NO319511B1 - Fremgangsmate for bestemmelse av posisjonen til et verktoy pa en fjellboringsanordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for bestemmelse av posisjonen til et verktøy på en fjellboringsanordning i et kjent koordinatsystem i forhold til fjellet når det benyttes et fjellboringsutstyr omfattende en basis, minst en borebom montert svingbar i forhold til basisen og et fjellbor forbundet dreibart i forhold til bommen til den annen ende av bommen og utstyrt med et verktøy, i hvilken fremgangsmåte posisjonen til basisen av fjellboringsutstyret i nevnte koordinatsystem bestemmes og stillingen til verktøyet i koordinatsystemet bestemmes på grunnlag av posisjonen til basisen.

Ved utgraving av rom i bakken er utgravingsnøyaktigheten av stor betydning - rommet som skal utgraves, f.eks. en veitunnel, har fått et nominelt mål som ikke må bli redusert. En bore/eksplosjonsmetod blir brukt har borenøyaktigheten en betydelig virkning på nøyaktigheten for utgravingen. For å bedre borenøyaktigheten til hullene kan posisjonene til de planlagte huller være målt i forkant med separate måleinnretninger og markert på bergflaten. En annen metode er å bruke instrumentert eller automatisert boreutstyr der borebommen er forsynt med følere som måler posisjonen til dens ledd; på grunnlag av avfølingene kan posisjonen og retningen til fjellboret og dermed dets verktøy i forhold til utstyrets basis bestemmes - når denne informasjon er forbundet til en separat bestemt posisjon og retning av basisen til utstyret, kan posisjonen og retningen til boret i forhold til det planlagte boremønster fastlegges og dermed styres. Uansett bruken av ulike metoder, har borenøyaktighet i praksis vist seg variabel. Dette skyldes at metodene krever enten håndarbeide eller fagdyktighet eller at målingen av posisjonen til leddene i borebommen er følsomme overfor eksempelvis variasjon i de mekaniske karakteristikker for delene i bommen forårsaket av slitasje og ytre krefter som virker på bommen. Variasjonen i borenøyaktighet fører f.eks. til at i praksis mer fjell må utgraves som en sikkerhetsforanstaltning enn det som var planlagt. Dette medfører tilleggskostnader ved boring, ved sprengning, ved håndtering av sprengstein og understøttelse av rommet. Variasjonen i borenøyaktighet er også skadelig når malm utgraves i hvilket tilfelle utgravning av ekstra fjell kun medfører kostnader. Den nøyaktige retning og posisjonering av et verktøy er også vanskelig i annen fjellboringsaktivitet, slik som når det uttrekkes stenblokker med en slaghammer ved hjelp av en bankeverktøy eller når det foretas noe vesentlig arbeide med varierende fjellboringsutstyr.

Finsk patentansøkning 884970 viser et arrangement hvor en matebom på et fjellboringsutstyr blir rettet ved bruk av minst tre laserstråler hvis retning og posisjon i forhold til hovedkoordinatsystemet er kjent og ved å anbringe transmittere/mottakere i hver stråle og i matebommen i en avstand fra hverandre slik at retningen og posisjonen til matebjelken i hovedkoordinatsystemet for tunnelen kan måles på grunnlag av oscillasjonsbølger fra transmitterne. Dette arrangement er egnet for langhull-boring, men dette er vanskelig å anvende på tunnellboring fordi laserstråler må bli løsgjort fra deres posisjoner mens sprengning pågår slik at de ikke ville bli skadet. Dersom boreutstyr som omfatter mer enn en matebom blir brukt, er ikke engang tre laserstråler nødvendigvis tilstrekkelig slik at retningen og posisjonen til alle matebjelkene kunne bli målt ved hjelp av disse.

Britisk patentansøkning 2180117 viser en fremgangsmåte hvor posisjonen til målespissen blir bestemt ved bruk av tre måleenheter montert i fikserte posisjoner i omgivelsene og to detektorer montert på akselen av måletuppen, hvorved hver måleenhet måler posisjonen og avstanden av detektoren og på grunnlag av dette beregnes posisjonen til måletuppen. Dette arrangement krever at måleenheten er fast montert i omgivelsene, hvorfor denne fremgangsmåte ikke kan anvendes som sådan på fjellboring, og heller ikke kan arrangementet vist i nevnte finske patentansøkning.

Formålet med oppfinnelsen er å oppnå en slik fremgangsmåte for måling av posisjonen til et verktøy på et fjellbor på et fjellboringsutstyr som kan benyttes effektivt og lett ved all boring og også når det benyttes flere bergboringsutstyr, om nødvendig.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebragt en fremgangsmåte for bestemmelse av posisjonen til et verktøy for et fjellbor i et kjent koordinatsystem i forhold til fjellet når det benyttes et fjellboringsutstyr omfattende en basis, minst en borebom montert svingbar i forhold til basisen og et fjellbor forbundet svingbart i forhold til bommen til den annen ende av bommen og utstyrt med et verktøy, i hvilken fremgangsmåte posisjonen til basisen av fjellboringsutstyret i nevnte koordinatsystem bestemmes og posisjonen til verktøyet i nevnte koordinatsystem bestemmes på grunnlag av posisjonen til basisen. Fremgangsmåten er således kjennetegnet ved at posisjonen til verktøyet i forhold til basisen bestemmes ved å måle slik at målingen utføres ved bruk av minst tre måleinnretninger plassert ved en kjent stilling i forhold til basisen og ved en avstand fra hverandre hvorav minst to av innretningene er festet til basisen, og minst en måleinnretning ved en kjent posisjon i forhold til verktøyet hvorved minst noen av måleinnretningene omfatter en transmitter for å overføre oscillasjonsenergi og tilsvarende, minst enkelte av måleinnretningene omfatter en mottager for å motta oscillasjonsenergi; at avstanden mellom transmitterne og mottagerne måles på grunnlag av svingningsenergien overført av hver transmitter; at avstandene mellom mottagerne og transmitterne blir beregnet på grunnlag av de målte avstander; og at posisjonen til verktøyet i forhold til basisen blir bestemt på grunnlag av avstandene beregnet på denne måte.

Foretrukne trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremgår av de medfølgende uselvstendige kravene 2 til 8.

Hovedideen ved oppfinnelsen er at minst to måleinnretninger, dvs. transmittere eller mottakere, montert i basisen av fjellboringsutstyret blir benyttet og likeledes mottakere eller transmittere arrangert i en kjent stilling i forhold hvert fjellbor, eller når ønsket, i begge tilfeller transmitter-mottagere, hvorved stillingen til fjellborene og deres verktøy alltid kan bestemmes i forhold til basisen. En ytterligere hovedidé ved oppfinnelsen er at posisjonen til basisen av bergboringsutstyret i forhold til fjellet i hovedkoordinatsystemet blir bestemt på i og for seg kjent måte, slik som ved hjelp av laser eller fikserpunkt-navigering, hvorved når posisjonen for bergboret i forhold til basisen bestemmes, er de samtidig bestemt i forhold til hovedkoordinatsystemet. I samsvar med en foretrukken utførelse av oppfinnelsen kan f.eks. en separat transmitter-mottakerenhet bli brukt for å hjelpe til å bestemme posisjonen til fjellborene. Transmitter-mottakerenheten anbringes ved en egnet posisjon i nærheten av berget som skal bores, slik som under fjellborene eller bommene hvoretter posisjonen av denne separate transmitter-mottakerenhet blir bestemt ved hjelp av måleinnretninger fast montert i basisen hvoretter den separate enhet kan benyttes for å måle posisjonen til fjellborene.

En logisk og hurtig anvendbar måling oppnås med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen samtidig som en pålitelig måling oppnås under alle forhold ved bruk av flere ulike måleinnretninger.

Oppfinnelsen vil bli forklart i nærmere detalj i den vedlagte tegning som viser skjematisk anvendelsen av utstyret ifølge oppfinnelsen i forbindelse med et fjellboringsutstyr utrustet med tre bommer og tre matebjeiker. I denne patentansøkning og i kravene, refererer et fjellboringsutstyr seg ikke bare til et ordinært fjellboringsutstyr utstyrt med en borestang, men også til slaghammere utstyrt med et bankeverktøy eller annet slikt fjellboringsutstyr beregnet på fjellbrytning eller for å lage et hull.

I figuren er det vist en basis 1 av et fjellboringsutstyr hvortil det er svingbart forbundet på kjent måte tre bommer 2a til 2c og til endene av bommene 2a til 2c er det anordnet matebjelker 3a til 3c, respektivt. Et fjellbor 4a til 4c beveger seg på hver matebjelke i sin lengderetning på kjent måte og i figuren er et verktøy 5a til 5c forbundet til hvert fjellbor som i det viste tilfelle i figuren er en borestang som et hull blir boret med. Leddene mellom bommene 2a til 2c og matebjelkene 3a til 3c og basisen 1 respektivt, og dreiningen av bommene og matebjelkene i forhold til leddene er generelt godt kjent, hvorfor de ikke vil bli forklart ytterligere her. Tre måleinnretninger 6a til 6c er festet til basisen 1 av fjellboringsutstyret til en fiksert posisjon i forhold til basisen, hvilke innretninger er forbundet til en styreenhet 7. Videre er en separat måleenhet 8 forbundet som et eksempel til styreenheten 7. Måleenheten kan virke på samme måte som de fikserte måleinnretninger 6a til 6c.

Måleinnretningene 9a-9c og 10a til 10c av matebjelken er videre montert i hver matebjelke 3a til 3c ved visse posisjoner i hver matebjelke. Alle måleinnretningene 6a til 6c, 8,9a til 9c og 10a til 10c kan alle være enten transmittere, mottagere eller transmitter-mottagere. Imidlertid kan enten alle måleinnretningene 9a til 9c og 10a til 10c i matebjelken, eller alternativt, de fikserte måleinnretninger i basisen 1 være kun transmittere og de andre mottagere respektivt. Når det benyttes den separate måleenhet 8, skal det være mest praktisk og foretrukket å være av transmitter-mottagertypen.

Betjeningen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen starter med at basisen 1 av fjellboringsutstyret blir kjørt til borestedet og dens posisjon i hovedkoordinatsystemet i forhold til fjellet bestemmes på i og for seg kjent måte, slik som ved bruk av lasermåling eller fastpunktmåling eller en hvilken som helst automatisk målemetode som i og for kjent. I denne patentansøkning og i kravene refererer definisjonsstillingene til plasseringen av nevnte gjenstand og likeledes retningen av lengdeaksen forbundet med en viss gjenstand i det angjeldende koordinatsystem. Når stillingen til basisen 1 i forhold til hovedkoordinatsystemet for fjellet har blitt bestemt, kan posisjonen til hver matebjelke 3a til 3c bli bestemt i hovedkoordinatsystemet ved å bestemme den først ved hjelp av måleinnretninger 6a til 6c, 8,9a-9c og 10a til 1 lc i forhold til basisen og ved hjelp av informasjon som indikerer posisjonen til basisen som omdanner dette matematisk til posisjonen for hver matebjelke i hovedkoordinatsystemet. I praksis skjer dette på den enkleste måte, f.eks. slik at måleinnretningene 9a til 9c og 10a til 10c av matebjelken i matebjelkene 3a til 3c er transmittere som overfører en viss type svingningsenergi. dvs. et målesignal. Signalene overført med måleanordningen for hver matebjelke 3a til 3c blir målt separat og styreenheten 7 beregner på grunnlag av deres utbredelsestid eller lignende avstandene og retningene for hver måleanordning i basisen til en tilsvarende måleanordning hvoretter, på grunnlag av denne informasjon, kan posisjonen til matebjelkene bli beregnet og således også posisjonen til bommen. Denne beregning kan utføres f.eks. for en matebjelke av gangen ved passende intervaller. I det tilfelle ved kontinuerlig måling blir signaler overført av måleinnretningene 9a og 10a på matebjelken 3a målt i et øyeblikk, deretter blir signalene overført av måleinnretningene 9b og 10b på matebjelken 3b målt og ytterligere signaler overført av måleinnretningene 9c og 10c på matebjelken 3c og den fortsetter således i en bestemt rekkefølge, hvorved posisjonene til matebjelkene alltid er kjent og boringen eller retningen på bommene og matebjelkene kan styres kontinuerlig. Figuren viser skjematisk med stiplede linjer for illustrasjonsformål kun enkelte av de mulige måleretninger mellom ulike måleinnretninger.

Dersom en måleinnretning for matebjelken av en eller annen årsak ikke skulle kunne overføre på pålitelig måte et signal i forhold til en eller annen måleanordning på basisen, kan en eller flere separate måleenheter 8 også brukes som anbringes i en passende stilling f.eks. under bakken, og etter dette, ved bruk av transmitteren i måleenheten 8, måles posisjonen til måleenheten 8 i forhold til basisen med de fikserte måleinnretninger 6a til 6c på basisen. Etter dette kan mottageren i måleenheten 8 bli brukt for å måle signaler transmittert av måleinnretningene 9a til 9c og 10a til 10c på matebjelkene 3a til 3c fordi posisjonen til måleenheten blir bestemt i koordinatsystemet for basisen og dermed gjennom basisen 1 hovedkoordinatsystemet for fjellet. Når ønsket, kan de fikserte måleinnretninger 6a til 6c i basisen 1 naturligvis bli erstattet av transmittere og bruke mottagere som måleinnretninger 9a til 9c og 10a til 10c i matebjelkene. Videre kan alle måleinnretningene også være transmitter-mottagerdetektorer, hvorved ulike verifiserende målinger mellom f.eks. matebjelkene i forhold til hverandre kan eventuelt bli utført på forskjellige måter. Et antall separate måleenheter 8 kan brukes dersom det er ansett nødvendig på grunn av boreforholdene.

Ulike svingningsbølger kan brukes som målesignaler, hvorved f.eks. ultralyd eller elektromagnetisk vibrasjon med radiofrekvens er anvendelig. Enten kan en viss type av et rent signal eller forskjellige støysignaler brukes som signaler, hvormed målepåliteligheten og nøyaktigheten kan bekreftes ved forskjellige forhold på en så egnet måte som mulig.

Oppfinnelsen ovenfor er i beskrivelsen og i tegningene vist kun som et eksempel og er på ingen måte ment å være begrenset til denne. Som en måleinnretning kan benyttes to måleinnretninger festet til basisen 1 og en annen måleinnretning hvis posisjon i forhold til basisen 1 er kjent eller kan måles. Videre kan måleinnretningene bli festet direkte til fjellboret eller dets basis, slik som dens borevogn eller når det benyttes slaghammere, til et feste forbundet til enden av bommen. Når det kun benyttes en måleinnretning bestemt for anbringelse i forhold til fjellboret, kan retningsvinklene for fjellboret i forhold til fjellet i et kjent koordinatsystem bli målt ved bruk av f.eks. gravitasjonsbaserte følere som indikerer helningsvinkelen og følere som måler sidebøyningsvinklene for bommen hvis vinkelinformasjon blir kombinert ved å beregne posisjonen til måleinnretningen som bestemmer entydig både posisjonen til fjellboret og posisjonen til verktøyet forbundet til fjellboret i forhold til fjellet i det bestemte koordinatsystem. Videre, når det benyttes fjellboringsutstyr forsynt med en matebom kan måleinnretningene bli festet, som nevnt i beskrivelsen, direkte til matebjelken eller f.eks. til en separat vogge plassert mellom matebjelken og bommen i forhold til hvilken matebjelken kan bevege seg i lengderetningen. I det tilfelle, som ellers i arrangementet anordnet med matebjelke, måles posisjonen til fjellboret og verktøyet relatert til dette med en bevegelsesføler eller lignende slik at posisjonen til boret i lengderetningen av matebjelken er kjent og lik, posisjonen til borstangen eller annet verktøy i tverrsnitt av matebjelken er allerede forutbestemt og på grunnlag av denne informasjon kan posisjonen til verktøyet bli bestemt i forhold til matebjelken. Tilsvarende er lengdebevegelsen til matebjelken i forhold til voggen og dens posisjon i tverretningen av aksen til verktøyet og dermed i tverretningen av matebjelken tidligere kjent, hvorved posisjonen til verktøyet på grunnlag av denne informasjon kan beregnes i forhold til voggen og videre, stillingen til verktøyet gjennom hele måleinnretningene i forhold til fjellet i et fast koordinatsystem. Metoden kan også anvendes for følgende og forutsagt bevegelse av fjellboringsutstyret slik at stillingen for en viss måleinnretning blir målt stort sett kontinuerlig hvorved, ved hjelp av suksessive lokaliseringspunkter av en viss måleinnretning kan bevegelsen til målepunktet og retningen for bevegelsen eller dens endringer i forhold til både hastighet og akselerasjon beregnes. Følgelig, ved bruk av annen informasjon, slik som informasjon levert av en andre måleinnretning forbundet til den samme bom eller følere som indikerer helningsvinkelen, kan posisjonen og bevegelsen av tuppen på verktøyet av fjellboret f.eks. bestemmes til enhver tid når det beveger seg, hvorved informasjonen omkring retningen og posisjonen kan forutbestemmes, når dette er ønsket og sakke ned eller på annen måte styre denne bevegelsen på en måte som er hensiktsmessig for resultatet.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av posisjonen til et verktøy (5a til 5c) for et fjellbor (4a til 4c) i et kjent koordinatsystem i forhold til fjellet når det benyttes et fjellboringsutstyr omfattende en basis (1), minst en borebom (2a til 2c) montert svingbar i forhold til basisen og et fjellbor forbundet svingbart i forhold til bommen (2a til 2c) til den annen ende av bommen (2a til 2c) og utstyrt med et verktøy (5a til 5c), i hvilken fremgangsmåte posisjonen til basisen (1) av fjellboringsutstyret i nevnte koordinatsystem bestemmes og posisjonen til verktøyet (5a til 5c) i nevnte koordinatsystem bestemmes på grunnlag av posisjonen til basisen (1), karakterisert ved at posisjonen til verktøyet i forhold til basisen (1) bestemmes ved å måle slik at målingen utføres ved bruk av minst tre måleinnretninger (6a til 6c) plassert ved en kjent stilling i forhold til basisen og ved en avstand fra hverandre hvorav minst to av innretningene er festet til basisen, og minst en måleinnretning (9a til 9c, 10a til 10c) ved en kjent posisjon i forhold til verktøyet (5a til 5c) hvorved minst noen av måleinnretningene (6a til 6c, 9a til 9c, 10a til 10c) omfatter en transmitter for å overføre oscillasjonsenergi og tilsvarende, minst enkelte av måleinnretningene (6a til 6c, 9a til 9c, 10a til 10c) omfatter en mottager for å motta oscillasjonsenergi; at avstanden mellom transmitterne og mottagerne måles på grunnlag av svingningsenergien overført av hver transmitter; at avstandene mellom mottagerne og transmitterne blir beregnet på grunnlag av de målte avstander; og at posisjonen til verktøyet (5a til 5c) i forhold til basisen (1) blir bestemt på grunnlag av avstandene beregnet på denne måte.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at målingen utføres ved bruk av tre måleinnretninger (6a til 6c) festet til basisen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at målingen blir utført ved å bruke også minst en separat måleenhet (8) som omfatter en transmitter og/eller mottager og som anbringes i en avstand fra basisen (1) av fjellboringsutstyret; at posisjonen til den separate måleenhet (8) i forhold til basisen (1) bestemmes ved å måle avstandene mellom måleenheten og andre transmittere og/mottagere på grunnlag av svingningsenergien transmittert av transmitterne; og at den separate måleenhet (8) benyttes etter bestemmelse av dens posisjon sammen med måleinnretningene (6a til 6c) festet til basisen (1) for å måle posisjonen til verktøyet (5a til 5c).

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foranstående krav, karakterisert ved at to måleinnretninger (9a til 9c, 10a til 10c) plassert i en avstand fra hverandre og i en kjent stilling i forhold til fjellboret blir brukt for å måle hvert fjellbor; at posisjonen til fjellboret blir bestemt ved å måle posisjonen til begge måleinnretningene (9a til 9c, 10a til 10c) i forhold til basisen og ved å beregne posisjonen til verktøyet (5a til 5c) på fjellboret (4a til 4c) i forhold til basisen (1) på grunnlag av stedene for måleinnretningene målt på denne måte.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, i hvilken fremgangsmåte posisjonen til en borestang i forhold til basisen blir målt, der borestangen benyttes som et verktøy (5a til 5c) for fjellboret (4a til 4c) som er forsynt med en matebjelke (3a til 3c) og beveger seg langs matebjelken (3a til 3c), karakterisert ved at som måleinnretninger i en kjent posisjon i forhold til fjellboret (4a til 4c) benyttes måleinnretninger (9a til 9c, 10a til 10c) plassert i en kjent stilling i forhold til matebjelken (3a til 3c) og festet i en avstand til hverandre i sin lengderetning; at ved hjelp av måleinnretningene (9a til 9c, 10a til 10c) blir posisjonen til matebjelken (3a til 3c) bestemt i forhold til basisen (1); og at posisjonen til borestangen blir bestemt ved å ta i betraktning dens posisjon i tverretningen av matebjelken (3a til 3c) og dens lengdeposisjon i lengderetningen av matebjelken (3a til 3c).

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert v e d at ved måling benyttes to måleinnretninger for hvert fjellbor der posisjonen til innretningen i forhold til fjellboret (4a til 4c) er kjent; at bøyningsvinklene for verktøyet (5a til 5c) for fjellboret (4a til 4c) i forhold til fjellet i et kjent koordinatsystem blir bestemt med gravitasjonsbaserte følere som indikerer helningsvinkelen.

7. Fremgangsmåte ifølge et av de foranstående krav for bestemmelse av posisjonene til verktøyene (5a til 5c) for fjellborene (4a til 4c) for fjellboringsutstyr omfattende minst to bommer, karakterisert ved at måleinnretningene (9a til 9c, 10a til 10c) i en kjent posisjon i forhold til hvert fjellbor omfatter både en transmitter og en mottager; og at den innbyrdes posisjon for fjellborene (4a til 4c) blir bestemt ved å måle avstandene mellom disse måleinnretninger (9a til 9c, 10a til 10c) på grunnlag av svingningsenergien.

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foranstående krav, karakterisert ved at for måling av avstanden måles utbredelsestiden for svingningsenergien mellom transmitteren som transmitterte nevnte energi og måleinnretningen (6a til 6c, 8,9a til 9c, 10a til 10c) som er forsynt med en mottager og som mottok nevnte svingningsenergi.