CN1297728C - 控制钻孔序列的方法、钻岩设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种控制钻岩设备钻孔序列的方法以及一种钻岩设备。按照本发明，在钻孔期间，钻岩设备中的每个钻孔单元(7)都受到监视并且钻岩设备中控制单元(10)的钻孔序列以预定的时间间隔更新。钻孔的总时间以及不同操作所消耗的时间能被记录下来。此外，按照一个实施例，如果在钻孔期间发生钻孔状态发生变化，钻孔序列在更新时改变。

Description

控制钻孔序列的方法、钻岩设备

技术领域

本发明涉及一种控制钻岩设备钻孔序列的方法，该设备包括：基座，至少一个布置在所述基座上的钻孔单元，该钻孔单元包括一个钻臂，一个与所述钻臂和一个岩钻相连的进给梁，所述岩钻能相对于进给梁运动；所述钻岩设备还包括一个控制单元；而所述方法包括：在钻孔之前，以计划的钻孔的数目、位置和大小为基础形成钻孔计划，并将与钻孔控制相联系的钻孔参数和钻孔计划一起存储到控制单元的存储器中；以钻孔计划和钻孔参数为基础在控制单元中形成钻孔序列，确定孔的钻孔顺序并选定每个孔的钻孔单元；以及按照所述钻孔序列在岩石上钻探钻孔计划中所确定的钻孔。

本发明还涉及一种钻岩设备，包括：基座，其上至少布置有一个钻孔单元，所述钻孔单元包括一个钻臂，一个与钻臂相连的进给梁，以及一个能够相对于进给梁进行运动的岩钻；钻岩设备还包括一个控制单元，用于按照岩石的钻孔计划，以钻孔的钻孔计划和钻孔参数为基础形成钻孔序列。

本发明还涉及一个计算机程序，包括程序代码，在钻岩设备控制单元的处理器中执行，致使控制单元以钻孔计划和输入控制单元的钻孔参数为基础形成钻孔序列，钻孔序列中确定将要钻的孔的钻孔顺序以及所使用的钻孔单元。

背景技术

在挖掘隧道的时候在岩石上钻许多所需的孔，此后在孔中填充炸药，岩石的一部分按计划从岩石上炸离。隧道按“轮次”(round)进行打钻。为了在一轮次的整个部分爆破期间适当地松动岩石，以及为了使得隧道具有计划的外形和方向，必须谨慎地钻爆炸孔。各轮都事先安排了钻孔计划，考虑了隧道中岩石的大小和类型。钻孔计划确定隧道背墙上爆炸孔的数目、直径、长度以及位置。钻岩设备包括可运动的一个基座以及多个布置在基座上的钻臂(典型地为1-6个)。钻岩设备的操作员能手动地控制钻孔，或另外地，钻岩设备具有控制单元，自动地控制钻臂的运动以及钻孔操作。在手动钻孔中，当在一轮次期间与钻孔相联系的测量值，例如钻孔序列，要有效控制时，操作员的能力和经验起重要作用。在操作员能够兼顾效率和质量因素，控制钻岩设备达到其可能的最佳效果之前，通常需要丰富的经验。然而，在有经验的操作员中，一轮钻孔所使用的总时间可能会有巨大的差别。也已发现多个缺陷与按各个自动控制的钻岩设备钻孔序列的执行有关。目前的控制系统不能控制钻孔达到可能的最佳效果，典型地，一些钻孔单元已经完成了所规定的任务，而其它钻孔单元仍正在钻孔。在这种情形下，完成工作的钻孔单元一直等待，直到其它装置完成其钻孔。当进行一轮次的钻孔的时候，如果一些钻孔单元保持不使用状态，显然就未尽可能有效率地安排钻孔。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种新的、改进的钻孔安排，使得钻孔工具使用到可能的最佳效果，并且钻孔时间尽可能短。

按照本发明的方法，其特征在于，在钻孔期间监视每个钻孔单元的操作，并且基于钻孔期间的监视更新控制单元中的钻孔序列。

按照本发明的钻岩设备，其特征在于，布置控制单元，用于在钻孔期间监视每个钻孔单元的操作以及基于钻孔期间的监视更新控制单元中的钻孔序列。

按照本发明的计算机程序，其特征在于，计算机程序致使控制单元在钻岩设备钻孔期间监视钻岩装置的操作，并且致使控制单元基于钻孔期间的监视更新钻孔序列。

本发明的一个本质思想是，监视钻孔期间钻岩设备的每个钻孔单元。基于监视期间所获得的信息，更新设备的控制单元中根据钻孔计划和钻孔参数形成的钻孔序列。本发明的优点是，控制系统能够考虑到钻孔期间钻孔条件、控制参数或者钻孔工具发生的变化，如果需要，也能够按照改变的情况更新钻孔序列。

本发明的一个本质思想是，钻孔序列以给定的时间间隔更新。例如，更新时机选为在某些测量或特定时期之后发生。

本发明的一个本质思想是，钻岩设备中的每个钻孔单元完成不同的操作所花的时间都被测量。从而，控制单元记录其所花的总时间，例如移动钻孔单元，更换钻杆或钻头，钻一个扩大孔，以及按照钻孔计划的钻孔所消耗的时间和每一单独操作的持续时间。此外，控制单元测量每个钻孔单元的进尺速度，据此估计其钻孔所花的时间。控制单元根据不同操作所花的时间以及进尺速度，更新钻孔序列。此外，进尺速度可获得关于所钻岩石的有价值的信息。因此，控制系统能观测到钻孔对象不同位置上的所钻岩石的性质，并相应地更新钻孔序列。例如，系统也观测到由钻孔参数、钻头状态以及不同钻孔单元进尺速度中钻孔单元的个体差异所造成的差别。

本发明的一个本质思想是，在控制单元中以预定的时间间隔估算完成钻孔序列的时间以及总的钻孔时间。在每次更新序列时进行计算会更准确。由于计算以实际测量结果为基础，能够在钻孔完成之前准确地预计其完成时间，因此，工作的随后阶段能够比以前更好地控制和准备。此外，一轮钻孔序列和由此确定的与不同测量值相联系的信息，例如不同操作的消耗时间以及进尺速度，能够使用于挖掘过程进一步的开发中。

本发明的一个本质思想是，通过在钻岩设备所使用的钻孔单元中，尽可能均匀地安排按照钻孔序列的钻孔操作，从而最小化用于一轮钻孔(例如为隧道钻孔时)的总时间。控制单元分配工作的方式是，在每一更新轮回之后，每个钻孔单元所剩的操作时间至少大致相等。此外，控制单元往往最小化其它操作的消耗时间，而不是钻孔，例如通过最小化钻臂的转移和等待时间。在最佳情形下，所有钻孔单元在同一时刻完成其工作，由此没有不必要的中止和等待发生。本发明的优点是，由于钻孔单元的使用达到可能的最佳效果，钻孔所耗的时间缩短。意味着，工作能更快速地执行，并且成本效率提高。而且，在总的工作周期中，钻岩中各种变化的影响能够最小化。

本发明的一个优点是，也考虑钻孔单元可能的中止以及其它中止。当钻孔序列更新时，在其它可用的钻孔单元中尽可能均匀地重新分配损坏的钻孔单元的工作。此外，如果一个钻孔单元在一个钻孔周期中能够重复使用，所述钻孔单元在钻孔序列随后更新的时候，具有要执行的操作。

本发明还有另一个优点是，当培训新操作员时，由控制单元形成和更新的控制序列能作为辅助手段使用。由于当前手动设备的控制大大减少，操作员不要求具有丰富的经验。不同操作员之间钻孔效率的差别也减少。

附图说明

本发明在附图中详尽地说明，图中：

图1示意性地显示按照本发明钻岩设备的侧视图；

图2示意性地显示一个隧道的钻孔计划；

图3示意性地显示由控制单元形成的钻孔序列，以完成图2所示的钻孔计划；

图4示意性地显示用于隧道和一轮次的钻孔的侧视图；

图5示意性地显示包含在控制单元中的显示单元；以及，

图6示意性地显示第二显示单元。

本发明在图中被简化。为清楚起见，对于相同部件使用相同的参考标号。

具体实施方式

图1显示一个钻岩设备，包括：基座1，动力机构2，控制室3，该情况下至少有三个钻臂4，能够相对于基座运动。每个钻臂4的自由端包含进给梁5，岩钻6按可移动的方式布置在其上。在本申请中，由钻臂、进给梁、给进装置以及钻岩组成的机构称为钻孔单元7。为清楚起见，图1未显示钻孔所需的辅助设备，例如与更换钻杆8和钻头9相联系的设备。钻岩设备还包括一个控制单元10，布置在基座1上，优选地布置在与钻岩设备的控制相关的工作平面上。例如，位置信息使用布置在钻孔单元上的传感器11传送到控制单元10。此外，为控制钻孔单元，控制命令沿控制线12从控制单元传送。钻岩设备可以是自动的，在这种情况中，控制单元控制钻孔单元7a-7c。另一种方式，通过从控制单元获得的信息，使用钻岩设备的控制设备手动控制钻孔单元。控制单元是一种可处理其输入数据的设备。典型地，控制单元是台计算机，其处理器中要执行的计算程序形成钻孔序列并更新钻孔序列。能从控制单元的内存储器中载入程序代码，或从分离的外存储器中传输代码，例如光盘。程序代码也能通过数据通信网络传输，例如，通过将装置连接到互联网上。也有可能使用硬件来执行，或者使用硬件与软件相结合的解决方案。

图2显示钻孔计划，在隧道的背墙上指示按照一轮次的钻孔的位置。钻孔计划经常是三维模型，在开始钻孔之前预先计划。制订钻孔计划时，至少必须考虑隧道大小、岩石类型和岩石质量以及爆破的技术事务。例如，钻孔计划中确定形成隧道外形的外形孔13的数目，还确定扩大孔14以及生成孔的数目和位置。此外，在钻孔计划中确定每个孔的大小，例如其直径和长度，以及关于隧道中心线的孔的方向。例如，外形孔13通常指向斜离隧道中心线的方向(其作为已知视角)。在该情形下，从侧面看见的该轮次有点像个锥体。

图3显示按照根据图2的钻孔计划所制定的钻孔序列。指定的钻孔序列用于包含三个钻孔单元的钻岩设备。图3中，非中断线显示第一钻孔单元7a的路径，虚线显示第二钻孔单元7b的路径，细实线显示第三钻孔单元7c的路径。此外，参考标注16a显示第一钻孔单元7a的开始孔，参考标注17a显示最后一个孔。两个其它钻孔单元的开始孔16b和16c以及最后孔17b和17c按照相同的方式显示。在最初的钻孔序列中，对于第一钻孔单元7a和第三钻孔单元7c定义了52个钻孔。由于扩大孔具有更大的直径，从而对于第二钻孔单元7b定义更长的钻孔时间，第二钻孔单元7b中孔的数目少于其它两个钻孔单元。当开始一轮钻孔时，初始化按照图3控制单元中的钻孔序列的执行。按照本发明的思想，钻孔序列是变化的，例如，当岩石类型钻孔单元7c的部分比其它两个钻孔单元的部分出乎意料地坚硬时。图3粗线18是岩石类型的区分线。当考虑到硬岩石时，由于钻孔单元的进尺速度更小，钻孔序列在更新期间修改，使得对于第三钻孔单元7c定义的仍未钻的孔按照第二或第三钻孔单元的情况进行分配。

图4是显示与一轮钻孔19相联系的孔的侧视图。除了外形孔13和生成孔15之外，典型地，偶尔钻一个或多个取样孔20，据此确定隧道前进方向岩石的质量。例如，取样孔能够获得岩石类型的信息以及是否必须钻注射孔，以在一轮钻孔之前用混凝土密封岩石。由于这样的取样孔明显地比外形孔和生成孔延伸得更远，钻取样孔自然需要更长的时间，钻岩设备的控制系统在形成钻孔序列的时候考虑了该情况。此外，当更新钻孔序列时，也考虑通过取样孔获得的关于岩石类型的信息。另外，当要挖掘的岩石是碎岩时，隧道必须由岩石螺栓等加固。因此，横向孔21钻入隧道顶面和墙壁内。在钻孔序列中也考虑钻这种螺栓孔。

图4中，虚线显示该轮次19，例如，当实现爆炸时从岩石上脱离的部分。如图所示，岩石物料未沿孔13、15的底部松动，因此钻孔的深度必须形成比本轮次计划的长度稍微更长的尺寸。当随后的轮次开钻时，由于安全和钻孔技术的原因，新的钻孔位置与以前轮次的钻孔相比必须有些不同。如果操作员决定在一个钻孔周期中钻更多的孔，例如，由于岩石不良的分离性质或者岩石结构的损坏的缘故，控制系统观测这种改变，制于随后更新的控制序列中。

图5显示连接在控制单元上的显示单元22，其显示屏23指示钻岩设备的操作员已钻和未钻的钻孔。显示单元22还包括：键盘24，用于输入数据；控制键25，用于在显示屏上移动光标；以及，数据传输器26，用以在钻岩设备和诸如控制室这样的外部单元27之间传输数据。数据传输可采用有线或无线方式。此外，数据传输器26可以是读出设备，读出数据存储到软盘这样分离的记忆装置。因此，钻孔计划和钻孔参数能输入控制单元，然后，当监视钻孔单元时，例如监视更新的钻孔序列和以及进尺速度时，所收集的数据也能从控制单元传输到需要利用的其它地方。

如图5所示，显示屏23可指示操作员控制单元中算出的最佳钻孔序列。实际中，这意味着显示屏指示每个钻孔单元下一个要钻的孔。显示屏上提供的信息在钻孔序列更新的同时也更新。如果操作员由于某些原因按照与控制系统的建议序列偏离的方式指引钻孔单元7，控制系统将在随后更新的钻孔序列中考虑由操作员完成的测量值。

图6中，手动钻岩设备中控制单元10的显示单元22指示操作员每个钻孔单元7a-7c未钻孔的数目。因此，操作员能够基于所获信息确定每个钻孔单元的钻孔序列。

附图和与之联系的说明书仅仅是为了阐明本发明的思想。本发明的细节可在权利要求的范围内变化。因此，尽管本发明使用隧道挖掘作为例子，但是本发明也可适用于其它钻孔情形。

Claims (12)

1.一种控制钻岩设备钻孔序列的方法，该设备包括：基座(1)，至少一个布置在所述基座上的钻孔单元(7)，该钻孔单元包括一个钻臂(4)，一个与所述钻臂(4)和岩钻(6)相连的进给梁(5)，所述岩钻能相对于进给梁(5)运动；所述钻岩设备还包括一个控制单元(10)；而所述控制方法包括：

在钻孔之前，以计划的钻孔(13，14，15，20，21)的数目、位置和大小为基础形成钻孔计划，并将与钻孔控制相联系的钻孔参数和钻孔计划一起存储到控制单元(10)的存储器中；

以钻孔计划和钻孔参数为基础在控制单元(10)中形成钻孔序列，确定孔(13，14，15，20，21)的钻孔顺序并选定每个孔的钻孔单元(7)；以及

按照所述钻孔序列在岩石上钻探钻孔计划中所确定的钻孔(13，14，15，20，21)，

其特征在于，

在钻孔期间监视每个钻孔单元(7)的运行，以及

基于钻孔期间的监视更新控制单元(10)中的钻孔序列。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在钻孔期间钻孔序列以给定的时间间隔更新。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个钻孔序列(7)测量按照钻孔序列完成不同的操作所花的时间以及钻孔的进尺速度，并以测量结果为基础更新控制单元(10)中的钻孔序列。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，以测量结果为基础估算钻孔序列的总持续时间。

5.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，以对可利用的钻孔单元(7)的监视为基础进行计算从而划分出钻孔计划中仍未钻探的孔，其方式是，每个可利用的钻孔单元(7)中剩余操作的总持续时间大致相等。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，用手动钻岩设备中控制单元(10)的显示单元(22)向操作员指示每个钻孔单元(7)剩余未钻孔的数目。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，手动钻岩设备中控制单元(10)的显示单元(22)用于向操作员指示剩余未钻孔的钻孔顺序，以及钻每个孔所使用的钻孔单元(7)。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，钻岩设备的钻孔周期利用形成于控制单元(10)中的钻孔序列自动控制。

9.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，更新的钻孔序列存储在控制单元(10)中，当形成新的钻孔序列时考虑存储的钻孔序列。

10.一种钻岩设备，包括：基座(1)，至少一个布置在所述基座上的钻孔单元(7)，钻孔单元包括一个钻臂(4)，一个与所述钻臂(4)和岩钻(6)相连的进给梁(5)，所述岩钻能相对于进给梁(5)运动；所述钻岩设备还包括一个控制单元(10)，用于以钻孔计划和钻孔参数为基础为所述钻孔计划的钻孔(13，14，15，20，21)形成钻孔序列，其特征在于，控制单元(10)用于监视每个钻孔单元(7)在钻孔期间的操作，并以监视为基础更新控制单元(10)中的钻孔序列。

11.如权利要求10所述的钻岩设备，其特征在于，控制单元(10)用于测量所述钻孔序列的不同操作所使用的时间以及钻孔的进尺速度。

12.如权利要求10所述的钻岩设备，其特征在于，控制单元(10)按照钻孔计划从可利用的钻孔单元(7)中划分出仍未钻的孔，其方式是，每个可利用的钻孔单元(7)中剩余操作的总的持续时间大致相等。

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