NO341435B1 - Fremgangsmåte og system for å styre effektforbruk under bergboring, og bergboringsanordning som omfatter et slikt system. - Google Patents

Description

Teknisk område for oppfinnelsen

Denne oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for å styre effektforbruket i løpet av en bergboreprosess, en fremgangsmåte av den art som er nærmere angitt i innledningen av patentkrav 1.

Oppfinnelsen gjelder videre en bergboringsanordning slik det fremgår av innledningen i patentkravene 12 hhv. 23.

Oppfinnelsens bakgrunn

Bergboringsanordninger kan brukes innenfor et større omfang anvendelsesområder, for eksempel ved veibygging, tunnelarbeider, utvinning i undergrunnen, overflateutvinning, fjell- og bergforsterkning, såkalt "raise boring" som kan gjelde opptak av masse fra borehull eller være borearbeider i forbindelse med oppsetting av reisverk, og for boring av sprengnings- eller mineringshull, utfyllingshull for sementvelling, forsøkshull og hull for installering av bergholter.

Bergboring utføres ofte ved bruk av slagboring hvor et boreverktøy montert i den ene ende av en borestang pådras slag av en slaghammer eller et hammerstempel i motsatt ende av borestangen og innrettet for å tilføres kraft for gjentatte slag mot denne. I den andre ende av boreverktøyet er det innsatt bore- og utgravingselementer, oftest kalt "bits", for inntrengning i berget eller fjellet og for å bryte opp dette ved de påførte slag fra stempelet. Boreverktøyet kan også presses hardt mot fjellet for å oppnå god kontakt mellom dette og verktøyet for å sikre at så stor del av slagenergien som mulig blir overført til fjellet. For å gjøre boreprosessen mer effekt kan boreverktøyet videre dreies noe mellom hvert enkelt slag slik at innsatsene ("the bits") angriper et nytt sted ved hvert slag. Utgravet masse blir gjerne spylt vekk fra borehullet ved hjelp av et passende medium.

Fjellboring kan videre utføres ved bruk av maskiner eller apparatur hvor bare dreining og pådratt trykk brukes for å bryte opp fjellet, eller boremaskiner hvor bare rotasjon brukes for dette formål.

Felles for de enkelte typer fjellboring eller bergboring er at de omfatter flere kraftforbrukende funksjoner. Antallet funksjoner i moderne berg- eller fjellboreanlegg kan være ganske omfattende og kan for eksempel innebefatte kompressorer og/eller hydrauliske pumper for å frembringe et spyletrykk/en spylevei, slagkraft for slagboringen, rotasjonskraft for dreiningen, fremføringskraft, kraftforbruk i forbindelse med fremførings- eller fremmatingshastigheten, kjølevifter og luftkondisjonering.

Bergboreapparatene eller -anleggene kan få tilført kraft på forskjellige måter for å ivareta funksjonene nevnt ovenfor, for eksempel kan apparatene eller anordningene omfatte midler for kraftforsyning, så som en dieselmotor/generator, som brukes til å frembringe kraft til de kraftforbrukende funksjoner i apparatene eller anordningene, eller alternativt kan disse være koplet eller kan tilkoples et elektrisk kraftnett og få nødvendig elektrisk kraft for de kraftkrevende funksjoner fra dette nett.

Denne utvikling som hele tiden pågår for å forbedre slike moderne berg- eller fjellboreanordninger har ført til det resultat at de blir stadig mer kompliserte og får stadig flere funksjoner, og samtlige av disse har sine respektive krav når det gjelder ytelsen. Dette fører igjen til ulempen at apparatene eller anordningene kan være vanskelige å tilpasse allerede eksisterende situasjoner eller miljøer, så som allerede utgravde bergverk / gruver.

WO 2005/064111 Al beskriver en fremgangsmåte for styring av strømforbruk under en fjellboreprosess ved hjelp av et fjellboringsapparat. Strømforsyningsmidler gir strøm til fjellboringsprosessen, som inkluderer en rekke delprosesser.

På denne grunn anses det å være behov for en forbedret bergbormgsanordning hvor de problemer som er skissert ovenfor finner sin løsning.

Kort gjennomgåelse av oppfinnelsen

Det er på denne basis et mål med den foreliggende oppfinnelse å komme frem til en fremgangsmåte og et system for styring av effektforbruket under en bergboreprosess, hvilket letter tilpasningen av bergboringsanordningene til eksisterende omgivelser.

Dette mål anses nådd ved hjelp av en fremgangsmåte for å styre effektforbruk under bergboring, i samsvar med den karakteriserende del av krav 1, og ved et system for å styre effektforbruk under bergboring, i samsvar med patentkrav 12.

Fremgangsmåten for styring av effektforbruket under bergboring ved bruk av en bergboringsanordning omfatter trinnene: bestemmelse av en parameterverdi som representerer den totalt tilgjengelige effekt for bergboringen, og

styring av effektfordelingen mellom de enkelte sub-prosesser av bergboringen, slik at det totale effektforbruk av disse sub-prosesser ikke overskrider den totale tilgjengelige effekt, og

å gi varierende prioritet hvor den prosess eller de prosesser som har høyest prioritet først gis krafttilførsel.

Dette gir fordelen at man selv med en moderne bergbormgsanordning med flere effektforbrukende funksjoner og/eller særskilte funksjoner som har et stort effektbehov kan bruke anordningen i omgivelser hvor det foreligger begrensninger når det gjelder den tilgjengelige effekt. En slik omgivelse kan for eksempel bestå av en eldre bergverk / gruve med et eldre elektrisk kraftsystem, der bergboringsanordningens effekt tilføres av dette elektriske kraftsystem og der den tilgjengelige effekt av dette system er begrenset og ikke kan eller må overskrides. Et annet eksempel er en bergbormgsanordning som har en stor dieselmaskin som selv vil kunne gi kraft til samtlige funksjoner for bergboringsanordningen, opp til et maksimum, men der man blant annet på grunn av dårlig ventilasjon eller dårlig kjøling ikke kan nå opp til denne maksimale dieselmaskineffekt. Den foreliggende oppfinnelse har videre fordelen av at den muliggjør bruk av en slik dieselmaskin som ikke er i stand til å gi kraft til samtlige funksjoner samtidig. Oppfinnelsen muliggjør også bruk av en hydraulisk pumpe som kan yte en viss maksimal gjennomstrømning og hvor denne ikke er tilstrekkelig til samtidig å gi effekt til samtlige funksjoner opp mot deres maksimale effektbehov.

De enkelte sub-prosesser i bergboringen kan gis forskjellig prioritet, der de enkelte prosesser med størst eller høyest prioritet først får sin krafttilførsel. Dette gir fordelen av at det kan sikres at den viktigste oppgave utføres først, idet dette vanligvis er selve boringen. På denne måte kan boringen få full tilført kraft, mens andre funksjoner er uten krafttilførsel eller hvis mulig må arbeide med redusert tilførsel.

En bestemmelse av hvilke sub-prosesser som skal aktiveres kan utføres, og dersom tilgjengelig effekt ikke er tilstrekkelig til samtidig å utføre disse sub-prosesser vil sub-prosessen eller sub-prosessene som har lavest prioritet kunne anordnes i aktiveringskø. Pågående sub-prosesser kan da overvåkes, og når eventuelle pågående sub-prosesser avsluttes vil den kraft som frigjøres fra denne sub-prosess kunne fordeles til andre pågående sub-prosesser og/eller brukes til å aktivere en ny sub-prosess. Dette har den fordel at prosessene kan utføres, men i stedet for å utføre samtlige sub-prosesser samtidig kan disse sub-prosesser utføres etter tur.

Når en sub-prosess med høy prioritet skal aktiveres kan det fastlegges om tilgjengelig effekt eller kraft er tilstrekkelig til samtidig å få utført allerede pågående sub-prosesser og i tillegg sub-prosessen med høy prioritet. Dersom dette ikke er tilfelle vil krafttilførselen til én eller flere sub-prosesser med lav prioritet kunne stenges av eller reduseres slik at kraft frigjøres for sub-prosessen med høy prioritet. Dette har den fordel at det kan sikres at prosesser med høy prioritet, for eksempel boring, alltid blir utført som ønsket.

Bestemmelsen av en parameterverdi som representerer en totalt tilgjengelig effekt eller kraft for bergboreprosessen, og styring av en kraftfordeling mellom de enkelte sub-prosesser kan utføres kontinuerlig, a-periodisk, under forhåndsbestemte intervaller og/eller ved endring i den totale tilgjengelige kraft. Dette har den fordel at den tilgjengelige kraft hele tiden kan tas i betraktning, og krafttilførselen til sub-prosessene kan da tilpasses ut fra dette.

Oppfinnelsen kan brukes i konvensjonelle bergboringsanordninger eller - apparater, for eksempel i apparater som bruker slagkraft eller rotasjon eller en kombinasjon av dette.

Den foreliggende oppfinnelse gjelder også en bergboringsanordning.

Ytterligere trekk ved og fordeler med denne oppfinnelse vil fremgå av detaljbeskrivelsen nedenfor.

Kort gjennomgåelse av tegningene

Figur 1 viser et eksempel på en utførelse av en bergboringsanordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, og figur 2 viser et blokkskjema over et eksempel på en utførelse av oppfinnelsen.

Detalj beskrivelse av foretrukne utførelser

Figur 1 viser et eksempel på en bergboringsanordning (eller fjellboreapparat) i samsvar med oppfinnelsen. På tegningen vises en slik anordning 101, idet den i dette eksempel er en borerigg for boring under bakken. Denne borerigg 101 er vist under boring av mineringshull, og det fremgår av tegningen at den er utrustet med tre bommer 102-104, hver med sin respektive boremaskin 105-107 via mateskinner (ikke vist). Følgelig kan boreriggen 101 bore opp til tre hull samtidig. Boremaskinene 105-107 er drevet hydraulisk og tilføres kraft fra én eller flere hydrauliske pumper 108, idet denne eller disse drives av én eller flere elektriske motorer 109. Den ene viste motor 109 på tegningen er koplet til et allerede eksisterende elektrisk kraftnett 110 i bergverket / gruven, via kabler 111. Boreriggen omfatter videre en arbeidsplattform 112 (idet en oppløftet del av denne skjematisk er vist med stiplede linjer) og en styreenhet 113.

På figur 2 er vist et blokkskjema over boreriggens 101 styreenhet 113 (også kalt styresystem) og komponenter tilkoplet enheten 113. Tegningen viser den elektriske motor 109, en hydraulisk pumpe 108 for boremaskinene 105-107 og flere hydrauliske motorer 120-125 som brukes for å forflytte/posisjonere bergbormgsanordningen eller boreriggen 101 og bommene 102-104, arbeidsplattformen 112, hhv. dreie/trinnvis føre frem borestålet under boringen. Det er også vist kompressor 130 som for eksempel kan brukes til å etablere en luftstrøm for å spyle borehullene og/eller kjøle ned borestålet, og kjølevifter 126-128 for å kjøle ned forskjellige komponenter i boreriggen, og et klima klimaanlegg 129. Den kan naturligvis, hvilket er innlysende for fagfolk, være anordnet flere andre komponenter også, i tillegg til de komponenter som er vist på figur 2. For eksempel kan man ha vannpumper for vannspyling av borehullene. Styreenheten 113 kan være koplet til forskjellige enheter via for eksempel en CAN-buss linje og kan videre sende kontroll/styresignalet til enhetene, for eksempel når det gjelder maksimalt tillatt effektnivå, via denne busslinje.

Moderne bergbormgsanordninger av den type som er beskrevet her omfatter således flere funksjoner som samtlige krever krafttilførsel for driften. Eldre bergverk gruver har ofte forskjellig kvalitet på sine elektriske kraftsystemer, og når disse moderne høyytelses borerigger skal brukes i bergverk / gruver er det slett ikke sikkert at det foreliggende elektriske kraftsystem kan håndtere den belastning boreriggene representerer, hvilket kan føre til at borerigger i det hele tatt ikke kan brukes på slike steder. I og med denne oppfinnelse vil man på den annen side muliggjøre bruk av også moderne borerigger i eldre omgivelser. I samsvar med oppfinnelsen bestemmes således en parameterverdi som representerer den totalt tilgjengelige kraft eller effekt for bergboreprosessen, og denne bestemmelse kan bl.a. innebære at bestemmer en belastningsgrense for det elektriske kraftsystem, særskilt hvor mange ampere pr. kabel (eller fase) som boreriggen kan belaste systemet med. Parameterverdien (belastningsgrensen) kan for eksempel tilføres styresystemet for boreriggen via en operatør. Kraftfordelingen mellom de enkelte sub-prosesser i bergboreprosessen blir deretter regulert ved hjelp av styreenheten 113 i styresystemet slik at det totale kraftforbruk ikke overskrider den bestemte verdi. På denne måte unngås overbelastning av det elektriske kraftsystem.

For å kunne utnytte boreriggens kapasitet fullt ut og bruke dens funksjoner kan de enkelte sub-prosesser gis forskjellig prioritet, for eksempel vil selve boringen vanligvis være en sub-prosess med høy eller høyest prioritet, så vel som spyling/kjøling av borehull/borestål under boringen. Disse prosesser gis først krafttilførsel, og for å gjøre dette mulig blir andre sub-prosesser slått av. For eksempel kan sub-prosessen som gjelder omposisjonering av en boremaskin/en bom som ikke arbeider i øyeblikket, inaktiveres når boringen bruker en annen boremaskin, hvorved omposisjoneringen ikke allokeres noen krafttilførsel. Andre eksempler på sub-prosesser som kan slås av eller reduseres under boringen er forflytting av arbeidsplattformen og styring/drift av klimaanlegget. Prioritetene for sub-prosessene kan imidlertid også anordnes slik at de endrer seg dynamisk, for eksempel kan enkelte funksjoner ha prioritet under boringen, mens andre funksjoner kan ha høy prioritet under posisjonering/forflytting.

Når boringen bruker en aktiv boremaskin og avsluttes ved et senere trinn vil bevegelsen av en annen bom og arbeidsplattform kunne utføres, så vel som aktiveringen av klimaanlegget. Styreenheten 113 får kontinuerlig aktiveringsbehov fra de enkelte sub-prosesser, og så snart den tilgjengelige kraft er utilstrekkelig til samtidig å få utført samtlige sub-prosesser som har anmodet om aktivering vil den eller de prosesser som har høyest prioritet gis prioritet, mens sub-prosessen eller sub-prosessene med lavest prioritet settes i kø for senere aktivering når kraft frigis. Styresystemet overvåker de pågående sub-prosesser hele tiden, og når en slik prosess er avsluttet vil den neste i køen få aktivering. Dersom den avsluttede prosess er en stor kraftforbruker, så som boringen selv vil mer enn en sub-prosess i køen kunne aktiveres dersom den frigitte kraft er stor nok. I stedet for å aktivere den sub-prosess som ligger først i køen kan imidlertid styresystemet aktivere sub-prosessen med et effektbehov som best tilsvarer den frigitte kraft, og systemet kan også være innrettet for å beregne hvilken kombinasjon av flere sub-prosesser som ligger i køen, som mest effekt bruker den frigitte kraft og kan aktiveres for å utnytte denne, hvoretter aktiveringen finner sted.

Anta for eksempel at boreriggen vist på figur 1 har tilgjengelig en kraft som tilsvarer effekten 185 kW, det vil si at en større effekt enn denne grense ikke kan belaste kraftforsyningen fra det elektriske kraftsystem uten å risikere at dette overbelastes. Hvis for eksempel boreriggen på figur 1 borer ved bruk av full tilført kraft for en av boremaskinene, for eksempel en som må tilføres 85 kW og hvor boringen så skal bruke en annen av bommene som i så fall da ville innebære forbruk av ytterligere 85 kW vil ikke denne kraft eller effekt være tilgjengelig når samtidig andre kraftbrukere er aktiverte. I dette tilfellet vil krafttilførselen til en eller flere sub-prosesser med lavere prioritet da måtte avsluttes for å gjøre den aktuelle effekt for boring med en annen boremaskin mulig.

Som et eksempel kan systemet for klimaanlegget for boreriggen avsluttes, så vel som muligheten for å manøvrere arbeidsplattformen.

Anta i et annet eksempel at boreriggen fremdeles har de samme 185 kW tilgjengelige, men borer ved bruk av full kraft til to av boremaskinene, hvilket ifølge de ovenfor da ville kreve 170 kW. Hvis ved dette tidspunkt også den tredje boremaskin er i posisjon for boring vil det altså ikke være nok kraft for å utføre denne sub-prosess, men den tredje maskin må da vente inntil en av de andre to boremaskiner som er i drift har avsluttet sin syklus.

I stedet for fullstendig å slå av sub-prosessene kan det også i enkelte tilfeller være fordelaktig å redusere den tilgjengelige effekt de bruker, ved at de fremdeles kan fortsette å arbeide, men på begrenset måte. I det tilfellet hvor de to boremaskiner er i drift med sin boring og tilstrekkelig kraft for forflytning av den tredje bom ikke er tilgjengelig vil for eksempel kraften til de to maskiner kunne reduseres slik at den tredje bom også kan kjøres i posisjon under den pågående boring og deretter være klar for boring, så snart den effekt eller kraft som den trenger blir gjort tilgjengelig (ved at en boremaskin stanser arbeidet). Videre, eller som et alternativ kan det være slik at den tredje boremaskin er i posisjon allerede, og effekten til de to første boremaskiner kan da reduseres, for eksempel til to tredjedeler av den maksimale effekt de kan bruke, slik at også den tredje boremaskin kan drives ved omkring to/tre av den maksimalt tilgjengelige effekt. Alternativ kan en boremaskin drives ved for eksempel full effekt, mens de andre to drives ved redusert effekt. Effektreduksjonen kan for eksempel oppnås ved at boringen utføres ved lavere takt/frekvens og/eller ved bruk av en svakere slagkraft og/eller fremføringskraft.

I stedet for å la en operatør sette i gang en slik effektbegrensning kan boreriggens eget kontrollsystem være innrettet for å løse oppgavene selv når det gjelder den aktuelle effektbegrensning. Dette kan for eksempel utføres ved gradvis økning av belastningen i det elektriske kraftsystem inntil et forhåndsbestemt spenningsfall finner sted. På denne måte kan den aktuelle totale tilgjengelige effekt hele tiden brukes, og effektfordelingen mellom de enkelte sub-prosesser kan således utføres, særskilt kan den utføres kontinuerlig, eller det kan skje a-periodisk eller ved å bruke forhåndsbestemte intervaller. Dette gjør det videre mulig å utføre effektbalansering mellom forskjellige rigger, så som hvis en bestemt rigg bare utfører omposisjonering og altså ikke borer vil styresystemet for en annen rigg som er tilkoplet samme elektriske kraftsystem kunne registrere at belastningen av dette system da er lavere og således kunne gi full effekt for samtlige sub-prosesser.

I stedet for å la en borerigg være tilkoplet det elektriske kraftsystem slik det er angitt ovenfor kan riggen være utrustet med en dieselmaskin som imidlertid ikke kan gi kraft til samtlige funksjoner samtidig, men den totalt tilgjengelige effekt for bergboreprosessen kan da bestemmes ut fra krafttilgangen fra dieselmaskinen, mens effektreguleringen av sub-prosessene for boreriggen kan utføres slik det er skissert ovenfor. Oppfinnelsen kan videre brukes til å spare brennstoff ved å kjøre sub-prosessene ved redusert effekt når dette er mulig. I et annet eksempel kan boreriggen væreutrustet med en hydraulisk pumpe som har en viss maksimal gjennomstrømning, mens den maksimale ikke er tilstrekkelig stor til samtidig kjøring av alle hydraulisk drevne funksjoner ved bruk av full effekt, hvor i dette tilfellet styringen av disse funksjoner da også kan utføres i samsvar med prinsippene ovenfor for hel eller delvis reduksjon av bestemte funksjoner.

I beskrivelsen ovenfor er oppfinnelsen gjennomgått i forbindelse med en undergrunns borerigg som har tre hydraulisk drevne boremaskiner. Oppfinnelsen kan imidlertid like godt brukes i forbindelse med andre typer bergboreapparater eller bergboringsanordninger, for eksempel et apparat som bare har en enkelt bom eller et som har to bommer. Oppfinnelsen kan også brukes for overflateboreapparater, så som en borerigg som bruker en toppstilt slaghammer. Oppfinnelsen kan også brukes i apparater hvor bare rotasjon og pådratt trykk brukes for å bryte opp fjell- eller bergmassen, eller hvor bare rotasjon brukes, hvilket for eksempel kan være tilfellet når boringen utføres i mykere fjell- eller bergmasse, så som i kullminer.