FI69680C - Foerfarande foer optimering av bergborrning - Google Patents

Description

’ 69680

Menetelmä kallioporauksen optimoimiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä iskevän porauksen, erityisesti kallioporauksen optimoimiseksi, jossa poraus-5 laitteen toimintaa säädetään halutun poraustulöksen aikaansaamiseksi .

Normaalissa työtilanteessa on tavoitteena saada poran tunkeutumisnopeus mahdollisimman suureksi. Rajoittavina tekijöinä ovat esimerkiksi energiankulutus, laitteis-10 ton kestävyys jne. Säätösuureina voidaan käyttää esimerkiksi iskuvoimaa, pyörimisnopeutta, -tehoa tai syöttövoimaa tai eri suureiden yhdistelmää.

Koska säätösuureita on useita, on poran oikean toimintapisteen valinta vaikeata. Yleisin menetelmä perustuu 15 porarin kokemukseen ja porakoneen valmistajan antamiin suosituksiin. Porakoneen toimintaa voidaan seurata työtilanteessa vain kuulo- ja näköhavaintojen avulla, jolloin kokenut porari voi valita toimintapisteen suhteellisen tarkasti. Työn kannalta tärkeiden kuulohavaintojen tekoa 20 rajoittaa kuitenkin ympäristön meluisuus. Tällainen tilanne syntyy esimerkiksi monipuomisia porauslaitteita, ns. jumboja, käytettäessä.

Porakoneen toimintaan vaikuttaa selvimmin syöttö-voima, joten tämä on suure, jota porari yleensä säätää.

25 Iskun ja pyörityksen säätö on usein vakio, jolloin käytetään esimerkiksi laitteen valmistajan tai työnjohdon suosittelemia arvoja.

Toisena tunnettuna menetelmänä on tunkeutumisnopeu-den mittaamiseen perustuva säätö. Tällöin tunkeutumisnopeu-30 delle etsitään maksimiarvo säätämällä vuorotellen iskun, pyörityksen ja syötön arvoja. Menetelmässä on myös mahdollista tyytyä pelkkään syötön säätöön. Tällaista säätömenetelmää käytetään yleisesti vain ei-iskevässä porauksessa.

Yksittäisistä alalla tunnetuista menetelmistä voi-35 daan mainita US-patenttijulkaisussa 4 165 789 esitetty 69680 järjestelmä. Tässä tunnetussa järjestelmässä säädön perustana käytetään yksinomaan tunkeutumisnopeuden mittausta.

Toisena tunnettuna yksittäisenä menetelmänä voidaan mainita US-patenttijulkaisussa 3 550 697 esitetty järjes-5 telmä. Tässä järjestelmässä säädön perustana käytetään porasta mitattua vääntömomenttia, jonka mukaan säädetään pyörimisnopeutta, syöttövoimaa ja vääntömomenttia.

Molempien mainittujen järjestelmien huonona puolena on mm. niiden monimutkaisuus, jolloin niiden käyttökelpoi-10 suus ei ole paras mahdollinen.

Kolmantena esimerkkinä tunnetuista menetelmistä voidaan mainita US-patenttijulkaisussa 3 855 853 esitetty järjestelmä. Tässä järjestelmässä mitataan jännitystilaa pora-kruunun lähelle poratankoon kiinnitettyjen esijännitettyjen 15 pitkänomaisten tuntoelinten avulla. Em. tuntoelimistä jännitystilan signaali siirretään näyttölaitteelle ja signaalien perusteella poralaitteistoa voidaan ohjata perareiän suunnan ja suoruuden valvomiseksi ja tehokkaamman poraus-nopeuden ylläpitämiseksi.

20 Neljäntenä esimerkkinä tunnetusta tekniikasta voi daan mainita GB-patenttijulkaisussa 2 064 623 esitetty laite, joka ilmaisee työkalun liikkeen ja aseman ennalta määrätyn pisteen suhteen ja näyttää tai tallettaa mittaustuloksen halutussa muodossa.

25 Kumpaakaan näistä kahdesta ratkaisusta ei voida so veltaa iskutoimintaan perustuvan kallioporauksen yhteydessä, koska ne eivät millään tavalla ilmaise iskun vaikutusta poraukseen.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä 30 kallioporauksen optimoimiseksi, jolla ei ole aiemmin tun nettujen menetelmien heikkouksia. Tähän on päästy keksinnön mukaisen menetelmän avulla, joka on tunnettu siitä, että poratankoon iskun seurauksena syntyvä jännitysaalto mitataan ja että porauslaitetta säädetään mitatun jännitys-35 aallon perusteella.

3 69680

Keksinnön etuna on ennen kaikkea sen yksinkertaisuus ja monipuolisuus. Menetelmää hyväksikäyttäen poraustapahtu-ma voidaanhelposti automatisoida, mutta toisaalta menetelmää voidaan hyvin soveltaa myös porarin työtä helpottavana 5 apuvälineenä käsin tapahtuvan säädön yhteydessä.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa selvittämään tarkemmin oheisessa piirustuksessa esitettyjen eräiden edullisten periaatteellisten esimerkkien avulla, jolloin kuviot 1 ja 2 esittävät periaatteellisesti esimerkit) kiä syöttövoiman muutoksen aiheuttamasta jännitysaallon muuttumisesta, kuviot 3-6 esittävät periaatteellisia esimerkkejä syöttövoiman muutoksen aiheuttamista muutoksista jännitys-aallon spektriin, 15 kuvio 7 esittää lohkokaaviota keksinnön mukaista menetelmää soveltavasta spektrianalyysiin perustuvasta säätölaitteesta , kuvio 8 esittää esimerkkiä jännitysaallon alkuosan tyypillisestä muodosta, 20 kuvio 9 esittää lohkokaaviota jännitysaallon muodon analysointiin perustuvasta automaattisesta ohjauslaitteesta ja kuvio 10 esittää lohkokaaviota jännitysaallon muodon analysointiin perustuvasta porarin apulaitteesta.

25 Keksintö perustuu iskevän porauksen erityiseen omi naisuuteen, nimittäin siihen, että poratankoa iskettäessä siihen syntyy aina jännityspulssi, joka etenee poratankoa pitkin, kunnes saavuttaa poratangon kärjen ja aiheuttaa iskun porattavaan kallioon. Osa jännityspulssista heijastuu 30 takaisin, koska sen energiasisältöä ei voida käyttää hyödyksi kokonaan. Jännitys- ja heijastuspulssit muodostavat jännitysaallon.

Keksinnön olennaisena piirteenä on se, että em. poratankoon syntyvä jännitysaalto mitataan ja säätösuu-35 reita ohjataan mitatun jännitysaallon muodon ja/tai sen 4 69680 eri osien voimakkuuden sekä kokeellisesti ja/tai tilastollisesti saadun jännitysaallon normaalimuodon tai normaaliarvojen välisen eron perusteella. Em. jännitysaalto voidaan mitata useallakin eri tavalla, esimerkiksi sähköisesti, 5 magneettisesti, optisesti tms. tunnetulla tavalla. Mitattuja jännitysaaltoja voidaan esimerkiksi verrata kokeellisesti ja/tai tilastollisesti selvitettyyn normaalimuotoon ja säätää poralaitetta sen perusteella, miten mitattu aaltomuoto poikkeaa em. normaalimuodosta.

10 Keksinnön mukaisen menetelmän mukaisesti jännitys- aaltoa voidaan mitata poratangon useasta kohdasta, esimerkiksi kahdesta kohdasta. Useammasta kuin yhdestä kohdasta tapahtuvan mittauksen etuna on se, että tällöin voidaan jännitysaalto jakaa kulkusuuntansa mukaisiin komponenttei-15 hin porattavaa kalliota kohti menevään ja kalliosta heijastuvaan. Tämä antaa huomattavasti enemmän tietoa porauksesta kuin yhdestä kohdasta tapahtuva mittaus. Useasta kohdasta tapahtuva mittaus on erityisen edullinen silloin, kun pora-tanko on lyhyt tai mittauskohta on lähellä tangon päätä.

20 Säätösuureiden ohjaamiseen voidaan käyttää joko menevän tai heijastuvan aaltokomponentin voimakkuutta, aallon pinta-alan mukaan määriteltyä energia-arvoa, pulssin nousu- tai laskunopeutta, aallon vaimenemisnopeutta jne. Mitatusta aallosta määriteltyjen arvojen vaikutus eri 25 säätösuureisiin voidaan selvittää ja laitetta voidaan säätää esimerkiksi mikroprosessoria tai vastaavaa laitetta käyttämällä, jolloin mikroprosessori esimerkiksi määriteltyjen arvojen perusteella ohjaa porauslaitteen toimielimiä niin, että mitattu aalto vastaa mahdollisimman tarkasti 30 haluttua aaltoa. Porausolosuhteiden vaihdellessa pystytään keksinnön mukaisella menetelmällä pitämään porauslaitteen toiminta tarkasti optimissa lähes koko ajan, sillä periaatteessa jo yhden arvoltaan poikkeavan iskun jälkeinen isku voidaan korjata oikeaksi.

35 Keksinnön selventämiseksi selvitetään seuraavassa keksinnön mukaisen menetelmän kolme erilaista sovellutus-muotoa, joiden mukaan säätäminen voidaan toteuttaa.

69680

Ensimmäinen sovellutus perustuu jännitysaallon vai-menemisnopeuden hyväksikäyttöön. Kuten edellä on jo todettu, aiheuttaa jokainen poratankoon kohdistuva isku pora-tankoon jännityspulssin, joka heijastuu vuorotellen tangon 5 kummastakin päästä muodostaen vähitellen vaimenevan jännitysaallon. Vaimenemisnopeus voidaan parhaiten havaita tarkastelemalla poratangon jännitysaallon verhokäyrää. Jänni-tysaalto vaimenee nopeammin, jos porakonetta ja poratankoa kallioon työntävä voima kasvaa. Kuvioissa 1 ja 2 on esi-10 tetty periaatteellisesti esimerkki syöttövoiman muutoksen aineuttamasta verhokäyrän muuttumisesta. Kuvio 1 esittää tilannetta, jossa syöttövoima on suuri ja kuvio 2 vastaavasti tilannetta, jolloin syöttövoima on pieni.

Vaimenemisnopeus voidaan määritellä esimerkiksi 15 aikana, jona heijastuspulssien amplitudi laskee tietyn vertailutason alle tai vaihtoehtoisesti myös heijastus-pulssien lukumääränä ennen amplitudin laskua vertailutason alle. Vertailutaso voi olla joko kiinteä tai tietty prosenttiosuus ensimmäisen pulssin amplitudista.

20 Toinen sovellutus perustuu jännitysaallon spektriin, koska on selvää, että jos porauslaitteen toiminta-arvot vaikuttavat jännitysaallon muotoon niin ne luonnollisesti vaikuttavat myös jännitysaallon spektriin.

Kuvioissa 3 - 6 on periaatteellisesti esitetty neljä 25 erilaista tapausta jännitysaallon spektristä. Kuvion 3 ti-lanteessaon käytetty 90 bar:n syöttöpainetta, kuvion 4 tilanteessa 80 barm syöttöpainetta, kuvion 5 tilanteessa 60 bar:n syöttöpainetta ja kuvion 6 tilanteessa 40 bar:n syöttöpainetta. Kuvioista havaitaan, että ylisyöttötilan-30 teessä spektriin nousee selvä piikki koneen iskutaajuudel-le, kohta on merkitty kuvioon 3 viitteen IT avulla. Ali-syöttötilanne saa vastaavasti aikaan piikin poratangon resonanssitaajuuden kohdalle, kohta on merkitty kuvioon 5 viitteen RT avulla. Syöttövoiman ollessa oikea spektri on 35 suhteellisen tasainen, kuten kuvion 4 spektristä voidaan nähdä.

6 69680

Spektrin mittaaminen kokonaisuudessaan ei poraus-laitteen säätöä ajatellen ole välttämätöntä. Spektristä ovat kiinnostavimpia porakoneen iskutaajuus ja porakangen resonanssitaajuus tai -taajuudet. Syöttövoiman säätö voi-5 daan perustaa näiden taajuuskomponenttien varaan. On kuitenkin selvää, että lisäksi voidaan käyttää myös poratangon resonanssitaajuuden tai iskutaajuuden harmonisia taajuuksia.

Kuten kuvioista ja edellä esitetystä kuvauksesta tulee esille, ei kiinnostavia taajuuskomponentteja ole kuin 10 muutama, esimerkiksi em. kaksi. Lisäksi kiinnostavien taa-juuskomponenttien taajuudet ovat ennalta tunnettuja, joten spektrianalyysi voidaan toteuttaa yksinkertaisesti muutaman kaistanpäästösuodattimen avulla. Kuviossa 7 on kaaviolli-sesti esitetty tällaisen säätölaitteen periaatteellinen 15 lohkokaavio. Lohkokaaviossa on viitenumerolla 1 kuvattu jännitysanturia ja viitenumeroilla 2 ja 3 esivahvistinta ja vastaavasti vahvistinta. Viitenumeroilla 4-7 on esitetty kaistanpäästösuodattimia, jolloin suodatin 4 päästää lävitseen iskutaajuuden, suodatin 5 poratangon resonanssi-20 taajuuden. Suodattimia 5 voi olla useitakin, esimerkiksi yksi kullekin halutulle resonanssitaajuudelle. Suodattimet 6 ja 7 on tarkoitettu em. harmonisille taajuuksille ja niitäkin voi olla useampia. Laitteen säätölogiikkaa on kuvattu yleisesti viitenumerolla 8. Laitteeseen voidaan luonnolli-25 sesti syöttää myös tietoja muista mittauksista tai asetetuista säätöarvoista, kuten käyntitaajuudesta, tunkeutumis-nopeudesta yms. Tätä sisäänmenoa on merkitty yleisesti nuolella N. Ohjauksia varten tarkoitettu ulostulo on puolestaan merkitty yleisesti nuolella M.

30 Kolmantena esimerkkinä menetelmän soveltamisesta voidaan esittää iskusta syntyvän jännitysaallon muodon analysointi. Kuviossa 8 on periaatteellisesti esitetty eräs tyypillinen iskumännän iskusta poratankoon syntyneen jännitysaallon alkuosan muoto. Kuvioon merkitty osa A edustaa 35 tällöin kallioon päin kulkevaa pulssia tai aaltokomponent- 69680 tia ja osa B vastaavasti kalliosta poispäin kulkevaa pulssia tai aaltokomponenttia. Kuvion 8 mukaisen aallon muotoa voidaan tulkita joko tiettyjen pisteiden amplitudeilla tai vaihtoehtoisesti pinta-aloilla, jotka jäävät aallon ja 5 nollatason väliin. Pulssin luonteenomaisina pisteinä, joiden amplitudeja voidaan käyttää hyväksi, ovat esimerkiksi maksimi- ja minimiarvot , &2' P3' P4* Säädössä voidaan käyttää hyväksi em. arvoja sellaisenaan tai myös niiden suhteita jne. Säädössä käytettävinä pinta-aloina voidaan 10 käyttää jännitysaallon tai sen eri osien pinta-aloja, kuten esimerkiksi , A2, A^ jne. Myös pinta-alojen suhteita on mahdollista käyttää. Em. tiedoista voidaan laskea ko. jännitysaallon energia, kallioon siirtynyt energia, kalliosta heijastunut energia jne. ja säätö voidaan suorittaa 15 esimerkiksi laskettujen energia-arvojen perusteella.

Kuviossa 9 on esitetty periaatteellinen lohkokaavio automaattisesta säätölaitteesta, jonka toiminta perustuu jännitysaallon muodon analysointiin. Kuviossa on viitenumerolla 11 esitetty jännitysanturia ja viitenumeroilla 20 12 ja 13 vastaavasti esivahvistinta ja vahvistinta. Viite numerolla 14 on puolestaan esitetty ns. alias-suodatinta ja viitenumerolla 15 A/D-muunninta. Jännitysanturilta 1 saatua signaalia käsittelevää prosessoria on puolestaan merkitty viitenumerolla 16. Sisääntuloa muualta tuleville 25 mittausarvoille on kuviota 7 vastaten merkitty nuolella N.

Vastaavalla tavalla ohjauksia varten oleva ulostulo on merkitty nuolella M. On selvää, että jännitysaallon mittaus-kanavia voi olla useita, kuviossa 9 on selvyyden vuoksi esitetty vain yksi.

30 Jännitysaallon muodon analysointi ja tulkinta voi daan haluttaessa myös jättää porarin tehtäväksi. Tällöin luonnollisesti tarvitaan sopiva näyttölaite. Kuviossa 10 on periaatteellisesti esitetty tällaisen laitteen lohko-kaavio. Lohkokaaviossa on jännitysanturi merkitty viite— 35 numerolla 21 ja viitenumeroilla 22 ja 23 vastaavasti esivahvistinta ja vahvistinta. Viitenumerolla 24 on esitetty viiväs-tyspiiriä, jota voidaan tarvita näyttölaitteen 25 toimintaa 8 69680 varten. Näyttölaitteelle 25 täytyy luonnollisesti johtaa myös sopiva tahdistuspulssi. Tähän laitteeseen liittyy olennaisena osana ns. apukuviovarasto 26, josta porari valitsee kulloiseenkin tilanteeseen sopivan referenssikuvan, 5 johon hän vertaa näyttölaitteelta saamansa pulssin muotoa. Em. kahta kuvaa vertaamalla ja säätösuureita säätämällä porari säätää näyttölaitteella olevan kuvan mahdollisimman tarkoin referenssikuvaa vastaavaksi. Sopiva referenssikuva valitaan esimerkiksi porakoneen, kallion yms. mukaan. Tä-10 täkin toteutusmuotoa voidaan käyttää myös useasta pisteestä mitaten, jolloin signaaleja joudutaan esikäsittelemään sopivan aaltomuodon saamiseksi kuvaruudulle. Selvyyden vuoksi kuviossa 10 on esitetty vain yksi mittapiste, mutta niitä voi olla tarpeen mukaan useitakin.

15 Edellä esitettyä selvitystä ei ole tarkoitettu mi tenkään rajoittamaan keksintöä, vaan keksintöä voidaan muunnella patenttivaatimusten puitteissa monin eri tavoin. Näin ollen menetelmää soveltavien laitteiden ei luonnollisestikaan tarvitse olla juuri sellaisia kuin kuvioissa on 20 esitetty, vaan myös muunlaisia ratkaisuja voidaan käyttää. Laitteiden komponentit voivat olla mitä tahansa tunnettuja komponentteja jne.

Claims (12)

1. Menetelmä iskevän porauksen, erityisesti kallio-porauksen optimoimiseksi, jossa porauslaitteen toimintaa 5 säädetään halutun poraustuloksen aikaansaamiseksi, tunnettu siitä, että poratankoon iskun seurauksena syntyvä jännitysaalto mitataan ja että porauslaitetta säädetään mitatun jännitysaallon perusteella,

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, 10 tunnettu siitä, että jännitysaalto mitataan ainakin kahdesta poratangon kohdasta ja että mitattu jännitysaalto jaetaan menevään ja heijastuvaan aaltokomponenttiin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että porauslaitetta säädetään mi- 15 tatun jännitysaallon vaimenemisnopeuden mukaan.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että porauslaitetta säädetään mitatun jännitysaallon spektrin avulla.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, 20 tunnettu siitä, että säätö tapahtuu tarkkailemalla jännitysaallon spektrissä porakoneen iskutaajuuskohtaa (IT) ja poratangon resonanssin taajuuskohtaa (RT).

6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poraus laitetta säädetään mi- 25 tatun j ännitysaallon tiettyjen pisteiden (P^ , 1?2 > P3/ amplitudien ja/tai niiden suhteiden avulla.

7. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poraus laitetta säädetään mitatun jännitysaallon eri osien pinta-alojen (A^, A^, A^) 30 ja/tai niiden suhteiden avulla.

8. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että poraus laitetta säädetään mitatun jännitysaallon eri osien sisältämän energian ja/tai niiden suhteiden avulla.

9. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätäminen suoritetaan vertai- 10 69680 lemalla mitatun jännitysaallon muotoa ennalta määrättyyn ohjeelliseen aaltomuotoon.

9 69680

10. Jonkin patenttivaatimuksen 3-8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätäminen suoritetaan 5 mitatun jännitysaallon yhden tai useamman suureen arvon ja kunkin suureen asetetun normaaliarvon välisen eron perusteella.

11. Jonkin patenttivaatimuksen 3-6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä,* että säätäminen suoritetaan 10 mitatun jännitysaallon muodon ja kokeellisesti ja/tai tilastollisesti saadun jännitysaallon normaalimuodon välisen eron perusteella.

12. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että säätösuureena käy- 15 tetään iskuvoimaa, pyörimisnopeutta, pyöritystehoa tai syöttövoimaa tai kahden tai useamman mainitun suureen yhdistelmää . 1Ί 69680