JP5011124B2 - 掘削パラメータの制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、削岩における掘削パラメータの制御装置及び方法に関するものである。

削岩においては、多くの場合、一つ以上のドリルストリング構成部材で掘削機に接続されたドリル工具が使用されている。掘削は多くの方法、例えば回転掘削法で実施され得、ドリル工具は、高圧を用いて岩盤に対して押し付けられ、例えばウォルフラム炭化物から作られた堅固な金属部材を用いて岩を破砕する。

削岩を行う別の方法は、衝撃掘削機（percussive drilling machine ）を使用することにあり、ドリルストリングにはドリル鋼軸が設けられ、ピストンによって、ドリルストリングを通してドリル工具へ、次いでさらには岩盤に衝撃波を伝える。衝撃掘削は、掘削を行うために、ドリルストリングの回転と組合わされ、各衝撃時にドリルビットのドリル構成要素が新しい岩盤を打撃して、（例えば先の衝撃で形成した孔を打撃しない）掘削効率を高めている。

回転掘削を用いる問題点は、特定の条件下では、ドリルビット（つまりドリルビットのドリルビット構成要素）が岩盤に”嵌り込む”可能性があり、それによってドリルビットの回転が停止し、同時にドリルストリングがシステムの慣性によって回転し続けることにある。この結果、ドリルストリングに捻れ振動が引き起こされることになり、これは弛め（解放）力の原因となり、ドリル工具及び／又はドリルストリング及び／又は掘削機のジョイントを弛め（解放）易くする。というのは、これらのジョイントは通常はねじ付きジョイントから成り、弛め力によってねじが弛むからである。これによりジョイントは弛み、有害な熱の発生を引き起こし、またねじを損傷させる。

本発明の目的は、上記の問題を解決する掘削パラメータを制御する装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、上記の問題を解決する掘削パラメータを制御する方法を提供することにある。

これらの及び他の目的は、本発明によれば、請求項１で定義された掘削パラメータを制御する装置及び請求項６で定義された方法により達成される。

本発明によれば、上記の目的は、削岩時に掘削パラメータを制御する装置により達成され、本装置は、ドリル工具が一つ以上のドリルストリング構成部材によって掘削機に接続可能であるように構成される。本装置は、例えば掘削中ドリル工具を回転しかつドリル工具、一つ以上のドリルストリング構成部材及び掘削機のグループから一つ以上の間でジョイントを締め付けるための締め付けトルクを発生する手段を有する。本装置は、有効な締め付けトルクに基いてドリル工具の回転速度を制御するように構成される。

これにより、ジョイントを一体に維持するために必要な締め付けトルクが回転速度に依存しているとき、有効な締め付けトルクがジョイントを一体に維持するために十分な締め付けトルクになるように、ドリルストリングの回転速度は下げられるという利点が得られる。

さらに、本発明は、いわゆる起動掘削、或いはカラー装着（ｃｏｌｌａｒｉｎｇ）に十分に適応されるという利点がある。起動掘削においては減少された送り力（ｒｅｄｕｃｅｄ ｆｅｅｄ ｆｏｒｃｅ）を使用し、締め付けトルクは送り力に依存しているために、これはまた有効な締め付けトルクに作用する。通常、回転速度は最大掘削の間、衝撃圧力に適合するよう設定され、そして最大掘削の間に用いる送り圧力と共に利用される。従って、かかる回転速度は、起動掘削時より相当に大きい決められた有効な締め付けトルクに基づくものであり、これにより、上述のとおり、ドリルストリングにおける損傷を引き起こす弛んだトルクの生じる危険が増大する。これに対して、本発明の利用することにより、回転速度は有効な締め付けトルクによって適合され且つ下げられ、こうして、そこ弛みやそれに依存した損傷を避けることができる。

有効な回転トルクは、回転圧力の関数として得ることができる。これにより、有効な締め付けトルクが簡単な方法で得られるという利点がある。

本装置は、さらに、表面に対してドリル工具を押し付ける送り手段を有し、本装置は、さらに、送り圧力を増減することによって、有効な締め付けトルクを増減するように構成される。

本装置は、さらに、特定の間隔で及び／又は連続して、センサリング、モニタリング、測定又は計算によって回転圧力を得て、得られた回転圧力とドリル工具の現行回転速度で要求される回転圧力とを比較し、現行圧力が要求されたものより低い場合には、ドリル工具の回転速度を低減するよう構成され得る。かかる比較は、要求回転圧力とドリル工具の回転速度との関係を用いて、及び／又は要求回転圧力とドリル工具の回転速度との関係を示す表中の参照テーブルによって、実行され得る。

これにより、掘削過程の間、常時、回転速度が回転圧力に対して高くなりすぎないことを保証できるという利点が得られる。

さらにまた、本装置は回転速度を制御するとき、送り圧力を使用するように構成され得る。

さらにまた、本発明はそのような方法にも関わっており、それによって上記のものに相応した利点が得られる。

さらなる利点は、本発明の種々の特徴によって得られ、以下の詳細な説明から明らかにされる。

図１には、本発明が利用され得る削岩装置１０の例を示している。本装置は掘削機１を有し、掘削機１は動作時には、ドリルビット２のようなドリル工具に、一つ以上のドリルストリング構成要素３ａ、３ｂで構成されるドリルストリング３によって、接続される。掘削機１に最も近いドリルストリング構成要素は、機械内部に設けられたアダプター４を構成している。さらに、掘削機は、ドリルストリング３の軸方向に往復運動できる可動ハンマーピストン５を有している。掘削中、エネルギーは、ハンマーピストン５からアダプター４を通ってドリルストリング３へ、そしてまたドリルストリング構成要素からドリルストリング構成要素へ、そして最終的にドリルビット２によって岩盤６へ伝えられる。

ドリルビット２が衝撃波を受けることは別として、ドリルビットで常に新しい岩盤を打撃するためにドリルビット２は回転され、そりにより、掘削の効率を高めている。ドリルビット２はドリルストリング３を利用して回転され、ドリルストリング３は好ましくは回転モーター７によって回転される。

さらに、削岩機１は、常に岩盤６に向かって掘削機１を押すために、例えばチェーン或いはワイヤーを用いて従来の仕方で、送りモーター或いはシリンダーによって送りビーム８に沿って動くことができる。掘削動作中、ドリルストリング構成要素３ａ、３ｂのジョイントが解放する（弛む）のを防ぐために、掘削機１は、さらにブッシング１１を有し、このブッシング１１はピストンによってアダプター４及びドリルストリング３に向かって押され、それにより、ドリルビットは岩盤６により良好に接触し、そして例えば打撃装置の衝撃が発生するとき、空中に遊離することがない。また、ピストン１２は、岩盤衝撃時のドリルビット２からの反動を減衰するために用いられてもよい。

掘削動作中、ドリルストリング３及びドリルビット２に対して回転速度が設定される。打撃装置の振動数に応じて常時回転速度を調整することが可能であり、それで、ドリルビットのドリルビット構成要素は、打撃装置の振動数に関係なく望ましい位置で常時終わるようにされ得る。例えばドリルビットは、次の衝撃において、先の衝撃のビット位置の間を常に打撃することができる。

ドリルビット（ビット直径Ｄ）の周囲の所望の割送り（ｉｎｄｅｘｉｎｇ）ｚを得るのに必要な回転数ｎ（即ち回転速度）は、以下の式から計算され得る。

この式でｆは衝撃振動数である。この式による回転数は、ドリルビットの磨耗が大きくなり過ぎると減少される。通常、打撃振動数は打撃圧力の平方根に依存するだけであることから、打撃圧力を変えるとき速度変化はまったくない。代わりに、上記の式による回転数は、用いられる最も高い打撃圧力及びそれによって関連した打撃振動数に対して計算される。

掘削動作中、ドリルストリングの回転トルクの大きさは、ドリルストリング構成要素のジョイントが充分に緊締しているか否かに関して決定的である。通常、回転圧力は回転トルクを計測するのに用いられる。しかし、回転圧力を用いることによって充分な締め付けトルクを得ることができない場合（回転速度とは別に、必要とされる締め付けトルクは岩盤及びドリルビットによって影響を受ける）には、充分なトルクを得るためには送り力を増大してもよい。

特定条件下においては、必要な締め付けトルクは、ドリルストリングのジョイントが締め付けられるのを保証するのには充分ではなく、その結果、ジョイントは弛んでしまう。

本発明によれば、これは、回転速度を減少させて有効な締め付けトルクに調節するようにすることによって解決される。

締め付けトルクが充分でない状況の例は、上記で説明してきたように、いわゆる起動掘削或いはカラー装着（ｃｏｌｌａｒｉｎｇ）中である。起動は孔の方向が決められる時であるので、起動を正しい仕方で実行することは重要なことである。方向の不正確さやあり得る曲がりはいずれも、大きな偏りを引き起こし、その結果、掘削装置にかかる負荷が大きくなり、そして発破条件がさらに困難となる。

孔が望ましい位置において終了し、しかも正確な方向を持つことを保証する満足な起動穿孔（掘削）を行うためには、例えば前の発破作業のためにしばしば一様でなく均質でない岩盤の表面においてドリル鋼が滑るのを避けるためには、何よりも送り力を減少させて孔の最初の部分を穿孔するのが望ましい。従って、起動穿孔においては、穿孔の位置決め／方向付けのリスクを冒さずに随意に送り力を増やすことは可能ではない。

典型的な掘削機において、起動掘削時の送り圧力は、例えば、１３０バールでスタートして最大掘削時の２００バールまで増加させる。起動掘削が、最高送り圧力及び従って高衝撃振動数に基づいて算定されるドリルストリング回転速度を用いて行われる際には、ドリル工具が嵌り込みを起こし、そして前述の捻れ回転によって、有効締め付けトルクよりもさらに大きい弛みトルクを引き起こすという実質的な危険があり、その結果、損害を与える熱の発生と損害を受けたねじとによってジョイントの弛みをもたらすことになる。

起動掘削中においては、ドリルビットが、最適な穿通率に調節される速度で回転される必要はなく、穿孔が確実な仕方で実行されることがより重要である。結果、本発明を用いることによって、回転速度は有効締め付けトルクに調節され得る。

図２のグラフには、必要な回転圧力が回転速度の関数として増加しているのが示されている。グラフにみられるように、回転圧力（及びそれによる回転トルク）と回転速度との間には関係が存在する。Ｐ_ｒ０は、ドリルビットが岩盤に接触していなくて、とりわけモーター、ギアボックス、その他における摩擦に起因するとき、ドリルストリングを回転するのに必要な無負荷回転圧力を表している。グラフにおいて、点Ａは、使用される最高圧力例えば２００バールで典型的な掘削機に対して決められる回転圧力Ｐ_ｆｕｌｌ及び回転速度ｎ_ｆｕｌｌを表している。図示されているように、最大送り圧力が、孔の方向付け／位置決めに関する問題が起こる危険なしに用いられ得ない場合に、この回転圧力は起動掘削において有効な回転圧力Ｐ_{ｓｔａｒｔ}よりも大きい。従ってｎ_ｆｕｌｌが起動掘削中において用いられる場合には、結果として上記の問題によってジョイントが弛められる大きな危険が存在する。一方、回転速度が図２の点Ｂで表されているところまで下げられる場合には、必要な回転圧力が有効なものよりも低いために、ドリルストリングは、ジョイントを互いに維持するのに十分である回転圧力／締め付けトルクを用いて回転され得る。図２に示されているように、最高速度における無負荷圧力と回転圧力との差は、２０バールである。しかし、この圧力は単なる例であり、勿論、本発明が実施されることになる一つ又は複数の特定の掘削装置に対して適当に適応され得る。

図３は、回転速度を制御するための制御システムを示している。制御システムは制御ユニット３０を有し、この制御ユニット３０には、回転モーター７の圧力を感知するセンサー３１及びドリルストリングの回転速度を感知するセンサー３２が接続されている。ドリルストリングの回転速度は、例えば回転モーターを通る流量によって表されるか、或いはドリルストリングの回転を直測定することによって得られ得る。代りに、回転速度は回転モーターの電圧によって表されてもよい。特定の電圧は、通常、ある特定の回転速度をもたらし、その結果、特定の流量をもたらす。電圧を測定することによって、流量を予測することができ、このことはこの目的のために流量計が不要であるという利点をもたらす。さらに、制御ユニット３０は、多数の弁３３、３４を制御するように構成されていて、これらの弁は、例えば回転モーター７を通る流量と送り圧力とを制御することができる。代りに、制御ユニット３０は、様々な圧力を制御する別の制御ユニットに数値を提供するよう構成されてもよい。

制御は、例えば測定、センサリング或いはモニタリングによって現行回転速度及び回転圧力を得ることで行なわれる。すなわち、測定された回転圧力は、図２のグラフで示されているように、回転圧力と回転速度との間の予め決められた関係と比較される。この比較は、様々な回転速度について必要な回転圧力が記憶されている参照テーブルによって実行される。比較に基づき、回転モーター７を通る流量及びそれによる回転速度を制御することができる。参照テーブルを使用する代わりに、必要な回転圧力を算定するために、回転速度と必要な回転圧力の間の数学的関係が使用されてもよい。

最大回転圧力が、ドリルストリングのジョイントを相互に維持することを保証するのに十分でない場合には、制御ユニットは送り圧力を増やして、回転圧力を増加させる。一方、回転圧力がすでに最大値である場合、或いは、例えば起動穿孔中におけるように送り圧力が限られている場合には、代わりに回転速度は下げられる。制御ユニットは、送りモーター／シリンダーへの圧力及び流量を制御する弁３４を直接制御することによってか、或いは送りモーター／シリンダーへの圧力／流量を制御する別の制御ユニットに数値を提供することによってのいずれかにより、送り圧力を制御することができる。本発明が、最初の減少されたレベルから実質的な最大掘削レベルまで、打撃圧力及び送り圧力が変わる起動穿孔中において用いられる場合には、有効な送り圧力は常時変化し、それに応じて回転速度も常時変化し（増加し）得る。

本発明は、起動穿孔（掘削）に関して説明してきたが、しかし、本発明は通常の掘削においても適応可能である。例えば岩盤が多数の裂け目を含んでいる場合、或いは岩盤の硬度が実質的に変化する場合に、ドリルビット／ドリルストリング構成要素／掘削機の間の数々のジョイントが互いに維持されるのを保証するのに、有効締め付けトルクが充分でない状況が起こるかもしれない。本発明による制御原理を利用することで、回転速度は即座に減少され、それによって必要な締め付けトルクは減少される。例えばそのような場合においても、回転速度は有効な締め付けトルクに対応する回転速度まで正確に減少させることができる。

本発明は、特殊な種類の掘削機を参照して上記で説明してきた。本発明は、勿論、他の種類の掘削機、例えばダンパーやブッシングのない数々の掘削機においても利用することが可能である。

本発明が利用され得る掘削機の一例を示す。 必要な回転圧力と回転速度の関係のグラフを示す。 本発明による制御システムを示す。

Claims (4)

1. ドリル工具が一つ以上のドリルストリング構成部材によって掘削機に接続可能であるように構成され、掘削中ドリル工具を回転しかつドリル工具、一つ以上のドリルストリング構成部材及び掘削機のグループから一つ以上の間でジョイントを締め付けるための締め付けトルクを発生する手段を有して成る削岩中の掘削パラメータを制御する装置において、
   装置が有効締め付けトルクに基づいてドリル工具の回転速度を制御するように構成され、及び
   有効な締め付けトルクが減少した場合には、有効な締め付けトルクがジョイントを
   一体に維持するのに十分となるようにドリルストリングの回転速度が減じられるように配置されることを特徴とする装置。
2. 回転圧力の関数として有効な締め付けトルクを得るよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. さらに、連続して及び／又は特定の間隔でセンサリング、モニタリング、測定或いは計算により現行回転圧力を得るように構成され、また、
   得られた回転圧力と掘削機の現行回転速度で要求される現行回転圧力とを比較して、現行回転圧力が要求圧力より低い場合には、ドリル工具の回転速度を減少するよう構成されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. ドリル工具が一つ以上のドリルストリング構成部材によって掘削機に接続可能であり、掘削中ドリル工具を回転しかつドリル工具、一つ以上のドリルストリング構成部材及び掘削機のグループから一つ以上の間でジョイントを締め付けるための締め付けトルクを発生する、削岩中の掘削パラメータを制御する方法において、
   有効締め付けトルクに基づいてドリル工具の回転速度を制御するステップと、及び、有効な締め付けトルクが減少した場合には、有効な締め付けトルクがジョイントを
   一体に維持するのに十分となるようにドリルストリングの回転速度が減じられるステップとを含むことを特徴とする方法。

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