JP2012505328A - 削岩機の制御方法及び構造 - Google Patents

Abstract

本発明に係る削岩機を用いて岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する方法及び構造は、衝撃波発生装置を介して発生される衝撃力によって岩に対して作用する工具に衝撃波を誘導するように構成された衝撃発生装置を備えている。この構造は、また、回転圧力を介して発生される回転によって衝撃装置にトルクを供給するように構成された回転発生装置と、減衰チャンバ内の減衰圧力を介して削岩機の岩との接触を少なくとも部分的に調整するように構成された加圧可能な減衰チャンバとを備え、ここで、衝撃波発生圧力は、回転圧力に応じて調整される。この構造は、減衰圧力又は送り圧力を表す第一パラメータ値を決定し、ドリルビットの回転圧力を表す第二パラメータ値を決定し、前記第二パラメータ値と回転圧力基準値との間の偏差を決定し、前記偏差に依存するパラメータ基準値を決定し、前記偏差及び前記パラメータ基準値の関数に基づいて衝撃圧力を調整する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、岩を掘削する時に掘削パラメータを制御するための請求項１の前文に従った方法及び請求項１１の前文に従った構造に関する。また、本発明は、前記方法を実行するための手段を有するコンピュータ制御システムに関する。また、本発明は、本発明による制御システムを備えた掘削リグを含む。

岩を掘削する時には、衝撃ドリルがしばしば使用される。通常油圧駆動式であるインパクトピストンが、油圧、打撃圧力又は衝撃波を生み出す圧力によって発生させられる衝撃力を用いて衝撃波を生み出すために用いられる。衝撃波（エネルギ）は、ドリルスチール（ドリルパイプ）を介してドリルビットに伝達され、岩に伝達される。岩に打撃をするところで、岩を粉砕するのに十分な力を発生させて、岩に接触するドリルビットのタングステンカーバイトピンが岩に押し込まれる。通常、ドリルカッティング（ｄｒｉｌｌ ｃｕｔｔｉｎｇｓ）と呼ばれる粉砕された岩は、その後、ドリルスチールの孔を通してドリルビットまで送り込まれる水又は空気圧によって、ドリルホールから外に運ばれる。タングステンカーバイトピンを粉砕されていない岩に接触した状態にするために、ドリルスチールは回転させられる。これは、ギヤ及び油圧モータを使用して行われる。

掘削の間、ドリルビットを岩に最適に接触させることが重要である。このため、削岩機は岩に押し付けられる。例えば、削岩機は、車両のような運搬装置に固定された送りビームのような支持装置に沿って順に走行するサドルに固定され得る。削岩機及びサドルは、送りシリンダとして定義される油圧シリンダによって送りビームに沿って岩に対して駆動され、そのため、ドリルビットは岩に押し付けられる。削岩機を前方に駆動するための別の方法は、チェーンフィーダを使用することである。チェーンフィーダでは、送りシリンダは、フィーダの一番後ろに設けられるギヤホイール付き油圧モータに置き換えられる。サドルに固定されたチェーンと、フィーダの一番前にあるギヤホイールとによって、サドルは削岩機と共に前後に動く。チェーンフィーダ上の送りシリンダ又は油圧モータに供給される油圧は、この明細書では送り圧力と定義される。

様々な岩の種類があるため、それらを構成する鉱物とそれらの構造に依存して、様々な掘削の困難さのレベルがある。一般的には、掘削速度の上昇は、岩が柔らかくなってきていることを意味する。この関係は、例えば、欧州特許ＥＰ１１０２９１７Ｂ１（特許文献１）において利用されている。該特許文献１は、どのようにして衝撃圧力が送り圧力に比例して制御されるかを示しており、その結果、削岩機が、岩を掘削するためにより低い衝撃エネルギが必要とされる柔らかい岩の領域に入った時に、衝撃圧力は掘削開始レベルまで低減される。しかし、この調整方法は、耐用年数を長くするために過度に高感度に調整を設定した場合には、結果として生産性を低減させ得る。

また、これらの様々な岩の状態の下で、岩との良好な接触を維持することも重要であり、特に、高い衝撃力を伴う掘削の場合には岩との良好な接触を維持することが重要である。従って、良好な岩との接触を維持することを保証するように構成された減衰システムが開発されている。従って、岩に対するドリルビットの接触圧力は、減衰システムに設けられた減衰ピストンを通した送り圧力の影響を受け、前記減衰ピストンは、減衰システム内に油圧（減衰圧力）によって減衰力を発生させるように構成されている。掘削の間、減衰ピストンに作用する圧力チャンバの加圧によって、減衰ピストンはドリルスチールに押し付けられ、従って、ドリルスチールは岩に押し付けられる。減衰ピストンは、通常、減衰ピストンが極端に前方に行った場合、即ち、ドリルスチールの前方の領域が非常に柔らかく、衝撃ピストンが、ドリルスチール及び減衰ピストンを通常位置を越えて前方に動かす場合、上記圧力チャンバの出口が完全に又は部分的に開き、圧力チャンバ内の圧力を低減させるように構成されている。また、減衰システムは、岩からの衝撃の反動を減衰することにより削岩機を保護する。

掘削に関して生じ得る問題点の例は、孔ずれ及び孔曲がりを含む。孔ずれは、例えば、新しい孔を開け始める段階のカラーリングに関連するドリルスチールの角度のずれが理由で生じ、通常、作業者によって修正され得る。孔曲がり、即ち、孔がずれて、直線になる代わりに曲がることは、作業者に対して操作をより難しくする。孔曲がりには幾つかの原因があり、例えば、ドリルビットが、掘削の方向に対して角度をなして分裂面がある硬い岩と柔らかい岩が交互になっている部分に到達することが原因となる。また、孔曲がりは、岩に割れ目があり、かつ、水や粘土で満たされ得る孔がある時にも生じ得、岩との接触を困難にさせる。孔曲がりの別の原因としては、ドリルビットが適切に研磨されていないこと及び／又はドリルスチールの長さとの組合せがその裂断長に達していることがある。

岩との接触が悪くなることにより掘削に関して生じ得る別の問題点は、通常、ねじ連結部によって接続されるドリルパイプのドリルスチールのねじが緩み、掘削中にねじ連結部の締め付けがなくなる危険があることである。これは、雄ネジ及び雌ネジ間の接触面にダメージを与える可能性がある。例えば、接触面が、摩擦熱によって、ところどころで一緒にスポット溶接されてしまい、ネジに割れ目を生じさせ、ドリルスチールが壊れることになる。

従って、従来技術による問題を少なくとも軽減する掘削パラメータを制御ための改良された方法及び構成が必要である。

欧州特許ＥＰ１１０２９１７Ｂ１

本発明の第一の目的は、上記した問題を解決する少なくとも一つの掘削パラメータを制御する方法を提供することにある。

その解決方法は、請求項１における特徴を有する方法である。

削岩機を用いて岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御するこのような方法は、
衝撃圧力を介して発生される衝撃力を岩に対して作用させる工具に衝撃波を誘導するように構成された衝撃発生装置と、
回転圧力を介して発生される回転によって衝撃装置にトルクを供給するように構成された回転発生装置と、
減衰チャンバ内の減衰圧力を介して削岩機の岩との接触を少なくとも部分的に調整するように構成された加圧可能な減衰チャンバと
を備え、
減衰圧力又は削岩機を前方へ送るための送り圧力の一方を表す第一パラメータ値を決定し、
ドリルビットの回転圧力を表す第二パラメータ値を決定し、
前記第二パラメータ値と回転圧力基準値との間の偏差を決定し、
前記偏差に依存する第一パラメータ値に対するパラメータ基準値を決定し、ここで、第一パラメータ値が減衰圧力の場合には前記パラメータ基準値は減衰圧力基準値であり、また、第一パラメータ値が送り圧力の場合にはパラメータ基準値は送り圧力基準値であり、
前記第一パラメータ値及びパラメータ基準値の関数に基づいて衝撃圧力を調整する。

これは、回転圧力及び減衰チャンバ内圧力の関数として衝撃圧力を調整することにより、あらゆる状況において、減衰圧力及び回転に関して正確な衝撃圧力が用いられることを保証することが可能になるという利点を有する。選択的に、回転圧力及び送り圧力の関数として衝撃圧力を調整することによって、あらゆる状況において、送り圧力及び回転に関して正確な衝撃圧力が用いられることを保証することが可能になる。

回転圧力が高いレベルにあり、かつ、送り圧力が減少する時に、適切な方法で減衰圧力と衝撃圧力との間の関係を修正することも可能になる。

本発明による方法の一実施例によれば、衝撃圧力は、それが前記回転圧力の変化を反映するような方法で調整される。本発明による方法の好ましい実施例によれば、この方法は、第一パラメータ値がパラメータ基準値より大きく、かつ、第二パラメータ値が回転圧力基準値より大きい時に、衝撃圧力に通常掘削圧力を維持させる段階も含む。

本発明による方法の一実施例によれば、衝撃圧力は、ある時間間隔の間の回転数の平均値に関して調整される。

回転圧力をモニタリングすること、及び、これを減衰圧力に基づく衝撃圧力の調整に組み合わせることによって、より高精度な操作を達成し、穴ずれの危険を減らすことを可能にすると共に、衝撃圧力の低下が原因となる穴ずれに関連する生産性の低減を回避することが可能になる。高い回転圧力が減衰圧力の調整レベルを低下させる時、送り圧力と衝撃圧力との間の関係は低下されることになる。ドリルビットが分裂面に達した時に、とりわけ、柔らかい岩が硬い岩に変わった時に、これが、状況を動かす機会を生み出すことになる。回転圧力が、通常とみなされるレベルより高いレベルを有する時に、岩の接触が十分でなかったとしても、ドリルスチール上のねじ山が潰れる危険を非常に低くする。これは、より高い衝撃圧力が認められることを許す。また、この作用は、割れた岩を掘削する時に、真っ直ぐな孔を得ることに貢献する。ドリルビットの方向は、裂け目掘削に、より高い衝撃圧力を使用するので、よりよく維持され得る。

本発明は、多数の利点、例えば、ドリルビット、ドリルスチール（ドリルパイプ）及びシャンクアダプタの耐用年数を向上させるなどの利点を有する。この利点は、正確な調整レベルを設定することができ、かつ、衝撃圧力を回転圧力及びドリルビットの岩との接触に応じて調整することで、有害な反動を低減することによって達成される。別の利点は、ねじ継手に対する損傷を少なくすることにある。本発明の他の利点は、相当に柔軟性のあるシステムが得られることにある。

本発明による方法の一実施例によれば、この方法は、第一パラメータ値がパラメータ基準値より低い時に、カラーリング圧力に関連して衝撃圧力を調整する段階を含む。

本発明による方法の一実施例によれば、この方法は、上記関数に応じて衝撃圧力に対するガイドライン値を設定し、ガイドライン値に応じて衝撃圧力を調整する段階を含む。

本発明による方法の一実施例によれば、回転圧力は、センシング、モニタリング、測定又は演算を介して、連続的に及び／又は特別な間隔で決められる。前記圧力を連続的に決定することによって、衝撃圧力を連続的に調整することが可能になる。また、決定した圧力の値をフィルタリングすることにより、小さな変動に対する調整の感度を低くすることができるという利点を有する。

本発明による方法の一実施例によれば、調整は、減衰圧力又は送り圧力、回転圧力及び衝撃圧力間の数学的関係を用いることにより、及び又は予め決めたテーブルでそれを調べることによって実行される。

本発明による方法の一実施例によれば、調整は、送り圧力、回転圧力及び衝撃圧力間の数学的関係を用いることで、及び又は予め決めたテーブルでそれを調べることによって実行される。

本発明による方法の一実施例によれば、関数は、上記偏差及び／又は上記パラメータ基準値、又は減衰圧力及び送り圧力基準値の一方に関する比例調整、積分調整、微分調整の一つ又はこれらの幾つかの組み合わせから成る。

本発明による方法の一実施例によれば、この方法は、また、単位時間当たりの衝撃圧力上昇が閾値より低く維持されるように調整される衝撃圧力上昇を含む。

本発明による方法の一実施例によれば、回転発生装置は回転モータを有し、第二パラメータ値は、決められた時間帯の間の回転圧力の平均値である。

本発明による方法の一実施例によれば、この方法は、また、送り圧力によって調整される送りビームに沿って前後に移動可能である衝撃発生装置を含み、前記送り圧力は、回転圧力に応じて調整される。

本発明の第二の目的は、上記した問題を解決する少なくとも一つの掘削パラメータを制御する構成を提供することにある。

解決手段は、請求項１１における特徴を有する構成である。

このような、削岩機を用いて岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する構成は、
衝撃圧力を介して発生される衝撃力を岩に対して作用させる工具に衝撃波を誘導するように構成された衝撃発生装置と、
回転圧力を介して発生される回転によって衝撃装置にトルクを供給するように構成された回転発生装置と、
減衰チャンバ内の有効圧力を介して削岩機の岩との接触を少なくとも部分的に調整するように構成された加圧可能な減衰チャンバ（３８）とを
備え、
衝撃圧力が前記減衰チャンバ内の圧力に応じて調整され、
制御システムが削岩機の動作を制御するように構成され、
請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法を実行するように構成された装置を備えている。

このような構成は、上述した利点を同等の利点を有する。

本発明は、また、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法に従って、岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する方法を実行する手段を備えたコンピュータ制御システムを有する。

本発明は、また、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法による方法を制御するためのプログラムコードを有するプログラムであって、コンピュータの内部メモリに直接ダウンロードされ得るコンピュータプログラムを有する。

本発明は、また、請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法に従った処理をコンピュータに実行させるように設計されたコンピュータプログラムを記憶したコンピュータ可読媒体を有する。

本発明は、また、請求項１１によるコンピュータ制御システムを備えた掘削装置を有する。

図１は、本発明による構造を備えた掘削装置の概略を示す図である。 図２は、従来技術によるフロー減衰装置を示している。 時間の関数として減衰及び衝撃圧力を調整する一例を示している。 回転圧力の関数として送り圧力を調整する一例を示している。 本発明の実施例に従って衝撃圧力を調整する一例を示している。 本発明による制御システムの詳細の一実施例を示す図である。 図５に従った衝撃圧力の調整のためのディスプレイの一実施例を示す図である。

本発明は、添付図面を参照した実施例の説明を通してより詳細に説明される。

以下の説明はアンダーグラウンド掘削装置を説明する。しかし、本発明は、サーフェイス掘削装置にも適用することができる。

図１は、トンネル掘削や鉱石の採掘、又は例えばトンネルや採掘に関連する岩盤補強ボルトの設置のための掘削装置を示している。掘削装置１０はブーム１１を備えている。ブーム１１の一端１１ａは、一つ又は複数の関節装置を介して、関節構造で、車両のようなキャリア１２に取り付けられている。また、ブーム１１の他端１１ｂには、削岩機１４の形態の衝撃発生装置を支持する送り装置１３が設けられている。削岩機１４は、送り装置１３に沿って移動できるようにされ、ドリルパイプ１５及びドリルビット１８を介して岩１７に伝達される衝撃波を発生する。また、掘削装置１０は制御ユニット１６を備えている。制御ユニット１６は、本発明に従って、以下に説明するようにドリルパラメータを制御するために用いられ得る。制御ユニット１６は、削岩機及びキャリアに関する位置、方向及び掘削距離を監視するために使用され得る。制御ユニットは、中央演算処理装置（ＣＰＵ）を備えたマイクロプロセッサ若しくはプロセッサ、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、又はプログラマブルロジックコンポーネント及びプログラマブル通信ユニットを備えた半導体ユニットを備え、制御機能によって削岩機の機能を調整し、本発明の一つの特徴による方法に従った処理を実行する。これは、制御ユニットにアクセス可能なメモリに少なくとも部分的に記憶された一つ又は複数のコンピュータプログラムによって実行される。また、このために、勿論、別体の制御ユニットが使用され得るが、制御ユニット１６は、掘削装置１０の動作を制御するためにも使用され得る。

削岩機１４は、従来技術に属する方法で、掘削中にドリルパイプ１５を回転させるように構成された回転装置（図示せず）を備える。この回転装置は、第一パイプ２２を介して第一ポンプ２０から出る回転液流を介して油圧駆動される回転モータを備えている。パイプ２２内の圧力は、第一圧力センサ２４によって測定される回転圧力Ｒである。制御ユニット１６は、第一圧力センサ２４からの信号を受信し、第一パイプ２２内の圧力をモニタし、記録する。回転圧力Ｒは、センシング、モニタリング、測定又は演算を介して連続的に及び／又は特定の間隔で測定される。また、圧力センサ２４は、不図示の別の実施例では、回転モータにおける回転圧力Ｒの測定もできる。削岩機１４は、送りモータ（図示せず）による送り力によって前方に駆動される。前記送りモータ（図示せず）は、第二パイプ２８を介して第二ポンプ２６から出る送り流を介して油圧駆動される。送りパイプ２８内の圧力は、第二圧力センサ３０によって測定される送り圧力Ｍである。制御ユニット１６は、圧力センサ３０からの信号を受信し、第二パイプ２８内の圧力をモニタし、記録する。削岩機の位置及び速度は、制御システム１６に接続された送り装置１３上の位置センサ（図示せず）を用いて決められる。削岩が行われていない時間中の削岩機及びサドルの速度を、ここでは、送り速度と称する。削岩中の削岩機及びサドルの速度を、ここでは掘削速度と称する。

削岩機の内部の衝撃機構（図示せず）を介して、衝撃パルスはドリルパイプ（ドリルスチール）に伝達され、ドリルビットより遠位のドリルパイプ１５に固定されたアダプタ（図示せず）を打撃する衝撃機構を介して、そこから岩へ伝達される。衝撃機構は、衝撃圧力Ｓ（衝撃波発生圧力）で駆動される。また、削岩機は、減衰システムも備えている。ドリルパイプ１５は、減衰システムに設けられた減衰ピストン（図示せず）を介して岩に向けて送られる。上記した岩に対してドリルパイプを押し付ける作用に加えて、減衰ピストンは、減衰作用も有する。

図２は、減衰システムをより詳細に示している。ドリルパイプ１５は、減衰システムに設けられた、この実施例ではフローダンパーである減衰ピストン３４を介して岩に向けて送られる。ドリルパイプは、減衰ピストン３４を用いてスリーブ３７を介して岩に向けて送られ、減衰装置３４はアダプタ３５を打撃する。動作中、加圧可能な減衰チャンバ内の油圧によって決められる力が、減衰ピストン３４及びスリーブ３７を介してアダプタ３５に送られる。上記した力は、ドリルビットが岩に対して不変的に押し付けられた状態を維持することを保証するために用いられる。また、減衰ピストンは、それが通常位置から掘削方向に動かされた場合、例えば、ドリルビットが空洞に達したり、硬質の岩が柔らかい岩になったりする場合であって、衝撃ピストンのストロークがドリルパイプから離れる打撃されて新しい位置まで動かされた場合、減衰チャンバ３８内の圧力が低減される。

減衰チャンバ３８内の油圧は、不図示の第三圧力センサで測定される減衰圧力Ｄである。制御ユニット１６は、第三圧力センサからの信号を受信し、減衰圧力をモニタし、記録する。減衰圧力Ｄ（別の方法として、減衰チャンバ内の減衰圧力は、減衰チャンバ３８への圧力供給パイプ内で又は圧力供給パイプにおいて測定／決定される圧力によって表され得る。）を測定することによって、制御ユニット１６は、ドリルビットが岩に接触する度合い及び通常位置に対する減衰ピストンの位置を決めることができる。減衰チャンバ３８内の油圧又は減衰チャンバ３８への送りパイプ内の油圧は、良好な岩との接触を得るために減衰圧力及び時間の関数として衝撃圧力を調整するための第一制御機能として利用される。

不図示の別の実施例では、二つの減衰チャンバを備えた減衰チャンバを使用することもできる。

図３は、このような調整の一実施例を示している。第一制御機能は、減衰圧力が低下して、シャンクアダプタが前方に押され、岩との接触が弱くなると衝撃圧力を下げ、減衰圧力が高く、かつ、岩との接触が良好であると認められる時には衝撃圧力を上げる。従って、第一制御機能は、制御された方法において様々な減衰圧力間で切り替えをすることを可能にする。減衰圧力Ｄに対する多数の制限値が制御システムで決められる。即ち、低い衝撃圧力Ｓ１が認められた時のみ認められる減衰圧力に等しい減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ、及び高い衝撃圧力Ｓ２が認められた時に認められる減衰圧力に等しい第二減衰圧力Ｄ２が決められる。第一制御機能の基本原理は、減衰圧力の関数として衝撃圧力を調整することにある。減衰圧力Ｄｒｅｆは、岩との接触が無くなり、衝撃波の勢いが岩に伝達されずに、代わりに削岩機に反射されても装置が損傷を受けないようにするために、例えば、衝撃圧力が掘削開始レベル、即ち、カラーリング圧力まで低下した時のレベルから成る。第二減衰圧力Ｄ２は、例えば、岩との接触が良好であると考えられる時の圧力から成り、衝撃波の勢いが効率的に伝達されるので装置を損傷させる危険が低いため高い衝撃圧力が認められ得る。

この場合、衝撃は、減衰圧力が、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１と高い減衰圧力Ｄ２との間にある時に、それが通常掘削圧力Ｓ２を維持することができるように調整される。図３は、掘削の開始時であって、減衰圧力が、より高いレベルＤ２より低い限りにおいて、どのように衝撃圧力がカラーリング（掘削開始）レベルＳ１に維持されるかを示している。時間Ｔ１において、減衰圧力が圧力レベルＤ２を超えた時、衝撃圧力は、通常掘削圧力Ｓ２まで上昇され、その後、衝撃圧力は、減衰圧力が低減衰圧力レベル、即ち、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１より低くならない限り、通常掘削圧力Ｓ２に維持される。時間Ｔ３の時点では、減衰圧力基準値が圧力レベルＤｒｅｆ１より低く、従って、衝撃圧力は、掘削開始レベルＳ１まで下げられる。この実施例では、圧力低下は、ステップ関数で実行されているが、他の実施例では、他の関数、例えば、比例関数やランプ関数を使用することもできる。同じ方法で、衝撃圧力は、様々な関数、例えば、ステップ関数、比例関数又はランプ関数に従って上げられる。

上記した第一制御機能によって掘削を調整しているにもかかわらず、ドリルジャミングの危険はある。従って、図４に示すように、制御システムにおいて第二制御機能が実行される。ジャミングは、ドリルロッドが取り外すことが難しく、ドリルロッドを岩の穿孔内に残さなければならないことを意味し、本質的に、生産性を低下させる。ドリルロッドを残さなければならないと、ロッド及びドリルビットのコストに加えて、ローディングに関する問題が生じる。また、ドリルビットがタングステンやカーバイドのような装置にダメージを与え得る硬質材料を含んでいるので、残ったドリルビットが、それが粉砕された時に、継続的な掘削や、破壊された岩の後処理の邪魔をする危険もある。しばしば、削岩機がジャミングの途中にある時に、より高いトルクがドリルビットを回転させるために必要とされるので、回転モータへの回転圧力Ｒが増加する。

図４においては、水平線が回転圧力を示し、垂直線が送り圧力を示す。第二制御機能は、回転圧力Ｒに依存する関数として送り圧力を調整する。この実施例では、送りモータ／送りシリンダの送り圧力は、直接、送り力に比例する。多数の回転圧力、例えば、最小回転圧力Ｒ１、回転圧力Ｒ２に対する設定値、ジャミング後の回転圧力Ｒ３に対する設置値Ｒ２より高い制限値、及び最大許容回転圧力Ｒ４等の回転圧力に対する様々なレベルが制御システムで決められる。最小回転圧力Ｒ１は、削岩機を起動させたが、負荷をかけていない時の回転モータのアイドリングに等しい。回転圧力Ｒ２に対する設定値は、問題になる岩の種類に対する仮回転圧力に等しく、ドリルパイプ上のネジ連結部が止まるレベルに等しい。

最大許容回転圧力Ｒ４は、ネジ連結部が締め付けられて外せなくなるレベルに等しい圧力の直前の圧力に決められる。最大許容回転圧力Ｒ４に達すると、制御システムは抗ジャミング機能を起動する。抗ジャミング機能は、回転圧力がジャミング後の回転圧力Ｒ３より下がるまで削岩機を逆転する。同等の送り圧力は、ジャミングＭ１に関する送り圧力、送り圧力Ｍ２に対する制限値及び通常掘削Ｍ３に関する送り圧力に対する設定値である。

図４では、削岩機は、アイドリング回転圧力Ｒ１で始動し、通常掘削が実行されるまでは、回転圧力は、回転圧力Ｒ２に対する設定値より低い。図面及び制御システムにおいて、アイドリング回転圧力Ｒ１と回転圧力Ｒ２の設定値との間は、通常掘削に関する供給圧力Ｍ３と等しい。何らかの理由で、削岩機がジャミングし始めると、回転圧力は上述のように上昇する。これに関連して、回転圧力が回転圧力に対する設定値Ｒ２を超えると、制御システムは送り圧力を送り圧力に対する制限値Ｍ２まで低下させる。この実施例では、送り圧力の低減は、回転圧力に比例して行われる。しかし、送り圧力の低減は、他の数学関数に従って実行することもできる。

送り圧力の制限値Ｍ２に対する圧力レベルは、通常、丁度摩擦を克服するレベルに固定され、削岩機は動き始める。このレベルに関して、目的は、ドリルビットに対する岩の接触をいくらか減らすことであり、従って、削岩機がジャミングする危険及びネジ連結部が過剰に締め付けられて、それらを外すことができなくなる危険を低減する。これにも拘わらず、回転圧力が最大許容回転圧力Ｒ４まで上がり続けた場合、制御システムは、抗ジャミング機能を始動し、この実施例ではステップ関数として示すように送り圧力をジャミングに関する送り圧力Ｍ１まで下げる。抗ジャミング機能は、削岩機を逆転することによって始動される。次いで、抗ジャミング機能が始動された時、回転圧力がジャミング後回転圧力Ｒ３より低くなるまでドリルサドルを後方に送るように、送り圧力は調整される。送り圧力Ｍに対するマイナス軸は、削岩機の反転に等しいＭ１から成る。

サーフェイス掘削装置やアンダーグラウンド掘削装置のような様々な掘削装置の種類に対して回転圧力に応じて送り圧力を調整するための関数には様々な実施例がある。調整は、例えば、比例調整、微分調整又は積分調整のような数学モデルや、幾つかの他の従来の調整に従って実行され得る。

上述した第一及び第二制御機能を組み合わせると、以下の状態が生じることになる。制御システムは、上昇する回転圧力Ｒを読み取り、回転圧力が回転圧力設定値Ｒ２を超えた時に、制御システムは、第二制御機能により送り圧力Ｍを低下させる。送り圧力Ｍの低下に従って、岩との接触が低下し、その結果、減衰圧力Ｄが低下し、これに依存して、制御システムが第一制御機能により衝撃圧力Ｓを下げる。この状態は、低下した送り圧力Ｍが、ドリルスチールが穿孔の側面に向かって曲げられる危険を低減することに確実に貢献するという結果をもたらすが、ドリルビットが異なる種類の岩の間の分裂面を打撃すると、送り圧力と衝撃圧力との間の比率が、共に下げられて一定であるので、孔ずれの危険がある。別の結果としては、システムが孔を真っすぐにすることを成功させなければ、孔の少なくとも一部が、カラーリング圧力によって掘削され、掘削速度を劇的に低減し、生産性を下げる危険がある。

本発明は、図５を参照して、以下にさらに詳細に説明される。図５は、掘削速度及び生産性を向上させることを目的とする本発明の一実施例に従って衝撃圧力を調整する一実施例を示している。

図５は、回転圧力及び減衰圧力に応じて衝撃圧力を調整する方法を示している。この方法は、第一及び第二の制御機能と協働して実行される。図面は、同じ時間軸の関数として衝撃圧力Ｓ、減衰圧力Ｄ及び回転圧力Ｒを表す三つのグラフを示している。図４の説明で言及した回転圧力に対する所定の制限値に加えて、制御システムは、回転掘削のエンドポジションＲ１及びＲ４間で決められた回転圧力基準値Ｒｒｅｆも含む。また、図３の説明において定義された減衰圧力の基準値に加えて、減衰圧力のための第三制限値がある。別の減衰圧力基準値Ｄｒｅｆが有する所定の第二減衰圧力Ｄｒｅｆ２のレベルでは、減衰圧力が第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１より低くなる。従って、二つの異なる減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ：（Ｄｒｅｆ１， Ｄｒｅｆ２）がある。図３の説明において上述したように、制御システムには、所定の衝撃圧力に対する二つのレベルがあり、一つは、カラーリングＳ１に関連する衝撃圧力であり、もう一つは、通常掘削圧力Ｓ２に関する衝撃圧力である。

この方法は、決められた減衰圧力Ｄを表す第一パラメータ値Ｐ１を含む。加えて、ドリルビットの回転圧力Ｒを表す第二パラメータ値Ｐ２が決められる。次いで、上記第二パラメータ値と回転圧力基準値Ｒｒｅｆとの間で偏差ΔＲが決められる。その後、パラメータ基準値、この実施例では、上記偏差ΔＲに依存する減衰圧力基準値Ｄｒｅｆが決められる。したがって、衝撃圧力は、上記減衰圧力基準値Ｄｒｅｆの関数Ｇ（Ｄｒｅｆ（ΔＲ））に基づいて調整される。

図５に示された実施例では、掘削は、時間Ｔ００で始まり、カラーリングのための衝撃圧力Ｓ１、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１及び回転圧力の設定値Ｒ２で開始する。時間Ｔ００とＴ１１との間の間隔に示される時間の間、グラフは、図３に示された時間Ｔ０とＴ１との間の第一制御機能による調整に対応する。この間隔は、通常掘削に対応し、回転圧力は、回転圧力設定値Ｒ２より低いか、又は回転圧力設定値Ｒ２である。この場合、この方法による調整はまだ満たされていない。

しかし、回転圧力Ｒが上昇して、回転圧力設定値Ｒ２を越えると、制御システムは、図４に示した第二制御機能に従って送り圧力Ｍを低減し始める。また、この結果、岩との接触が低下するので、減衰圧力Ｄが下げられる。図５における時間Ｔ１２に示されるように回転圧力が回転圧力基準値Ｒｒｅｆより高くなると、上述した方法を起動するための条件の一つが満たされる。従って、制御システムは、以下に示す方法に基づいて、衝撃圧力を調整する。

制御システムは、減衰圧力Ｄを表す第一パラメータ値Ｐ１及びドリルビットの回転圧力Ｒを表す第二パラメータ値Ｐ２を決定する。その後、制御システムは、第二パラメータ値Ｐ２と回転圧力基準値Ｒｒｅｆとの間の偏差ΔＲを決定し、次いで、偏差ΔＲに応じた減衰圧力基準値Ｄｒｅｆに適用するための値を決定する。これに関連して、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆは、回転がＲｒｅｆより低い場合には第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１のレベルに、また、回転がＲｒｅｆより高い場合には第二減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ２のレベルに設定される。その後、衝撃圧力は、第一パラメータ値Ｐ１及び前記偏差の関数に基づいて調整される。

図５に示す実施例では、回転圧力基準値Ｒｒｅｆに達した時に、衝撃圧力の調整に関する条件が変えられ、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆのための調整レベルが、図３に示した第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１に等しい減衰圧力基準値Ｄｒｅｆに対する前の制限値の代わりに、第二減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ２のためのレベルに設定される。これにより、例えば、ドリルがジャミングすることになり回転圧力Ｒが上昇し、結果として、送り圧力が低下し始めると、制御システムは、衝撃圧力を、衝撃圧力をカラーリング圧力Ｓ１まで下げる代わりに通常掘削圧力Ｓ２のためのレベルに維持することになる。回転圧力が再び回転圧力基準値Ｒｒｅｆのためのレベルより下まで下がると（図５における時間Ｔ１４参照）、衝撃圧力の調整に関する条件が変えられ、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆのための調整レベルは、第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１に等しいレベルに戻される。

また、図５は、ドリルビットが孔又はルーズロックを打撃し、その結果、回転圧力を上昇させることなく減衰圧力が低下する時に、どのようにして、制御システムが、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆに応じて、第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１（図５における時間Ｔ１５参照）のレベルまで衝撃圧力を低下させるかを示している。衝撃圧力は、それが減衰圧力における変化を反映させるように調整される。時間Ｔ１６において、減衰圧力は高い減衰圧力Ｄ２に戻され、衝撃圧力は、再び、上昇するように調整される。

衝撃圧力は、本質的に、それが上記回転圧力における変化を反映するように調整される。回転圧力がＲｒｅｆを越えると、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆを有する減衰圧力Ｄに対する調整レベルは、第一減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ１のレベルと、第二減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ２のレベルとの間で切り替わる。回転圧力は、センシング、モニタリング、測定又は演算を介して、連続的に、及び／又は、特定の間隔で決定され得る。

例えば、衝撃圧力は、上述したように、即ち、回転圧力及び減衰圧力の関数として調整され得、上記関数は、上記偏差及び／又は上記減衰圧力基準値、又はこれらの組み合わせに関する比例調整、微分調整、積分調整の一つ又はこれらの幾つかの組み合わせから成る。また、この方法は、減衰圧力、回転圧力及び衝撃圧力の間の数学的関係を用いて、及び／又は予め決めたテーブルでそれを調べることによって実行され得る。

また、衝撃圧力の上昇は、単位時間当たりの衝撃圧力の上昇が敷居値より低く維持されるように調整され得る。

別の実施例では、送り圧力が衝撃圧力を調整する。その結果、第一パラメータ値は、代わりに送り圧力を表す。この場合、第一パラメータ値が送り圧力基準値Ｍｒｅｆより低ければ、衝撃圧力は制限される。これに関して、送り圧力基準値は、第一送り圧力基準値Ｍｒｅｆのレベルか、又は、Ｍｒｅｆより低い第二送り圧力基準値Ｍｒｅｆ２に設定される。送り圧力基準値Ｍｒｅｆは、第二パラメータ値Ｐ２と回転圧力基準値Ｒｒｅｆとの間で偏差ΔＲに応じて、関数Ｈ（Ｄｒｅｆ（ΔＲ））として上述した方法と同様の方法で設定される。回転がＲｒｅｆより低い場合、送り圧力基準値は、Ｍｒｅｆ１に設定される。回転がＲｒｅｆより高い場合、送り圧力基準値は、Ｍｒｅｆ２に設定し直される。

さらに別の実施例では、第一パラメータ値Ｐ１が、減衰圧力基準値又は送り圧力基準値の一方であるパラメータ基準値より低い時に、衝撃圧力がカラーリング衝撃圧力に関連して調整される。

また、第一パラメータ値が減衰圧力を示し、減衰システムのアイドリング圧力より低い場合に、衝撃圧力は制限される。

別の実施例では、第一パラメータ値が減衰圧力基準値又は送り圧力基準値の一方であるパラメータ基準値より高く、かつ、第二パラメータ値が回転圧力基準値より高い時に、衝撃圧力が最大衝撃圧力に関連して調整される。

勿論、衝撃圧力は、様々な関数（この明細書に全ては示されていない）、例えば、ステップ関数、比例関数又はランプ関数に従って上昇又は下降され得る。

別の実施例では、衝撃圧力Ｓは、通常掘削圧力Ｓ２より高くてもよく、例えば、非常に堅い岩の層が掘削される岩盤に散在している場合に、掘削を容易に行うことができるという利点を有する。

図６は、第一パラメータが回転圧力である時の図５に従った衝撃圧力の調整用の制御システム（１６）の詳細としての構成１００を示している。

この構成は、回転圧力を測定する第一圧力センサ２４からの信号が適用される第一装置１１０を有する。第一装置１１０は、回転圧力Ｒを表す第二パラメータ値Ｐ２を決めるように構成されている。また、この構成は、減衰圧力を測定する第三圧力センサからの信号が適用される第二装置１２０を有する。第二装置１２０は、減衰圧力Ｄを表す第一パラメータ値Ｐ１を決定するように構成されている。第二パラメータ値及び回転圧力基準値Ｒｒｅｆが、第二パラメータ値Ｒ２と回転圧力基準値Ｒｒｅｆとの間の偏差ΔＲを決定するように構成された第三装置１３０に適用される。偏差ΔＲは、上記偏差に応じて減衰圧力基準値Ｄｒｅｆを決めるように構成された第四装置１４０に適用される。その後、減衰圧力基準値Ｄｒｅｆ及び第一パラメータ値Ｐ１は、上記減衰圧力基準値及び第一パラメータ値Ｐ１の関数に基づいて衝撃圧力Ｓを調整するように構成された第五装置１５０に適用される。

図７は、回転圧力、衝撃圧力、及び減衰圧力の各々のための圧力計によって図５に従って衝撃圧力を調整するディスプレイ２００の一実施例を示している。カラーリング圧力は、エリア２３０の中にある。通常掘削の間、回転圧力及び減衰圧力が圧力計における基準値２１０及び２６０で示される領域にある。これは、回転圧力が、回転圧力の設定値Ｒ２より低く、減衰圧力が減衰圧力基準レベルＤｒｅｆ２おり高いことを意味している。この場合、本発明は、システムに影響を及ぼさない。

回転圧力が、符号２１０によって表される領域から符号２２０によって表される領域まで上昇する状況下で、制御システムは、第二制御機能によって送り圧力を低下し始める。これにより、減衰圧力は、岩との接触が良好ではないので低下する。本発明による方法によって、ここで、減衰圧力基準値は、Ｄｒｅｆ２に再設定され、衝撃圧力は通常掘削圧力Ｓ２、２４０に維持され得る。図面において、Ｄｒｅｆ１は、符号２６０で表される領域に対する最大レベルに対応し、第二減衰圧力基準値レベルＤｒｅｆ２は、符号２５０によって表される領域に対する最大レベルに対応する。

本発明は、図示実施例に制限されるものではない。特許請求の範囲によって限定された発明の範囲内において、当業者が多数の方法でそれを改良し得ることは勿論である。

Claims (15)

1. 衝撃圧力を介して発生される衝撃力を岩に対して作用させる工具（１８）に衝撃波を誘導するように構成された衝撃発生装置と、回転圧力を介して発生される回転によって衝撃装置にトルクを供給するように構成された回転発生装置と、減衰チャンバ内の減衰圧力を介して削岩機の岩との接触を少なくとも部分的に調整するように構成された加圧可能な減衰チャンバ（３８）とを備えた削岩機（１４）を用いて岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する方法において、
   減衰圧力（Ｄ）を表す第一パラメータ値（Ｐ１）を決定し、
   ドリルビットの回転圧力（Ｒ）を表す第二パラメータ値（Ｐ２）を決定し、
   前記第二パラメータ値と回転圧力基準値（Ｒｒｅｆ）との間の偏差（ΔＲ）を決定し、
   前記偏差に依存する減衰圧力基準値（Ｄｒｅｆ、Ｄｒｅｆ１、Ｄｒｅｆ２）を決定し、
   前記第一パラメータ値（Ｐ１）及び前記パラメータ基準値の関数に基づいて衝撃圧力（Ｓ）を調整する
   ことを特徴とする制御方法。
2. センシング、モニタリング、測定又は演算を通して回転圧力（Ｒ）が連続的に及び／又は特別な間隔で決められる
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記関数が、前記偏差（ΔＲ）及び／又は前記パラメータ基準値（Ｄｒｅｆ、Ｄｒｅｆ２、Ｍｒｅｆ、Ｍｒｅｆ１、Ｍｒｅｆ２）又はこれらの組み合わせに関する比例調整、微分調整、積分調整の一つ又はこれらの組み合わせから成る
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 減衰圧力、回転圧力及び衝撃圧力間の数学的関係を用いて、及び／又は予め決めたテーブルでそれを調べることによって調整が実行される
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 送り圧力、回転圧力及び衝撃圧力間の数学的関係を用いて、及び／又は予め決めたテーブルでそれを調べることによって調整が実行される
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
6. 第一パラメータ値（Ｐ１）がパラメータ基準値（Ｄｒｅｆ、Ｍｒｅｆ）より低い時に、開始掘削圧力（Ｓ１）に関して衝撃圧力を調整する工程を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 第二パラメータ値（Ｐ２）が回転圧力基準値（Ｒｒｅｆ）より大きく、かつ、第一パラメータ値（Ｐ１）が、第二減衰圧力基準値（Ｄｒｅｆ２、Ｍｒｅｆ２）に設定されたパラメータ基準値（Ｄｒｅｆ、Ｍｒｅｆ）より大きい時に、通常掘削圧力（Ｓ２）に関して衝撃圧力（Ｓ）を調整する工程を有する
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. 単位時間当たりの衝撃圧力上昇が閾値より低く維持されるように前記衝撃圧力上昇が調整される
   ことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
9. 回転発生装置が回転モータを備え、
   前記第二パラメータ値が、ある時間間隔の間のビットの回転に基づく回転平均値である
   ことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記衝撃発生装置が、送り圧力（Ｍ）によって調整される送り装置（１３）に沿って前後に移動可能であり、
    前記送り圧力が、回転圧力（Ｒ）に応じて調整される
    ことを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の方法。
11. 衝撃圧力を介して発生される衝撃力を岩に対して作用させる工具（１８）に衝撃波を誘導するように構成された衝撃発生装置と、回転圧力を介して発生される回転によって衝撃装置にトルクを供給するように構成された回転発生装置と、減衰チャンバ内の有効圧力を介して削岩機の岩との接触を少なくとも部分的に調整するように構成された加圧可能な減衰チャンバ（３８）とを備え、
    衝撃圧力が前記減衰チャンバ内の圧力に応じて調整され、
    制御システム（１６）が削岩機の動作を制御するように構成された
    削岩機（１４）を用いて岩の掘削をする時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する構造において、
    請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法を実行するように構成された装置を備えている
    ことを特徴とする制御構造。
12. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法に従って岩を掘削する時に掘削パラメータの少なくとも一つを制御する方法を実行する手段を備えている
    ことを特徴とするコンピュータ制御システム。
13. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法を制御するためのプログラムコードを有するプログラムであって、
    コンピュータの内部メモリに直接的にダウンロードされ得る
    コンピュータプログラム。
14. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の方法に従った処理をコンピュータに実行させるように設計されたコンピュータプログラムを記憶した
    コンピュータ可読媒体。
15. 請求項１２によるコンピュータ制御システムを備えた掘削装置。

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