RU1796769C - Способ регулировани процесса бурени горных пород - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени  заключаетс  в следующем: на основании результатов бурени  предыдущей скважины программируемый контроллер запасает в пам ти крепость буримых пород и соответствующие ей рацио-о нальные значени  режимных параметров, ко-° торым отвечает максимум стойкости породоразрушающего инструмента при заданной сменной производительности бурового агрегата. Кроме того, в пам ти имеютс  значени  произведений механической скорости бурени  на соответствующее значение крепости породы: D v f. В начале бурени  скважины программируемый контроллер задает регул торам сигналы, пропорциональные начальным значени м режимных параметров, отвечающих начальному значению крепости породы, при этом измер етс  реальное значение механической скорости бурени , на которое делитс  начальное значение показател  D. Полученное реальное значение крепости буримой породы сравниваетс  с начальным и устанавливаютс  режимные параметры, соответствующие полученному реальному значению крепости буримых пород. Затем измер етс  новое реальное значение механической скорости бурени , а полученное реальное значение крепости пород принимаетс  за ее начальное значение. Значение показател  DI, соответствующее полученному значению крепости породы, делитс  на новое реальное значение механической скорости бурени  и полученное значение крепости породы сравниваетс  с ее значением на предыдущем шаге поиска и т.д. Таким образом, организуетс  повтор ющийс  цикл работы. При этом с увеличением крепости породы режимные параметры процесса бурени  увеличиваютс  дл  обеспечени  заданной производительности бурового агрегата, а с уменьшением крепости режимные параметры несколько снижаютс , что увеличивает стойкость породоразрушающего инструмента и сохран ет рабочий ресурс бурового агрегата. 1 с.п.ф., 2 ил. со с VI ю о VI ON Ю

Description

Изобретение относитс  к контролю и управлению процессами в горной промышленности и предназначено дл  оптимизации режимов вращательно-ударного

бурени  горных пород дл  буровзрывного способа горных работ.

Известен способ регулировани  процесса бурени  взрывных скважин, который

обеспечивает оптимальный режим за счет изменени  угловой скорости бурового инструмента; значение этой величины непрерывно измер ют путем подсчета числа импульсов, поступающих за определенный промежуток времени от бесконтактного датчика, установленного на валу вращател . Затем производитс  сравнение этой частоты с заданной и в цепь управлени  двигателем подачи выдаетс  регулирующее воздействие, которое стабилизирует угловую скорость вращени  инструмента.

Недостатком способа  вл етс  то, что он предполагает детерминированную св зь между механической характеристикой приводного двигател  подачи и свойствами бу- римых пород; при использовании другого приводного двигател  или при смене пород эта св зь нарушаетс  и оптимальный режим работы не будет достигнут.

Более совершенными  вл ютс  способы , в которых углова  скорость вращени  и осевое усилие  вл ютс  независимыми друг от друга параметрами. Фирма Тамрок раз- работала способ регулировани  процесса бурени  взрывных скважин, который обеспечивает рациональный режим бурени  за счёт изменени  величины усили  подачи в зависимости от нагрузки на двигатель вра- щател  бурового инструмента и от количества воды, расходуемой на промывку скважины. В процессе бурени  углова  скорость вращени  инструмента увеличиваетс  при увеличении скорости бурени . При сни- жении расхода воды уменьшаетс  усилие подачи инструмента на забой скважины и наоборот. Система реагирует на изменение момента вращени  бурового инструмента. При увеличении момента снижаетс  усилие подачи и наоборот;

Недостатком способа  вл етс  невысока  точность стабилизации нагрузки двигател  вращател  бурового инструмента и отсутствие данных по износу породоразру- шающего инструмента, который вли ет на основные показатели процесса бурени .

Известен также способ регулировани  процесса бурени  взрывных скважин, основанный на контроле мощности, затрачивав- мой на бурение, измерении осевой нагрузки и скорости вращени  бурового инструмента . При бурении на определенной скорости вращени  довод т осевое усилие до величины , при которой по вл ютс  максимумы мощности, т.е. по вл етс  сухое трение, а затем плавно снижают осевое усилие до исчезновени  этих максимумов и производ т бурение на этом режиме. Чтобы обеспечить оптимальную скорость, бурение ведетс  на

границе глубины промокаемого сло , котора  зависит от осевого усили  на коронку,

Недостатком указанного способа  вл етс  неопределенность установки усили  подачи по максимуму мощности, затрачиваемой при бурении, что затрудн ет оптимизацию режима работы.

Наиболее близким к за вл емому техническому решению  вл етс  способ регулировани  нагрузки двигател  вращател  бурового инструмента, основанный на определении и стабилизации осевого усили  подачи инструмента на забой. В процессе бурени  измер ютс  механическа  скорость бурени  и мощность двигател , привод щего маслонасос, по которым вычисл ютс  удельные энергозатраты; на основании величины удельных энергозатрат определ етс  уставка дл  усили  подачи. Заданное значение нагрузки двигател  вращател  сравниваетс  с действительным и по результатам сравнени  измен етс  осевое усилие подачи на забой.

Этот способ принимаетс  за прототип.

Недостатками способа  вл етс  то, что вычисление удельных энергозатрат производитс  с большой погрешностью, поскольку регулирование осевого усили  осуществл етс  дросселированием масла в гидросистеме, поэтому затраты энергии на разрушение горных пород не соответствуют измер емой (и интегрируемой во времени) мощности асинхронного электродвигател , привод щего маслонасос.

Все это приводит к тому, что дл  данного способа изменение свойств буримых пород слабо вли ет на удельные энергозатраты и дл  сохранени  производительности бурового станка процесс необходимо вести на повышенных параметрах, привод щих к интенсивному износу бурового инструмента и большим затратам энергии.

Данный спрсоб затруднительно использовать при безлюдной разработке полезных ископаемых поскольку при значительной интенсивности износа бурового инструмента требуютс  большие затраты времени на его доставку и замену, что снижает сменную производительность бурового агрегата.

Целью насто щего изобретени   вл етс  обеспечение заданной сменной производительности бурового агрегата при минимальном износе инструмента.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в известном способе, включающем измерение механической скорости бурени  и изменении осевого усили  подачи на забой, дополнительно измер ют частоту и энергию ударов коронки о забой скважины и по величине этих параметров и механической

скорости бурени  вычисл ют крепость породы , по которой устанавливают рациональные значени  режимных параметров процесса бурени .

Определение крепости буримой поро- ды по механической скорости бурени  и соответствующих ей режимным параметрам (энергии и частоты ударов коронки о забой, угловой скорости вращени  коронки и осевому усилию подачи на забой) и установка рациональных (дл  данной крепости пород) значений режимных параметров позвол ет в услови х безлюдной выемки полезного ископаемого обеспечить заданную производительность бурового агрегата, снизить износ бурового инструмента и сохранить рабочий ресурс бурового агрегата.

Поскольку крепость  вл етс  одним из основных свойств горных пород, вли ющих на производительность бурового агрегата, стойкость коронки, вибрацию конструкций и удельные энергозатраты, то ее определение позвол ет вести процесс бурени  скважин на рациональных режимах, что существенно улучшает технико-экономиче- ские показатели процесса бурени . Все операции по определению координат точки бурени , по сборке и разборке бурового ста- ва, по. выбору параметров режима бурени  должны осуществл тьс  в автоматическом режиме. Буровой агрегат оснащен гидроперфоратором , привод щим в движение буровую коронку и ударником дл  нанесени  ударов коронкой о забой скважины. При отсутствии горнорабочего все функции управ- лени  процессом бурени  выполн ет программируемый контроллер (ПК). Поскольку процесс вращательно-ударного бурени  весьма сложен, а услови  бурени  и свойства буримых пород могут измен тьс  в широких пределах, то дл  обеспечени  заданного цикла работ процесс бурени  следует вести таким образом, чтобы сменна  производительность составила 100 м (номинальна  стойкость буровой коронки). Если процесс бурени  вести при нерациональных значени х режимных параметров (не соответствующих свойствам буримых пород), то стойкость коронки может уменьшитьс , что потребует ее замены до оконча- ни  цикла работ и значительного расхода времени на доставку и замену бурового инструмента . При отсутствии горнорабочего Функции определени  свойств буримых пород и установки рациональных значений ре- жимных параметров возложены на ПК.

Сущность предлагаемого способа заключаетс  в том, что ПК по величинам механической скорости бурени  и режимных параметров определ ет фактическую крепость буримых пород и устанавливает рациональные режимные параметры, т.е. минимально возможные их значени , обеспечивающие номинальную стойкость буровой коронки (100 м) при заданной сменной про- изводительности бурового агрегата. Минимально возможные уровни режимных параметров обеспечивают минимальный износ буровой коронки и сохран ет рабочий ресурс бурового агрегата.

Авторами не обнаружено решений, обладающих признаками, сходными с отличительными признаками предлагаемого решени , на основании чего можно сделать вывод о соответствии предлагаемого решени  критерию существенные отличи .

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства дл  осуществлени  указанного способа; на фиг. 2-алгоритм работы устройства.

Блок-схема включает пару коронка-забой скважины 1, датчики м еханической скорости бурени  2, частоты ударов коронки о забой скважины 3, анергии ударов коронки о забой скважины 4, осевого усили  подачи на забой 5, угловой скорости вращени  коронки 6 и регул торы; угловой скорости вращени  коронки 7, осевого усили  подачи на забой 8, энергии ударов коронки о забой скважины 9 и частоты ударов коронки о забой скважины 10; кроме того, в схеме имеютс  датчик крепости породы 11, буровой агрегат 12 и ПК 13.

.Датчик механической скорости бурени  2 выполнен на основе выключател  поворотного дискретного фотоэлектрического ПДФ-5 (Башкирское ПО Электроаппарат); датчики частоты и энергии ударов коронки о забой скважины 3 и 4 выполнены на основе датчика вибрации типа АНС (завод Геофизических приборов, т. Львов); датчик осевого усили  на забой 5 в качестве основного элемента содержит манометр типа МЭД (ПО Теплоприбор, г. Чел бинск); датчик угловой скорости вращени  коронки 6 выполнен на базе тахогенератора типа ППЭ-Д1 (ПО Точприбор, г. Саранск).

В качестве регул торов угловой скорости вращени  коронки 7, осевого усили  подачи на забой 8. энергии ударов коронки О забой скважины 9 и частоты ударов коронки о забой скважины 10 используютс  гидрораспределители с пропорциональным электрическим управлением типа РП (ПО ХЭМЗ, г. Харьков). Датчик крепости породы 11 организуетс  программно в программируемом контроллере 13. Буровой агрегат 12 выполнен на основе гидроперфоратора ГБГ-180/250.

Способ осуществл етс  в следующей последовательности. После окончани  процесса забуривани  с элемента коронка-забой скважины 1, на датчик механической скорости бурени  v, а на датчики 3, 4, 5 и 6

- сигналы частоты ударов коронки о забой скважины, энергии ударов коронки о забой скважины, осевого усили  подачи на забой и угловой скорости вращени  коронки соответственно . На основании априорной информации о свойствах буримых пород программируемый контроллер ПК 13 посылает регул торам 7, 8, 9 и 10 сигналы, пропорциональные начальным значени м режимных параметров: частоты ударов коронки о забой скважины, энергии ударов коронки о забой Скважины, осевого усили  подачи на забой и угловой скорости вращени  коронки, а регул торы 7,8, 9 и 10 устанавливают с о отв ёт ству ю щи е з н ач.е н и   режимных параметров на буровом агрегате 12. Кроме того, в пам ти ПК 13 хранитс  величина , равна  произведению крепости породы на величину механической скорости бурени , полученна  при бурении предыдущей скважины или заложенна  в пам ть П К 13. (Р -. fH VH). Начальные значени  крепости буримой породы режимных параметров, рациональных дл  данной породы, извлекаютс  из пам ти ПК 13, куда они были занесены по результатам бурени  предыдущей скважина или из программы, если скважина в данных услови х буритс 

впервые.: .. ....-...; .-ч :. . ::

Сравнива  полученные значени  механической скорости бурени  vp с начальным значением УИ, ПК 13 делает заключение о соответствии величины крепости породы прин тому значению. Если значение механической скорости бурени  не совпадает с начальным, что указывает на отличие крепости породы 6т прин того начального значени  , то ПК 13 на основе новых фактических данных определ ет реальное значение крепости буримых пород и посылает регул торам 7,8,9 и 10 сигналы, пропорциональные рациональным значени м (дл  данной породы ) режимных параметров: угловой скорости вращени  коронки,,осевого усили  подачи, энергии и частоты ударов коронки о

забой скважины.

фпределениё рациональных параметров режима бурени  соответствующих минимуму износа коронки при заданной производ ельности бурового модул  дл  вращательно-ударного бурени  опираетс  на следующие положени  и закономерности , .,.. . . .::..

. На основании информации о показател х процесса бурени  и свойств буримых

пород, полученный при бурении предыдущих скважин в пам ть ПК 13 ввод тс  следующие данные: f - крепость буримых

пород и соответствующие ей оптимальные (по минимуму износа и затратам энергии на бурение) параметры режима бурени , вычисленные по выражени м:

Р .

17-0,2f, 6 :Јf MO; 33 -1,83f, 10 f 16; 8-0,25f. f 16:

Ю ш, 52.1-0.1973

.1-f(45 + a) АуК9,8+0,036а) f;

(1)

15

ПУ

200-1,6a

(Г+ЩШ)

где Р - усилие подачи коронки на забой скважины, кН;v

со-углова  скорость вращени  коронки, рад/с; :;. .-:- ;;.. : - .;;. . . ,: .. . ;;. Ау - энерги  одного удара коронки о забой скважины, Дж;

Пу - частота ударов коронки о забой

скважины, Гц;

f - крепость буримой породы по шкале проф. М.М.Протодь конова; а - абразивность породы, мг. Механическа  скорость дл  ударно-вращательного бурени  определ етс  по выра- жению:

35

.ЗАуПу d2f

(2)

где d - диаметр коронки, мм;

V-механическа  скорость бурени , м/мин. Величина показател  D, характеризующа  породы при начальных значени х режимных параметров, определ етс  по выражению:

45

О-тнУн

(3)

дл  каждой крепости породы и вноситс  в пам ть программируемого контроллера ПК 13.

После окончани  процесса забуривани  ПК 13 подает регул торам 7.8,9 и 10 сигналы на установку начальных значений режимных параметров; после того, как датчики режима бурени  3,4,5 и 6 укажут, что реальные значени  режимных параметров соответствуют заданным, производитс  измерение реального значени  механической скорости бурени  и сравнение ее с начальным значением. При изменении свойств буримых пород (когда реальна  крепость буримых пород отличаетс  от заданной ) механическа  скорость бурени  отличаетс  от начальной величины. ПК 13 определ ет новое реальное значение крепости породы по выражению:5

f D тнУн

ТР 77 - Т,-- «

VpVp

(4)

где fp - реальна  крепость буримых пород в насто щий момент времени;

Vp - реальное значение механической скорости бурени .

После определени  реальной крепости буримых пород fp ПК 13 задает регул торам 7, 8, 9 и 10 рациональные значени  режимных параметров со, Р, Ау, Пу в соответствии с системой (1). которые обеспечивают заданную производительность бурового агрегата при минимальных значени х режимных

параметров и соответственно минимальном износе буровой коронки и сохранении рабочего ресурса бурового агрегата. Таким образом , организуетс  цикл работы схемы: по полученному значению крепости породы f за- дают режимные параметры (Р, в). Ay, ny, D), измер ют фактическое значение механической скорости бурени  vp,1 значение показател  О, запомненное на предыдущем цикле, дел т на фактическое значение скорости бу- рени  Vp и таким путем определ ют крепость породы f. Цикл определени  крепости породы осуществл етс  непрерывно; изменение режимных параметров производитс  только при изменении крепости породы.

Дл  по снени  изложенного способа приведем пример. В пам ть ПК 13 введены значени  режимных параметров и показателей процесса бурени : f, ny, (а, Р, v, Ay, D. а, полученных при работе бурового модул  на данном месторождении (см. таблицу).

Предположим, что при бурении предыдущей скважины крепость породы была равна 8, машина задает начальные значени  режимных параметров, соответствую- щие этой крепости породы: пу 56, Ау 110, Of 17,7, Р - 15 и измер ет фактическую скорость бурени . Если крепость породы отличаетс  от прин того значени , то реальна  механическа  скорость не будет соответствовать значению, запасенному в пам ти машины (1, 14); предположим, что реальна  скорость vp 0,76, тогда значение величины D, соответствующее крепости породы f - 8, подел т на реальное значение ме- ханической скорости бурени  и получают реальную крепость породы D 9,12, vp 0,76; fp 9,12/0,76 12, Подставив в (2) значени  режимных параметров, отвечающих двенадцатой крепости породы; Пу-48, Ау 160, d 45 (диаметр коронки), получим значение механической скорости бурени  0,948, что совпадает с данными, наход щимис  в пам ти ПК 13. Полученное значение механической скорости (при параметрах f 12. пу 48, Ау 160) сравниваетс  с действительным её значением и так далее.

Предположим теперь что бурова  коронка перешла в более м гкую породу, и скорость бурени  повысилась: Vp 1,6; деление предыдущего значени  показател  D 11,4 (дл  крепости пброды f - 12) на реальное значение механической скорости дает f 11,4:1,6 7, т.е. порода соответствует седьмой крепости; и ПК 13 устанавливает параметры режима бурени : пу 58, Ау « 98, а 18,7, Р 15,2; значение скорости, вычисленное по формуле (2) дает величину: Vp 1,2. Та ки.м образом, при увеличении крепости породыПК 13 устанавливает более высокие реж имные параметры дл  поддержани  механической скоростм бурени  (обеспечение заданной производительности бурового модул ), а при снижении крё- пости породы - снижает уровень режимных параметров (дл  поддержани  заданной стойкости буровой коронки и сохранени  рабочего ресурса комплекса). Способ функционировани  представлен на блок-схеме , фиг. 2. . - . . , ;.;: .С;; v :,:... - :: -::

Таким образом, дополнительное измерение частоты и энергии ударов коронки о забой скважины и определение по ним и механической скорости бурени  крепости бурильных пород, по которой устанавливают рациональные значени  режимных параметров процесса бурени , позвол ет обеспечить заданную сменную производительность бурового модул  при минимальном износе инструмента.

Формул а изобретени 

Способ регулировани  процесса бурени  горных пород, включающий измерение механической скорости бурени  v, изменение осевого усили  подачи на забой, о т л и- ч а ю щ и и с   тем, что, с целью повышени  производительности вращательно-ударно- го бурени , задают среднее значение абра- зивности буримых горных пород, измер т частоту и энергию ударов коронки о забой, задают значение параметра О дл  каждой крепости породы, определ ют текущее значение крепости буримой породы, как отношение D/v, по которой определ ют и поддерживают рациональные значени  параметров процесса бурени .

Рациональные значени  режимных параметров процесса бурени 

Фиг. 1

(И А М А Л О J

±

г-1- Установ ить начальные Ре Томные параметры fn

измерение ллеханическаи

СКО рОС гпи

бурени  Ifa

&ычис+ение к ре по с ти породь/ ТР

1

г-5- Выдезе ние

цел.оц BeJMzuHbtfp

У СТАНОвиТЬ

режимные

параметры