DE2944607A1 - ROCK DRILLING MACHINE DRIVED BY RADIOACTIVE RADIATION, ESPECIALLY FOR COAL MINING - Google Patents

ROCK DRILLING MACHINE DRIVED BY RADIOACTIVE RADIATION, ESPECIALLY FOR COAL MINING

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DE2944607A1
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Hilbert Douglas Dahl
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    • E21C35/08Guiding the machine

Description

10674/MÜ/Elf10674 / MÜ / Elf

CONOCO INC., Ponca City. Oklahoma 74601 (V.St.A.)CONOCO INC., Ponca City. Oklahoma 74601 (V.St.A.)

Durch radioaktive Strahlung geführte Gesteinsbohrmaschine , insbesondere für den Kohlebergbau Rock drilling machine guided by radioactive radiation, especially for coal mining

Die Erfindung bezieht sich auf die Richtungsführung von Bohrmaschinen und insbesondere auf den Einsatz derartiger richtungsgeführter Bohrmaschinen beim horizontalen Bohrvortrieb in Kohlenflözen. The invention relates to the directional guidance of drilling machines and in particular the use of such directional drilling machines for horizontal drilling in coal seams.

Horizontal bohrende Gesteinsbohrmaschinen wurden bisher auf verschiedene Weise geführt. Es ist bekannt, Berechnungsmethoden zu verwenden, bei denen das Bohrloch im wesentlichen parallel zu einem vorhandenen Loch mit bekannter Lage und Richtung gehalten wird, was beispielsweise in der US-PS 3 853 185 beschrieben ist. Eine derartige Parallelführung zu einer Pilotbohrung benutzt radioaktive Strahlungsenergie, um einen vorgegebenen Abstand zu dem vorhandenen horizontalen Bohrloch zu halten, was den Ausführungen der US-PS 3 907 045 entnommen werden kann. Es ist auch bekannt, bei der Bohrlochführung StrahlungsmeBverfahren einzusetzen, bei denen eine Strahlungsquelle und ein Detektor auf der Bohrvorrichtung selbst angebracht sind, so daß das Auftreffen der Strahlung auf die Flözgrenzflächen für die Führungsdaten sorgt,Horizontal drilling rock drilling machines have so far been based on various Wise led. It is known to use calculation methods in which the borehole is essentially parallel to an existing hole of known location and direction, as described, for example, in US Pat. No. 3,853,185. Such a parallel guide to a pilot borehole uses radioactive radiation energy to a predetermined distance to hold the existing horizontal borehole, which can be found in the statements of US Pat. No. 3,907,045. It is also known to use radiation measurement methods in the drill hole guidance, in which a radiation source and a detector on the Drilling device itself are attached so that the impingement the radiation on the seam boundaries provides the guidance data,

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mit deren Hilfe die Richtung der Bohrmaschine eingestellt wird. Hierzu wird auf die US-PS 3 823 787 verwiesen.with the help of which the direction of the drill is set. Reference is made to US Pat. No. 3,823,787.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Führung für eine Bohrmaschine so zu gestalten, daß dazu die natürlich auftretende Strahlung innerhalb des Flözes , in dem die Bohrung vorgetrieben werden soll, verwendet wird. Mit anderen Worten, man hat festgestellt, daß von den Tonschieferablagerungen, die normalerweise an Kohlenflözen angrenzen, eine natürliche Gammastrahlung ausgeht, und diese natürliche Gammastrahlung wird von der Erfindung dazu benützt, die Richtung der Bohrmaschine während des Bohrvortriebs durch den Kohlenflöz zu steuern. Bei Beginn des Bohrvorgangs kann die Bohrmaschine zunächst einmal einige Fuß in den Kohlenflöz eindringen, bis von außen einwirkende Strahlung keinen Einfluß mehr ausüben kann, wonach dann ein Anfangsberechnungszählstand für den jeweiligen Flöz und seine Umgebung eingestellt wird, von wo aus der Steuerungsprozess der Bohrmaschine dann weitergeführt wird. Wenn dieser Anfangszählstand für den bestimmten Kohlenflöz und der gewünschte Abstand von der Flözgrenzfläche zum umgebenden Gestein festgelegt sind, dann kann die Bohrmaschine entweder mit Fernsteuerung oder automatisch betrieben werden, wobei der Zählstand angenähert gleichgehalten wird und die Bohrmaschine das Bohrloch in einem parallelen Verlauf zur Bezugsgrenzfläche vortreibt.The invention is based on the object of designing the guide for a drill so that the naturally occurring Radiation within the seam in which the well is to be driven is used. In other words, it has been found that from the clay slate deposits that normally border coal seams, a natural gamma radiation goes out, and this natural gamma radiation is used by the invention to determine the direction of the drill during the To steer drilling advance through the coal seam. At the beginning of the drilling process, the drill can initially stand a few feet penetrate into the coal seam until external radiation can no longer exert any influence, after which an initial count is then calculated is set for the respective seam and its surroundings, from where the control process of the drilling machine is set is then continued. If this initial count for the particular coal seam and the desired distance from the seam interface with the surrounding rock are determined, then the drill can be operated either remotely or automatically, with the count remaining approximately the same and the drilling machine advances the borehole in a parallel course to the reference interface.

Allgemein gesagt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Methode und eine Vorrichtung für das Führen einer Bohrmaschine im waagrechten Kohlenflöz zu schaffen, welche sich durch eine hohe Zuverlässigkeit während des Arbeitsprozesses auszeichnen. Generally speaking, the invention is based on the object of a method and a device for guiding a drilling machine to create in the horizontal coal seam, which are characterized by high reliability during the work process.

Mit der Erfindung soll außerdem ein Steuerungsverfahren für die Bohrung geschaffen werden, welches keine bereits vorher vorhandene Bohrung und auch keine Energiequelle außer der natürlich vorhandenen Gammastrahlung aus der Umgebung des Kohlenflözes benötigt. Mit der Erfindung soll darüber hinaus eine Bohr-The invention is also intended to create a control method for the drilling that does not previously exist Drilling and no energy source except for the naturally occurring gamma radiation from the vicinity of the coal seam needed. The invention is also intended to provide a drilling

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maschinensteuerung geschaffen werden, die leicht zu kalibrieren und zur Steuerung durch einen ausgewählten Kohlenflöz zu benutzen ist. Schließlich soll das Steuerungssystem für die Bohrmaschine sehr genau von der anstehenden Flözvorderfläche im Streb her entweder von Hand oder automatisch gesteuert werden können, um damit eine Grubengasüberwachung und/oder Abräummaschinenführung durch Untertage-Kohlenflöze durchführen zu können. Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nunmehr an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:Machine controls can be created that are easy to calibrate and use to control a selected coal seam is. After all, the control system for the drilling machine should be very precisely based on the pending seam front surface in the Longwall can be controlled either manually or automatically in order to enable mine gas monitoring and / or clearing machine guidance through underground coal seams. The invention is now based on the drawing some embodiments explained in more detail. Show it:

Figur 1 eine Schemaansicht vom Bohrvorgang in einem Untertage-Flöz; FIG. 1 shows a schematic view of the drilling process in an underground seam;

Figur 2 eine Bohrmaschine , mit der der Bohrvorgang durchgeführt wird;FIG. 2 shows a drilling machine with which the drilling process is carried out;

Figur 3 eine Schemadarstellung eines Teils der Bohrmaschine aus Figur 2 bei Verwendung eines einzigen Strahlungsdetektors;FIG. 3 shows a schematic representation of part of the drilling machine from FIG. 2 when using a single radiation detector;

Figur 4 eine Schemadarstellung eines Teils der Bohrmaschine aus Figur 2 bei Verwendung von zwei oder mehr Strahlungsdetektoren;FIG. 4 shows a schematic representation of part of the drilling machine from FIG. 2 when two or more radiation detectors are used;

Figur 5 ein Diagramm der Gammastrahlungszählwerte in Tonschiefer und im Kohlenflöz, wie sie in einem ausgewählten Kohlenflöz gemessen werden;Figure 5 is a graph of gamma radiation counts in slate and in the coal seam as measured in a selected coal seam;

Figur 6 ein Diagramm , welches die Fehlimpulse pro Minute der Stärke des zwischen dem angrenzenden Tonschiefer und der Meßstelle liegenden Kohlenflözes gegenüberstellt;Figure 6 is a diagram showing the missing pulses per minute of the strength of the between the adjacent clay slate and the measuring point facing lying coal seams;

Figur 7 ein Schaltbild der Steuerung der Bohrmaschine nach Fig.2; undFIG. 7 shows a circuit diagram of the control of the drilling machine according to FIG. 2; and

Figur 8 ein Gesamtschaltbild des Steuerschaltkreises der Bohrmaschine nach Figur 2.FIG. 8 shows an overall circuit diagram of the control circuit of the drilling machine according to Figure 2.

Beim Kohleabbau ist es in regelmässigen Zeitabständen erforder-In the case of coal mining, it is necessary at regular intervals

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lieh, ein kleines Bohrloch in den Kohlenflöz hineinzutreiben, was hauptsächlich dazu dient, vor dem Abbau in der Kohle vorhandenes Methangas festzustellen und eventuell abzulassen. Nachdem derartige Sondierungsbohrungen eingebracht sind, ist es dann möglich, den Vortrieb der Abbaumaschinen unter Ausnutzung dieser Sondierungsbohrungen automatisch zu führen. Es wird in dieser Beziehung auf die US-PS 3,922,015 hingewiesen. Derartige Sondierungsbohrungen werden bis zu 300 m , und wenn es die Lagerstätte erlaubt, auch noch weiter in den im wesentlichen waagrecht liegenden Kohlenflöz vorgetrieben.borrowed to drive a small borehole in the coal seam, which is mainly used to determine the methane gas present in the coal before it is broken down and, if necessary, to let it off. After this Such exploratory bores are made, it is then possible to advance the mining machines by taking advantage of them To conduct exploratory drilling automatically. See U.S. Patent 3,922,015 in this regard. Such exploratory drilling are up to 300 m, and if the deposit allows, even further in the essentially horizontal ones Coal seam driven.

Bei der Steuerungsmethode nach der Erfindung wird die natürlich vorhandene Radioaktivität oder ihre Gammastrahlung ausgenützt, die gewöhnlich von den die Kohlenablagerungen umgebenden Minerallagerstätten ausgeht. Es sind praktisch stets Tonerdeablagerungen vorhanden, die meist als Hangendes über , manchmal auch unter Kohlenflözen vorkommen, und diese Tonerdeablagerungen enthalten gammastrahlendes Material. In fast allen Fällen ist das Strahlung aussende Material Uran, Thorium und Kalium-40, Substanzen, die praktisch in allen Tonerdeablagerungen , welche sich an der Grenzfläche von Kohlenflözen gebildet haben, vorkommen. Das American Petroleum Institute hat eine Standardeinheit der Radioaktivität definiert für Ortungszwecke, wie sie in "durchschnittlichen Tonerdeschichten des mittleren Westens" vorzufinden ist, und es wurde definiert, daß die durchschnittliche Tonerdeschicht 6 bis 7 ppm Uran (in Gestalt von U3Og) 12 ppm Thorium und 2% Kalium enthält. Vom in der Natur auftretenden Kalium ist 0,0118% radioaktives Kalium-4O. Diese angegebene Verteilung bildet also den natürlich vorkommenden Gammastrahler, der bei der Erfindung verwendet wird.The control method according to the invention makes use of the naturally present radioactivity or its gamma radiation, which usually emanates from the mineral deposits surrounding the coal deposits. Alumina deposits are practically always present, mostly as hanging walls above, sometimes also below coal seams, and these alumina deposits contain gamma-emitting material. In almost all cases the material emitting radiation is uranium, thorium and potassium-40, substances that are found in practically all alumina deposits that have formed at the interface of coal seams. The American Petroleum Institute has defined a standard unit of radioactivity for location purposes as found in "Average Midwestern Alumina" and has defined the average alumina layer as 6 to 7 ppm uranium (in terms of U 3 Og) 12 ppm Contains thorium and 2% potassium. Of the naturally occurring potassium, 0.0118% is radioactive potassium-4O. This given distribution thus forms the naturally occurring gamma emitter which is used in the invention.

Gammastrahlung hat drei Auswirkungen, mit denen sie auf ihre Umgebung einwirkt. Dies sind die Compton-Streuung, die photoelektrische Wirkung und die Paarerzeugung. Eine der Haupteigenschaften der Gammastrahlung besteht darin, daß sie exponentiellGamma radiation has three effects by which it affects its surroundings. These are the Compton scattering, the photoelectric one Effect and pair creation. One of the main properties of gamma radiation is that it is exponential

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absorbiert wird. Dies bedeutet, daß unabhängig von der Anfangsintensität der Strahlung dieselben Erscheinungen für das Abbremsen eines gegebenen Anteils der Strahlung bei Verwendung derselben Schichtstärke eines Strahlung absorbierenden Materials gelten. Diese Beziehung ist mathematisch den Gesetzen des radioaktiven Zerfalls analog.is absorbed. This means that regardless of the initial intensity of the radiation, the same phenomena for deceleration a given proportion of the radiation when using the same layer thickness of a radiation-absorbing material are valid. This relationship is mathematically analogous to the laws of radioactive decay.

Der Gammastrahlungspegel an irgendeinem Punkt innerhalb des Kohlenflözes kann also die Summe von Strahlungen sein, die von verschiedenen, zusammenwirkenden Strahlungsquellen stammt. Alle in der Umgebung liegenden Schichten liefern ihren Anteil, und alle Komponenten folgen dem experimentell ermittelten Ausdruck :The level of gamma radiation at any point within the coal seam can thus be the sum of the radiation emitted by comes from different, interacting radiation sources. All layers in the vicinity provide their share, and all components follow the experimentally determined expression:

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Cs= Cfe
-αχ
C s = C f e

Hierin bedeuten C die Strahlungsintensität in einem von der Strahlung durchsetzten Medium am Meßort; Cf die Strahlungsintensität von denselben Strahlungsquellen an der Grenzfläche einer Mineralschicht mit der Kohlenablagerung ; e die Basis des natürlichen Logarithmus; α eine Materialkonstante des von der Strahlung durchdrungenen Materials (z.B. Kohle); χ den Abstand des Meßortes von der Grenzfläche Tonerde/Kohle.Here, C denotes the radiation intensity in a medium penetrated by the radiation at the measuring location; C f is the radiation intensity from the same radiation sources at the interface of a mineral layer with the coal deposit; e is the base of the natural logarithm; α is a material constant of the material penetrated by the radiation (eg coal); χ the distance between the measuring location and the alumina / carbon interface.

Es gehört zu den wesentlichen Merkmalen der Erfindung, daß das vorliegende Verfahren auf der Erkenntnis aufbaut, daß die Führung abhängig von einem anfänglichen Kalibrierungsvorgang vorgenommen wird, der die örtlichen Bedingungen einbezieht und in seinem Bezugswert sämtliche in der Umgebung befindlichen, mit ihrer Strahlung einwirkenden Quellen enthält. Folglich sind die Zählerbezugswerte nach der Anfangskai iMerung bei den verschiedenen Kohlenflözen unterschiedlich, da unterschiedliche Strahlung herrscht aufgrund der verschiedenen Tonerde-Typen und Ablagerungen des Hangenden oder des Liegenden wie auch aufgrundIt is one of the essential features of the invention that the present method is based on the knowledge that the leadership is performed depending on an initial calibration process that takes into account local conditions and is included in its reference value contains all the sources in the vicinity that have an effect with their radiation. Hence they are Meter reference values after the initial measurement at the various Coal seams differ, as there is different radiation due to the different types of clay and deposits of the hanging or the lying as well as due to

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der unterschiedlichen Strahlungsabsorptionskoeffizienten der einzelnen Kohlenflöze. Außerdem können im Kohlenflöz selbst eingebettete Tonerdebänder Veränderungen im Bezugspegel bewirken. Jedenfalls aber läßt die in aller Regel vorhandene Gleichförmigkeit in der jeweiligen Anordnung aus Tonerdeschicht und Kohlenflöz eine zuverlässige Einstellung des Zählerbezugswertes zu, so daß damit die Bohrmaschine in einem vorgewählten bestimmten Abstand von der Grenzfläche geführt werden kann.the different radiation absorption coefficients of the individual coal seams. In addition, alumina strips embedded in the coal seam itself can cause changes in the reference level. In any case, however, the generally existing uniformity in the respective arrangement of the alumina layer and Coal seam a reliable setting of the counter reference value, so that with it the drilling machine in a preselected certain Distance from the interface can be performed.

Figur 1 zeigt schematisch den Abbaustreb 10 und das Anstehende eines Kohlenflözes 14 von nicht begrenzter Flözerstreckung und unterschiedlicher Flözmächtigkeit, über dem Kohlenflöz 14 befindet sich ein Tonerdehangendes 16, das mit dem Kohlenflöz eine Grenzfläche 18 bildet, während durch Grenzfläche 22 vom Kohlenflöz 14 das Tonerdeliegende 20 getrennt ist.Figure 1 shows schematically the mining strut 10 and the pending of a coal seam 14 of unlimited seam extension and different seam thicknesses, above which coal seam 14 is located an alumina hanging 16, which forms an interface 18 with the coal seam, while through interface 22 from the coal seam 14 the alumina layer 20 is separated.

Eine Sondierlochbohrmaschine, die später noch beschrieben wird, kann von einem Arbeitsort 24 aus im wesentlichen in Richtung des Pfeiles 26 gesteuert werden, so daß sie entlang dem Bohrloch 28 und dem sich daran anschließenden Sondierungsbohrloch 30 gesteuert geführt wird. Eine aus der Zahl der brauchbaren Bohrmaschinen ist in den Fig.2,7 und 8 dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert.A probe hole drilling machine, which will be described later, can from a work location 24 in the direction of substantially of the arrow 26 so that it moves along the borehole 28 and the adjoining exploratory borehole 30 is controlled. One of the number of usable drilling machines is shown in FIGS. 2, 7 and 8 and is described below briefly explained.

Die in Figur 2 insgesamt mit 32 bezeichnete Bohrmaschine enthält Steuerinstrumente, die über Leitungen 34 mit dem Arbeitsort in Verbindung stehen. Die Bohrmaschine 32 weist eine hintere Bohrlocheinheit 36 auf, die starr über einen Bohrschaft 38 mit einer Halteeinheit 40 verbunden ist, welche wiederum über den Bohrschaft 38 mit einer Bohranordnung 42 verbunden ist, an deren Vorderende über die Ausgangswelle 44 der Bohrkopf 46 sitzt. Die Bohrmaschine 32 ist eine sich selbst vorschiebene Bohreinheit, die mit Hilfe einer entsprechenden Instrumentenbestückung in ihrer Richtung gesteuert werden kann. Die Bohreinheit 42 setzt sich zusammen aus einer Verdrehsteuereinheit 48, einem Bohr-The drilling machine, designated as a whole by 32 in FIG. 2, contains control instruments which are connected to the work site via lines 34 stay in contact. The drilling machine 32 has a rear borehole unit 36 which is rigidly connected to a drill shaft 38 a holding unit 40 is connected, which in turn is connected via the drill shaft 38 to a drill assembly 42, on the The front end of the drill head 46 sits on the output shaft 44. The drill 32 is a self-advancing drilling unit, which can be controlled in its direction with the help of appropriate instruments. The drilling unit 42 sets composed of a rotation control unit 48, a drilling

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motor 50 und einer Ablenksteuereinheit 52, während die ganze Gruppe von Steuerinstrumenten in dem mit 54 bezeichneten Instrumentenabschnitt sitzen kann. Die Bohrmaschine 32 ist mit dem Arbeitsort über Hydraulikschläuche 56 und 58 und ein elektrisches Kabel 60 verbunden, über den Hydraulikschlauch 56 wird der Antriebsdruck für den Bohrmotor 50 zugeführt, während der Hydraulikschlauch 58, der in Wirklichkeit aus drei einzelnen Schläuchen besteht, für die Steuerung der Halteeinheit und der Ablenkeinheit sorgt.motor 50 and a deflection control unit 52, while the whole group of control instruments in the instrument section labeled 54 can sit. The drill 32 is connected to the work site via hydraulic hoses 56 and 58 and an electric one Cable 60 connected via the hydraulic hose 56 is the Drive pressure for the drill motor 50 is supplied while the hydraulic hose 58, which in reality consists of three individual hoses exists, provides for the control of the holding unit and the deflection unit.

Bei der Durchführung des Verfahrens erfordert die Entscheidung über den Ort des Bohrloches in dem jeweiligen Kohlenflöz die allgemeine Kenntnis von der Lage des Flözes als auch von seiner Orientierung. Alsdann wird die Bohrmaschine 32 in Richtung des Pfeils 26 angesetzt und in die Sondierungsbohrung 28 über eine Strecke von einigen Fuß vorgetrieben, welche ausreicht, um äußere Gammastrahlungseinflüsse auszuschalten, die an der Frontseite 12 des Anstehenden auftreten können, auszuschließen. Von diesem Punkt an kann der Gammastrahlungszählwert vom Arbeitsort 24 aus abgelesen werden, und in Verbindung mit der Kenntnis über die Geometrie des Kohlenflözes 14 kann die Bohrmaschine 32 dann auf einen Anfangswert kalibriert werden, so daß ein Bezugsgammastrahlungszählwert im Verhältnis zum Abstand von einer als Bezugsfläche gewählten Grenzfläche 18 oder 22 vorliegt. Gelegentlich können auch beide Grenzflächen zum Gammastrahlungszählwert einen Beitrag leisten, und die Kalibrierung kann dann auf diese gemeinsame Wirkung eingestellt werden.When carrying out the method, the decision on the location of the borehole in the respective coal seam requires the general knowledge of the position of the seam as well as its orientation. Then the drill 32 is in the direction of the Arrow 26 and propelled into the exploratory bore 28 over a distance of a few feet, which is sufficient to external Eliminate the effects of gamma radiation, which can occur on the front side 12 of the pending, to exclude. Of this Point at, the gamma radiation count can be read from work location 24, and in conjunction with knowledge of the For the geometry of the coal seam 14, the drill 32 can then be calibrated to an initial value so that a reference gamma ray count is present in relation to the distance from a boundary surface 18 or 22 selected as a reference surface. Occasionally Both interfaces can also contribute to the gamma radiation count, and the calibration can then be based on this joint Effect can be adjusted.

Nach dieser Anfangskalibrierung kann die Bohrmaschine 32 vom Arbeitsort 24 aus bei ihrem Vordringen in den Kohlenflöz 14 über mehrere 100 Fuß entlang der gestrichelt angedeuteten Bohrlochführung 30 überwacht und gesteuert werden. Auf diese Weise wird unter der Führung der Gammastrahlungsmessung mit Steuerbefehlen, die entweder von einer Bedienungsperson aufgrund der AblesewerteAfter this initial calibration, the drill 32 can from Work location 24 from as it penetrates into the coal seam 14 over several hundred feet along the borehole guide indicated by dashed lines 30 can be monitored and controlled. In this way, under the guidance of the gamma radiation measurement with control commands, either by an operator based on the readings

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der Strahlung oder durch eine automatische Steuervorrichtung abgegeben werden, die die ankommenden Strahlungspegelablesungen mit vorbestimmten Sollwerten vergleicht, durchgeführt werden, wobei dann die nötigen Korrekturen in der Vortriebsrichtung vorgenommen werden. Relativ einfache Programmierung einer mikroprozessorgesteuerten Apparatur ermöglicht eine automatische Steuerung , in der die ankommenden Strahlungspegelwerte dauernd mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen werden, so daß bei überschreiten dieser Grenzen dann die Bohrmaschine 32 in ihrer Richtung entsprechend korrigiert wird.the radiation or emitted by an automatic control device comparing the incoming radiation level readings to predetermined setpoints, wherein then the necessary corrections are made in the direction of advance. Relatively simple programming of a microprocessor-controlled Apparatus enables automatic control in which the incoming radiation level values are constant are compared with predetermined limit values so that when exceeded The direction of the drill 32 is then corrected accordingly to these limits.

Es ist auch vorgesehen, daß die Strahlungsmessung aus einer Richtung oder aus mehreren Richtungen in Bezug auf die Bohrmaschine 32 durchgeführt wird. Figur 3 zeigt den Instrumentenabschnitt 54 des Bohrabschnittes 42 mit einem Detektor 62, der nach oben gerichtet ist. Es kann jeder beliebige Gammastrahlendetektor dazu verwendet werden. Wegen der sehr schweren Umweltbedingungen eignet sich als Detektorsystem nicht die Natriumjodidszintillation. Man verwendet vorzugsweise einen BICRON-Detektor, der nachfolgend näher erläutert wird. Der Detektor 62 braucht lediglich in geeigneter Stellung im Instrumentenabschnitt 54 mit der richtigen Ausrichtung montiert sein und wird unterhalb eines strahlungsdurchlässigen Fensters 64 angebracht. Hinter dem eigentlichen Detektor 62 befindet sich ein Schirm aus geeignetem Material, und die festgestellten Strahlungsimpulse werden über Leitungen an die Steuerschaltung 68 weitergegeben. Eine dem Zählstand eines Zählers analoge Spannung wird über eine Leitung 70 im Kabel 6O zum Arbeitsort 24 geleitet.It is also provided that the radiation measurement from one direction or from multiple directions with respect to the drill 32. FIG. 3 shows the instrument section 54 of the drilling section 42 with a detector 62 which is directed upwards. Any gamma ray detector can be used be used. Suitable because of the very difficult environmental conditions The detection system does not use sodium iodide scintillation. A BICRON detector is preferably used, as follows is explained in more detail. The detector 62 only needs to be in a suitable position in the instrument section 54 with the correct one Alignment be mounted and is mounted beneath a radiolucent window 64. Behind the actual Detector 62 is a screen of suitable material, and the detected radiation pulses are over lines passed to the control circuit 68. A voltage analogous to the count of a counter is transmitted via a line 70 in the cable 6O headed to work location 24.

Eine abgewandelte Ausführungsform mit zwei oder mehr Detektoren, die in entgegengesetzte Richtungen, in um 90° versetzte Richtungen oder in sonstwie vorgesehene Anordnung weisen, ist in der Figur 4 wiedergegeben. Der Instrumentenabschnitt 54 enthält hierA modified embodiment with two or more detectors pointing in opposite directions, in directions offset by 90 ° or in an otherwise provided arrangement is shown in FIG. The instrument section 54 includes here

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die beiden Strahlungsdetektoren 72 und 74, die diametral ent gegengesetzt ausgerichtet sind und durch strahlungsdurchlässige Fenster 76, 78 die Strahlung erhalten. Sie liefern die einzelnen Impulse über Leitungen 80 und 82 an die Steuerschaltung 84, die anschließend ihren Zählzustand über eine Leitung 86 an den Ar beitsort weitermeldet. Ein Detektor gemäß Figur 4 mit zwei in entgegengesetzter Richtung schauenden Detektoren eignet sich besonders für wenig mächtige Kohlenflöze, wobei die Impulszäh lung in Bezug auf die Tonerdeschicht im Hangenden oder im Liegen den vorgenommen werden kann und diejenige Seite die Führung über nimmt, deren Fehlzustand der niedrigere ist. the two radiation detectors 72 and 74, which are diametrically aligned opposite to each other and receive the radiation through radiation-permeable windows 76, 78. They deliver the individual pulses via lines 80 and 82 to the control circuit 84, which then reports its counting status via a line 86 to the work location. A detector according to Figure 4 with two detectors looking in opposite directions is particularly suitable for coal seams that are not very thick, the pulse counting in relation to the clay layer in the hanging or lying down can be carried out and that side takes the lead whose fault condition the lower one is.

Die Figuren 5 und 6 geben ein Bild von der Durchführung und der hohen Zuverlässigkeit der Gammastrahlungszählung für die Führung der Bohrmaschine. Figur 5 zeigt das Diagramm einer Gammastrah lungszählung bei einem Bohrloch, das für den Zweck der Strahlungs- testung gebohrt worden ist . Dieses Diagramm zeigt die Strahlungscharakteristik im Übergangsbereich von Tonerde auf Kohleflöz. Zu diesem Zweck wurde ein gerades Bohrloch mit einem Neigungswin kel von 17 1/2° niedergebracht, bei dem die ersten 21 1/2 Fuß durch Tonerde verlaufen, dann die Grenzschicht zur Kohle gestos- sen wird und anschließend die Bohrung sich über 9 Fuß im Kohle flöz fortsetzt. Mit Hilfe eines Natriumjodid-Szintillations- detektors wurden periodisch Gammastrahlungszähldaten festge stellt, und zwar an verschiedenen Punkten des Bohrloches. Die Strahlungsintensität innerhalb des im Tonerde liegenden Bohrloch abschnittes liegt konstant zwischen etwa 7000 und 8300 Zählimpul sen pro Minute. Im Abschnitt hinter der Grenzfläche nimmt die Strahlung dann stark mit zunehmender Bohrstrecke ab. Die Linie 9O zeigt, daß die Gammastrahlungszählwerte sehr gut auf einer Geraden liegen, welche die Meßpunkte zwischen 22 und 29 Fuß verbindet . FIGS. 5 and 6 give a picture of the implementation and the high reliability of the gamma radiation counting for guiding the drilling machine. FIG. 5 shows the diagram of a gamma radiation count in a borehole that has been drilled for the purpose of radiation testing. This diagram shows the radiation characteristics in the transition area from alumina to coal seam. For this purpose, a straight hole was drilled at a dip angle of 17 1/2 degrees with the first 21 1/2 feet running through clay, then the boundary layer with the coal, and then the hole extending over 9 feet into the Coal seam continues. With the aid of a sodium iodide scintillation detector , gamma radiation counting data were periodically ascertained at various points in the borehole. The radiation intensity within the borehole section lying in the alumina is constant between about 7000 and 8300 counts per minute. In the section behind the interface, the radiation then decreases sharply with increasing drilling distance. Line 90 shows that the gamma radiation counts are very well on a straight line connecting the measurement points between 22 and 29 feet.

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Figur 6 zeigt die Ganunastrahlungszählimpulse pro Minute im Verhältnis zur Kohlenschichtdicke in Zoll, die zwischen dem Meßpunkt und der Grenzfläche zum Tonerdehangenden liegt. Das Ergebnis zeigt, daß die Abnahme an Gammastrahlungszählimpulsen sehr zuverlässig ist, und daß die aufgetragenen Zählwerte in einem Bereich von der Grenzschicht bis zu 12 Zoll darunter anzeigen, daß die Kohleschichtdicke, bei der die halbe Strahlungsmenge erreicht ist, 7,3 Zoll beträgt. Mit anderen Worten, um die Hälfte der einfallenden Gammastrahlung zu absorbieren, wird bei dieser speziellen Kohle eine Schicht mit der Dicke von 7,3 Zoll benötigt.Figure 6 shows the ratio of Ganuna radiation counts per minute to the coal layer thickness in inches, which lies between the measuring point and the interface with the clay pendent. The result shows that the decrease in gamma radiation counts is very reliable and that the plotted counts in one The area from the boundary layer to 12 inches below it indicates that the carbon layer is at half the amount of radiation reached is 7.3 inches. In other words, in order to absorb half of the incident gamma radiation, this special charcoal requires a layer 7.3 inches thick.

Figur 7 zeigt eine mögliche Gestaltung der Bedienungssteuerung 100, die am Arbeitsort 24 verwendet werden kann. Die Bedienungssteuerung 100 erhält über einen Anschluß 102 ihre Energiezufuhr und leitet die Energie über Leitungen 104 und 106 und eine gemeinsame Leitung 108 weiter, zum Teil unmittelbar an eine achtpolige Steckverbindung 110, die mit dem zur Bohrmaschine leitenden Kabel 60 verbunden werden kann. Die Spannung von -18 V gelangt über die Leitung 106 zu Nullabgleichspotentiometer 112 und 114, welche zum Abgleich der Auslenk- und der Drehsteuerung benötigt werden, über Vorwiderstände 116 bzw. 118 sind diese Potentiometer mit der +18 V-Leitung 104 verbunden. Der Mittelabgriff des für die Neigung maßgebenden Potentiometers 112 ist über die Leitung 120 zur Steckverbindung 110 und über das Kabel zur Bohrmaschine geführt, während der Mittelabgriff des für die Drehung maßgebenden Potentiometers 114 über eine Leitung 122 mit der Steckverbindung 110 verbunden ist. Die Anzeige über Maß, Neigung und Drehung erscheint auf den Instrumenten 124, 126 und 128, die alle über ein Nullabgleichpotentiometer mit den Leitungen 130, 132,134 für die Steuerung verbunden sind.FIG. 7 shows a possible design of the operating control 100 that can be used at the work location 24. The operating control 100 receives its energy supply via a connection 102 and forwards the energy via lines 104 and 106 and a common line 108, in some cases directly to an eight-pole one Plug connection 110, which can be connected to the cable 60 leading to the drill. The voltage of -18 V arrives via line 106 to zero adjustment potentiometers 112 and 114, which are required to adjust the deflection and rotation controls These potentiometers are connected to the +18 V line 104 via series resistors 116 and 118, respectively. The tapping of funds of the potentiometer 112, which is decisive for the inclination via the line 120 to the plug connection 110 and via the cable led to the drill, while the center tap of the for the Rotation decisive potentiometer 114 is connected via a line 122 to the plug connection 110. The indication of measure, inclination and rotation appears on instruments 124, 126 and 128, all of which have a zero adjustment potentiometer on leads 130, 132,134 are connected for control.

Das Gammastrahlungsfehlstandsmaß und die Werte für Neigung und Drehung der Bohrmaschine können außerdem über einen Analogdigitalwandler 136 einer geeigneten Form von Digitalcomputer 138 zugeführt werden, um auf diese Weise eine automatische DigitalsteuerungThe gamma radiation deficit and the values for inclination and rotation of the drilling machine can also be transmitted via an analog-to-digital converter 136 may be fed to a suitable form of digital computer 138 for automatic digital control

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der Bohrmaschine zu erhalten. Es sind für diesen Zweck beliebige, im Handel erhältliche Mikroprozessor-Computer verwendbar, u.a. auch der Computer Modell No.2808 von Texas Instruments.the drill press. Any commercially available microprocessor computer can be used for this purpose, including also the computer model No.2808 from Texas Instruments.

Figur 8 zeigt die Steuerschaltung 140, die sich im Instrumentenabschnitt 54 der Bohranordnung 42 befindet. Eine genaue Beschreibung des Aufbaus der Bohranordnung findet sich in der US-Patentanmeldung 891 679. Der Steckanschluß 110 an der Bedienungssteuereinheit 100 ist über das Kabel 60 (Fig.2) mit dem Instrumentenabschnitt 54 über den Steckanschluß 42 der Steuerschaltung 140 verbunden. Die Speiseleitungen 104,106 und 108 gehen unmittelbar auf einen 12 Volt-Spannungsregler 144, der die benötigte Spannung für den Regler abgibt, über zwei Leitungen 146 und 148 wird eine positive 12 Volt-Spannung vom Spannungsregler 44 zu einer Hochspannungsspeisequelle 150 geleitet, die an eine BICRON-Zählröhre 152 eine Spannung von 1200 V abgibt. Die BICRON-Zählröhre 152 ist eine im Handel erhältliche Gammastrahlungszählröhre des Modells 2M2P der Fa.BICRON Corporation. Der Gammastrahlungszählausgang in der Größe von etwa 2 V kann an der Leitung 154 als Eingang für einen Vorverstärker/integrierter Schaltung 156 der IC-Type 715393 abgenommen werden. Der Ausgang vom Vorverstärker 156 am Punkt 158 ist über ein Widerstands- und Kondensatornetzwerk 160 als Rückkopplung zum Vorverstärkereingang zurückgeführt. Eine Diode 162 sorgt für die Unterdrückung jeglicher negativer Spannungsspitzen.Figure 8 shows the control circuit 140 located in the instrument section 54 of the drilling assembly 42 is located. A detailed description of the structure of the drilling assembly can be found in the US patent application 891 679. The plug connection 110 on the operating control unit 100 is connected to the instrument section via the cable 60 (FIG. 2) 54 is connected via the plug connection 42 of the control circuit 140. The feed lines 104, 106 and 108 go directly to a 12 volt voltage regulator 144, which outputs the voltage required for the regulator, via two lines 146 and 148 a positive 12 volt voltage is fed from the voltage regulator 44 to a high voltage supply source 150, which is connected to a BICRON counter tube 152 delivers a voltage of 1200 V. The BICRON counter tube 152 is a commercially available gamma ray counter tube model 2M2P made by BICRON Corporation. The gamma ray count output on the order of about 2 V can be used on line 154 as an input for a preamplifier / integrated circuit 156 of IC-Type 715393 can be removed. The output from the preamp 156 at point 158 is fed back to the preamplifier input via a resistor and capacitor network 160 as feedback. A diode 162 ensures the suppression of any negative voltage peaks.

Der Gammastrahlungszählausgang vom Anschlußpunkt 58 wird einer Pegelbegrenzurgsschaltung 164 in Gestalt einer integrierten Dual-NOR-Gliedes vom Typ CM 4001 zugeführt. Die Schaltung 164 ist so verriegelt, daß sie nur bei Überschreitung eines Grenzwertes ein Ausgangssignal abgibt. Das Ausgangssignal, das am Anschlußpunkt 166 auftritt, wird dann dem Eingang eines Integrators 168 zugeführt, der als Operationsverstärker in integrierter Schaltung ausgeführt ist, beispielsweise vom Typ MC1741. Die Integration des Ausgangssignals am Ausgangsanschluß 170 des Opera-The gamma ray count output from terminal 58 is fed to a level limiter circuit 164 in the form of an integrated circuit Dual NOR element of type CM 4001 supplied. The circuit 164 is locked so that it is only exceeded when one Limit value emits an output signal. The output signal appearing at junction 166 is then fed to the input of an integrator 168, which is designed as an operational amplifier in an integrated circuit, for example of the MC1741 type. The integration of the output signal at output terminal 170 of the operator

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tionsverstärkers erfolgt durch Rückkopplung über ein Kondensator- und Widerstandszeitsteuernetzwerk 172, und das integrierte Ausgangssignal wird über eine Leitung 174 einem Widerstandsnetzwerk aus Widerstand 176 in Reihe mit einem Kalibrierpotentiometer und einem sich daran anschließenden Widerstand 180 zugeführt.tion amplifier is provided by feedback through a capacitor and resistor timing network 172, and the integrated output signal is connected via a line 174 to a resistor network of resistor 176 in series with a calibration potentiometer and fed to an adjoining resistor 180.

Das Potentiometer 178 bildet eine GammazählwertkalibrLereinstellung, sofern ein Signal auf einen Eingang eines VA-Wandlers 182, ein Gleichspannungsverstärker, gelangt, der an seinen zweiten Eingang an eine Bezugsgleichspannungsquelle angeschlossen ist. Der Wandler 182 ist als integrierte Schaltung des Typs MC1741 ausgebildet, dessen Ausgangssignale am Anschlußpunkt 184 anstehen und über die Leitung 130 zum Zählwertanzeiger 124 in der Betätigungssteuereinheit 100 (Figur 7) zurückgemeldet werden. Das Ausgangssignal auf der Leitung 130 tritt in Gestalt eines Stromanzeigewertes auf, so daß das Zählanzeigeinstrument 124 den Augenblickszählwert der Gammastrahlunaszählung anzeigt, der von der BICRON-Zählröhre 152 erfaßt worden ist.The potentiometer 178 forms a gamma count calibration setting, if a signal arrives at one input of a VA converter 182, a DC voltage amplifier, which is sent to its second Input is connected to a DC reference voltage source. The converter 182 is an integrated circuit of the type MC1741 formed, whose output signals are present at connection point 184 and via line 130 to counter value indicator 124 in the actuation control unit 100 (Figure 7) are reported back. The output on line 130 is in the form of a current reading so that the meter 124 is the Displays the instantaneous gamma ray count as detected by the BICRON counter tube 152.

Der Neigungswert der Bohranordnung 32 wird mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers 186 festgestellt, dessen Ausgangssignal einem VA-Wandlerverstärker 188 der Type MC1741 zugeleitet wird. Das Bezugseingangssignal erhält der Wandlerverstärker über die Leitung 122 von der Bedienungssteuereinheit 100. Das Ausgangssignal des Verstärkers 188 kehrt über die Leitung 132 zum Neigungsmeß- oder Anzeigeinstrument 126 der Steuereinheit»zurück. Der Beschleunigungsmesser 186 stellt die statische Verlagerung fest, wie dies das Gerät Columbia Type SA107 der Columbia Research Laboratories macht. Der Beschleunigungsmesser 186 gibt ein Dauer-Gleichspannungs-Ausgangssignal ab, das dem eingestellten Neigungswinkel proportional ist, wobei ein Signal zwischen 0 und 5 V dem Neigungswinkeibereich zwischen 0 und 90° entspricht.The slope value of the drilling assembly 32 is determined with the aid of an accelerometer 186, the output signal of which is fed to a VA converter amplifier 188 of the MC1741 type. The converter amplifier receives the reference input signal from the operator control unit 100 via the line 122. The output signal of amplifier 188 returns via line 132 to the inclinometer or display instrument 126 of the control unit. Accelerometer 186 detects static displacement, as does the Columbia Columbia Type SA107 device Research Laboratories does. The accelerometer 186 provides a continuous DC voltage output that corresponds to the set The tilt angle is proportional, with a signal between 0 and 5 V corresponding to the tilt angle range between 0 and 90 °.

Die Verdrehung wird in ähnlicher Weise mit Hilfe eines Beschleu-The rotation is carried out in a similar way with the help of an accelerator

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nigungsmessers 190 festgestellt, dessen Ausgangssignal einer identischen Schaltung mit VA-Wandlerverstärker 192 zugeleitet wird. Der Verstärker 192 wird in gleicher Weise mit Hilfe eines Nullabgleichs-Bezugseingangs über die Steuerleitung 122 vorgespannt und die Ausgangsspannung, die ein Maß für die Verdrehung der Bohreinheit darstellt, wird auf einer Leitung 134 an das Drehungsanzeigeinstrument 128 in der Steuereinheit 1OO zurückgegeben .inclinometer 190 found, the output signal of a identical circuit with VA converter amplifier 192 is fed. The amplifier 192 is similarly using a Zero balance reference input biased via control line 122 and the output voltage, which represents a measure of the rotation of the drilling unit, is sent on a line 134 to the Rotation indicating instrument 128 is returned in the control unit 100.

Die Führungssteuerung der Bohrmaschine 32 vom Arbeitsort her ist Gegenstand der US-PS 3,888,319. Der Bedienungsmann kann aufgrund der Ablesungen vom Zählstand, Neigung und Drehung an den entsprechenden Anzeigegeräten 124,126 und 128 fortlaufend die Bohrmaschine 32 in Bezug zur Tonerdeschicht steuern, die darüber und/oder darunter liegt.The guidance control of the drill 32 is from the place of work The subject of U.S. Patent 3,888,319. The operator can, based on the readings of the count, tilt and rotation, on the appropriate Displays 124, 126 and 128 continuously the drill 32 with respect to the layer of earth above and / or below it.

Anfangsmeßdaten für den Gammastrahlenzählwert werden an jeder einzelnen Flözstelle innerhalb des ersten Stückes der Bohrung (Figur 1) erhalten, oder es können andere, direktere Zählablesemittel eingesetzt werden. Nachdem der Gammastrahlenabsorptionskoeffizient des Kohleflözes pro Einheitslänge bestimmt worden ist, kann das Kalibrierpotentiometer 178 (Figur 8) auf einen gewünschten Wert abgestimmt werden, woraufhin dann eine lange Bohrstrecke vorgetrieben werden kann, bei der genaue Gammazählwerte in Zählwertanzeigeinstrument 126 (und damit die Lage der Bohrmaschine zur Trennschicht) angezeigt werden.Initial measurement data for the gamma ray count is obtained at each individual seam location within the first section of the borehole (Figure 1), or other, more direct counting means can be used can be used. After the gamma ray absorption coefficient of the coal seam per unit length has been determined, the calibration potentiometer 178 (FIG. 8) can be set to one desired value can be adjusted, whereupon a long drilling distance can be driven, with the exact gamma counts are displayed in counter value display instrument 126 (and thus the position of the drilling machine in relation to the interface).

Das vorstehend beschriebene Verfahren eignet sich für die Steuerung einer Bohrmaschine durch einen Mineralflöz, insbesondere für das Bohren von Sondierungsbohrungen durch horizontal liegende Kohlenflöze, die über oder unter Tonerdeschichten lagern. Es wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die in den Tonerdeschichten vorhandene natürliche Radioaktivität ausgenützt, da fast immer in der Nähe von Kohlelagern Tonerdeschichten zu finden sind, kann dieses Steuerungsverfahren für das Bohren von Sondie-The method described above is suitable for the control a drilling machine through a mineral seam, especially for drilling exploratory boreholes through horizontal ones Coal seams that lie above or below layers of alumina. In the method according to the invention, it is those in the alumina layers Existing natural radioactivity is exploited, since layers of alumina can almost always be found in the vicinity of coal deposits this control method can be used for drilling probing

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rungsbohrungen in praktisch allen Fällen eingesetzt werden.drilling holes can be used in practically all cases.

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L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (6)

29U607 10674/Mü/Elf U.S. Ser.No.972,656 vom 26.Dezember 1978 CONOCO INC.,Ponca City, OkI.74601 (V.St.A.) Patentansprüche :29U607 10674 / Mü / Elf U.S. Ser.No.972,656 of December 26, 1978 CONOCO INC., Ponca City, OkI. 74601 (V.St.A.) Patent claims: 1.) Verfahren zum Führen einer Erdbohrmaschine in einer ausgewählten Erdschicht, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Bohrung in die Schicht hinein bis zu einer bestimmten Tiefe eingebracht und die an dieser Stella auf die Bohrmaschine treffende Gammastrahlung festgestellt und ein Zählwert ermittelt wird, und daß das Bohren über eine vorbestimmte Strecke durch die Schicht fortgesetzt und die Bohrmaschine dabei derart geführt wird, daß die Zählgeschwindigkeit etwa auf demselben Wert gehalten wird.1.) Method for guiding an earth boring machine in a selected one Earth layer, characterized in that first a bore into the layer up to one A certain depth is introduced and the gamma radiation hitting the drill at this point is determined and a count is determined, and that the drilling continues for a predetermined distance through the layer and the drill thereby is performed in such a way that the counting speed is kept approximately at the same value. 2.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß die Anfangsbohrung ausreichend tief ist, daß die dort herrschende natürliche Gammastrahlung ohne verzerrende äußere Strahlungseinflüsse feststellbar ist.2.) The method according to claim 1, characterized that the initial bore is sufficiently deep that the natural gamma radiation prevailing there without distorting external radiation influences can be determined. 030028/0558030028/0558 ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED 29U60729U607 3.) Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Erdschicht ein Kohlenflöz in im wesentlichen horizontaler Lage ist und daß die Gammastrahlung von dem Kohlenflöz benachbarten Tonerdeablagerungen stammt.3.) The method according to claim 1, characterized in that the selected layer of earth is a coal seam is in a substantially horizontal position and that the gamma radiation from the alumina deposits adjacent to the coal seam originates. 4.) Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , daß in der ersten Tiefe der Gammastrahlungszählwert festgestellt wird, um die Gammastrahlungsabsorption des Kohleflözes in einem bestimmten Abstand von der benachbarten Tonerdeschicht festzustellen, und daß anschließend Neigung und Drehung der Bohrmaschine während des weiteren Bohrverlaufes so gewählt werden, daß der Gammastrahlungszählwert zwischen vorgegebenen Grenzwerten schwankt.4.) The method according to claim 3, characterized that the gamma radiation count is determined at the first depth in order to determine the gamma radiation absorption of the Determine coal seams at a certain distance from the adjacent alumina layer, and that then inclination and Rotation of the drilling machine during the further course of drilling can be selected so that the gamma radiation count between predetermined Limit values fluctuates. 5.) Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet , daß der gemessene Gammastrahlenzählwert und die vorgegebenen Grenzwerte fortlaufend miteinander verglichen werden, um die Bohrmaschine automatisch zu steuern.5.) The method according to claim 4, characterized that the measured gamma ray count and the predetermined limit values are continuously compared with one another to automatically control the drill. 6.) Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Richtungsverlauf der Bohrmaschine mit Hilfe einer an einem Fernbedienungsort empfangenen Anzeige der Gammastrahlungszählwerte gesteuert wird.6.) The method according to claim 1, characterized that the course of the direction of the drill with the help of a received at a remote control location display of the Gamma radiation counts is controlled. 030028/05 5 6030028/05 5 6
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