DE2422571A1

DE2422571A1 - Verfahren und steuervorrichtung zum gesteins- und/oder erdbohren

Info

Publication number: DE2422571A1
Application number: DE2422571A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Lagerstroem
Original assignee: Atlas Copco AB
Current assignee: Atlas Copco AB
Priority date: 1973-05-15
Filing date: 1974-05-09
Publication date: 1974-11-28
Also published as: FR2229818B1; GB1437885A; NO137021C; US3891039A; JPS5019202A; NO741732L; ZA742761B; CH571148A5; AT333687B; DE2422571B2; SE373184B; AU6860474A; CA1022919A; NO137021B; IT1016000B; FR2229818A1; ATA396174A

Description

Patentanwälte

Dipl.-Ing. V. Beyer O/99£71

Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochera Z^fZZD / I

Frankfurt am Main Staufenstraße 56

Atlas Copco

iFacka/Schweden

Verfahren und Steuervorrichtung zum Gesteins- und/oder Erdbohren

Die Erfindung "betrifft ein "Verfahren und eine Steuervorrichtung zum Gesteins- und/oder Erdbohren, wobei mehrere Bohrlöcher bis auf eine vorbestimmte, vorzugsweise ebene Grundfläche vorgetrieben werden. Diese Grundfläche kann z.B. eine Fläche sein, die dicht bei der zukünftigen Oberfläche einer zu bauenden Straße liegt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Straßenbau beschränkt, sondern kann mit Vorteil in all jenen Fällen Anwendung finden, in denen das Bohren bis auf eine vorbestimmte Grundfläche vorkommt»

Die bisher bekannte Arbeitsweise verlangt ein zeitraubendes Ausmessen jedes Bohrlochs, um dessen erforderliche Tiefe zu bestimmen. Außerdem muß die Bohrtiefe an dem-

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Jenigen Punkt angezeigt werden, an dem das Bohren stattfindet. Um die gewünschte Bohrtiefe zu erreichen, wird ein Bohrgestänge, bestehend aus einem oder mehreren Gestängeabschnitten, benutzt. In den meisten Fällen muß der Bohrvorgang unterbrochen werden, wenn der letzte Gestängeabschnitt nur teilweise in den Grund eingedrungen ist. Wenn das Bohren nicht bis auf die verlangte Tiefe vorgetrieben wird, bleiben beim nachfolgenden Sprengen über die Grundfläche vorstehende Felsen und Steine stehen, und um diese zu beseitigen, sind weitere 3ohr-und Sprengarbeiten nötig. Zuvor muß allerdings das bereits losgesprengte Gestein abgetragen werden. Hierbei besteht die große Gefahr, daß die Schaufeln oder Behälter der Lademaschinen beschädigt werden, wenn sie auf die wegen unzureichender Bohrtiefe stehengeblxebenen, festen Steine stoßen. TTm diese Gefahren und die zeitraubenden nachträglichen Sprengarbeiten und das darauf folgende nochmalige Abtragen von Gestein zu vermeiden, ist es wesentlich, daß das Bohren ununterbrochen fortgesetzt wird, bis die erforderliche Bohrlochtiefe erreicht ist. Damit dies auf jeden Fall sicher gestellt ist, wird nach der bisherigen Praxis der Bohrvorgang üblicher Weise nicht unterbrochen, bis auch der letzte Gestängeabschnitt ganz in den Grund eingebohrt ist. Damit werden Jedoch unnötige Bohr- und Sprengkosten in Kauf genommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangsgenannten Art zu schaffen, welche gewährleisten, daß die Bohrlöcher ohne Unterbrechung des Bohrvorgangs und unabhängig von den Ansetzpunkten der Bohrungen genau bis auf die gewünschte Grundfläche vorgetrieben werden.

Das zur Lösung der vorstehenden Aufgabe vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

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daß mittels elektromagnetischer Strahlung eine zu der Grundfläche parallele Bezugsfläche erzeugt wird, daß der Abstand zwischen der Bezugsfläche und dem Punkt, an welchem eine Bohrung beginnt, in einer bestimmten Richtung gemessen wird und die in der—selben Richtung gemessene Progektions-Komponente der Bohrlochtiefe zu dem Abstand addiert wird und daß der Bohrvorgang unterbrochen wird, wenn die Summe anzeigt, daß die Grundfläche erreicht ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Pig. 1 zeigt eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Bohrvorrichtung im Zusammenwirken mit einem freistehend aufgestellten Suchermast für eine Bezugsfläche, Pig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei.welcher der Sucher auf der Vorschublafette des Bohrgeräts montiert ist, Pig. 3 zeigt in vereinfachter Darstellung den Schaltplan der Steuervorrichtung des Bohrgeräts nach Pig. 1. In Pig. 4- ist alternativ eine im Vergleich zu Pig. 3 vereinfachte Steuervorrichtung dargestellt. Pig. 5 zeigt die Ausführuig nach Pig. 2 mit einer dieser angepassten Steuervorrichtung .

Gemäß Pig. 1 und 2 wird durch eine rotierende Strahlungsquelle 101 eine Bezugsfläche 102 erzeugt. Die Strahlungsquelle kann z.B. ein Laser entsprechend dem schwedischen Patent 34-7 351. sein. Sie wird so gerichtet, daß die Bezugsfläche 102 parallel zu einer vorbestimmten Grundfläche 103 liegt, bis zu welcher gebohrt werden soll. Für die Bohrarbeiten wird ein Bohrgerät benutzt, welches aus einem Chassis 104- und einem daran gelagerten Ausleger 105 besteht, der eine Vorschublafette 106 für eine Gesteinsbohrmaschine 107 trägt. Den Antrieb der Vorschubbewegung längs der Lafette 106 bildet ein Vorschubmotor.

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109, de^¹ in "bekannter Ausführung auf eine Kette oder eine Schraubenspindel wirkt. Die Gesteigrührmaschine 107 ist mit einer Bohrstange 108 verbunden.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 wird ein freistehend aufgestellter Sucher für die Bezugsfläche "benutzt. Dieser besteht aus einem Grünorahnen 111, einem Teleskopmast 112 und einem Arm 113 zum Abfühlen des Niveaus des mit 99 bezeichneten Punkts auf dem Boden 100, wo das Bohren "beginnt. Der Mast 112 trägt an seinem oberen Ende einen Fotodetektor 116, welcher aus einer Anzahl Fotozellen besteht, wie sie z.B. von der Firma Siemens unter der Typenbezeichnung BPX 63 hergestellt werden. Diese Fotozellen sind zweckmäßigerweise so angebracht, daß die Strahlungsquelle 101 unabhängig von ihrer horizontalen Richtung festgestellt werden kann. Der Fotodetaktor 116 ist vorzugsifeise mit einer einfachen Kunststoff-Optik zur Begrenzung des vertikalen Smpf indlichkeitsbereichsund mit einem der Wellenlänge der Strahlungsquelle angepassten Filter versehen. Auf diese Weise wird der Einfluß z.B. des Sonnenlichts vermindert.

Der Grundrahmen 111 trägt reversible Antriebe für den Mast 112 und den Arm 113. Der Mast kann z.B. durch Anschluß seines inneren Hohlraumes an eine Druckfluidcuelle'ausgefahren und mittels eines weiteren Druckfluidmotors verkürzt werden, welcher über ein an der Mastspitze befestigtes Kabel diesen zusammenzieht. Als Antrieb für den Arm 113 kann ein reversibler Druckfluidmotor oder Elektromotor dienen. Um die Druckfluidzufuhr zu steuern, werden elektrisch gesteuerte "Ventile benutzt, die mit Verstärkern oder Relais versehen sein mögen, so daß sie durch die Steuersignale der nachstehend beschriebenen logischen Steuerschaltung angetrieben werden können. Mit den Antrieben, des Masts 112 und des Arms 113 sind

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Impulse erzeugende Fühler,nachfolgend Sensoren genannt, •verbunden. Diese können z.B. sit rotierenden Kagneten arbeiten, welche auf Blattfederrelais (Reed-Relais) oder sog. "log-cell-Elemente" wirken. Der Torschub der

in
Bohrmaschine 107 wiraYähnlicher Weise gemessen. Der Arm 115 ist zwischen einer oberen Endstellung 114· und einer unteren Endstellung 115 bewegbar,, wobei die obere Sndstellung 114 auf demselben Hive au liegt, wie die untere Kndstellung des Fotodetektors 116.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der nach. Fig. 1 nur darin, daß der Käst 122 auf der Vorschublafstte 106 montiert ist. Der Mast 122 wird durch einen Kotor 121 angetrieben.

Kit den in Fig. 1 eingetragenen Bezeichnungen- ergibt sich folgende Beziehung:

A "= H + K -s- Dcos ν,

wobei A den Abstand zwischen der Bezugsfläche 102 und der Grundfläche 103, H den Abstand zwischen der Endstellung 114- und der Bezugsfläche 102, K den Abstand zwischen der Endstellung 114- und dem mit 99 bezeichneten Ansatzpunkt der Bohrung, D die Tiefe des Bohrlochs und schließlich ν den Winkel zwischen der Bohrrichtung und der Tertikaien bedeuten.

Bei der Anordnung nach. Fig. 2 besteht folgende Beziehung: A = (H + K + D) cos ν

in diesem Fall sind H und K in der Boiirrichtung gemessen. K ist der konstante Abstand zwischen, der unteren EndsteHung

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120 des Fotodetektors 116 und dem Ansatzpunkt 99 Bohrung.

Sie Bohrmaschine 107 ist in der Darstellung nach Fig. 3 gezeigt mit einen elektrisch gesteuerten Ventil 4-7, welches die Druckfluidzufuhr von einer Versorgungsleitung 4-3 zur Eanmervorrichtung der Bohrmaschine unterbricht, wenn eine bestimnte Spannung, ein logisches 1-Signal, an den Eingang 4-9 des Ventils angelegt wird. Dieses möge einen Verstärker haben, welcher die Steuerung mittels logischer Signale ermöglicht.

Ber Grundrahmen 111 des Mast 112 trägt eine Anzahl von Hüil- oder Anzeigeeinrichtung 19» 21, 5O₁ 51 und 52, auch Indikatoren oder Sensoren genannt, sowie Impulse erzeugende Sensoren 91 und 2_ywas in Fig. 5 durch eine Linie 95 angedeutet ist. Der Indikator 19 erzeugt ein logisches 1-Signal, auch "Signal" genannt, an seinem Ausgang, wemi der Arm 115 auf dem Grund aufsetzt. Der Indikator 21 erzeugt ein Aus gangs signal, wenn der Mast 112 bis in die höchste Stellung ausgefahren ist, welche, falls gewünscht, einstellbar ist. Der Indikator 30 umfasst den Fotodetektor 116, einen Verstärker mit Filter z-ur Unterdrückung unerwünschter Signale und eine Ausgangssignalvorrichtung, z.B. einen Schmitt-Trigger, welcher ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Fotodetektor 116 die Strahlungsquelle 101 fühlt. Der Indikator 51 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn der Arm 115 in seiner oberen Endstellung 114- steht. Der Indikator 32 erzeugt ein Äusgangssignal, wenn sich der Fotodetektor 116 in seiner unteren Entstellung 114- befindet. Die Sensoren 91 'und 2, die mit den Antriebsmotoren des Masts 112 und des Arms 113 verbunden sind, haben zwei mit UP und DOWST be-

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zeichnete Ausgänge. Diese Sensoren erzeugen zwei phasenverschobene Impulsfolgen, so daß die Drehrichtung der Sensoren dargestellt wird. Die Sen.-soren umfassen Impulse erzeugende Elemente, z.B. iQonostabile Vibratoren und erzeugen logische 1-Isapulse konstanter Dauer ^e nach Drehrichtung der Sensoren entweder am Ausgang UP oder am Ausgang DOWjT. "UP" und "DOWfT" bedeuten "+" und "-" entsprechend der üblichem Praxis, nicht aber Bewegungsrichtungen, z.B. mit Bezug auf Fig. Λ₁ nach oben bzw. nach unten.

Ein Sensor 3 ist mit dem Motor 109 oder der von diesem angetriebenen Kette- oder Schraubenspindel verbunden. Dieser Sensor ist von der-^elben Art wie die Sensoren 91 und 2. Dies ist in der Zeichnung durch die Linie 97 angedeutet. Weiterhin soll eine Linie 98 z-eigen, daß mit der Vorschublafette 1OG ein Winkelsensor 26 verbunden ist, welcher ein Signal abgibt, das entweder dem Winkel ν oder dem cos ν proportional ist. Der Sensor kann auch durch einen Einstellknopf-Schalter ersetzt sein.

Die Vorschublafette 106 ist mit einer Bohrstangenführung 110 versehen, zu der eine mit einem Indikator 33 ausgestattete Zange gehört, durch welche das Bohrgestänge 108 gehalten werden kann. Der Indikator 33 erzeugt ein Ausgangssignal, wenn die Zange das Bohrgestänge ergreift. In der Zeichnung zeigt eine Linie 96 die Lage des Indikators 33·

Auf dem Grundrahmen 104- des Bohrgeräts sind weitere elektronische Einrichtungen montiert. Die Steuerungselektronik ist im wesentlichen aus integrierten Schaltkreisen aufgebaut und in der Zeichnung als logischer

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Schaltplan dargestellt.

Zur elektronischen Steuereinrichtung gehören außer den bereits erwähnten Indikatoren und Sensoren drei Addierglieder 4, 5 und 6. Diese haben jeweils zwei Eingänge -and einen Ausgang und arbeiten in der Weise, daß jeder Eingangsimpuls, unabhängig an welchem Eingang, einen Ausgangsimpuls erzeugt, und zwar unabhängig von der seitlichen Reihenfolge. Außerdem sind drei UP/DOWN Zähler 7, 8 und 9 vorgesehen, die mehrere Ein- und Ausgänge haben, von denen nur die hier benutzten gezeigt sind. Um die Beschreibung zu vereinfachen, sei angenommen, daß die Zähler auf logische 1-Impulse reagieren und auch solche 1-Impulse als Ausgangssignale erzeugen. Ein Eingang "LOAD" am Zähler 9 ist eine Ausnahme» Diesem Eingang werden logische O-Impulse zugeführt. Der Aufbau der Zähler muß berücksichtigt werden, wenn im Handel erhältliche Zähler benutzt werden. Dies geschieht am einfachsten, in/dem an bestimmten Eingängen und/oder Ausgängen Umkehrglieder angeordnet werden. Wenn an einem mit ¹¹CIiEAR" bezeichneten Eingang ein Signal auftritt, werden die Zähler auf 0 gestellt. Impulse, die an einen mit "UP" bezeichneten Eingang gelangen, vergrößern den im Zähler gespeicherten Wert. Umgekehrt verringern Impulse am Eingang "DOWN" den im Zähler gespeicherten Wert. Wenn dieser ITuIl wird, ergibt sich am mit "BORROW" bezeichneten Ausgang ein Signal. Wenn der Eingang "LOAD" des Zählers 9 einen logischen O-Impuls erhält, wird der im Zähler 7 gespeicherte Wert auf den Zähler 9 übertragen, was in der Zeichnung durch einen Pfeil 45 angedeutet ist. Der im Zähler 7 gespeicherte Wert wird dadurch Jedoch nicht beeinflusst. Ein Multip^izierglied 11 multipliziert die Zahl der Impulse, welche es von dem die .Bohrlänge

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messenden Sensor 3 erhält, mit dem Wert von cos. v, der entweder unmittelbar vom Sensor 26 erhalten wird, oder, wenn dieser nur einen Winkelwert erzeugt, im Multiplizierglied 11 ermittelt wird.

Weiterhin sind drei elektro-mechanische Impulszähler 12, 13 und 1A- in der Steuervorrichtung enthalten. Diese können natürlich durch elektronische Zähler mit Digitalanzeige ersetzt werden. Die Zähler 12 und 13 sind mit einer manuellen Null-Stelleinrichtung 81 "bzw. 82 versehen. Der Zähler 14- hat zwei parallelljverbundene Digitalanzeigen, von denen eine mit einer manuellen Voreinstellung 83 versehen ist. Impulse am Eingang 43 des Zählers 14- werden vom voreingestellten Wert abgezogen und gleichzeitig auf der anderen Digitalanzeige zusammengezählt. Wenn die voreingestellte Anzeige den Wert 0 erreicht, wird am Ausgang 4A des Zählers 14-ein Signal erhalten. Die beiden Digitalanzeigen werden mittels eines Zugmagneten 80 gleichzeitig zurückgestellt. Es sei angenommen, daß der Zugmagnet 80 einen Verstärker aufweist, durch welchen eine Betätigung mittels logischer Signale möglich ist. Ein Impulsgenerator 24-erzeugt ständig Impulse, deren Dauer und Frequenz auf den Zähler 14- abgestellt sind. Weiterhin gehören zu der Steuervorrichtung zwei monostabile Vibratoren 28 und 29. Diese erzeugen jeweils am Ausgang 1 einen logischen 1-Impuls bestimmter Dauer und am Ausgang 0 einen logischen O-Impuls derselben Dauer, wenn die Spannung am Eingang vom Niveau eines logischen O-Impulses auf das eines logischen 1-Impulses wechselt.

In der Steuervorrichtung nach Fig. 3 sind sieben ^ttSST/ RESET Flip-Flops 10, 15, 16, 17, 18, 20 und 2? enthalten. Diese erzeugen ein anhaltendes logisches 1-Signal am

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Ausgang 1 und ein anhaltendes logisches O-Signal am Ausgang 0 nach Empfang eines Impulses am Eingang S. Wenn dagegen ein Impuls an den Eingang R gelangt, werden die logischen Werte der Ausgangssignale umgekehrt.

Schließlich gehören zur Steuervorrichtung eine Anzahl AHr-GATTER und OR-GATTER. Ein AND-GATTER, z. B. das Gatter 22, erzeugt nur dann ein logisches 1-Signal am Ausgang, wenn alle Eingänge ein logisches 1-Signal erhalten. Ein OR-GATTER, z.B. das Gatter 50, erzeugt ein logisches 1-Signal am Ausgang, wenn einer oder mehrere der Eingänge ein logisches 1-Signal erhalten. Die Gatter können mit Umkehrgliedern an den Eingängen oder Ausgängen versehen sein, was in der Zeichnung durch kleine Kreise angedeutet ist. Die Umkehrung bedeutet, daß ein logisches 1-Signal in ein logisches O-Signal oder umgekehrt verwandelt wird·

Alle elektronischen Schaltkreise im dargestellten System erhalten ihre Steuerspannung von einer Spannungsquelle, z.B. einem Akkumulator, über ein Halterelais 25· Die Spannungsquelle und das Relais seien hier als Einheit angenommen. Zum System gehören zwei Sprungschalter 34- und 35- leiter 70 und 71 stehen unter einer Spannung vom Niveau der logischen 1-Signale· Außerdem sind zwei Anzeigegeräte vorgesehen, die z.B. Licht und/oder akustische Signale erzeugen. Im Beispielsfall sind sie als Lampen 41 und 42 dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wie folgt:

Die Strahlungsquelle 101 ist so gerichtet, daß die Bezugsfläche 102 parallel zur Grundfläche 103 liegt. Der Abstand H^:+ K zwischen der Bezugsfläche und dem

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Ansatzpunkt 99 der Bohrung wird durch den Mast 112 und den Arm 113 gemeldet und im Zähler 14 registriert. Hierzu wird die Eichtungskomponente Dcos ν der Tiefe des Bohrlochs addiert. Wenn der Zähler 14- anzeigt, daß die Grundfläche 103 erreicht ist, wird am Ausgang 44 ein Signal erzeugt. Dieses Signal schaltet über den Flip-Flop 18,das Gatter 68, dessen Ausgang 40 mit dem Eingang 49 des Ventils 47 verbunden ist, über dieses die Hamraervorrichtung der Bohrmaschine 107 aus.

Im folgenden sei die Funktionsweise der in Fig.3dargestellten Steuervorrichtung erläutert, wobei mit der Bezeichnung "hoch" eine logische 1-Signal-Spannung und mit "niedrig" eine logische O-Signal-Spannung gemeint wird. Die Beschreibung geht davon aus, daß die Spannung abgeschaltet ist und daß der Mast 112 und der Arm 113 sich nicht in einer ihrer Endstellungen befinden. Wenn dann der Sprungschalter 34 betätigt wird, gelangt Spannung von dem Leiter 70 an das Halterelais 25, durch welches alle Schaltkreise mit Spannung versorgt werden, sowie zum Eingang S des Flip-Flops 20. Dadurch wird dessen Ausgang 1 hoch und auf diese Weise wird auch der Ausgang ö des Flip-Flops 16 hoch. Die Ausgänge der Gatter 61 und 62 werden niedrig. Da sich der Arm 113 nicht in seiner oberen Endstellung 114 befindet, ist der Ausgang des Indikators 31 niedrig. Beide Eingänge des Gatters 63 sind deshalb niedrig und sein Ausgang hoch. Dieser Ausgang ist mit dem Antriebsmotor des Arms 113 verbunden, so daß der Irm dadurch in seine Endstellung 114 zurückgebracht wird.

Da sich voraussetzungsgemäß der Fotodetektor 116 nicht in seiner unteren Endstellung 114 befindet, ist der Ausgang des Indikators 32 niedrig. Weil auch der Ausgang des Indikators 31 niedrig ist, ist der Ausgang des Gatters 66 und sind beide Eingänge des Gatters 65 niedrig.

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Da der Ausgang des, Gatters 61 niedrig ist, sind beide Eingänge des Gatters 64 niedrig. Dies bedeutet, daß der Ausgang 39 des Gatters 64 hoch ist. Dieser Ausgang ist mit dem Antrieb des Masts 112 derart verbunden, daß der Mast dadurch in seine Endstellung 114 verfahren wird.

Wenn der Arm 113 seine obere Endstellung 114 erreicht,

wird der Ausgang des Indikators 31 hoch und dadurch

wird der Ausgang 37 des Gatters 63 niedrig, wodurch der

Antrieb des Arms 113 unterbrochen wird.

Wenn der Mast 112 seine Endstellung 114 erreicht, wird der Ausgang des Indikators 32 hoch. Dadurch wird der Ausgang 39 des Gatters 64 niedrig, so daß der Antrieb des Masts 112 unterbrochen wird. Da die Ausgänge beider Indikatoren 31 und 32 hoch sind, ist auch der Ausgang des Gatters 5^ hoch, so daß der Zähler 7 auf 0 gestellt wird und der Ausgang 1 des Flip-Flops 20 niedrig wird.

Wenn nun der Sprungschalter 35 betätigt wird, gelangt Spannung von der Leitung 71 zum monostabilen Vibrator 2S, so daß dieser einen logischen 1-Inpuls abgibt. Dieser Impuls machf'über den Zugmagneten 80 den Zähler 14 bereit,'so daß dessen voreingestellte Anzeige den eingestellten Wert seigt, welcher dem Abstand A zwischen der Besugsflache 102 und der Grundfläche 103 entspricht. Der genannte Impuls stellt außerdem die Zähler 8 und 9 auf !lull, macht den Ausgang 0 des Flip-Flops 18 hoch •und dessen Augang 1 niedrig, sacht außer-dein. den Ausgang 0 des Fiip-Flops 17 hoch und dessen Ausgang 1 niedrig. Außerdem wird der Ausgang 0 des Flip-Flops 16 und . der Ausgang 1 des Flip-Flops 15 niedrig, und über das Gatter 50 wird Ausgang 1 des Flip-Flops 27 niedrig.

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Venn die voreingestellte Anzeige des Zählers 14- Null zeigt ■und vom monostabilen Vibrator 28 der Impuls erzeugt wird, ist der Ausgang 44· hoch,und das Gatter 67 überträgt deshalb den Impuls an den Zähler 12_; welcher dazu dient, die Anzahl der Bohrlöcher zu registrieren. Da die Ausgänge 1 der Flip-Flops 18 und 27 niedrig sind, sind auch beide Eingänge des Gatters 68 niedrig und dessen Ausgang 4-0 deshalb ebenfalls niedrig. Dieser Ausgang ist mit dem Eingang 4-9 des Ventils 47 verbunden.

Die Hammervorrichtung der Bohrmaschine 107 läuft nunmehr an und das Bohren kann beginnen. Da der Arm 113 nicht in Berührung mit dem Grund steht, ist der Ausgang des Indikators 19 niedrig, und da der Ausgang 0 des Flip-Flops 16 niedrig ist, sind beide Eingänge des Gatters 59 niedrig und sein Ausgang 36 hoch. Dieser Ausgang ist mit dem Antriebsmotor 113 des Arms verbunden, so daß der Arm dadurch zum Aufsetzen auf dem Grund bewegt wird.

Da auch der Fotodetektor 116 noch nicht die Strahlungsquelle 101 aufgespürt hat, ist der Ausgang des Indikators 30 niedrig. Weil außerdem der Ausgang 1 des Flip-Flops 27 niedrig ist, sind beide Eingänge des Gatters 57 und deshalb auch dessen Ausgang niedrig. Da weiterhin der Ausgang 0 des Flip-Flops 16 niedrig ist, sind beide Eingänge des Gatters 60 niedrig und deshalb dessen Ausgang 38 hoch. Dieser Ausgang ist mit dem Antrieb des Masts 112 verbunden, so daß der Mast dadurch ausgefahren wird.

Wenn der Mast 112 hoch/gefahren und der Arm 113 abgesenkt wird, liefern die Sensoren 91 und 2 Impulse am Ausgang UP. Diese Impulse werden durch das Addierglied 4 zusammengezählt, welches sie an den Eingang UP des Zählers 7 weitergibt. Sobald der Arm 113 den

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Grund erreicht, wird der Ausgang des Indikators 19 hoch, wodurch der Antrieb des Arms über das Gatter 59 angehalten, wird. Wenn der Fotodetektor 116 die Bezugsfläche 102 erreicht, wird der Ausgang des Indikators 30 hoch, wodurch der Antrieb des Masts über die Gatter 57 und 60 unterbrochen wird. Da die Ausgänge dor Indikatoren 19 und 30 beide hoch sind, ist auch der Ausgang des Gatters 22 hoch. Dadurch wiederum wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 15 hoch, und als Folge davon liefert der monostabile Vibrator 29 einen logischen O-Impuls an den Eingang LOAD des Zählers 9» wodurch der im Zähler 7 gespeicherte Wert auf den Zähler 9 übertragen wird. Da der Ausgang 1 des Flip-Flops 15 und auch der_tAusgang 0 des Flip-Flops 17 hoch sind, könne-i die Impulse des Impulsgenerators 24 durch das Gatter 23 gelangen. Die Impulse gehen einerseits an den Eingang EOWIT des Zählers 9 und andererseits über das Addierglied 6 an das Gatter 56· Da der Ausgang 0 des Flip-Flops 18 hoch ist, können die Impulse durch das Gatter 56 gehen und werden im Zähler 14 registriert.

wahrend des Bohrvorgangs ergreift die Zange der Bohrstangenführung 110 das Bohrgestänge 108 nicht, so daß der Ausgang des Indikators 33 niedrig ist. Wenn die Bohrmaschine 107 entlang der Vorschublafette 106 vorgeschoben wird, liefert der Sensor 3 impulse am Ausgang DOWlT. Diese Impulse gehen durch das Gatter 53, da der Ausgang des Indikators 33 niedrig ist. Da der Ausgang 0 des Flip-Flops 10 niedrig und sein Eingang 1 hoch ist, können die Impulse nicht den Zähler 8 erreichen, sondern gelangen über das Gatter 55 einerseits zum Zähler 13 und andererseits zum Multiplizierglied 11. Im Zähler 13 wird die gesamte Bohrlänge registriert. Die vom Sensor 3 ankommende Zahl von Impulsen

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wird im Multiplizierglied 11 mit cos ν multipliziert und die auf diese Weise modifizierte Impulszahl wird über das Addierglied 6 und das Gatter 5» dem Zähler 14- zugeführt. Die Impulse vom Impulsgenerator 24 verringern den im Zähler 9 gespeicherten Wert, bis dieser Null wird. Wenn dies geschieht, liefert der Zähler 9 einen Impuls am Ausgang BORROW . Dieser Impuls wird dem Eingang S des Flip-Flops 17 zugeführt, wodurch dessen Ausgang 1 hoch und dessen Ausgang 0 niedrig wird. Wenn der Ausgang 0 des Flip-Flops 17 niedrig ist, können die Impulse des Impulsgenerators 24 nicht durch das Gatter 23 dringen. Da der Ausgang 1 des Flip-Flops 17 hoch ist, sind die Ausgänge der Gatter 61 und 62 niedrig. Außerdem ist der Ausgang des Indikators 31 niedrig, so daß der Ausgang 37 des Gatters 63 hoch ist. Als Ergebnis davon wird der Arm 113 in seine obere Endstellung 114 bewegt.

Da der Ausgang des Indikators 31 niedrig ist, ist auch der Ausgang des Gatters 66 niedrig,und da weiterhin der Ausgang des Indikators 32 niedrig ist, ist auch der Ausgang des Gatters 65 niedrig. Dies bedeutet, daß "beide Eingänge des Gatters 64 niedrig sind und deshalb dessen Ausgang 39 hodiist. Als Folge davon, wird der Mast 112 in seine untere Endstellung 114 verfahren. Wenn der Arm/113 die Endstellung 114 erreicht, wird der Ausgang des Indikators 31 hoch. Als Folge davon wird der Ausgang 37 des Gatters 63 niedrig, wodurch der Antrieb des Arms unterbrochen wird. Da der Ausgang 1 des Flip-Flops 17 hoch ist, folgt daraus weiterhin, daß der Ausgang des Gatters 66 hoch wird, so daß der Ausgang 39 des Gatters 64 niedrig und damit der Antrieb des Masts unterbrochen wird. Wenn der in Fig. 3 gezeigte Schalter 90 offen ist, wird stattdessen der Mast in seine untere Endstellung 114 zurückgezogen, wenn der Ausgang 1 des Flip-Flops 14 hoch ist.

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Um die vorgesehene Grundflache 103 zu erreichen, kann es erforderlich sein, das Bohrgestänge 108 zu verlängern. Wenn die Bohrmaschine 107 in ihrer vorderen Stellung auf der Vorschublafette 106 steht, wird die Zange der Bohrgestängeführung 110 zusammengedrückt, wodurch das Bohrgestänge 108 gehalten wird. Außerdem wird der Ausgang des Indikators 33 hoch. Dadurch werden die Gatter 52 und 53 geschlossen, so daß keine Impulse vom Sensor 3 hindurchgehen können. Die Bohrmaschine 107 wird vom Bohrgestänge 108 gelöst und in ihre hintere Stellung auf der Vorschublafette 106 zurückgefahren. Es wird dann ein weiterer Bohrstangenabschnitt mit dem Bohrgestänge 108 und danach die Bohrmaschine 107 wieder mit dem so verlängerten Bohrgestänge verbunden. Wenn die Zange der Bohrgestängeführung 110 geöffnet wird, wird der Ausgang des Indikators 33 niedrig und der Bohrvorgang kann, wie vorstehend beschrieben, fortschreiten.

Sobald die Grundfläche 103 erreicht ist, wird der Wert in der voreingestellten Anzeige des Zählers 14 Null und der Ausgang 44 deshalb hoch. Dadurch wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 18 hoch und sein Ausgang 0 niedrig. Der Ausgang 40 des Gatters 68 wird infolge^-dessen hoch, wodurch die Hammervorrichtungder Bohrmaschine 107» wie oben beschrieben, abgeschaltet wird. Die Lampe 41 leuchtet auf und zeigt an, daß das Loch fertig gebohrt ist.

Während des Bohrvorgangs kann es notwendig sein, die Bohrmaschine 107 zurückzuziehen, z.B., wenn das Bohrgestänge 108 das Bestreben zeigt, im Bohrloch stecken zu bleiben. Wenn die Bohrmaschine zurückgezogen wird, liefert der Sensor 3 impulse am Ausgang UP. Diese gelangen über das Gatter 52 an den Eingang UP des Zählers 8 und an den Eingang R des Flip-Flops 10. Als Ergebnis

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des ersten Impulses wird der Ausgang 10 1 des Flip-Plops 10 niedrig und sein Ausgang 0 hoch. Gatter 55 ist geschlossen. Wenn die Bohrmaschine 107 wieder vorgeschoben wird, liefert der Sensor3linpulse vom Ausgang DOWN, Da der Ausgang 0 des Flip-Flops hoch ist, gehen die Impulse durch die Gatter 53 und 5²J- zum Eingang DOWN des Zählers 8. Wenn der im Zähler 8 gespeicherte Wert 0 wird, ergi"bt sich wieder ein Impuls am Ausgang BORROW . Als Folge dieses Impulses wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 10 hochund sein Ausgang 0 niedrig. Dadurch wird das Gatter 54· geschlossen und gleichzeitig das Gatter 55 geöffnet. Die Impulse vom Sensor 3 werden nun dem Zähler 14 zugeführt, wie oben beschrieben.

Wenn sich der Fotodetektor116 schon über der Bezugsfläche 102_Tbefindet, wenn der Sprungschalter 35 betätigt wird, oder wenn der Fotodetektor während des Ausfahrens des Masts aus irgendeinem Grund die Bezugsfläche 102 nicht auffindet, wird der Mast bis in seine oberste Endstellung ausgefahren. Wenn er diese erreicht, wird der Ausgang des Indikators 21 hoch. Als Folge davon wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 27 hoch, wodurch Ausgang 38 des Gatters 60 niedrig und die Aufwärtsbewegung des Masts 112 angehalten wird. Weiterhin wird der Ausgang 40 des Gatters 69 hoch, wodurch die Hammervorrichtung der Bohrmaschine 107 angehalten wird und die Lampe 42 aufleuchtet. Weiterhin wird der Ausgang des Gatters 61 niedrig. Da die Ausgänge der Indikatoren 31 und 32 beide niedrig sind, ist der Ausgang des Gatters 65 niedrig. Dies bedeutet, daß beide Eingänge des Gatters 54 niedrig sind und deshalb dessen Ausgang 39 hoch ist. Als Folge davon wird der Mast 112 zusammengezogen. Wenn dann der Fotodetektor 116 während der Abwärtsbewegung des Masts auf das Niveau der Bezugsfläche

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102 kommt, wird der Ausgang des Indikators 30 hoch. Da der Arm 113 schon in Berührung mit in des* Grund ist, ist der Ausgang des Indikators 19 hoch. Deshalb wird der Ausgang des Gatters 22 hoch und dadurch auch der Ausgang 1 des Flip-Flops 15· Außerdem wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 27 niedrig, so daß der Ausgang 40 des Gatters 68 niedrig und die Lampe 42 abgeschaltet wird. Die Harmnervorrichtung der Bohrmaschine 107 wird erneut gestartet. Da die Ausgänge 1 der Flip-Flops und 27 niedrig sind, ist der Ausgang des Gatters 58 niedrig. Weiterhin ist Ausgang 1 des Flip-Flops 20 niedrig, so daß der Ausgang des Gatters 61 hoch ist. Dies bedeutet, daß der Ausgang 39 des Gatters 64 niedrig ist und die Bewegung des Masts 112 angehalten wird. Danach arbeitet die Steuerung, wie vorstehend beschrieben.

Bei der Ausführung nach Fig. 4 wird eine Steuervorrichtung benutzt, welche sich von der nach Fig. 3 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß keine UP/DOWN-Zähler vorgesehen sind.

Ebenso wie bei der Ausführung nach Fig. 3 'sind nach 'Fig. ein Fotodetektor 116, ein Verstärker und Filter 140 und ein Ausgangsteil 141, z.B. ein Schmitt-Trigger, vorgesehen, um die Bezugsfläche 102 festzustellen. Diese drei Einheiten entsprechen zusammen dem Indikator nach Fig· 3.Die Sensoren 134, 135 und 136, die mit dem Vorschubmotor 109 * dem Motor des Arms 113 und dem Motor des Masts 112 verbunden sind, sind bei diesem Ausführungsbeispiel von einfacherer Konstruktion als die entsprechenden Sensoren bei der Ausführung nach Fig. 3- Sie können nicht die Drehrichtung der zugehörigen Motoren fühlen.

Außerdem sind die monostabilen Vibratoren 137* 138 und

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139 als besondere Einheiten gezeigt. Drei Indikatoren werden bei der Steuervorrichtung nach Fig. 4 eingesetzt, z.B. Drucksensoren 131» 132 und 133i welche die mit einem Indikator versehene Zange 33 gemäß Fig. 3 ersetzen« Diese Indikatoren zeigen an, daß die Hamnervorrichtung arbeitet, daß das Bohrgestänge 108 rotiert und daß der Vorschub eingeschaltet ist. Sämtliche Ausgänge dieser Indikatoren sind während des Bohrvorgangs hoch.

Wenn der Schalter 130 in die Schaltstellung 127 gebracht wird, gelangt von der Leitung 71 Spannung an das Gatter 148. Dadurch wird der Ausgang 1 des Flip-Flops hoch· Der Mast 112 und der Arm 113 werden über die Ausgänge 37 und 39 in die Endstellung 114 zurückgezogen. Hachdem^v dies geschehen ist, sind die Ausgänge der Indikatoren 31 und 32 hoch.

Wenn der Schalter 130 in die in Fig.4dargestellte Schaltstellung geschaltet wird, liefert der monostabile Vibrator .28 einen logischen 1-Impuls am Ausgang 1. Dieser Impuls stellt über den Zugmagneten 80 den Zähler 14 ein. Wenn die Voreinstellungsanzeige des Zählers 14 vorher Null gezeigt hat, geht der Impuls durch das Gatter 67 zum Zähler 12. Als Folge des Impulses wird außerdem der Ausgang 1 des Flip-Flops 18 niedrig, Ausgang 1 des Flip-Flops 142 hoch und dessen Ausgang 0 niedrig, sowie Ausgang 1 des Flip-Flops 143 niedrig. Da sich der Mast 112 nicht in seiner oberen Stellung befindet, ist der Ausgang des Indikators 21 niedrig. Beide Eingänge des Gatters 68 sind deshalb niedrig, so daß das Ventil 47 die Druckfluidzufuhr zur Hammervorrichtung der Bohrmaschine 107 öffnet. Da der Ausgang 36 hoch ist, wird der Arm 113 zum Grund hin angetrieben. Da der Fotodetektor 116 sich nicht in der

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Bezugsfläche 102 befindet, ist der Ausgang des Ausgangsteiles 141 niedrig. Der Ausgang 38 ist hoch, und der Käst wird hochgefahren. Die Bewegung des Kasts 112 und des Arms 113 wird über die Sen-v soren 136 und 135* die monostabilen Vibratoren 139 133, die Gatter 149 und 150, das Addierglied 4, das Gatter 1>2 und das Addierglied 6 im Zähler 14 registriert. Der Vorschub der Bohrmaschine ^07 längs der Vorschublafette 106 wird während des Bohrvorgangs über den Sensor 134,den monostabilen Vibrator 137 und, da die Ausgänge der Indikatoren 13^* ^32 und 133 hoch sind, das Gatter 15I im Zähler 13 registriert. Diese Impulse werden auch dem Multiplizierglied 11 zugeführt, wo ihre Zahl ir.it dem vom Sensor 26 erhaltenen Wert des cos ν xao'difiziert wird. Die das Multiplizierglied 11 verlassenden Impulse werden über das Addierglied 6 dem Zähler 14 zugeführt. Wenn der Arm 113 <len Grund erreicht, wird der Ausgang des Indikators 19 hoch und das Gatter 150 blockiert Signale vom Sensor 135. 2s wird in diesem Fall angenommen, daß der Hotor des Arms 113 mit einer mechanischen Kupplungsvorrichtung versehen ist, welche den Antrieb des Arms unterbricht, wenn dieser auf dem Grund aufsetzt.

Wenn der Fotodetektor 116 die Bezugsfläche 102 erreicht, wird der Ausgang des Ausgangsteiles 141 hoch. Dadurch ^v wird der Ausgang 1 des Flip-Flops 142 niedrig, dessen Ausgang 0 hoch und Ausgang 1 des Flip-Flops 143 ebenfalls hoch. Als Folge davon werden der Mast und der Arm in ihre Endstellung 114 zurückgezogen. Gatter 152 wird dadurch geschlossen. Wenn die voreingestellte Anzeige des Zählers 14 Null wird, wird der Ausgang 44 hoch, wodurch Ausgang 1 des Flip-Flops 18 hoch wird. Ausgang 40 des Gatters 68 wird hoch, wodurch die Hämin er\^rorrichtung der Bohrmaschine 107 mittels des Ventils

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47 angehalten wird.. Außerdem leuchtet die Lampe 41 auf, um anzuzeigen, daß das Bohrloch fertig ist. Da der Vorschub der Bohrmasdine 107 längs der Bohrlafette 106 nur registriert wird, wenn die Ausgänge der Indikatoren 131/132 und 133 hoch sind, kann das Bohrgestänge 108 auch bei dieser Ausführung verlängert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Käst 122 auf der Vorschublafette 106 montiert. Ein Steuerkreis 144 dient"bei diesem System dazu, eine Anzahl Impulse zu erzeugen, welche dem Abstand K entspricht. Dieser Steuerkreis ersetzt den Arm 113 in Fig. 3 und Das Nultiplizierglied 11 ist gemäß Fig. 5 so versetzt worden,^xdaß die Gesamtzahl der Impulse von den Sensoren 134 und 136 mit cos ν multipliziert wird entsprechend der aus Fig. 2 abgeleiteten Gleichung A=(H+K+D) cos ν Außerdem ersetzt ein Gatter 153 die Gatter 149 und 152 in Fig. 4 . Im "Übrigen" arbeitet die Steuervorrichtung nach Fig. 5 im Prinzip in der^selben Weise wie das System nach Fig. 4, so daß auf eine detailierte Funktionsbeschreibung verzichtet werden kann.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Gesteins- und/oder Erdbohren, wobei mehrere Bohrlöcher bis auf eine vorbestimmte, vorzugsweise ebene Grundfläche vorgetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß Kittels elektromagnetischer Strahlung eine zu der Grundfläche (103) parallele Bezugsfläche (102) erzeugt wird, daß der Abstand zwischen der Bezugsfläche (102) und dem Punkt (99), an welchem eine Bohrung beginnt, in einer bestimmten Richtung gemessen wird und die in derselben Richtung gemessene Projektionskomponente der Bohrlochtiefe (D) zu dem Abstand addiert wird, und daß der Bohrvorgang unterbrochen wird, wenn die Summe anzeigt, daß die Grundfläche (105) erreicht ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen der Bezugsfläche (1C2) und dem Ansatzpunkt (99) der.Bohrungen in einer allen zusammengehörigen Bohrungen gemeinsamen Richtung gemessen wird.

Vorrichtung zur Druchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer längs einer Vorschubvorrichtung verfahrbaren Bohrmaschine zum Bohren einer Anzahl Löcher bis auf eine bestimmte Grundfläche und einer mit der Vorschubvorrichtung verbundenen, den Vorschubweg der Bohrmaschine messenden Vorrichtung, gekennzeichnet, durch eine Vorrichtung (101) zur Erzeugung einer zur Grundfläche (103) parallelen Bezugsfläche (102) mittels elektromagnetischer Strahlung,und eine mit der den Vorschubweg messenden Vorrichtung verbundene Mess- und Steuervorrichtung zur Summierung des in einer bestimmten Richtung gemessenen Abstandes zwischen der Bezugsfläche (102) und dem Ansatzpunkt (99) der Bohrung und der in die-^selbe Richtung fallenden Richtungskomponente der Bohriochtiefe (D).

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß mittels der Mess- und Steuervorrichtung die Bewegung der Bohrmaschine (107) auf der Vorschubvorrichtung (106) in Rückwärtsrichtung messbar ist, wodurch zu Jeder Zeit die Lage des vorderen Endes eines mit der Bohrmaschine verbundenen Bohrgestänges (108) angegeben ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet , daß zur Mess- und Steuervorrichtung eine Einrichtung (33) gehört, durch welche die Vorschubmessung bei der Verlängerung des Bohrgestänges (108) zu unterbrechen ist.

6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 3 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß zur Mess- und Steuervorrichtung eine Einrichtung (83) gehört, durch welche ein dem Abstand zwischen der Bezugsfläche(102)und der Grundfläche (103) entsprechender Vorgabewert einspeicherbar ist, und daß ein Steuersignal erzeugbar ist, wenn eine Bohrung relativ zur Bezugsfläche (102) die dem ".Vorgabewert entsprechende Tiefe erreicht¹·

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekenn, zeichnet durch eine von dem Steuersignal beeinflußbare, die Energiezufuhr zur Bohrmaschine(107) abschaltende Einrichtung (4-7).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (101) zur Erzeugung der Bezugsfläche (102) einen Laser aufweist.

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9· Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennz eichnet durch eine den Abstand zwischen der Bezugsfläche (102) und dem Ansatzpunkt (99) einer Bohrung messende Vorrichtung, welche einen ausfahrbaren Mast (112) mit einen lichtempfindlichen, die Bezugsfläche (102) fühlenden Element (116) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9j dadu:rch gekennzeichnet , daß der Hast (112) ein Teleskopmast ist.

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