Системы контроля траектории движения породоразрушающих устройств в массиве горных пород Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.3.08

СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ УСТРОЙСТВ В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Екатерина Вячеславовна Денисова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории горной геофизики, тел. (383)217-09-52, e-mail: slimthing@mail.ru

Антон Игоревич Конурин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории физико-технических геотехнологий, тел. (383)217-09-52, e-mail: akonurin@yandex.ru

Алексей Павлович Хмелинин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории диагностики механического состояния горных пород, тел. (383)217-05-15, e-mail: zubrm@ngs.ru

В ИГД СО РАН разработаны и реализованы новые системы для определения местоположения рабочих органов породоразрушающих устройств. Отличительной особенностью предложенных систем по сравнению с существующими мировыми аналогами являются минимальное вмешательство в конструкцию машины, простота реализации технического устройства. Представлены результаты испытаний систем в реальных условиях.

Ключевые слова: акустический сигнал, породоразрушающий инструмент, геосреда, местоположение объекта.

CONTROL SYSTEMS FOR ROCK DESTRUCTION TOOL MOTION TRAJECTORY IN ROCK MASS

Ekaterina V. Denisova

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Senior Researcher, Rock Geophysics Laboratory, tel. (383)217-09-52, e-mail: limthing@mail.ru

Anton I. Konurin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Physico-Technical Geotechnologies Laboratory, tel. (383)217-09-52, e-mail: akonurin@yandex.ru

Aleksey P. Khmelinin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Rock Mass Diagnostics Laboratory, tel. (383)217-05-15, e-mail: zubrm@ngs.ru

The Institute of Mining SB RAS has developed and embodied new systems for rock destruction tool positioning. The basic features of the new systems as against the existing analogs in the

world are minimum modification of the design structure and simplicity of embodiment. In situ testing data of the systems are presented.

Key words: acoustic signal, rock destruction tool, geomedium, object location.

Проходка скважин широко используется в горном деле и строительстве не только для технологических целей при добыче полезных ископаемых или для прокладки подземных коммуникаций, но и для диагностики и контроля напряжённо-деформированного состояния массивов горных пород, получения непосредственной информации об их физико-механических свойствах.

Существующие зарубежные и отечественные контрольно-измерительные системы (фирмы Digital Control Inc., НПИ «Сенсе»; системы Eclipse, SNS-200, SNS-300 и т.п.), применяемые в системах горизонтального направленного бурения, определяют координаты буровых снарядов с помощью установленных в них передающих антенн, сигналы от которых принимаются на поверхности земли, позволяя вычислить искомые координаты [1,2]. Однако использование данных систем в установках ударно-вращательного бурения весьма ограничено, поскольку передающие антенны подвержены значительным ударным перегрузкам, что приводит к их быстрому выходу из строя [3]. Более рациональным является использование непосредственно создаваемых буровым снарядом поро-доразрушающей машины акустических импульсных сигналов на поверхности обнажения. Их регистрация и анализ позволяют устанавливать местоположение бурового снаряда, а следовательно, и забоя проходимой скважины.

В Институте горного дела им. Н.А. Чинакала СО РАН разработаны акустические системы определения местоположения пневмоударной машины в породном массиве:

Многоканальная акустическая измерительная система (далее МАИС). Фотография макетного образца и схема размещения акустоэлектрических преобразователей на поверхности Земли представлены на рис. 1. Суть работы системы заключается в вычислении координат машины по временам задержки поступления сигнала в приемные каналы (1...4) многоканальной акустической измерительной системы относительно опорного акустического сигнала непосредственно с рабочего органа (5).

Перед началом работы производится калибровка системы - определяют скорость V распространения упругих волн в грунте. Зная исходные координаты пневмоударной машины, по временам tA, tB, te, tD задержки прихода импульса в точки А, В, С, D для каждого из блоков обработки импульсного акустического сигнала 32...35 в блоке вычисления пространственных координат машины 8 вычисляют скорости VA, VB, Ve, VD распространения упругих волн в грунтовом массиве, что позволяет учесть возможную неоднородность его свойств. Далее вычисляют три координаты излучателя 1.

Исходные данные для вычисления координат излучателя 1: а = АВ = CD; b = AD = BC; h = AK - глубина запуска; l - длина машины. Начало координат принято в точке А.

а

б

1В

д

I ЩЩ

\н

Рис. 1. Схема проведения натурного эксперимента (а) и фотография макетного образца измерительного комплекса МАИС (б):

1...5 - измерительные акселерометры KD29, 6 - фундамент здания на расстоянии 2 м от акселерометров 2-3, 7 - пневмоударная машина «Тайфун-2»

При заглублении пневмоударной машины в грунтовый массив на всю длину I координаты точки О, где формируется импульсный акустический сигнал,

относительно начала координат на рисунке 5 будут равны х = Ь, г = к, у = I.

Зная эти координаты, находят значения скоростей УА, Ув, Ус, Уо распространения импульсного акустического сигнала до каждого акустоэлектрическо-го преобразователя 21.. ,24 из системы уравнений:

(ОА)2 = х2 + у2 + г2 (ОБ)2 = х2 + (а - у)2 + г2 (ОС)2 = (Ь - х)2 + (а - у)2 + г2 (ОВ)2 = (Ь - х)2 + у2 + г2

^А = %

^Б = % ^=%

(1)

Ув =

-ОБ/

После ударного воздействия рабочего органа пневмоударной машины на грунтовый массив, происходит перемещение точки О, где формируется импульсный акустический сигнал, в точку удара О. По известным скоростям УА, Ув, Ус, Уб распространения упругих волн в грунте и временам tA, С задержки их распространения в нем вычисляют расстояния от точки удара О до акустоэлектрических преобразователей 21...24:

О' А = Уа х Га

О' Б = Уб х Гб => О' С = Ус х гс О' В = У0 х Гв

(О' А)2 = х 2 + у 2 + г 2 (О7Б)2 = х2 + (а - у)2 + г2 (О'С)2 = (Ь - х)2 + (а - у)2 + г2 (О'Б)2 = (Ь - х)2 + у2 + г2

(2)

(3)

(4)

(5)

<

Из системы уравнений (2-5) вычисляют координаты источника акустического сигнала. Таким образом, зная координаты рабочего органа пневмоудар-ной машины в любой момент времени, можно контролировать процесс проходки скважины геомеханического контроля и исключить искривление ее ствола.

Определение пространственных координат пневмоударной машины в грунтовом массиве при у = 250 мм, показало, что относительная погрешность определения координат 2 и х составила в среднем 4-6%. Данное утверждение справедливо при контроле отклонения пневмоударной машины влево от оси ее движения. Относительная погрешность определения координат машины при моделировании ее отклонения вправо от требуемой траектории резко снижается (до 15-20%). Это можно объяснить наличием слева от места сооружения скважины фундамента и бетонной отмостки здания (на расстоянии 2 м), которые привели к возникновению явления отражения акустической волны на границе раздела сред "грунт-бетон".

Другая разработка - двухканальный обнаружитель местоположения пневмоударной машины, работа которого происходит следующим образом:

Два акустоэлектрических преобразователя располагают на поверхности Земли на равных расстояниях от проекции на дневную поверхность проектной оси движения пневмоударной машины Тайфун-2. Акустический сигнал после усиления и фильтрации поступает на умножитель и далее на устройство обработки информации. При движении машины по проектной траектории амплитуда напряжения на выходе обнаружителя будет максимальной. Уменьшение амплитуды сигнала характеризует отклонение машины от заданной траектории движения, а по разности амплитуд сигнала в каждом канале определяется, в какую сторону произошло отклонение.

Выполненные натурные испытания опытного образца разработанного устройства показали, что при одинаковом отклонении машины от проектной траектории (100 мм) амплитуда акустического сигнала после использования операции умножения при обработке принятых сигналов на выходе обнаружителя уменьшается на 32%, а без нее - на 16%. Это подтверждает вывод о том, что прием полезного сигнала по двум каналам с применением операции умножения позволяет повысить точность определения местоположения пневмо-ударной машины, как минимум, в два раза по сравнению с использованием сигнала без обработки.

Таким образом, предложенные варианты технических решений акустических устройств, предназначенных для определения местоположения пневмо-ударной машины в породном массиве, подтвердили свою работоспособность в реальных условиях прокладки подземных коммуникаций и обеспечили требуемую точность 4-6%.

Рис. 2. Двухканальный обнаружитель местоположения пневмоударной машины:

а - опытный образец, б - испытания в натурных условиях

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Опарин В.Н., Денисова Е.В. Принципы построения радиочастотных систем навигации для бестраншейных технологий прокладки подземных коммуникаций. / Новосибирск: Изд-во СО РАН. - 2011.

2. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий (теория и практика). - М.: Пресс Бюро. - № 1. - 2005.

3. Тареева Е.А. Инновационные разработки для проведения буровых работ методом горизонтального направленного бурения. // Нефть. Газ. Новации. - Самара: ООО «Нефть. Газ. Новации». - 2013. - №3.

4. Наговицын А.Л. Отказы электронных зондов для установок горизонтально направленного бурения: причины и следствия. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: Ы1р:/^пЬ-electronics.ru/zagruzki.

5. Наговицын А.Л. Энергопотребление буровых зондов для ГНБ с батарейным питанием. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://gnb-electronics.ru/zagruzki.

6. Опарин В.Н., Денисова Е.В., Хмелинин А.П., Бадмаева ЯЗ., Полотнянко Н.С. Многоканальная акустическая система контроля процесса движения пневмоударной машины в грунтовом массиве и алгоритм обработки измерительной информации. // ФТПРПИ. - 2014. -№ 3, С. 187 - 197.

7. Патент на полезную модель №136589. Измеритель координат работающей пневмоударной машины. / Е.В. Денисова, В.Н. Опарин, А.П. Хмелинин, А.И. Конурин. // Опубл. Бюл. - №1. - 2013.

8. Патент на полезную модель №116573. Акустический обнаружитель горизонтального местоположения источника звука в грунте. / В.Н. Опарин, Е.В. Денисова, С.Ю. Гаврилов, А.И. Конурин // Опубл. Бюл. - № 15. - 2012.

© Е. В. Денисова, А. И. Конурин, А. П. Хмелинин, 2015