СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДАЧЕЙ ПРИ БУРЕНИИ ГОРНОЙ ПОРОДЫ Российский патент 2001 года по МПК E21B44/06 E21B44/00 

Настоящее изобретение относится к способу управления подачей машины для бурения горной породы, приводимой в действие напорной текучей средой, когда бурильный молоток подают вперед посредством двигателя подачи приводимого в действие напорной текучей средой.

Кроме того, изобретение относится к устройству для управления подачей машины для бурения горной породы, приводимой в действие напорной текучей средой, содержащей бурильный молоток, подающую балку, вдоль которой перемещается бурильный молоток, двигатель подачи, приводимый в действие напорной текучей средой и служащий для перемещения бурильного молотка вдоль балки, средства управления для регулирования подачи бурильного молотка и средство для регулирования потока напорной текучей среды и тем самым, скорости подачи двигателя.

Цель при бурении горной породы заключается, с одной стороны, в управлении всей бурильной операцией, чтобы неэффективное время могло быть сведено к минимуму, и, с другой стороны, в фактическом выполнении бурильной операции таким образом, чтобы скважина могла быть пробурена как можно ближе к желаемому положению и при этом машина для бурения подвергалась по возможности небольшому износу и повреждению. На практике параметры ударного воздействия и вращения, а также подачи бурильного молотка в современных машинах для бурения горных пород могут регулироваться разными средствами управления. На практике широко используются такие решения, при которых регулируют мощность бурения, а автоматическое управление позволяет регулировать как ударное воздействие, так и давление подачи в соответствии с заданными параметрами. Поскольку подвергаемая бурению горная порода и ситуации, возникающие при бурении, изменяются, обычно также имеется отдельная ручная система управления подачей, посредством которой давление подачи может отклоняться от давления, определяемого параметрами, так что бурильную операцию также можно регулировать в соответствии с имеющимися условиями. Однако при забуривании или перед тем, как фактически начинается бурение, трудно выполнять регулирование бурильной операцией путем регулирования давления подачи, поскольку давление подачи не учитывает, например, влияние наклонной поверхности на движение буровой головки и на изгиб буровой штанги, поэтому в настоящее время не очень легко обеспечить регулирование на стадии бурения. Положение подающего механизма и различные коэффициенты трения в подающем механизме, как таковые, делают невозможным обеспечение точного управления стадией забуривания и перемещением буровой головки к поверхности горной породы при одном и том же значении давления.

Цель настоящего изобретения заключается в создании таких способа и устройства для управления подачей при бурении горной породы, обеспечивающих регулировку операций бурения горной породы, если эта регулировка желательна, на стадии забуривания, а также в течение фактического бурения в исключительных условиях.

Способ согласно изобретению отличается тем, что по меньшей мере на стадии забуривания измеряется давление напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи и, когда давление напорной текучей среды ниже заданного порогового значения, расход напорной текучей среды, подводимой к двигателю подачи, регулируется, с тем, чтобы регулировать скорость подачи, а, когда давление напорной текучей среды выше заданного порогового значения, управление подачей осуществляют посредством регулирования давления напорной текучей среды, подводимой к двигателю, обеспечивающему подачу.

Устройство согласно изобретению отличается тем, что оно содержит датчик давления, приспособленный для определения давления напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи и для управления средствами управления таким образом, что, когда давление в напорном трубопроводе двигателя ниже заданного порогового значения по меньшей мере на стадии забуривания, средства управления осуществляют регулирование расхода напорной текучей среды, и, тем самым, скорости подачи двигателя, но, когда давление в напорном трубопроводе двигателя подачи выше значения предварительной настройки датчика давления, средства управления осуществляют управление давлением напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи.

Важная идея изобретения заключается в том, что когда буровая головка перемещается к горной породе на стадии забуривания, скорость подачи, с которой буровая головка перемещается к горной породе, регулируется. Если, например, поверхность наклонна, скорость подачи в начале бурильной операции может быть отрегулирована до низкого значения, так что при забуривании не будет происходить изгиб или наклон машины для бурения, что могло бы произойти, если бы регулировалось давление подачи. Другая важная идея изобретения заключается в том, что когда обеспечивается надлежащий контакт с горной породой, так что отсутствует опасность изгиба или наклона, средства управления подачей обеспечивают автоматическое переключение на нормальное давление подачи и после этого бурильная операция выполняется при нормальных параметрах бурения.

Преимущество изобретения заключается в том, что установление контакта с горной породой, а также точное и тщательное забуривание могут выполняться при регулировании скорости подачи, за счет чего обеспечиваются простота и легкость управления бурением со стороны оператора. Соответственно, если буровая головка находится в жестком контакте с подвергаемой бурению горной породой, можно с уверенностью использовать нормальное бурение, когда регулирование основано на регулировании давления. При этом выполнение оператором управления бурением удобно и логично. Способ согласно изобретению позволяет избежать неправильное расположение буровых скважин, неисправности в работе машин и одновременно облегчает использование машины оператором.

Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
фиг. 1 изображает схематический вид варианта осуществления устройства согласно изобретению в машине для бурения горной породы;
фиг. 2 представлен схематический вид кривых скорости и давления в течение бурения, полученных при использовании устройства согласно изобретению.

На фиг. 1 представлен схематический вид варианта осуществления устройства согласно изобретению в машине для бурения горной породы. Устройство содержит бурильный молоток 1, к которому подсоединена буровая штанга 2, и буровую головку 3 на конце буровой штанги 2. Бурильный молоток 1 предназначен для перемещения в течение бурения вдоль подающей балки 4 в продольном направлении к переднему концу подающей балки 4. На стадии забуривания вначале перемещают подающую балку 4 к горной породе 5, после чего перемещают вперед бурильный молоток 1.

В настоящее время бурильный молоток 1 обычно приводят в действие гидравлически: напорную текучую среду подают к бурильному молотку по напорным трубопроводам или обычно по рукавам. Для ясности на фигуре показаны только те напорные трубопроводы 7a и 7b, которые подсоединены к двигателю 6 подачи. Напорную текучую среду по трубопроводу 7a подводят к двигателю 6 для перемещения бурильного молотка 1 в направлении бурения, а идущую обратно напорную текучую среду выпускают по трубопроводу 7b. Обратное движение обычно выполняют посредством перекрестного соединения трубопроводов. Что касается работы, то подачу напорной текучей среды контролируют средствами управления, которые включают в себя отдельный блок 8 управления, регулирующий количество напорной текучей среды в различных рукавах и соответственно давление в каждом рукаве в соответствии с параметрами, предварительно устанавливаемыми вручную. Напорную текучую среду способом, который сам по себе известен, подают насосом 9, при этом напорная текучая среда будет возвращаться в бак 10. Насос и бак в общем известны, поэтому их более подробное описание здесь не приведено.

На фигурах представлен схематический вид двигателя 6 подачи, обозначенного символом, который может относиться к гидромотору или гидравлическому цилиндру. Как гидромотор, так и гидроцилиндр действуют как подающий двигатель, который установлен известным самим по себе способом для перемещения бурильного молотка 1 в обоих направлениях по длине подающей балки 4. Передаточные механизмы и соединения в общем сами по себе известны и поэтому здесь они подробно не описаны. Трубопровод 7a для напорной текучей среды предназначен для подвода текучей среды к двигателю 6, то есть рукав для напорной текучей среды предполагается контролировать таким образом, чтобы управление подводом напорной текучей среды осуществлялось регулировочным клапаном 11. Расход текучей среды, проходящей через регулировочный клапан, зависит от положения средства 12 ручного управления подачей. Скорость подачи может иметь определенное, обычно используемое номинальное значение, которое при необходимости может быть увеличено или уменьшено средством 12 ручного управления подачей. Кроме того, к напорному трубопроводу 7a двигателя 6 подсоединен датчик 13 давления, который определяет, когда буровая головка 3 наталкивается на горную породу и повышается сопротивление подаче. При надлежащей скорости подачи буровая головка 3 может осуществлять постепенную механическую обработку горной породы, например в наклонной поверхности горной породы, без превышения давлением подачи настройки датчика 13 давления. Низкая скорость подачи может быть использована до тех пор, пока фактически не будет достигнута полноразмерная поверхность бурения для буровой головки 3, после чего давление продолжает повышаться. Когда датчик 13 давления определяет, что превышено пороговое давление, средство 12 ручного управления подачей начинает управлять давлением подачи в напорном трубопроводе 7a посредством клапана 11 управления подачей. Затем давление подачи устанавливается на уровне, определяемом параметрами блока 8 управления, причем оно может отклоняться от этого уровня в любом направлении с помощью средства 12 ручного управления подачей. На практике, когда датчик 13 давления определяет, что установлен надлежащий контакт с горной породой, обеспечивается переключение бурильной операции, управляемой блоком 8 управления, на нормальную последовательность ее выполнения, после чего стадии бурения автоматически осуществляют желаемым способом.

Если по определенной причине подвергаемый бурению материал содержит разломанную горную породу или полые промежутки, давление подачи легко падает ниже порогового значения датчика 13 давления. После этого датчик 13 давления может обеспечить, чтобы управление подачей машины обеспечивалось скоростью подачи, а не давлением подачи посредством переключения средства 12 управления подачей на контроль расхода клапаном 11, а не на контроль давления. Соответственно, когда пройдена точка создания незначительного сопротивления и буровая головка 3 наталкивается на твердую поверхность, датчик 13 давления обеспечивает переключение, при котором подача выполняется в соответствии с давлением.

На фиг. 2 представлен схематический вид того, как давление подачи и скорость подачи в варианте осуществления конструкции машины согласно фиг. 1, предназначенной для бурения горной породы, изменяются в различных ситуациях бурения. Кривая "V" на фигуре указывает скорость подачи, а кривая "P" указывает давление напорной текучей среды в двигателе подачи.

В точке "А" на левой стороне фигуры подающая балка находится в положении забуривания. Вплоть до точки "B" справа кривая "V" указывает, что скорость двигателя подачи, остается постоянной, в то время как давление подачи слегка изменяется, поскольку коэффициенты трения и т.д. изменяют сопротивление при подаче, обеспечиваемой двигателем. В точке "B" оператор замедляет скорость подачи, которая падает, но после замедления по существу остается постоянной вплоть до точки "C", хотя давление подачи в некоторой степени продолжает изменяться. В точке "C" буровая головка входит в соприкосновение с поверхностью горной породы и давление подачи начинает повышаться, хотя скорость подачи фактически остается той же самой. В точке "D" величина давления подачи превышает предварительно установленное пороговое значение датчика 13 давления и давление подачи устанавливается на приемлемом уровне для фактического выполнения забуривания, по существу оставаясь постоянным на этом уровне, в то время как скорость подачи начинает изменяться. Самое позднее на этой стадии происходит переключение на ударную операцию бурильного молотка, хотя в принципе она может выполняться все время далее от точки "А". В точке "E" стадия забуривания завершается и давление подачи начинает повышаться заданным образом, а скорость подачи будет изменяться в зависимости от сопротивления бурению. В свою очередь, давление подачи управляет ударной и вращательной операциями бурильного молотка известным самим по себе способом.

Когда бур натыкается на более мягкую или разломленную горную породу, либо на полое пространство, давление подачи резко падает в точке "F", и когда оно падает ниже заданного порогового значения, определяемого датчиком 13 давления, датчик 13 давления начинает управлять бурением путем регулирования скорости подачи, а не давления. При этом от точки "F" до точки "G" скорость подачи фактически остается постоянной, а давление подачи изменяется в соответствии с имеющимися условиями. В точке "G" давление подачи вновь повышается, поскольку горная порода жестче и тверже, а в точке "H" давление превышает заданное пороговое значение, определяемое датчиком 13 давления, после чего управление бурением начинает осуществляться на основе давления подачи описанным выше образом, в то время как скорость подачи начинает изменяться.

В приведенном выше описании и на фигурах изобретение представлено посредством примера, но не следует считать, что они налагают какие-либо ограничения. Важный отличительный признак заключается в том, что управление бурением осуществляется путем управления подачей, когда бур перемещается к горной породе, а если необходимо, путем регулирования скорости подачи в определенных условиях, когда имеется незначительное сопротивление подаче, но в течение фактического бурения то же самое средство управления подачей переключается на управление давлением подачи вместо управления скоростью подачи. Другие стадии бурения могут быть осуществлены различными ранее известными способами путем разной последовательности бурения в соответствии с предварительной настройкой.

Изобретение относится к управлению подачей машины для бурения горной породы. Задачей изобретения является создание способа и устройства, обеспечивающих регулирование скорости подачи и давления подачи как на стадии бурения, так и в течение фактического бурения. Согласно способу, измеряют давление в напорном трубопроводе двигателя подачи, приводимого в действие напорной текучей средой. Когда измеренное значение ниже заданного порогового значения, регулируют расход напорной текучей среды, подводимой к двигателю подачи, и, следовательно, скорость подачи двигателя. Если измеренное значение давления выше заданного порогового значения, подачу регулируют посредством регулирования давления напорной текучей среды, подаваемой к двигателю. Для этого в напорном трубопроводе двигателя подачи установлен датчик давления. Датчик давления приспособлен для управления подачей напорной текучей среды, подводимой к двигателю, таким образом, что, когда давление ниже заданного порогового значения, управление подачей осуществляют путем регулирования расхода напорной текучей среды, а когда значение давления выше заданного порогового значения, подачу регулируют согласно давлению напорной текучей среды. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ управления подачей машины для бурения горной породы, приводимой в действие напорной текучей средой, когда бурильный молоток подают вперед посредством двигателя подачи, приводимого в действие напорной текучей средой, отличающийся тем, что по меньшей мере на стадии забуривания измеряют давление напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи, и, когда давление напорной текучей среды ниже заданного порогового значения, расход напорной текучей среды, подводимой к двигателю подачи, регулируют таким образом, чтобы регулировать скорость подачи, а когда давление напорной текучей среды выше заданного порогового значения, подачей управляют посредством регулирования давления напорной текучей среды, подводимой к двигателю подачи. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что давление напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи, измеряют на протяжении всей операции бурения, и, когда значение давления напорной текучей среды падает ниже заданного порогового значения, при управлении подачей происходит переключение на управление расходом напорной текучей среды для регулирования скорости подачи, а когда значение давления напорной текучей среды вновь поднимается выше заданного порогового значения, при управлении подачей происходит переключение на регулирование давления напорной текучей среды, подводимой к двигателю подачи. 3. Устройство для управления подачей машины для бурения горных пород, приводимой в действие напорной текучей средой и содержащей бурильный молоток, подающую балку, вдоль которой перемещается бурильный молоток, двигатель подачи, приводимый в действие напорной текучей средой для перемещения бурильного молотка вдоль подающей балки, средства управления для регулирования подачи бурильного молотка и средства для регулирования потока напорной текучей среды, и, тем самым, скорости подачи двигателя подачи, отличающееся тем, что оно содержит датчик давления, приспособленный для определения давления напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи и для управления средствами управления таким образом, что когда давление в напорном трубопроводе двигателя подачи ниже заданного порогового значения по меньшей мере на стадии забуривания, средства управления осуществляют регулирование расхода напорной текучей среды и, тем самым, скорости подачи двигателя подачи, а когда давление в напорном трубопроводе двигателя подачи выше значения предварительной настройки датчика давления, средства управления начинают управлять давлением напорной текучей среды в напорном трубопроводе двигателя подачи. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что датчик давления приспособлен для управления средствами управления таким образом, чтобы, когда давление в напорном трубопроводе двигателя подачи падает в течение бурения ниже заданного порогового значения, датчик давления переключает средства управления на управление расходом напорной текучей среды, то есть скорости подачи двигателя подачи. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что оно содержит средство ручного управления подачи напорной текучей среды к двигателю подачи, а датчик давления приспособлен для управления средством ручного управления расходом или давлением напорной текучей среды на основе порогового значения, заданного в отношении давления.