Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из направлений в развитии горнодобывающей промышленности является создание автоматизированных средств добычи угля без постоянного присутствия людей в очистном забое.
Основными технологиями безлюдной выемки угля являются бу-рошнековая и скрепероструговая. Для этих технологий требуется бурение большого объема пространственно - ориентированных скважин длиной до 150 м. Сдерживающим фактором применения является отклонение технологических скважин от заданного направления в силу разнообразных, определяющихся конкретными геолого - техническими условиями, причин.
Требования по направленности предъявляются также к скважинам для дегазации и увлажнения пластов и шахтной доразведки угольных месторождений. Произвольное искривление приводит к невыполнению отдельными скважинами своего технологического назначения, в результате чего возникает необходимость их перебуривания, что увеличивает сроки и стоимость работ.
Опыт бурения скважин, основным требованием к которым является удержание их в плоскости пласта, показывает, что в среднем на одну рабочую скважину длиной 110 м в боковых породах теряется в общей сложности семь скважин.
Поэтому в процессе бурения скважин большое внимание должно уделяться определению пространственного положения их трасс и, в первую очередь, при совмещении процесса бурения с процессом контроля и автоматического управления.
Этим объясняется актуальность проблемы создания рабочего инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения.
Имеется значительное количество работ, посвященных созданшо средств направленного бурения и измерительных систем для определения положения оси буровой скважины в пространстве, в т.ч. и работ по созданию систем контроля положения бурового инструмента в процессе бурения. Но, в основном, предлагаемые системы получения информации о положении оси скважины в пространстве в процессе бурения рекомендуются к применению при бурении скважин большого диаметра как в угольной, так и в нефтяной и газовой промышленности. Рабочий же инструмент буровых станков для бурения скважин малого диаметра до 120 мм, работающих на угольных шахтах, не оснащен системами контроля и информации о его пространственном положении.
Соответствие диссертации плану работ НГТУ. Диссертация подготовлена по результатам работ, полученных при выполнении госбюджетных тем: 16 " Разработать научные основы создания ресурсосберегающих технологий безлюдной выемки пологих пластов угля некондиционной мощности ", № ГР 01890076071 ; 29.91 " Теоретические исследования и практические решения некоторых задач проблемы создания ресурсосберегающих технологий безлюдной выемки весьма тонких и некондиционной мощности пологих пластов угля ", № ГР 01910044039; 25.94 " Разработать научные основы эффективных методов и средств доразведки и отработки весьма тонких пологих антрацитовых пластов при комплексном воздействии на угольный массив с целью снижения его прочности".
Цель работы. Разработка бурового инструмента со встроенной системой контроля его пространственного положения при бурении скважин малого диаметра для решения задачи совмещения процесса бурения с процессом контроля трассы скважины при выемке угля и шахтной дораз-ведке угольных пластов.
Основная идея работы. Совместить технологические процессы бу
рения скважины, систематического контроля отклонения сква
жины от заданной траектории, коррекции направления при минимальных
затратах времени на вспомогательные операции (разборка и сборка буро
вого става при замене буровых коронок, при проведении инклиномет-
рических измерений и т.д.).
Методы исследования. При разработке методики определения координат точек оси буровой скважины были использованы математическое описание вращения с применением матриц преобразования; математический метод решения трансцендентных уравнений, приводящихся к алгебраическим: метод аппроксимации действительной оси буровой скважины между точками измерений, заключающийся в представлении криволинейной оси конечным числом линейных отрезков, точность которого в большинстве случаев удовлетворяет практическим требованиям. Встроенная в буровой инструмент система контроля его пространственного положения разрабатывалась на основе косвенных методов измерений. Исследования датчиков измерительной системы производились на экспериментальном стенде при помощи стандартных электрических измерительных приборов, обладающих достаточной точностью. Обработка результатов экспериментальных исследований производилась при помощи методов математической статистики. При разработке математической модели системы "податчик станка - специальный буровой инструмент - забой скважины" использован метод описания объектов уравнениями Лагранжа 2 рода.
Автором защищаются следующие положения.
1. Новый технологический процесс бурения внутришахтных сква
жин малого диаметра (до 100 мм), отличающийся от известных тем, что:
бурение производится сразу собранным до начала процесса бурения буровым ставом па всю длину буровой скважины;
положение буровых штанг относительно друг друга и относительно шпинделя бурового станка строго фиксировано;
режущий инструмент оснащен пластинами из композитного материала (твердые сплавы с наполнением техническими алмазами), стойкость которых достаточна для бурения скважин на всю длину в мягких и средней крепости породах;
режущий инструмент соединяется с буровым ставом через устройство для принудительного отклонения скважины в заданном направлении при переходе на ударно - поворотное бурение;
определение пространственного положения головной части бурового става производится практически без остановки процесса бурения путем кратковременного (до одной минуты) прекращения подачи и снижения частоты вращения до двух оборотов в миігуту;
измерительная система контроля положения трассы скважины, состоящая из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и гравитационного датчика положения, встроена в головной участок бурового става, выполненного из немагнитного материала;
водоподающий канал неразборного бурового става используется для размещения электрической линии связи для подвода питания и снятия информации с датчиков;
определение пространственного положения трассы скважины производится через каждые 10 м подвигания забоя скважины и информация о величине и направлении отклонения скважины от заданной траектории выдается оператору управляющим компьютером.
2. Метод и устройство специального бурового инструмента
(отклонителя) для принудительного исправления трассы скважины, от
личающихся от известных тем, что:
отклонитель перемещается вместе с режущим инструментом и может быть использован на любой длине скважины и в любом направлении от оси скважины;
отклонитель до определенного усилия подачи, устанавливаемого оператором путем предварительного поджатия пружины, является просто частью бурового става;
использование отклонителя по назначению осуществляется переходом на ударно - поворотное бурение при повышенном давлении в гидросистеме податчика; величина отклонения режущего инструмента за
один удар регулируется настройкой дросселя и величиной подачи рабочей жидкости в гидросистему податчика;
- поворот бурового става при ударном разрушении забоя осуществ
ляется на 180 через каждые 10 -15; число ударов при одном и том же уг
ловом положении инструмента увеличивается от 1 до 5 по мере прибли
жения к результирующему вектору отклонения скважины.
-
Математическая модель процесса ударно - поворотного бурения при принудительном изменении трассы скважины, программное обеспечение и результаты машинного и физического эксперимента.
-
Методика определения координат точек оси буровой скважины, структурная схема и аппаратная реализация системы контроля пространственного положения бурового инструмента при бурении пространственно - ориентированных внутришахтных скважин малого диаметра, отличающиеся тем, что:
положение трассы скважины относительно системы координат, связанной с буровым станком, однозначно определяется по данным измерительной системы, состоящей из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и одного гравитационного датчика положения вместо двух в сочетании с тремя неподвижно закрепленными в корпусе измерительного модуля гальваномагнитными датчиками при определенном положении вектора гравитационной силы относительно системы координат, связанной с преобразователем магнитного поля;
алгоритм обработки данных разработанной измерительной системы позволяет непрерывно воспроизводить на мониторе управляющего компьютера конфигурацию скважины и заданную траекторию, а так же вести журнал направленного бурения скважины.
Достоверность результатов достигается корректным математическим моделированием сложных динамических процессов с учетом распределенных параметров бурового става, проведением машинных и физических экспериментов на реальных образцах специального бурового инструмента, использованием экспериментальных данных кафедры ГМиО НГТУ по стойкости режущего инструмента с композитными твердосплавными пластинами, экспериментальной проверкой лабораторного образца системы контроля положения оси буровой скважины, реальной стыковкой управляющего компьютера с системой контроля. Абсолютная погрешность измерения углов, характеризующих пространственное положение оси буровой скважины, не превышает ±5. Несовпадение конца траектории скважины, воспроизведенной по экспериментальным данным, с началом идеальной скважины при длине скважины 314,16 м составило по оси ОХ' - 2,04 м или 0,65 % от длины скважины, по оси OY' - 3,95 м или 1,26 % от длины скважины. Такие результаты вполне приемлемы для
практических целей.
Научная новизна.
Научная новизна состоит:
в установлении закономерностей поведения собранного на всю длину бурового става в статике и динамике при вращательном и ударно -поворотном бурении и при различной его длине в скважине. Поведение ненагруженной части бурового става схоже с поведением канатов подъемных машин на уклонах. Усилие изгиба с радиусом кривизны более 15 м очень мало и не оказывает заметного влияния на силы трения. Передача усилия подачи при потере устойчивости буровым ставом в скважине осуществляется благодаря опорам става о стенки скважины. Опорные усилия составляют 0,5 - 0,7% от усилия подачи. Длина стоячих волн при вращении нагруженной части става составляет 3 - 5 м и более.
в установлении закономерностей поведения в статике и динамике специального бурового инструмента (отклонителя) при ударном разрушении забоя скважины в процессе гашения кинетической энергии бурового става и нарастания давления в гидросистеме податника.
в доказательстве возможности применения измерительных систем, состоящих из измерителя магнитного поля на гальваномагнитных эффектах (эффект Холла) и одного гравитационного датчика положения, для однозначного определения координат точек оси буровой скважины в системе координат, связанной с буровым станком, при определенном положении корпуса системы, а именно, когда угол его поворота относительно линии действия силы гравитации равен нулю.
Практическая ценность работы заключается в разработке математической модели "податчик станка - специальный буровой инструмент -забой скважины", инженерной методики определения координат точек оси буровой скважины по данным встроенной в буровой инструмент измерительной системы при совмещении процесса контроля положения бурового инструмента в пространстве с процессом бурения скважин малого диаметра, а также предложении программного обеспечения для определения координат трассы скважины и технологического процесса бурения длинных скважин по заданной траектории.
Реализаиия результатов работы. Разработанные в диссертации положения использованы проблемной лабораторией для выполнения госбюджетных тем 16 ,29.91 и 25.94.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях в НГТУ (1989 - 1997 гг.) и заседаниях президиума но выполнению госбюджетных тем 16 ,29.91, 25.94.
Публикации. Результаты работы отражены в 4 научных работах.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 164 страницах, состоит из введения, четырех глав с рисунками и таблицами и заключения, содержит список литературы из 119 наименований и приложения на 7 v страницах.