CN105339579A - 用于控制冲击式钻凿过程的布置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制作业机械上的冲击式钻凿过程的方法，所述方法包括：从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生钻凿过程的参考图案；检测参考图案中的感兴趣区；和响应于正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点而控制作业机械采取禁止措施。

Description

用于控制冲击式钻凿过程的布置

技术领域

本发明涉及作业机械，并且更具体地，涉及控制作业机械上的冲击式钻凿过程。

背景技术

当将孔钻凿到岩石中时，钻凿条件可按若干方式变化。岩石可包括不同定向的空隙和裂缝，和具有不同强度、硬度和冲蚀度的岩石层，这就是为何应根据钻凿条件来间隙性地调整钻凿参数的原因。

按照惯例，操作员基于其个人经验来控制岩钻的操作。操作员基于所推测的岩石特性来设置某些钻凿参数。在钻凿期间，操作员监视钻凿参数，例如，旋转、压力、转速、进给压力和钻进速率。必要时，操作员改变冲击装置的进给力、转速和/或冲击动力，以适用于特定类型的岩石，因此试图在维持良好孔质量的同时，实现快速但仍然平滑且优选消耗较少的钻凿过程。

传统上，各种随钻测量(MWD)工具已用于旋转式钻凿中，例如，用于油气钻凿和表面爆孔钻凿中，以获得关于钻凿条件的实时测量数据。然而，由于冲击所导致的特定现象，就获得关于钻凿状态和/或地质条件的基于可靠数据的解译来说，冲击式钻凿的性质更具挑战性。

然而，即使MWD工具提供关于正在钻凿的孔的可靠信息，操作员仍仅能够调整少许钻凿参数且同时控制其对钻凿过程的影响。当岩石的质量或其钻凿特性迅速改变时，即使对于合格的操作员来说，也难以足够快速地调适钻凿参数以适用于岩石条件。

发明内容

现已开发改进的方法和实施该方法的技术设备来控制作业机械上的冲击式钻凿过程。本发明的各方面包括方法、作业机械和计算机程序产品，其以独立权利要求中所述的内容为特征。本发明的各实施例公开在附属权利要求中。

根据第一方面，根据本发明的方法是基于以下理念：从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生钻凿过程的参考图案；检测参考图案中的感兴趣区；并且响应于正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点而控制作业机械采取禁止措施。

根据实施例，禁止措施包括以下各项中的至少一项：

-在作业机械的用户界面上提供警报；

-在作业机械处启动辅助功能；

-在作业机械处启动安全功能；或

-控制钻凿过程的至少一个参数。

根据实施例，控制钻凿过程的至少一个参数包括以下各项中的至少一项：

-响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近包括水的点而自动切断钻凿碎屑的吸取；

-响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近劈理而减小钻凿进给动力；

-调整钻凿进给动力和/或冲击以适用于所预期的类型的岩石材料；

-根据所预期的岩石条件来改变钻凿控制模式和/或钻凿控制参数。

根据实施例，钻凿控制模式是以下各项中的一项：恒定钻凿、基于进给力的控制、基于力矩的钻凿控制、基于岩石条件的适应性钻凿控制、基于比能的钻凿控制或根本无控制。

根据实施例，该方法进一步包括：将一组或更多组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数存储在作业机械的存储器中；将该组钻凿参数、该钻凿控制模式和/或该钻凿控制参数关联到这些参数或控制模式适合使用的一个或更多个钻凿条件；和响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近特定钻凿条件，从存储器检索适用于该钻凿条件的一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数以用于钻凿过程中。

根据实施例，该方法进一步包括：控制作业机械在作业机械的用户界面显示器上显示以正在钻凿的至少一个孔的测量数据为基础而产生的图形表示；并且控制作业机械在作业机械的用户界面显示器上同时显示参考图案。

根据实施例，该方法进一步包括：控制作业机械将参考图案显示为图形表示，该图形表示与正在钻凿的至少一个孔的测量数据的图形表示相称。

根据实施例，该方法进一步包括：控制作业机械将参考图案显示为钻凿深度的函数，该参考图案所表示的参考数据是以下各项中的至少一项：钻凿速度、旋转压力、旋转平滑度、钻凿平滑度、进给压力、冲击压力、冲洗压力、冲洗流、冲击的比能、旋转的比能、检测到的岩石接触、抗干扰状态、冲洗流的状态、钻凿控制状态、检测到的岩石材料、岩石强度、岩石可钻性、劈理、检测到的裂隙、裂隙密度或空隙。

根据实施例，参考图案基于来自多个先前钻凿的孔的行、扇形或任何其它图案的测量数据。

根据实施例，参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的计算估计。

根据实施例，参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计。

根据第二方面，提供被布置成执行冲击式钻凿过程的作业机械，该作业机械包括：至少一个传感器，用于获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；控制系统，被布置成基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生钻凿过程的参考图案，控制系统还被布置成检测参考图案中的感兴趣区；并且响应于正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点而控制作业机械采取禁止措施。

根据第三方面，提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品存储在非暂时性存储介质上，包括用于执行作业机械的控制过程的计算机程序代码，该计算机程序代码在由处理器执行时，使作业机械执行：从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生钻凿过程的参考图案；检测参考图案中的感兴趣区；和响应于正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点而控制作业机械采取禁止措施。

鉴于下文所述的实施例的详述的公开内容，本发明的这些和其它方面以及与其相关的实施例将变得清楚。

附图说明

在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出作为适用于实施本发明的实施例的作业机械的示例的钻岩设备的示意图；

图2示出钻凿单元的示意图；

图3示出钻凿图案的示例；

图4示出根据本发明的实施例的作业机械的控制方法的流程图；

图5a、图5b、图5c示出根据本发明的一些实施例的用户界面布局的示例，所述用户界面布局包括正在钻凿的孔的测量数据的图形表示和对应参考图案的图形表示；

图6a、图6b、图6c、图6d、图6e示出根据本发明的一些实施例的用户界面布局的示例，其中参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计；

图7示出用于执行作业机械的控制方法的系统的框图；并且

图8示出根据本发明的实施例的协同功能模块的示例性框图。

具体实施方式

当前公开的实施例尤其适用于能够执行钻凿操作的各种作业机械。这些作业机械的特定示例是采矿业中所需的采矿和建筑设备，例如，各种移动钻岩机械。采矿设备可以是固定采矿设备或可被称为采矿车的移动采矿设备。还应注意，一般来说，采矿设备还可指用于地表或地下作业区域中的岩石开挖的各种机械。在此上下文中，术语“岩石”应被广泛理解为还涵盖砾石、岩石材料、地壳和其它相对硬的材料。

图1示出钻岩设备100，例如钻岩机，其包括可移动运载工具102、一个或更多个钻臂104和布置在钻臂104中的钻凿单元106。钻凿单元106包括进给梁108，岩钻110可通过进给马达(图1中未示出)在进给梁108上移动。此外，钻凿单元106包括工具112，通过工具112将岩钻110的冲击装置(图1中未示出)所给予的冲击脉冲传输到待钻凿的岩石。钻岩设备通常包括多个泵(图1中未示出)，用于产生用于操作设备的各部分的液压、用于泵送用于润滑、冷却和清洁钻头的钻凿液以及用于从钻孔泵送岩石碎屑。

钻凿单元106进一步详细地示出在图2中。钻凿单元包括布置在进给梁108上的岩钻110。岩钻110可通过进给马达114在进给梁108的纵向方向上移动。进给马达114可以是例如被布置成通过动力传输元件例如链条或钢索来影响岩钻110的液压操作的缸或马达。岩钻110和连接到岩钻110的工具112通过使用期望量值的进给力来压靠岩石116。进给梁108可移动地布置在属于钻岩设备100的钻臂104的自由端处。

岩钻110包括至少冲击装置118和旋转马达120。冲击装置118用于对连接到岩钻110的工具112产生应力波例如冲击脉冲，工具将应力波传递到岩石116。工具112的最外端设置有钻头122，其中的钻头由于应力波钻进岩石116，从而导致岩石116破裂。此外，工具112相对于其纵向轴线旋转，这使得在岩石116中的新的点处钻头122中的钻扣(button)能够被重复撞击。工具112通过旋转马达120来旋转，旋转马达120可以是液压操作装置或电动装置。工具112可包括连续地布置在彼此上的若干钻杆124。螺纹接头可设置在钻杆124之间。冲击装置118可包括冲击活塞，该冲击活塞通过压力液体来回移动，且被布置成撞击在工具或布置在工具与冲击活塞之间的钎柄适配器上。应了解，图2仅示出岩钻的一个示例，且与参考图案相关的当前公开的新特征可应用到各种其它类型的冲击式岩钻，例如，潜孔(DTH)钻机中的冲击式岩钻。

返回参照图1，钻岩机100还包括被布置成控制钻岩机100的致动器的至少一个控制单元126。控制单元126可以是计算机或对应装置，且其可包括具有显示装置和控制机构的用户界面，用于将命令和信息给予控制单元126。控制单元126及其用户界面通常位于钻岩设备100的驾驶舱128内。然而，在一些实施例中，钻凿设备可以是远程控制和监视的。因此，当前公开的特征中的至少一些可被布置成与远离产生测量数据的钻岩机的用户界面连接。此外，下文所示出的测量和/或参考图案数据可在钻机之间传送。

通常，当开始开挖岩石时，钻凿图案被设计成包括至少钻凿图案的坐标系统中待钻凿的孔的位置和孔方向角以及待钻凿的孔的长度。钻凿图案通常使用在设计计算机、控制单元126等中运行的特定设计程序来设计，且设计师与钻凿图案设计程序交互且馈送所需信息，作出选择且控制设计过程。钻凿图案还可经由控制单元126的用户界面使用在控制单元126中运行的设计程序而在钻岩设备100中设计。钻凿图案存储在与控制单元126在功能上连接的存储器介质上，例如，控制单元的硬盘或连接到控制单元126的任何其它非暂时性存储器介质，例如，USB闪存驱动器或光学存储器介质(例如，CD或DVD光盘)。

钻岩设备100可设置有各种传感器以检测致动器的状态和/或测量设备的不同部分的条件，且可能进行关于环境的测量。传感器可包括各种类型的压力传感器、加速度计、磁力计、温度传感器等，它们能够总的来说提供关于钻凿过程的实时测量，尤其一方面提供关于钻头处的条件的实时测量，并且另一方面提供关于地质构造的性质的实时测量。这些实时测量被称为随钻测量(MWD)或随钻测井(LWD)。

以来自传感器的测量为基础，MWD可提供钻凿力学信息。MWD所提供的关于钻头处的条件的信息可包括例如钻的转速、旋转的平滑度、旋转压力、冲击活塞上的压力、钻头上的力矩和重量、钻头的振动类型、孔中的温度、每钻凿体积/长度的冲击和旋转的能量、每冲击的钻进、每钻头旋转的钻进、转矩、进给力、旋转-进给压力比、进给压力-钻进速率比等。

此外，可进行测量以获得钻孔所钻进的地质构造的详细记录(日志)。在这些测量中，获得关于钻孔周围的地质特性的信息，例如，密度、孔隙度、劈理、电阻率、分级、磁共振和地层压力。

代替从钻岩设备获得的测量信息或除从钻岩设备获得的测量信息之外，可存在被布置成获得关于钻凿力学和/或地质构造的一种或更多种类型的信息的独立测量系统。此独立测量系统可在功能上连接到钻岩设备，例如，用于将测量信息传送到钻岩设备。

取决于钻凿现场和讨论论坛，MWD和LWD的定义可变化，且因此上述测量中的至少一些有时可称为随钻测井(LWD)。

图3示出钻凿图案300的示例，其可包括多个钻孔302到310，钻孔302到310以在彼此内的若干行312到316布置为孔的群组。此外，钻凿图案可包括布置在最内钻孔行316与切口324之间的区段中的场孔318到322。两个或更多个场孔318到322可形成场孔元素326。通常，切口324还包括若干钻孔。在钻凿图案300中，钻孔可被示出为白色或黑色圆圈。黑色圆圈例如图3中由附图标记302和310指示的钻孔可以是主孔，且由附图标记304到308指示的白色圆圈可以是中间孔，其性质可至少部分源自主孔的性质。此外，每个钻孔的方向可在钻凿图案300中由方向线328表示。

应注意，图3所示的钻凿图案300仅为各种钻凿图案的一个示例，如图3所示的钻凿图案等的钻凿图案通常用于开挖隧道。在其它钻凿过程中，钻凿图案可作为例如一行或更多行孔、一个或更多个扇形的孔或一组不均匀地分布的孔而显著变化。

钻岩设备的操作员开始根据与控制单元126连接而存储的钻凿图案来开挖例如隧道。操作员可例如通过控制面板来控制钻岩设备的操作，其中控制面板可包括用于使设备移动、用于使工具定位、用于使工具接通和切断等的操纵轮、操纵杆、显示单元、开关和/或一些其它机构。钻凿图案300的xz投影，例如类似于图3所示的投影，可示出在钻岩设备的图形用户界面例如显示单元中。在岩石中钻凿所设计的钻孔，且接着对其进行装药和爆破。使钻凿一轮钻孔的量的岩石材料与岩石分离且将其运输到其它地方。随后，根据新钻凿图案为钻凿下一轮钻孔钻凿新钻孔。

当根据钻凿图案钻凿钻孔时，钻岩设备优选被布置成从所钻凿的孔获得测量数据。测量数据可包括例如上文所述的一种或更多种类型的MWD和/或LWD数据。测量数据还可包括关于例如钻凿力学和/或地质构造的各种分析数据，其中例如一种或更多种数据类型的MWD和/或LWD数据用作各种分析算法的输入数据。测量数据可存储在与控制单元在功能上连接的存储器介质上。

现在，根据本发明的一方面，钻岩设备被布置成以来自先前钻凿的孔的测量数据为基础控制正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程。图4示出用于控制作业机械例如钻岩设备的冲击式钻凿过程的方法。

在方法中，从至少一个传感器获得(400)关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据。接着，基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生(402)钻凿过程的参考图案。在参考图案中检测(404)感兴趣区，且响应于正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点，控制作业机械采取(406)禁止措施。

换句话说，来自先前钻凿的一个或更多个孔的MWD和/或LWD数据用于产生钻凿过程的参考图案。因此，取决于钻凿过程的钻凿图案和/或进展状态，参考图案可包括一个或更多个参考孔。如果存在不止一个参考孔，那么参考图案可呈一行参考孔、一扇形的参考孔、钻凿图案的任何其它部分或整个钻凿图案。

必要时，可分析作为参考图案的基础的数据，且可在参考图案中发现感兴趣区。此处，感兴趣区指与一个或更多个先前钻凿的孔中的位置或以一个或更多个先前钻凿的孔为基础导出的位置相关的任何数据或所分析的信息，其可对正在钻凿的孔的钻凿过程产生影响。感兴趣区可以是例如参考图案中的区、一个或更多个孔、一个或更多个孔深度、一个或更多个孔深度区间等。

钻岩设备可包括多个钻臂和布置在钻臂中的钻凿单元，例如，在图1的钻岩设备中，且钻岩设备可能够同时钻凿多个孔。当正在钻凿的至少一个孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点时，作业机械例如钻岩设备受到控制以自动地采取禁止措施，使得在钻凿过程中通知检测到的感兴趣区可能对正在钻凿的孔的钻凿过程产生的影响。

根据实施例，禁止措施包括以下各项中的至少一项：在作业机械的用户界面上提供警报，在作业机械处启动辅助功能或安全功能和/或控制钻凿过程的至少一个参数。换言之，提供声响警报信号或在用户界面显示器上显示警报使得作业机械的操作员被通知感兴趣区可以是足够的，且操作员可接着决定是否应由于参考图案中的感兴趣区而调整钻凿过程。在检测到的感兴趣区可能仅对正在钻凿的孔的钻凿过程产生较小影响的情形下，仅在用户界面显示器上提供警报可以是可行选项。这些情形的示例是例如各个小裂隙。

辅助功能可例如呈通知的形式，其中通知可包括对操作员的指导以适当地调整钻凿过程。举例来说，如果参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近岩体的裂隙体积，那么通知可指导操作员减小钻凿进给动力和冲击动力。

安全功能可以是例如响应于检测到以参考图案为基础出现的危险情形而启动的紧急停止功能。

根据实施例，如果检测到的感兴趣区可对正在钻凿的孔的钻凿过程产生较大或严重影响，那么控制钻凿过程的至少一个参数以便使钻凿过程能够尽可能平滑地继续和/或防止钻凿过程中的任何不良影响的发生，例如，造成钻凿工具卡在正在钻凿的孔中的风险的接头。

根据实施例，控制钻凿过程的至少一个参数包括以下各项中的至少一项：

-响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近包括水的点而自动切断钻凿碎屑的吸取；

-响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近岩体的裂隙体积而减小钻凿进给动力；

-调整钻凿进给动力和/或冲击以适用于所预期的类型的岩石材料；

-根据所预期的岩石条件来改变钻凿控制模式和/或钻凿控制参数。

因此，感兴趣区可对正在钻凿的孔的钻凿过程产生较大或严重影响的情形的示例至少包括岩石材料的性质改变的位置和包括水或裂隙的位置。当在参考图案中检测到可能对正在钻凿的孔的钻凿过程产生影响的此感兴趣区时，通过调整钻凿过程的至少一个参数，钻凿过程适当地受到控制。

根据实施例，钻凿过程受到控制而以参考图案为基础根据预期岩石条件来改变钻凿控制模式。钻凿控制模式可以是例如以下各项中的一项：恒定钻凿、基于进给力的控制、基于力矩的钻凿控制、基于岩石条件的适应性钻凿控制、基于比能的钻凿控制或根本无控制。

在恒定(速度)钻凿中，将钻凿参数保持恒定，而在基于进给力的控制，有时被称为进给-冲击跟进中，根据预定规则而控制冲击装置的进给力。

在基于力矩的钻凿控制中，确定冲击装置的进给速度和旋转马达的转矩，且基于进给速度和转矩来调整钻凿进给动力。基于力矩的钻凿控制的示例公开在US2012/097449(A1)中。

在基于岩石条件的适应性钻凿控制中，可对冲击装置的进给力和被布置成使工具在钻孔中进给的进给装置的进给力设置目标范围。还可对进给装置的进给力和冲击装置的进给力的关系设置目标值，使得当岩石条件改变时，进给装置的进给力和/或冲击装置的进给力被调整以将该关系保持在目标范围内。基于岩石条件的适应性钻凿控制的示例公开在EP1451444(B1)中。

在基于比能的钻凿控制中，确定钻凿的比能，其为每单位长度的所钻凿的孔所使用的能量的量，且可调整钻凿变量以将比能保持在预定范围内。基于比能的钻凿控制的示例公开在US7,198,117(B2)中。

根据实施例，一组或更多组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数存储在钻凿设备的存储器中。在存储器中，每一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数可与这些参数或控制模式适合使用的一个或更多个钻凿条件相关联。钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数可以至少一个先前钻凿的孔为基础来确定，或它们可使用适当算法来计算。

根据实施例，响应于参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近特定岩石条件，钻凿设备被布置成从存储器检索适用于所述岩石条件的一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数以用于钻凿过程中。

举例来说，实施例可用于识别振动的量较小而同时钻进速率较高的这些钻凿阶段。这些钻凿阶段的信息与钻凿条件例如岩石类型信息相关联。代替振动或除振动之外，可测量与钻凿质量和/或平滑度和/或进展相关的其它测量值或参数。

在使用情形示例中，钻凿设备的操作员以良好的钻凿参数(例如，良好的钻进速率、低程度的振动)钻凿岩石类型A。所使用的钻凿参数已存储在存储器中，且与岩石类型A相关联。接着，操作员移动以钻凿岩石类型B，且对钻凿参数进行改变。稍后，钻凿过程移动回岩石类型A。现在，在参考图案指示正在钻凿的孔的钻凿过程接近岩石类型A时，可从存储器检索对于岩石类型A以低程度的振动提供高钻进速率的先前存储的钻凿参数。

在本文中，钻凿设备可被布置成从存储器自动检索岩石类型A的钻凿参数。可替代地，钻凿设备可被布置成启动辅助功能，例如，呈钻凿设备的用户界面上的通知的形式，该通知示出岩石类型A的所存储的钻凿参数。操作员可接着选择使用所述参数，且经由UI将用户输入给予钻凿设备用于从存储器检索所述参数。

根据实施例，作业机械受到控制以在作业机械的用户界面显示器上显示以正在钻凿的至少一个孔的测量数据为基础而产生的图形表示，且在作业机械的用户界面显示器上同时显示参考图案。因此，作业机械的操作员能够以图示方式查看参考图案与正在钻凿的孔的测量数据两者，使得操作员可考虑到可能的感兴趣区而预先计划和控制钻凿过程。

应注意，为了执行上述实施例，并不强制要求检测参考图案中的任何感兴趣区并且如果正在钻凿的孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点就控制作业机械采取禁止措施。换句话说，一旦已以来自至少一个先前钻凿的孔的测量数据为基础而产生钻凿过程的参考图案且已从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的孔的测量数据，便可执行上述实施例。

根据实施例，作业机械受到控制以将参考图案显示为图形表示，该图形表示与正在钻凿的孔的测量数据的图形表示相称。此用户界面布局的示例示出在图5a中，其中显示器500的主要部分被指派用于显示与正在钻凿的孔的钻凿过程相关的各种数据。然而，在显示器的右侧，存在用于显示正在钻凿的孔的测量数据的图形表示504和对应参考图案的图形表示506的显示栏502。参考图案的图形表示506可例如对于不同的感兴趣点使用不同颜色来指示各种感兴趣点的存在。

根据实施例，作业机械受到控制以将参考图案显示为钻凿深度或钻凿时间的函数，该参考图案所表示的参考数据是以下各项中的至少一项：钻凿速度、旋转压力、旋转平滑度、进给压力、钻凿平滑度、冲击的比能、旋转的比能、冲击压力、冲洗压力、冲洗流、检测到的岩石接触、抗干扰状态、冲洗流的状态、钻凿控制状态、检测到的岩石材料、岩石强度、岩石可钻性、劈理、检测到的裂隙、裂隙密度或空隙。参考数据还可关联到孔的时刻、位置、钻凿深度、标识符等。在图5a中，参考图案的图形表示506被示出为钻凿深度的函数，且不同(非黑色)颜色可表示例如不同岩石材料或特定岩石材料和裂隙。

图5b示出用户界面布局的另一示例，其中显示栏508包括正在钻凿的孔的测量数据的图形表示510和对应参考图案的图形表示512。在本文中，参考图案512的图形表示类似地示出为钻凿深度的函数，但参考数据是在特定钻凿深度的钻凿速度。钻凿速度的变化可被示出为例如颜色例如图5b中的灰色的阴影的变化，或示出为曲线、直方图、条形图等。

图5c示出用户界面布局的又一示例，其尤其适用于基于触控显示器的UI，其中图示了将特定钻凿参数关联到特定岩石类型以供稍后使用的上述示例。在本文中，参考图案的图形表示被示出为钻凿时间的函数，并且参考数据是特定时刻的岩石类型。如参考图案所指示，钻凿过程已经行进穿过岩石类型A和B，且移动回检测到的岩石类型A。作为响应，钻凿设备在用户界面上示出通知，该通知示出尤其适用于岩石类型A的先前存储的钻凿参数。

再次应注意，为了执行上述实施例中的任一个，仅需要以来自至少一个先前钻凿的孔的测量数据为基础已产生的钻凿过程的参考图案和从至少一个传感器已获得的关于正在冲击式钻凿的孔的测量数据。换句话说，不需要感兴趣区的检测或来自作业机械的任何禁止措施。

在先前实施例中，参考图案以其最简形式可基于仅来自一个先前钻凿的参考孔的数据。参考孔可以是例如最近钻凿的孔或最接近正在钻凿的孔而定位的孔。参考孔还可以是例如从钻凿计划的现场视图选择的任何其它先前钻凿的孔。

根据实施例，参考图案可基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据，其中所述多个先前钻凿的孔包括例如一行参考孔、一扇形的参考孔、钻凿图案的任何其它部分或整个钻凿图案。因此，参考图案可基于例如来自两个或三个先前钻凿的孔的测量数据。举例来说，如果来自最接近待钻凿的孔的两个先前钻凿的孔的测量数据显著变化，那么基于其它先前钻凿的孔而计算的估计可提供更优化的参考图案。

参考图案可进一步基于来自先前使用相同钻机或另一钻机而钻凿的一个或更多个孔的、来自一个或更多个先前钻凿的勘探孔(例如，井眼)的、来自碎屑的分析数据的或来自通过除钻凿之外的其它方式例如通过对岸堤或地面进行扫描或成像或通过使用地质图或矿山图/方案而获得的地质数据的测量数据。如果通过除钻凿之外的其它方式获得测量数据，那么先前钻凿的孔可以是虚拟孔，其中虚拟孔是以所述测量数据为基础来计算和/或估计的。

与将先前钻凿的孔中的一个或更多个用作参考图案的基础无关，如果可足够准确地确定钻凿设备及其钻凿单元的位置，那么可容易获得本文所公开的实施例的益处。这还使参考图案准确关联到在钻凿设备周围的工作现场中使用的3D坐标。

各种方法可用于例如根据钻凿设备是用于地表钻凿还是地下钻凿中来确定钻凿设备的位置。在地表钻凿中，能够使用卫星导航例如GPS系统用于以足够精度确定钻凿设备的位置和定向。

在地下钻凿中，可使用视距测量过程来确定钻凿设备的位置。具有例如在待开挖的隧道中的预定位置的足够数量的导航点用于将视距仪关联到将使用的xyz坐标系统。钻凿设备设置有目标，其中已确定所述目标的相对于钻凿设备的坐标系统的原点的位置。视距仪用于连续地测量目标的xyz坐标。此外，在导航水平中确定钻凿图案的至少一个点。以这些数据为基础，可能结合曲率表、钻凿图案的长度和钻凿设备的倾斜角，钻凿设备可确定其位置和钻凿图案的位置和定向。

此外，与卫星导航、视距测量过程或某一其它定位技术是否用于确定钻凿设备的位置无关，钻凿设备、其钻臂和钻凿单元优选地设置有足够数量的传感器，例如，陀螺仪、罗盘传感器、倾角计、旋转编码器、线性编码器和加速度计，用于为进给对准和钻凿过程两者保证足够的孔位置精度。因此，当以足够的精度导航的钻凿设备根据钻凿图案执行钻凿过程时，对于所钻凿的孔获得了准确位置，且可将它们准确地定位在工作现场的坐标系统中以用作未来参考孔。

根据实施例，可从多个来源例如从若干钻凿设备获得作为参考图案的基础的测量数据。如果例如两个或更多个钻凿设备正在相邻隧道中钻凿，那么可通过组合来自所述设备的测量数据来获得更全面的参考图案。可例如在外部服务器中或钻凿设备中的至少一个的控制系统中执行该组合。

根据实施例，参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计。内推或外推可作为基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的计算过程来执行，或可作为图形内推/外推来执行，其中将多个先前钻凿的孔例如示出在显示器上，且可能作为手动辅助过程，以先前钻凿的孔为基础以图形绘制估计。

此用户界面布局的示例示出在图6a中，其中喷射扇形(injectionfan)的参考图案被示出为基于仅来自所钻凿的孔的子群组的测量数据的内推估计。在该示例中，仅从第一、第三、第五、第九和第十三所钻凿的孔获得测量数据，且作为来自所述孔中的两个或两个以上的内推估计计算了剩余孔的参考图案。

图6b示出用户界面布局的另一示例，其中从一行孔，正在钻凿的孔的钻凿过程示出在用户界面布局的左侧上，且该行孔的参考图案示出在用户界面布局的右侧上。在钻凿过程中，已钻凿三个孔，且将开始第四孔的钻凿。以三个钻孔为基础，已检测到两条裂隙600、602。参考图案示出关于裂隙在正在钻凿的第四孔中的位置的外推估计。

图6c示出用户界面布局的另一示例，其中简化的螺接扇形(boltingfan)的参考图案被图示为基于来自先前钻凿的孔的测量数据的外推估计。在图6c中，参考图案与所钻凿的孔两者以及当前正在钻凿的孔示出在同一显示布局中。黑色细线表示钻凿过程的进程。已钻凿第一螺栓孔604，且以从第一螺栓孔604获得的测量数据为基础，已检测到两条裂隙606、608。提供关于裂隙在当前正在钻凿的第二孔610中的位置的外推估计。以第二孔610的仍未完成的钻凿过程为基础，目前检测到两条新裂隙612、614，且将关于这些裂隙在待钻凿的第三孔616中的位置的外推估计作为参考图案来提供。

图6d示出用户界面布局的又一示例，其中生产钻凿的参考图案被图示为基于来自先前钻凿的孔的测量数据的外推估计。在该示例中，已钻凿前四个孔，且正在钻凿第五孔。以前四个孔为基础，已检测到两条裂隙618、620，且已提供关于所述裂隙在第五孔中的位置的估计(以不同阴影示出)。

在爆孔钻凿中，当在对先前钻凿的一轮钻孔的孔进行爆破之后开始钻凿下一轮钻孔时，可优选重新定位下一轮钻孔的孔，使得所述孔相比先前钻凿的一轮钻孔的孔处于不同位置处。这是因为先前一轮钻孔的爆破可导致岩石更容易出现裂隙且因此更难以钻凿。

图6e示出用户界面布局的又一示例，其中地表钻凿例如爆孔钻凿的参考图案被图示为基于来自先前钻凿的孔的测量数据的外推估计。在该示例中，以实线示出先前钻凿的孔。在本文中，区域622内的先前钻凿的一轮钻孔中的先前钻凿的四个孔用作下一轮钻孔的参考，且区域624内的以虚线示出的下一轮钻孔中的接下来的待钻凿的孔是以参考孔622为基础来估计的。

可例如通过显示先前钻凿的喷射孔的喷射扇形的参考图案，包括朝向喷射钻凿过程的继续方向的(外推)参考来利用所估计的参考图案。所计划的钻凿图案可与所估计的参考图案同时显示，从而钻凿设备的操作员可设计自动化钻凿计划，例如使得将首先自动钻凿容易的孔，而将手动地钻凿困难的孔。

根据实施例，可向设备的操作员提供将其备注添加到示出参考图案和待钻凿的孔的用户界面视图的选项。备注可与钻凿过程中的某一事件(例如，检测到的水或裂隙)相关或与操作员所进行的操作或观察相关，且操作员可添加更详细地描述事件的备注，例如，文字或语音消息。设备的用户界面可包括特定按钮(“事件按钮”)，或添加与事件相关的备注的任何其它输入机构。

所属领域的技术人员应了解，除非明确地或含蓄地陈述某些实施例仅为彼此的替代，否则上述实施例中的任一个可实施为与其它实施例中的一者或更多者的组合。

本发明的各种实施例可借助于计算机程序代码来实施，该计算机程序代码驻留在存储器中且导致相关设备执行本发明。举例来说，作业机械可包括用于处置、接收和传输存储器中的数据、计算机程序代码的电路和电子器件，和在运行计算机程序代码时使机械执行实施例的特征的处理器。

图7示出用于执行作业机械的控制过程的系统的框图。系统包括一个或更多个处理器PRO和存储器MEM。处理器和存储器可处于系统的一个部分中或分布在不同部分和不同设备上。举例来说，作业机械控制接口可具有其自身的处理器和/或存储器、连接到作业机械自身的处理器和存储器的计算机以及系统自身的其它部分。存储器MEM可包括可在处理器PRO上执行的软件SW，使得系统可经由屏幕SCR而将项目显示给操作员，且经由按钮BUT、物理控制装置PCTRL如控制杆和操纵杆和/或经由触控屏T-SCR而接收输入。实施例的步骤的一部分或全部可在软件中执行，且步骤的一部分或全部可由控制电路CIR执行。软件可驻留在计算机可读非暂时性介质例如USB棒或数据盘上，且计算机程序代码存储在该介质上。此计算机程序产品可用于通过安装或通过直接使用计算机可读介质以从该计算机可读介质执行程序来将本发明的功能性递送到系统。系统可包括用于在系统的不同部分与设备之间发送和接收数据的通信模块COMM。

作为本发明的又一方面，提供一种计算机程序产品，其被存储在非暂时性存储器介质上，包括用于执行作业机械的控制过程的计算机程序代码，该计算机程序代码在由处理器执行时，使作业机械执行：基于来自至少一个先前钻凿的孔的测量数据而产生钻凿过程的参考图案；从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的孔的测量数据；检测参考图案中的感兴趣区；并且响应于正在钻凿的孔的钻凿过程接近对应于参考图案中的感兴趣区的点而控制作业机械采取禁止措施。

本发明的各实施例可实施为作业机械中的协同功能模块，所述模块因而优选地是可替代的。所述模块可实施为硬件、软件或其组合。图8示出模块的示例性框图及其经由通信总线800的相互通信。作业机械的各个传感器由传感器模块802表示。从传感器获得的测量数据经由通信总线800传达到控制单元模块804和分析模块806。由分析模块806解译和分析的测量数据可被提供给用户界面模块808，而由用户界面模块808获得的用户输入被传达到控制单元模块804和/或分析模块806。图案处置模块810根据来自分析模块806和用户界面模块808的输入来创建和更新参考图案。

显然，本发明不单独局限于上文呈现的实施例，而是可在随附权利要求书的范围内修改。

Claims (34)

1.一种用于控制作业机械上的冲击式钻凿过程的方法，所述方法包括：

从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；

基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生所述钻凿过程的参考图案；

检测所述参考图案中的感兴趣区；和

响应于正在钻凿的所述至少一个孔的所述钻凿过程接近对应于所述参考图案中的所述感兴趣区的点而控制所述作业机械采取禁止措施。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述禁止措施包括以下各项中的至少一项：

-在所述作业机械的用户界面上提供警报；

-在所述作业机械处启动辅助功能；

-在所述作业机械处启动安全功能；或

-控制所述钻凿过程的至少一个参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其中：

控制所述钻凿过程的所述至少一个参数包括以下各项中的至少一项：

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近包括水的点而自动切断钻凿碎屑的吸取；

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近劈理而减小钻凿进给动力；

-调整钻凿进给动力和/或冲击以适用于所预期的类型的岩石材料；

-根据所述预期的岩石条件来改变钻凿控制模式和/或钻凿控制参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其中：

所述钻凿控制模式是以下各项中的一项：恒定钻凿、基于进给力的控制、基于力矩的钻凿控制、基于岩石条件的适应性钻凿控制、基于比能的钻凿控制或根本无控制。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

将一组或更多组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数存储在所述作业机械的存储器中；

将所述一组钻凿参数、所述钻凿控制模式和/或所述钻凿控制参数关联到这些参数或控制模式适合使用的一个或更多个钻凿条件；和

响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近特定钻凿条件，从所述存储器检索适用于所述钻凿条件的一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数以用于所述钻凿过程中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括：

控制所述作业机械在所述作业机械的用户界面显示器上显示以所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据为基础而产生的图形表示；和

控制所述作业机械在所述作业机械的所述用户界面显示器上同时显示所述参考图案。

7.根据权利要求6所述的方法，进一步包括：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为图形表示，所述图形表示与所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据的所述图形表示相称。

8.根据权利要求6或7所述的方法，进一步包括：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为钻凿深度的函数，所述参考图案所表示的参考数据是以下各项中的至少一项：钻凿速度、旋转压力、旋转平滑度、钻凿平滑度、进给压力、冲击压力、冲洗压力、冲洗流、冲击的比能、旋转的比能、检测到的岩石接触、抗干扰状态、冲洗流的状态、钻凿控制状态、检测到的岩石材料、岩石强度、岩石可钻性、劈理、或检测到的裂隙、裂隙密度或空隙。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

所述参考图案基于来自多个先前钻凿的孔的行、扇形或任何其它图案的测量数据。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的计算估计。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计。

12.一种被布置成执行冲击式钻凿过程的作业机械，所述作业机械包括：

至少一个传感器，所述至少一个传感器用于获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；

控制系统，所述控制系统被布置成基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生所述钻凿过程的参考图案，所述控制系统进一步被布置成：

检测所述参考图案中的感兴趣区；和

响应于正在钻凿的所述至少一个孔的所述钻凿过程接近对应于所述参考图案中的所述感兴趣区的点而控制所述作业机械采取禁止措施。

13.根据权利要求12所述的作业机械，其中：

所述禁止措施包括以下各项中的至少一项：

-在所述作业机械的用户界面上提供警报；

-在所述作业机械处启动辅助功能；

-在所述作业机械处启动安全功能；或

-控制所述钻凿过程的至少一个参数。

14.根据权利要求13所述的作业机械，其中：

控制所述钻凿过程的所述至少一个参数包括以下各项中的至少一项：

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近包括水的点而自动切断钻凿碎屑的吸取；

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近劈理而减小钻凿进给动力；

-调整钻凿进给动力和/或冲击以适用于所预期的类型的岩石材料；

-根据所述预期的岩石条件来改变钻凿控制模式和/或钻凿控制参数。

15.根据权利要求14所述的作业机械，其中：

所述钻凿控制模式是以下各项中的一项：恒定钻凿、基于进给力的控制、基于力矩的钻凿控制、基于岩石条件的适应性钻凿控制、基于比能的钻凿控制或根本无控制。

16.根据权利要求12至15中任一项所述的作业机械，所述作业机械进一步包括：

存储器，所述存储器用于存储一组或更多组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数，所述控制系统进一步被布置成：

将所述一组钻凿参数、所述钻凿控制模式和/或所述钻凿控制参数关联到这些参数或控制模式适合使用的一个或更多个钻凿条件；和

响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近特定钻凿条件，从所述存储器检索适用于所述钻凿条件的一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数以用于所述钻凿过程中。

17.根据权利要求12至16中任一项所述的作业机械，所述作业机械进一步包括用户界面显示器，所述控制系统进一步被布置成：

控制所述作业机械在所述用户界面显示器上显示以所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据为基础而产生的图形表示；并且

控制所述作业机械在所述用户界面显示器上同时显示所述参考图案。

18.根据权利要求17所述的作业机械，所述控制系统进一步被布置成：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为图形表示，所述图形表示与所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据的所述图形表示相称。

19.根据权利要求17或18所述的作业机械，所述控制系统进一步被布置成：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为钻凿深度的函数，所述参考图案所表示的参考数据是以下各项中的至少一项：钻凿速度、旋转压力、旋转平滑度、钻凿平滑度、进给压力、冲击压力、冲洗压力、冲洗流、冲击的比能、旋转的比能、检测到的岩石接触、抗干扰状态、冲洗流的状态、钻凿控制状态、检测到的岩石材料、岩石强度、岩石可钻性、劈理、或检测到的裂隙、裂隙密度或空隙。

20.根据权利要求12至19中任一项所述的作业机械，其中：

所述参考图案基于来自多个先前钻凿的孔的行、扇形或任何其它图案的测量数据。

21.根据权利要求12至20中任一项所述的作业机械，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的计算估计。

22.根据权利要求21所述的作业机械，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计。

23.一种计算机程序产品，存储在非暂时性存储介质上，包括用于执行作业机械的控制过程的计算机程序代码，所述计算机程序代码在由处理器执行时，使所述作业机械执行：

从至少一个传感器获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；

基于以至少一个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生所述钻凿过程的参考图案；

检测所述参考图案中的感兴趣区；和

响应于正在钻凿的所述至少一个孔的所述钻凿过程接近对应于所述参考图案中的所述感兴趣区的点而控制所述作业机械采取禁止措施。

24.根据权利要求23所述的计算机程序产品，其中所述禁止措施包括以下各项中的至少一项：

-在所述作业机械的用户界面上提供警报；

-在所述作业机械处启动辅助功能；

-在所述作业机械处启动安全功能；或

-控制所述钻凿过程的至少一个参数。

25.根据权利要求24所述的计算机程序产品，其中控制所述钻凿过程的所述至少一个参数包括以下各项中的至少一项：

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近包括水的点而自动切断钻凿碎屑的吸取；

-响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近劈理而减小钻凿进给动力；

-调整钻凿进给动力和/或冲击以适用于所预期的类型的岩石材料；

-根据所述预期的岩石条件来改变钻凿控制模式和/或钻凿控制参数。

26.根据权利要求25所述的计算机程序产品，其中：

所述钻凿控制模式是以下各项中的一项：恒定钻凿、基于进给力的控制、基于力矩的钻凿控制、基于岩石条件的适应性钻凿控制、基于比能的钻凿控制或根本无控制。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的计算机程序产品，其中所述计算机程序代码在由处理器执行时使所述作业机械进一步执行：

将一组或更多组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数存储在所述作业机械的存储器中；

将所述一组钻凿参数、所述钻凿控制模式和/或所述钻凿控制参数关联到这些参数或控制模式适合使用的一个或更多个钻凿条件；和

响应于所述参考图案指示所述正在钻凿的孔的所述钻凿过程接近特定钻凿条件，从所述存储器检索适用于所述钻凿条件的一组钻凿参数、钻凿控制模式和/或钻凿控制参数以用于所述钻凿过程中。

28.根据权利要求23至27中任一项所述的计算机程序产品，其中所述计算机程序代码在由处理器执行时使所述作业机械进一步执行：

控制所述作业机械在所述作业机械的用户界面显示器上显示以所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据为基础而产生的图形表示；和

控制所述作业机械在所述作业机械的所述用户界面显示器上同时显示所述参考图案。

29.根据权利要求28所述的计算机程序产品，其中所述计算机程序代码在由处理器执行时使所述作业机械进一步执行：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为图形表示，所述图形表示与所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据的所述图形表示相称。

30.根据权利要求28或29所述的计算机程序产品，其中所述计算机程序代码在由处理器执行时使所述作业机械进一步执行：

控制所述作业机械将所述参考图案显示为钻凿深度的函数，所述参考图案所表示的参考数据是以下各项中的至少一项：钻凿速度、旋转压力、旋转平滑度、钻凿平滑度、进给压力、冲击压力、冲洗压力、冲洗流、冲击的比能、旋转的比能、检测到的岩石接触、抗干扰状态、冲洗流的状态、钻凿控制状态、检测到的岩石材料、岩石强度、岩石可钻性、劈理、或检测到的裂隙、裂隙密度或空隙。

31.根据权利要求23至30中任一项所述的计算机程序产品，其中：

所述参考图案基于来自多个先前钻凿的孔的行、扇形或任何其它图案的测量数据。

32.根据权利要求23至31中任一项所述的计算机程序产品，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的计算估计。

33.根据权利要求32所述的计算机程序产品，其中：

所述参考图案是基于来自多个先前钻凿的孔的测量数据的内推或外推估计。

34.一种被布置成执行冲击式钻凿过程的作业机械，所述作业机械包括：

至少一个传感器，所述至少一个传感器用于获得关于正在冲击式钻凿的至少一个孔的测量数据；

控制系统，所述控制系统被布置成基于以至少两个先前钻凿的孔的钻凿为基础而获得的测量数据来产生所述钻凿过程的参考图案；

用户界面显示器，所述控制系统进一步被布置成：

控制所述作业机械在所述用户界面显示器上显示以所述正在钻凿的至少一个孔的所述测量数据为基础而产生的图形表示；和

控制所述作业机械在所述用户界面显示器上同时显示所述参考图案。