Способ управления процессом бурения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к горной пром сти и позволяет повысить произв-ста буре ния шпуров и скважин диаметром до 4,5 мм Сигнал с датчика (Д) 13 энергии удара и с Д 14 частоты ударов пос гупает в блок 5 вычисления мощности привода ударного механизма 9. Сигналы с Д 15 скорости подачи и с Д 16 усилия подачи подаются в блок 6 вычисления мощности привода подачи. Сигналы с Д 17 частоты вращения инструмента и с Д 18 момента вращения поступают в блок 7 вычисления мощности привода вращения Сигналы с Д 19 и 20 соответственно расхода и давления жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины подаются в блок 8 вычисления мощности привода очистки Информация с блоков 5-8 поступает в блок 4 вычисления полной мощности, подводимой к инструменту Сигналы с блока 5, а также с Д 15 и 17 поступают на входы блока 3 вычисления полезной мощности разрушения горной породы. Информация с блоков 3 и 4 поступает на делитель 2, где определяется коэффициент эффективности бурения (Кьур), величина которого выводится на индикатор 1 Для получения рационального режима бурения необходимо путем регутирования параметров поддерживать максимальное значение Кбур 2 с п ф лы 1 ил Ё

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl) < Е 21 В 44/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4494930/03 (22) 19.10,88 (46) 30.12.91. Бюл, N 48 (71) Институт автоматики АН КиргССР (72) Б. В. Фомин, B. И. Логвинов и Ю. В.

Баранов (53) 622,24(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1398511, кл. Е 21 В 44/00, 1985, Авторское свидетельство СССР

N 1488448, кл. Е 21 В 44/00, 1987, (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ

БУРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИЯ (57) Изобретение относится к горной промсти и позволяет повысить произв-сть бурения шпуров и скважин диаметром до 4,5 мм.

Сигнал с датчика (Д) 13 энергии удара и с Д

14 частоты ударов поступает в блок 5 вычисления мощности привода ударного механизма 9. Сигналы с Д 15 скорости подачи и с Д 16 усилия подачл подаются .в блок 6

»!Ж „, 17О1897А1 вычисления мощности привода подачи, Сигналы с Д 17 частоты вращения инструмента и с Д 18 момента вращения поступают в блок 7 вычисления мощности привода вращения. Сигналы с Д 19 и 20 соответственно расхода и давления жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины подаются в блок 8 вычисления мощности привода очистки. Информация с блоков 5 — 8 поступает в блок 4 вычисления полной мощности, подводимой:к инструменту, Сигналы с блока 5, а также с Д 15 и 17 поступают на входы блока 3 вычисления полезной мощности разрушения горной породы. Информация с блоков 3 и 4 поступает на делитель 2, где определяется коэффициент эффективности бурения (Keys), величина которого выводится на индикатор 1, Для получения рационального режима бурения необходимо путем регулирования параметров поддерживать максимальное значение Кбур, 2 с,п. ф-лы, 1 ил.

1701897

Изобретение относи гся к управлению технологическими процессами бурения на гоонодобывающих предприятиях, и Mower быть использовано, B "частности, для бурения шнуров и скважин диаметром до 45 мм.

Цель изобретения — павь шение производительности бурения, На чертеже представл.-:на блок-схема устройства для реализации способа, Способ управления процессом бурения для буровых станков и агрегатов вращательного, врашательно-ударного и /дарно-враЩатсльнага Действил Осу|Цествллеl сЯ в общем случае следующим образом, В процессе бурения посредством aBIчиков, устанавливаемых на выходе приводов механизмов удара, nодачи, вращения и системы очистки, производятся замеры -гастоты ударов пуд, и энергии удара А д, скорости Чпод и усилия подачи Г:под, частоты пВр и момента вращения М р, давления Р и расхода Q потока жидкости лли воздуха на очистку шпура, По результатам производимых зам8рав Определяется Величина суммарной

Mo HocTM N g, падводимая K буровому NHcтрументу., и вычлсляется полезная мощность гоп, которук необходимо затратить на объемное разрушение горной породы при данной скорости бурения, Затем определя8 ся величина отношения палезнол мощности N к суммарной мощности Мт, которая фиксируется, например, индикатором, расположен н ым ла пульте управления, Для получения максимального значения этого отношения (коэффициента эффективности бурения), которое определяется по показаниям индикатора, необходима регулировать следу ющие nBpBM8Tpb усилие подачи, частоту вращения, ударную мощность и мОщнОсть патака жидкости или BosP IxB HB очисткУ J3ngPB и I I cKBB>K!4 нь1.,1PN этом, для того, чтобы недопустить уменьшение производительности бурения, регулирование начинается с установления максимальных значений этих параметров.

Причем с целью сокращения времени ВЬ1хода на оптимальный режим усилие подачи и частота вращени":регули,руются независимо, а мощность ударного механизма оцнаBp8M8HHo с усилием подачи.

Окончательное регулирование производится снижением мощности потока на Очи стку шпура или скважины.

Полученное макслмальнае значение коэффициента эффективности бурения показывает, что Mащноcrü, пацвацимая к инструменту, максимальна испсльзуется для обьемного разрушения горной породьl.

Суммарная мощность N, подвадимая к инструменту, в общем случае, равна сумме (5) выходных мощностей механизмов подачи

Кпод, ВРаЩЕНИЯ Nsp, УДаРа Nyn И СИСТЕМЫ очистки Йпр

1чвр + под + Nyp, + NBp, KBT (1)

5 где NBp — мощность, передаваемая на инструмент вращателем

NBp MBp Nap, KBT, (2) где MBp — момент вращения на инструменте, KH М, 10 CUBp — угловая скорость вращения инструм 8 н та, рад /C, Мпод — мощность, передаваемая на инструмент податчиком, Мпод= F V, кВт (3) где F — усилие подачи инструмента, кН;

V — скорость подачи (бурения), м/с; дауд — мощность, передаваемая на инструмент ат ударного механизма

Муд = Ay ny, KÂT, (4) где Ay — энергия удара, кДж, ny — частота ударов, Гц; йпр — мощность потока очистки -шпура (с к важи н ы)

«Inp = Р Q/61,2, кВт где Р— давления потока, МПа;

Q — расход, л/мин, 1

С учетом формул (2), (3), (4), (5) зависимость (1) принимает вид

N = (MBp tdgp+ F V+ Ay ny+

+ PQ/61,2), кВт (6).

Полезная мощность Nn, затраченная непосредственно на объемное разрушение горной породы, опредтеляется

Nп=4,H6 10 f d Vsур, кВт. (7) где f — коэффициент крепости горной породы; б — диаметр шпура или скважины, мм;

Чоур — скорость бурения, м/с.

Зависимость (7) выведена с учетом положения о том, что энергоемкость разрушения горных пород пр" êòè÷åñêè не зависит от способа бурения.

Однако существуют основные законоьырности для оценки режима вращательнаIo бурения шпурав диаметром 40 — 45 мм в горных породах различной крепости г пр =!700-50 т), об/мин (8) гДВ пр — РаЦиональнаЯ скоРость вРаЩениЯ инструмента, Следует отметить, чта буоение пород с коэффициентам каепости f > 15 вращательным способом шпурами диаме гром до 45 мм нерациональна. Найдены также основные

5g закономерности и рацлональные параметры процесса вращательна-ударного бурения шпурав диаметром 40 — 45 мм В горной породе различной крепости

V =- 100 (20 — f), мм/мин (9) 50

Для ударно-вращательного бурения механическая скорость — скорость Ч бурения первого метра шпура или скважины (возможная максимальная) составляет

V = — У вЂ”, мм/с (10)

50 А и 2 . f

Поскольку процесс бурения, который ведется при максимально возможном объемном разрушении горных пород, является . наиболее рациональным, то, следовательно, приведенные соотношения режимнь:;.. параметров в (8), (9), (10) должны ему соответствовать. Исходя из этого, полезчая мощность N для каждого способа — вращательного, вращательно-ударного, ударноповоротного может быть вычислена соответственно способу в процессе бурения горной породы малой, средней и высокой крепости путем совместного решения зависимостей (8), (9), (10), выраженных относительно f и зависимости (7) для врэща ельного способа

Кп = 4,86 10 (14,1 — 1,205 . пар) x

xd \/,кВт (11) где пвр — об/с; для вращательно-ударного способа

Nn =4,86 10 (20 — 600 V) d V, (12) где V — в м/с; для ударно-вращательного способа йп = 4,54 10 (Ay .. пу)" х х,Р12 ЧО,56 кВт (13 где V — в мlс.

Таким образом, вычисление полезной мощности, затрачиваемой на объемное разрушение горной породы, становится возможным в процессе бурения в породах, коэффициент крепости которых заранее неизвестен. . После определения полезной мощности

Nn для выбранного бурения производится оценка эффективности самого процесса бурения по коэффициенту эффективности бурения Каур, равному отношению полезной мощности Мп к суммарной мощности, подводимой на инструмент й;г

Каур = (14) после чего регулированием параметров определяют и поддерживают максимальное значение Кеур. При изменении крепости горной породы вследствие перемежаемости пород по глубине шпура или скважины, производятся повторное регулирование параметрами и выбор режима бурения с максимальным Кгур, 5

1 0

Таким > е образом, при бурении однотипной породы можно по Каур определить эффективность того или иного способа бурения.

Последовательность регулирования параметров в способе следующая.

Устанавливаются максимальные значения режимных параметров: усилия подачи

F, частоты вращения п р, ударной мощности (энергии удара Ау и частоты ударов Ily), расхода потока на очистку шпура (скважины) Q.

Затем осуществляется одновременное снижение параметров усилия подачи F и ударной мощности Ау и пу до показания нв индикаторе максимального значения Vsyp.

Далее производится снижение частоты вращения п,р до максимального Кбур и, наконец, снижение мощности (расхода) потока на очистку шпура (скважины) до максимального Каур.

Регулирование снижения мощности потока на очистку шпура (скважины) в последнюю очередь производится для того, чтобы избежать возможных аварийных ситуаций (зэштыбовки водо- или воздухопроводящего канала буровой штанги, перегрева и выкрашивания твердого сплава буровой коронки из-за широкого варьиоования скорости бурения (количес .ва буровой мелочи) в процессе регулирования другими раэжимными параметрами.

На чертеже приведена блок-схема устройства для управления процессом бурения.

Устройство включает индикатор-указатель 1 козффпциента эффективности бурения, делитель 2, блок 3 вычисления полезной мощности разрушения горной породы, блок 4 вычисления суммарной (полной) мощности, подводимой к инструменту (забою), блоки 5-8 вычисления выходной мощности приводов механизмов соответственно удара 9, подачи 10, вращения 11 и системы 12 очистки, датчика 13 энергии удара, частоты 14 ударов, скорости 15 подачи (бурения), усилия 16 подачи, частоты 17 вращения инструмента, момента 18 вращения инструмента, расхода 19 и давления 20 жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины, индикатор 21 превышения давления потока жидкости или воздуха на очистку и индикатор 22 перегрузки по моменту вращения.

В устройстве выход блока 3 вычисления полезной мощности соединен с вторым входом делителя 2, выход которого подключен к указателю 1 коэффициента эффективности бурения. Первый вход делителя 2 подключен к выходу блока 4 вычисления суммарной мощности. к четырем входам которого под1 / 01897

8 соединены выходы блоков 5-8 вычисле -1ия выходной мощности приводов удара, подачи, вращателя системы очистки, Выходы датчиков 13 энергии удара и частоты удара

14 подключены к входам блока 5, выходь. датчиков скорости подачи 15 и уси ия подачи 16 — к входам блока 6; выходы датчиког, частоты вращения инструмента 17 и момента 18 — к входам блока 7; выходы датчиков расхода и давления 19 и 20 жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины — к входам блока 8. Вь хоцы датчиков 15 и 17 и блока 5 соединены с входами блока 3 вычисления полезной мощности, На выходе датчика 18 момента вращения и датчика 20 давления потока жидкости на промывку установлены индикаторы, сигнализирующие при перегрузке.

Работа устройства заключается в следующем.

После окончания подго1овительных работ и забуривания устанавлив; þòñÿ на прийодах механизмов удара 9, подачи 10, вращения 11 и в системе 12 очистки максимальные значения параметров частоты и энергии удара, усилия цодачи, частоты вращения, расхода жидкости или воздуха на очистку. При этом соотношения параметров как для устанавливаемого на штанге долота (коронки), так и для буримой породы могут быть не оптимальными с точки зрения обеслечения объемного разрушения горной породы или,величины коэффициента эффективности бурения Кьу, который контролируется индикатором (указа":елем) 1, Плавным регулированием рабочих параметооВ определяют такое их соотношение или задают такой режим бурения, при котором

К6ур имеет максимальное значение, что и соответствует минимальной энергоемкости разрушения горной породы, т.е. максимуму ее объемного разрушения и максимальному использованию суммарной мощности приводов и системы очистки HB бурение по полезной мощности.

Полезная мощность. как мощность, затраченная на объемное разрушение горной породы, вычисляется блоком 3, на первый вход которого подается электри вский сигнал, эквивалентный выходной мощности ударного механизма 9, снимаемый с Bblxopi блока 5 вычисления полезной мощности ударника, на второи вход — электрический сигнал, эквивалентный с:<орасти бурения, снимаемый с выхода датчика 15 скорости подачи, на третий вход - электрический:игнал, эквивалентный частоiå вращения инструмента, снимаемый с гыхода датчика 7 частоты вращения.

16

25 2 0

Ъ

Поступающие сигналы считываются блоком 3 в зависимости от выбранного по указателю 1 способа бурения — для вращательного сигналы, эквивалентные скорости бурения и частоте вращения инструмента, для вращательно-ударного только сигнал, эквивалентный скорости бурения и для ударно-вращательного сигналы, эквивалентные скорости бурения и выходной мощности ударного механизма. С выхода блока 3 электрический сигнал, эквивалентный полезной мощности, поступает Hci BTcpoM Bxop, делителя, в котором происходит его деление на электрический сигнал. эквивалентный суммарной выходной мощности, поступающий из блока 4, В блоке 4 вычисления суммарной мощности осуществляется сложение электрических сигналов, эквивалентных выходной мощности ударного механизма 9, механизма 10 подачи, механизма 11 вращения и системы 12 очистки, Таким обоазом делителем 2 определяется электрический сигнал, пропорциональный коэффициенту эффективности бурения, который отображается индикатором-показателем 1.

Электрический сигнал, эквивалентный выходной мощности ударного механизма 9,— результат перемножения в блоке 5 двух электрических сигналов, эквивалентных частоте ударов и энергии удара, полученных посредством датчиков частоты 13 и энергии

14 удара. Злектрический сигнал, эквивалентный выходной мощности механизма 10 подачи — результат перемножения в блоке 6 двух электрических сигналов, эквивалентн ых скорости подачи (бурения) и усилия подачи, получаемых посредством датчика 15 скорости подачи и датчика 16 усилия подачи.

Злектрический cvãíàë, эквивалентный зыходной мощности механизма 11 вращения — результат перемножения в блоке 7 двух электрических сигналов,. эквивалентных частоте вращения и моменту вращения, получаемых посредством датчика 17 частоты вращения и датчика 18 момента вращения. Злектрический сигнал, эквивалентный мон ности потока жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины системы 12 очистки — результат перемноже: ия в блоке 3 двух электрических сигналов, эквивалентных давлению и расходу потока жидкости или воздуха, получаемых посредством датчика 19 расхода и датчика 20 давления, Во избежание аварийных ситуаций, вызываемых заштыбовкой инструмента или заклиниванием, устройство снабжено индикатором 21, сигнализирующим при повыше10 делителя, î rл и ч а ю щее с я тем, что, с целью повышения производительности бурения., устройство снабжено датчиками энергии удара, частоты удара, расхода и давления промывочной жидкости (воздуха), тремя индикаторами, блоком вычисления и лезной мощности разрушения горной породь, а -,àêæå блоками вычисления выходной мощности приводов механизмов удара, подачи, вращения и системы очистки соответственно, при этом выходы датчиков ма уда„à.,,выход которого подключен к первь м входам сумматора и блока вычисления полезной мощности разрушения горной породы, выходы датчиков скорости подачи и усилия подачи соединены с соответствующими входами блока вычисления выходной

20 мощности привода механизма подачи, выход которого подключен к второму входу сумматора, выходы датчиков момента вращения и частоты вращения соединены с соответствующими входами блока вычисления выходной мощности привода механиэма вращения, выход которого подключен к третьему входу сумматооа, выходы датчиков расхода и давления промывочной жидкости (воздуха) соединены с соответствующими входами блока вычисления выходной мощности поивода механизма системы очистки, выход которого подключен к четвертому вхо30 ду сумматора, причем выход датчика скороcTvi подачи соединен с вторым, а выход датчика частоты вращ ния — с третьим входами блока вычисления полезной мощности разоушения горной породы, выход которого подключен к второму входу делителя, выходы д&ител", датчика давления промывочной жидкости (воздуха) и датчика момента вращения соединены с входами соответственно пе р ваго, второго и третье со индикаторов.

Составитель В.Шилов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор Э.Лончакова

Редактор И.Касарда

Заказ 4520 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР.

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 нии давления промывочной жидкости (воздуха), и индикатором 22, сигнализирующим при повышении момента вращения.

Таким образом, используя изобретение, можно с достаточной точностью па критерию максимума коэффициента эффективности бурения Vpyp пооизводить не только регулирование режимными паоаметрами с целью получения оптимального режим"бурения горных пород, коэффициент крепости f которых не известен, правильно выбирать способ бурения и оценивать степень совершенства буровой установки и инструмента, но и по вычисленной (по формулам

11, 12 или 13) полезной мощности (из формулы 7) определять в процессе бурения коэффициент крепости f горных пород, что необходимо для производства эффективной взрывной работы.

Формула изобретения

1. Способ управления процессом бурения, основанный на измерении осевой нагрузки на инструмент, скорости бурения, момента и частоты вращения инструмента, энергии и частоты ударов, а также давления и расхода потока жидкости или воздуха на очистку скважины и определения суммарной мощности N z, подводимой к инструменту, отличающийся тем,что,сцелью повышения производительности бурения, определяют полезную мощность N> как мощность, затраченную на наименее энергоемкое объемное разрушение буримой горной породы, определяют отношение К == Nn/N