Способ управления процессом бурения и устройство для его осуществления

"46 Я ИЕ ИЗОБРЕТЕНСВИДЕТЕЛЬСТВУ АВТОРСКОМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПо ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Институт автоматики АН КиргССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1398511, кл. Е 21 В 44/00, 1985,Авторское свидетельство СССРМ 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 ис Д 16 усилия подачи подаются .в блок 6 вычисления мощности привода подачи, Сигналь 1 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 опоеделяется коэффициент эффективности бурения (Кьур), величина которого выводится на индикатор 1, Для получения рационального режима бурения необходимо путем регулирования параметров поддерживать максимальное значение Кбур, 2 с,п. флы, 1 ил,Изобретение относи гся к управлению технологическими процессами бурения на гоонодобывающих предг)рилтиях., и может быть использовано, в частности, для бурения шг)уров и скважин дизм 6 тром ДО 45 мм.Цель изобретения - павь шение пооизводительности бурения,На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа,Способ управления процессом бурения для буровых станков и агрегатов вращательного, врашательно-удаонога и /дарно-вращзтсльнагэ действия Осуществляв ся в общем случае следующим образом,Б процессе бурения посредством да.гчиков, устанавливаемых на выходе приводов механизмов удара, подачи, вращения и системы очистки, производятся замеры )зстоты ударов пуд, и энергии удара А)д, скорости Чпод и усилия подачи Рпод, частотыър и момента вращения Мвр, давления Р и расхода О потока жидкости лли воздуха на Очистку шпура, По результатам производимых замеров оп,ределяется величина суммарной мОщнОсти Й , пацводима 5) к буровому инструменту., и вычлсляется полезная мощность Ип, которук) необходимо затратить на объемное разрушение горной породы при данной скорости бурения, Затем определяе ся величина отношения полезной мощности Йп к суммарной мощности М , которая фиксируется, например, индикатором, расположенным ) а пульте управления,Для получения максимального значения этого отношения (коэффициента эффективности бурения), которое определяется по показаниям индикатора, необходима регулировать следующие псаметры, усилие подачи, частоту врзгцения, ударную мощность и мощность потока жидкости илл возДухз нз Очистку шпурз иги сквз)кинь). При этом, для того, чтобы недопустить уменьшение производительности бурения, регулирование начинается с установления максимальных значений этих параметров. Причем с целью сокрашения времени Вь)хода на оптимальный режим усилие подачи и частота вращения регулируются независимо, а мощность ударного механизма оцнавременно с усилием подач)л.Окончательное регулирование производится снижением мощности потока на очи стку шпура или скважины,Полученное макслмальное знзчени коэффициента эффективности бурения показывает, что мощность, поцвацимзя к инструменту, максимальна испсльзуется для обьемного разрушения горной породь).Суммарная мощность )"), подводимая к инструменту, в общем случае, равна сумме(5) выходных мощностей механизмов подачиКпод, ВРаЩВНИЯ Мвр, УДаРа дауд И СИСТЕМЫочистки ЙпрЙ= Йвр+ Йпод+ Муд+ Кпр, КВТ (1)5 где Мер - мощность, передаваемая на инструмент вращателемар= МврОЬр, кВт, (2)где Мр - момент вращения на инструменте,КН м;10 акр - угловая скорость вращения инструм е н та, рад/С,Мпод - мощность, передаваемая на инструмент податчиком,Мпод= Г Ч, кВт (3)15 где Е - усилие подачи инструмента, кН;Ч - скорость подачи (бурения), м/с;Йуд - мощность, передаваемая на инструмент ат ударного механизмаМуд = Ау пу, кВт, (4)где Ау - энергия удара, кдж,пу - частота ударов, Гц;йр - мощность потока очистки шпура+ РО/61,2), кВг (6)Полезная мощность )Чп, затраченная непосредственно на объемное разрушениеорной породы, опредтеляетсяЙп=4 Я 6 101б гбур, кВт, (7)где т - коэффициент крепости горной породы;б - диаметр шпура или скважины, мм;Чьур - скорость бурения, м/с,Зависимость Я выведена с учетом положения о том, что энергоемкость разрушения вгорных пород практически не зависит отспособа бурения.Однако существуют основные законаМ 6 РНОСТИ ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕжИМа ВРаЩатЕЛьНОго бурения шпуров диаметром 40 - 45 мм вгорных породах различной крепостигпр = (700-50 Ц, об/мин (8)гда пр - рациональная скорость вращенияИНСТРУМЕНТЗ,Следует отметить, чта буоение пород скоэффициентам коепости 115 вращательным способом шпурзми диаме гром до 45 ммнерациональна, Найдены также основныезакономерности и рациональные параметры процесса вращзтельна-ударнога бурения шпуров диаметром 40 - 45 мм в горнойпороде различной крепостиДлл ударно-вращательного бурения механическая скорость - скорость Ч бурения первого метра шпура или скважины (возможная максимальная) составляетЧ = - У - , мм/с (10)50 А и2,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 йл для каждого способа - вращательного, вращательно-ударного, ударно- поворотного может быть вычислена соответственно способу в процессе бурения горной породы малой, средней и высокой крепости путем совместного решения зависимостей (8), (9), (10), выраженных относительно 1 и зависимости (7)для вращательного способаКп =48610 (141 - 1205пвр)х хб Ч, кВт (11)где пвр - об/с;для вращательно-ударного способа Ип = 4,86 10 (20 - 600 Ч)б Ч,(12) где Ч - в м/с;для ударно-вращательного способа йп =4,54 10 (Ау .пу)х х (-1,12 Ч-Обб, кВт (131 где Ч - 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 Ил для выбранного бурения производится оценка эффективности самого процесса бурения по коэффициенту эффективности бу- РениЯ Кбур, РавномУ отношению полезной мощности Мл к суммарной мощности, подводимой на инструмент й;г 5 1 0 15 20 25 30 35 Таким же образом, при бурении однотипной поРоцы можно по Кбур опРеДелить эффективность того или иного способа бурения.Последовательность регулирования параметров в способе следующая.Устанавливаются максимальные значения режимных параметров: усилил подачи Г, частоты вращения пвр, ударной мощности (энергии удара Ау и частоты ударов пу), расхода потека на очистку шпура (скважины) О. Затем осуществляется одновременное снижение параметров усилия подачи Р и ударной мощности Ау и пу да показания на инДикатоРе максимального значениЯ Кбур. Далее производится снижение частоты вра- ЩЕНИЯ Пвр Да МаКСИМаЛЬНОГО Кбур И, НаКО- нец, снижение мощности (расхода) потока на очистку шпура (скважины) до максимального Кбур.Регулирование снижения мащности потока на очистку шпура (скважины) в последнюю очередь производится для того, чтобы избежать возможных аварийных ситуаций (заштыбавки водо- или воздухопроводящего канала буровой штанги, перегрева и выкрашивания твердого сплава буровой коронки из-за широкого варьиоования скорости бурения (количества буровой мелочи) в процессе регулирования другими раэжимными параметрами,На чертеже приведена блок-схема устройства для управления процессом бурения.Устройство включает индикатор-указатель 1 козффнциен,а эффективности бурения, делитель 2, блок 3 вычисления полезной мощности разрушения горной пароды, блок 4 вычисления суммарной (полной) мощности, падводимой 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 или50 Кбур = (14) после чего регулированием параметров определяют и поддерживают максимальное значение Кбур, При изменении крепости горной породы вследствие перемежаемости пород по глубине шпура или скважины, производятся повторное регулирование параметрами и выбор режима бурения сКгур,скважины, индикатор 21 превышения давления потока жидкости или воздуха на ачистку и индикатор 22 перегрузки по моментувращения.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 мощчости. к четырем входам которого под 1701897 8соединены выходы блоков 5-8 вычисления выходной мощности приводов удара, подачи, вращателя системы очистки, Выходы датчиков 13 энергии удара и частоты удара 14 подключены к входам блока 5, выходы датчиков скорости подачи 15 и усилия 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. Выходы 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 подго 1 овительных работ и забуривания устанавливаются 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 Кбу, который контролируется индикатором указа "елем) 1, Плавным регулированием рабочих параметров определяют такое их соотношение ипи задают такой режим бурения, при котором Кбур имеет максимальное значение, что и соответствует минимальной знергоемости разрушения горной породы, т,е. максимуму ее объемного разрушения и максимальному использованию суммарной мощности приводов и системы очистки на бурение по полезной мощности. Полезная мощность как мощность, затраченная на объемное разрушение горной породы, вычисляется блоком 3, на первый вход которого подается злетри вский сиг. нал, эквивалентный выходной мощности ударного механизма 9, снимаемый с выхода блока 5 вычисления полезной мощности ударника, на второи вход - электрический сигнал, эквивалентный с:орасти бурения, снимаемый с выхода да 1 чика 15 скорости подачи, на третий вход электрический сигнал, эквивалентный часто 1 е вращения инструмента, снимаемый с выхода датчика 7 частоты вращения.5 10 15 20 25 2 0 35 40 45 50 55 Поступающие сигналь 1 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 на второй вход делителя 2, 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 чалоте ударов и энеогии удара, полученных посредством датчиков частоты 13 и энергии 14 удара, Электрический сигнал, зквивалентнь,й выходной мощности механизма 10 подачи - результат перемножения в блоке 6 двух электрических сигналов, эквивалентных скорости подачи (бурения) и усилия подачи, получаемых посредством датчика 15 скорости подачи и датчика 16 усилия подачи,Электрический сигнал, 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. Электрический сигнал, эквивалентный мощности потока жидкости или воздуха на очистку шпура или скважины системь 1 12 очистки - результат перемножения в блоке 3 двух электрических сигналов, эквивалентных давлению и расходу потока жидкости ипи 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, о т л и ч а ю щ е е 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 полезной мощности оазрушения горной породь, а также блоками вычисления выходной мощности приводов механизмов удара, подачи, вращения и системы очистки соответственно, при этом выходы датчиков ма удара, выход которого подключен к первым 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 вхо 30 ду сумматора, причем выход датчика скорости 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 дАител", датчика давления промывочнойжидкости (воздуха) и датчика момента вращения соединены с входами соответственнопервого, второго и третьего индикаторов. 40 Составитель В.ШиловТехред М,Моргентал Корректор Э.Лончакова Редактор И.Касарда Заказ 4520 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР. 113035, Москва, Ж, 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 Коур пооизводить не только регулирование режимными паоаметрами с целью получения оптимального режима бурения горных пород, коэффициент крепости 1 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 1 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 й , подводимой к инструменту, отличающийся тем,что,сцелью повышения производительности бурения, определяют полезную мощность Йп как мощность, затраченную на наименее энергоемкое объемное разрушение буримой горной породы, определяют отношение К =- = Гчп/Ии путем регулирования измеряемых параметров поддерживают максимальное значение величины К,2. Устройство для управления процессом бурения, содержаее датчики момента вращения, частоты вращения, сксрости подачи и усилия подачи, а также сумматор, выход которого подключен к первому входу энергии удара и частоты удара соединены с , соответствующими входами блока вычисления выходной мощности привода механ; з