Operation management of drilling processes in surface mining

In recent years, the profit margin for mining companies has been declining due to low commodity prices and high operating costs associated with resource degradation and system aging, forcing mining companies to reduce operating costs in order to maintain operations. Cost savings presented by new technologies and computational resources that allow companies to modernize mining equipment are offset by increasing equipment complexity, which can lead to higher operating costs. The drilling operation is one component that can be the focus of cost reduction efforts because it affects all phases of mineral production—from exploration to extraction and mineral processing. Therefore, an efficient drilling operation can help to achieve the desired economic production cycle, but it must be optimized to balance operating performance (measured by the rate of penetration or ROP) with longer drill bit life. The ROP depends on various controllable (i.e., rotation speed, weight on the bit, and bailing air pressure) and uncontrollable (i.e., physical and mechanical properties of the rock formation, bit type, bit material, operator expertise, and drilling machine condition) parameters. The ROP and controllable parameters are directly related: when the controllable parameters increase, ROP also increases and operating costs decrease consequently. However, high controllable parameters shorten bit life and enhance bit consumption through wear. Thus, there is a trade-off between bit consumption and operating cost. The relationship between ROP and the bit life must be optimized to minimize the total cost of the operation for mine management. Identifying an optimum set of operational parameters helps to ensure the minimum cost per drill bit, which represents a considerable portion of the total operating cost of the machine. Hence, it is crucial to estimate the optimum bit replacement time while considering ROP. Another important factor that directly affects drilling performance and the cost is the condition of the drilling equipment, which is getting larger due to economies of scale. Unexpected failures severely affect the production schedule; thus, equipment reliability is required for satisfactory performance. Statistical tools and simulation techniques are the best methods to determine bit replacement time, whereas reliability and maintenance analysis are the best tools to ensure operational performance. These tools help to forecast future failure of repairable and non-repairable system components, prevent unexpected stoppages, and improve the quality of the maintenance. This thesis focuses on 1) optimizing drilling operation parameters using design of experiment tolls, cost minimization with evolutionary algorithms, machine performance assessment, and risk quantification using reliability analysis and stochastic modeling techniques (Markov Chain Monte Carlo and Mean Reverting); 2) determining optimum replacement time of drill bits based on historical data using discrete event simulation and minimizing replacement costs by using an evolutionary algorithm and Monte-Carlo Simulation.Ces dernières années, la marge bénéficiaire des sociétés minières a diminué en raison des prix bas des mineraux et des coûts d'exploitation élevés liés à la dégradation des ressources naturelles et au vieillissement du système, forçant les sociétés minières à réduire leurs coûts d'exploitation pour maintenir leurs activités. Les épargnes présentées par les nouvelles technologies et les ressources informatiques qui permettent aux entreprises de moderniser leurs équipements d'extraction minière sont compensées par une complexité croissante des équipements qui peut entraîner des coûts d'exploitation plus élevés. Les opérations de forage sont l'un des éléments sur lesquels peuvent porter les efforts de réduction des coûts car elles touchent toutes les phases de la production minérale, de l'exploration à l'extraction en passant par le traitement des minéraux. Par conséquent, une opération de forage efficace peut contribuer à atteindre le cycle de production économique souhaité, mais elle doit être optimisée pour équilibrer les performances opérationnelles (mesurées par le taux de pénétration ou ROP) avec une durée de vie prolongée du foret. La ROP dépend de diverses conditions contrôlables (vitesse de rotation, poids sur le trépan et pression de gonflage) et incontrôlables (propriétés physiques et mécaniques de la formation rocheuse, type de trépan, matériau du trépan, experience de l'opérateur et état de la machine de forage). Les paramètres ROP et contrôlables sont directement liés: lorsque les paramètres contrôlables augmentent, les ROP augmentent également et les coûts d'exploitation diminuent en conséquence. Cependant, des paramètres contrôlables élevés raccourcissent la durée de vie du trépan et augmentent sa consommation par l'usure. Il y a donc un compromis entre la consommation de bits et les coûts d'exploitation. La relation entre le ROP et la durée de vie du trépan doit être optimisée afin de minimiser le coût total de l'opération pour la gestion de la mine. L'identification d'un ensemble optimal de paramètres opérationnels permet de garantir un coût minimum par trépan, qui représente une partie considérable du coût total d'exploitation de la machine. Par conséquent, il est crucial d'estimer le temps optimal de remplacement des bits tout en tenant compte de la ROP. Un autre facteur important qui affecte directement les performances de forage et le coût est l'état des équipements de forage, qui s'agrandit en raison d'économies d'échelle. Les défaillances inattendues affectent gravement le calendrier de production; ainsi, la fiabilité de l'équipement est requise pour des performances satisfaisantes. Les outils statistiques et les techniques de simulation sont les meilleures méthodes pour déterminer le temps de remplacement des bits, tandis que les analyses de fiabilité et de entretien sont les meilleurs outils pour garantir les performances opérationnelles. Ces outils aident à prévoir les pannes futures des composants système réparables et non réparables, à prévenir les arrêts imprévus et à améliorer la qualité de l'entretien. Cette thèse porte sur 1) l'optimisation des paramètres des opérations de forage à l'aide de la conception de droits d'expérience, la minimisation des coûts avec des algorithmes génétiques, l'évaluation des performances de la machine et la quantification des risques à l'aide d'analyses de fiabilité et de techniques de modélisation stochastiques (Markov chain Monte Carlo et mean reverting); 2) déterminer le temps de remplacement optimal des bits de forage sur la base de données historiques à l'aide de la simulation d'événements discrets, et minimiser les coûts de remplacement à l'aide d'un algorithme génétique et de la simulation de Monte-Carlo