Digital tvilling gör borrningen mer effektiv
Med hjälp av en så kallad digital tvilling går det att både spara energi och material – samtidigt som borrhastigheten kan behållas eller till och med öka. Det visar forskningsprojektet Digirock.
– Metoden är inte bara tillämpbar i gruvindustrin, utan på alla uttag ur berg, säger Simon Larsson, universitetslektor i hållfasthetslära vid Luleå tekniska universitet.
Forskningsprojektet Digirock har under ledning av Luleå tekniska universitet utvecklat en så kallad digital tvilling av borrning i berg i Boliden Minerals gruva i Aitik utanför Gällivare. Syftet är att kunna optimera borrprestanda för att både spara energi, minska slitage på borrutrustning och göra borrningen mer effektiv.
En digital tvilling är en kopia i datormiljö av något som finns i verkligheten. Det kan vara en mindre produkt, en hel maskin, en bro eller som i det här fallet en borrigg inklusive det berg den borrar i.
Den digitala tvilling Digirock har tagit fram har sin fysiska motsvarighet inom gruvindustrin. Men ursprunget till forskningen finns att hitta i EU-projektet Geofit. Dess syfte är att utveckla geoenergisystem vid renovering av fastigheter. Här påbörjades arbetet att utveckla en beräkningsmetod till en digital tvilling, för att se vad som händer i kontakten mellan borrkrona och berg vid borrning. Digirock har tagit vidare den tanken och applicerat på borrning i gruvindustrin.
– Vi har i dag inte full förståelse av vad som händer mellan berg och borrkärna. Vår projektidé var att ta ett tekniskt kliv framåt genom att bygga upp fysikaliskt baserade datormodeller, kombinerat med numeriska beräkningar av krossning av berg och slitage av borrkärnor. Vi har velat täcka hela kedjan från utveckling av utrustning till själva borrprocessen, berättar Simon Larsson och tillägger:
– Vi tror att vi har tagit ett stort kliv framåt.
Projektet, som avslutades i februari, lyckades med sitt mål att skapa en digital tvilling av borriggen i Aitik. Den kan nu användas för att utveckla nya borrkronor med bättre prestanda.
– Det har varit ett komplext arbete att simulera kontakten mellan borrkrona och berg. Men vi har fått fram en tvilling där vi kan utvärdera olika utformningar på borrkronor och olika borrparametrar som tryck och rotation. Med den här modellen kan vi i datorn se hur vi bryter upp berg effektivt och hur snabbt vi sliter ner bitsen utifrån olika parametrar, förklarar Simon Larsson.
Epiroc i Fagersta har deltagit i projektet och är som materialutvecklare den part som aktivt kommer att använda den digitala tvillingen. Utifrån simuleringarna kan företaget ta fram nya borrkronor och dessutom rekommendera kunden hur riggen ska köras optimalt. Med hjälp av den här modellen kan man rekommendera brunnsborraren rätt borrkrona och parametrar vid olika borrningar utifrån givna förutsättningar.
Den digitala tvillingen är framtagen för rotationsborrning i den granit som finns i Aitikgruvan.
– Men det går att anpassa modellen efter andra bergarter och även hammarborrning, säger Simon Larsson.
Projektet pågick i nästan tre år. Och det var inte en promenad i parken, trots att digitala tvillingar och datorsimulering är väletablerade metoder inom den tillverkande industrin när nya produkter utvecklas, exempelvis inom bilindustrin. Utmaningarna var många, berättar Simon Larsson.
– Berg är ett mycket komplext material, till skillnad från exempelvis stål som är homogent. Stål har samma egenskaper i alla riktningar. Men berg beter sig inte så. Att simulera en spricka och hur berget kommer att bete sig, det är en numerisk utmaning som kräver hög noggrannhet. Det gör modellen mycket komplex vilket kräver mycket datorkraft och därmed tid. Att pressa ned datorns beräkningstid har därför varit en utmaning.
En annan utmaning var att applicera projektet i verklig miljö.
– Vad händer när man skalar upp och vilka belastningar rör det sig om vid borrning i berg? Vi är vana vid att studera hur material beter sig i liten labbskala.
Nu hoppas Simon Larsson på en fortsättning och använda modellen även för att simulera borrkaxet och förutse dess storlek och egenskaper för att kunna transportera bort det på bästa sätt.
– Transport av kax och dess olika storlekar är ett stort problem. Vi vill kunna återskapa kaxet rätt och simulera storleksfördelningen och hur mycket kax som genereras per tidsenhet. Vi vill också titta närmare på olika medier för att transportera bort kaxet. I det här projektet har vi använt vattendimma, vi vill studera även vatten och luft.
Den stora fördelen med digitala tvillingar och simulering i datormiljö är att man slipper göra många test i fält. I princip räcker det att göra en test för att se om simuleringen stämmer. Bilindustrin ligger långt fram på det här området.
– All tillverkande industri går i den här riktningen. Datorer kan göra underverk, och ju mer forskning vi bedriver desto mer kan vi visa på nyttan. Vår modell tar beräkningstekniken ett steg längre.
– Nu vill vi få ner beräkningstiden ytterligare. Vi vill kunna starta en beräkning vid slutet av dagen och ha en färdig simulering morgonen därpå. Där är vi inte riktigt än, konstaterar Simon Larsson.
TEXT: LARS WIRTÉN
Värmlandsborr
Om man föregår med gott exempel kan man åstadkomma förändringar. Oavsett om man företräder sig själv, ett företag, en organisation eller en myndighet. Framför allt når man människors medvetande.