削岩リグにおける方法および装置
削岩リグ(１)に削岩機(６)が設けられ、削岩機は、衝撃装置(４)と、送り装置(９)と、削岩用ドリルビット(８)を端部に備えたツール(７)とを有する。衝撃装置は応力波をツールに対して発生し、ここからさらに、被掘削岩盤に対して発生するよう配設されている。掘削中、ツールに対して発生した圧縮応力波(σｉ)の少なくとも一部は、岩盤から反射されて応力波(σｒ)としてツールへ戻る。本方法では、岩盤から反射されてツールへ戻る応力波(σｒ)の運動量（Ｐｒ)を求め、衝撃装置の作動および/または送り装置の作動を運動量に基づいて調節する。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
本発明は、衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられた削岩リグの制御方法に関するものであり、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置はツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る。
【０００２】
さらに、本発明は、衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられた削岩リグに接続される装置に関するものであり、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、またこれから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置はツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る。
【０００３】
削岩リグは地下鉱山、採石場および掘削現場における削岩および掘削に使用される。公知の削岩リグおよび掘削方法は、たとえば次のような切削方法、破砕方法および衝撃方法がある。すなわち、衝撃方法は硬岩類に対して最も一般的に使用される。衝撃方法は削岩機のツールに対して回転と衝撃の両方を与えるものである。しかし、主として岩盤を破壊するのが衝撃である。回転は主に、ツールの遠位端にあるドリルビットのボタンもしくは他の切削部品を岩盤の新規の箇所に常に確実に打ち付ける働きをする。削岩機は通常、液圧式衝撃装置を有し、その衝撃ピストンにより必要な圧縮応力波をツールに対して生成することができる。衝撃方法による岩盤の効率的な破砕には、打撃の瞬間にドリルビットを岩盤に当接させる必要がある。衝撃装置の衝撃に伴うエネルギーによってツールに対して、ここからさらにツールの端部のドリルビットへ、次いで岩盤へ圧縮応力波が生成される。通常、すべての掘削条件において、岩盤へ送られる圧縮応力波の一部は応力波の形で岩盤から反射されて削岩機のツールへ戻る。
【０００４】
国際公開WO2006/126933号公報は、被穿孔岩盤からツールへ反射された応力波におけるエネルギー量に基づいて掘削を制御する方法を開示している。この方法によれば、少なくとも１つのパラメータ値を定義して岩盤から反射される応力波におけるエネルギー量を表す。さらに、このパラメータ値を使用して、衝撃装置のパルス発生器により生成される応力波の立上り時間および/または持続時間を調節する。このパラメータ値によって、パルス発生器により生成される応力波の振幅も調節することができる。この公報の解決策の目的は、反射エネルギー量を最小化し、これによって掘削システムの効率を改善することである。
【０００５】
しかし、このシステムの弱点の一つは、反射される応力波のエネルギー量の測定が困難なことである。図２は、掘削中に岩盤へ侵入する圧縮応力波および岩盤から反射された応力波を示す模式図である。図２における反射応力波では、被掘削岩盤から反射されてツールへ戻る圧縮応力を正で、引張り応力は負で示している。パルス発生器によって生成される圧縮応力波σｉのエネルギー量は次の式によって算出することができ、
【０００６】
【数１】
被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒのエネルギー量は次の式によって算出することができる。
【０００７】
【数２】
ただし、Ａはツールすなわちドリルロッドの横断面、Ｙは弾性係数、ｃはツール内の波速、tiはツールから被掘削岩盤へはいる圧縮応力波σｉの圧縮応力波の持続時間、trは被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒの持続時間である。式(２)は、反射応力波エネルギーの計算における累乗によって反射応力波の符号情報、すなわち反射応力波エネルギーのどの部分が圧縮応力波でありどの部分が引張応力であるかの情報であるが失われることを明確に示している。
【０００８】
さらに、反射エネルギー量は普遍的な岩盤条件を確実に説明することはできない。掘削が突然空洞に入り込んだ場合、衝撃装置のパルス発生器により生成される圧縮応力波は、ツールの岩盤側端部から全部、反射引張波として反射して戻る。したがって、応力波の効率はもちろんゼロパーセントである。極度に硬質の岩盤を掘削する場合、圧縮応力波はほとんど全部、圧縮応力波の形で反射して戻る。このような場合においても効率はゼロパーセントになる。換言すれば、両方の場合において圧縮応力波のエネルギーは、掘削条件がまったく異なり正反対の調節が掘削に必要であるにもかかわらず、ほとんど全部、反射して戻る。
【０００９】
したがって、さまざまな掘削条件において確実に作動するような衝撃装置の制御を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波のエネルギー量に基づいて行なうことはできない。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、掘削機の作動を制御する新規の方式を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の方法は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの測定信号で測定し、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを測定信号に基づいて求め、衝撃装置の作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節することを特徴とする。
【００１２】
本発明の装置は、本装置がさらに、少なくとも１つの測定装置を含み、この測定装置は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの信号を測定するよう配設され、本装置はさらに、少なくとも１つの制御およびデータ処理装置を含み、これは、測定装置の測定信号に基づいて、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを求めるよう配設され、制御およびデータ処理装置は、衝撃装置作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節するよう配設されていることを特徴とする。
【００１３】
衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられ、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは、衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置は、ツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る削岩リグの制御方法は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの測定信号を測定し、測定信号に基づいて、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを求め、衝撃装置の作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節するものである。
【００１４】
被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量は、反射応力波が引張応力であるか圧縮応力であるかの情報を維持している。すなわち、反射応力波の運動量によって、特定の掘削時点に対応する掘削条件を常時、確認することができ、したがって、削岩機の作動、および削岩リグ全体としての作動も、一般的な掘削条件に基づいて、不要なひずみを掘削装置に生じることなく正確に制御および調節することができる。
【００１５】
一実施例によれば、運動量が小さい場合、送り装置の送り力は増す。小さな運動量は不十分な送り状況を表すものであり、これによって送り装置の送り力を大きくして通常の掘削状況を得ることができる。
【００１６】
第２の実施例によれば、運動量が小さい場合、衝撃装置により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増し、および/または衝撃装置により生成される応力波の強度もしくは振幅を増す。したがって、送り装置の送り力が増大しても反射応力波の運動量が影響されない場合、運動量が小さいのは、軟質の岩盤によって生じた引張応力に起因すると結論でき、引張応力は、衝撃装置により生成される応力波の強度もしくは振幅を減少させることによって小さくすることができる。その結果、引張応力波の振幅は減少し、掘削装置に対するひずみが減少する。同時に、衝撃装置により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増すことができ、これによって、応力波振幅の減少により生じる掘削速度の低下を補償することができる。
【００１７】
第３の実施例によれば、運動量が大きい場合、衝撃装置により生成される応力波の長さを短縮し、衝撃装置により生成される応力波の強度を増大させる。衝撃装置により生成される応力波の長さの減少によって、被掘削岩盤へ送られそこから反射される圧縮応力波の長さが減少し、これによって掘削効率が改善する。衝撃装置の衝撃パルスの強度を増せば、圧縮応力波の振幅が増大し、これによって岩盤への掘削貫入度が増す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
次に、添付図面を参照して、本発明のいくつかの実施例をさらに詳細に説明する。
【図１】明細書に記載の方式を適用した削岩リグの模式的側面図である。
【図２】削岩すべき岩盤へ侵入した圧縮応力波と、岩盤から反射した応力波の模式図である。
【図３】削岩すべき岩盤へ侵入した圧縮応力波と、岩盤から反射した対応する応力波の模式図である。
【図４】図３の応力波に対応する運動量の模式図である。
【図５】図３および図４に対応するツール変位の模式図である。
【図６】削岩すべき岩盤へ侵入した第２の圧縮応力波と岩盤から反射した対応する応力波の模式図である。
【図７】図６の応力波に対応するツール変位の模式図である。
【００１９】
明瞭にするため、各図では本発明の実施例を簡略化して示す。同様の部分は全図を通して同様の参照番号で示す。
【詳細な発明の説明】
【００２０】
図１は、本発明の方式を適用できる削岩リグ１の模式的かつ大幅に簡略化した図である。図１の削岩リグ１にはブーム２が設けられ、その端部には、衝撃装置４および回転装置５を有する削岩機６を設けた送りビーム３がある。回転装置５は連続的な回転力をツール７へ伝達し、これによって、ツール７に連結されたビット８は衝撃後にその位置を変え、次の衝撃で岩盤上の新規の位置を打撃する。衝撃装置４は通常、衝撃ピストンが設けられ、これは圧力媒体の影響を受けて移動し、ツール７の上端部へ配設されまたはツール７と衝撃装置４の間に配設された中間片を打撃する。当然、さまざまな構造の衝撃装置４も可能である。したがって、ツールに対して送られる応力波を、たとえば圧力媒体に対して圧力パルスを与えることによって、または電磁気現象に基づく手段によって、機械作動式衝撃ピストンなしに発生させることができる。このように衝撃装置という語は、このような特徴に基づく衝撃装置のことも言う。ツール７の近位端は削岩機６へ接続され、ツール７の遠位端には固定の、もしくは脱着可能な削岩用のビット８が設けられている。ツール７の近位端は図１において破線で模式的に示す。掘削中、ビット８は送り装置９によって岩盤に対して押圧される。送り装置９は送りビーム３へ配設され、これに対して削岩機６が可動に配設されている。ビット８は一般には、ボタン8aが設けられたドリルビットとして公知のものであるが、他のビット構造でも可能である。また長尺孔掘削として公知である組合せ式ドリルロッドによる掘削では、掘削すべき穴の深さにより、多数のドリルロッド10aないし10cがドリルビット８と削岩機６の間に取り付けられ、ドリルロッドがツール７を形成する。
【００２１】
図１は、実在の削岩機６の構体に比べてかなり小さく削岩リグ１を示す。明瞭にするため、図１の削岩リグ１は、単一のブーム２、送りビーム３、削岩機６および送り装置９を有するが、削岩リグには一般に、複数のブーム２が設けられ、それぞれの端部には、送りビーム３、削岩機６および送り装置９を有することは明らかである。削岩機６は通常、ドリルビット８が閉塞するのを防止するフラッシング装置を含んでいることも明らかであるが、明瞭にするために図１ではフラッシング装置を図示しない。削岩機６を液圧作動式のものでよいが、空圧作動式もしくは電気作動式でもよい。
【００２２】
衝撃装置４により生成される応力は、圧縮応力波の形でドリルロッド10aないし10cに沿って最外部のドリルロッド10cの端部のビット８へ向けて送られる。圧縮応力波がビット８に到達すると、ビット８およびそのボタン8aが掘削すべき物質を打撃し、これによって強力な圧縮応力を生成し、このため被掘削岩盤の中にひび割れが発生する。衝撃装置４により与えられた応力波が岩盤の硬度に対して強すぎる場合、掘削装置に対して生じる引張応力の度合いが不必要に大きくなるという問題が生じる。過剰な衝撃エネルギーで軟質な岩盤を連続して掘削すると、たとえばドリルロッド10aないし10c間のねじ継手の損耗、および/または疲労による掘削装置の早期破損につながる。
【００２３】
削岩リグおよび削岩機の作動を制御および調節するために、とくに被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒの運動量もしくはこれを表すパラメータを求め、衝撃装置４および/または送り装置９の作動を運動量もしくはこれを表すパラメータに基づいて制御および調節する。ツール７から被掘削岩盤への圧縮応力波σｒの運動量Ｐｉは次の式によって算出することができる。
【００２４】
【数３】
ただし、Ａはツール７すなわちドリルロッド10aないし10cの横断面であり、tiは圧縮応力波σｉの持続時間である。岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの運動量Ｐｒは次の式によって算出することができる。
【００２５】
【数４】
ただし、trは被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの持続時間である。式(４)は、反射応力波σｒの運動量Ｐｒの計算が反射応力波の符号情報、すなわち反射応力のどの部分が圧縮応力を表し、どの部分が引張応力を表すかの情報を維持する様子を明確に示している。運動量Ｐｒが大きい場合、反射応力波は主として圧縮反射からなり、運動量Ｐｒが小さい場合、主に引張反射が関係している。運動量Ｐｒがゼロ値を得た場合、岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒは引張および圧縮の両方が同量であることを表している。
【００２６】
被掘削岩盤から反射してツール７へ、すなわち図１の場合、１本以上のドリルロッド10aないし10cへ戻る応力波σｒはツール７の端部から伝播して削岩機６へ戻るので、ツール７の端部で変位が生じる。岩盤から反射した応力波が主に引張応力を含む場合、この応力波はツールの端部を掘削方向へ変位させる。岩盤から反射した応力波が主に圧縮応力を含む場合、この応力波はツールの端部を削岩機の方へ変位させる。この情報に基づき、反射した引張応力波の運動量もしくはこれを表すパラメータをさまざまに決めることができる。
【００２７】
たとえば、反射応力波の運動量は、ツール７の変位を、たとえばその端部もしくは中央部から直接測定することによって決めることができる。ツール７の削岩機６端部の直近へ、またはこれに接続して、たとえば測定手段11を図１に模式的に示すように配置して、被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒを表す測定信号MSを測定することができる。このような測定手段11は、たとえば反射応力波を測定信号MSとして表す電圧もしくは電力メッセージを送信する電磁距離センサであってよい。測定手段11により測定された測定信号MSは、制御およびデータ処理装置12へ送られ、同装置は、ツール７の変位などの応力波σｒの運動量Ｐｒもしくはこれを表すパラメータを測定手段11の測定信号MSに基づいて決める。反射応力波は、ツール７の端部から進んで削岩機の端部へ戻るので、ツールの変位が発生する。反射引張応力が主であるとすると、ツールもしくはドリルロッドは反射波の衝撃によって掘削方向へ移動する。反射波がほとんど圧縮応力からなるとすれば、ドリルロッドは掘削機の方へ移動する。変位の程度は次の式によって算出することができる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
【数６】
ただし、ｄｉはツールから被掘削岩盤への応力により生じた変位、ｄｒは反射応力波により生じた変位、νｉは測定点においてツールから被掘削岩盤への応力波により生じた粒子速度、νｒは反射応力波により生じた粒子速度、ｃ はツールもしくはドリルロッド内の応力波の速度、ρはツール材料の密度である。反射応力波により生じた変位ｄｒは、反射応力波が負の速度に対応するとした符号則を考慮している。
【００３０】
式(５)および(６)に基づけば、反射応力波の運動量Ｐｒをツールの変位として求めるのは容易である。換言すれば、ツールの変位ｄｒは反射応力波の運動量を表すパラメータである。測定手段11を配設してツールの端部からのツールの変位を測定する場合、ツール７の削岩機６端部からの応力波の再反射も考慮に入れる必要がある。
【００３１】
制御およびデータ処理装置12は、削岩機６専用で削岩機６の作動だけを制御する別個の制御およびデータ処理装置であっても、または削岩リグ１の作動を全体的に制御する装置であってもよい。制御およびデータ処理装置12の作動は、たとえばプログラマブル論理回路に基づくものでよいが、一般にこれは、さまざまな計算および制御動作をソフトウエア制御により行なうさまざまなマイクロプロセッサおよび信号処理装置を含む装置である。さらに、制御およびデータ処理装置12は、相互接続された２台以上の個別の装置で構成され、それぞれがおのおの決められたタスクを遂行し、ある装置は、たとえば反射応力波の運動量を測定し、別な装置は測定した運動量に基づいて必要な制御動作を行なうこともできる。
【００３２】
図１に非常に概略的に示すが、図１の例では削岩機６の端部にあるツール７に液圧式補助装置13を設けることにより、反射応力波σｒの運動量Ｐｒを測定することもでき、これは、ツール７端部の変位によってこの変位に比例する圧力を生じるものである。測定手段11を配設して圧力を測定することによって、すなわち測定手段11が圧力計もしくはセンサ式、または同様の装置である場合、岩盤から液圧式補助手段へ反射された応力波により生成される圧力は測定手段11によって測定することができ、これに基づいて反射応力波の運動量もしくはこれを表すパラメータを求めることができる。
【００３３】
反射応力波σｒの運動量Ｐｒを決める他の可能な例は、応力波によりツール７に対して生じる変化をツール７から直接測定することである。これは、たとえばツール７のひずみを測定することによって行なうことができ、この場合、測定手段11は、たとえばツール７へ配置されたひずみ計でよい。しかし、ツール７が回転するため、この種の接触測定は、測定信号MSを伝送するのにケーブル配線が必要なので、問題があることがある。これに代わるものとして、反射応力波の運動量をたとえば非接触測定により、たとえばツール７の応力波の走行方向における粒子速度を測定することによって、すなわち、反射応力波の走行方向におけるツール７の特定点もしくは特定部分の速度を測定することによって求めることができる。粒子速度は反射応力波に直接比例する。測定手段11は、たとえばレーザでよく、これは、粒子速度を光学的に測定することができる。測定手段11は、たとえばコイルでもよく、これは、ツール７において応力波により生じた磁界の変化を測定することができる。
【００３４】
被掘削岩盤から反射する応力波σｒの運動量Ｐｒに基づく、もしくはこの運動量を表すパラメータに基づく削岩機６の制御もしくは調節は、たとえば次のように行なうことができる。運動量が小さい場合、送り不足が関係したか、あるいは被掘削岩盤が軟質であるかのいずれかであり、いずれの場合においても結果は引張応力に応じた反射応力波となる。送り不足状態では、ツール７の端部におけるビット８すなわちドリルビットは衝撃の際、岩盤に対して適切に当接しない。したがって、ビット８と岩盤との間に間隙が形成されて、自由端の境界条件によって引張応力波が生じる。軟質岩盤では、ビット８は、少なくとも応力パルスがツール７へ送られ、これによってドリルビットへ始めた時点では、実質的に自由端境界条件に従い、その結果、主に引張応力を含有する反射応力波が生成される。
【００３５】
送り不足状態か軟質岩盤の掘削かを区別する非常に簡単な方法がある。送り不足状態では、削岩機６へ送り装置９により送られる送り力は、たとえば制御およびデータ処理装置12から制御リンク21を通して送り装置のポンプ15を制御することで行なわれるポンプ15の給送圧力の調節によって送り装置９の圧力導管14内の圧力を増圧させることによって、増大させることができる。削岩機６とツール７およびこれに付随するビット８を被掘削岩盤へ向けて駆動中、加圧流体は矢印Ａの方向に送り装置９へ流れる。送り装置９の戻り動作中、加圧流体は送り装置９の戻り導管16を通って矢印Ｂで示す方向に流れて容器17へ戻る。
【００３６】
送り力を増大させても運動量に対して実質的な影響がない場合、軟質岩盤により生じた引張応力が関係していると結論づけてもよい。このような場合、削岩機６の作動は、衝撃装置により生成された応力波の強度もしくは振幅を減少させることによって制御もしくは調節することができる。その結果、引張応力波の振幅は減少し、これによって掘削装置のひずみが減少する。これと同時に、衝撃装置により生成された応力波の長さすなわち持続時間が増すことがあり、これによって、減少した振幅により生じる掘削速度の減速を補償することができる。これはたとえば、制御リンク20を通して制御およびデータ処理装置12を使用し、衝撃装置４の圧力導管内に配置されている衝撃装置４のポンプ19の圧力を適切に変化させ、加圧流体を矢印A’の方向に衝撃装置４へ送ることによって行なうことができる。したがって、送り装置９の送り力は、元の値より高く保ち、またはその前の値へ戻すことができる。衝撃装置４により生成された応力波の振幅を減少させると、岩盤へ送られる圧縮応力波の振幅が減少し、これによって当然、岩盤から反射した引張応力波の振幅も減少し、したがって反射応力波の運動量が減少する。
【００３７】
引張応力波の振幅を減少させれば、掘削装置の保護になる。なぜなら、岩盤から反射された応力波に含まれる引張応力が主に掘削機の損傷に関与しているからである。衝撃装置４により生じる応力波の長さを増せば、応力波の振幅の減少によって生じる掘削速度の減速の補償になる。ツール７へ反射する応力波の運動量が小さい場合は当然、衝撃装置４により生じた応力波の長さすなわち持続時間を先ず増し、および/または応力波の強度もしくは振幅を減少させてから送り装置９の送り力を増大することもできる。
【００３８】
ツール７へ反射された応力波σｒの運動量Ｐｒが大きい、もしくは巨大である場合、硬質岩盤が関係しているという結論が導き出される。硬質岩盤の場合、ツール７およびビット８にはビット８の貫入に対抗する大きな力を生じる。したがって、ツール７から被掘削岩盤への圧縮応力波σｉは、ドリルビット８を岩盤中へ深く貫入させるのに十分な力を含んでいない。ビット８の岩盤への貫入が止まった場合、そのツール７の端部は固定端部境界条件に従い、岩盤へ侵入する圧縮応力波は反射されて圧縮応力波としてツール７へ戻る。このような場合、削岩機６は、衝撃装置４により生成される応力波の長さを短縮し、かつ衝撃装置４により生成される応力波の振幅を大きくすることによって、制御もしくは調節することができるが、この目的は、貫入速度を増大させ、掘削効率を高めることにある。
【００３９】
場合によっては、衝撃装置４の衝撃周波数すなわち掘削パルス周波数を変えることも可能である。硬質岩盤へ掘削する場合、衝撃周波数を高くすることは常に有利である。このような場合、その目的は、個々の衝撃に対して大きな貫入を得ることではなく、むしろ小さな貫入であっても十分である。実際の掘削速度は、こうして小さな貫入の１回の衝撃を高い衝撃周波数と組み合わせることによって得られる。
【００４０】
被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの運動量Ｐｒは、反射応力波が引張応力を含むのか圧縮応力を含むのかの情報を保持しているので、反射応力波の運動量に基づいて特定の掘削時の掘削条件を常時正確に確認することができる。これによって削岩機６および削岩リグ１は全体として、現行の掘削条件に基づいて正しく制御および調節することができる。
【００４１】
次に、被掘削岩盤から反射した応力波σｒの運動量Ｐｒ、またはこれを表すツール７の変位ｄrを求める他の例を、図３ないし７を参照して一例として説明する。図３ないし図５は、非常に軟質な岩盤を掘削して非常に大きな反射引張応力を生じた場合を示す。次いで、図６および図７は、非常に硬質な岩盤へ掘削する場合を示す。この掘削に用いるドリルロッドの横断面は1178 mm2であり、ドリルロッドの材料パラメータは、ドリルロッド内の応力波速度ｃ=5188 m/s、ドリルロッド材料密度ρ=7800 kg/m3である。各図では、ツール７から被掘削岩盤へ向かう圧縮応力波は参照符号σｉで示し、岩盤から反射して戻る応力波は参照符号σｒで示す。応力波の測定はドリルロッドの中央で行なった。
【００４２】
図４は、反射された運動量が約-29.6Nsであり、これは、式(６)によれば被掘削岩盤の方向に対する約0.6mmの変位に相当することを示している。この変位は図５から確認することができる。次いで図７は、ドリルロッドの掘削機６の方向への動きが約0.48 mmであることを示す。式(４)によれば、対応する運動量は23 Nsであることが求まる。これに基づいて、この反射は主として圧縮応力からなり、非常に硬質な岩盤への掘削が関係したと結論づけてもよい。
【００４３】
場合に応じて、本願に開示した構成要件を他の構成要件とは無関係に使用してもよい。他方、本願に開示した各構成要件を組み合わせて、さまざまな組合せを作ることができる。
【００４４】
図面およびこれに関連した明細書は、本発明の概念の説明のみを意図している。本発明の内容は特許請求の範囲内で改変してもよい。
【発明の背景】
【０００１】
本発明は、衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられた削岩リグの制御方法に関するものであり、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置はツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る。
【０００２】
さらに、本発明は、衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられた削岩リグに接続される装置に関するものであり、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、またこれから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置はツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る。
【０００３】
削岩リグは地下鉱山、採石場および掘削現場における削岩および掘削に使用される。公知の削岩リグおよび掘削方法は、たとえば次のような切削方法、破砕方法および衝撃方法がある。すなわち、衝撃方法は硬岩類に対して最も一般的に使用される。衝撃方法は削岩機のツールに対して回転と衝撃の両方を与えるものである。しかし、主として岩盤を破壊するのが衝撃である。回転は主に、ツールの遠位端にあるドリルビットのボタンもしくは他の切削部品を岩盤の新規の箇所に常に確実に打ち付ける働きをする。削岩機は通常、液圧式衝撃装置を有し、その衝撃ピストンにより必要な圧縮応力波をツールに対して生成することができる。衝撃方法による岩盤の効率的な破砕には、打撃の瞬間にドリルビットを岩盤に当接させる必要がある。衝撃装置の衝撃に伴うエネルギーによってツールに対して、ここからさらにツールの端部のドリルビットへ、次いで岩盤へ圧縮応力波が生成される。通常、すべての掘削条件において、岩盤へ送られる圧縮応力波の一部は応力波の形で岩盤から反射されて削岩機のツールへ戻る。
【０００４】
国際公開WO2006/126933号公報は、被穿孔岩盤からツールへ反射された応力波におけるエネルギー量に基づいて掘削を制御する方法を開示している。この方法によれば、少なくとも１つのパラメータ値を定義して岩盤から反射される応力波におけるエネルギー量を表す。さらに、このパラメータ値を使用して、衝撃装置のパルス発生器により生成される応力波の立上り時間および/または持続時間を調節する。このパラメータ値によって、パルス発生器により生成される応力波の振幅も調節することができる。この公報の解決策の目的は、反射エネルギー量を最小化し、これによって掘削システムの効率を改善することである。
【０００５】
しかし、このシステムの弱点の一つは、反射される応力波のエネルギー量の測定が困難なことである。図２は、掘削中に岩盤へ侵入する圧縮応力波および岩盤から反射された応力波を示す模式図である。図２における反射応力波では、被掘削岩盤から反射されてツールへ戻る圧縮応力を正で、引張り応力は負で示している。パルス発生器によって生成される圧縮応力波σｉのエネルギー量は次の式によって算出することができ、
【０００６】
【数１】
被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒのエネルギー量は次の式によって算出することができる。
【０００７】
【数２】
ただし、Ａはツールすなわちドリルロッドの横断面、Ｙは弾性係数、ｃはツール内の波速、tiはツールから被掘削岩盤へはいる圧縮応力波σｉの圧縮応力波の持続時間、trは被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒの持続時間である。式(２)は、反射応力波エネルギーの計算における累乗によって反射応力波の符号情報、すなわち反射応力波エネルギーのどの部分が圧縮応力波でありどの部分が引張応力であるかの情報であるが失われることを明確に示している。
【０００８】
さらに、反射エネルギー量は普遍的な岩盤条件を確実に説明することはできない。掘削が突然空洞に入り込んだ場合、衝撃装置のパルス発生器により生成される圧縮応力波は、ツールの岩盤側端部から全部、反射引張波として反射して戻る。したがって、応力波の効率はもちろんゼロパーセントである。極度に硬質の岩盤を掘削する場合、圧縮応力波はほとんど全部、圧縮応力波の形で反射して戻る。このような場合においても効率はゼロパーセントになる。換言すれば、両方の場合において圧縮応力波のエネルギーは、掘削条件がまったく異なり正反対の調節が掘削に必要であるにもかかわらず、ほとんど全部、反射して戻る。
【０００９】
したがって、さまざまな掘削条件において確実に作動するような衝撃装置の制御を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波のエネルギー量に基づいて行なうことはできない。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、掘削機の作動を制御する新規の方式を提供することを目的とする。
【００１１】
本発明の方法は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの測定信号で測定し、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを測定信号に基づいて求め、衝撃装置の作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節することを特徴とする。
【００１２】
本発明の装置は、本装置がさらに、少なくとも１つの測定装置を含み、この測定装置は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの信号を測定するよう配設され、本装置はさらに、少なくとも１つの制御およびデータ処理装置を含み、これは、測定装置の測定信号に基づいて、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを求めるよう配設され、制御およびデータ処理装置は、衝撃装置作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節するよう配設されていることを特徴とする。
【００１３】
衝撃装置と、送り装置と、端部にドリルビットがある削岩用ツールとを含む削岩機が設けられ、衝撃装置はツールに対して応力波を生成するよう配設され、ツールは、衝撃装置により生成された応力波を圧縮応力波としてドリルビットへ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、送り装置は、ツールおよびドリルビットを被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、衝撃装置によりツールに対して生成された圧縮応力波の少なくとも一部が応力波として被掘削岩盤から反射してツールへ戻る削岩リグの制御方法は、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波を表す少なくとも１つの測定信号を測定し、測定信号に基づいて、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータを求め、衝撃装置の作動および/または送り装置の作動を、被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量、もしくは運動量を表すパラメータに基づいて調節するものである。
【００１４】
被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波の運動量は、反射応力波が引張応力であるか圧縮応力であるかの情報を維持している。すなわち、反射応力波の運動量によって、特定の掘削時点に対応する掘削条件を常時、確認することができ、したがって、削岩機の作動、および削岩リグ全体としての作動も、一般的な掘削条件に基づいて、不要なひずみを掘削装置に生じることなく正確に制御および調節することができる。
【００１５】
一実施例によれば、運動量が小さい場合、送り装置の送り力は増す。小さな運動量は不十分な送り状況を表すものであり、これによって送り装置の送り力を大きくして通常の掘削状況を得ることができる。
【００１６】
第２の実施例によれば、運動量が小さい場合、衝撃装置により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増し、および/または衝撃装置により生成される応力波の強度もしくは振幅を増す。したがって、送り装置の送り力が増大しても反射応力波の運動量が影響されない場合、運動量が小さいのは、軟質の岩盤によって生じた引張応力に起因すると結論でき、引張応力は、衝撃装置により生成される応力波の強度もしくは振幅を減少させることによって小さくすることができる。その結果、引張応力波の振幅は減少し、掘削装置に対するひずみが減少する。同時に、衝撃装置により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増すことができ、これによって、応力波振幅の減少により生じる掘削速度の低下を補償することができる。
【００１７】
第３の実施例によれば、運動量が大きい場合、衝撃装置により生成される応力波の長さを短縮し、衝撃装置により生成される応力波の強度を増大させる。衝撃装置により生成される応力波の長さの減少によって、被掘削岩盤へ送られそこから反射される圧縮応力波の長さが減少し、これによって掘削効率が改善する。衝撃装置の衝撃パルスの強度を増せば、圧縮応力波の振幅が増大し、これによって岩盤への掘削貫入度が増す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
次に、添付図面を参照して、本発明のいくつかの実施例をさらに詳細に説明する。
【図１】明細書に記載の方式を適用した削岩リグの模式的側面図である。
【図２】削岩すべき岩盤へ侵入した圧縮応力波と、岩盤から反射した応力波の模式図である。
【図３】削岩すべき岩盤へ侵入した圧縮応力波と、岩盤から反射した対応する応力波の模式図である。
【図４】図３の応力波に対応する運動量の模式図である。
【図５】図３および図４に対応するツール変位の模式図である。
【図６】削岩すべき岩盤へ侵入した第２の圧縮応力波と岩盤から反射した対応する応力波の模式図である。
【図７】図６の応力波に対応するツール変位の模式図である。
【００１９】
明瞭にするため、各図では本発明の実施例を簡略化して示す。同様の部分は全図を通して同様の参照番号で示す。
【詳細な発明の説明】
【００２０】
図１は、本発明の方式を適用できる削岩リグ１の模式的かつ大幅に簡略化した図である。図１の削岩リグ１にはブーム２が設けられ、その端部には、衝撃装置４および回転装置５を有する削岩機６を設けた送りビーム３がある。回転装置５は連続的な回転力をツール７へ伝達し、これによって、ツール７に連結されたビット８は衝撃後にその位置を変え、次の衝撃で岩盤上の新規の位置を打撃する。衝撃装置４は通常、衝撃ピストンが設けられ、これは圧力媒体の影響を受けて移動し、ツール７の上端部へ配設されまたはツール７と衝撃装置４の間に配設された中間片を打撃する。当然、さまざまな構造の衝撃装置４も可能である。したがって、ツールに対して送られる応力波を、たとえば圧力媒体に対して圧力パルスを与えることによって、または電磁気現象に基づく手段によって、機械作動式衝撃ピストンなしに発生させることができる。このように衝撃装置という語は、このような特徴に基づく衝撃装置のことも言う。ツール７の近位端は削岩機６へ接続され、ツール７の遠位端には固定の、もしくは脱着可能な削岩用のビット８が設けられている。ツール７の近位端は図１において破線で模式的に示す。掘削中、ビット８は送り装置９によって岩盤に対して押圧される。送り装置９は送りビーム３へ配設され、これに対して削岩機６が可動に配設されている。ビット８は一般には、ボタン8aが設けられたドリルビットとして公知のものであるが、他のビット構造でも可能である。また長尺孔掘削として公知である組合せ式ドリルロッドによる掘削では、掘削すべき穴の深さにより、多数のドリルロッド10aないし10cがドリルビット８と削岩機６の間に取り付けられ、ドリルロッドがツール７を形成する。
【００２１】
図１は、実在の削岩機６の構体に比べてかなり小さく削岩リグ１を示す。明瞭にするため、図１の削岩リグ１は、単一のブーム２、送りビーム３、削岩機６および送り装置９を有するが、削岩リグには一般に、複数のブーム２が設けられ、それぞれの端部には、送りビーム３、削岩機６および送り装置９を有することは明らかである。削岩機６は通常、ドリルビット８が閉塞するのを防止するフラッシング装置を含んでいることも明らかであるが、明瞭にするために図１ではフラッシング装置を図示しない。削岩機６を液圧作動式のものでよいが、空圧作動式もしくは電気作動式でもよい。
【００２２】
衝撃装置４により生成される応力は、圧縮応力波の形でドリルロッド10aないし10cに沿って最外部のドリルロッド10cの端部のビット８へ向けて送られる。圧縮応力波がビット８に到達すると、ビット８およびそのボタン8aが掘削すべき物質を打撃し、これによって強力な圧縮応力を生成し、このため被掘削岩盤の中にひび割れが発生する。衝撃装置４により与えられた応力波が岩盤の硬度に対して強すぎる場合、掘削装置に対して生じる引張応力の度合いが不必要に大きくなるという問題が生じる。過剰な衝撃エネルギーで軟質な岩盤を連続して掘削すると、たとえばドリルロッド10aないし10c間のねじ継手の損耗、および/または疲労による掘削装置の早期破損につながる。
【００２３】
削岩リグおよび削岩機の作動を制御および調節するために、とくに被掘削岩盤から反射してツールへ戻る応力波σｒの運動量もしくはこれを表すパラメータを求め、衝撃装置４および/または送り装置９の作動を運動量もしくはこれを表すパラメータに基づいて制御および調節する。ツール７から被掘削岩盤への圧縮応力波σｒの運動量Ｐｉは次の式によって算出することができる。
【００２４】
【数３】
ただし、Ａはツール７すなわちドリルロッド10aないし10cの横断面であり、tiは圧縮応力波σｉの持続時間である。岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの運動量Ｐｒは次の式によって算出することができる。
【００２５】
【数４】
ただし、trは被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの持続時間である。式(４)は、反射応力波σｒの運動量Ｐｒの計算が反射応力波の符号情報、すなわち反射応力のどの部分が圧縮応力を表し、どの部分が引張応力を表すかの情報を維持する様子を明確に示している。運動量Ｐｒが大きい場合、反射応力波は主として圧縮反射からなり、運動量Ｐｒが小さい場合、主に引張反射が関係している。運動量Ｐｒがゼロ値を得た場合、岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒは引張および圧縮の両方が同量であることを表している。
【００２６】
被掘削岩盤から反射してツール７へ、すなわち図１の場合、１本以上のドリルロッド10aないし10cへ戻る応力波σｒはツール７の端部から伝播して削岩機６へ戻るので、ツール７の端部で変位が生じる。岩盤から反射した応力波が主に引張応力を含む場合、この応力波はツールの端部を掘削方向へ変位させる。岩盤から反射した応力波が主に圧縮応力を含む場合、この応力波はツールの端部を削岩機の方へ変位させる。この情報に基づき、反射した引張応力波の運動量もしくはこれを表すパラメータをさまざまに決めることができる。
【００２７】
たとえば、反射応力波の運動量は、ツール７の変位を、たとえばその端部もしくは中央部から直接測定することによって決めることができる。ツール７の削岩機６端部の直近へ、またはこれに接続して、たとえば測定手段11を図１に模式的に示すように配置して、被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒを表す測定信号MSを測定することができる。このような測定手段11は、たとえば反射応力波を測定信号MSとして表す電圧もしくは電力メッセージを送信する電磁距離センサであってよい。測定手段11により測定された測定信号MSは、制御およびデータ処理装置12へ送られ、同装置は、ツール７の変位などの応力波σｒの運動量Ｐｒもしくはこれを表すパラメータを測定手段11の測定信号MSに基づいて決める。反射応力波は、ツール７の端部から進んで削岩機の端部へ戻るので、ツールの変位が発生する。反射引張応力が主であるとすると、ツールもしくはドリルロッドは反射波の衝撃によって掘削方向へ移動する。反射波がほとんど圧縮応力からなるとすれば、ドリルロッドは掘削機の方へ移動する。変位の程度は次の式によって算出することができる。
【００２８】
【数５】
【００２９】
【数６】
ただし、ｄｉはツールから被掘削岩盤への応力により生じた変位、ｄｒは反射応力波により生じた変位、νｉは測定点においてツールから被掘削岩盤への応力波により生じた粒子速度、νｒは反射応力波により生じた粒子速度、ｃ はツールもしくはドリルロッド内の応力波の速度、ρはツール材料の密度である。反射応力波により生じた変位ｄｒは、反射応力波が負の速度に対応するとした符号則を考慮している。
【００３０】
式(５)および(６)に基づけば、反射応力波の運動量Ｐｒをツールの変位として求めるのは容易である。換言すれば、ツールの変位ｄｒは反射応力波の運動量を表すパラメータである。測定手段11を配設してツールの端部からのツールの変位を測定する場合、ツール７の削岩機６端部からの応力波の再反射も考慮に入れる必要がある。
【００３１】
制御およびデータ処理装置12は、削岩機６専用で削岩機６の作動だけを制御する別個の制御およびデータ処理装置であっても、または削岩リグ１の作動を全体的に制御する装置であってもよい。制御およびデータ処理装置12の作動は、たとえばプログラマブル論理回路に基づくものでよいが、一般にこれは、さまざまな計算および制御動作をソフトウエア制御により行なうさまざまなマイクロプロセッサおよび信号処理装置を含む装置である。さらに、制御およびデータ処理装置12は、相互接続された２台以上の個別の装置で構成され、それぞれがおのおの決められたタスクを遂行し、ある装置は、たとえば反射応力波の運動量を測定し、別な装置は測定した運動量に基づいて必要な制御動作を行なうこともできる。
【００３２】
図１に非常に概略的に示すが、図１の例では削岩機６の端部にあるツール７に液圧式補助装置13を設けることにより、反射応力波σｒの運動量Ｐｒを測定することもでき、これは、ツール７端部の変位によってこの変位に比例する圧力を生じるものである。測定手段11を配設して圧力を測定することによって、すなわち測定手段11が圧力計もしくはセンサ式、または同様の装置である場合、岩盤から液圧式補助手段へ反射された応力波により生成される圧力は測定手段11によって測定することができ、これに基づいて反射応力波の運動量もしくはこれを表すパラメータを求めることができる。
【００３３】
反射応力波σｒの運動量Ｐｒを決める他の可能な例は、応力波によりツール７に対して生じる変化をツール７から直接測定することである。これは、たとえばツール７のひずみを測定することによって行なうことができ、この場合、測定手段11は、たとえばツール７へ配置されたひずみ計でよい。しかし、ツール７が回転するため、この種の接触測定は、測定信号MSを伝送するのにケーブル配線が必要なので、問題があることがある。これに代わるものとして、反射応力波の運動量をたとえば非接触測定により、たとえばツール７の応力波の走行方向における粒子速度を測定することによって、すなわち、反射応力波の走行方向におけるツール７の特定点もしくは特定部分の速度を測定することによって求めることができる。粒子速度は反射応力波に直接比例する。測定手段11は、たとえばレーザでよく、これは、粒子速度を光学的に測定することができる。測定手段11は、たとえばコイルでもよく、これは、ツール７において応力波により生じた磁界の変化を測定することができる。
【００３４】
被掘削岩盤から反射する応力波σｒの運動量Ｐｒに基づく、もしくはこの運動量を表すパラメータに基づく削岩機６の制御もしくは調節は、たとえば次のように行なうことができる。運動量が小さい場合、送り不足が関係したか、あるいは被掘削岩盤が軟質であるかのいずれかであり、いずれの場合においても結果は引張応力に応じた反射応力波となる。送り不足状態では、ツール７の端部におけるビット８すなわちドリルビットは衝撃の際、岩盤に対して適切に当接しない。したがって、ビット８と岩盤との間に間隙が形成されて、自由端の境界条件によって引張応力波が生じる。軟質岩盤では、ビット８は、少なくとも応力パルスがツール７へ送られ、これによってドリルビットへ始めた時点では、実質的に自由端境界条件に従い、その結果、主に引張応力を含有する反射応力波が生成される。
【００３５】
送り不足状態か軟質岩盤の掘削かを区別する非常に簡単な方法がある。送り不足状態では、削岩機６へ送り装置９により送られる送り力は、たとえば制御およびデータ処理装置12から制御リンク21を通して送り装置のポンプ15を制御することで行なわれるポンプ15の給送圧力の調節によって送り装置９の圧力導管14内の圧力を増圧させることによって、増大させることができる。削岩機６とツール７およびこれに付随するビット８を被掘削岩盤へ向けて駆動中、加圧流体は矢印Ａの方向に送り装置９へ流れる。送り装置９の戻り動作中、加圧流体は送り装置９の戻り導管16を通って矢印Ｂで示す方向に流れて容器17へ戻る。
【００３６】
送り力を増大させても運動量に対して実質的な影響がない場合、軟質岩盤により生じた引張応力が関係していると結論づけてもよい。このような場合、削岩機６の作動は、衝撃装置により生成された応力波の強度もしくは振幅を減少させることによって制御もしくは調節することができる。その結果、引張応力波の振幅は減少し、これによって掘削装置のひずみが減少する。これと同時に、衝撃装置により生成された応力波の長さすなわち持続時間が増すことがあり、これによって、減少した振幅により生じる掘削速度の減速を補償することができる。これはたとえば、制御リンク20を通して制御およびデータ処理装置12を使用し、衝撃装置４の圧力導管内に配置されている衝撃装置４のポンプ19の圧力を適切に変化させ、加圧流体を矢印A’の方向に衝撃装置４へ送ることによって行なうことができる。したがって、送り装置９の送り力は、元の値より高く保ち、またはその前の値へ戻すことができる。衝撃装置４により生成された応力波の振幅を減少させると、岩盤へ送られる圧縮応力波の振幅が減少し、これによって当然、岩盤から反射した引張応力波の振幅も減少し、したがって反射応力波の運動量が減少する。
【００３７】
引張応力波の振幅を減少させれば、掘削装置の保護になる。なぜなら、岩盤から反射された応力波に含まれる引張応力が主に掘削機の損傷に関与しているからである。衝撃装置４により生じる応力波の長さを増せば、応力波の振幅の減少によって生じる掘削速度の減速の補償になる。ツール７へ反射する応力波の運動量が小さい場合は当然、衝撃装置４により生じた応力波の長さすなわち持続時間を先ず増し、および/または応力波の強度もしくは振幅を減少させてから送り装置９の送り力を増大することもできる。
【００３８】
ツール７へ反射された応力波σｒの運動量Ｐｒが大きい、もしくは巨大である場合、硬質岩盤が関係しているという結論が導き出される。硬質岩盤の場合、ツール７およびビット８にはビット８の貫入に対抗する大きな力を生じる。したがって、ツール７から被掘削岩盤への圧縮応力波σｉは、ドリルビット８を岩盤中へ深く貫入させるのに十分な力を含んでいない。ビット８の岩盤への貫入が止まった場合、そのツール７の端部は固定端部境界条件に従い、岩盤へ侵入する圧縮応力波は反射されて圧縮応力波としてツール７へ戻る。このような場合、削岩機６は、衝撃装置４により生成される応力波の長さを短縮し、かつ衝撃装置４により生成される応力波の振幅を大きくすることによって、制御もしくは調節することができるが、この目的は、貫入速度を増大させ、掘削効率を高めることにある。
【００３９】
場合によっては、衝撃装置４の衝撃周波数すなわち掘削パルス周波数を変えることも可能である。硬質岩盤へ掘削する場合、衝撃周波数を高くすることは常に有利である。このような場合、その目的は、個々の衝撃に対して大きな貫入を得ることではなく、むしろ小さな貫入であっても十分である。実際の掘削速度は、こうして小さな貫入の１回の衝撃を高い衝撃周波数と組み合わせることによって得られる。
【００４０】
被掘削岩盤から反射してツール７へ戻る応力波σｒの運動量Ｐｒは、反射応力波が引張応力を含むのか圧縮応力を含むのかの情報を保持しているので、反射応力波の運動量に基づいて特定の掘削時の掘削条件を常時正確に確認することができる。これによって削岩機６および削岩リグ１は全体として、現行の掘削条件に基づいて正しく制御および調節することができる。
【００４１】
次に、被掘削岩盤から反射した応力波σｒの運動量Ｐｒ、またはこれを表すツール７の変位ｄrを求める他の例を、図３ないし７を参照して一例として説明する。図３ないし図５は、非常に軟質な岩盤を掘削して非常に大きな反射引張応力を生じた場合を示す。次いで、図６および図７は、非常に硬質な岩盤へ掘削する場合を示す。この掘削に用いるドリルロッドの横断面は1178 mm2であり、ドリルロッドの材料パラメータは、ドリルロッド内の応力波速度ｃ=5188 m/s、ドリルロッド材料密度ρ=7800 kg/m3である。各図では、ツール７から被掘削岩盤へ向かう圧縮応力波は参照符号σｉで示し、岩盤から反射して戻る応力波は参照符号σｒで示す。応力波の測定はドリルロッドの中央で行なった。
【００４２】
図４は、反射された運動量が約-29.6Nsであり、これは、式(６)によれば被掘削岩盤の方向に対する約0.6mmの変位に相当することを示している。この変位は図５から確認することができる。次いで図７は、ドリルロッドの掘削機６の方向への動きが約0.48 mmであることを示す。式(４)によれば、対応する運動量は23 Nsであることが求まる。これに基づいて、この反射は主として圧縮応力からなり、非常に硬質な岩盤への掘削が関係したと結論づけてもよい。
【００４３】
場合に応じて、本願に開示した構成要件を他の構成要件とは無関係に使用してもよい。他方、本願に開示した各構成要件を組み合わせて、さまざまな組合せを作ることができる。
【００４４】
図面およびこれに関連した明細書は、本発明の概念の説明のみを意図している。本発明の内容は特許請求の範囲内で改変してもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
衝撃装置（４）と、送り装置（９）と、端部にドリルビット（８）がある削岩用ツール（７）とを含む削岩機（６）が設けられ、前記衝撃装置（４）は前記ツール（７）に対して応力波を生成するよう配設され、該ツールは、前記衝撃装置（４）により生成された応力波を圧縮応力波（σｉ）として前記ドリルビット（８）へ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、前記送り装置（９）は、前記ツール（７）およびドリルビット（８）を前記被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、前記衝撃装置（４）により前記ツール（７）に対して生成された圧縮応力波（σｉ）の少なくとも一部が応力波（σｒ）として前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る削岩リグ（１）の制御方法において、該方法は、
前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を表す少なくとも１つの測定信号（MS）を測定し、
前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータを前記測定信号に基づいて求め、
前記衝撃装置（４）の作動および/または前記送り装置（９）の作動を、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータに基づいて調節することを特徴とする削岩リグの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の変位（Ｄ）を測定し、該ツール（７）の変位（Ｄ）に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を求めることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、該方法は、液圧式補助装置（13）を前記ツール（７）へ配設して該液圧式補助装置（13）に対して作用する圧力を測定し、該圧力に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは前記ツール（７）の変位（Ｄ）などの前記運動量を表すパラメータを測定することを特徴とする方法。
【請求項４】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記反射応力波（σｒ）により前記ツール（７）に対して生じた変化を該ツール（７）から直接測定することを特徴とする方法。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の伸びを測定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の粒子速度を光学的に測定することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の粒子速度を前記反射応力波（σｒ）により生じた該ツール（７）の磁界の変化に基づいて測定することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が小さい場合、前記送り装置（９）の送り力を増大させることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が小さい場合、前記衝撃装置（４）により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増し、および/または該衝撃装置（４）により生成される応力波の強度もしくは振幅を増大させることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が大きい場合、前記衝撃装置（４）により生成される応力波の長さを減少させ、該衝撃装置（４）により生成される応力波の振幅を増大させることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記衝撃装置（４）の衝撃周波数を変化させることを特徴とする方法。
【請求項１２】
衝撃装置（４）と、送り装置（９）と、端部にドリルビット（８）がある削岩用ツール（７）を含む削岩機（６）が設けられ、前記衝撃装置（４）は前記ツール（７）に対して応力波を生成するよう配設され、該ツール（７）は、前記衝撃装置（４）により生成された応力波を圧縮応力波（σｉ）として前記ドリルビット（８）へ、さらに被掘削岩盤へ送るよう配設され、前記送り装置（９）は、前記ツール（７）および前記ドリルビット（８）を前記被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、前記衝撃装置（４）により前記ツール（７）に対して生成された圧縮応力波（σｉ）の少なくとも一部が応力波（σｒ）として前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る削岩リグ（１）に接続する装置において、
該装置はさらに、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を表す少なくとも１つの測定信号（MS）を測定するよう配設された少なくとも１つの測定装置（11）を含み、
該装置はさらに、少なくとも１つの制御およびデータ処理装置（12）を含み、該制御およびデータ処理装置は、前記測定装置（11）の測定信号に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータを求めるよう配設され、該制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の作動および/または前記送り装置（９）の作動を、前記被掘削岩盤から反射し前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータに基づいて調節するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１３】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は前記ツール（７）の変位（Ｄ）を測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１４】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、該装置はさらに、前記ツール（７）に配設された液圧式補助装置（13）を含み、前記測定手段（11）は、前記液圧式補助装置（13）に対して働く圧力を測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１５】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記反射応力波（σｒ）により前記ツール（７）に対して生ずる変化を該ツール（７）から直接測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１６】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は前記ツール（７）の伸びを測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１７】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記ツール（７）の粒子速度を光学的に測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１８】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記ツール（７）の粒子速度を、前記反射応力波（σｒ）により生じた前記ツール（７）の磁界に基づいて測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１９】
請求項12ないし18のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量が小さい場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記送り装置（９）の作動を制御して該送り装置（９）の送り力を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２０】
請求項12ないし19のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量が小さいが場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の作動を制御して、該衝撃装置（４）により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増大させ、および/または該衝撃装置（４）により生成される応力波の強度もしくは振幅を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２１】
請求項12ないし18のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量（Ｐｒ）が大きい場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）により生成された応力波の長さを短縮させ、該衝撃装置（４）により生成された応力波の振幅を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２２】
請求項12ないし21のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の衝撃周波数を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１】
衝撃装置（４）と、送り装置（９）と、端部にドリルビット（８）がある削岩用ツール（７）とを含む削岩機（６）が設けられ、前記衝撃装置（４）は前記ツール（７）に対して応力波を生成するよう配設され、該ツールは、前記衝撃装置（４）により生成された応力波を圧縮応力波（σｉ）として前記ドリルビット（８）へ、さらにここから被掘削岩盤へ送るよう配設され、前記送り装置（９）は、前記ツール（７）およびドリルビット（８）を前記被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、前記衝撃装置（４）により前記ツール（７）に対して生成された圧縮応力波（σｉ）の少なくとも一部が応力波（σｒ）として前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る削岩リグ（１）の制御方法において、該方法は、
前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を表す少なくとも１つの測定信号（MS）を測定し、
前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータを前記測定信号に基づいて求め、
前記衝撃装置（４）の作動および/または前記送り装置（９）の作動を、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータに基づいて調節することを特徴とする削岩リグの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の変位（Ｄ）を測定し、該ツール（７）の変位（Ｄ）に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を求めることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、該方法は、液圧式補助装置（13）を前記ツール（７）へ配設して該液圧式補助装置（13）に対して作用する圧力を測定し、該圧力に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは前記ツール（７）の変位（Ｄ）などの前記運動量を表すパラメータを測定することを特徴とする方法。
【請求項４】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記反射応力波（σｒ）により前記ツール（７）に対して生じた変化を該ツール（７）から直接測定することを特徴とする方法。
【請求項５】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の伸びを測定することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の粒子速度を光学的に測定することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項４に記載の方法において、該方法は、前記ツール（７）の粒子速度を前記反射応力波（σｒ）により生じた該ツール（７）の磁界の変化に基づいて測定することを特徴とする方法。
【請求項８】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が小さい場合、前記送り装置（９）の送り力を増大させることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が小さい場合、前記衝撃装置（４）により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増し、および/または該衝撃装置（４）により生成される応力波の強度もしくは振幅を増大させることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記運動量（Ｐｒ）が大きい場合、前記衝撃装置（４）により生成される応力波の長さを減少させ、該衝撃装置（４）により生成される応力波の振幅を増大させることを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記請求項のいずれかに記載の方法において、該方法は、前記衝撃装置（４）の衝撃周波数を変化させることを特徴とする方法。
【請求項１２】
衝撃装置（４）と、送り装置（９）と、端部にドリルビット（８）がある削岩用ツール（７）を含む削岩機（６）が設けられ、前記衝撃装置（４）は前記ツール（７）に対して応力波を生成するよう配設され、該ツール（７）は、前記衝撃装置（４）により生成された応力波を圧縮応力波（σｉ）として前記ドリルビット（８）へ、さらに被掘削岩盤へ送るよう配設され、前記送り装置（９）は、前記ツール（７）および前記ドリルビット（８）を前記被掘削岩盤に対して押圧するよう配設され、これによって、掘削中、前記衝撃装置（４）により前記ツール（７）に対して生成された圧縮応力波（σｉ）の少なくとも一部が応力波（σｒ）として前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る削岩リグ（１）に接続する装置において、
該装置はさらに、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）を表す少なくとも１つの測定信号（MS）を測定するよう配設された少なくとも１つの測定装置（11）を含み、
該装置はさらに、少なくとも１つの制御およびデータ処理装置（12）を含み、該制御およびデータ処理装置は、前記測定装置（11）の測定信号に基づいて、前記被掘削岩盤から反射して前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータを求めるよう配設され、該制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の作動および/または前記送り装置（９）の作動を、前記被掘削岩盤から反射し前記ツール（７）へ戻る応力波（σｒ）の運動量（Ｐｒ）、もしくは該運動量を表すパラメータに基づいて調節するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１３】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は前記ツール（７）の変位（Ｄ）を測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１４】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、該装置はさらに、前記ツール（７）に配設された液圧式補助装置（13）を含み、前記測定手段（11）は、前記液圧式補助装置（13）に対して働く圧力を測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１５】
請求項12に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記反射応力波（σｒ）により前記ツール（７）に対して生ずる変化を該ツール（７）から直接測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１６】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は前記ツール（７）の伸びを測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１７】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記ツール（７）の粒子速度を光学的に測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１８】
請求項15に記載の削岩リグに接続する装置において、前記測定手段（11）は、前記ツール（７）の粒子速度を、前記反射応力波（σｒ）により生じた前記ツール（７）の磁界に基づいて測定するよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項１９】
請求項12ないし18のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量が小さい場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記送り装置（９）の作動を制御して該送り装置（９）の送り力を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２０】
請求項12ないし19のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量が小さいが場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の作動を制御して、該衝撃装置（４）により生成される応力波の長さもしくは持続時間を増大させ、および/または該衝撃装置（４）により生成される応力波の強度もしくは振幅を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２１】
請求項12ないし18のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記運動量（Ｐｒ）が大きい場合、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）により生成された応力波の長さを短縮させ、該衝撃装置（４）により生成された応力波の振幅を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【請求項２２】
請求項12ないし21のいずれかに記載の削岩リグに接続する装置において、前記制御およびデータ処理装置（12）は、前記衝撃装置（４）の衝撃周波数を増大させるよう配設されていることを特徴とする削岩リグに接続する装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５０４１９７（Ｐ２０１２−５０４１９７Ａ）
【公表日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５２８３８１（Ｐ２０１１−５２８３８１）
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＩ２００９／０５０７８１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３７９０５
【国際公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（５０６２８６４７８）サンドビク マイニング アンド コンストラクション オサケ ユキチュア (70)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＮＤＶＩＫ ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＯＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月３０日（２００９．９．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＦＩ２００９／０５０７８１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０３７９０５
【国際公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（５０６２８６４７８）サンドビク マイニング アンド コンストラクション オサケ ユキチュア (70)
【氏名又は名称原語表記】ＳＡＮＤＶＩＫ ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＯＹ
【Ｆターム（参考）】
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