Рациональные параметры и область применения автоматизированного процесса бурения шпуров при проведении горных выработок

Проведение выработок по породам средней и вышесредней крепости в настоящее время базируется на преимущественном применении буровзрывного способа.

Необходимые темпы возрастания добычи угля при существующей технике бурения потребуют значительного увеличения трудовых затрат, в то время как прирост рабочей силы в стране на ближайшие 5−10 лет будет ограничен.

Радикальное решение вопросов повышения производительности труда возможно при автоматизации технологических процессов, в том числе при автоматизации процесса бурения шпуров на бурильных установках.

Работы по созданию научных основ автоматизации бурения впервые были начаты в нашей стране. Еще в 1939 г. под руководством академика А. М. Терпигорева в ИГД АН СССР был обобщен отечественный и зарубежный опыт и обоснованы два варианта автоматизации забойных машин. Им же предложена принципиальная схема саморегулирования скорости подачи сверла на забой в зависимости от крепости горной породы [ПО]. Большой вклад в изучение и создание систем автоматического управления процессом бурения шпуров внесли советские ученые: А. А. Алейников, О. Д. Алимов, В. Д. Буткин, Г. М.Водя-ник, А. Н. Волков, Р. Х. Гафиятуллин, А. А. Жуковский, В. Т. Загороднюк, Е. А. Козловский, Г. М. Маслюк, Н. Г. Петров, Н. И. Терехов, А. В. Яковенко, В. А. Яцкевич и др.

В настоящее время разработку систем автоматизации процесса бурения ведут многие научно-исследовательские и проектно-конст-рукторские организации. Это — ИГД им. А. А. Скочинского, ДонУГИ, ДонАвтоматгормаш, ЦНИШодземмаш, Новочеркасский и Карагандинский политехнические институты, Институт автоматики АН Кирг.ССР. Созданы экспериментальные образцы автоматизированных бурильных машин и установок. Например, регулятор скорости подачи «Приз» и «Приз-М» конструкции ДонАвтоматгормаша, бурильная машина БМВА-I и БМВА-2 разработки Новочеркасского политехнического института в ИГД им. А. А. Скочинского, манипулятор бурильный автоматический (МБА) для проведения горных выработок конструкции ЦНИИПодземмаша и ДонАвтоматгормаша и др.

Однако, проведенные работы, в основном, были направлены на изучение механизмов регулирования и создание на их основе устройств управления. Это, как правило, не обеспечивало комплексного подхода к проблеме в целом и не позволяло решать вопрос об условиях рационального применения средств автоматизации бурильных установок, что приводило к недостаточной научной обоснованности технико-экономических требований к системам автоматического управления. Вследствие этого эффективность автоматизации процесса бурения, определяемая, главным образом, приведенными затратами, во многих случаях оставалась весьма спорной.

В связи с этим, целью настоящей работы является определение условий рационального применения средств автоматизации бурильных установок и разработка к ним технико-экономических требований, обеспечивающих снижение приведенных затрат.

Основная идея работы заключается в том, чтобы определение выходных показателей процесса бурения шпуров (скорость, расход инструмента и буровой стали, энергоемкость разрушения) проводить при помощи математического моделирования с учетом вероятностного характера временных величин, абразивности и распределения крепости породы по глубине шпуров. На защиту выносится:

— систематизация функций и устройств автоматического управления процессом бурения шпуров на бурильных установках;

— методика математического моделирования процесса бурения шпуров;

— рациональные способы управления технологическими операциями процесса бурения шпуров на бурильных установках;

— технико-экономические требования к средствам автоматизации бурильных установок.

Исследования по теме диссертационной работы проводились в соответствии с тематическими планами ИГД им. А. А. Скочинского: в 1979;1981 гг. по поисковой работе № 150 953 000, в I98I-I984- гг. по теме № 0II9402000 «Создать и освоить в производстве тяжело-нагруженные автоматические манипуляторы для проведения горных выработок», выполняемую по подпрограмме 0.05.21 ГКНТ, Госплана СССР, АН СССР и Минвуза СССР, утвержденную Постановлением № 322/ЯР-138/90/795 от б августа 1981 г.

Автор выражает благодарность научному руководителю, проф., докт.техн.наук Н. Г. Петрову за постоянное внимание к работе, а также докт.техн.наук В. Б. Соколинскоидг, канд.техн.наук Г. Е.Званскоа/дг, канд.техн.наук Н. С. Родионову и сотрудникам лаборатории технологии бурения при проведении горных выработок ИГД им. А. А. Скочинского за ценные консультации, указания и содействие при написании диссертации.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

ГЛ. Основные направления создания систем управления и систематизация функций и устройств автоматизации бурильных установок.

Автоматизация процесса бурения шпуров на бурильных установках является мощным средством повышения производительности труда и оборудования. В то же время сведения о технических возможностях в данной области до сих пор не систематизированы в полном объеме. Это затрудняет комплексное решение вопросов автоматизации, не дает возможности определять первоочередность задач, их реальную осуществимость и эффективность при внедрении в горную практику.

В связи с этим, на примере имеющихся предложений рассмотрим основные направления создания устройств управления процессом бурения и на этой основе разработаем систематизацию функций и устройств автоматизации бурильных установок.

Процесс обуривания забоя с помощью бурильных установок состоит из основных, вспомогательных и подготовительно-заключительных операций. Вследствие этого возникают следующие задачи по автоматизации:

1. — самой бурильной машины (БМ);

2. — бурового манипулятора;

3. — бурильной установки.

Под управлением бурильной машиной (сокращенно УБМ) понимается выполнение следующих операций (функций):

УЖЕ — включение и отключение БМ, а также останов ее в крайних (переднем и заднем) положениях;

УБМ2 — переключение БМ на обратный ход по достижении необходимой глубины шпура (крайнее переднее положение);

УБМЗ — управление подачей промывочной жидкости в шпур при бурении;

УБМ4- - управление подачей сжатого воздуха в шпур на обратном ходе БМ для окончательной очистки его от буровой мелочи;

УБМ5 — регулирование параметров режима бурения;

УБМ6 — выполнение забуривания;

УБМ7 — предотвращение поломок и заклиниваний инструмента вследствие попадания в трещины, перегрузки двигателя вращателя и др.;

УБМ8 — предупреждение заклинивания инструмента при прекращении подачи промывочной жидкости.

Основная задача при выполнении функций УЖЕ и УБМ2 состоит в определении исходного и конечного положения бурильной машины по отношению к плоскости забоя.

Известны два способа их решения.

Первый основан на непрерывном измерении текущих координат БМ и инструмента, сравнении их с заданными и выдачи по необходимости специального управляющего сигнала (рис. 1.1).

Несколько проще эта задача решается по второму способу.

Сущность его состоит в оснащении бурильной установки концевыми выключателями (рис. 1.2), которые срабатывают, когда БГ достигает своих предельных положений либо по окончанию бурения шпура, либо при возврате ее в заднее исходное положение. Созданы многочисленные системы управления, в которых этот принцип реализован двумя путями. В первом случае концевые выключатели взаимодействуют непосредственно с перемещающейся по подающеаду устройству БМ, а во втором — с ее моделью, которая в некотором масштабе отражает действительное перемещение БМ |б1].

Рис. I • I. Система — управления.: концевыми. операциями с. непрерывным. измерением положения бурильной головки (БГ):

I — бурильная головка- 2. — устройство измерения положения БГ-. 3 — приводмеханизма подачи- 4 — устройство «управления.

Рис Л о 2. Система, управления, с-концевьши выключателями^ 1,2 — заднлй и передний, концевые выключатели- 3 я БГ-~4 .привод механизма подачи БГ- 5 — устройство управления.

Некоторые из устройств автоматизации концевых выключателей снабжаются компенсаторами отхода направляющей податчика БГ от плоскости забоя при перемещениях манипулятора в пространстве выработки (рис. 1.3). Это приводит к окончанию забоев всех шпуров в одной плоскости, что, по мнению некоторых авторов, увеличивает коэффициент использования шпура (КЙШ). Однако даже автоматический манипулятор допускает неточности наводки, которые ухудшают КИИ. Предельный уровень этих ошибок, а, следовательно, и технические требования к системам управления и алгоритмам выполнения концевых операций до сих пор неизвестны.

Функция УБМЗ заключается в подаче промывочной воды в шпур для его очистки при бурении от породной мелочи. Она выполняется с помощью специальных гидро-, пневмоили электроуправляемых распределителей. Из-за значительной загрязненности шахтной воды по условиям надежности наиболее приемлемы клапанные системы распределения.

Различают водяные системы со свободной и принудительной подачей жидкости на промывку шпура. Б первом случае воду берут непосредственно из шахтной магистрали. Во втором — ту же воду подают в промежуточный резервуар, а затем специальным насосом высокого давления накачивают в шпур. Очевидная простота первого способа оборачивается значительными недостатками при больших скоростях бурения и особенно в шахтах, оборудованных слабыми водяными магистралями.

В случае принудительной подачи стабильная подача в шпур воды под большим давлением гарантирует хорошую очистку шцура от породной мелочи и не снижает скорости бурения.

В то же время применение водяных систем со свободной подачей наиболее приемлемо, так как позволяет при минимальных затратах получить хорошие результаты.

Однако для того, чтобы система со свободной подачей могла кон.

Рис, 1*3. Система управленияс компенсацией отхода БГ при распоре БМ:

I — бурильная головка.-, 2 — привод механизма. надвигания.- 3 — привод механизма, наклона бурильной, машины- 4 — стрела. манипулятора- 5 гпривод механизма, распора-. 6 , — передний концевой выключаяель- .7 привод механизма наклона стрелы манипулятора. курировать с принудительной подачей, ее необходимо дополнить функцией защиты от пропадания воды в шпуре (УБMB), которая будет рассмотрена ниже.

К сожалению в этом случае до сих пор остается неясным вопрос о наиболее приемлемом способе работы водяной системы.

Функция УБМ4 состоит в подаче сжатого воздуха в шпур после окончания бурения для тщательной очистки его от породной мелочи. Известны устройства, позволяющие совместить данную операцию с обратным ходом БМ |пб]. Для этого бурильную установку оснащают, специальной системой управления (рис. 1.4), которая по окончании бурения вместо воды на время обратного хода БМ в шпур через промывочный канал штанги подает сжатый воздух. Целесообразность такой операции и алгоритм ее работы, особенно на пневматических установках, практически не вызывает сомнения. Однако для бурильных установок гидравлического действия введение функции УБМ4 и ее автоматизация связаны с необходимостью воздушного компрессора.

Функции управления типа УБМ5+УБМ8 исторически существовали уже на стадии использования ручных бурильных машин. Так, например, выбор режима бурения осуществлялся проходчиком на основании своего опыта и интуиции. Бурильщик, как правило, стремился пробурить шпур по возможности быстрее, прилагая к этоэду свои физические усилия. Однако проведенные исследования показали, что человек не может вести бурение в оптимальном режиме, при котором производительность и себестоимость бурения достигают своих экстремальных значений. Связано это с тем, что, во-первых, процесс бурения представляет собой достаточно сложную систему (рис. 1.5) и для различных пород и инструмента существуют свои оптимальные соотношения между параметрами процесса бурения, в общем, неизвестные бурильщику. Во-вторых, по глубине шпура состав и свойства пород меняются зна-•чительно и случайным образом. Это значительно затрудняет выбор йО.

Рис.1*4. Система защиты от пропадания промывки шпура водой.

1-т. бурильная. головка- 2 привод.механизма. подачи- 3—.устройство управления-.4 -.управляемый, пневмогидрораспределитель- 5 — устройство защиты от пропадания промывки.: а — воздушная магистральб — водяная магистраль.

Ill Zs ' Р' U LCT Е' — f, ПРОЦЕСС J —<

БУРЕНИЯ • а>

Уп JPn П BP,, м6Р Г.

ЛГ" .

TI.

IV.

Рис. 1.5. Параметры ж показатели процесса бурения шпуров.

I. Выходные показатели:. b, CstP — приведенные затраты, себестоимость и — производительность буренияLCT — стойкость инструмента и буровой стали;

Е — энергоемкость разрушения.

П. Параметры, режима бурения:.

V/j/Pfl — скорость и усилие подачи-.

Лвр/Мдр — скорость и момент вращения;

А /7 — энергия и частота ударов. «* У' * •.

Ш. Параметры буримой породы:.. f, Рк, с (- крепость, контактная прочность, абразивностъ и др.

1У. Параметрыинструмента:. dtdfjS — диаметр, углы заточки и др. f необходимого режима, так как точно и быстро прочувствовать и оту реагировать на изменения условий бурения проходчик не в состоянии.

Анализ показывает, что различные законы управления могут отличаться по технико-экономической эффективности процесса бурения шпуров. Однако приемлемых способов сравнения их между собой до сих пор не существовало.

Кроме того, разработанные рациональные соотношения параметров верны для узкого класса бурильных машин, что не позволяет использовать их для более широкого применения. Все это ставит задачу определения оптимальных режимов бурения, а также разработку необходимых методических средств, с помощью которых можно сравнивать между собой технико-экономические показатели различных способов управления.

Рассмотрим функцию управления забуриванием ТБМб. Операцию за-буривания выполняют для того, чтобы углубиться в массив в необходимой точке плоскости забоя. Поэтому стремятся предотвратить возможный срыв коронки или поломку инструмента.

Осложнения при забуривании могут произойти из-за того, что при неперпендикулярной установке направляющей бурильной машиной к плоскости забоя в моменты касания граней инструмента горной породы возникают значительные усилия.

Эти усилия действуют на лезвия коронки, а по мере углубления инструмента — на целик породы вокруг шпура. Причем их величина тем больше, чем меньше угол наклона направляющей к плоскости забоя и чем выше значения параметров режима — скорость вращения и усилие подачи инструмента, энергия и частота ударов. В случае превышения возникающими усилиями некоторой критической величины происходит либо срыв направляющей с плоскости забоя, либо поломка инструмента. То и другое приводит к потере рабочего времени и возрастанию за трат на бурение.

На практике при автоматизации забуривания применяют два способа регулирования режима.

В первом случае его проводят на сниженных, но постоянных параметрах [пб, 117].

Во втором случае режим плавно наращивают от нуля до номинальных значений [io].

Однако их недостатком является то, что момент окончания забуривания определяют временем его протекания. Это вызывает необходимость завышать время, что приводит к снижению производительности БМ.

Выполнение функций УБМ7 и УБМ8 принято называть защитой от работы в аварийных ситуациях. Они служат для контроля, сигнализации и предупреждения нежелательных последствий заклиниваний инструмента из-за останова вращателя при перегрузке, а также аварийных ситуаций, которые возникают при пропадании промывочной жидкости.

Заклинивание инструмента при останове вращателя идентифицируют по превышению его моментом некоторой, заранее установленной, предельной величины. Превышение момента вращения устанавливают путем его измерения наиболее целесообразным методом, который приемлем для данного типа двигателя.

В некоторых случаях удается совместить защиту от останова двигателя из-за увеличения момента сопротивления и регулирование режимных параметров. Это происходит при стабилизации момента вращения по уставке путем регулирования величины и направления усилия подачи инструмента. При нем одновременно осуществляется как регулирование момента вращения, так и защита двигателя от останова, перегрузки и опрокидывания (рисЛ.6). Применение таких г со ^.

Рис .1.6. Система стабшшзацш нагрузки вращателя. .

I — бурильнаяголовка- 2 — регулятор механизма подачи—3. — привод механизма подачиа — напорная гидромагистраль. устройств позволяет избежать заклиниваний инструмента в сильно трещиноватых породах даже при увеличенном усилии подачи, что приводит к существенной экономии времени бурения шпура.

Однако, вручную выбираемая уставка критического момента, как правило, не соответствует крепости буримой породы и состоянию инструмента. Вследствие этого, производительность бурильной машины будет ниже потенциально возможного значения.

Прекращение подачи в шпур необходимого количества воды во время бурения вызывает заштыбовку промывочного канала штанги и самого шпура породной мелочью. Вследствие этого, двигатель вращения инструмента останавливается, а бурение прекращается. На ликвидацию последствий возникшей аварийной ситуации в среднем уходит от 10 до 30 мин. рабочего времени. В шахтах, оборудованных ненадежными водяными магистралями, неожиданные перебои с подачей воды случаются до нескольких раз в смену [52]. Поэтоыдг использование автоматических устройств для УБМЗ повышает производительность бурения и, кроме того, позволяет вывести из забоя дополнительного машиниста, в обязанности которого входит наблюдение за поступлением воды в шпур.

Имеются сведения о соответствующих автоматических системах управления, в которых диагностирование промывки осуществляется либо путем измерения расхода воды, либо ее давления [Пб]. Следует отметить, что способы их работы еще не совсем совершенны, особенно для применения в автоматических манипуляторах, полностью исключающих ручное управление. Например, оценка состояния промывки по давлению эффективна, когда расход воды сильно падает при уменьшении напора в магистрали. В то же время это не предохраняет от работы при заштыбовке штанги или шпура. От данного недостатка свободен способ, связанный с измерением расхода. Однако полного диагностирования ситуации не дает и он. Например, * при нарушении целостности водяных рукавов, подающих жидкость к буровой штанге.

Все это ставит задачу разработки эффективного способа работы автоматической водяной системы и определение области ее рационального использования.

Рассмотрим выполнение вспомогательных операций (сокращенно I.

УВО). Под ниш понимаются следующие функции.

УВ01 — перестановка БМ на очередной шпур с помощью бурового манипулятора;

УВ02 — смена затупившегося инструмента.

При автоматизации выполнения паспорта БВР перестановка бурильной машины осуществляется с помощью автоматического манипулятора, имеющего несколько (от 4 до 8) степеней свободы и специальную систему программного управления. Такие системы запоминают значения и последовательность отработки угловых или линейных координат основных звеньев стрелы манипулятора, которые однозначно соответствуют паспорту БВР. В процессе работы система автоматически переводит БМ к очередному шпуру, осуществляет бурение и возвращает БМ в исходное положение. После окончания бурения и возврата БМ в исходное положение устройство программного управления заново выполняет весь цикл, но уже на новом шпуре. Так происходит до выполнения всего паспорта БВР.

В ряде работ описаны различные по своеь^у принципу действия системы программного управления перемещением БМ с помощью манипулятора (рис. 1.7). Это системы с ручным вводом значений координат [44, бх], или с их запоминанием в процессе наводки по эталонного циклу [бз].

Применение автоматизации УВ01 позволяет снизить общие затраты времени на перестановку БМ в 2*3 раза за счет совмещения onei&L.

Рис. 1.7. Система программного, управления. перемещением бурильной, машины от шпура.к. шпуру с помощью автоматического манипулятора.

I — направляющая, бурильной машины- 2 — датчик наклона бурильной машины- 3 — привод механизма fКлона^{ьной.машины-} ^ - &bdquo-стрела манипулятора -5″ приводнаклона стрелы- 6 — датчик наклона стрелы- 7 .-привод вращения, стрелы- 8. — датчик угла поворота стрелыустройство управления- 10 — устройство управленияII —, блок. памяти- 12 — блок измерения текущих координат. раций по наводке и уменьшения среднего времени элементарных пе-* ремещений манипулятора.

Однако при создании систем программного управления до сих пор неясными остаются вопросы, связанные с необходимой точностью отработки и измерения угловых перемещений кинематических звеньев стрелы манипулятора, а также с потенциальными возможностями по увеличению скорости выполнения вспомогательных операций. Кроме того, неясными остаются вопросы, связанные с точностью отслеживания координат каждого шпура, а также с необходимыми требованиями к объеь^у памяти системы программного управления.

Функция УВ02 заключается в смене инструмента после его затупления. Устройства, выполняющие эту функцию, должны выдать команду о необходимости замены, а затем сменить инструмент. Устройства смены инструмента применяются во многих станках с числовым программным управлением, использующихся в машиностроительной промышленности (рис. 1.8). Это делается для того, чтобы не привлекать для выполнения операции замены оператора и, тем самым, сделать станок полностью автоматическим. Кроме того, автоматическая смена инструмента происходит быстрее и качественнее. Поэтому создание буровых автоматов, функционирующих без участия человека, невозможно без наличия устройств смены инструмента.

Следует отметить, что, несмотря на важность решения этого вопроса, в настоящее время известно мало сведений о проведении работ в данном направлении. К имеющимся следует отнести попытки разработки различного типа устройств механического съема коронок путем приложения значительных усилий порядка нескольких тонн 43, либо с использованием быстрого теплового разогрева юбки коронки для создания зазора между внутренней поверхностью инструмента и внешней поверхностью конуса штанги [^з].

I 3 4 jL/— /— ro.

VM.

Рис. 1.8. Система автоматической смены инструмента.

I — бурильная головка-,.2. г-, .буровая штанга-. ^.

3 — механизмс нятия и насадки-буровой коронки- .

4 — буровая, коронка- 5.-. магазин запасных коронок- 6 — устройство управления.

Датчики, определяющие предельное затупление инструмента, как правило, предлагают создавать на базе измерения косвенных параметров, характеризующих текущий износ рабочих кромок резца или коронки. Например, с помощью длительного контроля изменения средней скорости бурения.

Необходимо отметить, что для устройств автоматической смены инструмента еще существует большое количество нерешенных вопросов. К основным из них относится обоснование необходимости механизма съема коронки и исследование области его применения.

Функции управления подготовительно-заключительными операциями (сокращенно УПЗО) включают в себя:

УП301 — въезд и выезд установки из забоя;

УП302 — установку бурильной установки в необходимое положение в забое горной выработки.

До настоящего времени УП301 и УП302 выполнялись только оператором бурильной установки. Однако сейчас появились технические возможности для того, чтобы сделать автоматическим выполнение функций УП302. В работах |43, 44, Пб], например, рассматриваются различные технические предложения по системам вождения гусеничных и рельсовых бурильных установок с помощью дистанционного, полуавтоматического или автоматического управления. Выявлены возможности создания таких устройств с применением проводных, лазерных и СВЧ — приборов для передачи команд управления от центрального пульта, а также для определения текущего местонахождения установки и выработки программы движения. Представляет интерес применение промышленного, особенно стереоскопического телевидения, работы по созданию которого ведутся в некоторых областях робототехники.

С автоматизацией функций ПЗО бурильная установка будет работать практически без участия человека, а поэтоцу может быть определена как буровой робот. Однако в настоящее время основная опасность несчастных случаев падает на время основных и вспомогательных операций. В то же время разработка систем управления для автоматизации функций УП301 и УП302 является технически трудной и находится пока в стадии начальных экспериментов. В связи с этим, внедрение автоматизации подготовительно-заключительных операций на данном этапе развития буровой техники нецелесообразно по организационным, техническим и экономическим соображениям.

Рассмотрение всех функций управления процессом бурения позволяет разработать классификацию устройств автоматизации. Это в первую очередь необходимо для того, чтобы определить порядок разработки и наращивания сложности управляющих систем.

В ряде работ были сделаны попытки классифицировать или систематизировать данные по отдельным видам устройств управления бурением. В работе [i-б], например, представлена функциональная схема системы автоматического управления самоходной бурильной установки.

Имеются данные по представлению в виде структурных схем отдельных частей систем управления, например, устройств регулирования режима, программного управления перемещением манипулятора и некоторых других.

Предложенные классификационные представления систем автоматизации бурения в целом ряде случаев играют свою положительную роль. Однако для выяснения взаимосвязей применяемых устройств управления предложенные схемы неприменимы. В этом случае наиболее целесообразен системный подход, который бы учитывал главный аспект автоматизации бурения — ее функциональное обеспечение.

Учитывая важность поэтапного усложнения автоматики, было признано целесообразным представить нарастание ее функциональной сложности в виде четырех основных уровней, которые охватывают 12 элементарных функций управления (рис. 1.9).

Способом разделения элементов управления по уровням автоматизации бурения явился принцип законченной функциональной полноты. Он заключается в последовательном устранении оператора БМ от управления сначала простейшими, потом основными, затем вспомогательными и, наконец, подготовительно-заключительными операциями.

Рассмотрим первый уровень, названный автоматическим податчи-ком. Он включает в себя автоматическое управление функциями начала и окончания бурения (УБМ1), включение БМ не обратный ход (УБМ2), подачу промывочной жидкости в шпур (УБМЗ) и продувку шпура на обратном ходе БМ (УБМ4-). Внедрение первого уровня автоматизации уменьшает нагрузку на оператора БМ, что позволит оснастить установку несколькими БМ, если пульты их управления совместить либо расположить в пределах досягаемости с одной рабочей позиции оператора-машиниста. Автоматический податчик может позволить уменьшить общее время бурения без увеличения численности рабочей бригады.

Второй уровень автоматизации бурения назван адаптивной или квазиадаптивной бурильной машиной. Это наименование обусловлено тем, что бурильная машина, оснащенная такой автоматикой, должна приспосабливаться к изменению условий бурения.

Второй уровень автоматизации включает первый и еще состоит из регулирования параметров режима бурения (УБМ5), выполнения забу-ривания (УБМ6), защиты двигателя вращателя от перегрузок (УБМ7) и защиты от пропадания промывочной жидкости (УБМ8).

При оснащении бурильной установки средствами автоматики, соответствующими второму уровню, отпадает необходимость в помощнике машиниста БМ, который, находясь в непосредственной близости от забоя, помогает забуривать шпуры, а также следит за подачей воды в шпур для промывки и вращением инструмента. Кроме того, примене.

II.

ЭЛЕМЕНТЫ АВТОМАТИЗАЦИИ.

УПРАВЛЕНИЕ НАЧАЛОМ И ОКОНЧАНИЕМ БУРЕНИЯ.

УПРАВЛЕНИЕ ВОЗВРАТОМ БУРИЛЬНОЙ МАШИНЫ.

УПРАВЛЕНИЕ ПОДАЧЕЙ ПРОМЫВОЧНОЙ ЗДТОСТИ.

УПРАВЛЕНИЕ ПРОДУВКОЙ КА О.Х.

УПРАВЛЕНИЕ ПАРАМЕТРАМИ РЕЖИМА БУРЕНИЯ.

УПРАВЛЕНИЕ ЗАБУРИВАНИЕМ.

АТО1Я ВРАН1А.

ЗАЩИТА ОТ ПРОПАДАНИЯ ПРОМЫВКИ ущцщщц т.

МАНИПУЛЯТОРА В ПД< ЗАБОЯ I.

3AJEHA ИНСТРУМЕНТА.

7пршенж .

ВЫЕЗДОМ УСТА" ЗАБОЯ.

ОМ И.

ОРИЕНТИРОВАНИЕ БУРИЯЫЮЙ УСТАНОВКИ В ЗАБОЕ.

ПРИМКРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ.

ВВДН АВТОМАТИЗАЦИИ.

АВТеМАТИЗА ЦИЯ КОНЦЕВЫХ ОПЕРАЦИЙ.

АВТОМАТИЗМ ЦИЯ РЕЖИМОВ БУРЕНИЯ.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВСПОЖН ГАТЕЛЬШХ ОПЕРАЦИЙ.

АВТОМАТИЗАЦИЯ П (ЩО-ТОВИТГ-ЗАК лсчитаыш!

ОПЕРАЦИЙ.

Рис Л.9. Систематизация функций и устройств управления процессом бурения i>

— о О ние рациональной автоматизации режима и защиты от работы в ава- 4 рийных ситуациях увеличивает производительность бурильной машины и снижает приведенные затраты на бурение.

Третий уровень автоматизации назван буровым автоматом. Кроме перечисленных он включает функции перестановки манипулятора в плоскости забоя (УВ01) и смены затупившегося инструмента (УВ02).

Применение бурового автомата может полностью устранить человека от выполнения основных и вспомогательных операций, а также увеличить производительность за счет сокращения времени перестановок БМ от шпура к шпуру и времени смены инструмента.

И, наконец, четвертый уровень автоматизации, названный буровым роботом, представляет собой буровой автомат с автоматическим выполнением операции по управлению въездом-выездом установки (УП301) и ориентировкой ее в забое выработки (УП302). Таким образом, буровой робот самостоятельно выполняет все операции цикла обуривания забоя. Использование в горной промышленности буровых роботов создает предпосылки для полного устранения людей от постоянного присутствия под землей.

Отличительной особенностью каждого последующего уровня автоматизации является уменьшение трудоемкости буровых работ. Это позволяет последовательно устранять человека от ведения процесса бурения для выполнения других операций проходческого цикла.

Так как внедрение систем управления связано с затратами больших средств, то при переходе к последующим уровням автоматизации следует потребовать улучшения технико-экономических показателей бурения.

Поэтому создание устройств автоматизации целесообразно начинать с разработки способов управления и требований к системам управления, применение которых будет улучшать технико-экономические показатели.

Однако для определения наилучшего необходимо сравнивать их между собой. Такую возможность открывает применение специально выбранного критерия оптимальности.

Выводы.

1. Условия рационального применения систем автоматического управления определяют зависимость относительной предельной стоимости в функции коэффициента отказов систем управления. Каждому уровню автоматизации бурения соответствует аналитическое выражение, которое связывает относительную предельную стоимость и параметры системы управления.

2. Область применения средств автоматизации бурильных установок расширяется при переходе к последующим уровням сложности систем управления процессом бурения. На каждом уровне сложности область применения в первую очередь зависит от уменьшения временных величин основных, а затем вспомогательных операций.

3. Оптимальное значение коэффициента отказов для систем управления первого уровня должно быть не выше 0,005- второго уровня — 0,015- третьего уровня — 0,05. Предельная стоимость систем управления не должна превышать значения 0,01 для первого,.

0,12 — для второго и 0,20 — для третьего уровня автоматизации бурения.

4. Годовая экономическая эффективность от применения тяжело-нагруженного автоматического манипулятора для проведения горных выработок составляет величину 43,1, в том числе 10,8 тыс. руб. на аппаратуру автоматийи при потребности в них около 100 шт. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе проведено определение условий рационального применения средств автоматизации бурильных установок и разработаны технико-экономические требования к ним. Основные итоги и выводы по работе заключаются в следующих положениях.

1. Анализ существующих путей и способов автоматизации показал, что наиболее целесообразным методом разработки технико-экономических требований и определения условий применения средств управления является всесторонний учет приведенных затрат процесса бурения на бурильных установках.

2. Обобщение и анализ возможностей устройств автоматического управления процессом бурения шпуров позволил установить возрастающие по технической сложности и эффективности применения последовательные уровни автоматизации бурильных установок от простейших систем управления концевыми операциями вплоть до создания буровых роботов.

3. Каждый последующий уровень автоматизации дает возможность увеличить производительность бурильной машины. На первом из нихза счет снижения нагрузки на оператора двухманипуляторной установки на 1,5−2,0%, на втором — благодаря снижению расхода инструмента и увеличению скорости бурения — на 20−60%, на третьемвследствие снижения времени вспомогательных операций — от 40 до 75%. Кроме того, на каждом уровне автоматизации снижается потребность в рабочей силе.

4. Разработанная методика математического моделирования путем учета вероятностного характера временных величин, абразив-ности и распределения крепости породы по глубине шпуров дает возможность получать выходные показатели при вероятности 0,95 с ошибкой не более 10−15% от экспериментальных данных и сравнивать' на этой основе между собой любые способы и системы управления основными и вспомогательными операциями.

5. Выведенное на основании теоретического анализа аналитическое выражение критерия оптимальности, учитывающее циклическую стойкость бурового инструмента и узлов бурильной машины, стоимость, надежность и ремонтопригодность средств управления, позволяет обосновать как рациональные параметры режима вращательно-ударного бурения, так и технико-экономические требования к системам автоматического управления.

6. Разработанный способ регулирования режимом бурения программно-управляющего типа со стабилизацией крутящего момента двигателя вращения инструмента по уставке, изменяемой в соответствии с крепостью горной породы, величину которой определяют по текущей энергоемкости разрушения, дает возможность наиболее точно учесть технико-экономические показатели и изменение условий бурения, а также совместить управление режимом с защитой двигателя вращателя от перегрузок, а инструмент от заклинивания.

7. Проведенное с помощью математического моделирования исследование показало значительные преимущества оптимального способа регулирования режимом бурения перед ручным управлением, которые характеризуются ростом производительности на 20−60%, снижением расхода инструмента в 2−2,8 раза и энергоемкости разрушения в 2−3 раза.

8. Условия рационального применения средств автоматизации технологических операций процесса бурения шпуров характеризуются монотонно-убывающей зависимостью между относительной предельной стоимостью и коэффициентом отказов систем управления.

9. Результаты проведенных исследований явились основой для разработки технико-экономических требований, карточки-заявки и технического задания на тяжелонагруженные автоматические манипуляторы для проведения горных выработок.

Расчетный народнохозяйственный экономический эффект от применения автоматических манипуляторов при проведении горных выработок в угольной промышленности составит на один экземпляр 43,1 тыс. руб. в год, в том числе 10,8 тыс. руб. на систему автоматического управления.