Способ регулирования процесса бурения горных пород

 

Сущность изобретения заключается в следующем: на основании результатов бурения предыдущей скважины программируемый контроллер запасает в памяти крепость буримых пород и соответствующие ей рацио-о нальные значения режимных параметров, ко-° торым отвечает максимум стойкости породоразрушающего инструмента при заданной сменной производительности бурового агрегата. Кроме того, в памяти имеются значения произведений механической скорости бурения на соответствующее значение крепости породы: D v f. В начале бурения скважины программируемый контроллер задает регуляторам сигналы, пропорциональные начальным значениям режимных параметров, отвечающих начальному значению крепости породы, при этом измеряется реальное значение механической скорости бурения, на которое делится начальное значение показателя D. Полученное реальное значение крепости буримой породы сравнивается с начальным и устанавливаются режимные параметры, соответствующие полученному реальному значению крепости буримых пород. Затем измеряется новое реальное значение механической скорости бурения, а полученное реальное значение крепости пород принимается за ее начальное значение. Значение показателя DI, соответствующее полученному значению крепости породы, делится на новое реальное значение механической скорости бурения и полученное значение крепости породы сравнивается с ее значением на предыдущем шаге поиска и т.д. Таким образом, организуется повторяющийся цикл работы. При этом с увеличением крепости породы режимные параметры процесса бурения увеличиваются для обеспечения заданной производительности бурового агрегата, а с уменьшением крепости режимные параметры несколько снижаются , что увеличивает стойкость породоразрушающего инструмента и сохраняет рабочий ресурс бурового агрегата. 1 с.п.ф., 2 ил. со с VI ю о VI ON Ю

СОЮЗ COBE ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУЬЛИК (я)5 Е 21 В 44/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4766067/03 (22) 05.12.89 (46) 23.02.93. Бюл, М 7 (71) Свердловский горный институт им.

В,В.Вахрушева и Свердловское научно-производственное обьединение "Уралсистем" (72) Н.Б,Ситников, Э,А.Кимельман, В,Ф.Бекетов, Н.В,Ручьев и Г.Б.Лярская (56) Патент США hL 4266171, НКИ США

318/571, опубл, 1981.

Патент Франции М2546963, кл. Е21 С5/16, Авторское свидетельство СССР

N947405,,кл. Е 21 В 45/00, 1982, Авторское свидетельство СССР

М 1138497,.кл. Е 21 С 35/24, 1985, Авербух М.M„Дюков А,И., Бессуднова

Н,А, Автоматизация бурильных установок.

Обзорная информация, М„ЦНИИЭИуголь, 1988, выпуск 24. (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД (57) Сущность изобретения заключается в следующем; на основании результатов бурения предыдущей скважины программируемый контроллер запасает в памяти крепость буримых пород и соответствующие ей рациональные значения режимных параметров, которым отвечает максимум стойкости породоразрушающего инструмента при заданнойсменнойпроизводительностибуровоro агрегата. Кроме того, в памяти имеются значения произведений механической скорости бурения на соответствующее значеИзобретение относится к контролю и управлению процессами в горной промышленности и предназначено для оптимизации режимов вращательно-ударного

„„5U„„1796769 А1 ние крепости породы; 0 = ч f, В начале бурения скважины программируемый контроллер задает регуляторам сигналы, пропорциональные начальным значениям режимных параметров, отвечающих начальному значению крепости породы, при этом измеряется реальное значение механической скорости бурения, на которое делится начальное значение показателя О, Полученное реальное значение крепости буримой породы сравнивается с начальным и устанавливаются режимные параметры, соответствующие полученному реальному значению крепости буримых пород. Затем измеряется новое реальное значение механической скорости бурения. а полученное реальное значение крепости пород принимается за ее начальное значение. Значение показателя D>, соответствующее полученному значению крепости породы, делится на новое реальное значение механической скорости бурения и полученное значение крепости породы сравнивается с ее значением на предыдущем шаге поиска и т.д.

Таким образом. организуется повторяю- 4 щийся цикл работы. При этом с увеличением Q крепости породы режимные параметры 01 процесса бурения увеличиваются для обес- 4 печения заданной производительности бу- О рового агрегата, а с уменьшением крепости режимные параметры несколько снижаются, что увеличивает стойкость породоразру-. шающего инструмента и сохраняет рабочий ресурс бурового агрегата. 1 с.п.ф., 2 ил.

° и бурения горных пород для буровэрывного способа горных работ.

Известен способ регулирования процесса бурения взрывных скважин, который

1796769 обеспечивав оптимальный режим за счет . изменения угловой скорости бурового инструмента; значение этой величины непрерывно измеряют путем подсчета числа импульсов, поступающих за определенный промежуток времени от бесконтактного датчика, установленного на валу вращатвля.

Затем производится сравнение этой частоты с заданной и в цепь управления двигателем подачи выдается регулирующее воздействие, которое стабилизирует угловую скорость вращения инструмента.

10

Недостатком способа является то, что он предполагает детерминированную связь между механической характеристикой приводного двигателя подачи и свойствами буримых пород; при использовании другого . приводного двигателя или при смене пород эта связь нарушается и оптимальный режим >0 работы не будет достигнут.

Более совершенными являются способы, в которых угловая скорость вращения и осевое усилие является независимыми друг от друга параметрами, Фирма."Тамрок" раз- 25 работала способ регулирования процесса бурения взрывных скважин, который обеспечивает рациональный режим бурения за счет изменения величины усилия подачи в зависимости от нагрузки на двигатель вра- З0 щателя бурового инструмента и от количества воды, расходуемой на промывку скважины. В процессе бурения угловая скорость вращения инструмента увеличивается при увеличении скорости бурения. При сни- З5 жении расхода воды уменьшается усилие подачи инструмента на забой скважины. и наоборот. Система реагирует на изменение момента вращения бурового инструмента;

При увеличении момента снижается усилие 40 подаче(и наоборот;

Недостатком способа является невысокая точность стабилизации нагрузки двигателя вращателя бурового инструмента и отсутствие данных по износу породоразру- 45 шающего инструмента, который влияет на

: основные показатели процесса бурения, Известен также способ регулирования процесса бурения взрывных скважин, осно- . ванный на контроле мощности, затрачивае- 50 мой на бурение, измерении осевой нагрузки и скорости вращения бурового инструмента. При бурении на определенной скорости вращения доводят осевое усилие до величины, при которой появляются максимумы мощности, т.е, появляется сухое трение, а затем плавно снижают осевое усилие до исчезновения этих максимумов и производят бурение на этом режиме, Чтобы обеспечить оптимальную скорость, бурение ведется на границе глубины промокаемого слоя, которая зависит от осевого усилия на коронку.

Недостатком указанного способа является неопределенность установки усилия подачи по максимуму мощности, затрачиваемой при бурении, что затрудняет оптимизацию режима работы.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ регулирования нагрузки двигателя вращателя бурового инструмента, основанный на определении и стабилизации осевого усилия подачи инструмента на забой. В процессе бурения измеряются механическая скорость бурения и мощность двигателя, приводящего маслонасос, по которым вычисляются удельные энергозатраты; на основании величины удельных энергозатрат определяется уставка для усилия подачи. Заданное значеwe нагрузки двигателя вращателя сравнивается с действительным и по результатам сравнения изменяется осевое усилие подачи на забой, Этот спОсоб принимается за прототип.

Недостатками способа является то, что вычисление удельных энергозатрат производится с большой погрешностью, поскольку регулирование осевого усилия осуществляется дросселированием масла в гидросистеме, поэтому затраты энергии на разрушение горных пород не соответствуют измеряемой (и интегрируемой во времени) мбщности асинхронного электродвигателя, приводящего маслонасос.

Все это приводит к тому; что для данного способа изменение свойств буримых пород слабо влияет на удельные энергозатраты и для сохранения"производительности бурового станка процесс необходимо вести на повышенных параметрах, приводящих 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 требуются большие затраты времени на его доставку и замену, что снижает сменную производительность бурового агрегата.

Целью настоящего изобретения является обеспечение заданной сменной производительности бурового агрегата при минимальном износе инструмента, Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем измерение механической скорости бурения и изменении осевого усилия подачи на забой, дополнительно измеряют частоту и энергию ударов коронки о забой скважины и по величине этих параметров и механической

1796769 скорости бурения вычисляют крепость породы, по которой устанавливают рациональные значения режимных параметров процесса бурения, Определение крепости буримой породы по механической скорости бурения и соответствующих ей режимным параметрам (энергии и частоты ударов коронки о забой, угловой скорости вращения коронки и осевому усилию подачи на забой) и установка рациональных (для данной крепости пород) значений режимных параметров позволяет в условиях безлюдной выемки полезного ископаемого обеспечить заданную производительность бурового агрегата, снизить износ бурового инструмента и сохранить рабочий ресурс бурового агрегата.

Поскольку крепость является одним из основных свойств горных пород. влияющих на производительность бурового агрегата, стойкость коронки, вибрацию конструкций и удельные энергозатраты, то ее определение позволяет вести процесс бурения скважин на рациональных режимах, что существенно улучшает технико-экономические показатели процесса бурения, Все операции nо определению координат точки бурения, по сборке и разборке бурового става, .по.выбору параметров режима бурения . должны осуществляться в автоматическом режиме. Буровой агрегат оснащен гидроперфоратором, приводящим в движение буровую коронку и ударником для нанесения ударов коронкой о забой скважины. При отсутствии горнорабочего все функции управления процессом бурения выполняет программируемый контроллер (ПК). Поскольку процесс вращательно-ударного бурения весьма сложен, а условия бурения и свойства буримых пород могут изменяться в широких пределах, то для обеспечения .заданного цикла работ процесс бурения следует вести таким образом, чтобы сменная производительность составила 100 м

° (номинальная стойкость буровой коронки), Если процесс бурения вести при нерациональных значениях режимных параметров (не соответствующих свойствам буримых пород), то стойкость коронки может уменьшиться, что потребует ее замены до окончания цикла работ и значительного расхода времени на доставку и замену бурового инструмента. При отсутствии горнорабочего функции определения свойств буримых пород и установки рациональных значений режимных параметров возложены на ПК.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что ПК по величинам механической скорости бурения и режимных параметров перепевает фактическую крепасть буримых пород и устанавливает рациональные режимные параметры, т.е. минимально возможные их значения, обеспечивающие номинальную стойкость буровой

5 коронки (100 м) при заданной сменной производительности бурового агрегата. Минимально возможные уровни режимных параметров обеспечивают минимальный износ буровой коронки и сохраняет рабочий

10 ресурс бурового агрегата.

Авторами не обнаружено решений, обладающих признаками, сходными с отличительными признаками предлагаемого решения, на основании чего можйо сделать

15 вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для осуществления указанного способа; на фиг. 2 — алгоритм работы устройства.

20 Блок-схема включает пару коронка-забой скважины 1, датчики механической скорости бурения 2, частоты ударов коронки о забой скважины 3, энергии ударов коронки о забой скважины 4, осевого усилия подачи .

25 на забой 5, угловой скорости вращения коронки 6 и регуляторы: угловой скорости вращения коронки 7, осевого усилия подачи на забой 8, энергии ударов коронкй о забой скважины 9 и частоты ударов коронки о за30 бой скважины 10; кроме того, в схеме имеются датчик крепости породы 11, буровой агрегат 12 и ПК 13. .Датчик механической. скорости бурения

2 выполнен на основе выключателя пово35 ротного 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 Гео40 физических приборов, г. Львов); датчик осевого усилия на забой 5 в качестве основного элемента содержит манометр типа

МЭД (ПО "Теплоприбор", г. Челябинск); датчик угловой скорости вращения коронки 6

45 выполнен на базе тахогенератора типа

ППЗ-Д1 (ПО Точприбор, г. Саранск).

В качестве регуляторов угловой скорости вращения коронки 7, осевого усилия подачи на забой 8. энергии ударов коронки

50 о забой скважины 9 и частоты ударов коронки о забой скважины 10 используются гидрораспределители с пропорциональным электрическим управлением типа РП (ПО

ХЭМЗ, г, Харьков). Датчик крепости породы 11

55 организуется программновпрограммируемомконтроллере 13. Буровой агрегат 12 выполнен на основе гидроперфоратора ГБГ-180/250..

Способ осуществляется в следующей последовательности. После окончания про. цесса забуривания с элемента коронка-за1796769

Ау=(9,8+0;036a) f;

200 — 1,6а (Г+ 0;

25

30 ч — "—, и (2) 35

Се 1Н ЧН (3) 45

50 бой скважины 1, на датчик механической . скорости бурения v, а на датчики 3; 4, 5 и 6 — сигналы частоты ударов коронки о забой скважины, энергии ударов коронки о забой скважины, осевого усилия подачи на забой и угловой скорости вращения коронки соответственно. На основании априорной информации о свойствах буримых пород программируемый контроллер ПК 13 посылает регуляторам 7, 8, 9 и 10 сигналы, пропорциональные начальным значениям режимных параметров: частоты ударов коронки. о забой скважины, энергии ударов коронки о забой скважины, осевого усилия подачи на забой и угловой скорости враще.ния коронки, а регуляторы 7, 8, 9 и 10 устанавливают соответствующие значения режимных параметров на буровом агрегате 12.

Кроме того, B памяти nK 13 хранится величина, равная произведению крепости породы на величину: механической. скорости бурения, полученная при бурении предыдущей скважины или заложенная в память IlK 13 (О %Фи V ). Начальные значения крепости буримой породы режимных параметров, рациональных для данной породы, извлекается из памяти ПК 13; куда они были занесены по результатам бурения предыдущей скватжины или ив программы, если скважина в данных условиях бурится впервые.

Сравнивая полученные значения механической скорости бурения vp c начальным значением vH, ПК 13 делает заключение о соответствии величины крепости породы принятому значению. Если значение механической скорости бурения не совпадает с начальным, что указь вает на отличие крепости породы от принятого начапьного значения, то ПК 13 на основе новых фактических данных определяет. реальное значение крепости буримых пород и посылает регуляторам 7; 8, 9 и 10 сйгиалы, пропорциональные рациональным значениям(для данной породы) режимных параметров: угловой скорости вращения коронки„осевого усилия подачи, энергии и частоты ударов коронки о забой скважины.

Определение рациональных параметров режима бурения соответствующих минимуму износа коронки при заданной пройзводительности бурового модуля для

; вращательйо-ударного бурения опирается на следующие положения и эакономерно( сти, На основании информации о показателях процесса буренйя и свойств буримых.пород, полученный при бурении предыдущих скважин в память ПК 13 вводятся следующие денные: f — крепость буримык пород и соответствующие ей оптимальные (по минимуму износа и затратам энергии на бурение) параметры режима бурения, вычисленные по выражениям:

17 — 0,2f, 6

33 — 1,831, 10 < 1 16

8 — 0,25f, f >16;

10 52,1 — О, 197а .1+(45+a)f 10 з где P — усилие подачи коронки на забой скважины, кН; а- угловая скорость вращения коронки, рад/с;

Ау — энергия одного удара коронки о забой скважины, Дж;

ny — частота ударов коронки о забой скважины, Гц;

f — крепость буримой породы по акале проф.М.M.Ïðîòoäüÿêîíîâý; а — абраэивность породы, мг.

Механическая скорость для ударно-.вращательного бурения определяется по выражению: где б — диаметр коронки, мм;

v-механическая скорость бурения, м/мин.

Величина показателя О, характеризующая породы при начальных значениях режимных параметров, определяется по выражению; для каждой крепости породы и вносится в память программируемого контроллера

ПК 13;

После окончания процесса забуривания

ПК 13 подает регуляторам 7,8, 9 и 10 сигналы на установку начальных значений режимных параметров; после того. как датчики режима бурения 3, 4, 5 и 6 укажут, что реальные значения режимных параметров соответствуют заданным, производится измерение реального значения механической скорости бурения и сравнение ее с начальный значением, При изменении свойств буримых пород(когда. реальная кре1796769 пасть буримых пород отличается от задан- надцатой крепости породы, пу=48, Ay=160, ной) механическая скорость бурения отли- 0 =45(диаметр коронки), получим значение чается от начальной величины,.ПК 13 механической скорости бурения 0,948, что определяет новое реальное значение кре- совпадает с данными, находящимися в пости породы по выражению: 5 памяти ПК 13. Полученное значение механической скорости (при параметрах f -12, Р VH . пу = 48, Ау = 160) сравнивается с действиvp тельным ее значением и так далее, Предположим теперь, что буровая квгде1р-реальная крепость буримых пород в 10 ранка перешла в более мягкую породу, и настоящий момент времени; скорость бурения повысилась: vp 1,6; двvp — реальное значение механической ление. предыдущего значения показателя

" скорости бурения. Р = 11.4 (для крепости породы f - 12) на

После определения реальной крепости реальное значение механической скорости буримых пород fp ПК 13 задает регуляторам 15 дает f = 11,4:1,6 7, т.е. порода соответствует

7,8, 9и 10 рациональные значения режим- седьмой крепости: и ПК 13 устанавливает ных параметров в, P, Ay, Ay в соответствии параметры режима бурения: Ay = 58, Ау 98, с системой (1), которые обеспечивают за- ш= 18,7, Р - 15,2; значение скорости, выданную производительность бурового агре- численное по формуле (2) дает величину: гата приминимальных значенияхрежимных 20 чр - 1;2. Таким образом, при увеличении параметров и соответственно минимальном крепости породы ПК 13 устанавливает более износе.буровой коронки и сохранении рабо- высокие режимные параметры для поддерчего ресурса бурового агрегата. Таким обра- жания: механической скорости бурения зом, организуется цикл работы схемы: по (обеспечение заданной производительнополученному значению крепости породы т за- 25 сти бурового модуля), а n pin снижении кредают режимные параметры (P, м, Ay,. ny, Р), пости породы —.снижает уровень режимных измеряют фактическое значение механиче-:параметров (для .поддержания заданной скойскорости бурения vp, значениепоказа- стойкости буровой коронки и сохранения теля Р„запомненное на предыдущем цикле,: . рабочего ресурса комплекса). Способ фунделят на фактическое значение скорости бу- 30 кционирования представлен на блок-схерения vp и таким путем определяют- кре- . ме, фиг.2. пость породы f, Цикл определения крепости Таким образом, дополнительное измепороды осуществляется непрерывно; изме- рение частоты и энергии ударов коронки о нение режимных параметров производится забой скважины и определение по ним и только при изменении крепости породы. 35 механической скорости бурения крепости

Для пояснения изложенного способа бурильных пород, по которой устанавливаприведем пример. В память ПК 13 введены ютрациональныезначения режимныхпаразначения режимных параметров и покаэате- .метров процесса .бурения, позволяет лей процесса бурения: f, пу, в, Р, ч, Ay, D, a, обеспечить заданную сменную производиполученных при работе бурового модуля на 40 тельность бурового модуля при минимальданном месторождении (см. таблицу). ном износе инструмента.

Предположим, что при бурении предыдущей скважины крепость породы была . Ф о р мул а из.обретения равна 8, машина задает начальные значения режимных параметров, соответствую- 45 .Способ регулирования процесса бурещие этой крепостипороды: ny=56; Ау 110, ния горных пород, включающий измерение ю- 17,7, P 15 и измеряет фактическую механической скорости бурения ч. иэменескорость бурения. Если крепость породы от- ние осевого усилия подачи на забой, о т л иличается от принятого значения, то реаль- ча ю щ и йс я тем, что, с целью-повышения ная механическая скорость не будет 50 производительности вращательно-ударносоответствовать значению, запасенному в го бурения, задают среднее значение абрапамяти машины (1, 14); предположим, что зиености буримых горных пород, измерят реальная скорость vp -0,76, тогда значение частоту и энергию ударов коронки о забой, величины Р, соответствующее крепости по- задают значение параметра Р для каждой . роды f - 8, поделят на реальное значение ме- 55 крепости породы, определяют текущее энаханической скорости бурения и получают чение крепости буримой породы, как отнореальнуюкрепостьпородыР-9,12,чр-0,76; шение D/v, по которой определяют и

fp-9,12/0,76 12, Подставив в(2) значения поддерживают рациональные значения парежимных параметров, отвечающих две- раметров процесса бурения.

1796769

Рациональные значения режимных параметров процесса бурения

1796769

Составитель И.Назаркина

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор 3.Салко

Редактор H.Êîçëîâà

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 637 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская на6„4/5