DE8633905U1

DE8633905U1 - Drilling rig with control for various functional units

Info

Publication number: DE8633905U1
Application number: DE19868633905
Authority: DE
Original assignee: Bergwerksverband GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH
Priority date: 1986-12-18
Filing date: 1986-12-18
Publication date: 1988-11-10

Description

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BERGWERKSVERBAND GMBH 'MINING ASSOCIATION GMBH ' VERSUCHSBETRIEBE DER BERGBAU-FORSCHUNGMINING RESEARCH EXPERIMENTAL OPERATIONS

4300 Esten 13 (Kray)4300 Estonians 13 (Kray)

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Gebrauchsmuster- &tgr;.,.,&ogr;&eegr; ,020,, ,öl,Utility model- &tgr;.,.,&ogr;&eegr; ,020,, ,oil,

01.03.198801.03.1988

ZV-PV 1/30/86
Ha/ObZV-PV 1/30/86
Ha/Ob

Bohrgerät mit Steuerung für verschiedene Funktionseinheiten Drilling rig with control for various functional units

Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a drilling device according to the preamble of claim 1.

FunKtionseinheiten an Bohrgeräten zur Auffahrung vertikaler oder horizontaler Bohrungen im Brunnen- und Tunnelbau sowie im Bergbau werden zur Zeit rein mechanisch, elektro-mechanisch oder hydro-pneumatisch betätigt. Diese Betätigung erfolgt über Gestänge oder Leitungen, die meist im Gestänge verlegt sind. Ein störungsfreier Funktionsablauf ist dabei, bedingt durch die vorliegenden Betriebsbedingungen, nicht gesichert. Nachteilig ist außerdem, daß eine Rückmeldung über den jeweiligen Zustand der einzelnen Funktionseinheit nicht erfolgen kann, so daß eine Kontrolle über die Ausführung der eingeleiteten Funktion bzw. des Steuervorgangs nicht gegeben ist. Dies ist in den vorgesehenen Arbeitsbereichen nicht möglich, weil dort der Einsatz einer üblichenFunctional units on drilling rigs for driving vertical or horizontal bores in well and tunnel construction as well as in mining are currently operated purely mechanically, electro-mechanically or hydro-pneumatically. This operation is carried out via rods or cables, which are usually laid in the rods. A trouble-free functional sequence is not guaranteed due to the existing operating conditions. Another disadvantage is that feedback on the current status of the individual functional unit cannot be provided, so that there is no control over the execution of the initiated function or the control process. This is not possible in the intended work areas because the use of a conventional

&Ggr;atenfernübertragung zur Übermittlung von Meß- und Steuersignalen über festverlegte Leitungen oder per Funkstrecke überhaupt nicht möglich ist. Sowohl im Brunnen- wie im Tunnelbau und auch im Bergbau werden die Bohrungen meist mit Hilfe einer Spülflüssigkeit vorangetrieben, über die das Bergeklein aus dem Bohrloch herausgefördert wird. Diese Spülflüssigkeit sowie auch das sich drehende Gestänge lassen den Einsatz von Leitungen zur Datenfernübertragung nicht zu. Daher ist es insbesondere dort, wo mit mehrstufigen Bohrköpfen gearbeitet wird, beispielsweise nicht möglich, der jeweiligen zu durchörternden Schicht entsprechend Zerkleinergungsaggregate zu- oder abzuschalten, was einen aus Sicherheitsgründen bedingten erheblichen maschinellen Mehraufwand erfordert. Darüber hinaus ist auch nicht feststellbar, ob die Zerkleinerungswerkzeuge bzw. Aggregate im Bohrlochtiefsten jeweils noch ihre volle oder eine ausreichende Funktion erfüllen. Aus diesem Grunde wird häufig ein Wechsel der Bohr- und Zerkleinerungswerkzeuge zu früh oder aber auch zu spät vorgenommen.Remote data transmission for transmitting measurement and control signals via fixed cables or radio links is not possible at all. In well and tunnel construction, as well as in mining, the boreholes are usually driven forward with the help of a flushing fluid, which is used to remove the waste from the borehole. This flushing fluid and the rotating rods do not allow the use of cables for remote data transmission. Therefore, particularly where multi-stage drill heads are used, it is not possible, for example, to switch crushing units on or off according to the layer to be penetrated, which requires considerable additional mechanical effort for safety reasons. In addition, it is not possible to determine whether the crushing tools or units in the deepest part of the borehole are still performing their full or sufficient function. For this reason, the drilling and crushing tools are often changed too early or too late.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für nach dem Hinter- oder Unterschneidsystem arbeitenden Bohrgerätte eine einfach einzusetzende Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen, die die notwendigen Signale in Form von digitalisierten Ultraschall-Signalen bzw. HF-Signalen erzeugt und in einer oder beiden Richtungen als Steuer- bzw. Meßsignale sendet.The innovation is based on the task of creating an easy-to-use signal transmission device, particularly for drilling machines that work according to the undercutting or undercutting system, which generates the necessary signals in the form of digitized ultrasonic signals or HF signals and sends them in one or both directions as control or measurement signals.

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Datenfernübertragung zur Übermittlung von Meß- und Steuersignalen über festverlegte Leitungen oder per Funkstrecke überhaupt nicht möglich ist. Sowohl im Brunnen- wie im Tunnelbau und auch im Bergbau werden die Bohrungen meist mit Hilfe einer Spülflüssigkeit vorangetrieben, über die das Bergeklein aus dem Bohrloch herausgefördert wird. Diese Spülflüssigkeit sowie auch das sich drehende Gestänge lassen den Einsatz von Leitungen zur Datenfernübertragung nicht zu. Daher ist es insbesondere dort, wo mit mehrstufigen Bohrköpfen gearbeitet wird, beispielsweise nicht möglich, der jeweiligen zu durchörternden Schicht entsprechend Zerkleinergungsaggregate zu- oder abzuschalten, was einen aus Sicherheitsgründen bedingten erheblichen maschinellen Mehraufwand erfordert. Darüber hinaus ist auch nicht feststellbar, Ob die Zerkleinerungswerkzeuge bzw. Aggregate im Bohrlochtiefsten jeweils noch ihre volle oder eine ausreichende Funktion erfüllen. Aus diesem Grunde wird häufig ein Wechsel der Bohr- und Zerkleinerungswerkzeuge zu früh oder aber auch zu spät vorgenommen.Remote data transmission for transmitting measurement and control signals via fixed cables or radio links is not possible at all. In well construction, tunnel construction and mining, the boreholes are usually driven forward with the help of a flushing fluid, which is used to transport the waste out of the borehole. This flushing fluid and the rotating rods do not allow the use of cables for remote data transmission. Therefore, particularly where multi-stage drill heads are used, it is not possible, for example, to switch crushing units on or off according to the layer to be penetrated, which requires considerable additional mechanical effort for safety reasons. In addition, it is not possible to determine whether the crushing tools or units in the deepest part of the borehole are still performing their full or sufficient function. For this reason, the drilling and crushing tools are often changed too early or too late.

Oer Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere nach dem Hinter- oder Unterschneidsystem arbeitenden Bohrgeräte eine einfach einzusetzende Signalübertragungsvorrichtung zu schaffen.The innovation is based on the task of creating an easy-to-use signal transmission device, particularly for drilling machines that operate according to the undercutting or undercutting system.

Die Aufgabe wird dadurch gel&et, daß die notwendigen Signale in Form von digitalisierten Ultraschall-Signalen bzw. HF-Signalen erzeugt und in einer oder beiden Richtungen als Steuer- bzw. Meßsignale gesendet werden.The task is solved by generating the necessary signals in the form of digitized ultrasound signals or RF signals and sending them in one or both directions as control or measurement signals.

Die Aufgabe wird neuerungsgemäß dadurch gelöst, ds &iacgr;3 den Funktionseinheiten jeweils Ultraschall- Empfänger bzw. HF-Empfänger zugeordnet und daß am Bohrlochmund, vorzugsweise im Bereich des Spülkopfes ein Ultraschallsender bzw. HF-Sender angeordnet ist.The task is solved according to the innovation in that &iacgr;3 the functional units are each assigned an ultrasonic receiver or HF receiver and that an ultrasonic transmitter or HF transmitter is arranged at the mouth of the borehole, preferably in the area of the flushing head.

Bei einer solchen Ausbildung der Vorrichtung ist es möglich, die notwendigen Signale vom Bohrlochmund aus auch über große Entfernungen zum Bohrkopf zu senden, um dort die einzelnen Funktionseinheiten gezielt anzusprechen und damit zu steuern. Es versteht sich, daß mit dem einen Ultraechall-Sender bzw. HF-Sender entweder mehrere Funktionseinheiten angesprochen werden können oder aber daß je Funktionseinheit ein Ultraschall- Sender bzw.-Empfänger vorhanden ist. Die Datenübertragung erfolgt über ein flüssiges Medium, wie beispielsweise die meist eingesetzte Spülflüsfiigkeit zur Entfernung des Bohrgutes, und bietet gleichzeitig auch eine Kommunikationsmöglichkeit zwischen dem Bohrlochtiefsten und dem Steuerstand, da die notwendigen Signale in einer oder in beiden Richtungen gesendet werden können, so daß die Funktionstüchtigkeit aber auch der jeweilige Einsatz der einzelnen Aggregate bzw. Funktionseinheiten sowohl eingeleitet oder beendet, wie auch durch geeignete Signale überprüft werden kann.With such a design of the device, it is possible to send the necessary signals from the mouth of the borehole to the drill head over long distances in order to specifically address and thus control the individual functional units there. It goes without saying that with one ultrasonic transmitter or HF transmitter, either several functional units can be addressed or that there is an ultrasonic transmitter or receiver for each functional unit. The data is transmitted via a liquid medium, such as the flushing fluid most commonly used to remove the drilling debris, and at the same time offers a communication option between the bottom of the borehole and the control station, since the necessary signals can be sent in one or both directions, so that the functionality and the respective use of the individual units or functional units can be both initiated or terminated and checked using suitable signals.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Neuerung sieht vor, daß den Funktionseinheiten am Bohrkopf, an der Führung und am Spülkopf jeweils Ultraschall-Sender und -Empfänger bzw. HF-Sender und -Empfänger zugeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann beispielsweise auch die Führung angesprochen werden, über die dann der Bohrkopf gezielt gelenkt wird, beispielsweise in eine andere Richtung, wobei eine entsprechende Lenkung des Bohrkopfes als solches bzw. den zugeordneten Funktionseinheiten gleichzeitig und unabhängigA practical further development of the innovation provides that the functional units on the drill head, on the guide and on the flushing head are each assigned ultrasonic transmitters and receivers or HF transmitters and receivers. In this way, for example, the guide can also be addressed, via which the drill head is then specifically guided, for example in a different direction, whereby a corresponding steering of the drill head as such or the assigned functional units takes place simultaneously and independently.

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davon erfolgen kann. Damit ist eine sehr feinfühlige Führung des Bohrkopfes möglich. Gleichzeitig mit der Meldung, daß die einzelne Funktionseinheit angesprochen worden ist, wird zum Bohrlochmund gemeldet, ob die angesprochene Steuerung oder Regelung auch vollzogen wird oder nicht.This allows for very sensitive guidance of the drill head. At the same time as the message that the individual functional unit has been addressed, a message is sent to the mouth of the borehole as to whether the addressed control or regulation is actually being carried out or not.

Eine noch genauere Überprüfung ist dadurch möglich, daß am Bohrkopf Meßstellen positioniert und über Ultraschall-Sender und -Empfänger bzw. HF-Sender und -Empfänger mit dem Bohrlochmund verbunden sind. Eine solche Ausbildung ermöglicht es, sowohl die Umgebung, d. h. die zu durchörternden Schichten genau zu überprüfen und die entsprechenden Informationen zum Bohrlochmund weiterzugeben wie auch den Zuütand der einzelnen Funktionseinheiten, so daß eine genaue Steuerung und Lenkung des Bohrkopfes im Gebirge möglich wird, jeweils unter optimaler Ausnutzung der Antriebseinheit als solcher. Dabei wird die Position des Bohrkopfes im Raum und damit auch die Richtung durch eine vektorielle Aufsummierung von zurückgelegten Teilwegen ermittelt. Die Teilwege werden durch geeignete Längenmeßsysteme bestimmt. Die Winkel ermittelt eine Neigungsmeßeinrichtung (Neigung zur Vertikalen), die in zwei rechtwinklig aufeinanderstehenden Richtungen in der Ebene mißt. Die so errechnete Position und Richtung im Raum ermöglicht eine optimale Steuerung und Lenkung des Bohrkopfes im Gebirge. Direkte Leitungen zwischen beiden Vorrichtungsteilen werden nicht benötigt.An even more precise check is possible by positioning measuring points on the drill head and connecting them to the borehole mouth via ultrasonic transmitters and receivers or HF transmitters and receivers. Such a design makes it possible to precisely check the environment, i.e. the layers to be penetrated, and to pass on the relevant information to the borehole mouth, as well as the status of the individual functional units, so that precise control and steering of the drill head in the rock is possible, always with optimal use of the drive unit as such. The position of the drill head in space and thus also the direction are determined by a vectorial summation of the partial paths covered. The partial paths are determined by suitable length measuring systems. The angle is determined by an inclination measuring device (inclination to the vertical), which measures in two directions at right angles to one another in the plane. The position and direction in space calculated in this way enables optimal control and steering of the drill head in the mountain. Direct lines between the two parts of the device are not required.

Die Neuerung ermöglicht es erstmalig, eine Verbindung zwischen Funktionseinheiten des Bohrgerätes im Bohrloch und am Bohrlochmund vorzugeben, über die die einzelnen Funktionseinheiten vom Bohrlochmund aus genau gesteuert und gelenkt werden können, wobei gleich-.'? it.ig auch die jeweilige Funktionstüchtigkeit mit überwacht und überprüft werdenThe innovation makes it possible for the first time to specify a connection between the functional units of the drilling rig in the borehole and at the mouth of the borehole, via which the individual functional units can be precisely controlled and directed from the mouth of the borehole, while at the same time monitoring and checking their respective functionality.

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kann. Auf diese Art und Weise ist eine optimale Ausnutzung sowohl des Bohrkopfes wie des genannten Bohrgerätes möglich.In this way, optimal use of both the drill head and the drilling device is possible.

Anhand der Zeichnungen wird die Neuerung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigen:The new feature is explained in more detail below using the drawings. They show:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Bohrgerätes für den vertikalen Bohrbetrieb, die inFig. 1 is a side view of a drilling rig for vertical drilling operations, which is

Fig. 2 in vergrößerter Form wiedergegeben wird_r Fig. 2 is shown in enlarged form _r

Fig. 3 den Bereich des im Bohrlochtiefsten arbeitenden Bohrkopfes im Übergangsbereich zwischen unterschiedlichen Gebirgsschichten, undFig. 3 the area of the drill head working in the deepest part of the borehole in the transition area between different rock layers, and

Fig. 4 den in den härteren Gebirgsbereich eingedrungenen Bohrkopf jeweils im Schnitt.Fig. 4 shows the drill head penetrating into the harder rock area in cross section.

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Bohrgerätes für den horizontalen Bohrbetrieb, die inFig. 5 is a side view of a drilling rig for horizontal drilling operations, which is shown in

Fig. 6 den in härtere Gesteinsschichten eingedrungenen Bohrkopf zeigt.Fig. 6 shows the drill head penetrating harder rock layers.

Fig. 1 gibt beispielhaft ein Bohrgerät 1 wieder, das über ein verfahrbares Antriebsaggregat verfügt und einen das Bohrgestänge 3 haltenden Drehtisch 2. Im Bohrloch 4 ist der Bohrkopf 5 wiedergegeben, der über das Bohrgestänge 3 mit dem Antrieb verbunden ist. Er verfügt über eine Führung 6, die nachgeordnet ist und die es ermöglicht, den Bohrkopf nur in diesem Falle in senkrechter Richtung in das Gebirge einzubringen. Üt er diese Führung 6 kann bei Abweichungen eine Korrektur des Bohrlochverlaufes erreicht werden.Fig. 1 shows an example of a drilling device 1 that has a movable drive unit and a rotary table 2 that holds the drill rod 3. The drill head 5 is shown in the borehole 4 and is connected to the drive via the drill rod 3. It has a guide 6 that is arranged downstream and that allows the drill head to be inserted into the rock in a vertical direction only in this case. Using this guide 6, a correction of the borehole path can be achieved in the event of deviations.

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Fig. 2 gibt die Bereiche oberhalb der Erdoberfläche und unterhalb in vergrößerter Darstellung wieder. Über den Spülkopf 7 wird die Spülflüssigkeit 8 aus dem Bohrgestänge 3 herausgepumpt und zwar in das Absetzbecken 9, von wo die Spülflüssigkeit dann über den Wasserrücklauf 10 das Bohrgestänge 3 umspülend wieder in das Bohrloch 4 zurückfließt.Fig. 2 shows the areas above the earth's surface and below it in an enlarged view. The flushing liquid 8 is pumped out of the drill rod 3 via the flushing head 7 into the settling tank 9, from where the flushing liquid then flows back into the borehole 4 via the water return 10, flushing around the drill rod 3.

Im Bohrlochtiefsten, im Bereich des Bohrkopfes 5, sind Ultraschall-Sender bzw. HF-Sender 11 und Ultraschall-Empfänger bzw. HF-Empfänger 12 angeordnet, über die die einzelnen Funktionseinheiten 19, 20 gezielt angesprochen, d.h. gesteuert werden können Korrespondierende Ultraschnil-Sender bzw. HF-Sender 13 und Ultraschall-Empfänger bzw. HF-Empfänger 14 befinden sich im Bereich des Spülkopfes 7, so daß die notwendigen Ultraschall-Signale bzw. HF-Signale einmal vom Spülkopf 7 aus in Richtung Bohrkopf 5 gesendet, dort empfangen und entsprechende Signale auch von dortaus wieder zum Spülkopf 7 zurückgesendet werden können. Im Bereich des Bohrlochmundes 16 ist die Meß- und Steuerzentrale 15 angeordnet, die die entsprechenden Ultraschall-Signale bzw. HF-Signale auswertet, die einmal vom Ultraschall-Sender bzw. HF-Sender 13 ausgesendet bzw. vom Ultraschall-Empfänger bzw. HF-Empfänger 14 empfangen bzw. umgekehrt von den Ultraschall-Sendern bzw. HF-Sendern 11 und Ultraschall-Empfängern bzw. HF-Empfängern 12 abgegeben werden. Auf diese Art und Weise kann der gesamte Ablauf im Bereich des Bohrlochtiefsten genau gesteuert und überwacht werden.At the deepest point in the borehole, in the area of the drill head 5, ultrasonic transmitters or HF transmitters 11 and ultrasonic receivers or HF receivers 12 are arranged, via which the individual functional units 19, 20 can be specifically addressed, i.e. controlled. Corresponding ultrasonic transmitters or HF transmitters 13 and ultrasonic receivers or HF receivers 14 are located in the area of the flushing head 7, so that the necessary ultrasonic signals or HF signals can be sent from the flushing head 7 in the direction of the drill head 5, received there and corresponding signals can also be sent back from there to the flushing head 7. The measuring and control center 15 is arranged in the area of the borehole mouth 16 and evaluates the corresponding ultrasonic signals or HF signals that are sent out by the ultrasonic transmitter or HF transmitter 13 or received by the ultrasonic receiver or HF receiver 14 or vice versa by the ultrasonic transmitters or HF transmitters 11 and ultrasonic receivers or HF receivers 12. In this way, the entire process in the area of the deepest part of the borehole can be precisely controlled and monitored.

Diese Überwachung wird noch dadurch verbessert, daß dort am Bohrkopf 5 Meßstellen 17, 18 vorgesehen sind, über die sowohl der Zustand des durchzuörtenden Gebirges überwacht wird, wie auch die Funktionsweise der einzelnen funktions-This monitoring is further improved by the fact that there are 5 measuring points 17, 18 on the drill head, via which the condition of the rock to be drilled through is monitored as well as the functioning of the individual functional

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p einheiten 19, 20. Mit 22 ist die DruckluftzufQhrung unj terhalb des Spülkopfes 7 bezeichnet.p units 19, 20. 22 designates the compressed air supply below the flushing head 7.

Anhand der Fig. 3 und auch der Fig. 4 bzw. Fig. 5 und Fig. 6 wird verdeutlicht, daß sowohl die einzelnen Funktionseinheiten 19, 20 im Bereich des Bohrkopfes 5 wie auch die Führung 6 anzusprechen und zu steuern sind, und zwar indem ihnen einmal Ultraschall-Sender bzw. HF-Sender 11, 12 bzw. II¹, 12' bzw. II¹', 12'' zugeordnet werden, die durch Abg?be bzw. Empfang von entsprechenden Ultraschall-Signalen bzw. HF-Signalen entweder die zugeordneten Funktionseinheiten ansprechen und steuern oder aber deren Wirkungsweise und Funktionstüchtigkeit nach oben melden.With reference to Fig. 3 and also Fig. 4 or Fig. 5 and Fig. 6 it is made clear that both the individual functional units 19, 20 in the area of the drill head 5 and the guide 6 are to be addressed and controlled by assigning them ultrasonic transmitters or HF transmitters 11, 12 or II ¹ , 12' or II ¹ ', 12'', which either address and control the assigned functional units or report their mode of operation and functionality upwards by emitting or receiving corresponding ultrasonic signals or HF signals.

Claims

BERGWERKSVERBAND GMBH " EXPERIMENTAL OPERATIONS OF MINING RESEARCH 4300 Essen 13 (Kray) Utility model registration , , Telephone (0201) 105-1 01.03.1988 ZV-PV 1/30/86 Ha/OB Drilling rig with control for various functional units Protection claims

1. Drilling device for drilling vertical or horizontal bores in well and tunnel construction and in mining, in particular a multi-stage drilling device with separately switchable drives with a signal transmission arranged at the borehole mouth and at the bottom of the borehole for switching and regulating the drives and for controlling the individual functional units, characterized in that the functional units (19, 20) of the drilling device (1) are each assigned an ultrasonic receiver or HF receiver (14) and that an ultrasonic transmitter or HF transmitter (13) is arranged at the borehole mouth (16), preferably in the area of the flushing head (7).

2. Drilling device according to claim 1, characterized in that the functional units (19, 20) on the drill head (5), on the guide (6) and on the flushing head (7) are each assigned ultrasonic transmitters and receivers or RF transmitters and receivers (11, 13; 12, 14).

3. Drilling device according to claim 1, characterized in that measuring points (17, 18) are positioned on the drill head (5) and are connected to the borehole mouth (16', 17') via ultrasonic transmitters and receivers or H ^r transmitters and receivers (If., 14).