Innowacyjny system wspomagania wiercenia przodków

Innowacyjny system wspomagania wiercenia przodków

1)

Politechnika Wrocławska, Katedra Eksploatacji Systemów Logistycznych, Systemów Transportowych i Układów Hydraulicznych, Wrocław,

tomasz.siwulski@pwr.edu.pl

2)

KGHM Polska Miedź S.A., ul. M. Skłodowskiej-Curie 48, 59-300 Lubin, piotr.kondol@kghm.com

Streszczenie

Jakość wykonywanych prac wiertniczych przekłada się bezpośrednio na wydajność procesu urabiania materiałem wybuchowym. Dane zawarte w dokumentacji robót strzałowych, takie jak długości, średnice oraz rozmieszczenie otworów strzałowych, powinny być odwzorowane w warunkach rzeczywistych. W przypadku zastosowania samojezdnych wozów wiercących osobą odpowiedzialną za prawidłowe wykonanie odwiertu jest operator maszyny, który w trakcie wykonywania prac przebywa w kabinie i ma ograniczoną możliwość zidentyfikowa-nia dokładnego położezidentyfikowa-nia narzędzia w przestrzeni przodka. W celu podniesiezidentyfikowa-nia dokładności wykonywanych odwiertów, nowoczesne maszyny wiertnicze wyposażane są w systemy wspomagające pracę operatora. Konstrukcja znanych i wykorzystywanych na świecie syste-mów wspomagających wiercenie charakteryzuje się jednakże pewnymi cechami, które utrud-niają ich wykorzystanie w kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. W artykule przedstawiono wyniki prac nad nowym, stworzonym wspólnie przez Politechnikę Wrocławską i KGHM Polska Miedź S.A. systemem wspomagania wiercenia przodków, opartym na alternatywnym rozwią-zaniu technicznym dostosowanym do oczekiwań użytkowników oraz warunków pracy panują-cych w podziemnych kopalniach KGHM Polska Miedź S.A.

Słowa kluczowe: urabianie przodków, wozy wiercące, maszyny urabiające, systemy wspo-magania wiercenia

The innovative drilling support system of the mine face space

Abstract

The quality of drilling influences directly the effectiveness of rock blasting process. Data contained in the blasting documentation, such as length, diameter and the location of blast holes should be mapped in real conditions. A person responsible for the proper execution of the borehole when using self-propelled drilling machines, is machine operator who, during the work stays in a cabin and has limited ability to identify the exact position of the drilling tool in the mine face space. In order to improve the accuracy of the drilling, modern drilling machines are equipped with systems supporting the work of the operator. The design of known and used globally systems supporting drilling has, however, certain features that make them difficult to use in the mines KGHM Polska Miedz S.A. The article presents the results of a new, created in cooperation between Wroclaw University of Technology and KGHM Polska Miedz S.A., drilling support system of mine face space, based on an alterna-tive technical solution adjusted to user requirements and working conditions prevailing in underground mines of KGHM Polska Miedz S.A.

Key words: mining of the face space, self-propelled drilling machines, mining machines, drilling support system

Wstęp

Podnoszenie poziomu technicznego maszyn, zwiększanie ich możliwości oraz po-prawa parametrów pracy jest naturalnym kierunkiem rozwoju. Analiza prowadzo-nych obecnie projektów rozwojowych w tym obszarze wskazuje, że bardzo rzadko powstają nowe, niezdefiniowane wcześniej typy maszyn. Naturalny rozwój techniki, której największy rozkwit związany jest z okresem uprzemysłowienia produkcji, zde-finiował rodzaje wykorzystywanych maszyn w odniesieniu do czynności lub prac wykonywanych wcześniej przez człowieka za pomocą prostych narzędzi. Ten natu-ralny proces rozwoju przeszedł weryfikację czasu i w dniu dzisiejszym eksploatowa-ne typy maszyn odpowiadają praktycznie w pełni wymaganiom przemysłu. Główny nacisk prac rozwojowych w tym obszarze położony jest obecnie na określeniu moż-liwości łączenia funkcji dwóch lub więcej maszyn specjalistycznych w jednej o więk-szym stopniu uniwersalności oraz alternatywnie na zwiększaniu możliwości typów maszyn już wykorzystywanych w eksploatacji. Przykładem wdrożonych wyników pierwszego z kierunków tych prac są takie maszyny, jak koparko-ładowarki lub no-śniki osprzętu. Drugi kierunek rozwoju charakteryzuje się zazwyczaj niewielką inge-rencją w koncepcję maszyny podstawowej i realizowany jest poprzez aplikację do-datkowych systemów sterowania, kontroli lub zmianę tylko poszczególnych elemen-tów lub podzespołów na nowe o podwyższonych parametrach eksploatacyjnych. Opisany w niniejszym opracowaniu system wspomagania wiercenia przodków jest wynikiem podjętych prac w obszarze rozwoju już istniejącego produktu, w tym przy-padku wozu wiercącego. System ten umożliwia znacznie polepszenie jakości wyko-nywanych prac, nie ingerując w konstrukcję pojazdu.

1. Analiza zagadnienia

Rozłożenie w przestrzeni przodka otworów strzałowych oraz ich położenie w obsza-rze urabianym jest opisane w metrykach strzałowych. Metryki są tworzone pobsza-rzez służby strzałowe kopalni i uwzględniają specyfikę poszczególnych pól eksploatacyj-nych, warunki geologiczne, własności urabianych skał, rodzaj wozów wiercących przewidzianych do wykonania otworów strzałowych oraz inne parametry, mające wpływ na wydajność urabiania materiałem wybuchowym. Podstawowym i natural-nym założeniem jest, że operator samojezdnego wozu wiercącego odwzoruje w rzeczywistych warunkach parametry odwiertu zawarte w metryce. Praktyka wska-zuje jednakże, że teoretyczne założenia odnośnie do geometrii czoła przodka, kształtu jego powierzchni oraz kąta jej pochylenia dość często odbiegają od rzeczy-wistej sytuacji zastanej przez operatora. Niedokładności wykonania poprzedniego odwiertu znacząco wpływają na stan przodka po odstrzale oraz mają wpływ na wiel-kość uzyskiwanego zabioru, co bezpośrednio przekłada się na wydajność procesu urabiania. W skrajnie niekorzystnych przypadkach wymagane jest wykonanie dodat-kowego urabiania, w celu uzyskania żądanej geometrii czoła przodka.

Dokonana analiza opisanego powyżej zagadnienia wskazała, że wyodrębnić można dwie podstawowe przyczyny niedokładności odwzorowania geometrycznego czoła przodka w rzeczywistości. Pierwszą z nich jest niemożność określenia przez operatora dokładnego położenia oraz odchylenia kątowego ramy wiertarki w prze-strzeni przodka, a co za tym idzie – wykonania odwiertu zgodnie z wytycznymi za-wartymi w metryce. Badania wykazały, że doświadczeni operatorzy byli w stanie

określić z zadowalającą dokładnością miejsca rozmieszczenia otworów, lecz do-kładne określenie położenia kątowego ramy wiertarki, zarówno w płaszczyznach pionowej, jak i poziomej tylko na podstawie obserwacji wykonywanych z kabiny operatora, jest zadaniem raczej przekraczającym możliwości człowieka. Drugą pod-stawową przyczyną jest specyfika technologii prowadzenia wydobycia w podziem-nych kopalniach miedzi KGHM Polska Miedź S.A., bezpośrednio związana z ukształtowaniem uławiconego złoża. Najkorzystniej z punktu widzenia eksploatacji złoża byłoby zapewnienie wykonania odwiertu równoległego do uławicenia złoża, lecz określenie w warunkach przodka przez operatora kąta zapadania złoża na kie-runku wiercenia jest praktycznie niemożliwe. Powyższe spostrzeżenia pozwoliły na sformułowanie tezy, że pożądane jest opracowanie systemu wspomagającego wier-cenie, który umożliwiałby operatorowi określenie położenia ramy wiertarki, a co za tym idzie – i samego narzędzia, w przestrzeni przodka oraz w odniesieniu do kie-runku zapadania złoża.

2. Specyfikacja wstępna rozwiązania

Podstawowym założeniem, które przyjęli twórcy projektu na początku prac, było wskazanie, że projektowany system powinien być dostosowany do specyfiki oraz technologii urabiania wykorzystywanej w KGHM Polska Miedź S.A. Opierając się na opisie własności wykorzystywanych obecnie w przemyśle wydobywczym systemów wspomagania wiercenia, wyspecyfikowano istotne wymagania, których spełnienie nie jest możliwe wprost na drodze aplikacji światowych rozwiązań, o następującej treści:

1. System powinien być tak skonstruowany, aby wymuszać na operatorze ob-serwację czoła przodka podczas pracy, a dane wyświetlane powinny pełnić tylko funkcję pomocniczą – taki rodzaj pracy zwiększy bezpieczeństwo i kon-trolę operatora nad procesem wiercenia.

2. Ogólną bazą wymiarową systemu powinna być przestrzeń przodka.

3. Bazą wymiarową systemu w płaszczyźnie pionowej nie powinno być położenie określane względem wektora grawitacji, lecz względem rzeczywistego kąta zapadania złoża.

4. System powinien umożliwiać dokonanie odwiertu z żądaną dokładnością od-wzorowania geometrycznego oraz uzyskanie jednej płaszczyzny końców otwo-rów strzałowych o zadanym parametrze pochylenia względem kierunku zapa-dania złoża, niezależnie od jakości istniejącej powierzchni czoła przodka. 5. System powinien w jak najmniejszym stopniu obciążać dodatkowymi

czynno-ściami operatora wozu wiercącego.

6. System powinien mieć jak najmniejszą ilość elementów składowych, szczegól-ne ograniczenie dotyczy obszaru układu roboczego wozu wiercącego – wymóg powyższy był wynikiem doświadczeń wskazujących, że zbyt rozbudowane sys-temy dodatkowe, zawierające elementy elektroniczne, szczególnie te zabudo-wane w obszarze układów roboczych maszyn, cechują się znaczną awaryjno-ścią.

7. System powinien być autonomiczny, niewymagający dokonywania dodatko-wych zmian w wozie wiertniczym, oprócz zapewnienia zasilania i miejsc mo-cowania elementów systemu.

Określenie wymagań umożliwiło dokonanie wyboru jednego rozwiązania tech-nicznego z szeregu innych branych pod uwagę. Prace koncepcyjne wskazały, że w celu osiągnięcia wszystkich wymagań należy opracować całkowicie nowy system, bazujący na optycznym określeniu położenia obiektów w przestrzeni. Możliwości tej drogi rozwoju systemów identyfikacji położenia są szerokie, lecz ponieważ ich przy-taczanie nie jest celem niniejszego opracowania, podkreślić tylko należy fakt wyko-nania schematu funkcjonalnego jednej, w opinii zespołu badawczego na ten czas najbardziej korzystnej, wersji systemu i w następnym kroku uruchomieniu pracy badawczej, mającej na celu określenie możliwości, zalet oraz wad tej drogi rozwoju.

3. Prace badawcze nad prototypem systemu

W oparciu o określone powyżej podstawy teoretyczne rozpoczęto prace nad proto-typową wersją systemu monitoringu (rys. 1). W pierwszej kolejności zbudowano zespół emisji wiązki świetlnej. Jako emiter wiązki wybrano generator promienia lase-rowego, czerwonego, klasy 2, o wyraźnie widocznej plamce, będący częścią prze-mysłowego dalmierza laserowego wyposażonego w wyjście sygnałowe zgodne z protokołem przesyłu danych CAN. Zespół emisji wiązki świetlnej składa się z dal-mierza laserowego, zamocowanego w zespole wsporczym umożliwiającym zmianę kątów padania promienia lasera w dwóch prostopadłych płaszczyznach. Zmiana kątów padania promienia wynika ze sprzężenia osi obrotu z układem napędowo- -rejestrującym, który składa się z dwóch silników krokowych oraz dwóch przetworni-ków kąta. W efekcie kierunek padania promienia lasera jest jednoznacznie określo-ny i sterowaokreślo-ny. Wykorzystanie w zespole emisji wiązki świetlnej dalmierza lasero-wego zapewnia jednoczesne wykonywanie ciągłych pomiarów długości wiązki. Za-projektowano i zamontowano na ramie wiertarki element umożliwiający sztywne zamocowanie detektorów promieniowania laserowego, które pełnią funkcję po-wierzchni fotodetektorowych. Środki popo-wierzchni fotodetektorowych odpowiadają jednoznacznie umiejscowionym punktom w przestrzeni. Element ten był tak skon-struowany, że umożliwiał przemieszczanie matryc detektorów promieniowania lase-rowego względem siebie. Taki rodzaj konstrukcji prototypu systemu był wynikiem niepewności odnoszącej się do nieznanej zależności wiążącej parametr dokładności pomiaru kątów, określających położenie kątowe obiektu w przestrzeni w odniesieniu do wielkości rozstawu matryc fotodetektorowych względem siebie. W oparciu o te założenia powstał zespół fotodetektorowy, który był mocowany sztywno do tylnej części ramy wiertarki pojazdu wiertniczego. Dodatkowo opracowano i wykonano wstępną wersję elektronicznego układu sterowania. Dokładniejszy opis tej wersji systemu znaleźć można we wcześniejszej publikacji [1].

Rys. 1. Elementy prototypowej wersji badawczej systemu zamontowane na wiertnicy: 1 – element bazowy, 2 – macierze fotodetektorów, 3 – wyświetlacz, 4 – system sterujący

Po pozytywnym zaopiniowaniu wykonanych prac przystąpiono do wykonania przewidzianego w następnym etapie wstępnego montażu systemu na wozie wiertni-czym. Dokonano dostosowania mocowań mechanicznych oraz przyłącza zasilania elektrycznego systemu do wozu wiertniczego wybranego do prób.

Montaż oraz wstępne uruchomienie systemu na pojeździe przebiegło pomyślnie. Wykazało jednak, że pomimo umocowania zespołu emisji wiązki lasera we wcze-śniej dobranym i określonym jako optymalne dla tego modelu maszyny miejscu, tj. w osi maszyny nad daszkiem kabiny operatora, nie wszystkie położenia ramy wiert-nicy są możliwe do zmierzenia przez system. Pewne ograniczenia były wynikiem niedostosowania wiertnicy do wymagań systemu, co przejawiało się umieszczeniem elementów w przestrzeni pracy systemu, które to elementy w skrajnych położeniach ramy wiertarki przysłaniały wiązkę lasera i uniemożliwiały oświetlenie matrycy foto-detektorowych. Jednocześnie zauważono, że w skrajnych bocznych położeniach układu roboczego system w pewnych warunkach nie ma możliwości prawidłowego oświetlenia promieniem lasera skrajnej matrycy fotodetektorowej. W celu zmniej-szenia uciążliwości tych problemów zdecydowano się zastosować 4 matryce fotode-tektorów, przy czym w zależności od strony, w którą wychylona była rama wiertarki, współpracowały ze sobą tylko trzy z nich, te, których widoczność była najlepsza.

W wyniku realizacji pracy badawczej opracowano poszerzone założenia teore-tyczne, wykonano projekt oraz wykonano i przetestowano zarówno na powierzchni, jak i w warunkach kopalni KGHM Polska Miedź S.A. innowacyjny system monitorin-gu wiercenia przodka. Na tym etapie prac poziom innowacyjności rozwiązania został potwierdzony przez rzeczników patentowych, w efekcie czego powstał opis wyna-lazku, który został zgłoszony przez KGHM Polska Miedź S.A. do Urzędu Patento-wego Rzeczypospolitej Polskiej 23 lipca 2013 r. i zarejestrowany pod numerem P440821. W opinii autorów niniejszego opracowania testy prototypu systemu moni-toringu przodka wykazały, że ten kierunek rozwoju jest obiecujący i zasadne jest jego kontynuowanie.

1

3

4

4. Prace badawcze nad wersją użytkową systemu

Celem następnego etapu prac jest skonstruowanie prototypowej wersji użytkowej systemu w oparciu o dane dostarczone w wyniku przeprowadzenia poprzednich prac. Obecnie prototyp wersji użytkowej systemu został skonstruowany i jest w trak-cie testów. W odróżnieniu od prototypowej wersji badawczej systemu na tym etapie projektu położono szczególny nacisk na opracowanie przejrzystego i intuicyjnego sposobu obsługi systemu przez operatora, posługując się w tym celu wizualizacjami. W celu ujednolicenia oraz większej przejrzystości zaproponowany został nowy ro-dzaj zapisu metryki strzałowej (rys. 2). Dzięki wprowadzonym zmianom uzyskano możliwość opisu wszystkich czterech podstawowych parametrów poszczególnych otworów strzałowych, tj. dwóch kątów wychylenia oraz dwóch parametrów prze-mieszczenia, odniesionych względem bazowego układu współrzędnych związanego z przestrzenią przodka, za pomocą jednej kompozycji graficznej. W analogiczny sposób system wyświetla na monitorze położenia układu roboczego oraz jego wy-chylenia kątowe, dzięki czemu rolą operatora jest tylko dokonanie porównania geo-metrycznych wartości zadanych danego otworu z wartościami wskazywanymi przez system.

Rys. 2. Przykładowa metryka strzałowa opracowana na podstawie nowej propozycji zapisu i obrazowania danych geometrycznych

W testowanej aplikacji systemu dokonano podziału wprowadzanych parametrów na dwie grupy. Pierwszą z nich są parametry wprowadzane na stałe przez nadzór górniczy oraz serwis systemu, które są niewidoczne dla operatora. Do tej grupy zalicza się:

1. Żądany kąt nachylenia płaszczyzny czoła przodka mierzony względem stropu. 2. Stała poprawka kąta nachylenia wykonywanych otworów umożliwiająca

prawidłowe odprowadzenie zwiercin. 3. Parametry techniczne systemu.

Drugą grupą są parametry wyświetlane na ekranie systemu w trakcie pracy (rys. 3), umożliwiające dokonanie prawidłowej nastawy ramy wiertarki w przestrzeni przodka.

Rys. 3. Ekran operatora systemu, w górnej części widoczne parametry geometryczne wyświe-tlone w konwencji zapisu danych na metryce strzałowej

Podkreślić należy, że system wymaga dokonania identyfikacji położenia wozu wiertniczego w przestrzeni przodka przed rozpoczęciem procesu wiercenia, co do-konuje się poprzez wykorzystanie promienia lasera, którego kierunek padania w tym trybie jest obsługiwany przez operatora. Operator wskazuje za pomocą plamki lase-rowej trzy punkty charakterystyczne znajdujące się w przestrzeni przodka, których położenie jest zapisywane przez system. Na podstawie tych danych oraz parame-trów zapisanych w systemie dokonywany jest proces bazowania organu roboczego w przestrzeni, po czym system przełączany jest przez operatora w tryb automatyczny. Operator wykonuje proces odwiertu przodka dokładnie w taki sam sposób, jak jest to wykonywane za pomocą wozów wiercących niewyposażonych w system

wspoma-gania, lecz ma możliwość skorygowania położenia ramy wiertarki w oparciu o warto-ści przemieszczeń i kątów wychylenia mierzonych i wyświetlanych w trybie automa-tycznym na ekranie monitora. Podkreślić należy, że w wersji skierowanej do testów wartości przemieszczeń ramy są mierzone i wyświetlane w czasie rzeczywistym, natomiast pomiar kątów wychylenia wymaga zatrzymania układu roboczego i zainicjowania przez operatora automatycznej procedury pomiarowej. Jednakże ponieważ układy robocze wozów wiercących wyposażone są w układy prostowodo-we, a większość wykonywanych otworów ma takie same nastawy kątów wychylenia, procedurę mierzenia kątów wykonuje się zaledwie kilka razy w trakcie dokonywania pełnego odwiertu przodka.

Rys. 4. System wspomagania wiercenia w wersji użytkowej zamontowany na samojezdnym wozie wiercącym

Podsumowanie

Prace badawcze oraz konstrukcyjne nad innowacyjnym systemem wspomagania wiercenia przodków, pomimo że ich końcowe etapy są nadal w trakcie realizacji, wykazały w ogólnym zarysie słuszność podjętego kierunku rozwoju. Opracowano teoretycznie i wykonano system, który od samego początku był tworzony w oparciu o wymagania, jakie stawia proces urabianie rud w polskich podziemnych kopalniach KGHM Polska Miedź S.A. Co więcej, nakład pracy, który został włożony, aby stwo-rzyć system z powszechnie dostępnych na rynku komponentów oraz aby cały ob-szar oprogramowania oraz tworzenia odbywał się z udziałem tylko wykonawców projektu, pozwolił w końcowym efekcie na otrzymanie produktu, którego możliwości modyfikacji i usprawniania są praktycznie nieograniczone przez prawa własności intelektualnej trzecich stron, a w trakcie prac wytworzono nowe rozwiązanie tech-niczne o charakterze wynalazku. Autorzy wskazują jednocześnie, że kierunek roz-woju zaprezentowany w niniejszym opracowaniu, na którego początku jest

określo-na specyfika wymagań użytkownika, a dopiero w określo-następnym kroku prowadzi się analizę techniczną, może przynieść znaczące korzyści zarówno w obszarze nowych technologii, zwiększania konkurencyjności technologicznej, jaki i w aspekcie eko-nomicznym. Efektów powyższych nie można zazwyczaj osiągnąć poprzez import gotowej myśli technicznej i jej dostosowywanie, mniej lub bardziej udane, do specy-ficznych potrzeb użytkownika. Wskazać również należy, że opracowany system ma znaczny potencjał rozwojowy i dostosowawczy, dzięki czemu możliwe są jego apli-kacje w innych maszynach.

Bibliografia

[1] Siwulski T., Niechwiej A., Kondoł P., Majak M., 2014, Nowe rozwiązanie systemu moni-toringu procesu odwiertu przodka, Inżynieria Górnicza, nr 3, s. 37-40.