JP3875095B2

JP3875095B2 - Dynamic behavior detector

Info

Publication number: JP3875095B2
Application number: JP2001394486A
Authority: JP
Inventors: 雅之山下; 宏二石山; 純一塚田
Original assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Current assignee: Nishimatsu Construction Co Ltd
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003193786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、油圧式削岩機を使用するトンネル掘削現場の、切羽前方の岩盤性状を探査する探査作業を行う穿孔装置に設けられて、この穿孔装置の穿孔反力に起因する動的挙動を検出する動的挙動検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トンネル等の空洞を掘削するトンネル掘削工事において、切羽前方の岩盤性状を探査することにより、岩盤性状を予め把握しておくことは、安全性や施工性を考慮する上で極めて重要である。岩盤性状の探査法は、これまでに数多くの開発がなされている。これらの探査法の一つに、例えば、特許第２７４９５６１号公報や特許第２９８０２４０号公報に示すように、油圧式削岩機により探査対象となる岩盤を穿孔し、油圧式削岩機の穿孔時の反力を計測することにより、該計測データを利用して穿孔区間の岩盤性状を把握する方法がある。これらの探査法は岩盤性状を、穿孔、という直接的な手法により把握するものであり、精度の高い探査が可能となっている。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記公報記載の技術においては、穿孔反力に起因する穿孔装置の動的挙動を、油圧式削孔機の油圧変化として間接的に検出し、この油圧変化から穿孔反力を算出している。すなわち、穿孔装置の動的挙動が間接的に検出されるため、算出される穿孔反力の精度が若干落ちてしまうことが指摘されてきた。この場合、アキュミュレータを間に介した状態で油圧変化を検出する場合には、算出される穿孔反力の精度がさらに落ちてしまう。
【０００３】
そこで本発明は、穿孔反力を精度良く算出するために、穿孔装置の動的挙動を直接的に計測・評価することが可能となる動的挙動検出装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１〜図５に示すように、
地山を穿孔する穿孔部（穿孔ビット１９）を備える穿孔装置１０に設けられ、この穿孔装置１０の穿孔反力に起因する動的挙動を検出する動的挙動検出装置１であって、
前記穿孔装置１０に取り付けられ、地山を穿孔する場合における、前記穿孔部（穿孔ビット１９）に伝達される衝撃反力が伝達されるシリンダ１１と、
このシリンダ１１内に設けられ、前記穿孔部（穿孔ビット１９）に伝達される衝撃反力に応じて摺動するピストン１１３と、
このピストン１１３に設けられ、前記穿孔部（穿孔ビット１９）に伝達される衝撃反力によって生じる前記穿孔装置１０の動的挙動を検出するセンサ（加速度センサ１３）と、が備えられていることを特徴としている。
【０００５】
請求項１記載の発明によれば、穿孔部に伝達される衝撃反力が伝達されるシリンダ内を摺動するピストンに設けたセンサによって、前記穿孔装置によって地山を穿孔する場合における、前記穿孔部から伝達される衝撃反力によって生じる前記穿孔装置の動的挙動が検出される。この動的挙動は、波動エネルギーという物理量を直接的に表しているため、この動的挙動から算出される、例えば穿孔反力等の探査データは極めて信頼性が高い。すなわち、従来の、穿孔装置に生じる媒体圧変化を検出する方法に比して、より正確に穿孔部の穿孔反力を算出することが可能となる。また、精度良く検出される探査データと、岩盤物性が予め把握されている基礎データとを比較することによって精度よく岩盤物性を予測できるため、効率的な穿孔作業を行うとともに、岩盤脆弱部等の危険区域を予測して安全を図ることができる。
【０００６】
前記センサとしては、例えば、加速度センサや速度センサ等がある。
なお、前記センサとして加速度センサを用いる場合においては、比較的硬質な地山の穿孔時には穿孔装置に生じる加速度が大きくなり、比較的脆弱な地山の穿孔時には穿孔装置に生じる加速度が小さくなる。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の動的挙動検出装置において、
前記センサ（加速度センサ１３）は、前記ピストン１１３に脱着可能に取り付けられていることを特徴としている。
【０００８】
請求項２記載の発明によれば、前記センサは、前記ピストンに脱着可能に取り付けられている。したがって、必要に応じて穿孔装置に脱着することができるため作業性が向上する。
【０００９】
なお、前記センサは穿孔装置に、例えば、適宜金物等を通してボルト締めや溶接等によって固定されればよい。
【００１０】
請求項３記載の発明は、例えば図１、図４、図５に示すように、請求項１〜３のいずれかに記載の動的挙動検出装置において、
前記センサ（加速度センサ１３）により検出された穿孔装置１０の動的挙動を電気信号に変換する変換手段（Ａ／Ｄコンバータ１４ｂ）と、前記変換手段（Ａ／Ｄコンバータ１４ｂ）により変換された電気信号を記録する記録手段（データレコーダ１４）と、
が備えられていることを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載の発明によれば、前記変換手段によって、検出された穿孔装置の動的挙動が電気信号に変換され、前記記録手段によって、変換された電気信号が記録される。すなわち、穿孔装置の動的挙動が、自動的に電気信号に変換され、さらにこの電気信号が自動的に記録される。したがって、精度良く検出される探査データを、人為的ミスを含まずに正確にストックすることができる。
【００１２】
前記変換手段としては、例えばＡ／Ｄコンバータ、前記記録手段としては、例えばデータレコーダがある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、図１〜図４を参照して本発明に係る動的挙動検出装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１において符号１は動的挙動検出装置を示す。動的挙動検出装置１は、図１に示すように、地山を掘削する油圧式削岩機１５に装備されてこの油圧式削岩機１５による本格的な削岩作業の前に、地山穿孔により岩盤性状を把握するための穿孔装置１０に取り付けられるものである。
動的挙動検出装置１は、地山を穿孔する穿孔装置１０に取り付けられる反力検出シリンダ１１、この反力検出シリンダ１１に取り付けられる加速度センサ１３、加速度センサ１３から接続されるアンプ１４ａ、Ａ／Ｄコンバータ１４ｂ、データレコーダ１４等から構成される。なお、反力検出シリンダ１１には、この反力検出シリンダ１１に作用する衝撃を緩衝するアキュミュレータ１２が油圧管２０を通して接続されている。
【００１５】
穿孔装置１０は、油圧式削岩機１５に固定されたシャンクロッド１６と、シャンクロッド１６とロッド１７とを接続するスリーブ１８と、スリーブ１８によりシャンクロッド１６と接続されるロッド１７と、ロッド１７の先端に固定された穿孔ビット１９から構成されている。
【００１６】
アキュミュレーター１２は、反力検出シリンダ１１内部のシリンダ内室１１１に接続され、シリンダ内室１１１に封入されている作動油の油圧の変動を緩衝させる。
【００１７】
アンプ１４ａは、加速度センサ１３から得られた加速度データを増幅する。
【００１８】
Ａ／Ｄコンバータ１４ｂは、アナログ信号を電気信号に変換し、該電気信号をデータレコーダ１４に出力する。
【００１９】
データレコーダ１４は、アンプ１４ａから入力された電気信号を、内蔵しているフロッピィーディスクあるいはメモリカード等の記録媒体に保存する。
【００２０】
油圧式削岩機１５は、内部に備えた図示しないピストンにより、シャンクロッド１６に油圧式削岩機１５から穿孔ビット１９の方向へ打撃エネルギーを加えて、スリーブ１８およびロッド１７を介して穿孔ビット１９により岩盤を穿孔する。
【００２１】
シャンクロッド１６は、一端を油圧式削岩機１５と、他端をスリーブ１８と接続している。
【００２２】
ロッド１７は、一端を穿孔ビット１９と、他端をスリーブ１８と接続している。
【００２３】
スリーブ１８は、シャンクロッド１６とロッド１７とを接続するカプラーである。
【００２４】
穿孔ビット１９は、ロッド１７の先端に固定され、刃先にはタングステンカーバイドチップ等を植え込んで、耐摩耗性を向上させている。
【００２５】
反力検出シリンダ１１は、図２（ａ）に示すように、穿孔装置１０に取り付けられている。すなわち、筒状の反力検出シリンダ１１にシャンクロッド１６が挿通されるようにして、図２（ｂ）に示すボルト穴１１８からボルト２１によって固定されている。図２（ａ）において符号２０は、アキュミュレータ１２に接続される油圧管２０であり、取付孔１１７にボルト等によって固定されている。
【００２６】
反力検出シリンダ１１は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、内部に断面円形の中空部を有した円筒状であり、この中空部にシャンクロッド１６が貫通している。反力検出シリンダ１１は、シャンクロッド１６の図中上下にシリンダ内室１１１を内部に有するシリンダチューブ１１２と、シリンダ内室１１１内に設置された中空ピストン１１３と、シリンダ内室１１１の内側側壁と中空ピストン１１３との間に設置された油圧シール１１６と、中空ピストン１１３の前部に接触して設置されたバッキンリング１１４と、バッキンリング１１４の外側に設置されたヘッドキャップ１１５から構成されている。
【００２７】
シリンダチューブ１１２は、内部に中空のシリンダ内室１１１と中空ピストン１１３を有しており、シリンダ内室１１１には作動油が封入されている。
【００２８】
中空ピストン１１３は、円筒形状をしており、スリーブ１８およびバッキンリング１１４を介して伝達された岩盤から油圧式削岩機１５の方向に働く穿孔反力により、シリンダ内室１１１内を摺動し、前進、後退する。この中空ピストン１１３には、加速度センサ１３がボルト１３ａによって固定されており、この加速度センサ１３によって中空ピストン１１３の動的挙動が検出される。この加速度センサ１３は中級ピストン１１３に、ヘッドキャップ１１５に形成されたボルト締付孔１１５ａからボルト１３ａによって容易に脱着可能である。また、加速度センサ１３は、適宜金物等を通して中空ピストン１１３に溶接固定されてもよい。
なお、加速度センサ１３は、導線１３ｂを通して、アンプ１４ａ、Ａ／Ｄコンバータ１４ｂ、データレコーダ１４等に接続されている。
【００２９】
油圧シール１１６は、シリンダ内室１１１の内側側壁と中空ピストン１１３との間に設置され、シリンダ内室１１１に封入されている作業油の外部への流出および中空ピストン１１３の前後移動に伴う摩擦を低減している。
【００３０】
バッキンリング１１４は、スリーブ１８と中空ピストン１１３との間に中空ピストン１１３を保護するために設置され、スリーブ１８を介して伝達された岩盤から油圧式削岩機１５の方向に働く穿孔反力を中空ピストン１１３へ伝達する。
【００３１】
ヘッドキャップ１１５は、バッキンリング１１４の外側に設置され、バッキンリング１１４を固定して中空ピストン１１３の抜け出しを防止する。
【００３２】
穿孔反力の検出を行うために、動的挙動検出装置１によって穿孔装置１０の動的挙動を検出する動的挙動検出処理について、図１および図４を参照して説明する。
【００３３】
まず、初期状態として、図１に示すように、動的挙動検出装置１の反力検出シリンダ１１を、油圧式削岩機１５とスリーブ１８との間に設置して、反力検出シリンダ１１の中空部にはシャンクロッド１６を通す。ここで、反力検出シリンダ１１は、穿孔時に働く油圧式削岩機１５を岩盤に押し付ける力（給進力）が油圧式削岩機１５とスリーブ１８の双方から反力検出シリンダ１１に加わることによって固定されるため、外部取り付け可能となり削岩機の機種によって制限されずに使用できる。
【００３４】
次に、油圧式削岩機１５内部のピストン（図示省略）によりシャンクロッド１６に打撃エネルギーを加え、該打撃エネルギーは、スリーブ１８およびロッド１７を介してロッド１７先端に設置された穿孔ビット１９に伝えられ、この穿孔ビット１９により岩盤の穿孔を行う。このとき、打撃エネルギーの一部は反力（打撃反力）として再び穿孔ビット１９、ロッド１７、スリーブ１８、およびシャンクロッド１６を介して油圧式削岩機１５に伝達される。また、油圧式削岩機１５を岩盤に押し付ける給進力を加えながら穿孔するため、給進力の反力（給進反力）も前記打撃反力とともに油圧式削岩機１５に伝達される。
【００３５】
ここで、穿孔反力とは前記打撃反力と前記給進反力とを合わせた反力を指すとする。岩盤の穿孔に使用する打撃エネルギーのように油圧式削岩機１５から岩盤の方向に働く力は、反力検出シリンダ１１の中空部を貫通しているシャンクロッド１６のみを通過するため、反力検出シリンダ１１には検出されない。一方、穿孔反力のように岩盤から油圧式削岩機１５の方向に働く力は、反力検出シリンダ１１前部に設置されているスリーブ１８の外径よりも反力検出シリンダ１１の中空径の方が小さく、スリーブ１８と反力検出シリンダ１１前部のバッキンリング１１４とが接触して、該接触部を介して反力検出シリンダ１１内部の中空ピストン１１３に伝達されるため、反力検出シリンダ１１に検出される。
【００３６】
次いで、動的挙動検出装置１の、穿孔反力から生じる動的挙動検出処理について説明する。図４に示すように、穿孔ビット１９に作用する衝撃反力がロッド１７等を経由して、反力検出シリンダ１１に伝達される。そして、この反力検出シリンダ１１に設けられている加速度センサ１３によって、反力検出シリンダ１１に作用する動的挙動が加速度として検出される。そして、加速度センサによって得られたアナログ信号が、アンプ１４ａによって増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ１４ｂによって電気信号に変換され、この電気信号がデータレコーダ１４に出力されるとともに、データレコーダ１４に内臓されている記録媒体に保存される。なお、得られた加速度データから適宜数値処理を行うことによって、容易に穿孔反力が算出される。
なお、比較的硬質な地山の場合には、穿孔時に反力検出シリンダ１１に生じる加速度は大きくなり、比較的脆弱な地山の場合には、穿孔時に反力検出シリンダ１１に生じる加速度は小さくなる。
【００３７】
本実施の形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
▲１▼前記加速度センサ１３によって、前記穿孔装置１０によって地山を穿孔する場合における、前記穿孔ビット１９から伝達される衝撃反力によって生じる前記穿孔装置１０の動的挙動が検出される。この動的挙動は、波動エネルギーという物理量を直接的に表しているため、この動的挙動から算出される、例えば穿孔反力等の探査データは極めて信頼性が高い。すなわち、従来の、穿孔装置に生じる媒体圧変化を検出する方法に比して、より正確に穿孔ビット１９の穿孔反力を算出することが可能となる。
【００３８】
▲２▼前記加速度センサ１３は、反力検出シリンダ１１の中空ピストン１１３に脱着可能に設けられている。したがって、必要に応じて穿孔装置１０に脱着することができるため作業性が向上する。
【００３９】
▲３▼前記Ａ／Ｄコンバータ１４ｂによって、検出された穿孔装置１０の動的挙動が電気信号に変換され、前記データレコーダ１４および記録媒体によって、変換された電気信号が記録される。すなわち、穿孔装置１０の動的挙動が、自動的に電気信号に変換され、さらにこの電気信号が自動的に記録される。したがって、精度良く検出される探査データを、人為的ミスを含まずに正確にストックすることができる。
【００４０】
なお、本実施の形態においては、加速度センサ１３から得られるデータから、穿孔装置１０の穿孔反力を算出しているが、特に穿孔反力に限定されるものではなく、これらのデータからは他の様々な指標が算出されてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態においては、穿孔装置１０の動的挙動を検出するために、反力検出シリンダ１１に加速度センサ１３を取り付けて加速度を検出しているが、特に加速度センサ１３に限定されるものではなく、例えば速度センサによって速度を検出してもよい。
【００４２】
また、本実施の形態においては、油圧式削岩機１５を用いているが、本発明は穿孔装置１０の動的挙動を直接的に検出するため、油圧式削岩機１５に限定されることなく穿孔反力を検出できる。
【００４３】
［第２の実施の形態］
以下、図５を参照して動的挙動検出装置１の、［第１の実施の形態］とは別の実施の形態を説明する。図５は、動的挙動検出装置１を含む岩盤物性探査システムの構成を示す図である。このシステムは、従来の探査システム（特許第２７４９５６１号公報および特許第２９８０２４０号公報）を利用したものであるが、ここでは、削岩機中に備わっていたダンピング圧の検出機能、あるいは、油圧変動を検出することによって穿孔反力を検出する動的挙動検出装置の代わりに、穿孔装置１０に取り付けられる加速度センサ１３によって穿孔装置の動的挙動を検出することによって穿孔反力を検出する動的挙動検出装置を用いている。図５（ａ）は、トンネル坑内において穿孔反力等を測定および記録する計測システムＡの構成図、図５（ｂ）は計測システムＡで得られたデータを現場事務所内のコンピュータ上で処理および解析する解析システムＢの構成図を示す。
【００４４】
なお、この図５（ａ）、図５（ｂ）において、前記［第１の実施の形態］における動的挙動検出装置１と同一の構成部分については、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００４５】
図５（ａ）において、計測システムＡは、前記図１に示した動的挙動検出装置１、データレコーダ１４、および油圧式削岩機１５と、油圧ホース４０…、フィードシリンダ４１、油量計４２、および記録媒体４３から構成されている。反力検出シリンダ１１には、加速度センサ１３が取り付けられており、この加速度センサ１３は、図示しないＡ／Ｄコンバータを備えるデータレコーダ１４に接続されている。各油圧ホース４０…は、各油圧センサ２０…とそれぞれ接続され、油圧センサ２０…は、データレコーダ１４に接続されている。油圧センサ２０…のうち、回転圧および打撃圧を測定する油圧センサ２０…は、それぞれ油圧ホース４０…を介して油圧式削岩機１５と接続され、フィード圧を測定する油圧センサ２０は、油圧ホース４０を介してフィードシリンダ４１と接続され、フィードシリンダ４１は、油圧ホース４０を介して油量計４２と接続され、油量計４２は、データレコーダ１４に接続されている。
【００４６】
フィードシリンダ４１は、穿孔時に油圧式削岩機１５を岩盤に押し付けるフィード圧（給進力）を油圧式削岩機１５に与える。
【００４７】
油量計４２は、油圧ホース４０を介してフィードシリンダ４１に接続され、油圧ホース４０中を流れる圧力伝達媒体としての作動油の流量を測定する。この測定結果から計算部（図示省略）によりフィードシリンダ４１内の油量変化が算出され、穿孔距離および穿孔速度等が算出される。
【００４８】
記録媒体４３は、データレコーダ１４に内蔵されており、計測システムＡにおいて得られたデータを保存し、解析システムＢへのデータ転送を行う。
【００４９】
ここで、図５（ａ）に示す計測システムＡの動作について説明する。計測システムＡは、図５（ａ）に示すように、穿孔反力を検出するための加速度センサ１３、さらに、それぞれ回転圧、打撃圧、フィード圧を検出するための３つの油圧センサ２０によってデータ収集が行われる。加速度センサ１３や各油圧センサ２０…によって得られたアナログ振動が電気信号に変換されて、この電気信号がデータレコーダ１４に内蔵されている記録媒体４３に保存される。そして、記録媒体４３によって計測システムＡにおいて得られた探査データが解析システムＢへ転送される。
【００５０】
図５（ｂ）において、解析システムＢは、コンピュータ４４、およびプリンタ４５から構成されている。
【００５１】
コンピュータ４４は、前記記録媒体４３に保存された穿孔反力、回転圧、打撃圧、およびフィード圧等の探査データと、岩盤物性との対応が明らかな油圧データである基礎データとを比較し、岩盤物性の予測を行う。
【００５２】
プリンタ４５は、コンピュータ４４による処理結果等を印刷する。
【００５３】
ここで、図５（ｂ）に示す解析システムＢの動作について説明する。解析システムＢは、図５（ｂ）に示すように、コンピュータ４４により記録媒体４３に保存された穿孔反力、回転圧、打撃圧、およびフィード圧等の探査データと、岩盤物性と対応が明らかな基礎データとを比較し、切羽前方の岩盤物性の予測を行う。その際、油量計４２により測定される作動油の流量から算出される穿孔距離および穿孔速度データ、および岩石の粉末であるくり粉の性状等も参照する。
【００５４】
穿孔装置によって穿孔した場合に、一般に、加速度が大きいデータが得られる岩盤は硬質岩盤、加速度が小さいデータが得られる岩盤は脆弱岩盤となるため、切羽前方の岩盤物性が硬質岩盤、あるいは脆弱岩盤であるかを予測することができる。
【００５５】
本実施の形態によれば、［第１の実施の形態］における▲１▼〜▲３▼の効果を得ることができるとともに、以下に示すような効果を得ることができる。
【００５６】
▲４▼岩盤物性が予め把握されている基礎データと探査データとを比較することによって精度よく岩盤物性を予測することができるため、効率的な穿孔作業を行うとともに、岩盤脆弱部等の危険区域を予測して安全を図ることができる。
【００５７】
なお、本実施の形態においては、計測システムＡにおいて得られた計測データを解析システムＢで解析する場合に、両システム間のデータ転送を記録媒体を用いて行っているが、無線等を使用してデータ通信を行い、リアルタイムで解析を行う形態としてもよい。また、計測システムＡと解析システムＢとの双方が、例えばトンネル坑内に設けられてもよい。
【００５８】
また、本実施の形態においては、穿孔装置１０の動的挙動を検出するために、加速度センサ１３を取り付けて加速度を検出しているが、特に加速度センサ１３に限定されるものではなく、例えば速度センサによって速度を検出してもよい。
【００５９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、従来の、穿孔装置に生じる媒体圧変化を検出する方法に比して、より正確に穿孔部の穿孔反力を算出することが可能となる。また、精度良く検出される探査データと、岩盤物性が予め把握されている基礎データとを比較することによって精度よく岩盤物性を予測できるため、効率的な穿孔作業を行うとともに、岩盤脆弱部等の危険区域を予測して安全を図ることができる。
【００６０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の効果が得られることは勿論のこと、前記センサを必要に応じて穿孔装置に脱着することにより作業性が向上する。
【００６１】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または２記載の効果が得られることは勿論のこと、穿孔装置の動的挙動が、自動的に電気信号に変換され、さらにこの電気信号が自動的に記録されるため、精度良く検出される探査データを、人為的ミスを含まずに正確にストックすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】穿孔装置およびこの穿孔装置に取り付けられた動的挙動検出装置を示す、一部破断の側面図である。
【図２】（ａ）は穿孔装置に取り付けられた動的挙動検出装置を示す斜視図、（ｂ）は反力検出シリンダ本体を示す図である。
【図３】反力検出シリンダの内部構成を詳細に示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は正断面図、（ｃ）は上面図である。
【図４】動的挙動検出装置によって、穿孔反力から生じる動的挙動を検出する処理について説明する図である。
【図５】動的挙動検出装置を含む岩盤物性探査システムの構成を示す図であり、（ａ）は、トンネル坑内において穿孔反力から生じる動的挙動等を測定および記録する計測システムＡの構成図、（ｂ）は計測システムＡで得られたデータを現場事務所内のコンピュータ上で処理および解析する解析システムＢの構成図である。
【符号の説明】
１動的挙動検出装置
１３加速度センサ（センサ）
１４データレコーダ（記録手段）
１４ｂＡ／Ｄコンバータ（変換手段）
１９穿孔ビット（穿孔部）
４３記録媒体（記録手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is provided, for example, in a drilling device for exploring a rock property in front of a face at a tunnel excavation site using a hydraulic rock drill, and a dynamic caused by a drilling reaction force of the drilling device. The present invention relates to a dynamic behavior detection apparatus for detecting behavior.
[0002]
[Prior art]
In tunnel excavation work for excavating a cavity such as a tunnel, it is extremely important to grasp the rock properties in advance by investigating the rock properties in front of the face, in consideration of safety and workability. Many exploration methods for rock properties have been developed. As one of these exploration methods, for example, as shown in Japanese Patent No. 2749561 and Japanese Patent No. 2980240, a rock mass to be surveyed is drilled by a hydraulic rock drill, and the drilling of the hydraulic rock drill is performed. By measuring the reaction force, there is a method of grasping the bedrock properties of the drilling section using the measurement data. These exploration methods grasp the rock properties by a direct method of drilling, and high-precision exploration is possible.
[Problems to be solved by the invention]
However, in the technique described in the above publication, the dynamic behavior of the drilling device caused by the drilling reaction force is indirectly detected as a hydraulic pressure change of the hydraulic drilling machine, and the drilling reaction force is calculated from this hydraulic pressure change. Yes. That is, it has been pointed out that since the dynamic behavior of the drilling device is indirectly detected, the accuracy of the calculated drilling reaction force is slightly reduced. In this case, when detecting a hydraulic pressure change with an accumulator in between, the accuracy of the calculated drilling reaction force is further reduced.
[0003]
Therefore, the present invention is to provide a dynamic behavior detecting device capable of directly measuring and evaluating the dynamic behavior of a drilling device in order to accurately calculate the drilling reaction force.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention described in claim 1 is, for example, as shown in FIGS.
A dynamic behavior detection device 1 provided in a drilling device 10 including a drilling unit (a drilling bit 19) for drilling a natural ground, and detecting a dynamic behavior caused by a drilling reaction force of the drilling device 10,
A cylinder 11 which is attached to the drilling device 10 and transmits an impact reaction force transmitted to the drilling portion (piercing bit 19) when drilling a natural ground;
A piston 113 which is provided in the cylinder 11 and slides in response to an impact reaction force transmitted to the perforating part (perforating bit 19);
A sensor (acceleration sensor 13) that is provided on the piston 113 and detects a dynamic behavior of the punching device 10 caused by an impact reaction force transmitted to the punching portion (piercing bit 19). It is a feature.
[0005]
According to the first aspect of the present invention, the drilling in the case of drilling a natural ground by the drilling device by the sensor provided on the piston sliding in the cylinder to which the impact reaction force transmitted to the drilling part is transmitted. The dynamic behavior of the drilling device caused by the impact reaction force transmitted from the part is detected. Since this dynamic behavior directly represents a physical quantity called wave energy, exploration data such as drilling reaction force calculated from this dynamic behavior is extremely reliable. That is, it becomes possible to calculate the punching reaction force of the punching portion more accurately than the conventional method of detecting the medium pressure change occurring in the punching device. In addition, since the rock physical properties can be predicted with high precision by comparing the exploration data detected with high accuracy and the basic data for which the rock physical properties have been grasped beforehand, Predict dangerous areas to ensure safety.
[0006]
Examples of the sensor include an acceleration sensor and a speed sensor.
In the case where an acceleration sensor is used as the sensor, the acceleration generated in the drilling device increases when drilling relatively hard ground, and the acceleration generated in the drilling device decreases when drilling relatively weak ground.
[0007]
The invention according to claim 2 is the dynamic behavior detection apparatus according to claim 1,
The sensor (acceleration sensor 13) is detachably attached to the piston 113.
[0008]
According to invention of Claim 2, the said sensor is attached to the said piston so that attachment or detachment is possible. Therefore, workability is improved because it can be attached to and detached from the perforating apparatus as necessary.
[0009]
The sensor may be fixed to the punching device by, for example, appropriately fitting a metal or the like by bolting or welding.
[0010]
The invention according to claim 3 is the dynamic behavior detection apparatus according to any one of claims 1 to 3, for example, as shown in FIGS.
Conversion means (A / D converter 14b) for converting the dynamic behavior of the drilling device 10 detected by the sensor (acceleration sensor 13) into an electrical signal, and electricity converted by the conversion means (A / D converter 14b). Recording means (data recorder 14) for recording signals;
It is characterized by being equipped.
[0011]
According to the invention of claim 3, the detected dynamic behavior of the perforating apparatus is converted into an electric signal by the converting means, and the converted electric signal is recorded by the recording means. That is, the dynamic behavior of the drilling device is automatically converted into an electrical signal, which is further recorded automatically. Therefore, the search data detected with high accuracy can be accurately stocked without including human error.
[0012]
Examples of the conversion means include an A / D converter, and examples of the recording means include a data recorder.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Hereinafter, an embodiment of a dynamic behavior detection apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0014]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a dynamic behavior detecting device. As shown in FIG. 1, the dynamic behavior detection device 1 is installed in a hydraulic rock drill 15 for excavating a natural ground, and before the full-scale rock drilling operation by the hydraulic rock drill 15, It is attached to the drilling device 10 for grasping the rock properties by drilling.
The dynamic behavior detection device 1 includes a reaction force detection cylinder 11 attached to a drilling device 10 for drilling a natural ground, an acceleration sensor 13 attached to the reaction force detection cylinder 11, an amplifier 14a connected from the acceleration sensor 13, A / It comprises a D converter 14b, a data recorder 14, and the like. An accumulator 12 is connected to the reaction force detection cylinder 11 through a hydraulic pipe 20 to buffer an impact acting on the reaction force detection cylinder 11.
[0015]
The drilling device 10 includes a shank rod 16 fixed to the hydraulic rock drill 15, a sleeve 18 that connects the shank rod 16 and the rod 17, a rod 17 that is connected to the shank rod 16 by the sleeve 18, and a rod 17 It is comprised from the drill bit 19 fixed to the front-end | tip.
[0016]
The accumulator 12 is connected to the cylinder inner chamber 111 inside the reaction force detection cylinder 11 and buffers fluctuations in hydraulic pressure of the hydraulic oil sealed in the cylinder inner chamber 111.
[0017]
The amplifier 14a amplifies the acceleration data obtained from the acceleration sensor 13.
[0018]
The A / D converter 14 b converts an analog signal into an electrical signal and outputs the electrical signal to the data recorder 14.
[0019]
The data recorder 14 stores the electric signal input from the amplifier 14a in a recording medium such as a built-in floppy disk or memory card.
[0020]
The hydraulic rock drill 15 applies striking energy to the shank rod 16 from the hydraulic rock drill 15 toward the drill bit 19 by a piston (not shown) provided inside, and the drill bit through the sleeve 18 and the rod 17. 19 drill the rock.
[0021]
The shank rod 16 has one end connected to the hydraulic rock drill 15 and the other end connected to the sleeve 18.
[0022]
The rod 17 has one end connected to the drill bit 19 and the other end connected to the sleeve 18.
[0023]
The sleeve 18 is a coupler that connects the shank rod 16 and the rod 17.
[0024]
The drill bit 19 is fixed to the tip of the rod 17, and a tungsten carbide tip or the like is implanted in the cutting edge to improve wear resistance.
[0025]
The reaction force detection cylinder 11 is attached to the punching device 10 as shown in FIG. That is, the shank rod 16 is inserted through the cylindrical reaction force detection cylinder 11 and is fixed by the bolt 21 from the bolt hole 118 shown in FIG. In FIG. 2A, reference numeral 20 denotes a hydraulic pipe 20 connected to the accumulator 12, and is fixed to the mounting hole 117 with a bolt or the like.
[0026]
As shown in FIGS. 3A to 3C, the reaction force detection cylinder 11 has a cylindrical shape having a hollow portion with a circular cross section inside, and the shank rod 16 passes through the hollow portion. The reaction force detection cylinder 11 includes a cylinder tube 112 having a cylinder inner chamber 111 at the top and bottom of the shank rod 16 in the figure, a hollow piston 113 installed in the cylinder inner chamber 111, and an inner side wall of the cylinder inner chamber 111. It comprises a hydraulic seal 116 installed between the hollow piston 113, a buckling ring 114 installed in contact with the front portion of the hollow piston 113, and a head cap 115 installed outside the backing ring 114. .
[0027]
The cylinder tube 112 has a hollow cylinder inner chamber 111 and a hollow piston 113 therein, and hydraulic oil is sealed in the cylinder inner chamber 111.
[0028]
The hollow piston 113 has a cylindrical shape, and slides in the cylinder inner chamber 111 due to a drilling reaction force acting in the direction of the hydraulic rock drill 15 from the rock mass transmitted through the sleeve 18 and the backing ring 114. , Move forward and backward. An acceleration sensor 13 is fixed to the hollow piston 113 by a bolt 13a, and the dynamic behavior of the hollow piston 113 is detected by the acceleration sensor 13. The acceleration sensor 13 can be easily attached to / detached from the intermediate piston 113 by a bolt 13a from a bolt fastening hole 115a formed in the head cap 115. Further, the acceleration sensor 13 may be fixed to the hollow piston 113 by welding through a hardware or the like as appropriate.
The acceleration sensor 13 is connected to the amplifier 14a, the A / D converter 14b, the data recorder 14 and the like through the conducting wire 13b.
[0029]
The hydraulic seal 116 is installed between the inner side wall of the cylinder inner chamber 111 and the hollow piston 113, and flows out of the working oil sealed in the cylinder inner chamber 111 and friction caused by the forward and backward movement of the hollow piston 113. Reduced.
[0030]
The buckling ring 114 is installed between the sleeve 18 and the hollow piston 113 to protect the hollow piston 113, and the drilling reaction force acting in the direction of the hydraulic rock drill 15 from the rock mass transmitted through the sleeve 18 is applied. It is transmitted to the hollow piston 113.
[0031]
The head cap 115 is installed outside the buckling ring 114 and fixes the buckling ring 114 to prevent the hollow piston 113 from slipping out.
[0032]
A dynamic behavior detection process in which the dynamic behavior detection device 1 detects the dynamic behavior of the drilling device 10 in order to detect the drilling reaction force will be described with reference to FIGS. 1 and 4.
[0033]
First, as an initial state, as shown in FIG. 1, the reaction force detection cylinder 11 of the dynamic behavior detection device 1 is installed between the hydraulic rock drill 15 and the sleeve 18. The shank rod 16 is passed through the hollow portion. Here, in the reaction force detection cylinder 11, a force (feeding force) that presses the hydraulic rock drill 15 that works during drilling is applied to the reaction force detection cylinder 11 from both the hydraulic rock drill 15 and the sleeve 18. Since it is fixed by, it can be externally attached and can be used without being restricted by the type of rock drill.
[0034]
Next, striking energy is applied to the shank rod 16 by a piston (not shown) inside the hydraulic rock drill 15, and the striking energy is applied to the drill bit 19 installed at the tip of the rod 17 via the sleeve 18 and the rod 17. Then, the drill bit 19 is used to drill the rock. At this time, a part of the striking energy is transmitted as a reaction force (striking reaction force) to the hydraulic rock drill 15 again via the drill bit 19, the rod 17, the sleeve 18, and the shank rod 16. Since the hydraulic rock drill 15 is drilled while applying a feed force that presses against the rock, the reaction force of the feed force (feed reaction force) is transmitted to the hydraulic rock drill 15 together with the impact reaction force. .
[0035]
Here, it is assumed that the perforation reaction force indicates a reaction force that is a combination of the striking reaction force and the feed reaction force. The force acting in the direction of the rock mass from the hydraulic rock drill 15 like the striking energy used for drilling the rock mass passes only through the shank rod 16 penetrating through the hollow portion of the reaction force detection cylinder 11, so that the reaction force It is not detected by the detection cylinder 11. On the other hand, the force acting in the direction from the rock mass to the hydraulic rock drill 15 such as the drilling reaction force is larger in the hollow diameter of the reaction force detection cylinder 11 than the outer diameter of the sleeve 18 installed in the front part of the reaction force detection cylinder 11. Is smaller, and the sleeve 18 and the buckling ring 114 at the front of the reaction force detection cylinder 11 come into contact with each other and are transmitted to the hollow piston 113 inside the reaction force detection cylinder 11 through the contact portion. It is detected by the cylinder 11.
[0036]
Next, the dynamic behavior detection process resulting from the drilling reaction force of the dynamic behavior detection device 1 will be described. As shown in FIG. 4, the impact reaction force acting on the drill bit 19 is transmitted to the reaction force detection cylinder 11 via the rod 17 and the like. A dynamic behavior acting on the reaction force detection cylinder 11 is detected as an acceleration by the acceleration sensor 13 provided in the reaction force detection cylinder 11. The analog signal obtained by the acceleration sensor is amplified by the amplifier 14a and then converted into an electric signal by the A / D converter 14b. The electric signal is output to the data recorder 14 and is incorporated in the data recorder 14. Stored on the recording medium. The drilling reaction force can be easily calculated by appropriately performing numerical processing from the obtained acceleration data.
In the case of a relatively hard ground, the acceleration generated in the reaction force detection cylinder 11 at the time of drilling is large. In the case of a relatively weak ground, the acceleration generated in the reaction force detection cylinder 11 at the time of drilling is small. Become.
[0037]
According to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The acceleration sensor 13 detects the dynamic behavior of the drilling device 10 caused by the impact reaction force transmitted from the drilling bit 19 when drilling a natural ground with the drilling device 10. Since this dynamic behavior directly represents a physical quantity called wave energy, exploration data such as drilling reaction force calculated from this dynamic behavior is extremely reliable. That is, it is possible to calculate the punching reaction force of the punching bit 19 more accurately than the conventional method of detecting a change in the medium pressure generated in the punching device.
[0038]
(2) The acceleration sensor 13 is detachably attached to the hollow piston 113 of the reaction force detection cylinder 11. Therefore, workability is improved because it can be attached to and detached from the perforating apparatus 10 as necessary.
[0039]
(3) The detected dynamic behavior of the punching device 10 is converted into an electric signal by the A / D converter 14b, and the converted electric signal is recorded by the data recorder 14 and the recording medium. That is, the dynamic behavior of the drilling device 10 is automatically converted into an electrical signal, and this electrical signal is automatically recorded. Therefore, the search data detected with high accuracy can be accurately stocked without including human error.
[0040]
In the present embodiment, the drilling reaction force of the drilling device 10 is calculated from the data obtained from the acceleration sensor 13, but the invention is not particularly limited to the drilling reaction force. Various indexes may be calculated.
[0041]
In the present embodiment, the acceleration sensor 13 is attached to the reaction force detection cylinder 11 to detect the acceleration in order to detect the dynamic behavior of the punching device 10, but the acceleration sensor 13 is particularly limited. For example, the speed may be detected by a speed sensor.
[0042]
In the present embodiment, the hydraulic rock drill 15 is used, but the present invention is limited to the hydraulic rock drill 15 in order to directly detect the dynamic behavior of the drilling device 10. It is possible to detect the drilling reaction force.
[0043]
[Second Embodiment]
In the following, an embodiment different from the [first embodiment] of the dynamic behavior detection apparatus 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of a rock physical property exploration system including the dynamic behavior detection apparatus 1. This system uses a conventional exploration system (Japanese Patent No. 2949561 and Japanese Patent No. 2980240). Here, the function of detecting the damping pressure provided in the rock drill or the fluctuation of hydraulic pressure is used. In place of the dynamic behavior detecting device for detecting the drilling reaction force by detecting the drilling force, the dynamic behavior of detecting the drilling reaction force by detecting the dynamic behavior of the drilling device by the acceleration sensor 13 attached to the drilling device 10. A detection device is used. FIG. 5 (a) is a configuration diagram of a measurement system A that measures and records the drilling reaction force and the like in the tunnel mine, and FIG. 5 (b) is a diagram in which data obtained by the measurement system A is processed on a computer in the field office. The block diagram of the analysis system B to analyze is shown.
[0044]
5 (a) and 5 (b), the same components as those of the dynamic behavior detecting apparatus 1 in the [first embodiment] are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted. Shall.
[0045]
5A, the measuring system A includes the dynamic behavior detecting apparatus 1, the data recorder 14, and the hydraulic rock drill 15, the hydraulic hose 40, a feed cylinder 41, and an oil meter shown in FIG. 42 and a recording medium 43. An acceleration sensor 13 is attached to the reaction force detection cylinder 11, and this acceleration sensor 13 is connected to a data recorder 14 having an A / D converter (not shown). The hydraulic hoses 40 are connected to the hydraulic sensors 20, respectively, and the hydraulic sensors 20 are connected to the data recorder 14. Of the hydraulic sensors 20..., The hydraulic sensors 20 that measure rotational pressure and impact pressure are connected to the hydraulic rock drill 15 via hydraulic hoses 40. A feed cylinder 41 is connected via a hose 40, the feed cylinder 41 is connected to an oil meter 42 via a hydraulic hose 40, and the oil meter 42 is connected to the data recorder 14.
[0046]
The feed cylinder 41 gives the hydraulic rock drill 15 a feed pressure (feeding force) that presses the hydraulic rock drill 15 against the rock during drilling.
[0047]
The oil amount meter 42 is connected to the feed cylinder 41 via the hydraulic hose 40 and measures the flow rate of the working oil as a pressure transmission medium flowing through the hydraulic hose 40. From this measurement result, a change in the amount of oil in the feed cylinder 41 is calculated by a calculation unit (not shown), and a drilling distance, a drilling speed and the like are calculated.
[0048]
The recording medium 43 is built in the data recorder 14, stores data obtained in the measurement system A, and transfers data to the analysis system B.
[0049]
Here, the operation of the measurement system A shown in FIG. As shown in FIG. 5A, the measurement system A uses an acceleration sensor 13 for detecting a perforation reaction force and three hydraulic sensors 20 for detecting rotational pressure, impact pressure, and feed pressure, respectively. Collection is done. Analog vibrations obtained by the acceleration sensor 13 and the hydraulic sensors 20 are converted into electrical signals, and the electrical signals are stored in a recording medium 43 built in the data recorder 14. Then, the exploration data obtained in the measurement system A by the recording medium 43 is transferred to the analysis system B.
[0050]
In FIG. 5B, the analysis system B includes a computer 44 and a printer 45.
[0051]
The computer 44 compares the exploration data such as the drilling reaction force, rotational pressure, impact pressure, and feed pressure stored in the recording medium 43 with basic data that is hydraulic data with clear correspondence with the rock physical properties, Predict rock mass properties.
[0052]
The printer 45 prints the processing result by the computer 44 and the like.
[0053]
Here, the operation of the analysis system B shown in FIG. 5B will be described. In the analysis system B, as shown in FIG. 5 (b), the exploration data such as the drilling reaction force, the rotational pressure, the impact pressure, and the feed pressure stored in the recording medium 43 by the computer 44, and the physical properties of the rock are clear. Compared with basic data, the physical properties of rock mass ahead of the face are predicted. At that time, the drilling distance and drilling speed data calculated from the flow rate of the hydraulic oil measured by the oil quantity meter 42, and the properties of the drill powder that is rock powder are also referred to.
[0054]
In general, when drilling with a drilling device, rocks with high acceleration data are hard rocks, and rocks with low acceleration data are brittle rocks. Can be predicted.
[0055]
According to the present embodiment, the effects (1) to (3) in the [first embodiment] can be obtained, and the following effects can be obtained.
[0056]
(4) Since rock physical properties can be predicted with high accuracy by comparing the basic data with which the physical properties of the rocks have been grasped in advance and the exploration data, efficient drilling work and dangerous areas such as rock vulnerable areas Can be predicted and safety can be achieved.
[0057]
In this embodiment, when the measurement data obtained in the measurement system A is analyzed by the analysis system B, data transfer between both systems is performed using a recording medium. It is also possible to perform data communication and perform analysis in real time. Moreover, both the measurement system A and the analysis system B may be provided in a tunnel mine, for example.
[0058]
Further, in the present embodiment, in order to detect the dynamic behavior of the punching device 10, the acceleration sensor 13 is attached and the acceleration is detected. The speed may be detected by a sensor.
[0059]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, it is possible to calculate the piercing reaction force of the piercing portion more accurately than the conventional method of detecting the medium pressure change occurring in the piercing device. In addition, since the rock physical properties can be predicted with high accuracy by comparing the exploration data detected with high accuracy and the basic data for which the physical properties of the rock are grasped in advance, efficient drilling work and Predict dangerous areas to ensure safety.
[0060]
According to the second aspect of the present invention, not only the effect of the first aspect can be obtained, but also the workability is improved by detaching the sensor from the perforating apparatus as necessary.
[0061]
According to the third aspect of the present invention, the dynamic behavior of the drilling device is automatically converted into an electric signal as well as the effect of the first or second aspect, and the electric signal is automatically converted. Therefore, exploration data detected with high accuracy can be accurately stocked without any human error.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partially broken side view showing a drilling device and a dynamic behavior detection device attached to the drilling device.
2A is a perspective view showing a dynamic behavior detecting device attached to a punching device, and FIG. 2B is a view showing a reaction force detecting cylinder main body.
3A and 3B are diagrams showing in detail the internal structure of the reaction force detection cylinder, wherein FIG. 3A is a side sectional view, FIG. 3B is a front sectional view, and FIG. 3C is a top view.
FIG. 4 is a diagram illustrating a process for detecting a dynamic behavior resulting from a drilling reaction force by a dynamic behavior detection device.
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a rock physical property exploration system including a dynamic behavior detection device, where (a) is a configuration of a measurement system A that measures and records dynamic behavior and the like resulting from a drilling reaction force in a tunnel mine. FIG. 2B is a configuration diagram of an analysis system B that processes and analyzes data obtained by the measurement system A on a computer in the field office.
[Explanation of symbols]
1 Dynamic Behavior Detection Device 13 Acceleration Sensor (Sensor)
14 Data recorder (recording means)
14b A / D converter (conversion means)
19 Drilling bit (piercing part)
43 Recording medium (recording means)

Claims

A dynamic behavior detection device that is provided in a drilling device including a drilling unit that drills a natural ground and detects a dynamic behavior caused by a drilling reaction force of the drilling device,
A cylinder that is attached to the drilling device and transmits an impact reaction force transmitted to the drilling part when drilling a natural ground;
A piston provided in the cylinder and sliding in response to an impact reaction force transmitted to the perforated portion;
A dynamic behavior detection device, comprising: a sensor provided on the piston for detecting the dynamic behavior of the drilling device generated by an impact reaction force transmitted to the drilling portion.

The dynamic behavior detection apparatus according to claim 1,
The dynamic behavior detecting device, wherein the sensor is detachably attached to the piston.

The dynamic behavior detection apparatus according to claim 1 or 2,
Conversion means for converting the dynamic behavior of the drilling device detected by the sensor into an electrical signal;
And a recording means for recording the electrical signal converted by the converting means.