CH670479A5

CH670479A5 -

Info

Publication number: CH670479A5
Application number: CH2209/85A
Authority: CH
Inventors: Vesa Uitto; Pasi Julkunen; Pasi-Pukkila Latva; Timo Kiikka
Original assignee: Tampella Oy Ab
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1985-05-23
Publication date: 1989-06-15
Also published as: SE469643B; JPS611792A; ZA854004B; CA1229081A; GB2160320B; US4671366A; FI69680B; DE3518370C2; GB2160320A; JPH0588344B2; IT1182743B; GB8512776D0; NO852344L; NO168197C; AU4306385A; FR2565624B1; SU1595349A3; DE3518370A1; FR2565624A1; AU571700B2

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung eines Schlagbohrvorganges, insbesondere einer Gesteinsbohrung, wobei die Funktion einer Bohreinrichtung zum Schaffen eines erwünschten Bohrresultats geregelt wird.

In einer normalen Arbeitssituation ist es das Ziel eine so grosse Eindringgeschwindigkeit wie möglich für den Bohrer zu erzielen. Begrenzende Faktoren sind z. B. der Energieverbrauch, die Leistungsfähigkeit der Apparatur usw. Als Regeigrössen können z. B. die Schlagkraft, die Drehgeschwindigkeit, der Dreheffekt oder die Vorschubkraft oder eine Kombination verschiedener Grössen gebraucht werden.

Weil es mehrere Regeigrössen gibt, ist es schwer, einen richtigen Arbeitspunkt für den Bohrer zu wählen. Das allgemeinste Verfahren basiert auf der Erfahrung des Bohrarbeiters und den Empfehlungen des Herstellers der Bohrmaschine. Die Funktion der Bohrmaschine kann in einer Arbeitssituation nur mittels Gehörs- und Gesichtswahrnehmungen vefolgt werden, wobei ein erfahrener Bohrarbeiter den Arbeitspunkt verhältnismässig genau wählen kann. Für die Arbeit wichtige Gehörswahrnehmungen werden jedoch durch den Störungsgeräuschpegel der Umgebung begrenzt. Eine solche Situation entsteht z. B. beim Gebrauch von Bohreinrichtungen mit mehreren Auslegearmen, von sogenannten Jumbos.

Die Funktion einer Bohrmaschine wird am deutlichsten von der Vorschubkraft beeinflusst, weshalb diese die Grösse ist, die im allgemeinen von dem Bohrarbeiter geregelt wird. Die Schlagstärke und die Drehzahl ist oft konstant, wobei Werte angewandt werden, die z. B. vom Hersteller der Einrichtung empfohlen oder von der Arbeitsleistung her gegeben sind.

Ein bekanntes Verfahren ist die auf dem Messen der Eindringgeschwindigkeit basierende Regelung. Dabei wird für die Eindringgeschwindigkeit ein Höchstwert ausgesucht, und zwar dadurch, dass Schlag-, Rotations- und Vorschubwerte abwechselnd geregelt werden. Bei diesem Verfahren ist es auch möglich, sich nur auf die Regelung des Vorschubs zu beschränken. Ein solches Regelverfahren wird allgemein nur bei nicht-schlagendem Bohrvorgang gebraucht.

Von den einzelnen, auf diesem Gebiet bekannten Verfahren kann das in der US-Patentschrift 4 165 789 angeführte System erwähnt werden. Gemäss diesem bekannten System wird als Basis der Regelung ausschliesslich das Messen der Eindringgeschwindigkeit gebraucht.

Als ein zweites bekanntes einzelnes Verfahren kann das in der US-Patentschrift 3 550 697 angeführte System erwähnt werden. In diesem System wird als Basis der Regelung das am Boden gemessene Drehmoment gebraucht, gemäss dem die Drehgeschwindigkeit, die Vorschubkraft und das Drehmoment geregelt werden.

Der Nachteil der beiden erwähnten Systeme ist u.a. ihre Kompliziertheit, wobei ihre Anwendbarkeit nicht die bestmögliche ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung eines Schlagbohrvorganges zu schaffen, welches Verfahren die Schwächen der vorbekannten Verfahren nicht aufweist. Das wird mittels des erfindungsge-mässen Verfahrens erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die an der Bohrstange anlässlich eines Schlages entstehende Spannungswelle gemessen wird, und dass die Bohreinrichtung auf der Basis der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.

Unter Spannungswelle versteht man im Beschreibungsteil und in den Ansprüchen die Variation des Spannungszustandes, die auf Grund eines Schlages an der Bohrstange entsteht. Die Regelung erfolgt auf der Basis einer von einem Schlag oder mehreren Schlägen veranlassten Spannungswelle.

Der Vorteil der Erfindung ist vor allem ihre Einfachheit und Vielseitigkeit. Mittels dieses Verfahrens kann der Bohr-prozess leicht automatisiert werden, anderseits aber kann das Verfahren auch gut als ein Hilfsmittel zur Erleichterung der

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Arbeit des Bohrarbeiters angewandt werden, und zwar im Zusammenhang mit einer mit der Hand auszuführenden Regelung.

Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe einiger bevorzugten, in der beigefügten Zeichnung angeführten prinzipiellen Beispiele genauer beschrieben, wobei die

Figuren 1 und 2 ein Beispiel für eine von einer veränderten Vorschubkraft veranlasste Veränderung der Spannungswelle prinzipiell darstellen, die

Figuren 3-6 prinzipielle Beispiele für von einer veränderten Vorschubkraft veranlasste Veränderungen des Spektrums der Spannungswelle darstellen,

Fig. 7 ein Blockschema einer auf der Spektralanalyse basierenden Regeleinrichtung darstellt, die das erfindungsge-mässe Verfahren anwendet,

Fig. 8 ein Beispiel für die typische Form des Anfangs der Spannungswelle zeigt,

Fig. 9 ein Blockschema einer automatischen Steuervorrichtung darstellt, die auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert, und

Fig. 10 ein Blockschema einer Hilfsvorrichtung für einen Bohrarbeiter darstellt, die auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert.

Die Erfindung basiert auf einer speziellen Eigenschaft eines Schlagbohrvorganges, nämlich darauf, dass beim Schlagen auf der Bohrstange immer ein Spannungspuls entsteht, der der Bohrstange entlang läuft, bis er die Spitze der Bohrstange erreicht und einen Schlag auf das zu bohrende Gestein veranlasst. Ein Teil des Spannungspulses wird zurückgestrahlt, weil sein Energieinhalt nicht ganz ausgenutzt werden kann. Die Spannungs- und Reflexionspulse bilden eine Spannungswelle.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist, dass z. B. die an der obenerwähnten Bohrstange entstehende Spannungswelle gemessen wird und die Regeigrössen auf der Basis des Unterschieds zwischen der Form der gemessenen Spannungswelle und/oder der Stärke ihrer verschiedenen Teile und zwischen einer experimentell und/oder statistisch erhaltenen Normalform oder den Normalwerten der Spannungswelle gesteuert werden. Diese Spannungs welle kann auf verschiedene Weise gemessen werden, z. B. elektrisch, magnetisch, optisch oder auf irgendeine andere bekannte Weise. Die gemessenen Spannungswellen können z. B. mit der experimentell und/oder statistisch ermittelten Normalform verglichen werden und die Bohreinrichtung kann je nachdem geregelt werden, wie die gemessene Wellenform von der Normalform abweicht.

Nach einer Verfahrensvariante kann die Spannungswelle an mehreren Stellen der Bohrstange gemessen werden, z. B. an zwei Stellen. Der Vorteil, dass das Messen an mehreren Stellen und nicht an einer einzigen Stelle erfolgt, ist, dass die Spannungswelle in Komponenten verschiedener Laufrichtung aufgeteilt werden kann, und zwar in eine gegen das zu bohrende Gestein laufende und eine aus dem Gestein reflektierte Komponente. Dadurch erhält man bedeutend mehr Auskünfte über die Bohrung als durch eine an einer einzigen Stelle ausgeführten Messung. Besonders vorteilhaft ist es an mehreren Stellen zu messen, wenn die Bohrstange kurz ist oder wenn ein Messpunkt nahe dem Ende der Stange liegt.

Zur Steuerung der Regeigrössen kann die Stärke entweder der laufenden oder reflektierenden Wellenkomponente, der gemäss der Wellenfläche definierte Energiewert, die Ant-stiegs- oder Fallgeschwindigkeit des Pulses, die Abklinggeschwindigkeit der Welle usw. benutzt werden. Der Einfluss der an der Welle gemessenen Werte auf verschiedene Regeigrössen kann ermittelt werden, und die Bohreinrichtung

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kann beispielsweise mittels eines Mikroprozessors oder einer entsprechenden Vorrichtung geregelt werden, wobei der Mikroprozessor z. B. auf der Basis der gemessenen Werte die Betätigungselemente der Bohreinrichtung so steuert, dass die gemessene Welle der erwünschten Welle möglichst genau entspricht. Unter variierenden Bohrverhältnissen ist es möglich, die Funktion der Bohreinrichtung gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren die ganze Zeit genau optimal zu halten, denn im Prinzip kann schon der folgende Schlag nach einem Schlag mit abweichendem Wert berichtigt werden.

Zur Erläuterung der Erfindung werden im folgenden drei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben, gemäss denen die Regelung verwirklicht werden kann.

Die erste Ausführung basiert auf der Ausnutzung der Abklinggeschwindigkeit der Spannungs welle. Wie oben schon festgestellt wurde, veranlasst jeder auf die Bohrstange gerichtete Schlag an der Bohrstange ein Spannungsimpuls, der abwechselnd an den beiden Enden der Stange reflektiert und eine allmählich abklingende Spannungswelle bildet. Die Abklinggeschwindigkeit kann am besten observiert werden, wenn die Hüllkurve der Spannungswelle der Bohrstange betrachtet wird. Die Spannungswelle klingt schneller ab, wenn die die Bohrmaschine und die Bohrstange in das Gestein schiebende Kraft zunimmt. In den Figuren 1 und 2 wird ein Beispiel für eine Hüllkurvenveränderung prinzipiell angeführt, die von einer veränderten Vorschubkraft veranlasst wird. Figur 1 zeigt eine Situation, bei der die Vorschubkraft gross ist, und die Figur 2 eine entsprechende Situation, wenn die Vorschubkraft klein ist.

Die Abklinggeschwindigkeit kann z. B. als die Zeit definiert werden, die die Amplitude der Reflexionspulse braucht, um sich unter ein bestimmtes Vergleichsniveau zu senken, oder alternativ kann die Abklinggeschwindigkeit als die Anzahl der Reflexionspulse vor dem Sinken der Amplitude unter das Vergleichsniveau definiert werden. Das Vergleichsniveau kann entweder konstant oder ein bestimmter Prozentsatz von der Amplitude des ersten Pulses sein.

Die zweite Ausführung basiert auf dem Spektrum der Spannungswelle, weil es klar ist, dass wenn die Funktionswerte der Bohreinrichtung die Form der Spannungswelle beeinflussen, so beeinflussen sie natürlich auch das Spektrum der Spannungswelle.

In den Figuren 3-6 werden vier verschiedene Fälle des Spektrums der Spannungswelle prinzipiell dargestellt. In der Situation der Figur 3 wird eine Vorschubkraft von 90 bar angewandt, in der Situation der Figur 4 eine Vorschubkraft von 80 bar, in der Situation der Figur 5 eine Vorschubkraft von 60 bar und in der Situation der Figur 6 eine Vorschubkraft von 40 bar. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass in einer Übervorschubsituation im Spektrum eine deutliche Spitze für die Schlagfrequenz der Maschine hervorragt, diese Stelle wird mit der Referenz IT in Figur 3 bezeichnet. Entsprechend bringt eine Untervorschubsituation eine Spitze bei der Resonanzfrequenz der Bohrstange zustande, diese Stelle wird mit der Referenz RT in Figur 5 bezeichnet. Wenn die Vorschubkraft richtig ist, ist das Spektrum verhältnismässig eben, wie aus der Figur 4 ersichtlich ist.

Das Messen des ganzen Spektrums ist hinsichtlich der Regelung der Bohreinrichtung nicht notwendig. Am Spektrum interessieren am meisten die Schlagfrequenz der Bohrmaschine und die Resonanzfrequenz oder -frequenzen der Bohrstange. Die Regelung der Vorschubkraft kann auf diesen Frequenzkomponenten basiert werden. Es ist jedoch klar, dass zusätzlich auch harmonische Frequenzen der Resonanzfrequenz der Bohrstange oder der Schlagfrequenz angewandt werden können.

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Wie aus den Figuren und der obigen Beschreibung hervorgeht, gibt es nur wenige, z. B. zwei interessante Frequenzkomponenten. Ausserdem sind die Frequenzen der interessanten Frequenzkomponenten vorbekannt, weshalb die Spektralanalyse mittels einiger Frequenzbereichfilter einfach ausgeführt werden kann. In Figur 7 wird ein prinzipielles Blockdiagramm einer solchen Regeleinrichtung schematisch dargestellt. Im Blockdiagramm wird der Spannungsmesser mit der Referenz 1, und der Vorverstärker respektive Verstärker mit den Referenzen 2 und 3 bezeichnet. Mit den Referenzen 4-7 werden die Frequenzbereichsfilter bezeichnet, wobei ein Filter 4 die Schlagfrequenz und ein Filter 5 die Resonanzfrequenz der Bohrstange durchlassen. Es kann auch mehrere Filter 5 geben, beispielsweise einen für jede erwünschte Resonanzfrequenz. Die Filter 6 und 7 sind für die obengenannten harmonischen Frequenzen beabsichtigt, und auch davon kann es mehrere geben. Die Regellogik der Einrichtung wird mit der Referenz 8 allgemein bezeichnet. Die Einrichtung kann natürlich auch mit Daten aus anderen Messungen oder eingestellten Regelwerten gespeist werden, z. B. mit Daten der Betriebsfrequenz, Eindringgeschwindigkeit usw. Dieser Eingang wird mit einem Pfeil N allgemein bezeichnet. Der Ausgang für Steuerungen ist seinerseits mit einem Pfeil M allgemein bezeichnet.

Als das dritte Beispiel für die Anwendung des Verfahrens kann das Analysieren der Form der von einem Schlag veranlassten Spannungswelle angeführt werden. In Figur 8 wird eine typische Form des Anfangs der Spannungswelle prinzipiell angeführt, die von einem Schlag eines Hubkolbens auf die Bohrstange veranlasst wird. Der Teil A in der Figur vertritt dabei ein gegen das Gestein laufender Puls oder eine ähnliche Wellenkomponente und der Teil B entsprechend ein aus dem Gestein laufender Puls oder eine ähnliche Wellenkomponente. Die Form der Welle gemäss Figur 8 kann entweder mittels Amplituden bestimmter Punkte ausgelegt werden oder alternativ mittels der Flächen, die zwischen der Welle und dem Nullniveau bleiben. Kennzeichnende Punkte für den Puls sind beispielsweise die Höchst- und Mindestwerte Pi, P2, Pj, P4, deren Amplituden benutzt werden können. Bei der Regelung können die obenerwähnten Werte an sich oder auch ihre Verhältnisse usw. benutzt werden. Als Flächen bei der Regelung können Flächen der Spannungswelle oder deren verschiedene Teile, wie z. B. Ai, A2, A3, usw. gebraucht werden. Auch Verhältnisse zwischen den Flächen können benutzt werden. Auf der Basis der obigen Auskünfte können die Energie der Spannungswelle in Frage, die in das Gestein übertragene Energie, die aus dem Gestein reflektierende Energie usw. berechnet werden, und die Regelung kann beispielsweise auf Grund der berechneten Energiewerte ausgeführt werden.

Figur 9 zeigt ein prinzipielles Blockdiagramm einer automatischen Regeleinrichtung, deren Funktion auf dem Analysieren der Form der Spannungswelle basiert. In der Figur wird der Spannungsmesser mit der Referenz 11 bezeichnet, und der Vorverstärker und Verstärker werden entsprechend mit den Referenzen 12 und 13 bezeichnet. Mit der Referenz 14 wird wieder ein sogenannter Alias-Filter und mit der Referenz 15 ein A/D-Umformer bezeichnet. Der Prozessor, der das von dem Spannungsmesser 1 erhaltene Signal behandelt, wird seinerseits mit der Referenz 16 bezeichnet. Der Eingang für anderswoher kommende Messwerte wird entsprechend der Figur 7 mit einem Pfeil N bezeichnet. In einer entsprechenden Weise wird der Ausgang für Steuerungen mit einem Pfeil M bezeichnet. Es ist klar, dass es mehrere Kanäle für das Messen der Spannungswelle geben kann, in Figur 9 wird deutlichkeitshalber nur einer angeführt.

Das Analysieren und die Erläuterung der Form der Spannungswelle können auch, wenn erwünscht, dem Bohrarbeiter überlassen werden. Dabei ist natürlich ein geeignetes Sichtanzeigegerät nötig. Figur 10 zeigt prinzipiell das Blockschema eines solchen Gerätes. Im Blockschema wird der Spannungsmesser mit den Referenznummern 22 und 23 bezeichnet. Mit der Referenz 24 wird ein Verzögerungskreis bezeichnet, der für die Funktion des Sichtanzeigegeräts 25 gebraucht werden kann. Zu dem Sichtanzeigegerät 25 muss natürlich auch ein geeignetes Synchronisierpuls geleitet werden. An dieses Gerät schliesst sich als ein wesentlicher Teil ein sog. Hilfsfigurlager 26 an, woraus der Bohrarbeiter eine für die jeweilige Situation geeignete Referenzfigur auswählt, mit der er die aus dem Sichtanzeigegerät erhaltene Pulsform vergleicht. Durch Vergleich der obenerwähnten zwei Figuren und durch Regelung der Regeigrössen regelt der Bohrarbeiter die Figur am Sichtanzeigegerät so, dass sie der Refferenzfigur möglichst genau entspricht. Eine geeignete Referenzfigur wird z. B. gemäss der Bohrmaschine, dem Gestein o. dgl. gewählt. Auch diese Ausführungsform kann so angewandt werden, dass Messungen an mehreren Punkten ausgeführt werden, wobei Signale vorbehandelt werden müssen, damit eine geeignete Wellenform für den Bildschirm erhalten wird. Deutlichkeitshalber wird in Figur 10 nur ein Messpunkt dargestellt, bei Bedarf kann es aber auch mehrere davon geben.

Die obenangeführte Beschreibung ist durchaus nicht beabsichtigt, die Erfindung zu beschränken, sondern die Erfindung kann im Rahmen der Patentansprüche in vielen verschiedenen Weisen variiert werden. Somit brauchen die Einrichtungen zur Ausführung des Verfahrens natürlich nicht ganz gleich sein, wie in den Figuren gezeigt wird, sondern auch andersartige Lösungen können benutzt werden. Die Komponenten der Einrichtungen können beliebige,

bekannte Komponenten sein usw.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Optimierung eines Schlagbohrvorganges, insbesondere einer Gesteinsbohrung, wobei die Funktion einer Bohreinrichtung zum Schaffen eines erwünschten Bohrresultats geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Bohrstange anlässlich eines Schlages entstehende Spannungswelle gemessen wird, und dass die Bohreinrichtung auf der Basis der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungswelle an mindestens zwei Stellen der Bohrstange gemessen wird, und dass die gemessene Spannungswelle in eine laufende und eine reflektierende Wellenkomponente eingeteilt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung gemäss der Abklinggeschwindigkeit der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels des Spektrums der gemessenen Spannungswelle geregelt wird.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung dadurch geschieht, dass der Schlagfrequenzpunkt (IT) der Bohrmaschine und der Resonanzfrequenzpunkt (RT) der Bohrstange im Spektrum der Spannungswelle observiert werden.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Amplituden bestimmter Punkte (Pi, P2, P3, P4) der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren Verhältnisse geregelt wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Flächen (Ai, A2, A3) verschiedener Teile der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren Verhältnisse geregelt wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohreinrichtung mittels der Energie in verschiedenen Teilen der gemessenen Spannungswelle und/oder mittels deren Verhältnisse geregelt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung durch Vergleich der Form der gemessenen Spannungswelle mit einer im voraus bestimmten normativen Wellenform ausgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Basis des Unterschieds zwischen dem Wert einer Grösse oder mehreren Grössen der gemessenen Spannungswelle und dem eingestellten Normalwert jeder Grösse ausgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 3-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung auf der Basis des Unterschieds zwischen der Form der gemessenen Spannungswelle und der experimentell und/oder statistisch erhaltenen Normalform der Spannungswelle ausgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der obigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Regelgrösse die Schlagkraft, die Drehgeschwindigkeit, der Dreheffekt oder die Vorschubkraft oder eine Kombination von zwei oder mehreren erwähnten Grössen gebraucht wird.