СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЕМ РАБОЧЕГО ОРГАНА БУРОГИДРАВЛИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/24 E21C25/60 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при дистанционной гидроотбойке угля.

Известна бурогидравлическая установка бурения скважин [1] в которой ориентация добычного насадка рабочего органа осуществляется по лимбу буровой установки. За счет люфтов в местах сопряжения звеньев става и его закручивания погрешность определения положения достигает десятков градусов. Способ характеризуется низкой надежностью информации о положении добычного насадка рабочего органа в забое.

Известна "Бурогидравлическая установка" [2] которая содержит став подачи с напорной колонной, в головном звене которой расположен рабочий орган и гравиметрический датчик. Недостатками являются разделение во времени процессов ориентации добычного насадка рабочего органа и работы установки по добыче угля, низкая надежность и достоверность информации вследствие использования тарированных отверстий, через которые пропускается шахтная вода, содержащая существенное количество механических частиц.

Наиболее близким техническим решением является "Способ управления положением добычного насадка бурогидравлической установки и устройство для его осуществления" [3] Недостатком предложенного способа является невозможность определения пространственного положения всего рабочего органа относительно угольного пласта, вследствие чего при бурении скважины возникает значительное отклонение оси скважины от заданной траектории. Кроме того, использование шахтной воды в измерительном и исполнительном трактах устройства, реализующего указанный способ, снижает надежность и достоверность информации о положении добычного насадка рабочего органа.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности проведения скважины по заданной траектории с одновременной ориентацией рабочего органа в скважине.

Это достигается тем, что проводят измерение углового положения первого по отношению к забою звена бурового става и ориентацию рабочего органа в плоскости угольного пласта путем поворота бурового става по часовой стрелке. При этом одновременно измеряют угловое положение шпинделя механизма подачи и давление технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем, затем определяют величину углового рассогласования между первым и последним звеном бурового става по формуле
Φ_лi=(Φ_1i-Φ_2i)/2,
где i номер точки замера;
Φ_1i, Φ_2i угловое положение шпинделя механизма подачи при повороте бурового става по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно, при котором происходит ступенчатое изменение давления технологической воды,
и определяют координаты положения Х_i, Y_i и Z_i по формуле
X_i=X_i-1+ΔL_icos(β_i+γ_i)/2]cosα_плi;
Y_i=Y_i-1+ΔL_isin[(β_i+γ_i)/2];
Z_i=Z_i+ΔL_icos[(β_i+γ_i)/2]sinα_плi;
где β_i=arcsin(sinβ_oi/sinα_плi),
β_oi=(Φ_1i+Φ_2i-π)/2;
γ_i=arctg(tgβ_i-1/cos(α_плi-α_плi-1);
α_плi угол падения угольного пласта в точке замера;
ΔL_i приращение длины става между двумя последовательными замерами,
а ориентацию рабочего органа производят путем поворота бурового става по часовой стрелке на угол γ_п, который определяют по формуле
γ_п=Φ_лi+ΔS_i,
где ΔS_i поправка, учитывающая транспортное запаздывание сигнала от датчика, расположенного в первом относительно забоя звене става и определяемая экспериментально при тарировке.

Указанный способ реализуется устройством управления положением рабочего органа бурогидравлической установки, оснащенной многозвенным буровым ставом и механизмом подачи шпинделя, содержащим установленный на внутренней поверхности первого звена бурового става и подключенный к вторичному показывающему прибору гравиметрический датчик, продольная ось которого расположена перпендикулярно продольной оси первого по отношению к забою звена бурового става. При этом устройство снабжено датчиками углового положения шпинделя механизма подачи и давления технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем, вторым вторичным показывающим прибором, установленными в проточной части первого по отношению к забою звена бурового става направляющим аппаратом и гидравлической турбиной, на валу которой, расположенном в подшипниках, установлено рабочее колесо турбины, соединенным с валом с помощью муфты гидронасосом и жестко соединенной со звеном бурового става герметичной камерой, заполненной маслом, при этом вал турбины имеет ввод в герметичную камеру, в которой расположен гидронасос, выход гидронасоса соединен через фильтр с гравиметрическим датчиком, который выполнен в виде двухпозиционного четырехлинейного распределителя, расположенного в подшипниках эксцентричного профилированного кольца и установленного в проточной части гидроцилиндра, шток которого оснащен расположенным в канале подачи технологической воды клапаном, причем золотник распределителя соединен с эксцентричным профилированным кольцом, выходы распределителя соединены с полостями гидроцилиндра, а датчик давления технологической воды расположен на последнем по отношению к забою звена става и подключен к входу второго вторичного показывающего прибора.

Одновременное измерение углового положения шпинделя и давления технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем, позволяют без извлечения бурового става из скважины определитель величину углового рассогласования между первым и последним звеном бурового става, вычислить координаты рабочего органа, установленного на первом по отношению к забою звене бурового става, и произвести ориентацию рабочего органа относительно угольного пласта.

Оснащение звена бурового става, соединенного со шпинделем, датчиками углового положения шпинделя и давления технологической воды позволяет провести указанные выше операции определения величины углового рассогласования между первым и последним звеном бурового става без извлечения става из скважины.

Расположение в проточной части первого по отношению к забою звена бурового става направляющего аппарата и вала с рабочими колесами гидравлической турбины позволяет использовать часть энергии рабочей жидкости (шахтной воды), предназначенной для технологических целей (добычи угля) для привода вала гидронасоса.

Образование жестко соединенной с первым по отношению к забою звеном бурового става герметичной камеры, заполненной маслом, в котором расположены и гидравлически последовательно подключены гидронасос, фильтр и гидрораспределитель, причем насос приводится введенным в герметичную камеру валом турбины, а выход гидрораспределителя подключен к гидроцилиндру, позволяет использовать для питания гравиметрического датчика и гидроцилиндра чистое масло, что повышает надежность работы устройства.

Размещение в проточной части первого по отношению к забою звена бурового става гидроцилиндра, шток которого оснащен расположенным в канале подачи технологической воды клапаном, позволяет в соответствии с сигналом гравиметрического датчика изменять проходное сечение канала подачи воды, вследствие чего происходит ступенчатое изменение давления воды, регистрируемое датчиком давления на последнем по отношению к забою звене бурового става.

На рис. 1 изображена бурогидравлическая установка, общий вид; на рис. 2
устройства, размещенные в первом по отношению к забою звене бурового става; на рис. 3 схема углов поворота бурового става; на рис. 4 схема пространственного положения рабочего органа; на фиг. 5 схема расположения распределителя гравиметрического датчика.

Устройство включает расположенный в скважине буровой став 1 со звеньями 2. На первом по отношению к забою звене размещены рабочий орган 3 с проходческим 4, добычным 5 насадками и система определения положения рабочего органа 3.

Система определения положения рабочего органа выполнена из комплекса устройств 6, установленного в проточной части первого по отношению к забою звена бурового става 1, датчика давления 7 технологической воды, установленного на станке подачи 8, вторичного прибора 9, подключенного к выходу датчика 7, датчика 10 углового положения первого по отношению к станку подачи 8 звена бурового става 1, закрепленного на станке подачи 8 и вторичного прибора 11, подключенного к выходу датчика 10.

Комплекс устройств 6 выполнен следующим образом. В проточной части первого по отношению к забою звена бурового става 1 в подшипниках скольжения 12 и 13 расположен вал 14, на котором закреплены рабочие колеса 15 гидравлической турбины. Соосно с рабочими колесами во внутренней полости звена бурового става 1 неподвижно закреплены направляющие аппараты 16. Подшипник 12 имеет отверстие 17 для прохода рабочей жидкости. Таким образом, внутренняя полость первого по отношению к забою звена бурового става 1 между подшипником 12 и насадком 5 представляет собой проточную камеру, в которой установлена гидравлическая турбина, вал 14 которой с помощью уплотнений 18 проходит в герметичную емкость 19, заполненную чистым минеральным маслом. Во внутренней полости емкости 19 расположены гидронасос 20, фильтр 21 тонкой очистки масла, к которому подключен гравиметрический датчик, состоящий из двухпозиционного четырехлинейного гидрораспределителя 22, золотник которого соединен с эксцентриковым профилированным кольцом 23, расположенным в подшипниках 24, и установленного в проточной части первого по отношению к забою звена гидроцилиндра 25, шток 26 которого оснащен находящимся в канале подачи технологической воды клапаном 27. Гидроцилиндр 25 подключен к распределителю 22 посредством трубопроводов 28. Продольная ось эксцентрикового профильного кольца (чувствительного элемента гравиметрического датчика) расположена перпендикулярно продольной оси первого по отношению к забою звена бурового става 1. Оси золотника распределителя 22 и добычного насадка 5 перпендикулярны.

Буровой став 1 закреплен на станке подачи 8. Способ осуществляют следующим образом. Технологическая вода под рабочим давлением (20 МПа) по внутренней полости бурового става 1 поступает в проточную камеру, проходит через рабочее пространство направляющих аппаратов 16 и рабочих колес 15 и истекает из насадка 4 при бурении скважины или из насадка 5 при гидроотбойке угля из скважины. При этом вал 14 вращается и приводит вал насоса 20. Так как насос 20 расположен в герметичной камере 19, заполненной маслом, осуществляется подача масла в линию нагнетания через фильтр 21 к распределителю 22 и далее в левую полость гидроцилиндра 25. При повороте става 1 вокруг продольной оси по ходу часовой стрелки происходит одновременно поворот всех узлов, находящихся в камере 19, за исключением эксцентрикового профилированного кольца 23, всегда находящегося в плоскости, перпендикулярной горизонту. При занятии добычным насадком горизонтального положения происходит перемещение золотника, находящегося внутри профилированного кольца 23. В результате этого масло под давлением поступает в правую камеру гидроцилиндра 25, вследствие чего поршень гидроцилиндра смещается в крайнее левое положение (масло из левой камеры гидроцилиндра через распределитель 22 поступает на слив). При этом клапан 27 уменьшает проходное сечение проточной части канала подачи технологической воды, что вызывает повышение давления во внутренней полости бурового става 1.

Давление технологической воды регистрируется датчиком 7, и в момент достижения давления установленной величины фиксируют посредством датчика 12 угловое положение первого по отношению к станку подачи звена бурового става.

При дальнейшем повороте бурового става золотник распределителя 22 переместится в исходное положение, в результате чего произойдет реверсирование потока масла от насоса 20, и шток гидроцилиндра 25 займет крайнее правое положение, в котором клапан 27 не оказывает сопротивления потоку технологической воды. В результате давление воды в буровом ставе понизится до рабочего.

После завершения указанных операций начинают поворачивать буровой став 1 против хода часовой стрелки. После выборки люфтов в местах соединения звеньев бурового става и угла силового закручивания става начнется поворот первого по отношению к забою звена бурового става с рабочим органом 3 и комплексом устройств 6. При этом работа системы определения положения рабочего органа аналогична вышеописанной. В результате фиксируют угловое положение первого по отношению к станку подачи звена бурового става.

Поскольку выходы датчиков 7 и 10 подключены соответственно к вторичным прибором 9 и 11, имеется возможность рассчитать
величину углового рассогласования между первым и последним звеньями бурового става
Φ_лi=(Φ_1i-Φ_2i)/2,
где i номер точки замера;
Φ_ii, Φ_2i угловое положение шпинделя механизма подачи при повороте бурового става по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно, при котором происходит ступенчатое изменение давления технологической воды,
X_i, Y_i, Z_i координаты рабочего органа
X_i=X_i-1+ΔL_icos[(β_i+γ_i)/2]cosα_плi;
Y_i=Y_i-1+ΔL_isin[β_i+γ_i)/2];
Z_i=Z_i+ΔL_icos[(β_i+γ_i)/2]sinα_плi;
где β_i=arcsin(sinβ_oi/sinα_плi),
β_oi=(Φ_1i+Φ_2i-π)/2;
γ_i=arctg(tgβ_i-1/cos(α_плi-α_плi-1);
α_плi угол падения угольного пласта в точке замера;
ΔL_i приращение длины става между двумя последовательными замерами.

Примечание. На фиг. 4 приняты следующие обозначения: A плоскость угольного пласта, в которой находится буровой став, В апсиальная плоскость в точке замера L, С плоскость горизонта, d база гравиметрического датчика, ОО заданное направление оси бурового става, KL участок реального положения оси бурового става.

Ориентацию рабочего органа производят путем поворота бурового става по часовой стрелке по угол γ_п, который определяют по формуле
γ_п=Φ_лi+ΔS_i,
где ΔS_i поправка, учитывающая транспортное запаздывание сигнала от датчика, расположенного в первом относительно забоя звене става и определяемая экспериментально при тарировке.

Рассчитанная величина рассогласования между первым и последним звеньями бурового става может использоваться для ориентации добычного насадка относительно угольного пласта вплоть до следующей точки замера.

Предлагаемый способ управления положением рабочего органа бурогидравлической установки и устройство для его реализации работоспособны при угле наклона угольного пласта в пределах 10.70 градусов к плоскости горизонта. Именно в этом диапазоне углов наклона ведется разработка угля бурогидравлическими установками.

В предлагаемой конструкции питание гравиметрического датчика осуществляется чистым маслом, что повышает надежность измерительной системы. Долговечность работы обеспечивается тем, что герметичная камера заполнена маслом полностью. В случае износа уплотнения 18 (в разумных пределах) образовавшийся зазор выполняет роль щелевого фильтра. В том случае, если вода начнет поступать в камеру, то образовавшаяся эмульсия достаточно долго может служить рабочим телом гидросистемы гравиметрического датчика.

В качестве датчиков 7, 9, 10, 11 применяются стандартные устройства. Например, может быть использован датчик давления ПД-М6В с вторичным преобразователем ПНТ-1И. В качестве датчика 10 углового положения первого по отношению к станку подачи звена бурового става может быть применен круговой потенциометр с вторичным прибором в виде цифрового вольтметра.

Непрерывность определения положения рабочего органа обеспечивается тем, что одновременно происходят разработка скважины и осуществление привода гравиметрического датчика.

Опыт гидроотбойки угля из скважины на гидрошахте N 4 ПО "Орджоникидзеуголь" показывает, что из-за отсутствия способов и средств оперативного управления положением рабочего органа потери угля могут достигать 60% Применение предлагаемого способа и устройства облегчит работу оператора, повысит надежность гидроотбойки угля и производительность труда, улучшит технико-экономические показатели.

Предлагаемое изобретение реализовано в системе управления положением рабочего органа комплекса безлюдного гидравлического КБГ. Разработаны рабочие чертежи, проведены испытания на серийном образце КБГ, которые оценены положительно. Параметры разработанной установки следующие: расход воды в ставе 7 л/с, рабочее давление воды 20 МПа, потери давления на рабочих колесах турбины 0,15 МПа, число оборотов привода насоса 750 об/мин.

Назначение: изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при дистанционной отбойке угля. Сущность изобретения: поставленная цель достигается тем, что в напорной колонне управление положением рабочего органа бурогидравлической установки основано на измерении соответствующими датчиками углового положения первого по отношению к забою звена бурового става, углового положения шпинделя механизма подачи и давления технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем. По измеренным данным определяют по приведенным математическим зависимостям величину углового рассогласования Φ_лi между первым и последующим звеном бурового става и координаты положения рабочего органа бурогидравлической установки. После чего осуществляют ориентацию рабочего органа в плоскости угольного класса путем поворота бурового става по часовой стрелке на угол γ_п, который определяют по величине Φ_лi с учетом транспортного запаздывания сигнала от датчика, расположенного в первом относительно забоя звене става. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления положением рабочего органа бурогидравлической установки, включающий измерение углового положения первого по отношению к забою звена бурового става и ориентацию рабочего органа в плоскости угольного пласта путем поворота бурового става по часовой стрелке, отличающийся тем, что одновременно измеряют угловое положение шпинделя механизма подачи и давление технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем, затем определяют величину углового рассогласования между первым и последним звеном бурового става по формуле
Φ_лi=(Φ_1i-Φ_2i)/2,
где i номер точки замера;
Φ_1i, Φ_2i угловое положение шпинделя механизма подачи при повороте бурового става по часовой стрелке и против часовой стрелки соответственно, при котором происходит ступенчатое изменение давления технологической воды,
и определяют координаты положения X_i, Y_i и Z_i рабочего органа по формуле
X_i=X_i-1+ΔL_icos[(β_i+γ_i)/2]cosα_плi;
Y_i=Y_i-1+ΔL_isin[(β_i+γ_i)/2];
Z_i=Z_i+ΔL_icos[(β_i+γ_i)/2]sinα_плi,
где
β_i=arcsin(sinβ_oi/sinα_плi),
β_oi=(Φ_1i+Φ_2i-π)/2;
γ_i=arctg(tgβ_i-1/cos(α_плi-α-1плi

);
α_плi угол падения угольного пласта в точке замера;
ΔL_i приращение длины става между двумя последовательными замерами,
а ориентацию рабочего органа производят путем поворота бурового става по часовой стрелке на угол γ_п, который определяют по формуле
γ_п=Φ_лi+ΔS₁,
где ΔS₁ поправка, учитывающая транспортное запаздывание сигнала от датчика, расположенного в первом относительно забоя звене става, и определяемая экспериментально при тарировке. 2. Устройство управления положением рабочего органа бурогидравлической установки, оснащенной многозвенным буровым ставом и механизмом подачи шпинделя, содержащее установленный на внутренней поверхности первого звена бурового става и подключенный к вторичному показывающему прибору гравиметрический датчик, продольная ось которого расположена перпендикулярно продольной оси первого по отношению к забою звена бурового става, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками углового положения шпинделя механизма подачи и давления технологической воды в звене бурового става, соединенного со шпинделем, вторым вторичным показывающим прибором, установленными в проточной части первого по отношению к забою звена бурового става направляющим аппаратом и гидравлической турбиной, на валу которой, расположенном в подшипниках, установлено рабочее колесо турбины, соединенным с валом с помощью муфты гидронасосом и жестко соединенной с звеном бурового става герметичной камерой, заполненной маслом, при этом вал турбины имеет ввод в герметичную камеру, в которой расположен гидронасос, выход гидронасоса соединен через фильтр с гравиметрическим датчиком, который выполнен в виде двухпозиционного четырехлинейного распределителя, расположенного в подшипниках эксцентричного профилированного кольца и установленного в проточной части гидроцилиндра, шток которого оснащен расположенным в канале подачи технологической воды клапаном, причем золотник распределителя соединен с эксцентричным профилированным кольцом, выходы распределителя соединены с полостями гидроцилиндра, а датчик давления технологической воды расположен на последнем по отношению к забою звене става и подключен к входу второго вторичного показывающего прибора.