Технологические основы автоматизации бурения

Целью автоматического управления процессом бурения является облегчение труда буровой бригады и достижения высокой производительности станка при снижении затрат и выполнения планового объема бурения в заданный срок. Полностью эта цель может быть достигнута после разработки методов и технических средств автоматического управления на основе оптимизации производственных процессов на карьере.

В настоящее время разрабатываются методы и технические средства автоматического управления буровыми станками независимо от других процессов. Оптимальные критерии устанавливаются для конкретных видов бурения и породоразрушающего инструмента. В качестве таких критериев применяют минимум времени на бурение скважин или наилучшие технические технико-экономические показатели буровых работ, например, минимум затрат на бурение одного метра скважины.

Технико-экономические критерии используются в системе автоматического регулирования косвенно, так как непосредственная аппроксимация их в виде электрических сигналов, необходимых для управления, невозможна.

При ручном управлении машинист вынужден постоянно регулировать либо усилие подачи, либо частоту вращения, выдерживая их постоянными при определенной глубине скважины. Автоматизация процесса шарошечного бурения сводится пока к регулированию частоты вращения и усилия подачи на основе анализа в процессе бурения механических и электрических характеристик станка. Частоту вращения бурового инструмента можно регулировать в зависимости от усилия его подачи на забой, а последнее – в зависимости от величины нагрузки (крутящего момента) двигателя станка. Подача должна быть плавной и непрерывной. Причем усилие подачи долота на забой должно превышать сопротивляемость горных пород разрушению (буримость) и обеспечивать наиболее эффективную скорость разрушения.

В разрабатываемых системах автоматизации в породах различной трудности бурения автоматически регулируются и частота вращения бурового инструмента (на основе регистрации скорости бурения), и усилия подачи, которые принимают прямо противоположным буримости пород. Одна из систем была предназначена только для автоматического поддержания установленного оптимального режима бурения: сам же оптимальный режим бурения для горных пород конкретного месторождения определяется при ручном управлении процессом бурения. Последующая система базировалась на статической модели оптимальных режимов бурения в широком диапазоне изменения буримости пород.

Известны также системы автоматического регулирования усилия подачи (подержания оптимальной его величины) по заранее заданной технической скорости бурения при постоянной частоте вращения бурового става.

Более прогрессивным является регулирование режима бурения по допустимому уровню вибрации станка. Усилие подачи на долото задается максимальным, а частота вращения регулируется по уровню вибрации, при превышении установленного предела которого датчик вибрации дает команду о снижении частоты вращения става. При таком способе автоматического регулирования технические возможности буровых станков используются максимально.

Последующие стадии автоматизации процесса бурения связана с переходом к программному управлению буровыми станками в соответствии предусмотренной последовательностью работ исполнительных механизмов станка как в процессе бурения, так и при выполнении вспомогательных операций.

Диспетчерский дистанционный контроль и управления процессом бурения основаны на круглосуточной автоматической передаче и регистрации на пункте диспетчера информации о бурении скважин (обычно одного параметра – усилия подачи бурового инструмента на забой). Эта информация может передаваться по проводным каналам связи или радио. По диаграмме записи усилия подачи бурового инструмента диспетчер или руководитель получают полное представление о состоянии буровых работ: числе и глубине скважин, скорости бурения на любой глубине, спуско-подъемных операциях, наращивании бурового става, простоях, буримости пород и т.д. Это дает возможность квалифицировано руководить работами и выбирать рациональный режимы бурения. Созданы телевизионные устройства, позволяющие производить непосредственные наблюдения в скважинах для изучения строения буримости горных пород.

Организация буровых работ

Организация работы буровых станков должна обеспечить максимальную их эффективность и взаимосвязь бурения с другими процессами на карьере.

Подготовка рабочих мест буровых станков осуществляется по буровым блокам соответственно блоковому взрыванию горных пород. После обуривания (желательно непрерывного) одного блока станки перемещают на новый блок соответственно плану горных работ. Подготовительные работы выполняются дорожной бригадой, бульдозеристами, службой высоковольтных сетей, маркшейдерской службой, персоналом самого бурового цеха, ряда других цехов и участков. Для максимального совмещения работ во времени составляют график их проведения, увязанный с планом работы соответствующих служб. Цель составления графика состоит в том, чтобы, зная состав и длительность всех работ, а также намеченный срок их окончания, определить последовательность их выполнения и необходимые моменты начала каждой работы.

После установления моментов начала всех подготовительных работ определяют возможность перераспределения ресурсов для сокращения общего времени подготовки. Окончательно установленные сроки выполнения работ передаются соответствующим начальник бурового участка и производственный отдел карьера. При ограниченном фронте работ допускается начала обуривания блока при его неполной подготовке.

Порядок обуривания блока характеризуется последовательностью бурения отдельных скважин, т.е. схемой перемещения станков. При расстоянии скважин первого ряда станок должен располагаться перпендикулярно к бровке уступа, так чтобы горизонтальные домкраты и гусеницы находились вне призмы возможного обрушения откоса уступа.

Порядная схема перемещения станков (рис. 6.1, а) применяется чаще всего при отставании буровых работ и взрывании одного ряда скважин. При расстоянии между скважинами в ряду а общее расстояние передвижки станка между скважинами ℓ’ 1.85 а ,а удельное время передвижки на одну скважину t’п 10-12 мин при а = 7-10 м.

Рисунок 6.1 Схема перемещения станков при обуривании рабочего блока

Поперечно-диагональная схема (рис. 6.1, б) целесообразна при числе рядов скважин не более трех и их шахматном расположении. При бурении каждой трех скважин станок проходит расстояние ℓ” 5 а и выполняет два разворота примерно на 45°. Удельное время передвижки на одну скважину tп’ 5 мин.

Поперечно-возвратная схема (рис. 6.1, в) применяется при квадратной сетке скважин. Здесь на каждую скважину расстояние переезда составляет 1.5 а и приходится примерно 0.7 разворота на угол 25-30°.

Поперечные схемы передвижки обеспечивают значительную экономию машинного времени буровых станков, а также лучшие условия их эксплуатации и более планомерную подготовку блока к взрыву. При использовании на одном обуриваемом блоке двух трех станков целесообразно их рассредоточить, выделяя для каждого станка отдельный фронт работ. Станки обычно подключаются к одному трансформаторному киоску и обслуживаются общим вспомогательным оборудованием; при этом расстояние между ними не превышает 20-30 м, что обеспечивает фронт работы каждого станка на 2-3 смены. При большей автономности станков (отсуствии общих емкостей для воды, трубопроводов и т.д.) это расстояние следует увеличивать до 50-100 м, т.е. практически вести бурение на разных крыльях блока.

Номера и проектная глубина скважин, а также общий объем работ указываются при выдаче буровым бригадам сменного наряда. В конце смены горный мастер заносит ℓфиксируются также в диспетчерских сменных рапортах и являются основой для оплаты труда членов буровых бригад с учетом маркшейдерских замеров.