DE60219186T2

DE60219186T2 - Verfahren und anordnung zur steuerung von schlagbohren auf grundlage des aus der gemessenen vorschubrate ermittelten belastungsgrads

Info

Publication number: DE60219186T2
Application number: DE60219186T
Authority: DE
Inventors: Markku Keskiniva
Original assignee: Sandvik Mining and Construction Oy
Current assignee: Sandvik Mining and Construction Oy
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: FI20012022A; ZA200402881B; WO2003033873A1; DE60219186D1; NO20041970L; US20040251049A1; JP4116556B2; CA2463603C; CN1571878A; CA2463603A1; ATE358225T1; CN1300444C; EP1436486A1; EP1436486B1; FI115037B; US7114576B2; FI20012022A0; JP2005505711A; NO325260B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren in Verbindung mit einer Gesteinsbohrvorrichtung, welche Gesteinsbohrvorrichtung umfasst: eine Gesteinsbohrmaschine, die mit einem Schlaggerät, einem Vorschubgerät und einem Werkzeug versehen ist, wobei das Werkzeugende einen Einsatz zum Brechen von Gestein umfasst und das Werkzeug angeordnet ist, um durch das Schlaggerät erzeugte Schlagenergie als eine Druckspannungswelle zum Einsatz zu übertragen, und wobei das Vorschubgerät angeordnet ist, um das Werkzeug und den Einsatz gegen das zu bohrende Gestein zu stoßen, wodurch beim Bohren mindestens ein Teil der durch das Schlaggerät zum Werkzeug erzeugten Druckspannungswelle vom zu bohrenden Gestein zurück zum Werkzeug als Zugspannung reflektiert wird.
Die Erfindung betrifft weiter eine Anordnung in Verbindung mit einer Gesteinsbohrvorrichtung, welche Gesteinsbohrvorrichtung umfasst: eine Gesteinsbohrmaschine, die mit einem Schlaggerät, einem Vorschubgerät und einem Werkzeug versehen ist, wobei das Werkzeugende einen Einsatz zum Brechen von Gestein umfasst und das Werkzeug angeordnet ist, um durch das Schlaggerät erzeugte Schlagenergie als eine Druckspannungswelle zum Einsatz zu übertragen, und wobei das Vorschubgerät angeordnet ist, um das Werkzeug und den Einsatz gegen das zu bohrende Gestein zu stoßen, wodurch beim Bohren mindestens ein Teil der durch das Schlaggerät zum Werkzeug erzeugten Druckspannungswelle vom zu bohrenden Gestein zurück zum Werkzeug als Zugspannung reflektiert wird.
Gesteinsbohrmaschinen werden zum Bohren und Ausheben von Gestein, z.B. in Untertagegruben, Tagebausteinbrüchen und Landbaustellen verwendet. Bekannte Gesteinsbohr- und Aushebeverfahren umfassen Schräm-, Brech- und Schlagverfahren. Schlagverfahren sind am häufigsten in Verbindung mit Hartgesteinstypen in Gebrauch. Beim Schlagverfahren wird das Werkzeug der Bohrmaschine sowohl gedreht als auch geschlagen. Gestein bricht jedoch hauptsächlich durch die Wirkung eines Schlags. Die Hauptfunktion der Drehung besteht darin, um sicherzustellen, dass Knöpfe oder andere Verschleißteile des Bohreinsatzes oder Einsatzes am äußeren Ende des Werkzeugs immer auf einen neuen Fleck im Gestein auftreffen. Die Gesteinsbohrmaschine umfasst im Allgemeinen ein hydraulisch betriebenes Schlaggerät, dessen Schlagkolben das Werkzeug mit den notwendigen Druckspannungswellen versieht, und einen Drehmotor, der von dem Schlaggerät separat ist. Bei dem Schlagverfahren erfordert ein wirkungsvolles Brechen von Gestein, dass der Einsatz im Augenblick eines Schlags gegen die Gesteinsoberfläche anliegt. Die Schlagenergie des Schlaggerätpralls erzeugt im Werkzeug eine Druckspannungswelle, die vom Werkzeug und zum Einsatz, der im Werkzeugende angeordnet ist, und davon weiter zum Gestein übertragen wird. Im Allgemeinen wird bei allen Bohrbedingungen ein Teil der Druckspannungswelle zurück zum Werkzeug als Zugspannung reflektiert. Wenn das Gestein spröde ist und der Gestein/Einsatz-Kontakt schlecht ist, ist das Niveau von Zugspannung bei der vom Gestein reflektierenden Welle hoch. Wenn ein Bohren in sprödes Gestein mit übermäßiger Schlagenergie fortgesetzt wird, führt dies im Allgemeinen zu abgenutzten Gewindeverbindungen zwischen den Bohrstangen und/oder vorzeitigen Ermüdungsausfällen des Bohrwerkzeugs.
Im Allgemeinen ist das Verfahren, das gegenwärtig zur Bohrsteuerung verwendet wird, ein sogenanntes Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerungsverfahren, nicht imstande, ein Bohren in sprödes Gestein mit übermäßiger Schlagenergie zu verhindern. Beim Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerungsverfahren wird der Schlagdruck auf der Grundlage des Vorschubs der Bohrmaschine gesteuert. Die gegenseitige Abhängigkeit des Schlagdrucks und des Vorschubdrucks beim Gesteinsbohren wird z.B. im US-Patent 5,778,990 dargelegt. Wenn sprödes Gestein gebohrt wird, bleibt der Vorschubdruck im Sollwert. Nur wenn die Geschwindigkeitsgrenze, die für den Vorschub der Bohrmaschine vorgegeben ist, überschritten wird, fällt der Vorschubdruck und der Druck des Schlags zusammen mit ihm ab. Jedoch steigt z.B. in einer Situation, wo das Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerungsverfahren zum Bohren von hartem zu sprödem Gestein verwendet wird, die Eindringgeschwindigkeit des Bohrens an. In der Praxis ist es unmöglich, die Geschwindigkeitsgrenze des Vorschubs so vorzugeben, dass sie ausreichend genau für Eindringgeschwindigkeitswerte von unterschiedlichen Gesteinstypen ist, damit die Geschwindigkeitsgrenze der Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerung den Vorschubdruck auf eine gewünschte Weise beschränkt. Weil die Eindringgeschwindigkeit des Bohrens folglich unter der Geschwindigkeitssteuergrenze, die für den Vorschub vorgegeben ist, bleibt, bleiben der Vorschubdruck und als Folge der Schlagdruck bei dem ursprünglichen Niveau, was zu einer hohen Zugspannung in dem Werkzeug führt. Allgemein gesprochen ist die Geschwindigkeitsgrenze konstant, und sie wird so hoch vorgegeben, dass sie keine Änderung im Gesteinstyp detektiert, sondern nur ein Bohren in einen Hohlraum.
Die US 4,671,366 offenbart ein Verfahren zum Optimieren des Bohrvermöges eines Bohrgeräts auf Grundlage des Vergleichs von Parametern einer in einer Bohrstange vorrückenden Spannungswelle und einer reflektierten Spannungswelle mit statistisch oder experimentell bestimmten normativen Parametern von Spannungswellen zum optimalen Bohren und Einstellen von Variablen eines Bohrens auf Grundlage des Vergleichs.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Lösung bereitzustellen, um eine Schlagenergie einer Bohrmaschine einzustellen.
Das Verfahren der Erfindung ist durch Einstellen von Schlagenergie des Schlaggeräts auf der Grundlage des Niveaus von Zugspannung, die vom zu boh renden Gestein zum Werkzeug reflektiert wird, gekennzeichnet.
Die Anordnung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Schlagenergie des Schlaggeräts so eingerichtet ist, dass sie auf der Grundlage des Niveaus von Zugspannung, die vom zu bohrenden Gestein zum Werkzeug reflektiert wird, eingestellt wird.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, dass in einer Gesteinsbohrvorrichtung, umfassend eine Gesteinsbohrmaschine, die mit einem Schlaggerät, einem Vorschubgerät und einem Werkzeug versehen ist, wobei das Werkzeugende einen Einsatz zum Brechen von Gestein umfasst und das Werkzeug angeordnet ist, um durch das Schlaggerät erzeugte Schlagenergie als eine Druckspannungswelle zum Einsatz zu übertragen, und wobei das Vorschubgerät angeordnet ist, um das Werkzeug und den Einsatz gegen das zu bohrende Gestein zu stoßen, wodurch beim Bohren mindestens ein Teil der durch das Schlaggerät zum Werkzeug erzeugten Druckspannungswelle vom zu bohrenden Gestein zurück zum Werkzeug als Zugspannung reflektiert wird, Schlagenergie des Schlaggeräts auf der Grundlage des Niveaus des von dem zu bohrenden Gestein zum Werkzeug reflektierenden Zugspannung eingestellt wird. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Niveau der Zugspannung, die vom Gestein zum Werkzeug reflektiert, auf der Grundlage der gegenseitigen Abhängigkeit der Bohreindringgeschwindigkeit und des Zugspannungsniveaus bestimmt. Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird die gegenseitige Abhängigkeit der Bohreindringgeschwindigkeit und des Zugspannungsniveaus genutzt durch: Vorgeben eines Schlagdrucks, der im Schlaggerät zu verwenden ist, Vorgeben des höchsten zulässigen Zugspannungsniveaus, dem das Werkzeug der Gesteinsbohrmaschine ausgesetzt wird, Bestimmen der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit eines Bohrens auf der Grundlage des Schlagdrucks, der verwendet wird, und des höchsten zulässigen Zuspannungsniveaus, Bestimmen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit eines Bohrens, Vergleichen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit eines Bohrens mit der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit, und wenn die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit überschreitet, der Betrieb der Gesteinsbohrmaschine so eingestellt wird, dass sich die Schlagenergie des Schlaggeräts auf ein Niveau verringert, wo die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit höchstens gleich der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit eines Bohrens ist, wodurch das Zugspannungsniveau, dem das Werkzeug der Gesteinsbohrmaschine ausgesetzt wird, unter dem vorgegebenen höchsten zulässigen Zugspannungsniveau bleibt.
Die Erfindung weist einen Vorteil auf, dass es möglich ist, die Belastung des Bohrwerkzeugs auf eine einfache Weise direkt zu beeinflussen und folglich die Betriebslebensdauer des Werkzeugs zu beeinflussen, und dass es möglich ist, die Schlagenergie genau einzustellen, um verschiedenen Gesteinstypen zu ent sprechen. Eine Ausführung der Lösung erfordert nur eine Messung der Bohreindringgeschwindigkeit, es werden keine anderen Messungen unbedingt benötigt. Eine Steuerfähigkeit des Bohrens verbessert sich beträchtlich, weil das Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerungsverfahren überhaupt nicht reagiert, wenn es keine Änderung im Vorschubdruck gibt. Weiter liefert die Lösung Information über Härte des Gesteins in diesem Augenblick mit einer gegebenen Genauigkeit.
Im Folgenden verwendet das vorliegende Schriftstück auch einen anderen Parameter, Eindringwiderstand von Gestein, zusätzlich zur Gesteinshärte. In Übereinstimmung mit der Definition beschreibt der Eindringwiderstand von Gestein die Beziehung zwischen einem Bohreinsatz- oder Einsatzeindringen und der dagegen Widerstand leistenden Kraft, die hauptsächlich von einer Härte des Gesteins und einer Geometrie des Bohreinsatzes oder Einsatzes abhängt. Folglich berücksichtigt der Eindringwiderstand sowohl gegebene Charakteristika des Bohreinsatzes oder Einsatzes als auch die Härte des Gesteins.
Im Folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen in größerer Einzelheit beschrieben.
1 ist eine schematische Seitenansicht einer Gesteinsbohrvorrichtung, auf die die Lösung der Erfindung angewandt wird;
2 stellt schematisch eine Zugspannung, die durch eine Gesteinsbohrmaschinenpralleinheit erzeugt ist, bei unterschiedlichen Eindringwiderständen von Gestein dar;
3 stellt schematisch eine Eindringtiefe eines Einsatzknopfs, die durch eine Gesteinsbohrmaschinenpralleinheit oder Schlageinheit erzeugt ist, bei unterschiedlichen Eindringwiderständen von Gestein dar;
4 stellt schematisch eine gegenseitige Abhängigkeit von Schlaggeschwindigkeit und Schlagdruck eines Schlaggeräts bei einer Gesteinsbohrmaschine dar;
5 stellt schematisch eine gegenseitige Abhängigkeit von Schlagfrequenz und Schlagdruck eines Schlaggeräts bei einer Gesteinsbohrmaschine dar; und
6 stellt schematisch die höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeiten eines Bohrwerkzeugs bei unterschiedlichen Zugspannungsniveaus dar.
1 stellt eine schematische und stark vereinfachte Seitenansicht einer Gesteinsbohrvorrichtung 1 dar, bei der die Lösung der Erfindung genutzt wird. Die Gesteinsbohrvorrichtung 1 von 1 umfasst einen Ausleger 2, an dessen Ende es einen Vorschubträger 3 gibt, der eine Gesteinsbohrmaschine 6 einschließlich eines Schlaggeräts 4 und eines Drehgeräts 5 umfasst. Das Drehgerät 5 überträgt eine kontinuierliche Drehkraft auf ein Werkzeug 7, durch deren Wirkung ein Einsatz 8, der mit dem Werkzeug 7 verbunden ist, seine Position nach einem Schlag ändert und bei einem anschließenden Schlag auf einen neuen Fleck im Gestein auftrifft. Herkömmlicherweise umfasst das Schlaggerät 4 einen Schlagkolben, der sich durch die Wirkung eines Druckmediums bewegt, welcher Schlagkolben auf das rückwärtige Ende des Werkzeugs 7 oder einen Schaft auftrifft, der zwischen dem Werkzeug 7 und dem Schlaggerät 4 angeordnet ist. Natürlich kann die Struktur des Schlaggeräts 4 auch von einem anderen Typ sein. Z.B. ist es möglich, den Schlagimpuls mit Einrichtungen zu erzeugen, die auf Elektromagnetismus beruhen. Schlaggeräte auf Grundlage einer Eigenschaft dieser Art werden hierin auch als Schlaggeräte betrachtet. Das rückwärtige Ende des Werkzeugs 7 ist mit der Gesteinsbohrmaschine 6 verbunden, und das äußere Ende oder Ende des Werkzeugs 7 umfasst einen festen oder abnehmbaren Einsatz 8 zum Brechen von Gestein. Während eines Bohrens wird der Einsatz 8 mit einem Vorschubgerät 9 gegen das Gestein gestoßen. Das Vorschubgerät 9 ist im Vorschubträger 3 angeordnet, und die Gesteinsbohrmaschine 6 ist in Verbindung damit bewegbar angeordnet. Typischerweise ist der Einsatz 8 ein sogenannter Bohreinsatz mit Einsatzknöpfen 8a, aber andere Einsatzstrukturen sind auch möglich. Wenn tiefe Löcher gebohrt werden, d.h. bei einem sogenannten Verlängerungsstangenbohren, werden Bohrstangen 10a bis 10c, deren Anzahl von der Tiefe des zu bohrenden Lochs abhängt und die das Werkzeug 7 bilden, zwischen dem Einsatz 8 und der Bohrmaschine 6 angeordnet.
In 1 ist die Gesteinsbohrvorrichtung 1 beträchtlich kleiner, als sie in Wirklichkeit verglichen mit der Struktur der Gesteinsbohrmaschine 6 ist, dargestellt. Zwecks Klarheit umfasst die Gesteinsbohrvorrichtung 1 von 1 nur einen Ausleger 2, Vorschubträger 3, Gesteinsbohrmaschine 6 und Vorschubgerät 9, aber es ist ersichtlich, dass die Gesteinsbohrvorrichtung typischerweise mit einer Mehrzahl von Auslegern 2 versehen ist und ein Vorschubträger 3 mit einer Gesteinsbohrmaschine 6 versehen ist und ein Vorschubgerät 9 am Ende jedes Auslegers 2 angeordnet ist. Weiter ist es ersichtlich, dass im Allgemeinen die Gesteinsbohrmaschine 6 auch ein Spülgerät umfasst, um zu verhindern, dass der Einsatz 8 eine Blockierung erfährt, aber zwecks Klarheit ist das Spülgerät in 1 weggelassen.
Die durch das Schlaggerät 4 erzeugte Schlagenergie wird als eine Druckspannungswelle durch die Bohrstangen 10a bis 10c in Richtung auf den Einsatz 8 am Ende der äußersten Bohrstange 10c übertragen. Wenn die Druckspannungswelle den Einsatz 8 erreicht, schlagen der Einsatz 8 und die Einsatzknöpfe 8a darin auf das zu bohrende Material, wobei eine starke Druckspannung hervorgerufen wird, durch deren Wirkung Brüche im zu bohrenden Gestein gebildet werden. Wenn die Schlagenergie des Schlaggeräts 4 im Vergleich mit der Gesteinshärte übermäßig ist, entsteht ein Problem, dass das Zugspannungsniveau im Bohrwerkzeug unnötig hoch wird. Wenn ein Bohren in sprödes Gestein mit übermäßiger Schlagenergie fortgesetzt wird, führt dies im Allgemeinen zu abgenutzten Gewinde verbindungen zwischen den Bohrstangen 10a bis 10c und/oder vorzeitigen Ermüdungsausfällen des Bohrwerkzeugs.
Die Lösung der Erfindung zum Einstellen der Schlagenergie beruht auf der Tatsache, dass es möglich ist, für jede Bohrmaschinen/Werkzeug/Einsatz-Kombination ein Spannungsniveau zu berechnen, das bei unterschiedlichen Eindringwiderständen von Gestein durch eine Schlageinheit im Werkzeug 7 hervorgerufen wird. Die Schlageinheit ist ein Schlag, dessen Geschwindigkeit v_i 1 m/s ist. 2 stellt schematisch eine Zugspannungseinheit σ_v ¹ dar, die durch die Schlageinheit bei unterschiedlichen Eindringwiderständen K₁ von Gestein hervorgerufen wird, wobei der Eindringwiderstand zwischen K₁ = 10–1000 kN/mm variiert. Für einen Einsatztyp beträgt der Eindringwiderstand von Gestein in sprödem Gestein K₁ = 10 kN/mm und entsprechend für einen Einsatztyp der Eindringwiderstand von Gestein in hartem Gestein K₁ = 1000 kN/mm. Die horizontale Achse in 2 stellt den Eindringwiderstand von Gestein K₁ dar, und die vertikale Achse stellt die reflektierte Zugspannungseinheit σ_v ¹ dar.
Ein Schlag mit einer Geschwindigkeit v_i ruft zum Werkzeug ein Zugspannungsniveau von σv = viσv 1 (1)hervor, wobei σ_v ¹ die Zugspannung ist, die der Schlageinheit bei einem gegebenen Eindringwiderstand von Gestein K₁ entspricht, wie in 2 dargestellt. Folglich bewirkt ein Schlag mit einer Geschwindigkeit v_i = 9,5 m/s in Gestein, dessen Eindringwiderstand K₁ = 300 kN/mm ist, in Übereinstimmung mit Formel (1) zum Werkzeug eine Zugspannung von σ_v = 9,5·12 = 114 MPa. Entsprechend veranlasst derselbe Schlag die Einsatzknöpfe 8a des Bohreinsatzes 8, wie folgt einzudringen: un = viun 1 (2)wobei u_n ¹ die Eindringtiefe des Einsatzknopfes 8a entsprechend der Schlageinheit bei einem gegebenen Eindringwiderstand K₁ ist, wie schematisch in 3 dargestellt. Z.B. bewirkt ein Schlag mit einer Geschwindigkeit v_i = 9,5 m/s in Material, dessen Eindringwiderstand K₁ = 300 kN/mm ist, eine Knopfeindringtiefe u_n = 9,5·0,125 = 1,19 mm.
Eine Nettoeindringgeschwindigkeit NPR eines Bohrens kann durch die Formel NPR = αf(un)β (3)veranschlagt werden, wo f die Schlagfrequenz ist, α und β Konstanten sind, die die Beziehung zwischen der Eindringtiefe der Bohreinsatzknöpfe und dem ganzen Bohreinsatz darstellen. Die Konstanten α und β hängen vom Durchmesser des zu bohrenden Lochs und der Bohreinsatzgeometrie ab, und sie können mit einer ausreichenden Genauigkeit auf Grundlage des Durchmessers des äußersten Knopfes im Bohreinsatz, des Durchmessers des Bohreinsatzes und der Anzahl der äußersten Knöpfe definiert werden. Weiter ist es möglich, charakteristische Kurven für jede Bohrmaschine zu bestimmen, welche Kurven beschreiben, wie die Schlaggeschwindigkeit v_i und die Schlagfrequenz f vom Schlagdruck abhängen. Während des Bohrens kann die Schlagfrequenz f z.B. von einer Druckmediumpulsation der Bohrmaschine gemessen werden. 4 stellt schematisch die gegenseitige Abhängigkeit der Schlaggerät-Schlaggeschwindigkeit v_i und des Schlagdrucks dar, auf der horizontalen Achse ist der Schlagdruck in Bar angegeben, und auf der vertikalen Achse ist die Schlaggeschwindigkeit des Schlagkolbens des Schlaggeräts 4 in Meter pro Sekunde angegeben. 5 wiederum stellt schematisch die gegenseitige Abhängigkeit der Schlagfrequenz f und des Schlagdrucks dar, auf der horizontalen Achse ist der Schlagdruck in Bar angegeben, und auf der vertikalen Achse ist die Schlagfrequenz des Schlagkolbens des Schlaggeräts 4 in Hertz angegeben.
Eine Einstellkurve, die zur Schlagenergieeinstellung erforderlich ist, wird auf die folgende Weise erhalten:

1. gib das höchste zulässige Zugspannungsniveau σ_v ^max vor,
2. bestimme eine Schlaggeschwindigkeit v_i und Schlagfrequenz f entsprechend jedem Schlagdruck,
3. von der bei Punkt 2 erhaltenen Schlaggeschwindigkeit v_i: suche mittels Formel (1) und der Kurve von 2 nach dem niedrigsten zulässigen Eindringwiderstandswert K₁ ^min, der ermöglicht, dass die Zugspannungen unter dem höchsten zulässigen Wert σ_v ^max bleiben,
4. der höchste zulässige Knopfeindringwert u_n ^max entsprechend dem niedrigsten zulässigen Gesteinseindringwiderstandswert K₁ ^min wird durch Formel (2) und mittels der Kurve in 3 erhalten,
5. die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max wird aus Formel (3) erhalten, wenn Konstanten α und β, Schlagfrequenz f und der höchste zulässige Knopfeindringwert u_n ^max bekannt sind. Auf diese Weise ist es möglich, für die vorgegebenen Zugspannungsniveaus die Eindringgeschwindigkeitskurven zu bestimmen, die die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max als eine Funktion von Schlagdruck beschreiben,
6. wenn die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max während des Bohrens überschritten wird, wird das höchste zulässige Zugspannungsniveau σ_v ^max auch überschritten. Deshalb sollte ein Schlagdruck verringert werden, so dass die Zugspannungen verringert werden.

Wenn eine Bohrmaschine verwendet wird, wo die Hublänge des Schlagkolbens des Schlaggeräts 4 geändert werden kann, kann die Schlaggeschwindigkeit v_i verringert werden, indem z.B. die Hublänge eingestellt wird, wodurch sich die Schlagfrequenz f entsprechend erhöht. Die Schlagenergie bleibt dann konstant, aber die Schlagenergie verringert sich auf das zulässige Niveau. Die Einstellkurven sind dann geringfügig verschieden, weil eine Änderung in der Schlagfrequenz f berücksichtigt werden muss.
Beispiel
6 stellt schematisch in durchgehenden Linien die höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeiten NPR^max bei einem Bohrwerkzeug bei unterschiedlichen Zugspannungsniveaus σ_v dar. Die unterbrochenen Linien sind Hilfslinien, die den Eindringwiderstand K₁ des zu bohrenden Gesteins beschreiben, die dabei helfen, die Eindringgeschwindigkeiten NPR bei unterschiedlichen Eindringwiderständen K₁ des zu bohrenden Gesteins und unterschiedlichen Schlagdrücken zu verstehen. Zu Beginn findet das Bohren an einem Arbeitspunkt A statt, wo der Schlagdruck 220 Bar ist und der Eindringwiderstand des Gesteins etwa 300 kN/mm ist. Das höchste zulässige Zugspannungsniveau σ_v ^max, das von der Bohrmaschinenbedienperson vorgegeben ist, ist 140 MPa. Die Bohreindringgeschwindigkeit am Arbeitspunkt A ist 3,1 m/min, so dass die Eindringgeschwindigkeit niedriger als die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max = 3,5 m/min entsprechend dem Schlagdruck ist. Während das Bohren fortschreitet, wird das Gestein zum Eindringwiderstandswert K₁ = 200 kN/mm plötzlich spröder, was in Beziehung zum Arbeitspunkt B von 6 steht, wo die Eindringgeschwindigkeit 3,9 m/min ist, d.h. die Eindringgeschwindigkeit ist höher, als was für den Schlagdruck zulässig ist. Die Einstelllösung antwortet darauf, indem der Schlagdruck abfällt, bis der Arbeitspunkt C erreicht ist, wo der Schlagdruck 175 Bar ist und die Eindringgeschwindigkeit 3,3 m/min ist, was die höchste Eindringgeschwindigkeit ist, die für den Schlagdruck bei der Härte des zu bohrenden Materials zulässig ist.
Die Lösung der Erfindung ermöglicht, dass es möglich ist, die Belastung des Bohrwerkzeugs direkt auf eine einfache Weise zu beeinflussen und folglich die Betriebslebensdauer des Werkzeugs zu beeinflussen. Es ist möglich, die Schlagenergie genau einzustellen, um verschiedenen Gesteinstypen zu entsprechen. Eine Ausführung der Lösung erfordert nur die Messung der Bohreindringgeschwindigkeit, es werden keine anderen Messungen unbedingt benötigt. Die Lösung verbessert die Steuerfähigkeit des Bohrens beträchtlich, weil das Vorschub-Schlag-Nachlaufsteuerungsverfahren überhaupt nicht reagiert, wenn es keine Änderung im Vorschubdruck gibt. Weiter liefert die Lösung Information über Härte des zu bohrenden Gesteins in diesem Augenblick mit einer gegebenen Genauigkeit. Weiter, wenn die Bohrmaschine mit einer einstellbaren Hublänge versehen ist, ist es möglich, statt Schlagdruck Schlagfrequenz und Schlaggeschwindigkeit so einzustellen, dass sie für die Gesteinshärte passen, so dass sich die Schlagenergie verringert, aber die Schlagenergie ungefähr konstant bleibt.
Die Eindringgeschwindigkeit NPR der Bohrmaschine wird auf der Grundlage der Messung gemessen, die durch eine Messeinrichtung 11 ausgeführt wird, die in Verbindung mit der Bohrmaschine 6 angeordnet ist. Die Messeinrichtung 11 kann direkt eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Bohrmaschine 6 auf dem Vorschubträger 3 messen, oder sie kann die Bewegung der Bohrmaschine 6 auf dem Vorschubträger 3 messen, wodurch eine Eindringgeschwindigkeit eines Bohrens auf der Grundlage der Bewegung, die gemacht wird, und der Zeit, die gebraucht wird, bestimmt werden kann. Die Messmitteilung der Messeinrichtung 11 wird zu einer Steuereinheit 12 übertragen, die vorteilhafterweise ein auf einem Mikroprozessor oder Signalprozessor beruhendes Datenverarbeitungs- und Steuergerät ist, das ein an eine Pumpe 13 anzulegendes Steuersignal 14 auf der Grundlage des Messsignals, das durch die Messeinrichtung 11 geliefert wird, und von Defaultwerten, die von der Bedienperson vorgegeben sind, bestimmt. Die Defaultwerte, die von der Bedienperson vorgegeben sind, umfassen den Schlagdruck HP des Schlaggeräts 4, wenn das Bohren gestartet wird, und das höchste zulässige Zugspannungsniveau σ_v ^max während des Bohrens. Auf der Grundlage dieser zwei Anfangswerte bestimmt die Steuereinheit 12 auf die oben beschriebene Weise die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max, mit der die Eindringgeschwindigkeit, die durch die Messeinrichtung 11 gemessen ist, verglichen wird. Wenn die gemessene Eindringgeschwindigkeit die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit NPR^max überschreitet, wird der Schlagdruck des Schlaggeräts 4 verringert. Die Pumpe 13 pumpt Druckfluid durch einen Druckkanal 15 in der Richtung von Pfeil A in das Schlaggerät 4, um einen Hub des Schlagkolbens zu erzeugen. Während des Rückhubs des Schlagkolbens fließt das Druckfluid durch einen Rückkanal 16 in einen Behälter 17 in der Richtung von Pfeil B. Zwecks Klarheit ist die Struktur des Schlaggeräts nur schematisch in 1 dargestellt, und z.B. sind ein oder mehrere Steuerventile, die zum Steuern des Schlaggeräts auf eine an sich bekannte Weise verwendet werden, in 1 weggelassen worden.
Die Zeichnungen und die in Beziehung stehende Beschreibung sollen die erfinderische Idee nur veranschaulichen. Die Einzelheiten der Erfindung können im Umfang der Ansprüche variieren. Folglich kann, statt dass sie hydraulisch betrieben wird, die Bohrmaschine auch eine pneumatisch oder elektrisch betriebene Bohrmaschine sein.

Claims

Verfahren in Verbindung mit einer Gesteinsbohrvorrichtung, welche Gesteinsbohrvorrichtung (1) umfasst: eine Gesteinsbohrmaschine (6), die mit einem Schlaggerät (4), einem Vorschubgerät (9) und einem Werkzeug (7) versehen ist, wobei das Werkzeug(7)-Ende einen Einsatz (8) zum Brechen von Gestein umfasst und das Werkzeug (7) angeordnet ist, um durch das Schlaggerät (4) erzeugte Schlagenergie als eine Druckspannungswelle zum Einsatz (8) zu übertragen, und wobei das Vorschubgerät (9) angeordnet ist, um das Werkzeug (7) und den Einsatz (8) gegen das zu bohrende Gestein zu stoßen, wodurch beim Bohren mindestens ein Teil der durch das Schlaggerät (4) zum Werkzeug (7) erzeugten Druckspannungswelle vom zu bohrenden Gestein zurück zum Werkzeug (7) als Zugspannung reflektiert wird, wobei das Verfahren ein Bestimmen einer Bohreindringgeschwindigkeit (NPR) umfasst und dadurch gekennzeichnet ist, dass das Niveau von Zugspannung (σ_v), die vom zu bohrenden Gestein zum Werkzeug (7) reflektiert wird, auf der Grundlage der gegenseitigen Abhängigkeit von Bohreindringgeschwindigkeit (NPR) und dem Niveau der Zugspannung (σ_v) bestimmt wird, und dadurch, dass die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) auf der Grundlage des Niveaus von Zugspannung (σ_v) eingestellt wird, die vom zu bohrenden Gestein zum Werkzeug (7) reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Vorgeben eines Schlagdrucks, der im Schlaggerät (4) zu verwenden ist, Vorgeben des höchsten zulässigen Zugspannungsniveaus (σ_v ^max), dem das Werkzeug (7) der Gesteinsbohrmaschine (6) ausgesetzt wird, Bestimmen der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) eines Bohrens auf der Grundlage des Schlagdrucks, der verwendet wird, und des höchsten zulässigen Zuspannungsniveaus (σ_v ^max), Bestimmen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit (NPR) eines Bohrens, Vergleichen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit (NPR) eines Bohrens mit der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max), und wenn die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit (NPR) die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) überschreitet, der Betrieb der Gesteinsbohrmaschine (6) so eingestellt wird, dass sich die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) auf ein Niveau verringert, wo die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit (NPR) höchstens gleich der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) eines Bohrens ist, wodurch das Zugspannungsniveau, dem das Werkzeug (7) der Gesteinsbohrmaschine (6) ausgesetzt wird, unter dem vorgegebenen höchsten zulässigen Zugspannungsniveau (σ_v ^max) bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Bestimmen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit (NPR) des Bohrens, indem die Vorrückgeschwindigkeit der Gesteinsbohrmaschine (6) auf dem Vorschubträger (3) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einstellen der Schlagenergie des Schlaggeräts (4), indem der Schlagdruck des Schlaggeräts (4) geändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge des Schlagkolbens des Schlaggeräts (4) einstellbar ist und dass die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) eingestellt wird, indem die Hublänge des Schlagkolbens des Schlaggeräts (4) geändert wird.
Anordnung in Verbindung mit einer Gesteinsbohrvorrichtung, welche Gesteinsbohrvorrichtung (1) umfasst: eine Gesteinsbohrmaschine (6), die mit einem Schlaggerät (4), einem Vorschubgerät (9) und einem Werkzeug (7) versehen ist, wobei das Werkzeug(7)-Ende einen Einsatz (8) zum Brechen von Gestein umfasst und das Werkzeug (7) angeordnet ist, um durch das Schlaggerät (4) erzeugte Schlagenergie als eine Druckspannungswelle zum Einsatz (8) zu übertragen, und wobei das Vorschubgerät (9) angeordnet ist, um das Werkzeug (7) und den Einsatz (8) gegen das zu bohrende Gestein zu stoßen, wodurch beim Bohren mindestens ein Teil der durch das Schlaggerät (4) zum Werkzeug (7) erzeugten Druckspannungswelle vom zu bohrenden Gestein zurück zum Werkzeug (7) als Zugspannung reflektiert wird, wobei die Anordnung eine Messeinrichtung (11) zum Bestimmen einer Bohreindringgeschwindigkeit (NPR) umfasst, und dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Steuereinheit (12) umfasst, die angeordnet ist, um das Niveau von Zugspannung (σ_v), die vom zu bohrenden Gestein zum Werkzeug (7) reflektiert wird, auf der Grundlage der gegenseitigen Abhängigkeit der Eindringgeschwindigkeit (NPR) des Bohrens und dem Niveau von Zugspannung (σ_v) zu bestimmen, und dass die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) eingerichtet ist, um auf der Grundlage des Niveaus von Zugspannung (σ_v) eingestellt zu werden, die vom zu bohrenden Gestein zum Werkzeug (7) reflektiert wird.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) Einrichtungen umfasst zum Vorgeben eines Schlagdrucks, der im Schlaggerät (4) zu verwenden ist, Vorgeben des höchsten zulässigen Zugspannungsniveaus (σ_v ^max) dem das Werkzeug (7) der Gesteinsbohrmaschine (6) ausgesetzt wird, Bestimmen der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) eines Bohrens auf der Grundlage des Schlagdrucks, der verwendet wird, und des höchsten zulässigen Zugspannungsniveaus (σ_v ^max) Bestimmen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit (NPR) eines Bohrens, Vergleichen der tatsächlichen Eindringgeschwindigkeit (NPR) eines Bohrens mit der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max), und wenn die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit (NPR) die höchste zulässige Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) überschreitet, Einstellen des Betriebs der Gesteinsbohrmaschine (6), so dass sich die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) auf ein Niveau verringert, wo die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit (NPR) höchstens gleich der höchsten zulässigen Eindringgeschwindigkeit (NPR^max) eines Bohrens ist, wodurch das Zugspannungsniveau, dem das Werkzeug (7) der Gesteinsbohrmaschine (6) ausgesetzt wird, unter dem vorgegebenen höchsten zulässigen Zugspannungsniveau (σ_v ^max) bleibt.
Anordnung nach den Ansprüchen 6 oder 7, gekennzeichnet durch Umfassen einer Messeinrichtung (11), die angeordnet ist, um die tatsächliche Eindringgeschwindigkeit (NPR) des Bohrens zu bestimmen, indem die Vorrückgeschwindigkeit der Gesteinsbohrmaschine (6) auf dem Vorschubträger (3) gemessen wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) eingerichtet ist, um durch Ändern des Schlagdrucks einstellbar zu sein.
Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hublänge des Schlagkolbens des Schlaggeräts (4) einstellbar ist und dass die Schlagenergie des Schlaggeräts (4) eingerichtet ist, um durch Ändern der Hublänge des Schlagkolbens einstellbar zu sein.