SE450145B - Sett och anordning for borrning av langa raka hal i berg - Google Patents

Description

450 145 2 Utvecklingsarbeten för att utveckla borriggar med bättre styvhet och stabilitet är under planläggning, så att borren kan få noggrannast möjlig utgångsriktning.

Detta kommer otvivelaktigen att leda till att borresulta- ten kan förbättras ett stycke i förhållande till dagens nivå, men det finns principiella begränsningar för hur långt denna teknik kan drivas.

För det första kommer det fortfarande kvarstå en osäkerhet i borrens utgàngsriktning. Dessutom kommer bozrens riktning att kunna förändras under borrningen av olika orsaker: - Inhomogeniteter, sprickor etc, i berget - skevheter i borrstängen - tyngdkraftens inverkan, etc. Ökning av styvhet och stabilitet kommer att medföra dyrare borriggar, och noggrannheten kommer att bli be- roende av slitaget på utrustningen och på noggrannheten hos operatören. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att kunna borra hålen med fullständig noggrannhet oberoende av -hållängden, och detta utan att behöva förbättra borrig- qens styvhet. _ Sättet enligt föreliggande uppfinning kännetecknas av att de nämnda signalerna behandlas i en styranordning, vilken är belägen på avstånd bakom borrstångens krona och utgör del av borrstången, och avges till den utanpå styranordningen i kontakt med borrhålets väggar anordnade tryckanordningen, vilken styrs till att förflytta styr- anordningen i radiell led, under det att borrkronan förblir fast i berget, varvid borrstången böjs och dess riktning korrigeras. På detta sätt kan långa och raka hål borras med stor noggrannhet och avvikelserna reduceras till väsentligen mindre än borrhålets diameter.

Lasersträlen sänds in genom ett fönster bak på borraggregatet och går så invändigt i den ihåliga borr- stången, som är fylld med filtrerad luft. Eftersom borren styrs automatiskt hela tiden, kommer hålet bli så rakt l0 450 145 3 att laserstrålen kan passera oförhindrad genom hela borrstángen vartefter som borrningen försiggâr.

Anordningen enligt föreliggande uppfinning känne- tecknas av en ihålig styranordning, vilken innefattar tryckanordningen, detekteringsorganen samt organ för behandling av signalerna från detekteringsorganen, vilken utgör del av borrstången och vilken är belägen bakom borrkronan på sådant avstånd från denna att en förflyttning i radiell led av styranordningen, under det att borr- kronan är fast i berget, åstadkommer en böjning av stången.

Denna anordning kan vara en självständig och auto- matisk enhet som kan skjutas in i borrstängen utan extra fysisk förbindelse med borrhålet.

Anordningen styr borriktningen antigen genom att ._in- införa en krökning på borrstången eller genom at: skjuta borrstången i rätt riktning i sidled i hålet i förhållande till hålets väggar.

Energi för denna styrning kan erhållas på flera sätt. Enklast sker det genom att man använder tryckluft, som tillföres genom den ihåliga borrstången, eller genom att man använder sig av att borrstången roterar i för- hållande till borrhålets vägg.

Anordningen innefattar en fotodetektor för att detektera den relativa positionen, och eventuellt rikt- ningen, hos borren i förhållande till laserstrålen.

Detektorn kan vara konstruerad för att mäta både tecken och storlek på avvikelsen eller eventuellt bara teck- net på avvikelsen, så att en styrenhet som är inbyggd i anordningen kan avgöra i vilken riktning den skall korrigera kursen.

Fotodetektorn bör kunna fånga upp och bestämma lasersträlens position oavsett var strâlen träffar innan- för den ihåliga borrstângens tvärsnitt. Samtidigt får den inte hindra trvckluft att passera fram till borr- kronan och till eventuell borrhammare. Ett sätt att uppnå detta är att utforma fotodetektorn som en smal arm tvärs över röret, där trvbkluften kan passera pà 450 145 *i »agge sidor, och sa utnyttja det förhållandet att stången roterar till att svepa över hela tvärsnittet.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritningar, som visar ett utföringsexempel. Fig l visar en uppställning av utrustning för sättets utförande, fig 2 visar närmare detaljer på en borrigg för sättets utförande, fig 3 visar ett längdsnitt av anordningen för automatisk styr- ning av borrstången, fig 4 visar ett snitt genom anord- ningen för styrning av borrstängen, fig 5 visar ett annat snitt genom anordningen, fig 6 visar ett block- suhema över ett styrsystem i anordningen, och fig 7 visar ett längdsnitt av anordningen med ett möjligt arrangemang av detaljer.

Fig l visar en uppställning av utrustning för sät- tets utförande, varvid en borrigg l skjuter framför sig och roterar en ihålig borrstång 2 i borrhàlet 3.

Längst fram i borrstången 2 sitter en borrkrona 5, even- tuellt med en luftdriven borrhammare. Inskjuten bakom dessa i borrstången 2 finns en anordning»4, som automa- tiskt böjer borrstängen så att borrkronan 5 följer rikt- ningen hos en laserstråle 7 från en källa 6, som är upp- ställd stadigt men fritt från borriggen l. Laserstrålen leds alltså invändigt i den ihåliga borrstången 2.

Fig 2 visar närmare detaljer för ett enkelt utföran- de av sättet, där borriggen 2l bär upp en styrskena 22 för en borr 23 och en rotationsmotor 24. En laser- stråle 25 från en källa 26 sänds in i den ihåliga borr- stången 23 genom ett fönster 2ll som samtidigt stänger inne tryckluften i borrstàngen. Källan 26 kan sända ut en eller flera laserstrålar 27 parallellt med huvud- stràlen 25. Avsikten med dessa är att göra det enklare att ställa in styrskenan 22, eftersom denna är utrustad med riktmedel 28 och 29 för att det skall vara enkelt att kontrollera att styrskenan står i någorlunda riktig ställning vid början av borrningen. 450 145 Fig 3 visar ett snitt av en anordnings 31 utförande.

Den består av ett rör 37, som är inskjutet i och utgör del av en borrstång 38, varvid förbindningen t ex består av vanliga gänghylsor 32, och som roterar med borrstàngen när denna roterar. Invändígt i röret är en optisk detektor 34 anordnad för avkänning av rörets position och riktning i förhållande till en laserstråle 39. Den är så anordnad att tryckluft kan passera i det närmaste obehindrat fram till borrkronan och eventuell borrhammare 35. Utanpå röret sitter en hylsa 33, som hindras att rotera till- sammans med röret 37 av friktionen mot,borrhålets 36 vägg. Hylsan 33, som är så anordnad att röret kan rotera fritt i förhållande till denna, t ex med hjälp av rullar eller glidlager, innefattar manöverdon (se fig 4), som kan skjuta röret i sidled inne i borrhåletf så att borr- kronan därmed ändrar riktning. Manöverdonen styrs av en styrenhet (ej visad) på så sätt att borrkronan hela tiden följer laserstrålens 39 riktning på noggrannast möjliga sätt. Styrenheten kan vara monterad antingen i hylsan eller utvändigt eller invändigt på röret.

Pig 4 visar ett tvärsnitt av ett utförande av anord- ningen, där ett rör 41 roterar med en borrstàng, medan hylsan, som innefattar en inre lageryta 42, en yttre glidyta 43 med en slit/friktionsyta 44 och manöverdon 46 med en gummibälg 45, hindras att rotera av friktionen mot borrhàlets 47 vägg. Styrenheten (ej visad) styr med hjälp av ventiler (ej visade) tryckluft till de enskilda manöverdonsbälgarna 45 på så sätt att rörets 4l position i förhållande till borrhålet 47 ändras på àsyftat sätt.

Pig 5 visar ett arrangemang av en optisk detektor för avkänning av rörets position och riktning i förhål- lande till laserstràlen. En detektorenhet 52 är anordnad som ett smalt föremål diametralt monterat i röret, så att tryckluften till borrkrona och eventuell borrhamma- re kan passera någorlunda obehindrat. Detektorenhetens storlek i rörets längdriktning är av mindre betydelse. 450 145 6 Detektorenheten 52 kan innefatta en del 53 för avkänning av laserstrålens riktning i förhållande till rörets längdaxel, och en del 54 för avkänning av Strålenä position i förhållande till rörets tvärsnitt. När röret roterar runt sin axel, kommer bägge detektorerna 53 och 54 att träffas av laserstrålen 55 under varje vrid- ningsvarv, så att lämpliga signaler kan avledas och överföras till styrenheten oavsett var strålen träffar innanför rörets tvärsnitt. Signalerna från detektorenhe- ten 52 anger relativ ställning och riktning mellan detek- torenheten och laserstrâlen.

En vinkeldetektor 56 mäter vridningsvinkeln mellan detektorenheten 52 i röret 5l och en referensriktning i hylsan 57. Detta ger den nödvändiga informationen till styrenheten (ej visad), så att denna kan korri- gera med de rätta manöverdonen. I Fig 6 visar ett blockschema över ett föredraget styrsystem i anordningen, där en styrenhet 63 mottager information om en detektors 6l position och riktning i förhållande till en laserstråle 62, och information om detektorns 6l vridningsvinkel i förhållande till hylsan med manöverdon 65 från vinkeldetektorn 69.

Styrenheten 63 styr lufttillförseln till manöver- donen 65 med hjälp av ventiler 64, som antingen släp- per in tryckluft 67 till manöverdonen 65 från det inre röret eller släpper ut luft 68 från manöverdonen 65 till utsidan av röret där lufttrycket är lågt.

Styrsystemet kan innefatta detektorer 66 för avkän- ning av manöverdonens 65 ställning och återsändning av denna information till styrenheten 63. Dessa detek- torer 66 är inte helt nödvändiga, men de förbättrar systemets noggrannhet och stabilitet.

Fig 7 visar ett längdsnitt av anordningen med ett möjligt arrangemang av detaljer, där ett styrrör 71, som är inskjuten i och utgör del av borrstången, är omgivet av en styrhylsa 72. Hylsan hindras från att glida axiellt längs röret av spärringar 73, som är fästa 450 145 7 i röret, och lagerringar 74 vilka också kan tjäna som dammtätning och vibrationsdämpare mot överföring av axiella vibrationer i borrstängen till hylsan.

Hylsans 72 yttre glidyta 75 är utformad så att den medger radiella rörelser av innerröret 7l i förhål- lande till utsidan av den yttre glidytan 75.

Inne i hylsan finns manöverdonsbälgar 76, styr- ventiler 77, detektorer 78 för avkänning av manöver- donsställningar och en styrenhet 79 med batterier 710.

Tryckluft till manöverdonen tas från det inre av röret 71 genom ett häl i rörväggen till en tättsittan- de samlarring 7ll. Överföringen av mätsignaler från en optisk detektor- enhet 713 till styrenheten 79 kan ske via en roteran- de transformatorkoppling 712. Energi till den optiska detektorenheten kan antingen tas från ett batteri på röret eller överföras från ett batteri på hylsdelen via t ex en roterande transformator.

Batteriet 710 kan antingen vara utbytbart, med tillräcklig kapacitet för borrning av ett eller flera borrhàl, eller kan en laddningsenhet anordnas som t ex drivs av tryckluften.

Vinkelvridningen av röret 7l i förhållande till styrhylsan 72 mäts med en vinkeldetektor 714. Eftersom röret i praktiken roterar med i det närmaste konstant hastighet, kan vinkeldetektorn 714 realiseras med hjälp av t ex en pulsgivare, som avger en puls till styren- heten varje gång ett bestämt ställe på rörets 71 omkrets passerar pulsgivaren.

Det ovan beskrivna utförandet är ett exempel på ett föredraget utförande av uppfinningen. Det kommer att framgå att de enskilda delarna kan utformas och anordnas på olika sätt. Manöverdonen kan t ex utformas som rent mekaniska, elektriska eller hydrauliskt drivna manöverdon, eller en kombination därav.

Energi till dessa kan tas från tryckluften, såsom visats ovan, eller från det roterande borrstàngsröret 450 145 8 »Jm roterar i förhållande till hylsan. När en slagbor,- maskin användes kan energi också tagas från vibrationerna från denna.

De beskrivna qlidytorna på hylsan kan vara rena glid/friktionsytor, t ex såsom beskrivits. De kan emel- lertid utformas på olika sätt, t ex rullar som kan rulla på längden av borrhàlet men inte på tvären av det.

Det är inte någon förutsättning i betraktande av uppfinningen att styrhylsan inte roterar i förhållande till väggen i borrhålet, bara denna eventuella rotation är så långsam att styrsystemet räcker till för att juste- ra manöverdonen i överensstämmelse med denna roterande rörelse. Manöverdonens energiförbrukning kommer därför att bli mindre ju långsammare hylsan roterar.

Manöverdonen behöver heller inte skjuta stången framför sig i förhållande till borrhålets vägg. De kan i stället tänkas utformade så att de styr en vinkelled i stången.

Vid realisering av anordningen kan nyare teknologi såsom mikroprocessorer, elektrooptiska enheter etc med fördel användas, men de är ingen förutsättning för att realisera anordningen i överensstämmelse med uppfinning- en.

Sättet och anordningen kan också användas när borr- hammaren drivs med hydraulisk eller elektrisk energi i stället för tryckluft.

Claims (6)

10 l5 20 25 30 450 145 PATENTKRAV

1. Sätt att borra långa och raka hål (3, 36) i berg, varvid en laserstråle sändes in genom en borrstàng (2, 38) och detekteras av en inuti borrstången anordnad optisk detekteringsenhet (34), vilken avger signaler i överensstämmelse med borrstångens läge i förhållande till ljusstrálen och varvid en tryckanordning (33) styrs i överensstämmelse med de nämnda signalerna till att förflytta en del av borrstången i radiell led, så att borrstången inriktas efter laserstrålen, k ä n n e - t e c k n a t av att de nämnda signalerna behandlas i en styranordning (4, ßl), vilken är belägen på avstånd bakom borrstångens krona (5) och utgör del av borrstången, och avges till den utanpå styranordningen i_kontakt med borrhålets väggar anordnade tryckanordningen (33), vilken styrs till att förflytta styranordningen i radiell led, under det att borrkronan förblir fast i berget, varvid borrstången böjs och dess riktning korrigeras.

2. Anordning för borrning av långa och raka hål (3, 36) i berg, vilken anordning innefattar en borr- rigg (l), vilken har en ihålig, làngsträckt borrstång (2) med en borrkrona (5) i dess ena ände, en tryckanordning (33), vilken står i kontakt med väggen i det borrade hålet och är avsedd för förflyttning av en del av borr- stången i radiell led, organ (6), som är anordnade att sända en laserstråle (7, 39) genom borrstången, optiska detekteringsorgan (34) för detektering av borrstångens läge i förhållande till laserstrålen, k ä n n e t e c k - n a d av en ihålig styranordning (4, 31), vilken inne- fattar tryckanordningen (33), detekteringsorganen (34) samt organ för behandling av signalerna från detekte- ringsorganen, vilken utgör del av borrstången och vilken är belägen bakom borrkronan på sådant avstånd från denna att en förflyttning i radiell led av styranordningen, under det att borrkronan är fast i berget, åstadkommer 10 20 25 30 450 145 10 en böjning av borrstången.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k - n a d av att styranordningen (31) är anordnad att mot- taga energi för ändring av borriktningen ur tryckluft, som tillföres genom den ihåliga borrstången (38).

4. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k - n a d av att styranordningen innefattar ett styrrör (71), som är infogat i och utgör del av borrstången (38) och som roterar med borrstången (38), och innefattar en styrhylsa (72), som är anordnad utanpå styrröret (71), så att styrhylsan (72) helt eller delvis kan hindras från att rotera av friktion mot borrhålets vägg, även om borrstången (38) roterar, vilket styrrör (71) innefattar (713), fering av styrrörets (71) läge och riktning i förhållande en optisk detektorenhet som är avsedd för detek- till laserstrålen, och vilken styrhylsa (72) innefattar en styrenhet (79), som är avsedd att mottaga signaler fràn detektorenheten (713), en vinkeldetektor (714), som är avsedd att avge signaler till styrenheten (79) om styrrörets (71) vridningsvinkel i förhållande till styrhylsan (72), samt innefattar manöverdon (76), som är kopplade till styrenheten (79) och avsedda att trycka en yttre glidyta (75) på styrhylsan (72) mot det borrade hålets vägg för inställning av styrröret (71) i för- hållande till laserstrålen.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k - n a d av att detektorenheten (713) är utformad som ett smalt föremål, vilket är så monterat på tvären i styrröret (71, 51), att tryckluften till borrstångens (38) borrkrona kan passera obehindrat, och är så mon- att dess dotektorer (53, 54) (55), när borrstângon (38) roterar, oberoende av var terat, träffas av laserstrålen laserstrålen (55) träffar innanför borrstångens (38) hålighet.

6. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k - n a d av att styrhylsan (72) innefattar detektorer 450 145 ll (78, 66), som är avsedda att mäta styrrörets (71) ställning i förhållande till styrhylsan (72) och är avsedda att avge uppmätt information till styrenheten (79, 63).