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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern von Gesteinsbohren,
bei welchem Verfahren Löcher
gemäß einem
vorbestimmten Bohrplan in Gestein gebohrt werden, der die Länge und
Position jedes Lochs in Bezug zu den anderen Löchern im Gestein, das zu durchbohren
ist, in einem dreidimensionalen Koordinatensystem bestimmt.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Gesteinsbohrvorrichtung zum Bohren
von Löchern
in Gestein gemäß einem
vorbestimmten Bohrplan, wobei die Vorrichtung Bohreinrichtungen
zum Bohren von Löchern
in Gestein und Steuereinrichtungen zum Positionieren der Bohreinrichtungen
bei jedem zu bohrenden Loch und entsprechend zum automatischen Bohren
eines Lochs gemäß dem Bohrplan
umfasst.
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Es
ist bisher bekannt, unterschiedliche Typen von Messgeräten zum
Messen der Abweichung eines Bohrlochs zu verwenden. Der Betrieb
eines solchen Messgeräts
beruht normalerweise auf einem Kompass, Schwerkraft, Trägheit oder
einer beliebigen Kombination davon. Dieser Typ von Messgeräten ist
insbesondere bei der Ölbohrtechnologie
zur Kontrolle der Richtung eines Bohrlochs und auch zum Lokalisieren
eines Lochs verwendet worden (siehe z.B. die
WO-A 9 312 318 ). Ein Problem bei diesen
Messgeräten
ist gewesen, dass die Messung langsam ist und die Geräte groß sind.
Deshalb ist es nicht möglich
gewesen, eine Messung einer Bohrlochabweichung oder die Messdaten
zum Steuern eines Bohrens bei einem Bodenausbruch während eines
Gesteinsbohrens und auch nicht zum Steuern der Sprengladungseinbringung,
die nach dem Bohren stattfindet, zu verwenden. Wenn Löcher insbesondere
während
des Vortriebs von Tunneln oder Sprengung des auszubrechenden Materials
in Gestein gebohrt werden, ist die Genauigkeit des Bohrens immer
wichtiger geworden. Insbesondere ist es, wenn Langlöcher gebohrt
werden, ziemlich üblich, dass
ein Loch gekrümmt
wird und das tatsächliche Ende
des Lochs ziemlich weit von der beabsichtigten Endposition angeordnet
ist. Demgemäß erfolgen
der Bruch von Material, die Ausrichtung eines Tunnels und andere
Faktoren unwirtschaftlich, und sie können zusätzliche Arbeit und Kosten verursachen.
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Es
ist für
das Endergebnis der Sprengung wichtig, dass die Abweichung des Bohrlochs
und insbesondere der Stelle der Enden der Löcher und deshalb die Beziehung
der Lochenden in Bezug zueinander möglichst genau bekannt sein
muss, damit die Sprengung auf eine gewünschte Weise ausgeführt werden
konnte. Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine wirkungsvolle,
genaue und schnelle Ausführung
von Messungen ermöglichen
und die es auch ermöglichen,
einen vorskizzierten Bohrplan während
des Bohrens zu ändern,
falls erforderlich.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
ist gekennzeichnet durch Messen von mindestens der tatsächlichen
Stelle des Endes von mindestens vorbestimmten Bohrlöchern im
Gestein, indem ein Messgerät
in das Bohrloch eingeführt
oder hinabgelassen wird, das seine augenblickliche Stelle in Bezug
zum Gestein in dem dreidimensionalen Koordinatensystem anzeigt,
Berechnen der Abweichung des Endes des vermessenen Lochs von der
im Bohrplan bestimmten Stelle des Endes und Ändern des Bohrplans gemäß der berechneten
Abweichung.
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Die
Gesteinsbohrvorrichtung gemäß der Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: ein Messgerät, das in
ein Bohrloch eingeführt oder
hinabgelassen werden kann, und Zufuhreinrichtungen zum Einführen oder
Hinablassen des Messgeräts
in das Bohrloch und zu seinem Herausziehen aus dem Loch und Übertragungseinrichtungen
zum Übertragen
der durch das Messgerät
gemessenen Messwerte zu den Steuereinrichtungen.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung ist, dass ein Messgerät in ein
Bohrloch eingeführt
wird, um mindestens die Stelle des Lochendes in Bezug zum Gestein
in einem dreidimensionalen Koordinatensystem zu messen, um die Position
des Lochendes im Vergleich zu dem ursprünglichen Bohrplan und folglich
in Bezug zu den anderen Löchern
zu bestimmen.
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Eine
andere grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, dass das Messergebnis
des Messgeräts
verwendet werden kann, falls erforderlich, den Bohrplan von einem
oder mehreren aufeinanderfolgenden Löchern oder selbst, um Zusatzlöcher zu
bohren, zu ändern.
Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein separates Zufuhrgerät, mit dem ein Trägheitsmessgerät in ein Bohrloch
direkt nach dem Bohren eingeführt
wird, so dass ein Messergebnis erhalten wird, unmittelbar bevor
die Bohrvorrichtung zur Bohrstelle des nächsten Lochs bewegt wird, und
erforderliche Änderungen vorgenommen
werden können,
bevor mit dem Bohren begonnen wird. Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird das Messgerät
an dem Ende eines Zufuhrschlauchs platziert, der sich nicht biegt,
während
er geschoben wird, so dass das Messgerät leicht in das Loch eingeführt und aus
ihm herausgezogen werden kann, indem geeignete mechanische Zufuhreinrichtungen
verwendet werden, um den Schlauch in das Loch einzuführen und
um ihn daraus herauszuziehen. Gemäß einer dritten bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird das Messgerät
in das Loch gleichzeitig mit dem Bohreinsatz eingeführt, und
die Messung wird folglich gleichzeitig mit dem Bohren durchgeführt. Gemäß einer
vierten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Messgerät
ein Trägheitsmessgerät, das in
das Bohrloch mit einer solchen Geschwindigkeit eingeführt wird,
dass ein zuverlässiges
Messergebnis erhalten wird. Folglich ist es, wenn der Anfangspunkt
des Bohrlochs bekannt ist, möglich,
die Stelle des Lochendes, und falls erforderlich, die Form und Richtung
des Lochs kontinuierlich entlang der ganzen Länge des Lochs zuverlässig zu
messen.
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Die
Erfindung weist einen Vorteil auf, dass sie ermöglicht, dass die Endstelle
des Endes eines gebohrten Lochs und auch die Form und Position des ganzen
Lochs einfach und schnell gemessen wird. Falls erforderlich, ist
es folglich möglich,
den Bohrplan zu ändern,
so dass die Löcher
geeignet in Bezug zueinander zur Sprengung angeordnet werden können. Abhängig von
der Anwendung kann sich das Ende des Bohrlochs nur auf das endgültige Ende
des Lochs oder auf eine vorbestimmte Länge des Lochs vom Lochende
in Richtung auf den Anfang desselben beziehen. Die Erfindung ist
leicht auszuführen
und zu automatisieren, so dass die Bedienperson keinerlei spezielle
Berechnungen machen muss, vielmehr kümmert sich ein automatisches
Steuersystem automatisch um den Betrieb der Vorrichtung.
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Die
Erfindung wird in größerer Einzelheit
in den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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1 stellt
schematisch eine Gesteinsbohrvorrichtung dar,
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die 2a bis 2c stellen
schematisch eine Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
beim Vermessen eines Lochs dar,
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3 stellt
schematisch eine Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung zum Ändern eines
Bohrplans dar, und
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die 4a und 4b stellen
schematisch ein Positioniergerät
zum Positionieren eines Bohreinsatzes und eines Messgeräts bei einem
Bohrloch dar.
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1 stellt
schematisch eine Gesteinsbohrvorrichtung dar, die zum Bohren eines
Lochs in Gestein gedacht ist. Die Gesteinsbohrvorrichtung umfasst
ein Trägerfahrzeug 1,
mit dem ein Ausleger 2 auf eine an sich bekannte Weise
verbunden ist, wobei der Ausleger auf eine bekannte Weise vorzugsweise
in Bezug zum Trägerfahrzeug 1 in
verschiedene Positionen drehbar ist. Das vom Trägerfahrzeug entfernte Ende
des Auslegers 2 ist auf eine an sich bekannte Weise mit
einem Bohrgerät
versehen. Die Bohrgeräte
sind an sich bekannt, weshalb sie unten allgemein beschrieben werden.
Am Ende des Auslegers 2 befindet sich ein Vorschubträger 3 der
Gesteinsbohrvorrichtung, der mit dem Ausleger entweder direkt oder über eine
separate Gabelstruktur oder dergleichen verbunden ist, die an sich
bekannt ist. Eine Gesteinsbohrmaschine 4 bewegt sich entlang dem
Vorschubträger
während
des Rohrens. Die Gesteinsbohrmaschine 4 ist wiederum mit
einer Bohrstange 5 verbunden, deren Ende mit einem Bohreinsatz 6 versehen
ist. Wenn längere
Löcher
gebohrt werden, besteht die Bohrstange 5 normalerweise
aus Verlängerungsstangen,
die miteinander verbunden werden, um ein Loch zu bohren, das länger als
die bloße
Zufuhrlänge
des Zufuhrgeräts
ist. Die Figur zeigt weiter eine Trommel 8 eines Geräts 7 zur
Zufuhr des Messgeräts
und Steuereinrichtungen 9 zum Steuern des flexiblen Zufuhrgeräts, das
vorzugsweise ein Zufuhrschlauch ist, der ohne Biegen geschoben werden
kann.
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Wenn
eine solche Vorrichtung verwendet wird, um Löcher in Gestein zu bohren,
verwenden sowohl ein Vortrieb eines Tunnels als auch eine Erzgewinnung
und ein Gesteinsausbruch vorskizzierte Bohrmuster, die die zur Sprengung
erforderlichen Löcher
und die Stelle der Löcher
in Bezug zueinander im Gestein bestimmen. Auch ist es insbesondere
bei einem Tunnelvortrieb manchmal notwendig, die Zementsteinpressbohrlöcher um
das geplante Tunnelprofil vor dem Vortrieb zu bohren, so dass Zement oder
irgendein anderes Dichtungsmaterial in die Löcher gepumpt werden kann, um
Leckagen zu verhindern. Die Zementsteinpressbohrlöcher werden
auch gemäß einem
vorbestimmten Bohrplan oder Bohrmuster gebohrt, der/das die Löcher und
die Positionen derselben in Bezug zueinander bestimmt.
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Dies
kann mathematisch auf verschiedene Weisen durchgeführt werden,
die häufig
ein Bestimmen der Anfangspunkte der Löcher sowie ihrer Richtung und
ihres Abstands von einer gewissen Ebene oder der Stelle des Endes
eines Lochs in Bezug zum Gestein in einem dreidimensionalen Koordinatensystem
umfassen. Gegenwärtig
wird das Bohren häufig automatisch
durchgeführt,
was bedeutet, dass die Steuereinrichtungen der Bohrvorrichtung einen Rechner
umfassen, wo der Bohrplan gespeichert ist. Folglich ist die Position
der Bohrvorrichtung in Bezug zum Gestein so festgelegt, dass der
Rechner das Bohren der Löcher
in einer geeigneten Reihenfolge auf der Grundlage des Bohrplans
automatisch ausführen
kann.
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Die 2a bis 2c stellen
schematisch eine Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung
beim Bohren von Löchern
in Gestein dar. 2a stellt schematisch dar, wie
sich die Bohrstange 5 und der Bohreinsatz im Gestein ausbreiten,
wobei ein geringfügig
gekrümmtes
Loch 10 erzeugt wird. In 2b sind
die Bohrstange und der Bohreinsatz aus dem Loch herausgezogen worden,
und der Zufuhrschlauch 7 ist wiederum am Anfang des Lochs platziert,
wobei das Ende des Schlauchs mit einem Messgerät, vorzugsweise einem Trägheitsmessgerät 11,
versehen ist. Dieses Messgerät
kann gemäß einem
beliebigen nützlichen
Prinzip arbeiten, mit anderen Worten kann sein Betrieb auf einem
Magnetfeld, einer Schwerkraft, Trägheit oder einer beliebigen Kombination
davon beruhen.
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2c stellt
dar, wie das Messgerät 11 mit einer
geeigneten Geschwindigkeit in das Loch 10 eingeführt wird,
so dass das Gerät,
während
es sich bewegt, seine Stelle speichert, die in einer gewissen Weise
im dreidimensionalen Koordinatensystem definiert ist, wo der Bohrplan
auch in Bezug zum Gestein bestimmt ist. Das Messgerät 11 kann
z.B. angeordnet sein, um seine Stelle in vorbestimmten Abständen, z.B.
in Abständen
von 1 bis 2 Sekunden, zu speichern. Demgemäß wird, wenn der Zufuhrschlauch 7 mit
einer konstanten Geschwindigkeit eingeführt wird, die Position des
Trägheitsmessgeräts als eine
Funktion der Länge
des Bohrlochs 10 vom Anfang des Lochs erhalten. Wenn die Stelle
des Messgeräts
am Anfang des Lochs bekannt ist, ist es möglich, die Form des Lochs zu
vermessen und entsprechend die Position des Lochs in Bezug zum Gestein
in dem dreidimensionalen Koordinatensystem und folglich in Bezug
zum Bohrmuster zu bestimmen. Das Messgerät kann auch angeordnet sein,
um Daten über
seine Stelle ohne Unterbrechung einzugeben, was zu einem Signal
führt,
das kontinuierlich die Form der Kurve anzeigt. In dieser Ausführungsform kann
das Messgerät
z.B. auf eine solche Weise verwendet werden, dass es mit seiner
eigenen Energiequelle arbeitet und die Ablesungen in seinem Speicher
speichert, während
es in das Loch eingeführt wird.
In einem solchen Fall müssen
die im Speicher gespeicherten Daten zur Steuereinheit der Gesteinsbohrvorrichtung
z.B. über
einen Funkweg oder auf eine bestimmte andere Weise, vorzugsweise
durch ein drahtloses Kommunikationssystem, übertragen werden. Alternativ
kann das Messgerät
direkt mit der Steuereinheit der Gesteinsbohrvorrichtung durch ein Kabel
verbunden sein, das durch den Zufuhrschlauch läuft, so dass die Messwerte,
die durch das Gerät
bereitgestellt werden, direkt zur Steuereinheit übertragen werden, die den Bohrplan
des (der) nächsten
Bohrlochs (Löcher)
kontinuierlich überwachen
und ändern
kann, falls erforderlich. Das Messgerät kann auch den gesamten Weg
zum Bohreinsatz über
ein Bohrrohr zugeführt
werden.
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Das
Trägheitsmessgerät, das gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, ist an sich bekannt. Wenn das Gerät im dreidimensionalen
Koordinatensystem verwendet wird, beruht es auf drei Kreiselscheiben,
die in Bezug zueinander senkrecht platziert sind und um eine Achse rotieren.
Die Scheiben werden verwendet, um die Beschleunigung und Geschwindigkeit
einer Bewegung des Messgeräts
in unterschiedlichen Richtungen genau zu messen. Das wesentliche
Merkmal der Messung besteht darin, dass die Geschwindigkeit einer Bewegung
vom Anfangspunkt während
der Messung ausreichend schnell im Bohrloch ist, so dass Änderungen
genau genug gemessen werden können.
Solche Geräte
sind kommerziell weitverbreitet erhältlich, und sie sind allgemein
bekannt, weshalb sie hierin nicht in größerer Einzelheit beschrieben
werden.
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3 stellt
schematisch dar, wie der Bohrplan mittels des Messverfahrens und
-geräts
gemäß der Erfindung
geändert
werden kann. Die Figur stellt mit durchgezogenen Linien einen vorläufigen Bohrplan
dar, der Löcher 12a bis 12f umfasst,
die auf derselben Ebene zu bohren sind, wobei eine durchgezogene
Linie einem geplanten Loch entspricht. 3 stellt
weiter mit dicken unterbrochenen Linien 13a bis 13c die
Löcher
dar, die tatsächlich
gebohrt worden sind, wohingegen dünne unterbrochene Linien 12d' und 12e' die Orte der
neuen Löcher
gemäß dem Bohrplan
darstellen, der in Übereinstimmung
mit der Vermessung der gebohrten Löcher geändert ist.
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Wie
in der Figur dargestellt, sind die gebohrten Löcher 13b und 13c gekrümmt und
ihre Enden sind ziemlich nahe beieinander angeordnet. Dement sprechend
ist, damit es nicht notwendig sein würde, mehr Löcher zu bohren, als im Plan
ausgelegt sind, die Richtung der übrigen Löcher im Bohrplan geändert worden,
so dass die Löcher
im Bereich des übrigen
Gesteins ohne große
Abstände
zwischen beliebigen zwei Löchern
gleichmäßiger positioniert
sind. Der Bohrplan wurde geändert,
wenn das Messgerät 11 die
Form des letzten Lochs 13c und seine Position im Gestein
gemessen hatte. In der Praxis braucht der Bohrplan aufgrund kleiner
Abweichungen nicht geändert
zu werden, wenn die übrigen
Löcher
genau genug an ihrem Ort bleiben. Alternativ würde es möglich gewesen sein, die Löcher 12d bis 12f an
ihren alten Orten gemäß dem Plan
zu lassen, und ein Zusatzloch, das durch eine strichpunktierte Linie 12' bezeichnet
ist, könnte
zwischen dem gebohrten Loch 13c und dem geplanten Loch 12d hinzugefügt worden
sein. Weiter können
die Daten über
die Abweichung der Löcher
auch verwendet werden, um den Sprengladungseinbringungsplan zu optimieren,
z.B. indem die Sprengladungsdichte in Bezug zu den tatsächlichen
Abständen
zwischen den Löchern
eingestellt wird. Deshalb kann die Menge von Sprengmittel, die für unterschiedliche
Löcher
erforderlich ist, und selbst die Platzierung von spezifischen Sprengladungen
auf der Grundlage der Formen der vermessenen Löcher und/oder der Position
der Lochenden separat berechnet werden.
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Jedoch
ist es durch Messen von Änderungen in
der Richtung des Lochs oder der Krümmung des Lochs entlang seiner
Länge auch
möglich,
bis zu einem gewissen Grade die Krümmung und Richtung der nächsten Löcher vorherzusagen
und dies beim Bestimmen einer neuen Stelle für die Löcher im Bohrplan zu berücksichtigen.
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Die 4a und 4b stellen
der Reihe nach schematisch dar, wie die Gesteinsbohrvorrichtung
und das Trägheitsmessgerät am Anfang
eines Lochs platziert werden können.
In dieser Anordnung, die bei Ankerausbauvorrichtungen an sich bekannt ist,
sind der Vorschubträger
und entsprechend die Steuereinrichtungen 9 des Zufuhrschlauchs 7 mit demselben
Rahmen 14 verbunden, der wiederum so verbunden ist, dass
er durch einen separaten Aktuator 16 um eine Längsachse 15 des
Vorschubträgers 3 gedreht
wird. Wenn der Aktuator den Vorschubträger 3 gegen den Uhrzeigersinn
gedreht hat, wie in 4a dargestellt, werden die Bohrstange
und der Bohreinsatz der Gesteinsbohrvorrichtung am zu bohrenden
Loch positioniert. Entsprechend werden, wenn der Aktuator den Vorschubträger und
die Steuereinrichtungen im Uhrzeigersinn dreht, die Steuereinrichtungen
und folglich das Ende des Zufuhrschlauchs am Anfang des Lochs positioniert.
Wie in 4b dargestellt, kann der Zufuhrschlauch
des Messgeräts
an einem gebohrten Loch auf verschiedene Weisen, die an sich bekannt
sind, positioniert werden, aber diese Anordnung ist ziemlich einfach und
leicht auszuführen.
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Die
Erfindung wird oben anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Beispiels beschrieben, und sie ist in keiner Weise darauf beschränkt. Die Erfindung
kann bei sowohl vertikalem als auch horizontalem Gesteinsbohren
angewandt werden und auch aufwärts
und abwärts.
Damit eine Messung im Wesentlichen mit konstanter Geschwindigkeit
ausgeführt
wird und die Stelle der Messpunkte in der Längsrichtung eines Lochs genau
bestimmt wird, ist es notwendig, ein Schiebegerät zu verwenden, wie z.B. einen
ziemlich steifen und noch flexiblen Zufuhrschlauch oder dergleichen,
der an seinem Ende das Messgerät
umfasst. Das Messgerät
kann folglich zuverlässig
zum Ende des Lochs geschoben werden, und die Messergebnisse können zur
Bestimmung von sowohl der Form der gebohrten Löcher als auch der Stelle des
Lochendes sowie zur Änderung
des Bohrplans verwendet werden, falls erforderlich. Es ist wesentlich,
dass die Messung bei Bedarf automatisch stattfindet, und dass die
Messergebnisse zur Steuereinheit, wie z.B. einem Rechner, übertragen werden,
der unmittelbar in den Steuereinrichtungen der zu verwendenden Gesteinsbohrvorrichtung
enthalten ist, so dass der Bohrplan vor dem Bohren auf der Grundlage
der Messergebnisse geändert
wird.