FI112525B - Järjestely iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi - Google Patents

Description

112525 Järjestely iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi

Keksinnön kohde

Keksinnön kohteena on menetelmä iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi, jonka kallionporauksen neljä osaprosessia ovat isku, pyöritys, 5 syöttö sekä huuhtelu, ja joita osaprosesseja ohjataan porausmuuttujia ohjaamalla, ja joka menetelmä käsittää ainakin seuraavat vaiheet: määritetään porakoneen tunkeutumisnopeus ja iskuteho; välitetään saadut tulokset porakoneen ohjauslaitteelle, johon on asetettu säätöstrategia porauksen ohjaamista varten; käytetään saatuja tuloksia porauksen ohjaamisessa mainitun säätö-10 strategian mukaisesti.

Edelleen keksinnön kohteena on ohjelma, joka on tarkoitettu suoritettavaksi kallioporakoneen ohjauslaitteessa, joka ohjauslaite on sovitettu ohjaamaan kallionporausprosessia, johon kuuluu neljä osaprosessia, nimittäin isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu.

15 Lisäksi keksinnön kohteena on kallionporaussovitelma, joka käsittää ainakin: kallioporakoneen, johon kuuluu iskulaite iskujen antamiseksi kalliopo-rakoneeseen kytkettävän työkalun välityksellä porattavaan kallioon, sekä edelleen pyörityslaite mainitun työkalun kääntämiseksi akselinsa ympäri; syöttölaitteen kallioporakoneen liikuttamiseksi porattavan kallion suhteen; huuhtelulait-20 teen porauksessa irrotetun materiaalin huuhtelemiseksi; ohjauslaitteen, joka • on sovitettu ohjaamaan yhtä tai useampaa porauksen osaprosessia, joita ovat : isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, ja johon ohjauslaitteeseen on asetettu säätöstrategia porausmuuttujien ohjaamiseksi; välineet kallioporakoneen tun-keutumisnopeuden määrittämiseksi; sekä välineet iskulaitteen ottaman tehon ' 25 määrittämiseksi.

Vielä on keksinnön kohteena menetelmä iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi, jonka kallionporauksen neljä osaprosessia ovat isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, ja joita osaprosesseja ohjataan porausmuuttujia ohjaa-,···’, maila, ja joka menetelmä käsittää ainakin seuraavat vaiheet: määritetään po- Γ 30 rakoneen tunkeutumisnopeus ja iskuteho; välitetään saadut tulokset porako- : '· neen ohjauslaitteelle; käytetään saatuja tuloksia porauksen ohjaamisessa.

Keksinnön tausta

Iskevässä kallionporauksessa aiheutetaan kallioporakoneessa olevalla iskulaitteella iskupulsseja työkaluun, jolloin työkalun uloimmassa päässä 35 olevat teräpalat tunkeutuvat kiveen ja rikkovat sitä. Samanaikaisesti työkalua 2 112525 painetaan syöttölaitteen avulla kiveä vasten niin, että työkalun ja kiven välinen kontakti säilyy ja mahdollisimman suuri osa iskuenergiasta siirtyy kiveen. Edelleen, jotta iskuilla saataisiin tehokas vaikutus aikaan, on työkalua pyörityslait-teen avulla indeksoitava iskujen välillä niin, että teräpalat iskeytyvät joka iskulla 5 uuteen kohtaan. Irrotettu kiviaines huuhdellaan sopivan väliaineen avulla pois porareiästä. Iskevässä kallionporauksessa on siten neljä porauksen osaprosessia: isku, syöttö, pyöritys ja huuhtelu. Porausmuuttujia puolestaan ovat mm. iskuteho, iskuenergia, iskutaajuus, syöttövoima, syöttönopeus, pyöritys-nopeus, pyöritysmomentti, huuhteluvirtaus ja huuhtelupaine. Porausmuuttujia 10 säätämällä voidaan vaikuttaa porauksen osaprosesseihin ja porauksen tehokkuuteen.

Julkaisussa EP 0112810 on esitetty säädettäväksi iskutehoa maksimi tunkeutumisnopeuden saavuttamiseksi. Esitetyssä ratkaisussa iskumän-nän iskunopeutta ja iskutaajuutta säädetään toisistaan riippumatta, mikä on 15 mahdollista hyvin harvoissa kallioporakoneissa, sillä se edellyttää iskunpituu-den säätöä. Tyypillisissä paineväliaineella toimivissa iskulaitteissa iskunpituus on vakio ja säädettäviä suureita ovat vain iskunpaine ja virtaus, joihin tehtävät muutokset vaikuttavat yhtäaikaisesti sekä iskunopeuteen että iskutaajuuteen. Edelleen on EP-julkaisussa esitetyn ratkaisun epäkohtana se, että siinä pora-20 uksen ohjaus kohdistuu ainoastaan iskutehon säätämiseen. Kuten alalla tiedetään, on kallionporaus kuitenkin monimutkainen prosessi, jonka tehokas oh-,' jääminen EP-julkaisussa esitetyllä tavalla, pelkästään yhtä porausmuuttujaa eli ,: iskutehoa säätämällä, ei ole mahdollista.

Keksinnön lyhyt selostus / i 25 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen ja " : parannettu tapa ohjata iskevää kallionporausta käyttämällä porausmuuttujien ohjaamisen perustana porauksen ominaisenergian kulutusta.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että * - määritetään iskutehon lisäksi ainakin yhteen toiseen osaprosessiin käytetty te- 30 ho; lasketaan tarkasteltavien osaprosessien yhteensä käyttämän tehon suhde tunkeutumisnopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominaisenergian määrittämiseksi; ja ohjataan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta määritellyllä kokonaisominaisenergialla.

Keksinnön mukaiselle ohjelmalle on tunnusomaista se, että ohjel-35 man suorittaminen ohjauslaitteessa on sovitettu: määrittämään ainakin kahden monitoroitavan osaprosessin yhteensä käyttämän tehon suhteen tunkeutumis- 3 112525 nopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominaisenergian selvittämiseksi; ja ohjainaan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta määritellyllä ko-konaisominaisenergialla.

Keksinnön mukaiselle kallionporaussovitelmalle on tunnusomaista 5 se, että lisäksi sovitelmaan kuuluu välineet ainakin yhden toisen osaprosessin ottaman tehon määrittämiseksi; ja että ohjauslaite on sovitettu ohjaamaan porausmuuttujia niin, että tarkasteltavien laitteiden ottaman yhteenlasketun tehon suhde tunkeutumisnopeuteen on ennalta määritellyn suuruinen porauksen aikana.

10 Keksinnön mukaiselle toiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että määritetään iskutehon lisäksi ainakin yhteen toiseen osaprosessiin käytetty teho; lasketaan tarkasteltavien osaprosessien yhteensä käyttämän tehon suhde tunkeutumisnopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominaisenergian määrittämiseksi; ja ohjataan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennal-15 ta määritellyllä kokonaisominaisenergialla.

Keksinnön olennainen ajatus on, että porauksen ominaisenergian määrittämiseksi mitataan porauksen tunkeutumisnopeutta sekä määritetään poraukseen käytettyä tehoa. Ominaisenergia on poraukseen käytetyn tehon ja tunkeutumisnopeuden osamäärä, joka lasketaan porakoneen ohjausyksikössä 20 mittaustulosten perusteella. Tällöin ominaisenergian mittayksikkö on kWh/m . tai J/m. Ominaisenergia voidaan määrittää myös porattua tilavuutta kohden, eli käytetty teho jaetaan reiän poikkipinta-alan ja tunkeutumisnopeuden tulolla. Tällöin ominaisenergian mittayksikkö on kWh/m3 tai J/m3. Ominaisenergian määrittämisessä otetaan huomioon ainakin iskuprosessi ja jokin toinen pora-25 uksen osaprosesseista. Tyypillisesti mukaan otetaan pyöritysprosessi, mutta tarvittaessa myös kaksi muuta osaprosessia eli syöttöprosessi ja huuhtelupro-sessi voidaan sisällyttää siihen. Tarkasteltavien osaprosessien ottamien tehojen suhdetta tunkeutumisnopeuteen kutsutaan kokonaisominaisenergiaksi. Porausta ohjataan säätämällä porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta 30 määrätyllä kokonaisominaisenergialla.

Keksinnön etuna on se, että ohjaus kykenee monitoroimaan samanaikaisesti useita porauksen osaprosesseja ja säätämään monipuolisesti porausprosessiin vaikuttavia porausmuuttujia. Edelleen on etuna se, että keksinnön mukainen ohjaus on riippumaton porakoneen yksityiskohtaisesta kon-35 struktiosta ja toimintaperiaatteesta.

4 112525

Keksinnön erään edullisen sovellutusmuodon olennaisena ajatuksena on se, että porausta ohjataan säätämällä porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu minimillä kokonaisominaisenergialla. Tällöin poraukseen käytettävästä energiasta saadaan ohjattua päätarkoitukseen eli kiven rikkomiseen 5 mahdollisimman suuri osuus, jolloin lämmön muodostukseen ja erilaisiin muodonmuutoksiin kuluvan energian osuus jää pieneksi.

Keksinnön erään toisen edullisen sovellutusmuodon olennaisena ajatuksena on se, että säädetään ennalta määritellyissä poraustilanteissa porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu kutakin tilannetta varten erikseen 10 määritellyllä kokonaisominaisenergialla. Tällöin voidaan esimerkiksi aloituspo-rauksessa sallia suurempi ominaisenergian arvo niin, että reiän aloitus tapahtuu varovasti ja tarkasti. Myös muissa erikoistilanteissa, kuten avarrusporauk-sessa voidaan sallia normaaliporausta suurempi ominaisenergian arvo. Nor-maaliporauksessa sen sijaan pyritään edullisesti poraamaan minimillä ominai-15 senergialla.

Keksinnön erään kolmannen edullisen sovellutusmuodon olennaisena ajatuksena on se, että määritetään porauksen kuhunkin osaprosessiin käytetty teho ja määritetään osaprosessien ominaisenergiat. Edelleen määritetään kullekin osaprosessille painokerroin, ja lasketaan sitten painokertoimilla 20 kerrotut ominaisenergiat yhteen, jolloin lopputuloksena saadaan painotettu ko-konaisominaisenergia. Painokertoimien avulla voidaan painottaa halutulla ta-, , * valla porauksen eri osaprosesseja niin, että tiettyjen osaprosessien merkitys porauksen kannalta voidaan tarvittaessa arvostaa suuremmaksi tai pienemmäksi kuin olisi kyseisen osaprosessin merkitys pelkästään sen energian kulu-. : 25 tuksen perusteella. Niinpä esimerkiksi energiaa vähän kuluttavan syöttöpro- , ’ · sessin merkitystä kokonaistilanteeseen voidaan painokertoimen avulla koros taa, sillä tunnetusti liian suuri syöttö voi aiheuttaa merkittäviä haittoja prosessille sekä laitteistolle. Toisaalta ylisuurella huuhtelulla ei ole tiettyyn rajaan asti olennaisia haittatekijöitä, paitsi energian kulutus, joten huuhtelun osalta paino-30 tus voi olla pieni.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selitetään tarkemmin oheisessa piirustuksessa, jossa kuvio 1 esittää kaavamaisesti erästä kallionporaussovitelmaa sivulta päin nähtynä, ja : 35 kuvio 2 esittää kaavamaisesti erästä keksinnön mukaista järjestelyä kallionporauksen ohjaamiseksi.

5 112525

Kuvioissa keksintö on esitetty selvyyden vuoksi yksinkertaistettuna. Samankaltaiset osat on merkitty kuvioissa samoilla viitenumeroilla.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 on esitetty tyypillinen iskevässä kallionporauksessa käy-5 tettävä kallioporakone 1, jota voidaan liikuttaa syöttölaitteella 2 syöttöpalkin 3 suhteen. Syöttöpalkki 3 on tyypillisesti sovitettu kallionporauslaitteen alustalle sovitetun puomin 5 vapaaseen päähän. Syöttölaite 2 on yleensä hydraulisylin-teri, jolta voima välitetään vaijerin, ketjun tai muun sopivan voimansiirtoväli-neen avulla kallioporakoneelle 1. Kallioporakone 1 käsittää iskulaitteen 6, pyö-10 rityslaitteen 7 sekä poraniskan 8, johon iskulaite 6 iskee ja jota pyörityslaite 7 pyrkii pyörittämään. Kallioporakoneen 1 etupäässä sijaitsevaan poraniskaan 8 voidaan kytkeä työkalu 9, joka tyypillisesti käsittää yhden tai useampia pora-tankoja 10 sekä porakruunun 11 teräpaloineen 12 uloimmaisen poratangon vapaassa päässä. Toki työkalu 9 voi olla yksi yhtenäinen kappale, jonka va-15 paaseen päähän teräpalat 12 on kiinnitetty.

Kuviossa 2 on havainnollistettu keksinnön mukaista ohjausjärjestelmää hydraulisesti toimivaan kallioporakoneeseen viitaten. Tällöin porakoneen iskulaitetta 6, pyörityslaitetta 7 sekä syöttölaitetta 2 käytetään painenes-teen paineella. Hydraulipumpulta 13 iskulaitteelle 6 menevään työpainekana-20 vaan 14 on sovitettu paineanturi 15 sekä virtausanturi 16. Iskulaitteelta 6 tank-: kiin 17 johtavaan paluukanavaan 18 on sovitettu paineanturi 19. Edullisesti : mainitut paineanturit 15 ja 19 on sovitettu mahdollisimman lähelle iskulaitetta : · 6. Edelleen on työpainekanavassa 14 venttiili 20, jolla ohjataan iskulaitteeseen 6 vaikuttavaa painenestevirtausta. Pyörityslaitteelle 7 johdetaan puolestaan 25 hydraulipumpulta 21 painenestevirtaus työpainekanavaa 22 pitkin venttiilin 23 ohjaamana. Työpainekanavaan 22 on sovitettu paineanturi 24. Pumpulta 21 tulevassa kanavassa on lisäksi virtausanturi 25. Pyörityslaitteelta 7 tankkiin 26 johtavaan paluukanavaan 27 on sovitettu paineanturi 28. Tässä yhteydessä työpainekanavalla 22 tarkoitetaan sitä kanavaa, johon painenestevirtaus joh-30 detaan, kun työkalua pyöritetään normaaliin pyörityssuuntaan. Edelleen venttiililtä 30 syöttölaitteelle 2 johtavaan ensimmäiseen kanavaan 31 on sovitettu paineanturi 32 ja vastaavasti toiseen kanavaan 33 on sovitettu myöskin paineanturi 34. Hydraulipumpulta 29 tulevan painenesteen virtaus mitataan virtaus-anturilla 35. Syöttölaitteen 2 yhteydessä voi olla anturi 36, jonka avulla 35 tarkkaillaan porakoneen 1 tunkeutumisnopeutta. Huuhteluväliaine johdetaan porakoneelle 1 huuhteluväliainekanavaa 37 pitkin. Huuhteluväliainekanavaan 112525 β 37 on sovitettu paineanturi 38 sekä virtausanturi 39. Selvyyden vuoksi kuviossa ei ole esitetty huuhteluväliaineen ohjaamiseen liittyviä elimiä.

Kuviossa 2 on vielä esitetty porakoneen ohjauslaite 40, joka on sovitettu ohjaamaan kallioporakoneeseen 1 kuuluvia iskulaitetta 6 ja pyörityslai-5 tetta 7 sekä edelleen kallioporakoneen syöttölaitetta 2 ja huuhteluväliaineen syöttöä. Ohjauslaite 40 käsittää tyypillisesti yhden tai useamman tietokoneen tai vastaavan ohjauslaitteen, kuten esimerkiksi ohjelmoitavan logiikan, joka kykenee sinne asetettujen perustietojen ja sille syötettyjen mittausarvojen pohjalta päättämään tarvittavista ohjaustoimenpiteistä. Ohjauslaite 40 käsittää tieto-10 liikenneyhteyden. Tietoliikenneyhteys voi olla lukulaite 41 muistielimien, kuten muistilevykkeiden lukemista varten, tai se voi käsittää välineet, joilla se voi viestiä langallisesti tai langattomasi ulkopuolisen muisti- tai ohjauslaitteen 42 välillä. Ohjauslaitteelle 40 välitetään antureilta 15, 16, 19, 24, 25, 28, 32, 34, 35, 36, 38 ja 39 mittausdataa. Selvyyden vuoksi kuviossa 2 on esitetty ainoas-15 taan virtausanturin 39 ja ohjauslaitteen 40 välinen yhteys 43 kokonaisuudessaan. Selvyyden vuoksi on ohjauslaitteelta 40 säätölaitteille johtavat yhteydet 44 merkitty kuvioon 2 yksinkertaistetusti. Hydraulisessa porakoneessa säätölaitteita voivat olla erilaiset venttiilit, kuristimet ja vastaavat elimet, joilla voidaan vaikuttaa painenestekanavassa viilaavan painenesteen paineeseen ja 20 virtaukseen. Toisaalta hydraulipumput voivat olla säädettäviä.

Edelleen on kuviossa 2 esitetty pumppujen 13, 21, 29 ja 45 yhteydessä mittausyksikkö 46, jolla voidaan määrittää pumpun käyntinopeuden ja pumpun syrjäytystilavuuden perusteella pumpun kulloinkin tuottama tilavuus-virtaus. Mittausyksikköä 46 käytettäessä voidaan virtausanturit 16, 25, 35 ja 39 25 haluttaessa jättää pois. Kuitenkin silloin, kun iskulaitetta, pyörityslaitetta ja syöttölaitetta käytetään yhden tai useamman yhteisen hydraulipumpun aikaansaamalla painenesteen virtauksella, on kullekin laitteelle johdettavan pai-nenestevirtauksen määrä mitattava erikseen kunkin laitteen painelinjasta, jotta osaprosessien ominaisenergiat voidaan laskea.

30

Ominaisenerqia

Ominaisenergia lasketaan jakamalla poraukseen käytetty kokonais-teho Ptot tunkeutumisnopeudella NPR (Net Penetration Rate). Näin saadaan tunnusluku SE (Specific Energy), joka kuvaa poratun reiän pituusyksikköä koh-: : 35 ti käytetyn energian. Vaihtoehtoisesti voidaan energian kulutus määrittää tila- vuusyksikköä kohti, sillä poraamalla irrotetun kiven tilavuus saadaan tunkeu- 7 112525 tumisnopeudesta ja työkalun mitoista laskemalla. Tehokkaalle poraukselle tunnusomainen pieni SE-luku tarkoittaa, että porakoneeseen syötetty energia on käytetty tehokkaasti kiviaineksen irrottamiseen. Toisin sanoen ominai-senergia kuvaa porauksen hyötysuhdetta.

5

Esimerkki ominaisenerqian laskennasta Tästä esimerkistä käy ilmi, miten hydraulitoimisen iskevän kalliopo-rakoneen kokonaisominaisenergia ja osaprosessien ominaisenergiat voidaan määrittää.

10 Ominaisenergia voidaan laskea seuraavalla kaavalla: SEtot = Ptot / NPR, tai vaihtoehtoisesti kaavalla: 15 SEjot = Ptot / ( NPR * Ahole), jossa Ahole on porattavan reiän poikkipinta-ala.

20 Tunkeutumisnopeus NPR saadaan selville esimerkiksi mittaamalla sopivan anturin tai mittalaitteen avulla porakoneen liike syöttöpalkilla tai vaih-• : toehtoisesti mittaamalla syöttölaitteen tekemää syöttöliikettä. Edelleen käytet- : täessä syöttölaitteena hydraulisylinteriä, voidaan tunkeutumisnopeus laskea I , * sylinteriin johdettavan painenestevirtauksen tilavuuden perusteella. Myös mui- ‘ ': 25 ta tarkoitukseen sopivia ratkaisuja tunkeutumisnopeuden määrittämiseksi voi- ; ’ i daan tietenkin soveltaa.

:. Poraukseen käytetty kokonaisteho PTot määritetään laskemalla yh teen tarkasteltavien osaprosessien ottamat tehot. Osaprosessien tehoja ovat iskuteho Pperc. pyöritysteho Prot ja syöttöteho Pfeed- Tarvittaessa mukaan 30 voidaan vielä ottaa huuhteluun käytetty teho Pflush, vaikkakin huuhtelutehon > » ' ’; merkitys onkin yleensä vähäinen.

• · Hydrauliseen iskulaitteeseen syötetty iskuteho Pperc voidaan las- kea seuraavasti: ! j 35 Pperc = (Pperc, p - Pperc, t) * Qperc 8 112525 jossa:

Pperc, p = iskulaitteelle menevän painelinjan paine eli työpaine

Pperc, τ = iskulaitteelta palaavan painelinjan paine eli paluupaine

Qperc = iskulaitteelle menevän painenesteen virtaus.

5

Pperc, p voidaan mitata iskulaitteelle menevään painelinjaan sovitetulla paineanturilla. Mittaus suoritetaan mahdollisimman läheltä iskulaitetta, jotta mahdolliset hydraulikanavan aiheuttamat painehäviöt tulevat eliminoiduksi. Toisaalta, mikäli paineanturia ei jostain syystä voida sijoittaa lähelle iskulaitet-10 ta, vaan se on esimerkiksi kallionporauslaitteen alustalla, voidaan tällöin erilaisten häviöiden osuus kompensoida laskennallisesti kallioporakoneen ohjausyksikössä.

Pperc, t voidaan mitata paineanturilla, joka on sovitettu iskulaitteelta tankkiin johtavaan painekanavaan. Joissain tapauksissa paluupainetta ei mita-15 ta, vaan se voidaan selvittää laskemalla tai olettaa merkityksettömän pieneksi.

Qperc voidaan mitata iskulaitteelle menevään painelinjaan sovitetulla virtausanturilla. Vaihtoehtoisesti iskulaitteelle johdettavan painenesteen vir-tausmäärä voidaan laskea hydraulipumpun syrjäytystilavuuden ja käyntino-peuden perusteella. Syrjäytystilavuus on hydraulipumpun rakenteellinen omi-20 naisuus. Käyntinopeus voidaan puolestaan määrittää esimerkiksi pumpun yhteyteen sovitetun anturin avulla. Edelleen iskulaitteelle johdettava virtausmää-‘ : rä voidaan riittävällä tarkkuudella määrittää porakoneen ohjausyksikössä las- : ; ; kennallisesti. Tällöin iskulaitteelle syötettävän paineen Pperc, p mittaustulosten I perusteella saatavasta painesykinnästä määritetään iskulaitteen käyntitaajuus.

: : 25 Kun käyntitaajuus kerrotaan iskulaitteen fyysisiin mittoihin perustuvalla syrjäy- :' : tystilavuudella, saadaan selville iskulaitteelle syötetty virtausmäärä.

. ". Edelleen eräs vaihtoehto iskutehon Pperc määrittämiseksi on mitata sopivilla antureilla poratangosta iskutaajuus ja iskuenergia. Tällöin iskuteho on iskutaajuuden ja iskuenergian tulo.

30 Tehon määrittäminen voidaan siis tehdä joko osaprosessin ottote- ‘; hosta tai antotehosta.

Hydrauliseen pyörityslaitteeseen syötetty pyöritysteho Prot voidaan laskea seuraavasti: ! ^ 35 Prot = (Prot, a - Prot, b) * Qrot 112525 g jossa:

Prot, a = pyörityslaitteen painelinjan A paine

Prot, b = pyörityslaitteen painelinjan B paine

Qrot = pyörityslaitteelle menevän painenesteen virtaus.

5

Painelinjaan A syötetään painenesteen paine silloin, kun työkalua pyöritetään normaaliin pyörimissuuntaan. Painelinjassa A vaikuttaa tällöin työpaine ja painelinjassa B vastaavasti pyörityslaitteelta tankkiin johdettava pa-luupaine. Pyörityslaitteen työpaine ja paluupaine voidaan määrittää vastaaval-10 la tavalla kuin iskulaitteen työpaine ja paluupaine. Edelleen voidaan paluupai-neen osuus jättää kokonaan pois tai se voidaan määrittää laskemalla.

Qrot voidaan mitata pyörityslaitteelle menevään painelinjaan sovitetulla virtausanturilla. Vaihtoehtoisesti pyörityslaitteelle johdettavan painenesteen virtausmäärä voidaan laskea hydraulipumpun syrjäytystilavuuden ja käyn-15 tinopeuden perusteella. Syrjäytystilavuus on hydraulipumpun rakenteellinen ominaisuus ja käyntinopeus voidaan määrittää esimerkiksi pumpun yhteyteen sovitetun anturin avulla. Vaihtoehtoisesti voidaan mitata porakoneen pyörimisnopeus ja määrittää Qrot saadun pyörimisnopeuden ja pyöritysmoottorin syrjäytystilavuuden perusteella.

20 Tarvittaessa voidaan määrittää pyöritysteho Prot määrittämällä , , edellä esitetyn ottotehon sijaan antoteho. Antoteho voidaan määrittää pyöri- * » • tysnopeuden ja pyöritysmomentin avulla.

• Hydrauliseen syöttölaitteeseen, jossa toimilaite on hydraulimoottori, . · syötetty syöttöteho Pfeed voidaan laskea seuraavasti: ,, · 25 , ‘ ; Pfeed = (Pfeed, a - Pfeed, b) * Qfeed jossa:

Pfeed, a = syöttölaitteen painelinjan A paine 30 Pfeed, b = syöttölaitteen painelinjan B paine

Qfeed = syöttölaitteelle menevän painenesteen virtaus.

Syöttölaitteen painelinjaan A syötetään painenesteen paine porauksen aikana eli silloin, kun porakonetta syötetään kiveä kohti. Painelinjassa A 35 vaikuttaa tällöin työpaine ja painelinjassa B syöttölaitteen paluupaine. Syöttölaitteen työpaine ja paluupaine voidaan määrittää vastaavalla tavalla kuin isku- 10 112525 laitteen työpaine ja paluupaine. Edelleen, koska porauksen aikana syöttölaitteelle johdettava virtausmäärä on varsin pieni, voidaan paluupaineen osuus jättää kokonaan pois.

Mikäli syöttölaitteen toimilaite on hydraulisylinteri, on otettava huo-5 mioon sylinterin kammioiden erilaiset työpinta-alat ja erilaiset virtaukset paine-linjoissa A ja B. Muutoin voidaan käyttää edellä esitetyn kaltaista laskentaa.

Qfeed voidaan mitata syöttölaitteelle menevään painelinjaan sovitetulla virtausanturilla. Vaihtoehtoisesti syöttölaitteelle johdettavan painenesteen virtausmäärä voidaan laskea hydraulipumpun syrjäytystilavuuden ja käyntino-10 peuden perusteella. Qfeed voidaan määrittää myös tunkeutumisnopeuden avulla, sillä virtauksella ja tunkeutumisnopeudella on yksikäsitteinen riippuvuus.

Syöttötehon säädöstä voidaan todeta, että käytettävän syöttövoi-man suuruus riippuu paitsi iskutehosta, myös kivilaadusta, porattavan reiän 15 dimensioista sekä käytettävästä porauskalustosta. Porattaessa alisyötöllä is-kuenergian siirtyminen kiveen on huono ja riski porauskaluston vaurioitumisesta kasvaa, koska porakankien väliset kierreliitokset pyrkivät avautumaan. Alisyötöllä pyöritysvastus on vähäinen. Ylisuuri syöttö puolestaan aiheuttaa ongelmia huuhtelussa ja porauskaluston kestossa. Lisäksi ylisuuri syöttö alen-20 taa tunkeutumisnopeutta.

Huuhteluun käytetty teho Pflush voidaan laskea seuraavasti: : : · Pflush = (Pflush) * Qflush ',,,: 25 jossa: : * \ i Pflush = huuhteluväliainekanavan paine : ’ “: Qflush = huuhteluväliainekanavan virtaus.

Pflush voidaan mitata huuhteluväliainekanavaan sovitetulla pai-30 neanturilla ja vastaavasti Qflush voidaan mitata huuhteluväliainekanavaan so-; ‘ vitetulla virtausanturilla.

Edellä esitettyjen teholaskelmien pohjalta on helppo määrittää omi-naisenergiat kullekin porauksen osaprosessille. Seuraavissa laskukaavoissa 35 nimittäjä NPR voidaan haluttaessa korvata tulolla (NPR * AHole), jolloin huo- 11 112525 mioidaan porattavan reiän koko. Kyse on jälkimmäisessäkin tapauksessa käytetyn tehon suhteesta tunkeutumisnopeuteen.

Iskuprosessin ominaisenergia voidaan laskea seuraavasti:

5 SEper= Pper / NPR

Pyöritysprosessin ominaisenergia SErot voidaan laskea seuraa-vaan tapaan:

SErot = Prot / NPR

10

Syöttöprosessin ominaisenergia SEFEed voidaan laskea seuraavaan tapaan:

SEfeed = Pfeed / NPR

15 Huuhteluprosessin ominaisenergia SEflush voidaan laskea seuraa vasti:

SEflush = Pflush / NPR

Käytännössä poraus pyritään suorittamaan halutulla kokonaisomi-20 naisenergian tasolla, joka on tyypillisesti minimi. Porauksen aikana kalliopora-koneen ohjauslaite monitoroi kokonaisominaisenergiaa ja mikäli se havaitsee poikkeamia, säätää se porausmuuttujia niin, että ennalta määritetty kokonais-; ominaisenergiataso jälleen saavutetaan. Sen, mitä osaprosesseja ja poraus- muuttujia kussakin tilanteessa säädetään, ohjauslaite arvioi ensinnäkin sen 25 perusteella, lisääntyykö vai väheneekö kokonaisominaisenergia ja toisaalta sen perusteella, miten kokonaisominaisenergian muutos on vaikuttanut tarkasteltavien osaprosessien ominaisenergioihin.

Esimerkkejä säätöstrateqioista 30 Tästä esimerkistä käy ilmi joitakin esimerkkejä ohjauslaitteeseen mahdollisesti asetettavista säätöstrategioista, kun tarkasteltavina osaprosesseina on käytetty iskuprosessia ja pyöritysprosessia.

Tapaus 1: 35 SEtot kasvaa, SEperc kasvaa, SErot ei muutu.

12 112525 Tässä tilanteessa ohjauslaite tulkitsee, että poraus tapahtuu jostain syystä alisyötöllä tai on siirrytty kovempaan kiveen. Ohjauslaite säätää syötön painetta suuremmaksi, jolloin tunkeutumisnopeus kasvaa. Tunkeutumisno-peuden kasvaessa kokonaisominaisenergia SETot laskee takaisin halutulle ta-5 solle.

Tapaus 2: SEtot kasvaa, SEPErc ei muutu, SEROt kasvaa.

Tässä tilanteessa ohjauslaite tulkitsee, että poraus tapahtuu jostain syystä ylisyötöllä. Vaihtoehtoisesti pyöritysmomentti on kasvanut esimerkiksi 10 savilustan takia. Ohjauslaite säätää syötön painetta pienemmäksi, jolloin mahdollista ylisyöttöä ei enää ole.

Tapaus 3: SEtot pienenee, SEPErc pienenee, SErot ei muutu.

15 Tässä tilanteessa ohjauslaite tulkitsee, että poraus tapahtuu peh- meämpään kiveen. Ohjauslaite säätää iskun painetta pienemmäksi.

Tapaus 4: SEtot pienenee voimakkaasti, SEperc pienenee, SEROt pienenee.

20 Tässä tilanteessa ohjauslaite tulkitsee, että poraus on siirtynyt olen naisesti pehmeämmän kiven alueelle. Vaihtoehtoisesti voidaan tulkita, että te-• : rä on osunut onkaloon. Ohjauslaite säätää iskun painetta selvästi pienemmäk- : ; si. Porausta jatketaan esimerkiksi puolella iskuteholla.

25 Usein kallioon porataan useita samanlaisia porareikiä vierekkäin.

Tällöin kivimateriaalin voidaan olettaa olevan vierekkäisten reikien kohdalla samanlaista. Niinpä sen jälkeen, kun yksi porareikä on porattu kallioon ja porausta on säädetty keksinnön mukaisella tavalla, on edullista aloittaa seuraa-van porareiän poraaminen käyttämällä alkuarvoina edellisen porareiän poraa-30 misessa käytettyjä porausmuuttujia. Tällä tavalla siis hyödynnetään edellisen ; porareiän porauksesta saatua informaatiota.

• ‘ Edelleen voidaan porattavan kiven laatua ja kovuutta arvioida mita- tun ominaisenergian kulutuksen perusteella. Yksinkertaistetusti voidaan sa-[ noa, että kova kivi vaatii suuremman määrän tehoa irrotettua kiviainesmäärää ; 35 kohti kuin pehmeä kivi. Toisaalta voimakkaat ja äkilliset muutokset ominai senergian arvoissa kertovat kivessä olevista poikkeamista, kuten kiven rikko- 13 112525 naisuudesta, savilustoista jne. Ohjauslaite voikin käsittää välineet, kuten tietokoneohjelman, jolla kiven laatua voidaan määrittää ominaisenergiaan perustuen.

Keksinnön mukainen menetelmä voidaan suorittaa ajamalla kallio-5 porakoneen ohjauslaitteessa menetelmän toteuttava ohjelma. Tällöin ohjauslaite käsittää tietokoneen, jonka muistiin ohjelma (software) voi olla talletettuna, tai vaihtoehtoisesti ohjelma voidaan ladata tietokoneeseen tietoverkosta, kuten Internetistä tai se voidaan ladata ulkoisesta muistielimestä, kuten esimerkiksi toisen tietokoneen muistista tai muistilevykkeeltä. Tiedonsiirtoa varten 10 ohjauslaite käsittää välineet tietoliikenneyhteyden kytkemistä varten ja/tai lukulaitteen muistiyksiköiden lukemiseksi. Edelleen ohjelma voi olla toteutettu vaihtoehtoisesti kovo (hardware) -ratkaisuna.

Eräs mahdollisuus on vielä toteuttaa keksintö niin, että tarkasteltavien osaprosessien käyttämät tehot rekisteröidään ohjauslaitteessa (40). Sit-15 ten ohjauslaitteessa (40) oleva prosessori laskee tunkeutumisnopeuden ja rekisteröityjen tehojen perusteella porauksessa kulloinkin käytetyn kokonaisomi-naisenergian. Edelleen ohjauslaitteessa (40) on näyttölaite (50), kuten esimerkiksi monitori, mittari, merkkivalo tai vastaava, jonka avulla laskettu kokonais-ominaisenergia ilmaistaan porakoneen käyttäjälle. Tällöin porauksen ohjaus 20 tapahtuu käyttäen hyväksi näyttölaitteella (50) ilmaistua dataa ja käyttäjän kokemusperäistä säätöstrategiaa. Tässä ratkaisussa ohjauslaite (40) ei siis ; suorita porausmuuttujien ohjaamista, vaan ohjaaminen on manuaalista, j Edelleen ilmaistaan näyttölaitteen (50) avulla kunkin tarkasteltavan osaprosessin ominaisenergia. Ohjauksen kannalta on edullista, mikäli 25 näyttölaite (50) kykenee ilmaisemaan samanaikaisesti useita ominaisenergian arvoja sekä niiden trendin.

Piirustukset ja niihin liittyvä selitys on tarkoitettu vain havainnollistamaan keksinnön ajatusta. Yksityiskohdiltaan keksintö voi vaihdella patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä, vaikka keksintöä onkin edellä esitelty hydrauli-ti; 30 sen kallioporakoneen toimintaan viitaten, on selvää, että keksinnön periaate ei ole riippuvainen siitä, millä tavoin iskupulssi aikaansaadaan työkaluun. Keksintöä voidaan siten soveltaa myös esimerkiksi pneumaattisesti ja sähköisesti toimivien iskulaitteiden yhteydessä. Vastaavasti pyörityslaite ja syöttölaite voi-, vat olla esimerkiksi sähköisiä toimilaitteita. Sähköisten toimilaitteiden toimintaa 35 säädetään muuttamalla sähköisiä suureita, kuten virtaa ja jännitettä. Sähköi-'. sen porakoneen kunkin osaprosessin eli iskun, pyörityksen, syötön ja huuhte- „ 112525 14 lun sähköteho voidaan määrittää suhteellisen helposti ominaisenergian laskemista varten.

Claims (14)

1. Menetelmä iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi, jonka kal-lionporauksen neljä osaprosessia ovat isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, ja 5 joita osaprosesseja ohjataan porausmuuttujia ohjaamalla, ja joka menetelmä käsittää ainakin seuraavat vaiheet: - määritetään porakoneen tunkeutumisnopeus ja iskuteho, - välitetään saadut tulokset porakoneen ohjauslaitteelle (40), johon on asetettu säätöstrategia porauksen ohjaamista varten, 10. käytetään saatuja tuloksia porauksen ohjaamisessa mainitun sää- töstrategian mukaisesti, tunnettu siitä, että - määritetään iskutehon lisäksi ainakin yhteen toiseen osaprosessiin käytetty teho, 15. lasketaan tarkasteltavien osaprosessien yhteensä käyttämän te hon suhde tunkeutumisnopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominai-senergian määrittämiseksi, ja - ohjataan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta määritellyllä kokonaisominaisenergialla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään lisäksi pyöritykseen käytetty teho.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään lisäksi porakoneen syöttöön käytetty teho.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, 25 tunnettu siitä, että määritetään lisäksi huuhteluun käytetty teho.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että määritetään kunkin tarkasteltavan osaprosessin omi-naisenergia jakamalla kunkin osaprosessin käyttämä teho tunkeutumisnopeu-della.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että monitoroidaan osaprosessien ominaisenergiassa tapahtuvia muutoksia, ja että valitaan säädettävä porausmuuttuja ja säätötoimenpide mainitun monitoroinnin sekä ohjauslaitteeseen asetetun säätöstrategian perusteella.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, '; 35 että kerrotaan kunkin osaprosessin ominaisenergia ennalta määritellyllä pai- I * 1β 1 12525 nokertoimella, ja että lasketaan osaprosessien painotetut ominaisenergiat yhteen kokonaisominaisenergian määrittämiseksi.

8. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjataan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu 5 minimillä kokonaisominaisenergialla.

9. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1-7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjataan ennalta määritellyissä poraustilanteissa porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu kutakin määriteltyä poraustilannetta varten etukäteen määritellyllä kokonaisominaisenergialla.

10. Ohjelma, joka on tarkoitettu suoritettavaksi kallioporakoneen (1) ohjauslaitteessa (40), joka ohjauslaite (40) on sovitettu ohjaamaan kallionpo-rausprosessia, johon kuuluu neljä osaprosessia, nimittäin isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, tunnettu siitä, että ohjelman suorittaminen ohjauslaitteessa (40) 15 on sovitettu: - määrittämään ainakin kahden monitoroitavan osaprosessin yhteensä käyttämän tehon suhteen tunkeutumisnopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominaisenergian selvittämiseksi, ja - ohjamaan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta mää-20 ritellyllä kokonaisominaisenergialla.

11. Kallionporaussovitelma, joka käsittää ainakin: - kallioporakoneen (1), johon kuuluu iskulaite (6) iskujen antamiseksi kallioporakoneeseen (1) kytkettävän työkalun (9) välityksellä porattavaan kallioon, sekä edelleen pyörityslaite (7) mainitun työkalun (9) kääntämiseksi 25 akselinsa ympäri, - syöttölaitteen (2) kallioporakoneen (1) liikuttamiseksi porattavan kallion suhteen, - huuhtelulaitteen porauksessa irrotetun materiaalin huuhtelemiseksi, ; V 30 - ohjauslaitteen (40), joka on sovitettu ohjaamaan yhtä tai useam paa porauksen osaprosessia, joita ovat isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, ja johon ohjauslaitteeseen (40) on asetettu säätöstrategia porausmuuttujien oh-:, jäämiseksi, ' ; ' - välineet kallioporakoneen (1) tunkeutumisnopeuden määrittämi- : 35 seksi, sekä - välineet iskulaitteen (6) ottaman tehon määrittämiseksi, 17 1 12525 tunnettu siitä, - että lisäksi sovitelmaan kuuluu välineet ainakin yhden toisen osaprosessin ottaman tehon määrittämiseksi, ja - että ohjauslaite (40) on sovitettu ohjaamaan porausmuuttujia niin, 5 että tarkasteltavien laitteiden ottaman yhteenlasketun tehon suhde tunkeutu- misnopeuteen on ennalta määritellyn suuruinen porauksen aikana.

12. Menetelmä iskevän kallionporauksen ohjaamiseksi, jonka kal-lionporauksen neljä osaprosessia ovat isku, pyöritys, syöttö sekä huuhtelu, ja joita osaprosesseja ohjataan porausmuuttujia ohjaamalla, ja joka menetelmä 10 käsittää ainakin seuraavat vaiheet: - määritetään porakoneen tunkeutumisnopeus ja iskuteho, - välitetään saadut tulokset porakoneen ohjauslaitteelle (40), - käytetään saatuja tuloksia porauksen ohjaamisessa, tunnettu siitä, että 15. määritetään iskutehon lisäksi ainakin yhteen toiseen osaprosessiin käytetty teho, - lasketaan tarkasteltavien osaprosessien yhteensä käyttämän tehon suhde tunkeutumisnopeuteen porauksessa käytetyn kokonaisominai-senergian määrittämiseksi, ja 20. ohjataan porausmuuttujia niin, että poraus tapahtuu ennalta määri tellyllä kokonaisominaisenergialla.

13. Patenttivaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että osoitetaan ohjauslaitteeseen (40) kuuluvassa näyttölaitteessa (50) mainittu kokonaisominaisenergia.

14. Patenttivaatimuksen 12 tai 13 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että osoitetaan ohjauslaitteeseen (40) kuuluvassa näyttölaittees-. sa (50) ainakin yhden osaprosessin ominaisenergia. I < 18 1 12525