömoottorin säätämiseksi säätöeron ilmaisimeen 60 tuodaan pyörityspaineen 20 asetusarvo 61 ja pyörityspaineen oloarvo 62, joiden erolla 63 säädetään syöttöä säätölohkossa 70. Säätölohkossa 70 asetetaan paineelle sen toiminta-alueen ylä- ja ala-arvot, jotka pitävät pyörityspaineen toiminnan kannalta sopivalla painealueella, mikä estää syötön ohjauksen niin sanotun 25 kyllästymisen toiminnan kannalta. Näiden välisellä alueella säädetään syöttöä johtamalla täten saatu syötön asetusarvo fs vertailijaan 50, joka valitsee arvoista f mln ja f, suuremman ja säätää sen avulla syöttötasoa fc. Kuvion 2 mukaisessa tapauksessa poraustehon arvo vaikuttaa syötön 30 arvoon myötäsuuntaisesti eli kyseessä on niinsanotusti myötäkytkentä, jossa syötön arvo seuraa samaan suuntaan kuin poraustehon arvo eli myötäkytkentä tapahtuu tehon asetuksesta 21 lohkon 20 kautta lohkoon 40 ja edelleen lohkoon 50 syötön säätöarvoon fc asti. Vastaavasti pyöri-35 tyspaineen mittaus ja sen avulla tapahtuva ohjaus muodos- β 90276 taa takaisinkytkentäsilmukan, jossa takaisinkytkentä on asetusarvon 61 ja mitatun pyörityspaineen oloarvon 62 välisen erotuksen aikaansaama erosignaali 63, joka säätimen 70 kautta säätää syötön arvoa fc itseensä nähden vastakkai-5 seen suuntaan.

Kuviossa 3 on esitetty kaavamaisesti terä-kivikon-taktin säädön periaate. Vertailijasta 60 tuleva pyöritys-paineen asetusarvon 61 ja mitatun arvon 62 välinen ero 63 ohjaa säätäjää 70 syötön ohjaamiseksi. Syötön ohjausarvo 10 siirtyy sähköhydrauliseen järjestelmään 80, josta pyöri- tyspaine mitataan mittalaitteella 81 ja johdetaan signaalina 62 eroilmaisimeen 60. Sähköhydraulinen järjestelmä 80 puolestaan käyttää porauksen toimilaitteita 90 reiän poraamiseksi kallioon 100. Tässä kuviossa on jätetty tarkoi-15 tuksella pois kuvion 2 mukainen iskutehon ja poraustehon säätö sekä minimisyöttövoiman säätö, jotta toiminnan periaate tulisi selvemmin esille. Kuvion 3 mukaisessa ratkaisussa toiminta perustuu siihen, että pyöritysteholle asetetaan tietty asetusarvo ja sitä pyritään pitämään siinä, 20 mittaamalla todellinen pyörityspaine ja säätämällä syöttöä paine-erojen avulla. Tällöin ei esitettyä porakruunua painetaan porattavaa pintaa vasten olennaisesti tasaisella voimalla ja se toimii porausteknisesti mahdollisimman tehokkaasti. Tällä tavalla saadaan kompensoiduksi syöttöme-25 kanismin kitkat ja muut siihen vaikuttavat seikat, mitkä huonontavat poraustulosta. Mikäli syöttö on liian heikko, pyrkii pora irtoamaan kalliosta ja lopputuloksena on, että pyörityspaine laskee ja paine-ero 63 kasvaa. Tämän seurauksena syöttöä lisätään, kunnes paine-ero on olennaises-30 ti 0. Vastaavasti, mikäli syöttö on liian suuri, nousee pyörityspaine ja vertailijän 60 ilmaisema paine-ero on negatiivinen säätäen syöttöä hitaammaksi, kunnes paine on olennaisesti asetusarvossaan.

Kuviossa 4 on esitetty kaavamaisesti kuvion 3 mu-35 kaisen säätäjän toiminta-alue. Kuviossa on vaaka-akselille 11 9 90276

Pd määritelty asetettu porausteho, jolloin siihen on määritelty minimi syöttövoima a2 sekä poraustehon perusteella nouseva kulmakerroin k2. Näiden määrittelemän linjan fmln alapuolella ruudukolla R ilmaistuna on syötönohjauksen 5 kielletty alue eli syötön voiman täytyy olla aina linjan fBln yläpuolella tai vähintään sen suuruinen. Käyrä fc r puolestaan esittää erään säätökäyrän, jonka mukaan syöttö-voimakkuus on säätynyt poraustehon ja muiden olosuhteiden funktiona.

10 Edellä selityksessä ja piirustuksissa keksintöä on selostettu vain esimerkinomaisesti ja kaavamaisesti, eikä sitä ole millään tavalla rajoitettu siihen.

Claims (1)

1. Menetelmä kallionporauksen ohjaamiseksi, jossa menetelmässä porakoneen iskutehoa (Pp) ja syöttövoimaa (fc) 5 säädetään porauksen optimoimiseksi siten, että poran pyö-ritysteho on korkeintaan ennalta asetetun raja-arvon suuruinen, jolloin porauksessa on erillinen aloitusporausvai-he ja varsinainen porausvaihe ja porausta ohjataan automaattisesti vaiheittain siten, että porausvaiheet toteute-10 taan peräkkäin yksi kerrallaan, aloitusporausvaiheen (2a) ja varsinaisen porausvaiheen (2c) välissä on siirtymävaihe (2b) aloitusporauksesta (2a) varsinaisen reiän poraukseen, kussakin porausvaiheessa iskutehoon (Pp) ja syöttövoimaan (fc) vaikuttavat säätöparametrit asetetaan siten, että is-15 kuteho (Pp) ja syöttövoima (fc) ovat kyseistä porausvaihet-ta varten mahdollisimman sopivat, aloitusporausvaiheessa (2a) parametreinä käytetään iskutehoa (Pp), syöttövoimaa (f£) ja porausaikaa tai porausmatkaa niin, että iskuteho (Pp) ja syöttövoima (fc) asetetaan porauksen aloitusta var-20 ten sopiviksi ja reiän poraus aloitetaan poraamalla reikää ennalta asetetun ajan tai ennalta asetetun poraussyvyyden verran, tunnettu siitä, että siirtymävaiheessa (2b) parametrina käytetään iskutehon (Pp) ja syöttövoiman (fc) välistä suhdetta niin, että aloitusporauksesta (2a) 25 siirrytään varsinaiseen poraukseen (2c) lisäämällä isku-tehoa ja syöttövoimaa olennaisen tasaisesti nousevasti, kunnes saavutetaan varsinaisen porauksen asetusarvot. Il 11 90276 Förfarande för styrning av bergborrning, i vilket förfarande borrmaskinens slageffekt (Pp) och matningskraft 5 (fc) regleras för att optimera borrningen, sä att borrens rotationseffekt är högst lika med ett förutbestämt gräns-värde, varvid borrningen bestär av ett separat inledande borrningssteg och ett egentligt borrningssteg, och borrningen styrs automatiskt stegvis sä att borrningsstegen 10 förverkligas efter varandra, ett ät gängen, mellan det inledande borrningssteget (2a) och det egentliga borr-ningssteget (2c) finns ett övergängssteg (2b) frän den inledande borrningen (2a) tili den egentliga hälborrnin-gen, reglerparametrarna, som i varje borrningssteg inver-15 kar slageffekten (Pp) och matningskraften (fc), installs sä att slageffekten (Pp) och matningskraften (fc) är lämpli-gast möjliga för det ifrägavarande borrningssteget, i det inledande borrningssteget (2a) används som parametrar slageffekt (Pp)/ matningskraft (ff) och borrningstid eller 20 borrningssträcka, sä att slageffekten (Pp) och matningskraften (fc) installs lämpliga för inledandet, och borrningen av hälet inleds genom att borra hälet för en förutbes-tämd tid eller för ett förutbestämt borrningsdjup, k ä n -netecknat därav att vid övergängssteget (2b) an-25 vänds förhällandet mellan slageffekten (Pp) och matningskraften (fc) som parameter, sä att frän den inledande borrningen (2a) övergäs tili den egentliga borrningen (2c) genom att slageffekten och matningskraften ökas väsentli-gen jämnt stigande, tills börvärden för den egentliga 30 borrningen uppnäs.