CC BY
31
УДК 622.236
Сухов Рудольф Иванович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории разрушения горных пород, Институт горного дела УрО РАН, 620075, г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка, 58 e-mail: suhov@igduran.ru
DOI: 10.18454/2313-1586.2016.04.121
Sukhov Rudolf I.
candidate of technical sciences, leading researcher, The Institute of Mining UB RAS, 620075, Yekaterinburg, 58 Mamin-Sibiryak st. е-mail: suhov@igduran.ru
Реготунов Андрей Сергеевич
младший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН e-mail: pochta8400@inbox.ru
Regotunov Andrew S.
junior researcher,
The Institute of Mining UB RAS
е-mail: pochta8400@inbox.ru
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ ЛОКАЛЬНЫХ МАССИВОВ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА
THE RESULTS OF THE LOCAL ROCK MASSES STRENGTH PROPERTIES RESEARCHES IN THE DRILLING PROCESS USING HARDWARE AND SOFTWARE
Аннотация:
Статья посвящена вопросам разработки и применения программно-аппаратного комплекса для оценки прочностных свойств пород в процессе бурения взрывных скважин в локальных массивах горных пород. Предложен алгоритм измерения контролируемых параметров в процессе проходки скважин. Показаны варианты отображаемой в специально разработанной программе информации в виде цифровых моделей распределения пород по трудности бурения, графиков изменения режимных параметров процесса бурения во времени. Приведены результаты апробации программно-аппаратного комплекса: представлена взаимосвязь между скоростью бурения и энергоемкостью, полученная в результате анализа экспериментальных данных для опытного блока. Показаны результаты экспериментальных работ на опытном блоке по высокоточному определению координат скважин.
Ключевые слова: массив горных пород, свойства, разрушение, бурение, скважина, энергоемкость, измерение, аппаратура
Abstract:
The article is devoted to questions of development and application hardware and software system for estimation strengthening properties of rocks in the course of drilling in local rock masses. The algorithm of measurement parameters being controlled in the course of holes driving is offered. Application of the algorithm allows to evaluate and specify rocks distribution according to difficulty of drilling, durability rocks depth and in respect of the unit through indices of energy capacity of drilling of explosive slit, Options are shown to specially developed program of information displayed in the form of digital distribution of rocks models according to difficulty of drilling, diagrams of changing regime parameters of drilling in time. The results of hardware and software system approbation are given: the revealed correlation between the speed of drilling and energy capacity received as the result of experimental data analysis for the experimental unit is provided. Results of the experimental operations on the experimental unit by high-precision hole coordinates determination are shown. Recommendations are given.
Key words: rock, mass,properties, destruction, drilling, hole, power consumption, measurement, equipment
Уточнение информации о прочностных и структурных особенностях горных массивов, подлежащих взрывному разрушению, возможно в процессе бурения взрывных скважин. Уточненные при бурении данные о состоянии пород позволяют повысить достоверность информации и обеспечить точность расчетов при проектировании технологических взрывов, и, следовательно, более рационально управлять расходом материальных ресурсов.
Физическая основа метода оценки прочностных свойств пород, слагающих массив при шарошечном бурении, состоит в том, что крутящий момент, создаваемый двигателем вращателя, пропорционален моменту сопротивления движения долота в скважине. Момент сопротивления движению долота пропорционален прочности породы и силам сопротивления, преодолеваемым механизмом вращателя. Таким образом, для оценки пород по прочности необходимо организовать измерения величины крутящего момента создаваемого двигателем вращателя в процессе бурения взрывных скважин и затраченной мощностью на удаление продуктов разрушения из скважины в процессе бурения.
Для решения указанных выше задач в Институте горного дела совместно со специалистами «НПО автоматики» был разработан опытный образец устройства для регистрации электрических параметров основных двигателей бурового станка в процессе проходки скважин. В состав аппаратуры входят панель оператора, источники питания, модуль преобразования сигналов и датчики. Процесс измерения представлен в виде блок-схемы (рис. 1) и состоит в следующем.
Рис. 1 - Блок-схема определения энергоемкости бурения при бурении пород
локального блока массива
Согласно рис. 1, по проекту на буровзрывные работы определяется необходимое число скважин на блоке. Далее в процессе бурения каждой скважины датчики устройства фиксируют изменения электрических параметров двигателей бурового станка. Данные, полученные о каждой из пробуренных скважин, передаются в базу данных системы и в дальнейшем используются для построения цифровой модели для оперативного уточнения расположения пород и руд с различной крепостью в границах локального блока массива. На основании интерпретированной информации о бурении выполняется расчет необходимых проектных параметров.
Апробация аппаратуры осуществлялась в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» при бурении взрывных скважин буровым станком шарошечного типа СБШ-250МНА-32 (№ 350) в породах различной категории буримости.
В процессе измерения удельной энергоемкости бурения на карьерах ОАО «Ураласбест» получен большой объем наблюдений в породах различного петрографического состава. В результате анализа исследований установлено, что буровой станок СБШ-250МНА-32 на бурение 1 м восемнадцатиметровой скважины, глубина которой определена в типовом проекте буровзрывных работ на данном предприятии, потребляет в среднем 134 кВтч электроэнергии. Из них на вспомогательные операции приходится около 20 кВтч. При этом энергоемкость бурения взрывной скважины с учетом мощности компрессора, затраченной на удаление продуктов разрушения с забоя скважины, в среднем составляет 14 кВтч/м.
Измерения также показали, что на участках массива, сложенных породами одного типа, значения удельной энергоемкости бурения колеблются в широких пределах. На рис. 2 представлена диаграмма изменения средней энергоемкости бурения скважин на опытном блоке № 1. Анализ данных рис. 2 показал, что на блоке № 1 при бурении взрывных скважин № 1 - 3 породы в них имели достаточно высокие значения энергоемкости разрушения в диапазоне от 3 до 5 кВтч/м.
£
а з л 5
| I
§ в
б р
I
1 2 3 4 5 6 7 8 Э 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номер скважины
Рис. 2 - Диаграмма изменения энергоемкости бурения взрывных скважин
на опытном блоке № 1
В результате взрыва блока остался непроработанный участок, сложенный диоритом (рис. 3), существование которого было установлено анализом данных с бурового станка до начала взрывных работ. Основными факторами, определяющими широкий диапазон изменения удельной энергоемкости разрушения породы на опытных блоках, являются неоднородность, перемежаемость массива горных пород и влияние зон технологической нарушенности.
Рис. 3 - Опытный блок № 1 после взрыва с неразрушенным участком из диорита
На рис. 4 приведена кривая распределения скважин по удельной энергоемкости их бурения в локальном массиве горных пород на опытном блоке № 1. Ее анализ показывает, что из общего объема скважин на экспериментальном блоке 26,3 % скважин приходится на породы с низкой и средней категорией (УШ-ХШ), 36,9 % скважин пройдены по породам с энергоемкостью от 1,1 до 2 кВтч/м; 36,8 % скважин пробурены по породам свыше 2 кВтч/м.
Энергоемкость оуренггя сихии е.. кВтч/м
Рис. 4 - Распределение пород на опытном блоке № 1
На рис. 5 и 6 представлены диаграмма и кривая распределения скважин по удельной энергоемкости бурения в локальном массиве горных пород на опытном блоке № 2.
Анализ рис. 5 и 6 показывает, что 52,2 % приходится на породы низкой крепости (УШ-ХШ) с удельной энергоемкостью менее 1 кВтч/м, 27,77 % пород обладают энергоемкостью бурения 1 - 2 кВтч/м; 11,13 % - энергоемкостью бурения свыше 2 кВтч/м. Сравнивая графики на рис. 5 и 7, можно сделать вывод о том, что в объеме опытного
блока № 1 содержалось больше крепких пород с энергоемкостью больше 2 кВтч/м. На повышение доли скважин, пробуренных в крепких породах с энергоемкостью более 2 кВт ч/м на опытном блоке № 1 оказал влияние участок из диоритовой породы (см. рис. 3), на проходку которого буровой станок затратил повышенную мощность двигателя вращателя.
2,5 ■
/м
- > -■ н
тВк
Й 1
0,5
тг
14 7 10131619 22 25 23 3134 374043464952 55535164 67 70 73 7679 32 85 33 9194 97
[ 1омер сквпжпны
Рис. 5 - Диаграмма изменения энергоемкости бурения взрывных скважин
на опытном блоке № 2
60
\0
:
й -10
^
3 30 ¡20
е*10
о
51.11
8,88
0-0.5
0^1-1 1,1-1.5 1,51-2 2.1-2,5 болыпеЗ '■I |.| ■■ . ■ ..I- ' ■ им кВтч/м
Рис. 6 - Распределение пород на опытном блоке № 2
На рис. 7 приведен график, отражающий взаимосвязь механической скорости бурения и энергоемкости разрушения породы при бурении взрывных скважин в локальных массивах, подлежащих буровзрывным работам.
В результате исследований было получено уравнение корреляционной связи удельной энергоемкости и механической скорости бурения. Эксперимент показал, что взаимосвязь исследуемых величин выражается степенной функцией вида V = 15,6 е025 с коэффициентом корреляции ^=0,41.
Анализ зависимости показал, что с увеличением скорости бурения энергоемкость снижается. Работы [1 - 2] подтверждают существование упомянутой взаимосвязи между
скоростью бурения и энергоемкостью с достаточно высокими коэффициентами корреляции для различных по прочности пород.
Авторы работ установили, что для пород разного петрографического состава, но имеющих одинаковую категорию буримости, то есть одинаковую механическую скорость бурения, требуются различающиеся в 1,5 - 2,0 раза затраты энергии на разрушение при бурении их одним типоразмером долота. Поэтому взаимосвязь, установленная в результате исследований на карьерах ОАО «Ураласбест», носит объективный характер, а разброс точек обусловлен различиями в петрографическом составе пород.
30
3
в
г*.
ю
о о
§ I
о — «
к
•л О г»
Е Я
В
2Ъ 20 15 10
5
\ ♦ ♦
V "
♦ А А Л ♦ ♦♦ ♦♦
♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦ ♦
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
I ■■ I: ' :и 1:1 ::■ . ■ -.1:.: кВтч/м
Рис. 7 - Взаимосвязь механической скорости бурения и энергоемкости разрушения
породы при бурении
Согласно методике, изложенной в [3], построена плоская модель участка локального массива горных пород по пробуренным скважинам № 10 - 15 на опытном блоке № 2.
Рис. 8 - Модель распределения пород по глубине блока. Пб - показатель трудности бурения по В.В. Ржевскому
Анализ рис. 8 показал, что изменение пород по показателю трудности бурения Пб варьируется от 1 до 8 ед. и может быть объяснено влиянием перемежаемости пород и зон технологической нарушенности.
В результате апробации опытного образца устройства в условиях карьеров ОАО «Ураласбест» доказана работоспособность устройства, получены сведения для его улучшения. В 2015 г. разработана усовершенствованная версия устройства и программа для анализа записываемой устройством информации.
Вторая версия прибора оснащена аппаратурой беспроводной связи для передачи данных на сервер технического отдела комбината. Поступающая со станка на сервер информация о контролируемых параметрах далее используется для уточнения прочностных свойств массива горных пород. Результаты хронометражных наблюдений за процессом бурения скважины позволили в программе обработки данных предусмотреть разделение операций чистого бурения от вспомогательных и подготовительно-заключительных.
Улучшенная версия программы обработки данных предусматривает возможность на основе исходных данных о параметрах двигателя и редуктора вращателя, системы осевого усилия, долота и их текущих значений определить для любой скважины параметры режима бурения (рис. 9). Программа позволяет провести статистический анализ полученных данных, построить диаграмму изменения показателей трудности бурения по В.В. Ржевскому, контактной прочности и энергоёмкости разрушения во времени и по глубине скважины (рис. 10).
—I-1-1-1-1-1-1-
0 »00 1000 < 500 2000 2300 ЭООО
Время.с
Рис. 9 - Диаграмма изменения крутящего момента на долото во времени
о н
£
£ Э
.Д йл
У ш
в
ш
1500 2000 ¿500 ЭООО Вргмл. с
Рис. 10 - Диаграмма изменения показателя трудности бурения В.В.Ржевского
Выполнено усовершенствование автоматизированного устройства за счет применения датчика позиционирования станка в пространстве карьера.
На рис. 11 представлены результаты экспериментальных работ на опытном блоке, в ходе которых были определены координаты скважин. В результате анализа полученных данных установлено, что опытный датчик позиционирования позволяет определять координаты взрывных скважин с высокой точностью, достаточной для практики ведения буровзрывных работ в карьере. Однако был выявлен ряд задач, связанных с надежностью получения данных, что требует продолжения исследований.
Рис. 11 - Положение скважин в пределах локального блока: 1 - скважины экспериментального блока
Повышение точности определения координат позволяет в автоматическом режиме синхронизировать позиции скважин, передаваемых прибором с данными предприятия. Это в свою очередь способствует ускорению обработки данных для дальнейшего их использования при проектировании взрывных работ.
В настоящее время устройство и способ его использования находятся под правовой защитой: подана и рассматривается в Федеральном институте промышленной собственности заявка на изобретение.
Выводы:
- получение уточненных данных о прочностных свойствах буримых горных пород открывает широкие возможности для применения рациональных режимов бурения, типоразмеров бурового инструмента, обеспечивающих энергосбережение при достижении максимально возможной производительности бурения в конкретных условиях;
- предложенный программно-аппаратный комплекс может быть использован для более качественного анализа изменения прочностных свойств локальных массивов при разработке паспортов ведения буровзрывных работ. Вероятный эффект от применения комплекса проявится в снижении затрат на буровзрывные работы более чем в 1,2 - 1,3 раза, в повышении качества дробления горной массы;
- результаты работы могут быть применены на большинстве горнодобывающих предприятий России и ближнего зарубежья, разрабатывающих твердые полезные ископаемые, а также при проходке тоннелей.
Литература
1. Об удельной энергоёмкости разрушения горных пород при бурении взрывных скважин / Р.И. Сухов, Д.С. Шахматов, И.В. Паньков, С.В. Ивановский, А.Ф. Вереса // Горный журнал. - 1991. - № 3.- С. 26 - 28.
2. Паньков И.В. Исследование взаимосвязи механической скорости бурения с удельной энергоёмкостью разрушения пород / И.В. Паньков // Разработка руд черных металлов: сб. науч. тр. / ИГД МЧМ СССР. - № 88. - Екатеринбург, 1989.- С. 66 - 71.
3. Геостатистический анализ данных в экологии и природопользовании (с применением пакета R): учебное пособие / А.А. Савельев и др. - Казань: Казанский университет, 2012. - 120 с.
