DE19882445B4

DE19882445B4 - Verfahren zum Steuern einer Gesteinsbohrung

Info

Publication number: DE19882445B4
Application number: DE19882445T
Authority: DE
Inventors: Tapani PÖYSTI
Original assignee: Sandvik Tamrock Oy
Current assignee: Sandvik Mining and Construction Oy
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2018-05-30
Also published as: AU7534098A; FI105054B; SE9904511D0; SE516898C2; ZA984926B; US6419031B1; DE19882445T1; FR2764633A1; JP2002504199A; NO996126L; CA2293643A1; WO1998057033A1; SE9904511L; FR2764633B1; NO996126D0; FI972533A; AU742296B2; FI972533A0

Abstract

Verfahren zum Steuern einer Gesteinsbohrung mittels eines Gesteinsbohrers, der mit einem druckbetriebenen Hammer und einem Rotationsmotor (1) versehen ist, bei welchem Verfahren die Gesteinsbohrung mit verschiedenen Steuerparametern gesteuert wird, von denen einer die Drehzahl der Bohrstange ist, dadurch gekennzeichnet, dass:
– für das Steuern die Drehzahl auf Grund des Werts des Steuersignals definiert wird, das zum Steuern des Steuerventils (4) verwendet wird, das den dem Rotationsmotor (1) zuzuführenden Strom der Druckflüssigkeit reguliert; und
– der die Drehzahl angebende Steuersignalwert als Steuerparameter verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Gesteinsbohrung mittels eines Gesteinsbohrers, der mit einem druckbetriebenen Hammer und einem Rotationsmotor versehen ist, bei welchem Verfahren die Gesteinsbohrung mit verschiedenen Steuerparametern gesteuert wird, wobei einer der Parameter die Drehzahl der Bohrstange ist.
Bei einer Gesteinsbohrung wird die Bohrung typisch mit verschiedenen Parametern gesteuert, von welchen die üblichsten der Vorschubdruck, der Rotationsdruck (d.h. der Druck des dem Rotationsmotor zugeführten Fluids) und der Schlagdruck (d.h. der Druck des dem Schlagantrieb zugeführten Fluids) des Hammers sind. Diese Werte werden typischerweise in elektrische Signale transformiert, mit denen ein Computer gemäß den erwünschten Grenzen oder Algorithmen die Bohrung steuern kann. In der Bohrung wird auch die Drehzahl der Bohrstange auf verschiedene Weisen definiert. In einer manualen Lösung wird sie durch eine grobe Schätzung bestimmt. In computergesteuerten 'Dateneinrichtungen' wird eine Lösung benutzt, die den Wert des Steuersignals, das dem elektrisch betriebenen Ventil zugeführt wird, in Prozenten von dem maximalen Steuerbereich ausdrückt. Es ist auch möglich, einen am Rotationsmotor oder in dessen Getriebekasten befindlichen elektrischen Sensor zu verwenden, mit dem die Drehzahl der Bohrstange gemessen werden kann.
Ein Nachteil dieser Lösungen ist, dass die visuelle Schätzung der Drehzahl schwierig und ungenau ist. Die in Prozenten ausgedrückte Drehzahl ist ihrerseits schwerverständlich. Ein separater Sensor, der die Drehzahl misst, ist in der Bohrmaschine auch empfänglich für Beschädigungen und nicht unbedingt zuverlässig.
Ein Problem ist auch, dass diese Drehzahlwerte beim Steuern der Bohrung in Wirklichkeit auf keine Weise ausgenutzt werden. Darum wird die Drehzahl ungefähr auf einen als passend geschätzten Wert eingestellt, und die eigentliche Bohrungssteuerung wird durch Regulierung der anderen Parameter ausgeführt.

Die DE 27 13 338 A1 offenbart eine Bohrmaschine, mit der Gesteinsformationen gebohrt werden können und die einen hydraulisch angetriebenen Rotationsmotor zum Drehen des Bohrers, einen hydraulisch angetriebenen Schlagmotor und einen hydraulisch angetriebenen Vorschubmotor zum Vor- und Zurückschieben des Bohrers aufweist. Der Rotationsmotor, der Schlagmotor und der Vorschubmotor sind jeweils an eigene Hydraulikkreise, nämlich einen Rotations-, einen Schlag- und einen Vorschubkreis angeschlossen.

Der Vorschubkreis weist ein Strömungssteuerventil auf, das als Vier-Wege-Ventil mit offener Mitte ausgebildet ist und ein von Hand verstellbares Betätigungsglied aufweist. Durch das Betätigungsglied kann das Ventil in drei Stellungen gebracht werden, die jeweils der Steuerung des Vorschubmotors mit Vorschub in Vorwärtsrichtung, Leerlauf und Vorschub in Rückwärtsrichtung entsprechen.

Der Rotationskreis weist ein Folgeventil auf, das durch Federvorspannung in der normalerweise geschlossenen Lage gehalten und in Abhängigkeit von einem Drucksignal durch ein geeignetes Betätigungsglied geöffnet wird. Das Betätigungsglied ist über eine Steuerdruckleitung mit der stromabwärtigen Seite des Strömungssteuerventils im Vorschubkreis verbunden, so dass das Folgeventil in Abhängigkeit von dem Druck in dem Vorschubkreis gesteuert wird. Solange der Druck in dem Vorschubkreis unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt, bleibt das Folgeventil geschlossen, so dass die Strömung zum Rotationsmotor klein ist und der Bohrer mit niedriger Drehzahl rotiert. Sobald aber der Druck in dem Vorschubkreis den vorgegebenen Schwellwert erreicht oder gar übersteigt, öffnet das Betätigungsglied das Folgeventil, so dass die Strömung zum Rotationsmotor groß ist und der Bohrer mit hoher Drehzahl rotiert.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zum Steuern einer Gesteinsbohrung zustande zu bringen, bei dem die Drehzahl der Bohrstange zuverlässig gemessen wird und mit dem sie angemessen zum Steuern der eigentlichen Gesteinsbohrung verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Bohrstange zum Steuern aufgrund des Werts des Steuersignals definiert wird, das zum Steuern des Steuerventils verwendet wird, das den dem Rotationsmotor zuzuführenden Strom der Druckflüssigkeit reguliert, und dass der die Drehzahl angebende Steuersignalwert als Steuerparameter verwendet wird.

Die wesentliche Idee der Erfindung ist, dass die Steuerspannung oder der Steuerdruck des Steuerventils des Rotationsmotors gemessen wird, und dass die Spannung und der Druck durch eine geeignete Skalierung geändert werden, um der Drehzahl zu entsprechen. Da der durch Steuerspannung oder -druck zustande gebrachte Volumenstrom durch den Rotationsmotor mit einer linearen Gerade dargestellt werden kann, erzeugt die geänderte Steuerspannung und der Steuerdruck entsprechend eine lineare Drehzahl. Die wesentliche Idee einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist, dass der die Drehzahl angebende Parameter, z.B. der Steuerdruck, neben den anderen Parametern verwendet wird, um die Gesteinsbohrung zu steuern.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass wenn der Steuerdruck oder die Steuerspannung des Steuerventils des Rotationsmotors zur Angabe der Drehzahl verwendet wird, wird ein zuverlässiger Indikator für die Drehzahl erlangt, der nicht leicht beschädigt wird. Demnach kann die Drehzahl sowohl manuell als auch auf andere Weisen mit erwünschter Genauigkeit kontrolliert werden. Weiterhin, wenn das Steuerelement, d.h. ein Drucksignal oder ein elektrisches Signal, des Steuerventils des Rotationsmotors neben den anderen Steuerparametern zum Steuern der Gesteinsbohrung verwendet wird, können alle Änderungen von Verhältnissen, z.B. in der Rissautomatik, berücksichtigt werden, und die Drehzahl kann in Hinsicht auf den Schlag optimal reguliert werden.

Auch wenn die Vorschubdrucksteuerung auf Rotationsdruck basiert, d.h. sog. Momentregulierung verwendet wird, kann der die Drehzahl angebende Parameter zur Steuerung des richtigen Funktionswerts verwendet werden.

Die Erfindung wird ausführlicher in den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der Abhängigkeit zwischen dem Volumenstrom, der nach dem Steuerdruck des Steuerventils im Rotationsmotor linearisiert ist, und der Drehzahl der Bohrstange, und
2 eine schematische Ansicht einer hydraulischen Kupplung, in der der Steuerdruckwert des die Rotation steuernden Ventils zur Steuerung der Funktion der sog. Rissautomatik verwendet wird.
1 zeigt eine schematische Ansicht der linearen Verbindung zwischen dem Steuerdruck des Steuerventils im Rotationsmotor und dem dem Rotationsmotor zugeführten Volumenstrom, d.h. der Drehzahl. In der Figur steht die Gerade A für den Steuerdruck und die Gerade B für die Drehzahl des Rotationsmotors. Wesentlich ist, dass es zwischen dem Volumenstrom und der Drehzahl eine wesentlich lineare Verbindung besteht, wobei die Drehzahl durch Messung des Steuerdruckes des Volumenstroms eindeutig definiert werden kann. Weiterhin, wenn eine elektrische Steuerung verwendet wird, besteht eine ähnliche lineare Verbindung zwischen der Steuerspannung und der Drehzahl. So kann die Steuerspannung des elektrisch gesteuerten Ventils verwendet werden, um die Drehzahl der Bohrstange eindeutig anzugeben. Ein linearer Graph von der Drehzahl und der Steuerspannung oder dem Steuerdruck kann technisch durch viele an sich bekannte Linearisierungsverfahren verwirklicht werden.
2 zeigt schematisch, wie der Steuerdruck des die Rotation steuernden Ventils zum Steuern der sog. Antifestbohrungsautoma tik verwendet werden kann. Die Figur zeigt einen Rotationsmotor 1, der durch Kanäle 2 und 3 mit einem proportionalen Steuerventil 4 gekoppelt ist. Mit dem Steuerventil 4 ist ein Druckflüssigkeitskanal 5 gekoppelt, den eine Pumpe 6 mit Druckflüssigkeit beliefert. Die Druckflüssigkeit kann durch einen Kanal 7 in einen Druckflüssigkeitsbehälter 8 fließen. In diesem Falle ist das Steuerventil 4 druckgesteuert, und es erhält den Steuerdruck über einen Steuerdruckkanal 9. Von dem einen Druckflüssigkeitskanal 3 des Rotationsmotors 1 erstreckt sich ein Steuerdruckkanal 10 zu einem Druckgrenzventil 11, das seinerseits durch einen Kanal 12 mit einem sog. Risssteuerventil 13 gekoppelt ist. Der Steuerdruckkanal 9 ist weiter mit dem Druckgrenzventil 11 gekoppelt, so dass er für einen Referenzdruck sorgt und steuert, ob das Druckgrenzventil 11 dem über den Kanal 10 zugeführten Steuerdruck erlaubt, das Risssteuerventil 13 zu steuern. Weiter ist ein Steuerkanal vom Kanal 3 des Rotationsmotors über eine Drossel 14 mit der Druckflüssigkeitspumpe 6 gekoppelt, die eine sog. druckgesteuerte Volumenstrompumpe ist.
Während die Steuerung in Betrieb ist, wird Steuerdruck über den Steuerkanal 9 dem Ventil 4 zugeführt, und der Druck bringt den Rotationsmotor 1 zum Rotieren in der normalen Rotationsrichtung. Steuerdruck wird andauernd vom Zuführkanal der Druckflüssigkeit 3, der zum Rotationsmotor führt, über einen Kanal 15 zur Pumpe 6 erhalten, so dass der Volumenstrom, der durch den Rotationsmotor läuft, im wesentlichen konstant bleibt. Gleichzeitig beeinflusst der Druck des Zuführkanals des Rotationsmotors über den Steuerkanal 10 den Druckgrenzschalter 11. Da der Steuerdruck des Ventils 4 auch den Druckdifferenzwert des Druckgrenzventils 11 steuert, beeinflusst die durch Rotationswiderstand verursachte Druckzunahme im Kanal 3 das Rissventil 13 erst, wenn die Druckdifferenz zwischen dem Kanal 3 und dem Steuerdruckkanal 9 dem vorausbestimmten Wert entspricht. Die Drehzahl kann somit auf dem vorausbestimmten Wert gehalten werden, während die Steuerung der Drehzahl dazu verwendet wird, dem Rotationswiderstand einen angemessenen Schwellenwert zu geben, bevor die Zufuhr durch das Rissventil 13 auf eine Rück bewegung geschaltet wird. Wenn der Druck vom Kanal 3, d.h. dem Zuführkanal, des Vorschubmotors den Druck des Steuerventils 4 und Steuerkanals 9 mit dem für das Druckgrenzventil 11 bestimmten Schwellenwert übersteigt, wird der Druck des Kanals 3 durch das Druckgrenzventil 11 dem Risssteuerventil 13 zugeführt, das seinerseits den Vorschubmotor des Gesteinsbohrers (nicht gezeigt) in einer an sich bekannten Weise auf eine Rückbewegung schaltet, bis der Druck wieder unter den für das Ventil 11 gesetzten Schwellenwert sinkt.
Die Erfindung kann auch in der Weise angewendet werden, dass die Drehzahl dazu benutzt wird, die Schlagfrequenz des Gesteinsbohrers in Abhängigkeit von dem Schlagdruck zu ändern. Der Drehzahlwert kann dabei in Abhängigkeit von der Schlagfrequenz, d.h. hier in Abhängigkeit von dem Schlagdruck, gesteuert werden, so dass die Rotation der Bohrkrone zwischen den Schlägen von erwünschter Größe ist, und dass sich die äußersten Stifte der Bohrkrone in einer angemessenen Lage zwischen den Stiftlagen des vorigen Schlages setzen. Dies verbessert den steinbrechenden Effekt des Schlages.
Die Erfindung wird in der obigen Beschreibung und den Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt und soll nicht darauf beschränkt sein. Das wesentliche Merkmal ist, dass die Drehzahl aufgrund des Steuerelements, z.B. der Spannung oder des Drucks, des Steuerventils des Rotationskreises gemessen oder bestimmt wird, und dass der so erhaltene Drehzahlwert, falls erforderlich, dann verwendet wird, um die Gesteinsbohrung mit den anderen Parametern zu steuern.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Gesteinsbohrung mittels eines Gesteinsbohrers, der mit einem druckbetriebenen Hammer und einem Rotationsmotor (1) versehen ist, bei welchem Verfahren die Gesteinsbohrung mit verschiedenen Steuerparametern gesteuert wird, von denen einer die Drehzahl der Bohrstange ist, dadurch gekennzeichnet, dass: – für das Steuern die Drehzahl auf Grund des Werts des Steuersignals definiert wird, das zum Steuern des Steuerventils (4) verwendet wird, das den dem Rotationsmotor (1) zuzuführenden Strom der Druckflüssigkeit reguliert; und – der die Drehzahl angebende Steuersignalwert als Steuerparameter verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Steuerventil (4) eine elektrisch gesteuertes Ventil ist, und dass der verwendete Steuerparameter der Wert des elektrischen Steuersignals des genannten Ventils ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete Steuerventil (4) eine mit dem Druck der Druckflüssigkeit gesteuertes Ventil ist, und dass der verwendete Steuerparameter der Wert des Drucksignals, d.h. des Steuerdrucks, des genannten Ventils ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: – eine Gesteinsbohreinrichtung die Steuermittel (11, 13) aufweist, die dazu dienen, die Zufuhr des Gesteinsbohrers in eine Rückbewegung umzuschalten, sobald der Rotationswiderstand der Bohrkrone einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt; – die Gesteinsbohreinrichtung derart ausgebildet ist, dass das die Drehzahl angebende Steuersignal einen Referenzwert für die Steuermittel (11, 13) setzt; und – die Steuermittel (13) den Gesteinsbohrer erst dann in die Rückbewegung umschalten, wenn der Rotationswiderstand der Bohrstange den vorgegebenen Schwellenwert um einen vorbestimmten Betrag übersteigt.
Verfahren nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass: – der verwendete Referenzwert der Steuerdruck des mit Druckflüssigkeit gesteuerten Ventils (4) des Rotationsmotors (1) ist; – der den Rotationswiderstand angebende Wert der Druck der Druckflüssigkeit im Zuführkanal (3) des Rotationsmotors (1) ist; und – ein steuerbares Druckbegrenzerventil (11) zwischen dem Steuerdruckkanal (9) des Steuerventils (4) und dem Zuführkanal (3) angeordnet ist, so dass der Druck im Zuführkanal (3), wenn er den Druck im Steuerdruckkanal (9) um den vorbestimmten Druck des Druckbegrenzerventils (11) übersteigt, den Vorschubmotor des Gesteinsbohrers in eine Rückbewegung umschaltet.