CN1039465A - 一种在岩石上钻孔的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种在岩石(6)上钻孔的方法和装置，其中先钻出一个预钻孔，然后中止钻进，钻探(2)和进给臂(5)间的铰链和/或进给臂(5)的纵方向被放松，以使钻9梁(2)和进给臂(5)可以处于基本无应力的状态，并测出铰链的转角(α、β)进给臂(5)和钻杆(17)的位置，然后算出预钻孔(C)到原设计孔的终点(B)的方向和距离，完成孔的钻进。

Description

本发明涉及一种用钻孔设备在岩石上钻孔的方法，该设备包括一个可绕铰链转动的钻梁;一个安装在钻梁端部的进给臂，该进给臂可绕铰链相对钻梁转动和沿其纵向相对钻梁移动;一个平行于进给臂并可沿纵向相对进给臂移动的其上装有一个钻头的钻杆;在每一铰链上设有角度检测器，用以测量所述各铰链的转角;用以测量进给臂相对钻梁端部的纵向位置和用以测量钻杆相对于进给臂的纵向位置的检测器;以及与上述各检测器相连的控制钻梁和进给臂的运动和钻进过程的控制装置。在该方法中，为使钻孔的末端可以基本定位在岩石内的要求点上，钻杆用使钻梁和/或使进给臂绕铰链转动的办法取向，使之与计划钻孔的方向同心，使进给臂朝岩石移动，直至与岩石表面接触后，即可在预定点开始钻进过程，之后钻杆向前进给，连续进行钻进直至钻孔终端基本达到预定点，在钻进过程中，所有铰链以及进给臂的纵向位置均被锁定基本不动。
本发明还涉及一种用钻孔设备实施钻孔方法的装置，它具有一个通过动力装置可绕铰链转动的钻梁，一个安装在钻梁端部的通过动力装置可绕铰链相对钻梁转动和纵向移动的进给臂，一个平行于进给臂并可沿纵向相对进给臂移动的其上装有一个钻头的钻杆，每个铰链上设有测量所述各铰链转角的角度检测器，用以测量进给臂相对钻梁端部的纵向位置和钻杆相对进给臂的纵向位置的检测器，以及与上述各检测器相联的控制钻梁和进给臂运动和钻进过程的控制装置，在钻进过程中，所有铰链以及进给臂的纵向位置均被锁定基本不动。
开始在岩石上钻孔时，在孔形成前钻头经常从原定接触点在岩石表面上向侧面打滑。这是因为岩石表面总是不平并向多个方向倾斜，在进给力和旋转钻进作用下会出现使钻头向侧向转弯的分力。该分力使钻梁、进给臂和钻杆弯曲。这又引起继续钻进时钻杆与原定钻进方向成某个角度，并偏离某个距离。这样钻出的孔就不在原定位置，在爆破时就降低了岩石的劈裂程度，可能会增加不必要的开挖量。这种现象是非常不利的，尤其在当代隧道之类的开挖时更是如此，因为这些工程要求高精度和高效率。因此，这种情况应尽量避免。
为使钻杆保持在预定方向，英国公开说明书2103969提出了一种所谓钻孔设备每一构件（例如钻梁和进给臂）的刚性系数法。每一铰链的角度值作为钻杆进给力的因素进行修正，以保持钻杆在其原定位置上。但这种解决办法不能考虑每个方向钻杆沿岩石表面的侧向位移，因而不能补偿这种位移带来的不准确的取向和定位。
美国专利说明书3724559也公开了一种解决方案，其中由于进给力产生的钻梁的弯曲和钻杆的总弯曲用特殊的测量仪器检测，该测量仪器控制钻梁的转弯以使钻杆在整个钻进过程中基本保持笔直。但这种方案中仍未考虑侧向位移引起的误差，因而该误差仍不能得到补偿。
美国专利说明书3791460和4343367也提出了一种技术指导：如何自动使岩石钻进设备的钻梁系统定向，以在钻进开始时将钻杆引导到正确位置。但它仍未提出如何修正由于钻杆侧向位移引起的误差和偏离的办法。
本发明的任务是提供一种方法和装置，其中钻杆相对岩石表面的位移和钻梁弯曲引起的误差作了考虑和补偿，这样钻孔的末端可以定位在预定点上。本发明的方法的特征是：先预钻出一定长度的孔，使钻头可以停留其中，基本上不能相对岩石表面移动;然后放松钻梁和进给臂间所需的数量的铰链和/或进给臂的纵方向，使钻梁和进给臂处于自由状态，基本上没有应力，而让钻头仍位于预钻孔内;测量放松后的上述铰链和/或放松进给臂的无应力位置;在无应力的基础上计算钻梁和进给臂的维度，钻杆从预钻孔的实际位置的进给长度，以及完成从预钻孔到原定孔终点钻孔所需的方向;使钻杆按计算出的方向取向，同时通过钻梁和/或进给臂绕铰链转动，和/或通过纵向移动进给臂的方法，使钻头保留在预钻孔中，然后钻进过程即可连续进行，直至达到要求的钻孔终点。
本发明的基本构思在于先在岩石上钻出一个预钻孔，而不考虑钻头是否相对预定钻孔点在岩石表面上产生了偏移。形成的钻孔然后用作校验点，其位置是用放松钻梁和进给臂间的铰链的办法确定的，让钻头保留在预钻孔中，使钻梁和进给臂伸成基本笔直，同时绕所述铰链转动。这样钻梁和进给臂的相互位置就可用检测铰链角度的检测器测出，在此基础上预钻孔的实际位置就可用已得出的钻梁的维度以及或许还有进给臂的纵向位移和钻杆的进给运动长度计算出来。在算出的预钻孔位置的基础上又可进一步算出钻孔须自预钻孔的那个方向进行钻进，以及应钻多深其末端才能达到原定的位置。本发明的一个优点在于钻孔可以定位得尽可能精确地满足爆破要求，这样开挖工作也可做到精确而有效。由于钻孔的进口端位置对爆破毫不重要，炸药是装填在钻孔的底部，这样获得的爆破精度较之以往显著改善。这是因为现有技术的解决办法中钻孔的进口端虽然靠近预定的进口端，但实际钻孔的末端却偏离预定末端相当大的距离。本发明的另一个优点是，最终的结果几乎只靠控制和测量装置就可获得，昂贵的修整和投资一点都不需要了。
本发明的装置的特点在于它还具有放松至少钻梁和进给臂之间铰链和/或进给臂的纵向方向的装置，这样它们就可自由运动。
这种装置的基本构思是，与现有技术不同，在每个铰链或移动装置上均设有动力装置，这些铰链或移动装置从铰链两端将钻梁各部分或钻梁和进给臂联接起来，或者相应地在移动装置上还设有进给臂支架，以在正常状态时动力装置是可不动的，相应地每个铰链和进给臂也是刚性的不可动的，然而各铰链和移动装置又可以松开，用联接的动力装置使它们转动和自由运动，这样它们又是运动自如的。以这样的方式使进给臂和钻梁基本上在无应力的情况下处于静止状态，作用在其上的只有重力。这种装置的优点在于它采用现有设备，极大地扩大了它们的功能;只需增加少数元件就能进行迅速钻进，用这样的方式钻孔的末端就可以定位在原定点上。
本发明将结合附图作详细叙述，其中：
图1a-1d为实施本发明的方法的示意图;
图2～3为钻梁和装在其上的进给臂，以及所具有的铰链和移动装置的较详细的示意图，用以说明实施该方法;
图4所示为放松用液压回路，在钻梁系统中设有一个液压动力装置，各铰链的液压缸可以卸压，这样它们就可按本发明的要求自由运动。
图1a为装在钻孔设备运载机1上的钻梁2的示意图，钻梁可绕铰链3相对运载机1转动。进给臂5装在钻梁2的另一端，可绕铰链4转动，钻进机和带有钻头（图上末示）的钻杆可沿进给臂移动。开 始钻进时，钻梁2绕铰链3进给臂绕铰链4转动，直至进给臂5与要钻的孔平行，即与从A至B的连线La平行，钻杆基本与La线同心。在这一步骤，进给臂5和钻梁2间形成夹角α1，钻梁2和运载机1间形成夹角β1。然后进给臂5用装在进给臂5和铰链4间的移动装置（未示）沿其纵向向前移动，直至进给臂5的前端与岩石6的表面相接触。如果岩石6的表面如图1a-1d所示那样是倾斜的，进给力和钻进的旋转运动将引起钻杆端部的钻头沿岩石表面移动到某一点，在该点处侧向移动力和由于钻梁2和进给臂5弯曲产生的朝相反方向的力相互平衡。在钻头朝侧向移动的同时，移动装置进一步推动进给臂5使它可以尽可能稳定地定位在岩石6上某个位置。侧向移动结束后，钻头定位在C点，钻梁2和进给臂5从A点向C点弯曲，这可从图1b清楚看出。为清楚起见，钻梁2和进给臂5的弯曲和移动情况在图1a-1d中是夸张表示出的。在这一步骤，角α1和β1与开始时一样大，偏斜仅由钻梁2和进给臂5的弯曲产生。钻头的侧向运动结束后，正常的钻进过程就开始了，钻头在C点钻入岩石，钻杆沿平行于从C至D的连线Lb的方向延伸。如果仍按通常的办法继续钻进，钻孔将在C点和D点间形成，D点处的钻孔末端就会显著偏离原定位置B点。
按照本发明，钻头钻进岩石6到它不能沿岩石6表面侧向滑动的程度之后，钻梁2和进给臂5之间的铰链4就被放松，使它可以自由运动。从而钻梁2和进给臂5处于图1c所示的位置，为此，钻进过程应当中止，可以通过例如停止钻杆沿进给臂进给的办法或即停止其进给运动又停止其旋转运动的办法达到这一目的。进给臂5和钻杆从而分别都较上述步骤相对原定钻进位置更倾斜，钻杆的方向变成从C点沿Lc线到E点。钻梁2和进给臂5处于自由位置后，钻梁2与运载机1间的夹角仍为β1，而进给臂5与钻梁2间的夹角却与原来数值不同，成为α2。铰链4的实际转角α2这时可用铰链4的检测器测出，而钻梁2和进给臂5基本处于无应力状态。类似地，进给臂5相对钻梁2端部的位置可用连接在进给臂5的移动装置上的检测器测量出。C点（即钻孔的起始点）的位置，这时就可用已知的钻臂系统和进给臂的几何条件和维度计算出来。这可简单地用钻进设备的用于控制钻梁系统和总的钻进过程的微处理机进行计算。
计算出C点的位置后，相应地还可简单地用该微处理机计算出从C点到B点的钻孔的正确方向，以满足使钻孔末端基本位于原定的B点的要求。同对从C点到B点的钻孔长度也可计算出来。之后，进给臂5要重新取向，这可通过使钻梁2绕铰链3相对运载机1转动至夹角β2和使进给臂5绕铰链4相对钻梁2端部转动至夹角α3的办法实现，同时钻头应始终保持在C点处的预钻孔内。进给臂5这样就可得到定向，使钻杆朝平行C点和B点间连线Ld的方向延伸，并沿纵向推动进给臂5，使它与岩石6的表面接触，然后钻成从C点到B点的最终孔。
在图1a-1d中，本发明的方法为清楚起见只对单个平面的情况作了说明。因此钻梁2和进给臂5赖以转动的各铰链，各图中仅画出垂直该平面的情况。然后，用于三维的场合也是可能的，这时需使用两个互相相交的平面内的角度和长度，最好是两个相互垂直的平面，以检测本身在不同方向是已知的钻梁结构的运动和变化。因而钻梁2和进给臂5都可绕垂直两个平面的铰链转动。相应地，预钻孔的角度测量和计算，以及需钻孔的方向和距离可参照两个平面进行，这样钻孔将按三维座标系确定，使这种决定与实际情况相符。
图2和图3所示是岩石钻孔设备的一种典型钻梁，其中钻梁2安装在运载机1上，以便能通过动力装置7绕铰链3转动，和通过动力装置9绕铰链8转动。进给臂5安装在钻梁2的另一端，以便通过动力装置10绕铰链4转动，和通过动力装置12绕铰链11转动。在进给臂5和铰链11之间设置了支架13，进给臂5通过动力装置14可沿支架13纵向位移。在进给臂上设有一个钻进机15和钻杆17，钻杆17从钻进机开始延伸穿过位于进给臂前端的定心器16，端部装有钻头18。钻梁2或许还具有称作快动机构的装置，使钻梁2沿其纵向伸长。这种装置本身是公知的，因而未作更详细的描述。
当用图2和图3所示的装置实施本发明的方法时，钻梁2可绕铰链3和8转动，进给臂5可绕铰链4和11转动，以这样的方式使进给臂5定位后钻杆17与具有预定方向和长度的打算要钻的孔平行并基本同轴。在这一步骤，铰链4和8在开机后是锁定基本不动的，因为动力装置10和12的停止阀以本身公知的方式阻止液压流从一个缸腔进入另一缸腔。由于流体的不可压缩性，各活塞在其纵向基本是不能动的。原则上，进给臂仅由于材料的回弹性可能绕铰链有一点转动，但这对本发明来说是基本没有影响的。之后，进给臂5用移动装置14沿其纵向相对支架13向前移动，使进给臂5的前端与岩石壁接触，让钻头18基本定位在所要求的开始钻孔的点上。然后开始钻进，进给臂5和钻梁2变弯，钻头沿岩石6表面移动。如有必要，进给臂5可沿其纵向连续推进，这样它也趋于沿岩石6表面移动，而钻头18则向侧向移动，直至这种侧向位移结束为止，这时钻头18穿入岩石6，从而形成预钻孔。然后，最好中止钻进，让钻杆17沿进给臂5的进给运动停下来，或让钻杆17的进给运动和旋转运动都中止。这两种情况都意味着作用在钻杆17上的进给力解除了。然后铰链4和11的动力装置10和12（压力流体缸，特别是液压缸）被连通，使压力流体可自由地从一个缸室流到另一缸室，这样由钻梁2和进给臂5弯曲产生的应力引起的力的作用下各活塞可以自由移动，直至钻梁2和进给臂5基本处于无应力状态。铰链3、8、4和11上，进给臂的移动装置，以及可能设置在钻梁2内的纵向移动装置上均没有检测器，以它们观察它们的运动。这些检测器显示出各个角度和纵向位移，在此基础上进给臂5和钻杆17的方向和位置可以分别确定。由于在计算阶段记录在钻孔设备的微处理机中的与钻孔有关的座标和方向数据是微处理机控制钻梁2和进给臂5进到开始钻进的起始位置的基础数据，这就有可能在释放动力装置10和12后所获得的角度的基础上确定已形成的预钻孔是在什么位置。此外，在这个孔的位置数据的基础上又可算出新钻孔的方向和长度。然后，钻梁2在动力装置7和9作用下绕铰链3和8转动，进给臂5在动力装置10和12作用下绕铰链4和11转动，同时，如有必要，进给臂5还用移动装置14作纵向移动，钻梁或许借助图上未示的纵向移动装置进行延伸，使钻头18总是留在钻好的预钻孔中。钻杆17重新取向以与重新计算出的孔平行之后，这时钻头18已定位在预钻孔中，进给臂5向岩石推进，最后完成钻孔。
图4所示为一个液压回路，借助它可以连通各液压缸，使它们能自由移动，以实施本发明的方法。缸10有一个活塞19，它将缸10的内部空间分为腔20和21两部分。需要对压力流体用泵23 从压力流体槽22中泵出，通过换向阀24进入压力控制的断流阀25，断流阀25在压力流体的供给中断时，关闭通往腔20和21的通道，从而阻止压力流体流入或流出腔室。这些元件的结构和操作本身是公知的，这里不作详述。
放泄阀26通过单独通道27和28，分别与腔20和21相连，它用于连通缸10，使它能自由运动。该阀26通过单独的通道29还与压力流体槽22相连。阀26通过管线30用单独的信号控制，例如用电信号，或压力流体进行控制，这取决于采用的阀的类型，从而使控制得以进行。当阀26接通时，它通过通道27和28将缸10的两个腔20和21相互连通，同时它将两个腔与压力流体槽22连通。这是必要的，因为它在活塞19的活塞驱动装置的影响下，活塞19同一个冲程下腔室20和21中体积的变化是相互不同的;这取决于运动的方向，压力流体可能须从缸10中排出，也可能需要输入压力流体。采用了这种回路，压力流体就可以按照每个具体情况的要求从两个方向任意流动，从而缸10的运动也是自由的。
图4所示的液压回路只有一个缸10，相应地，每个可能需要放泄的液压缸以及每个动力装置，例如液压进给马达都可设置一个这样的放泄阀。它按照控制信号将液压缸的各腔室和压力流体槽相互连通。根据要求，每个阀可以安排同时动作，也可安排一个或多个阀同时动作。
上述说明仅提出了几个本发明的方法和装置的实施例，但本发明不应受此限制。本发明在权利要求的范围内可以应用于各种类型的钻进设备和其中的钻梁，包括各种可转动的钻梁和进给臂，以及具有可调长度的钻梁和进给臂。相应地，不仅进给臂和钻梁间的铰链，而且钻梁和运载机间的铰链都适合于放松，且钻梁或进给臂的转动装置也能用于实现本发明。在本发明的方法中，按照预定的方式，各铰链可以一个一个地放松，或者几个同时放松。实施本发明时，放松步骤也可在钻进旋转过程中进行，即使钻杆的进给运动已经中止。此外，如果放松后进行的测量表明预钻孔位置对计划钻孔位置已偏离到使钻成的孔相对钻梁结构过分偏斜或相对其它要钻进的孔过分偏斜或可能妨碍其它孔的钻进的程度时，钻进过程可以中途停止，并按已知的方法在另一点重新开始。放松铰链时，钻头当然可能不在预钻孔内，而从孔内滑开，这样进给臂在重力作用下开始自由转动。在这种情况下，检测器会检测出这种不正常的快速运动，进而铰链会重新张紧，使它们能得以控制，钻进过程会以通常的方式重新开始。另外，虽然本发明是参照液压操纵的钻梁说明的，但本发明的方法也可类似地以别的方式和以其它方式实现的采用其它类型的动力装置的钻进梁加以实施。

Claims (7)

1、一种用钻孔设备在岩石(6)上钻孔的方法，该设备包括一个可绕铰链(3、8)转动的钻梁(2)，一个安装在该钻梁(2)端部的进给臂(5)，它可绕铰链(4、11)相对该钻梁转动，并可沿其纵向相对该钻梁移动，一个平行于该进给臂(5)并可沿纵向相对该臂移动的钻杆(17)，该钻杆(17)装有一个钻头(18)，在每个铰链(3、4、8、11)上设有角度检测器，用以测量所述铰链(3、4、8、11)的转角，位置检测器用以测量该进给臂(5)相对该钻梁(2)端的纵向位置和用以测量该钻杆(17)相对于该进给臂(5)的纵向位置，以及与上述各检测器相连的控制该钻梁(2)和该进给臂(5)的运动和钻进过程的控制装置，在该方法中，为使钻孔的末端可以基本定位在岩石(6)内的要求点，该钻杆(17)用使该钻梁(2)和/或使该进给臂绕铰链(3、4、8、11)转动的办法预取向，使之与计划钻孔的方向同心，使该进给臂(5)朝岩石(6)移动，直至与岩石(6)表面接触后开始钻进过程，之后钻杆向前进给，连续钻进直至钻孔末端基本达到预定点，在钻进过程中，所有铰链(3、4、8、11)以及该进给臂(5)纵向均被锁定基本不动，本发明的特征在于：
--先钻出一个预钻孔，其深度可让钻头(18)保持其中，基本不会在岩石(6)表面上运动，
--放松钻梁(2)和进给臂(5)间所需数量的铰链(4、11)和/或进给臂(5)的纵方向，使钻梁(2)和进给臂(5)处于自由状态，基本上没有应力，而让钻头(18)仍留在该预钻孔之内，
--测量放松后的铰链(4、11)和/或进给臂的无应力位置，
--在获得的无应力位置的基础上，计算钻梁(2)和进给臂(5)的维度、钻杆(17)的进给深度，预钻孔的实际位置，以及完成从预钻孔(C)到所希望的孔终点(B)钻孔所要求的方向，和
--按照算出的方向使钻杆(17)取向，同时将钻头(18)保留在预钻孔内，这可通过使钻梁(2)和/或进给臂绕铰链(3、4、8、11)，和/或使进给臂(5)沿其纵向移动的办法实现，然后连续进行钻进，直至达到所希望的钻孔终点(B)。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中的铰链（4、11）和/或进给臂的纵方向是一个一个地按顺序放松，直至获得基本无应力的状态。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于还要释放作用在钻杆（17）上的进给力。
4、一种用钻孔设备实施如权利要求1所述的方法的装置，该设备具有一个通过动力装置（7、9）可绕铰链（3、8）转动的钻梁（2），一个安装在该钻梁（2）端部的进给臂（5），通过动力装置（10、12）可绕铰链（4、11）相对该钻梁转动，且通过动力装置（14）可沿其纵向相对该钻梁（2）移动，一个钻杆（17），它平行于该进给臂（5），并可沿纵向相对该进给臂（5）移动，该钻杆（17）设有钻头（18），每个铰链（3、4、8、11）上设有角度检测器，用以测量所述各铰链（3、4、8、11）的转角（α、β），用以测量该进给臂（5）相对该钻梁（2）的纵向位置和该钻杆（17）相对该进给臂（5）的纵向位置的检测器，以及与上述各检测器相连的，控制该钻梁（2）和进给臂（5）运动及钻进过程的控制装置，在钻进过程中，所有铰链（3、4、8、11）和该进给臂（5）的纵方向，均由动力装置（7、9、10、12）锁定基本不动，其特征在于它还具有至少放松钻梁（2）和进给臂（5）间的铰链（4、11）和/或该进给臂纵方向的装置（26-30），以使它们能自由运动。
5、如权利要求4所述的装置，其特征在于该放松装置（26-30）被安排来释放动力装置（10、12、14）使它们能自由运动，铰链（4、11）和进给臂（5）的纵方向相应地也可自由地在它们的纵方向方向运动。
6、如权利要求5所述的装置，其特征在于它还具有释放作用在钻杆（17）上的进给力的装置。
7、如权利要求5或6所述的装置，其中的动力装置（7、9、10、12、14）为压力流体缸，在通往缸内的活塞（19）两侧的压力流体腔（20、21）的压力流体通道上设有一个断流阀（25），当该压力流体缸处于锁定状态时该断流阀将上述腔室（20、21）与压力流体源（23）和压力流体槽（22）隔开，其特征在于所述的放松装置（26～30）具有放泄阀（26），对每个可能需要放泄以便自由运动的液压缸（10、12、14、）进行放泄，该放泄阀（26）连接在断流阀（25）和压力流体腔（20、21）间的与压力流体腔（20、21）相通的压力流体通道上，并相应地连接在压力流体槽（22）上，该放泄阀被安排来使腔室（20、21）和上述槽（22）相互连通，用以放泄缸（10、12、14）。
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