Моделювання процесів гірничого виробництва із застосуванням характеристик акустичної емісії енергоємної контактної взаємодії

В. Моркун Н. Моркун А. Гапоненко Є. Бобров
Отримано 11.11.2022, Доопрацьовано 12.02.2023, Прийнято 25.04.2023
Анотація

Метa. Моделювання процесів гірничого виробництва, як контактної взаємодії породоруйнівного органу з середовищем, на прикладі буріння свердловин із застосуванням енергетичних характеристик технологічних агрегатів та параметрів акустичної емісії. Методи дослідження. У роботі використані методи аналізу вітчизняного та зарубіжного досвіду, методи математичного моделювання та кепстрального аналізу, а також методи математичної статистики і теорії ймовірності для формування оцінки результатів дослідження. Наукова новизна полягає в обґрунтуванні застосування кепстральної технології обробки енергетичного спектру акустичної емісії енергоємної контактної взаємодії для визначення фізико-механічних властивостей гірської породи в процесі буріння свердловин. Практичне значення полягає у формуванні та аналізі комбінації інформативних характеристик процесу буріння свердловин для підвищення якості його моделювання та керування. Результати. Проблема підвищення якості моделей та ефективності процесу буріння свердловин пов'язана з дослідженням методу оперативного визначення чи уточнення (бажано безпосередньо в процесі буріння) фізикомеханічних властивостей гірських порід, що складають родовище, яке розробляється. Метою моделювання процесу буріння є встановлення залежності режимних параметрів бурової установки та характеристик гірської породи, які б дозволили сформувати оптимальну з точки зору витрат швидкість проходки. Важливим етапом вирішення цієї задачі є вибір і аналіз інформативних параметрів, що характеризують процес. Для моделювання енергоємної контактної взаємодії породоруйнівного органу з гірською породою при бурінні свердловин використано комплекс енергетичних характеристик процесу та акустичної емісії. Для кількісної оцінки характеристики акустичної емісії застосовується технологія кепстрального аналізу, яка базується на результатах побудови дискретних значень часового ряду вимірювань амплітуди коливань. Розрахунково-аналітична модель забезпечує визначення обмеженої кількості результуючих сплесків енергії, рознесених по осі кепстрального часу. Отриманий результат не залежить від форми акустичного сигналу, його фази та напрямів поширення у досліджуваному середовищі. Модель реалізована за допомогою адаптивної нейро-нечіткої структури ANFIS, що навчається. Наведений метод може бути використаний також для оцінки стану бурового обладнання

Ключові слова:
контактна взаємодія; буріння свердловин; енергетичні характеристики; акустична емісія; кепстр

Взято з Том 21, № 1, 2023

Сторінки 78–86

Використані джерела ЦИТУВАТИ

[1] M. Anemangely, A. Ramezanzadeh, B. Tokhmechi. Determination of constant coefficients of Bourgoyne and Young drilling rate model using a novel evolutionary algorithm. - SPE Comput. Appl., 8 (4) (2017), pp. 693-702.

[2] H.R. Ansari, M.J. Hosseini, M. Amirpour. Drilling rate of penetration prediction through committee support vector regression based on imperialist competitive algorithm. – Carbonates Evaporites, 32 (2016), pp. 205-213.

[3] Cesar Soares, Kenneth Gray. Real-time predictive capabilities of analytical and machine learning rate of penetration (ROP) models. - Journal of Petroleum Science and Engineering, Volume 172, ( 2019), pp. 934-959. https://doi.org/10.1016/j.petrol.2018.08.083.

[4] Robert Teale. The concept of specific energy in rock drilling. - International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstractsю, 2 (1) (1965), pp. 57-73

[5] Угольниіков В.К., Сімаков Д.Б., Угольніков Н.В. Визначення енергоємності руйнування гірських порід при шарошечному бурінні. – Гірничий інформаційно-аналітичний бюлетень (науково-технічний журнал), 10, 2004, С. 78- 81. https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-energoemkosti-razrusheniya-gornyh-porod-pri-sharoshechnom-burenii.

[6] Сухов Р.І., Реготунов А С. Результати досліджень властивостей міцності локальних масивів у процесі буріння із застосуванням програмно-апаратного комплексу - Проблеми надрокористування, №4, 2016 р. DOI: 10.18454/2313- 1586.2016.04.12.

[7] Maurer W.C. The ‘Perfect-Cleaning’ Theory of Rotary Drilling. - Journal of Pet. Tech, 1962.

[8] Galle E.M and Woods A.B. Best Constant Weight and Rotary Speed for Rotary Rock Bits. - Drill. And Prod. Prac., API 1963, pp 48-73.

[9] Bourgoyne A.T. Jr., Young F.S. - A Multiple Regression Approach to Optimal Drilling and Abnormal Pressure Detection", SPE 4238,1974.

[10] Eren T., Ozbayoglu E. Real Time Optimization of Drilling Parameters During Drilling Operations. SPE Paper 129126, SPE Oil and Gas India Conference and Exhibition, Mumbai, India, 2010.

[11] Garnier A.J. and van Lingen N.H. Phenomena Affecting Drilling Rates at Depthю - SPE 1097-G, Annual Fall Meeting of SPE, Houston, TX, May 1959.

[12] Моркун В.С., Цокуренко О.О., Барський С.М. Адаптивне управління процесами енергоємної контактної взаємодії // Удосконалення процесів гірничого виробництва при видобутку залізних і марганцевих руд / Сб. наук. пр. ДНДГРІ. – 2004. – С. 190-200.

[13] Цокуренко О.О. Інформаційно-обчислювальний комплекс та обернені завдання. - Київ: Наукова думка, 1998. - 281 с.

[14] Моркун В.С., Цокуренко О.О. Основні принципи адаптації управління буровим роботом-інформатором у зовнішніх екстремальних умовах // Розроб. руд. родовищ. – Кривий Ріг: КТУ. - Вип. 82. – 2003. – С. 109-121.

[15] Аналіз впливу вибухових робіт з використанням емоніту на якість підготовки залізняку для переробки на рудозбагачувальній фабриці. //Звіт з НДР. Криворізький технічний університет / Наук. кер. В.В. Перегудов/ Кривий Ріг, 2007,119 с.

[16] Тюпін В.М., Ігнатенко І.М., Крючков І.С, Ушаков Д.К. Встановлення швидкості шарошечного буріння вибухових свердловин і показника буримості тріщинуватих масивів гірських порід. https://2cad.ru/blog/science/ustanovlenie-skorosti-sharoshechnogo-bureniya.

[17] Кутузов Б.М., Тюпін В.М. Спрощений розрахунок параметрів масового вибуху на кар'єрах // Вісті ВНЗ. Гірничий журнал. - 1985, №7. С.66-67.

[18] Кутузов Б.М. Вибухова та механічна руйнація гірських порід. - Надра, 1973. 311с.

[19] Мосінець В.М., Пашков А.Д., Латишев В.А. Руйнування гірських порід. - Надра, 1975. 216 с.

[20] Тангаєв І.А. Енергоємність процесів видобутку та переробки корисних копалин. - Надра, 1986. 231с.

[21] Тюпін В.М. Вибухові та геомеханічні процеси в тріщинуватих напружених гірських масивах. - БДУ, 2017. 192 с. 

[22] Zharikov S. N. Drilling and blasting resource-saving technology development. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Gornyi zhurnal = News of the Higher Institutions. Mining Journal. 2019; 1: 21–32.

[23] Моркун В.С., Цокуренко О.О., Луценко І.А. Адаптивні системи оптимального керування технологічними процесами. - Кривий Ріг: Мінерал, 2005. - 261 с.

[24] Khoshouei, M., and Bagherpour, R. (2019): Application of Acoustic Emission (AE) in mining and earth sciences: a review. Rudarsko-geološko-naftni zbornik (The Mining Geological-Petroleum Engineering Bulletin), 34,4, 19-32.

[25] Hopwood, T., and McGogney, C. (1987): Acoustic emission applications in civil engineering, Nondestructive testing handbook, College of Engineering University of Kentucky Lexington, Kentucky, 325-345.

[26] Mehrbod Khoshouei, Raheb Bagherpour, Mohammad Hossein Jalalian, Mojtaba Yari. Investigating the acoustic signs of different rok types based on the values of acoustic signal RMS. - Rudarsko-geološko-naftni zbornik (The Mining-Geology-Petroleum Engineering Bulletin), 2020, pp. 29-38. DOI: 10.17794/rgn.2020.3.3

[27] Zborovjan M.: Identification of minerals during drilling process via acoustic signal. Metallurgy and foundry 4/2001, Vol. 26. Krakow, Poland, 2001.

[28] Li, Z.; Lei, Y.; Wang, E.; Frid, V.; Li, D.; Liu, X.; Ren, X. Characteristics of Electromagnetic Radiation and the Acoustic Emission Response of Multi-Scale Rock-like Material Failure and Their Application. Foundations 2022, 2, 763-780. https://doi.org/10.3390/foundations2030052.

[29] Bastari, A., Cristalli, C., Morlacchi, R., and Pomponi, E.(2011): Acoustic emissions for particle sizing of powdersthrough signal processing techniques. Mechanical Systems and Signal Processing, 25,3, 901-916.

[30] Yamaguchi, T. J., Soma, M., Ishida, M., Watanabe, T. Ohmi, T. (2000). Extraction of peak-to-peak and RMS sinusoidal jitter using an analytic signal method: 18th IEEE VLSI Test Symposium, 395-402.

[31] Моркун В. С., Моркун Н. В., Тронь В. В., Гапоненко А. А., Гапоненко І. А., Паранюк Д. І. Методи оптимізації процесу буріння свердловин, – Кривий Ріг: Гірничий вісник. 2020. Вип. 107. С. 96-101.

[32] A. M. Noll. Cepstrum pitch determination. Journal of the Acoustical society of America , 41:293-309, 1967.

[33] A.V. Oppenheim, R.W. Schafer. Digital signal processing. Prentice-Hall, 1975.

[34] Гулай, А. В., Зайцев, В. М. Інтелектуальна технологія кепстрального аналізу коливальних процесів. – БНТУ, 2020, 80-88 с.

Morkun, V., Morkun, N., Gaponenko, A., & Bobrov, Ye. (2023). Modelling of mining production processes with the use of acoustic emission characteristics of energy-intensive contact interaction. Journal of Kryvyi Rih National University, 21(1), 78-86. https://doi.org/10.31721/2306-5451-2023-1-56-78-86
uk