Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

МОНИТОРИНГ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНОГО МАССИВА СРЕДСТВАМИ КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БУРОВЫХ СТАНКОВ

Шигина А.А. 1 Шигин А.О. 1
1 ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
Установлены основные задачи концепции проблемы управления бурением сложноструктурных горных массивов. Определены факторы, влияющие на изменение физико-механических характеристик горного массива. Показана необходимость применения адаптивных вращательно-подающих механизмов при построении принципиальных схем буровых станков, осуществляющих бурение сложноструктурных горных массивов. Обоснована необходимость использования в буровых станках автоматизированной интеллектуальной системы с адаптивным элементом, обеспечивающей быстрое своевременное реагирование системы на изменение свойств объекта воздействия и поддержание скорректированных параметров функционирования технической системы “Буровой станок – шарошечное долото – горная порода” в оптимальном соотношении. Выполнение интеллектуальной системой указанных задач позволит снизить затраты на бурение и повысить эффективность функционирования данной технической системы. Выявлены преимущества предлагаемой системы перед известными автоматизированными системами управления бурением.
адаптивный
бурение
сложноструктурный
горный массив
интеллектуальная система
автоматизированный станок
система мониторинга и управления
1. Борисов А.А. Механика горных пород и массивов. – М.: Недра, 1980. – 360 с.
2. Буткин В.Д., Нехорошев Д.Б. Выбор типомоделей и рациональная эксплуатация шарошечных долот на карьерах: учеб. пособие. – ГОУ ВПО «Гос. ун-т цвет. металлов и золота». – Красноярск, 2006. – 84 c.
3. Гальперин А.М., Зайцев В.С. Геология: Часть IV. Инженерная геология: Учебник для вузов. – М.: Издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2009. – 559 с.
4. Гилев А.В., Шигин А.О. Теория рабочего процесса электромагнитного привода вращательно-подающего механизма бурового станка при бурении сложноструктурных горных массивов // Фундаментальные исследования.– 2012. - № 9-2. – С. 375-380.
5. Шигин А.О. Адаптивный вращательно-подающий механизм бурового станка для снижения непрогнозируемых нагрузок при бурении сложноструктурных пород // Горный журнал. – 2013. - № 7. – С. 84-89.
6. Шигин А.О., Гилев А. В. К вопросу о нагрузках на породоразрушающий инструмент при бурении сложноструктурных горных пород // Горное оборудование и электромеханика.– 2012. - № 6. – С. 16-20.
7. Шигин А.О., Гилев А.В. Методика расчета усталостной прочности как основного фактора стойкости шарошечных долот Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. . – 2012. - № 3– С. 22-27.
8. Шигин А.О., Гилев А.В. Разработка идеализированной модели бурения горных пород с различными физико-механическими свойствами // Фундаментальные исследования. – 2012. - № 3-3.– С. 665-667.
9. Шигина А.А., Шигин А.О., Ступина А.А. Сравнительная оценка методов анализа эффективности функционирования буровых станков // Современные проблемы науки и образования. – 2012. - № 6. – С. 117.
10. Шигин А.О., Гилев А.В., Шигина А.А. Напряжения и стойкость шарошечных долот при бурении сложноструктурных массивов горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2013. - № 4. – С. 325-333.
В настоящее время более 90 % скважин при добыче полезных ископаемых бурятся с помощью шарошечных долот. В структуре затрат процесса бурения 60% приходятся на буровой инструмент [2]. При бурении сложноструктурных горных массивов он встречает на своем пути трещины, разнородные включения [1]. Существующие буровые машины не позволяют быстро и своевременно реагировать на изменение свойств породы, подстраивать режим бурения и компенсировать удары и вибрацию [8]. Это приводит к возникновению критических нагрузок [6], снижению ресурса [7] и отказу бурового инструмента.

Оценка физико-механических характеристик массива горных пород, расположения рудного тела в настоящее время осуществляется с помощью комплекса мероприятий, включающих пробное бурение скважин, исследование породы в каждой скважине, составление карт [3]. Данные мероприятия являются трудоемкими и раскрывают только общую информацию о расположении блоков горной породы, средней крепости в слоях, средней трещиноватости блока. Эта информация не дает возможности задавать оптимальные режимные параметры и своевременно корректировать их в процессе бурения.

Указанная проблема может быть решена применением системы бурового станка, отслеживающей изменение физико-механических характеристик горной породы в процессе бурения скважин, определяющей прогнозируемый ресурс бурового инструмента и осуществляющей корректировки режимных параметров силовых агрегатов в постоянном режиме. Изменение физико-механических характеристик горного массива в процессе бурения скважины происходит в зависимости от множества факторов, меняющихся неопределенным образом. Такими факторами являются значения крепости горной породы, трещиноватости, слоистости горного массива, наличие несплошностей или включений другой породы в конкретной точке массива. Интеллектуальная система мониторинга [9], оснащенная адаптивным ВПМ [5], позволяет получить исчерпывающую информацию об указанных факторах в конкретные промежутки времени

Адаптивный ВПМ сглаживает непрогнозируемые ударные нагрузки и вибрацию [4]. Для анализа информации об изменении физико-механических характеристик горной породы датчики и контроллеры посылают в компьютер информационные сигналы об изменениях скорости бурения и тока в статоре адаптивного ВПМ. В компьютере эти сигналы преобразуются в информацию о действительных физико-механических характеристиках горной породы и режимных параметрах.

Кроме того, с помощью расчетных методик определяется прогнозируемый ресурс бурового инструмента и удельные затраты на бурение [10], соответствующие действительным значениям режимных параметров и свойств породы. Из этой же информации определяются оптимальная скорость бурения и режимные параметры. Действительные значения сравниваются с оптимальными и автоматически корректируются с помощью управляющих сигналов.

После корректирующих воздействий адаптивный ВПМ работает во вновь заданных режимах и осуществляет подачу и вращение бурового инструмента с необходимым усилием и скоростью. Буровой инструмент проходит сквозь массив горной породы с заданной скоростью до очередного изменения физико-механических характеристик горной породы. Расчетные значения выводятся на приборную панель для контроля оператора. В системе возможно ручное или полуавтоматическое управление.

В настоящее время известно применение спутникового (GPS/ГЛОНАСС) позиционирования буровых станков в карьере для повышения точности расположения взрывных скважин и более эффективного использования взрывчатых веществ. Системы спутникового позиционирования с использованием информации о текущей глубине бурения, скорости бурения, давлении в гидросистеме осевого давления, давлении в гидросистеме вращателя позволяют получать информацию о трудности бурения горного массива в различных точках скважин. Информация о трудности бурения с отдельных скважин через систему спутникового позиционирования обрабатывается и суммируется в общую трехмерную карту трудности бурения. Трудность бурения на этой карте отображается разными цветами, не измеряется в конкретных единицах, а отражает относительный энергетический показатель. Такие карты позволяют в некоторой степени облегчить работу при расчете и закладке взрывчатых веществ в скважины. Информация о текущей глубине бурения, скорости бурения, давлении в гидросистеме осевого давления, давлении в гидросистеме вращателя может быть получена с помощью известных систем управления (таблица).

При этом Интеллектуальная система управления (ИСМУРП), основанная на применении адаптивного вращательно-подающего механизма бурового станка, по нескольким показателям существенно превосходит аналоги.

Сравнение систем управления бурением

Технико-экономические показатели (наименование и единицы измерения)

Системы управления бурением

Федеральный уровень:

«Бортовая система контроля буровых станков (БСКБ)»

ООО «ВИСТ Групп»

Мировой уровень:

«Интеллектуальная система контроля бурения Smart Drill Monitor» станка MD5150 компании Caterpillar

Мировой уровень:

«Автоматизированная система управления буровых установок»

НТЦ ООО «Приводная техника»

ИСМУРП

буровых машин

Уровень автоматизации

Ручное управление

Автоматизированное управление

Автоматизированное управление

Автоматизированное управление

Получение информации о режимных параметрах буровой машины

Давление в гидросистеме,  ток вращателя, частота вращения

Давление в гидросистеме,  ток вращателя

Давление в гидросистеме,  ток вращателя, скорость бурения, частота вращения

Ток от линейного привода подачи рабочего органа (электромагнитный элемент-датчик),  ток вращателя, скорость бурения, частота вращения

Получение информации о свойствах и структуре горной породы в массиве в процессе бурения

Усредненная информация о крепости породы

Нет информации в явном виде

Усредненная информация о крепости породы

Визуальное отображение на приборной панели: показатель буримости, толщина трещин на погонный метр, слоев и разница в показателях буримости слоев

Управление ресурсом элементов рабочего органа буровой машины

Нет, возможно при внедрении ИСМУРП

Нет

Нет,

 возможно при внедрении ИСМУРП

Автоматическое поддержание режимных параметров в области оптимального сочетания ресурса и производительности

Возможность реагирования системы на кратковременное изменение физико-механических характеристик горной породы

Нет реагирования

Нет реагирования

Нет реагирования

Адаптивное реагирование системы без участия человека

Время реагирования системы на установившееся (систематическое) изменение физико-механических характеристик горной породы

Более 20 с. (время реагирования машиниста на существенные и длительные изменения)

Время срабатывания автоматической системы

(~ 0,1 с.) и время переходных процессов исполнительных устройств (более 0,1 с.)

Время срабатывания автоматической системы

(~ 0,1 с.) и время переходных процессов исполнительных устройств (более 0,1 с.)

Время адаптивного реагирования системы без участия человека -0,01 с.

Уровень требований к навыкам пользователя

Высокие профессиональные навыки и стаж работы

Высокие профессиональные навыки при неустановившихся режимах бурения и вибрации

Высокие профессиональные навыки

Требуются общие навыки машиниста буровой машины

Все указанные в таблице системы, кроме ИСМУРП, предназначены исключительно для оптимизации работы машиниста, расчета и закладки взрывчатых веществ. Интеллектуальная система на основе адаптивного вращательно-подающего механизма ВПМ также решает вопросы быстрого износа шарошечных долот при бурении сложноструктурных горных массивов, а также создает предпосылки для создания автономно функционирующего комплекса буровых станков, управляемых с общего диспетчерского пульта. Автономные буровые станки необходимы при бурении скважин в сложных климатических условиях, наличии опасности для жизни и здоровья людей в рабочей зоне и др. В частности, автономные или радиоуправляемые станки требуются для работы в кимберлитовых карьерах АК «АЛРОСА».

Информация, полученная от ИСМУРП, оснащенной адаптивным ВПМ, анализируется, суммируется при помощи спутниковой навигации. В результате получается объемная модель горного массива с конкретным значением крепости горной породы, расположением трещин и несплошностей, слоев и включений горного массива с отличающимися крепостями.

Заключение

Подводя итог, можно отметить необходимость применения буровых станков с адаптивным вращательно-подающим механизмом для быстрого своевременного реагирования системы на изменение свойств объекта воздействия и последующей корректировки и поддержания параметров функционирования объекта управления в оптимальном соотношении. Бурение сложноструктурных горных массивов требует постоянной корректировки режимных параметров. Для эффективного и своевременного поддержания оптимального режима бурения целесообразно оснащать буровые станки интеллектуальной системой управления. Для оптимизации буровзрывных работ на карьере в целом необходимо использовать автоматизированный комплекс интеллектуальных систем буровых станков, работающих согласованно через спутниковую систему слежения, с объединением получаемой информации и отображении ее в графическом виде и в качестве оптимизирующих указаний. Применение такой системы позволит снизить эксплуатационные затраты на процесс бурения в условиях неопределенности и, как следствие, повысить эффективность функционирования парка оборудования карьера.

НИР выполнена в рамках реализации Гранта Президента МК-2531.2014.8

Рецензенты:

Ступина А.А., д.т.н., профессор кафедры системного анализа и исследования операций ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева», г. Красноярск;

Гилев А.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Горные машины и комплексы» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», г. Красноярск.


Библиографическая ссылка

Шигина А.А., Шигин А.О. МОНИТОРИНГ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНОГО МАССИВА СРЕДСТВАМИ КОМПЛЕКСА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БУРОВЫХ СТАНКОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=14847 (дата обращения: 14.12.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074