JP4759566B2 - カラーリング方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、岩盤への穿孔の初期段階の間、穿孔パラメータを制御する方法及びシステムに関する。

穿孔を行う場合、立ち上げを正確な方法で行うことが非常に重要である。このため、衝撃式岩盤穿孔機械を用いた岩盤への穿孔の立ち上げ時には、孔が目的の場所に位置決めされ、かつ、正確な方向を有するようにするために孔の最初の部分を正確に仕上げる必要がある。

穿孔の良好な立ち上げを得るために、穿孔の開始時に、ドリルスチールをドリルビット（ドリルスチール支持部材）に可能な限り近づける制御を試みることに加えて、弱めた送り力及び弱めた穿孔力を用いて孔の最初の部分を穿孔することにより、ドリルスチール(drilling steal)が岩盤の表面に対して滑ることを防止することが望まれる。言い換えれば、穿孔の重要な工程、即ち、カラーリングと呼ばれる立ち上げの工程は、正確な方向を持った十分な深さの孔が形成され、それ以後、全出力の送り力及び穿孔力を使用し得るようになるまで、スムーズにかつ、慎重に行われるべきである。十分な深さの奥行きを形成することは、岩盤の質に大部分が依存している。例えば、多くのクラックを持つ柔らかい岩盤の場合には、全出力の送り力を使用する前に、正確な方向を確保するために、より深い孔が必要になる。

最初に油圧式岩盤穿孔機械を使用する場合、通常、単純な直接制御油圧システムにより動力供給がなされる。カラーリングは、穿孔機械の衝撃回路及び送り機構に弱めた油圧を供給して穿孔を開始することによって実現される。所定の時間経過後、又は、穿孔された孔が所定の深さに達した時、穿孔速度とドリルスチールの（全出力穿孔時の）耐用時間との間の釣り合いが取れる値まで油圧は増大される。この油圧の増大は、シーケンス弁を調整することによって行われる。この油圧の増大処理は、油圧システムの弁とダクトに依存している。

より近代的な電気的制御及びコンピュータ制御された油圧システムが用いられる場合、初期の穿孔工程の処理は、弱めた穿孔機械力と送り力とを用いて維持され、最終穿孔工程では全出力が用いられる。これらの工程間には適切な変化が生じる。

このような穿孔パラメータを制御するための公知の方法の例は、欧州特許EP0564504号（特許文献１）に開示されている。この特許文献１には、岩盤穿孔処理を制御する方法が開示されており、この開示された方法に従って、ドリルの回転力が予め設定した限界値を超えないように穿孔機械の衝撃力及び送り力が調整される。

この方法、少なくとも三つの異なる段階で穿孔を制御することによって行われる。第一段階は初期の穿孔であり、第二段階は、第三段階への、言い換えれば通常の動作への移行段階である。この方法によれば、各穿孔段階に対して適当な値が設定され、衝撃力と送り力は、各段階において最適化される。
欧州特許EP0564504号

欧州特許EP0564504号に開示された方法には幾つかの欠点がある。明らかな欠点は、各段階に対して何が最適かを常に先に知ることができるわけではないということである。この特許文献１には、最適化するために、各段階に対する所定の送り力の値及び衝撃力の値をどのように決めるのかが開示されていない。他の欠点は、制御プログラム中にある三つ又はそれ以上の段階を持つ処理が、必要以上に複雑になることであり、特に、一方では、第一の弱めた段階をどの程度の時間継続するかを決める必要があり、他方では、移行段階をどのような状態にするかを決定する必要がある。

移行段階はスムーズであるべきであるが、利用可能な全出力より弱い力で孔の大部分を穿孔することによる時間の損失を回避するために、不必要に伸ばされるべきではない。従って、設定する必要があるパラメータは、欧州特許EP0564504号に示された方法の重大な欠点を構成する。三つ又はそれ以上の段階の各々を調整するために複数のパラメータがあり、例えば、異なる期間、衝撃力、送り力、穿孔時間、穿孔深さ、速度等がある。さらに、穿孔パラメータの増加が不連続であると、穿孔の起こり得る停止を検出するために、それらのパラメータを監視する自動制御システムに関連する部分に間違った情報を与え得る。

従って、岩盤における穿孔の初期の段階を簡単化し、かつ改善する方法及び装置を提供することが望ましい。

本発明の目的は、上記した問題を解決する方法及びシステムを提供することにある。より具体的には、本発明の目的は、カラーリングの間の穿孔パラメータを制御するための改良方法及び改良システムを提供することにある。この改良された方法及びシステムでは、時間の消費を最小限に抑えることができ、かつ、設定すべきパラメータの数も最小限に抑えることができる。本発明の他の目的は、所望の方向及び位置を持ったカラーリング孔を得ることができるように、カラーリングを行っている間に穿孔パラメータを制御する方法及びシステムを提供することにある。

これらの目的及び他の目的は、請求項１に記載の本発明による最初の段階における穿孔パラメータを制御する方法により達成され、かつ、請求項６に記載のシステムにより達成される。

本発明によれば、上述した目的は、穿孔機械を使用して岩盤を穿孔する最初の段階の間に穿孔パラメータを制御する方法により達成され、それにより、穿孔機械の衝撃圧力及び送り圧力は、初期の段階の間、連続増加関数に従って制御される。

その結果、パラメータの数を、衝撃圧力及び送り圧力の初期値並びに初期段階の継続時間の最小限に抑えてにすることができる。さらに、初期段階の継続時間によってカラーリング深さの調整することにより、良好な穿孔が保証される。

従って、本発明によれば、初期の段階は、初期値から始まり、全出力値に至る単一段階制御を含む。これにより、初期の穿孔の良好な時間効率が得られ、複数の段階において複数の異なるパラメータを設定する時間が排除される。

本発明による一実施例によれば、制御は関数を用いて行われ、これらの関数は時間内で連続的であり、除々に増加する導関数を有する。それにより、連続増加関数が得られ、初期の段階で、正確な方向を持ったカラーリング孔が得られ、ドリルスチールがスリップする危険は最低限に抑えられる。

本発明の他の実施例によれば、前記連続関数は、指数関数で表される。この方法では、周知の数学機能が使用され得、簡単にプログラムし、記憶させることができる。

本発明の他の実施例によれば、カラーリング段階の間、送り圧力が監視され、減衰圧力がダンパーのアイドリング圧力を超えないという条件の下に、衝撃圧力が制限される。これにより、ドリルスチール柄が衝撃位置から外れた時に、穿孔機械の衝撃圧力を制限することが保証される。この監視は、例えば、ＲＰＣＦ機能（回転圧力制御送り）を用いて行うことができ、好ましい実施例においては、衝撃圧力値は、衝撃圧力初期値に制限され得る。代わりに、送り圧力が所定のレベルより下がった時に、衝撃圧力を下げ得る。

また、本発明は、上述の効果と同様の効果を達成するシステムにも関する。

本発明の異なる特徴により、さらなる効果が得られ、それらは、以下の詳細な説明から明らかになる。

上述した従来技術のカラーリングを実行する方法を図１に示す。カラーリングの間、この方法は、弱めた送り力及び衝撃力で作動する。従って、パラメータのない制御が実行され、圧力は油圧システムにおいて用いられるバルブ及びダクトによって増大される。

図２には、上述した第二の公知のカラーリング方法を示しており、このカラーリング方法は、電気及びコンピュータ制御された油圧システムを制御する方法である。この従来のカラーリング方法では、初期の段階からそれに対応する値を介して、穿孔装置が全出力で動作する最終段階へと適切な移行が行われる。

この方法では、設定する必要があるパラメータが複数ある。初期値を決定する必要があり、また、この弱めた力で動作する段階をどの程度の時間、動作させるかを決める必要もある。さらに、図２に示されたＴ１とＴ２との間の移行段階の特性を決める必要がある。言い換えれば、十分にスムーズに移行させるために移行段階をどのような状態にするかを決める必要がある。同時に、弱めた力での穿孔が長くなりすぎることは、時間の損失になるため望まれていない。

上述した従来の解決手段を用いると、場合によっては、システムのバルブにおいてヒステリシス現象(hysteresis)が生じる危険があり、言い換えれば、システム内において自励発振が生じる可能性がある。この現象は、例えば、柔らかい及び／又は割れ目がある岩盤を穿孔する時、また、ドリルスチール柄が突然に衝撃位置からなくなった時、そして、衝撃圧力のカラーリングレベル値を下げる必要がある場合に生じ得る。その結果、システムを再び全出力で作動させる前に、新しいカラーリング処理と、それに続く移行処理とを最初からもう一度やり直さなければならなくなる。これは数回繰り返され得、その結果、非常に時間のかかる動作モードとなる。

本発明によれば、上述の欠点が全て回避される。以下に、図３を参照して本発明によるカラーリング方法を説明していく。

本発明によるカラーリング方法では、穿孔機械の衝撃圧力のための初期値（従って、穿孔機械の衝撃力）、及び送り圧力が選択される。これらの値は、カラーリングが、孔が正確な方向と位置を持つことを保証するのに十分なスムーズさになり、同時に、圧力が穿孔機械内に問題を生じさせ得る程に低くならないように選択される。例えば、有利には、初期値は、膜が伴うことによる問題を回避するために、蓄圧器の圧力より僅かに高い値に選択される。勿論、孔をカラーリングするために初期値は過度に低くもない。例えば、初期値は、通常の穿孔機械において、約１３０バールであり得る。

その後、初期段階、即ち、カラーリング工程は、連続増加関数(continuously increasing functions)により制御される。好ましい実施例では、連続増加関数は、図３に示すように、除々に増加する導関数(a gradually increasing derivative)を有し、その結果、好ましいスムーズな移行が得られる。有利に用いられ得る関数の一例としては、数学的に周知な指数関数(exponential function)があるが、上述した要件に従って任意の連続関数を用いることができる。

除々増加する導関数を持った時間の連続関数を使用することにより、システムは二つの制御段階のみを持つことになり、その第一段階、カラーリングのパラメータは、衝撃圧力、送り圧力及び初期段階の長さの初期値を含む。これにより、設定する必要があるパラメータの数は、最小限に抑えられる。カラーリング段階の間、衝撃圧力及び送り圧力は、独立して制御されるが、カラーリング段階の最初から終わりまで同じ継続時間(same duration)になる。

しかし、送り圧力は、カラーリング段階の間、システムＲＰＣＦ関数（回転圧力制御送り速度）によって管理されるべきである。そのＲＰＣＦ関数は、ドリルストリング構成部品の接合部が、好適に、堅く締められることを保証するために回転圧力及び／又は回転トルクが実質的に一定になるよう送り圧力を制御する。この関数は、出力がより高くなる全出力で穿孔している間に、特に重要である。

ドリルスチール柄が衝撃のための位置から外れた時に、穿孔機械の衝撃圧力を制限するために、例えば、緩衝圧力が確実にダンパーの無負荷圧力を超えないという条件において、衝撃圧力が初期値まで制限されるよう、穿孔機械の減衰圧力が管理されるべきである。当業者には周知のように、ダンパーは、ドリルスチールが岩盤に当たった時に生じる反動を減衰するために用いられる。また、当業者には周知のように、減衰圧力は、ドリルスチールが衝撃と同時に岩盤に接触することを保証するために用いられ得る。言い換えれば、衝撃圧力が送り圧力から逸れないように、初期段階には緩衝圧力の管理が組み合わされ得る。

しかし、たとえ、初期値が、とりわけ、蓄圧器の圧力に関して選択されるのが普通であるとしても、これらの初期値を低下させることが常に必要なわけではない。連続関数を用いた制御を使用する本発明を利用することによって、システムにおいて自励発振が生じる危険が回避される。柔らかい岩盤に遭遇した場合でも、カラーリングを最も低いレベル、即ち、初期値まで低下させることが常に必要ではなく、衝撃圧力が、ダンパーの無負荷圧力に関して制限されるレベルまで下げることが可能になる。代わりに、送り圧力が所定の値以下になった時に、衝撃圧力が低下され得る。

作業者は、カラーリングの所望の孔の深さの設定と、どの程度の時間初期段階を行うべきかを選択することができる。

最後に、有利には、穿孔機械の全出力に対応する停止値が決められ得る。しかし、場合によっては、弱めた力で機械を作動させることが必要であり、そのために、所望の値が設定され得る。

図４は、本発明が適用され得るシステムを概略的に示している。このシステム１は、最も単純な実施例において、制御システム３を有する穿孔機械２を備えている。作業者は前記制御システム３を用いてシステム１を制御し得る。制御システムは、穿孔機械２に組み込んでもよく、別々のものを接続してもよい。

要約すると、本発明により、連続的で円滑なカラーリングが達成される。そして、作業者によって設定する必要があるパラメータを最低限に抑えることができ、かつ、パラメータの設定に伴う複数の異なる段階を全体的に回避することができる。

従来技術のカラーリング方法のタイミングチャートである。 他の従来技術のカラーリング方法のタイミングチャートである。 本発明によるカラーリング方法のタイミングチャートである。 本発明を適用したシステムの概略図である。

Claims (5)

1. 穿孔機械によって岩盤を穿孔する初期段階の間の穿孔パラメータを制御する方法において、
   穿孔機械の衝撃圧力及び送り圧力が、前記初期段階の間、連続的に増加する時間の関数として制御される
   ことを特徴とするカラーリング方法。
2. 穿孔機械によって岩盤を穿孔する初期段階の間の穿孔パラメータを制御するシステムにおいて、
   穿孔機械の衝撃圧力及び送り圧力を、前期初期段階の間、連続的に増加する時間の関数として制御する手段を備えている
   ことを特徴とするシステム。
3. 送り圧力が回転圧力に基づいて制御される
   ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 送り圧力が所定のレベル以下になった時に、衝撃圧力を低くする
   ことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 請求項２〜４の何れか一項に記載のシステムを有する
   ことを特徴とする岩盤穿孔機械。

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