JP4759520B2 - 削岩時の出力消費の制御方法及びシステム並びにその削岩装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲の請求項１の前文で定義されているような種類の削岩作業中の出力消費を制御する方法に関する。

また本発明は、それぞれ特許請求の範囲の請求項１１及び請求項２１の前文で定義されているような種類のシステム及び削岩装置に関する。

削岩装置は多くの分野で使用されている。例えばトンネルの掘削、坑内採鉱、岩盤補強、切り上がりボーリング、及び発破孔、グラウト孔、ロックボルト打設孔の掘削において使用されている。

削岩作業はしばしば衝撃式削岩によってなされ、ドリルロッドの一端部に取り付けられた削岩ツールは、ドリルロッドの反対側に置かれたハンマーピストンによって衝撃パルスが加えられ、ハンマーピストンは、ドリルロッドに繰り返して衝撃を加えるように付勢されるよう配置されている。削岩ツールの最外方端部にはドリルビットが設けられ、ドリルビットはハンマーピストンによる衝撃で岩盤を貫通して破砕する。

また、ハンマーピストンから岩盤にできるだけ多くの衝撃エネルギーが確実に伝達されるようにするために、削岩ツールは、削岩ツールと岩盤との接触を維持するように岩盤に押し付けられ得る。掘削プロセスをより効率的にするために、削岩ツールは衝撃と衝撃の間で多少の回転が加えられ、それで、ドリルビットがいずれの衝撃においても新しい部位を打つようにされ得る。切削屑は適当な媒体によって掘削孔から洗い流される。この媒体は通常表面削岩装置においては空気であって、坑内での作業装置においては水である。それに代わるものとして化学薬品添加或いは無添加の霧状の水がどちらの形式の装置にも使用され得る。

更に削岩装置は、削岩装置の電力が要求される機能のために電力を作り出すのに使用されるディーゼルエンジンのような主電源手段を備えている。これらの機能としては洗浄圧力／流量、衝撃力、回転力、供給力、供給率、流体力ポンプ、冷却ファンを動かすコンプレッサーが包含される。

更に削岩は、岩盤を破砕するのに加えられた圧力及び回転だけを利用する装置、或いは岩盤を破砕するのに回転だけを利用する装置によって実行され得る。

主電源手段は、最大出力電力を同時に使用して常時適切な機能を保証するため全機能が使用できるように寸法決めされている。

しかし、既存の削岩機の問題は、掘削作業中にしばしば必要以上の電力を消費し、その結果過度の燃料消費及び熱や騒音の発生を引き起こしていることにある。

従って、上述の問題を解決するよう改良された削岩方法の必要性が生じている。

本発明の目的は、削岩作業中の出力消費を制御して上記の問題を解決する方法を提供することにある。この目的は、請求項１の特徴とする部分による、削岩作業中の出力消費を制御する方法によって達成される。

本発明の別の目的は、削岩作業中、出力消費を制御して上記の問題を解決するシステムを提供することにある。題を解決する。かかる目的は、請求項１１の特徴とする部分に定義されているシステムによって達成される。

本発明の更に別の目的は上述の問題を解決する削岩装置を提供することにある。かかる目的は、請求項２１による削岩装置によって達成される。

削岩装置による削岩作業中の出力消費を制御する方法は、少なくとも部分的に掘削孔の深さの関数として洗浄力を調整すること、及び、主電源手段からの電力出力が既定のレベル又はそれ以下に保たれるように、各サブプロセスの全出力消費が制御されるように、少なくとも衝撃力及び／又は回転力及び洗浄力を制御することを包含する。

これにより、掘削穴のある一定の深さにおいて要求された電力量だけが洗浄のために使用されしかもその残りの電力は他の機能のために使用及び／又は節約され、その結果、例えば燃料消費が少なくなり、騒音や熱の発生もより低下することになるというる利点がもたらされる。

更に、洗浄力は、少なくとも部分的に掘削孔の直径及び／又はドリルロッドの直径の関数として調整することができる。

洗浄媒体の流量は、掘削プロセスを通してほぼ一定に保たれ得る、すなわち掘削孔の深さが増すに伴い洗浄力も増す。掘削孔の深さは継続して測定され得る。これにより、流量が掘削孔の洗浄を管理するために必要とされる流量レベルを正確に保つことができ、よって洗浄力は常時掘削プロセスを通して可能な最低値に保たれ得るという利点がもたらされる。

洗浄媒体の流量は、掘削孔の深さが増すに伴い少なくとも僅かでも増加され得る。これにより、掘削孔の深さが増すにつれて、掘削孔の深さ、及び／又はドリルロッドの接合、及び／又は掘削孔の壁で閉塞傾向にある切削屑をさらに補償するために、洗浄媒体の流量が多少増加され得るという利点がもたらされる。

要求された浄化力はコンピュータ手段によって決定され得る。コンピュータ手段は、削岩ツールの形式及び／又はドリルロッドの形式の１つ以上のリスト及び好ましくは選択して組み合わせて使用されることになる計算パラメータを備える表を記憶している記憶装置に接続され得る。洗浄力は、削岩ツールの形式、及び／又はドリルロッドの形式、及び／又は掘削孔の深さに関する記憶データに基いて決定され得る。これにより、洗浄媒体の流量が例えば使用される削岩ツールの直径及び／又はドリルロッドの直径に関係なく、望ましい値に保たれ得るという利点がもたらされる。

本発明は、従来タイプの削岩装置、例えば衝撃又は回転を利用する装置或いはその組み合わせを利用する装置において使用することができる。

図１は本発明による削岩装置の一例を示している。この図１には削岩装置１、この例では表面掘削リグが示されている。掘削リグ１は、孔２を掘削している使用状態で示されており、地面から始めて現在のところ深さαに到達していて、深さβ例えば深度３０メートルの孔となるようにされており、完成した掘削孔は破線で示されている。（掘削リグの高さ／掘削孔の深さの図示した関係は厳密に意図されたものではなく、例えばドリルの高さγは１０メートルであってもよい。）

掘削リグ１は、送り装置５の削岩用クレードル１３を介して装着されたトップハンマー１１を備えている。送り装置５は、送り装置ホルダー１２を通してブーム１５に取付けられている。トップハンマー１１は、ロッド支持体１４で支持されているドリルロッド６を通して、１つ以上のドリルビット４を備えた削岩ツール３に衝撃を加える。トップハンマー１１は、送り装置５に配置されている導管を通して、ディーゼルエンジン９によって駆動される流体力ポンプ１０から動力が供給される（流体力供給系は図示されていない）。切削屑は、好ましくはドリルロッド６の中央部における管を通って供給される圧搾空気によって掘削孔２から洗浄され、そして削岩ツール３の近くに放出される。圧搾空気は、図１に上向き矢印で示されているように、掘削孔２を通ってまた掘削孔２から出て上方向に切削屑を洗浄する。圧搾空気に代わって、例えば化学薬品を添加した又は添加しないの霧状の水のような他の洗浄媒体も同様に使用することができる。圧搾空気は、管７を介してコンプレッサー８からドリルロッド６へ供給される。コンプレッサー８は、ディーゼルエンジン９によって駆動される。

従来の掘削リグでは、ディーゼルエンジンは、コンプレッサー及び流体力ポンプだけでなく冷却ファン又は他の器具も同様に、全出力で同時に駆動することができるように十分に大きなものでなくてはならない。コンプレッサーは、掘削中、常にその最大出力か最大出力に近い状態で駆動され、そしてコンプレッサーは例えば３００馬力のディーゼルエンジンの総出力のうち１２０馬力を消費するので、コンプレッサーは大量の燃料を消費し、その結果多量の排気ガス及び多量の騒音及び熱を発生することになり、さらにその結果、冷却ファンがより激しく駆動される必要があるという事実によって更に多くの騒音及び燃料の消費を生じさせることになる。

しかし、本発明によれば、コンプレッサーを現在必要とされている出力レベルで駆動することによってこれらの欠点は減少する。例えば、孔の掘削の開始時には切削屑を排出するのに充分である洗浄媒体の流れを生じさせるのに要求される洗浄力は比較的小さく、よってコンプレッサーはこの要求出力以上に供給する必要がない。このことは、ディーゼルエンジンが減少された出力で駆動することが可能であり、その結果燃料の消費を低減し、熱や騒音の発生を抑えることになることを意味している。代わりに、減少された入力でコンプレッサーを駆動することによって、このようにして節約された動力は、より多くトップハンマーに割り当てることができように用いられ得、その結果、掘削孔の最初の部分及び／又はほとんどの部分でより速く掘削することができるようになる。

コンプレッサーの出力低減は、コンプレッサーの形式に関連して種々の仕方で達成することができる。例えば容積形圧縮機の場合には一分間当たりの回転数（Ｒ．Ｐ．Ｍ）を低減するか、或いは入口を閉鎖することでコンプレッサーを無負荷状態にすることによって、出力は低減される。

次に、制御システムの構成図を示している図２を参照してコンプレッサー出力の制御について説明する。図２はディーゼルエンジン２２を備えた掘削リグ２１を示している。ディーゼルエンジンは、直接的に或いは間接的にコンプレッサー２３、流体力ポンプ２９、１つ又は複数の冷却ファン２４、１つ又は複数の他器具２５、トップハンマー２６、及びコンピュータのような制御装置２７に接続されている。制御装置はさらにコンプレッサー２３及び／又は流体力ポンプ及び／又は１つ又は複数の冷却ファン２４及び／又は他器具２５に接続されている。

コンプレッサーの出力を制御するために、センサー２８は例えば送り装置に取り付けられていて、制御装置２７に今現在の掘削孔の深さに関する情報を供給し、かかる制御装置２７は、例えばコントローラ・エリア・ネットワーク（ＣＡＮ）のバスを通して、洗浄媒体の所望の流量を作り出すために、供給されるべき出力／圧力についての情報を包含する制御信号をコンプレッサー２３に伝送する。かかる制御装置は、更に、制御信号例えば所望の出力値を、ディーゼルエンジン及び／又は１つ又は複数の冷却ファン及び／又は必要とされる他器具へ伝送する。制御装置２７は、それに内臓された或いはそれに接続された記憶装置３０を包含し得、記憶装置３０には掘削孔の深さに対してコンプレッサーを設定するための所望値が記憶されており、それでコンプレッサーが調整され得るようにされている。代わりに又は追加として、記憶装置３０には、所望のコンプレッサー出力を計算するため掘削孔の深さと共に使用されるべき計算パラメータがさらに記憶され得る。これらの計算パラメータは、削岩ツールの形式及び／又はドリルロッドの形式に依存し得る。好ましくは、計算パラメータは削岩ツール及び／又はドリルロッドの可能な組み合わせについて記憶される。代わりの実施形態においては、かる記憶装置には複数のリストが記憶されていて、各リストは各組み合わせについて深さに対するコンプレッサーの設定を包含している。例えば深さがセンチメートル、デシメートル、メートル増加する毎に数値が記憶され得る。また、前述のファクターを補償するために、掘削孔の深さが増すにつれて流量の増加をもたらす数値を記憶することも可能である。

別の例としての実施形態（図示していない）においては、実際流量を感知するセンサーが制御装置に接続され、制御装置が絶え間なく流量値に基づく制御信号をコンプレッサーにできるようにしている。流量は、例えばコンプレッサーの一分間当たりの回転数（Ｒ．Ｐ．Ｍ）×コンプレッサーの一回転当たりのリットル数×作動時間／全作動時間として計算される。

代りの例としての実施形態においては、所望の流量は、作業者により制御装置において値を設定するか或いは例えばディスプレイ及び／又はキーボードなどのマン・マシン・インタフェースによって所望値を制御装置に入力することで設定することができる。

本発明は、例えば、狭い孔を掘削する場合でもコンプレッサーが掘削作業の間、常時最大出力で駆動される必要がなく、その結果、掘削作業を通してトップハンマーのための余分の出力及び／又は燃料の節約がもたらされる。

上記の説明では、本発明は表面掘削リグと流体力トップハンマー掘削リグに関して説明してきた。しかし、本発明は、別々に付勢される洗浄手段及び削岩手段を備えた他のあらゆる形式の削岩装置でも等しく使用することができる。例えば、本発明は、削岩を実行するために、衝撃及び回転の両方を利用する削岩装置と共に使用することができる。また岩盤を破壊するのに圧力及び回転だけが用いられる、或いは例えば炭鉱のような軟岩掘削の場合のように回転だけが用いられる削岩作業においても本発明は用いられ得る。岩盤を破壊するのに回転が使用される場合では、低減した洗浄により節約された出力をより早い回転とそれによる掘削に利用することができる。

さらに、削岩装置の操作を制御するのに有益な情報を提供するために、例えば温度センサーのような数々の他のセンサーが制御装置に接続され得ることも理解されるべきである。

本発明による削岩装置の実施形態を示す図。 本発明の実施形態を説明する構成図。

Claims (9)

1. 削岩装置が、削岩作業中、電力を供給する主電源手段を備え、少なくとも衝撃及び／又は回転及び洗浄のサブプロセスを包含する、削岩装置で削岩作業している間の出力消費を制御する方法において、
   −少なくとも部分的に掘削孔の深さの関数として洗浄力を調整することと、
   −各サブプロセスの全出力消費が制御されるように、少なくとも衝撃力及び／又は回転力及び洗浄力を制御することと、
   を包含して成ることを特徴とする出力消費の制御方法。
2. 洗浄力が更に少なくとも部分的に掘削孔の直径及び／又はドリルロッドの直径の関数として調整されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 主電源手段からの電力出力が、既定レベル又はそれ以下に保たれるように、各サブプロセスの全出力消費が制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 削岩装置が、削岩作業中、電力を供給する主電源手段を備え、少なくとも衝撃及び／又は回転及び洗浄のサブプロセスを包含する、削岩装置で削岩作業している間の出力消費を制御するシステムにおいて、
   −少なくとも部分的に掘削孔の深さの関数として洗浄力を調整する手段と、
   −各サブプロセスの全出力消費が制御されるように、少なくとも衝撃力及び／又は回転力及び洗浄力を制御する手段と、
   を有することを特徴とする出力消費の制御システム。
5. 更に少なくとも部分的に掘削孔の直径及び／又はドリルロッドの直径の関数として洗浄力を調整する手段を有することを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 主電源手段からの電力出力が既定レベル又はそれ以下に保たれるように、各サブプロセスの全出力消費を制御するように構成されていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のシステム。
7. 要求された洗浄力をコンピュータ手段によって決定するように構成されていることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか一項に記載のシステム。
8. コンピュータ手段が、少なくとも部分的に削岩ツールの形式及び／又はドリルロッドの形式及び／又は掘削孔の深さ包含する１つ以上のリストを備える１つの表を記憶している記憶装置に接続され、また洗浄力が記憶データに基いて決定されるように構成したことを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 請求項４から請求項８のいずれか一項に記載のシステムを包含するよう構成されることを特徴とする削岩装置。

Images