特表 2022-528399 打撃式掘削装置の掘削工程制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-10

(54)【発明の名称】打撃式掘削装置の掘削工程制御方法

(51)【国際特許分類】

   E21B 44/00 20060101AFI20220603BHJP

   E21B 1/12 20060101ALI20220603BHJP

【ＦＩ】

E21B44/00 A

E21B1/12

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021557887

(86)(22)【出願日】2020-03-18

(85)【翻訳文提出日】2021-11-29

(86)【国際出願番号】 SE2020050280

(87)【国際公開番号】W WO2020204782

(87)【国際公開日】2020-10-08

(31)【優先権主張番号】1950389-5

(32)【優先日】2019-03-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】398056193

【氏名又は名称】エピロック ロック ドリルス アクチボラグ

(74)【代理人】

【識別番号】100194113

【弁理士】

【氏名又は名称】八木田 智

(72)【発明者】

【氏名】ウェッドフェルト，ケネス

(72)【発明者】

【氏名】サーダティ，マフディー

(72)【発明者】

【氏名】エンブロム，サムエル

(72)【発明者】

【氏名】イェツバリィ，マティアス

【テーマコード（参考）】

2D129

【Ｆターム（参考）】

2D129AA04

2D129BA03

2D129BA07

2D129BA09

2D129BA19

2D129BA21

2D129CA04

2D129CA32

2D129CB07

2D129CB13

2D129DA01

2D129HA04

(57)【要約】

本明細書には送り込み力と食い込み深さに応じたデータを収集する工程を有する打撃式掘削装置の掘削工程制御方法が開示されている。前記制御方法は、さらに、収集したデータに基づいて打撃工程を決定する工程と、前記打撃工程（実線）と、基準打撃工程（点線）との間の偏差を判断する工程を有する。前記制御方法は、さらに、前記偏差に基づいて打撃工程に関連する一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程を有する。
【選択図】 図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

掘削装置（１）の掘削工程制御方法であって、
前記掘削装置（１）が、制御ユニット（３）、少なくとも一つのセンサ（５）、打撃要素（７）及び工具（９）を備え、
前記打撃要素（７）が、工具（９）に衝撃を与えるように構成され、
前記工具（９）が、打撃要素（７）によって生み出された衝撃エネルギをドリルビット（１１）に伝達するように構成された掘削工程制御方法において、
該掘削工程制御方法が、掘削中に、
・打撃要素（７）による衝撃時に岩盤（１３）に供給される力及び打撃要素（７）による衝撃時の岩盤（１３）への食い込み深さに応じてデータを収集する工程（５０１）、
・収集したデータに基づいて打撃工程を決定する工程（５０２）、
・打撃工程と基準打撃工程との間の偏差を得る工程（５０３）、及び
前記偏差に基づいて、掘削工程に関連する一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）
を有することを特徴とする掘削工程制御方法。

【請求項2】

前記基準打撃工程が、望ましい打撃工程を記述する
ことを特徴する請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程が、
偏差が低減するように前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）から成る
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記掘削工程制御方法が、さらに、
偏差の特性を分析する工程（５０４）、及び
前記分析結果に基づいて、前記一つ又は複数の掘削工程の中から、偏差を低減させるために調整する必要がある一つ又は複数の第一掘削パラメータを決める工程（５０５）
を含み、
前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）が、
偏差が低減するように前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）から成る
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記掘削工程制御方法が、さらに、
偏差の特性を分析する工程（５０４）と、
前記分析結果に基づいて、偏差が低減するように一つ又は複数の掘削パラメータを調整する第一の態様を決定する工程（５０６）と
を有し、
前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）が、
偏差が低減するように前記第一の態様において前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５０７）から成る
ことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の方法。

【請求項6】

打撃工程が、収集データに基づいて決められた力－変位曲線から成り、
基準打撃工程が、望ましい打撃工程に基づいて決められた基準力－変位曲線から成る
ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記掘削工程制御方法が、さらに、
偏差が閾値を超えた時にクリティカルアクションを実行する工程（５１３）を備え、
前記クリティカルアクションが、
・偏差が閾値を超えたことを視覚的に表示する工程、
・閾値を超えたことを、音声信号を出力することによって表示する工程、及び
・掘削工程を中断する工程
の一つ又は複数から成る
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記掘削工程制御方法が、さらに、
調整後に偏差がどのように変化したかを評価する工程（５１１）と、
前記評価に基づいて、偏差が低減するように前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程（５１２）と
を有することを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記評価する工程（５１１）が、
打撃要素の次の衝撃時に、岩盤に供給される力及び岩盤への食い込み深さに応じて、次のデータセットを収集する工程（５０８）と、
収集データに基づいて次の打撃工程を決める工程（５０９）と、
次の打撃工程と基準打撃工程との間の次の偏差を得る工程（５１０）と、
偏差と次の偏差との比較結果に基づいて、調整後に、偏差がどのように変化したかを評価する工程（５１１）と
を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記掘削工程制御方法が、
打撃要素（７）による各衝撃時に実行される
ことを特徴とする請求項１～９の何れか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記一つ又は複数の掘削パラメータが、
・フラッシング流量、
・ロックドリルの回転速度、
・送り込み力
・打撃力
・打撃頻度
・ストローク長、
・打撃速度、
・回転トルク
・衝撃の波形
の一つ又は複数に関連している
ことを特徴とする請求項１～１０の何れか一項に記載の方法。

【請求項12】

前記収集データが、動作中の工具（９）の歪みに関するデータである
ことを特徴とする請求項１～１１の何れか一項に記載の方法。

【請求項13】

制御ユニット（３）と、
少なくとも一つのセンサ（５）と、
打撃要素（７）と、
工具（９）と
を備えた掘削装置（１）であって、
前記打撃要素（７）が工具（９）に衝撃を与えるように構成され、
前記工具（９）が、打撃要素（７）によって生み出された衝撃エネルギをドリルビット（１１）に伝達するように構成され、
前記制御ユニット（３）が、請求項１～１２の何れか一項の制御方法に従って、掘削中に掘削装置（１）を制御するように構成されている
ことを特徴とする掘削装置。

【請求項14】

前記少なくとも一つのセンサ（５）が、打撃要素（７）による衝撃時に岩盤（１３）に供給される力と、打撃要素（７）による衝撃時の岩盤（１３）への食い込み深さとに応じてデータを収集するように構成されている
ことを特徴とする請求項１３に記載の掘削装置。

【請求項15】

掘削装置（１）が削岩機である
ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の掘削装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、鉱業に関する。より詳細には、本発明は、掘削機の掘削工程を制御する方法に関する。本発明は、さらに、掘削中に前記方法によって制御されるように構成された掘削装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鉱山などの作業現場では、掘削リグに搭載された削岩機を用いて岩盤に孔を開ける。岩盤に孔を開ける一般的な方法として打撃式削岩法がある。打撃式削岩中、ドリルビットが岩盤を高い頻度で打撃することで岩盤を破壊し、ドリルビットに設けられた複数のボタンが岩盤を破壊する。衝撃毎にボタンが岩盤の新しい表面に当たるようにするためにドリルは回転させられる。深い孔を掘削することが多いため、ドリルビットはドリルロッドに配置されることが多く、前記ドリルロッドは掘削装置に設けられたアダプタに配置される。前記アダプタ、ドリルロッド及びドリルビットは、一緒に、ドリルストリングと称されるアセンブリを形成する。打撃式掘削装置では、打撃ピストン等の打撃要素がアダプタに衝突し、その衝撃がドリルストリングに沿って孔内に伝わり、最終的に、ドリルビットを介して岩盤に伝達される。ドリルストリングを延長するために一本又は複数本のドリルロッドが連結され得る。一般的な掘削方法の例としては、トップハンマー式掘削、ダウンザホール（ＤＴＨ）及びＣＯＰＲＯＤ等がある。

【0003】

ドリルビットと岩盤との間の接触を確実にし、掘削中にアダプタが掘削装置の好ましい位置にあるようにするために、岩盤に向けられた送り込み力が、例えば、油圧式ピストンによって掘削装置に加えられる。従って、前記送り込み力が、掘削装置を介して、ドリルストリング及び岩盤上に作用する。

【0004】

どのような掘削工程を使用するかに拘わらず、掘削は、エネルギを消費する作業であり、しばしば遠隔地で精巧な装置を使用して行われる。さらに、掘削装置は、過酷な作業状況に晒されるため、摩耗が激しい。従って、掘削工程をより効率的にすることで、摩耗やエネルギ消費を抑え、環境への影響を低減することが望まれている。

【0005】

削岩は、例えば、掘削機の種類、岩石の特性及び掘削パラメータの選択等、様々な要因に左右される複雑な作業である。さらに、掘削は、変化する条件下で行われ、作業中に様々な要因が変化することになる。例えば、岩石は均一ではなく、また、装置も摩耗し、これらが掘削に影響を及ぼす。従って、掘削工程は、これらの変化に対応するために作業中に調整する必要がある。

【0006】

掘削効率を上げるために、作業中に掘削工程を制御することは従来から知られている。掘削工程を制御するためには、進行中の掘削作業の進捗状況を測定する必要があり、即ち、進行中の掘削工程が「良い」か「悪いか」を判断する必要がある。打撃掘削中にドリルロッドに生じる波動は、掘削作業の効率を示す情報が含まれていることが分かっている。これは、打撃要素からドリルストリングを通って岩石に向かう入射波の振幅と、岩石からドリルストリングを通って掘削機に向かう反射波の振幅とを監視することによって調べることができる。ここで、「入射波」は、打撃要素がドリルストリングに衝撃を与えた結果、ドリルストリングを伝わる衝撃を意味する。また、ここで「反射波」は、例えば、ドリルストリングの端部で、入射波がインピーダンスの変化に遭遇した結果、ドリルストリングを伝わって反射される衝撃を意味する。

【0007】

米国特許US 2010/0147084 A1には、掘削装置を制御するために、これらの衝撃の振幅を測定する方法が開示されている。

【0008】

米国特許US 6640205 B2では、掘削工具を伝わる衝撃を使用して、掘削された材料の特性を調べている。その後、工具の動作モードが、前記特性に基づいて提案又は設定されている。

【0009】

米国特許US 7114576 B2は、ドリルストリングにおける衝撃の振幅に応じて打撃エネルギを調整する方法を開示している。

【0010】

従来技術において開示されている方法は、掘削工程の見方が不完全であり、掘削のより良い記述に基づけば、掘削工程の制御は効率的とはいえない。従って、効率的な方法で動作するように、掘削装置の掘削工程の制御方法を開発することが引き続き必要である。

【発明の概要】

【0011】

従って、本発明の目的は、従来技術と比較して、よりよい方法で、進行中の掘削工程がどの程度効率的を判断でき、かつ、それに応じて掘削工程を調整することができる掘削装置の掘削工程制御方法を実現することにある。本発明の別の目的は、従来技術に比べて代替的な解決手段を提供することにある。

【0012】

この目的は、第一の態様によれば、掘削装置の掘削工程制御方法によって達成される。掘削装置は、制御ユニット、少なくとも一つのセンサ、打撃要素及び工具を備え、前記工具の端部には、岩盤を打撃するように構成されたドリルビットが設けられている。また、打撃要素は、工具に衝撃を与えるように構成され、前記工具は、打撃要素によって生み出された衝撃エネルギをドリルビットに伝達するように構成されている。さらに、前記方法は、掘削中に、打撃要素による衝撃時に岩盤に供給される力及び打撃要素による衝撃時の岩盤への食い込み深さに応じたデータを収集する工程を有する。前記方法は、さらに、収集したデータに基づいて打撃工程を決定する工程、及びその打撃工程と基準打撃工程との間の偏差を得る工程を有する。前記方法は、さらに、前記偏差に基づいて打撃工程に関する一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程を有する。

【0013】

掘削装置がセンサを備えているので、前記掘削装置は、岩盤へ供給される力及びドリルストリングに打撃要素が衝撃を与えた時の岩盤への食い込み深さに応じたデータを収集し得る。前記センサは、ドリルストリング上で測定を行うことによって、岩盤へ供給される力と、岩盤への食い込み深さとの両方に応じたデータを抽出するように構成され得る。

【0014】

前記収集データは、動作中の工具の歪みに関連するデータであり得る。例えば、センサは、ドリルビットが岩盤に衝撃を与えた時に生じるドリルストリングのドリルロッドの軸線方向歪み信号及び／又は軸線方向応力信号を測定し得る。ここで、食い込み深さは、ドリルビットのボタンが、どの程度の深さまで岩盤に食い込んだかを意味する。また、岩盤へ供給される力は、工具が岩盤に衝撃を与える力を意味する。

【0015】

掘削装置が、制御ユニットを備えているので、該方法の全ての工程が制御ユニットによって実行され得、自律的掘削装置を得ることができる。前記掘削工程は、より効率的であり得、かつ、人員が掘削装置の近くにいる必要がないため、人員の負傷のリスクが低減する。選択的に、前記制御方法の一部が、制御ユニットで実行され、かつ、他の部分が作業者又は他のシステムによって実行され得る。制御ユニットは、例えば、掘削工程に関する情報を作業者に表示し得、作業者は、それを用いて、掘削装置を制御し得る。掘削装置が、摩耗や効率の観点から望ましくない方法で掘削を行うリスクを低減し得る重要な決定は、作業者によって行われ得る。

【0016】

岩盤に供給する力及び岩盤への食い込み深さに応じたデータに基づいて、打撃工程を決めることによって、工具が岩盤とどのように相互作用するのかの正確なイメージを得ることができる。打撃工程全体の記述が得られるように打撃工程を決めることによって、例えば、衝撃に振幅のような一つのパラメータを経時的に監視するだけの場合と比べて、掘削装置と岩盤との相互作用に関するさらなる情報が得られる。従って、従来公知の方法に比べて、より良い方法で実際の打撃工程が決められ得る。さらに、実際の打撃工程と基準打撃工程との間の偏差を判断し、前記偏差に基づいて打撃工程に関連する一つ又は複数の打撃パラメータを調整することによって、非常に効率的な打撃工程を得ることができる。

【0017】

従って、現在の打撃工程の効率を判断し、それに従って打撃工程を調整し得る掘削装置の打撃工程制御方法が提供される。

【0018】

一つ又は複数の掘削パラメータは、例えば、フラッシング流量、削岩機の回転速度、送り込み力、打撃力、打撃頻度、ストローク長、打撃速度、回転トルク又は衝撃の波形の一つ又は複数に関連し得る。

【0019】

基準打撃工程は、幾つかの実施形態に従って、望ましい掘削工程を記述し得る。掘削工程は、実際の掘削工程が可能な限り基準掘削公知に整合し、実際の掘削工程が望ましい掘削工程に可能な限り近づくように制御され得る。

【0020】

幾つかの実施形態によれば、前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程は、偏差が低減するように前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程から成る。偏差が低減するようにパラメータを調整することによって、実際の掘削工程が望ましい基準掘削工程に整合する掘削に向けて掘削工程を制御する簡単な方法が達成される。それにより、より効率的な掘削工程が得られる。

【0021】

幾つかの実施形態によれば、掘削工程は、収集データに基づいて決められた力－変位曲線から成る。

【0022】

さらに、基準掘削工程は、望ましい掘削工程に基づいて決められた基準力－変位曲線からなり得る。

【0023】

打撃工程を力－変位曲線で構成することによって、打撃工程の完全で詳細な記述を得ることができ、岩盤の現在の孔への食い込み及び現在の孔からの引き抜き中の工具の荷重状態及び非荷重状態が提示され得る。それにより、岩盤への侵入効率が、実際の食い込み深さに対する送り込み力によって説明されるので、実際の掘削工程が決められ得る。この方法では、効率的な良好な掘削と、非効率な悪い掘削との違いが、衝撃の振幅等を比較することによる間接的な研究よりも、はるかに明らかになる。力－変位曲線を使用することにより、実際の打撃工程と望ましい打撃工程との比較を、平方平均値等を用いたグラフの単純な比較等のより簡単な方法で行うことが可能になる。また、実際の打撃工程が望ましい打撃工程とどのように異なっているのかが明らかになるので、簡単な方法で偏差を分析することができ、掘削工程と調整する最適な方法を見つけることができる。

【0024】

幾つかの実施形態によれば、前記制御方法は、打撃要素による各衝撃時に実行され得る。それにより、変化に迅速に反応し、かつ、各調整が迅速なフィードバックをもたらす掘削工程の制御方法が提供される。従って、掘削工程を望ましい掘削工程に向けて迅速に効率的に制御し得、かつ、岩盤の変化にも迅速に対応し得る制御方法が提供される。

【0025】

幾つかの実施形態によれば、前記制御方法は、さらに、偏差の特性を分析する工程と、前記分析結果に基づいて、前記一つ又は複数の掘削パラメータのうちで、調整する必要がある一つ又は複数の第一掘削パラメータを決める工程とを有する。前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程は、偏差が低減するように前記一つ又は複数の第一掘削パラメータを調整する工程からなる。

【0026】

偏差の特性を分析し、分析結果に基づいて調整すべき掘削パラメータを決定することによって、掘削工程を望ましい掘削工程に向けてより効率的に制御し得る。例えば、偏差に最も影響を与えると考えられる掘削パラメータが調整され得、他の掘削パラメータは一定に保たれ得る。このようにして、より予想可能な掘削工程の調整が提供され、システムの変動を低減し、より効率的な制御を行うことができる。

【0027】

幾つかの実施形態によれば、前記制御方法は、さらに、偏差の特性を分析する工程と、前記分析結果に基づいて、偏差が低減するように一つ又は複数の掘削パラメータを調整する第一の態様を決める工程とを有する。一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程は、前記偏差が低減するように、前記第一の態様において、前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程から成る。

【0028】

どの掘削パラメータが調整されるべきかに関して上述した方法と同様に、有利には、偏差を低減するために掘削パラメータをどのように、又はどのような方法で調整すべきかが決められる。これらの工程に従うことで、予測可能な掘削工程の調整が提供され、システムの変動を低減し、より効率的な制御が可能になる。

【0029】

偏差の特性を分析するこれら二つの工程は、有利には、組み合わせられ得る。

【0030】

幾つかの実施形態によれば、前記制御方法は、さらに、偏差が閾値を超えた時にクリティカルアクションを実行する工程を有する。前記クリティカルアクションは、偏差が閾値を超えたことを視覚的に表示すること、音声信号を出力して偏差が閾値を超えたことを表示すること、及び掘削工程を中断することの一つ又は複数を含む。

【0031】

クリティカルアクションは、本明細書では、掘削工程が、通常の掘削工程を考えられ得る状態から外れて進行すると判断された場合に実行されるアクションを意味する。その場合、装置又はその周囲環境を損傷する危険がより高くなるので、当然に避けるべきである。掘削工程が通常の掘削工程から外れているか否かは、偏差を閾値と比較することによって判断される。偏差が閾値を超えた場合、、掘削工程は、許容可能な工程を外れていることになる。この状態は、例えば、ドリルが、トンネルやパイプに貫通したり、岩盤の特性が突然変わったりした場合に生じ得、掘削工程は完全に誤ったものになる。このような場合には、警報が鳴らされるか、又は、視覚的に表示され得る。選択的に、装置又は周囲環境を損傷する危険がある場合には、掘削工程は、完全に停止され得る。

【0032】

幾つかの実施形態によれば、前記制御方法は、さらに、調整後に偏差がどのように変わるかを評価する工程と、偏差が低減するように前記評価結果に基づいて前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程を有する。

【0033】

調整後に偏差がどのように変わったかを評価することによって、偏差が増加しているのか低減しているのかを簡単に判断することができる。掘削工程が複雑であり、かつ、岩盤特性や掘削パラメータのような多くの要因に左右されるため、調整後に偏差が低減することを保証することはできない。

【0034】

従って、有利には、掘削パラメータを調整した後に偏差がどのように変わるのかが評価され得る。掘削パラメータがどのように変化するのか、及び、それが偏差にどのような影響を与えるのかを知ることによって、より確実に偏差の低減につながる新たな調整を決めることができる。このように評価に基づいて調整を行うことによって、各変更が偏差にどのように影響するのかを考慮せずに、掘削パラメータの変更を繰り返すことにより、システム変動のリスクが低減される。

【0035】

前記評価工程は、さらに、岩盤へ供給される力及び打撃要素の次の衝撃時の岩盤への食い込み深さに依存する次のデータセットを収集する工程を有し得る。前記評価工程は、さらに、収集したデータに基づいて次の打撃工程を決める工程と、次の打撃工程と基準打撃工程との次の偏差を判断する工程を有する。その後、その偏差と次の偏差とを比較することで、調整後に偏差がどのように変化したかが評価される。

【0036】

従って、掘削パラメータの調整前の偏差と、掘削パラメータの調整後の偏差の二つの連続して偏差が判断される。これにより、簡単な方法で、複数の偏差が比較され得、比較結果が、掘削パラメータの次の調整の基礎として使用され得る。従って、掘削装置の掘削工程を効率的に制御する方法が得られ、該方法はロバストであり、実際の打撃工程と基準打撃工程との間の偏差が経時的に低減することを保証する。

【0037】

また、上記目的は、第二の態様によれば、制御ユニットと、少なくとも一つのセンサと、打撃要素と、工具とを備え、工具の端部に岩盤に打ち込まれるように構成されたドリルビットが設けられた掘削装置によって達成される。前記打撃要素は、工具に衝撃を与えるように構成され、前記工具は、打撃要素によって生み出された衝撃エネルギをドリルビットに伝達するように構成される。制御ユニットは、上述した方法にしたがって、掘削中に掘削装置を制御するように構成されている。

【0038】

制御ユニットが、上述した方法に従って掘削装置を制御するように構成されているので、上記した利点を同様の利点が得られる。それにより、現在の掘削工程がどの程度効率的であるかを判断することができ、かつ、それに従って掘削を調整することができる方法に従って掘削工程が制御される掘削装置が得られる。

【0039】

また、制御ユニットが掘削装置を制御するので、掘削工程を自律的又は半自立的、即ち、作業者からの入力なしに、又は限られた入力で実行し得る掘削装置が提供される。

【0040】

掘削工程は、それにより、より効率的に実行され得る。

【0041】

幾つかの実施形態によれば、少なくとも一つのセンサが、打撃要素による衝撃時に岩盤へ供給される力及び打撃要素の衝撃時の岩盤への食い込み深さに応じたデータを収集するように構成される。収集データは、動作中の工具の歪みに関連するデータであり得る。例えば、センサは、ドリルビットが岩盤に衝撃を与えた時に生じるドリルストリングのドリルロッドの軸線方向の歪み信号及び／又は軸線方向の応力信号を測定し得る。

【0042】

前記掘削装置は、例えば、削岩機であり得る。

【0043】

本発明の目的及び効果並びに特徴は、添付図面を参照した一つ又は複数の実施形態についての以下の説明から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】掘削装置の実施例の概略図である。

【図2】複数の力－変位曲線を示すグラフである。

【図3】力－変位曲線及び基準力－変位曲線を模式的に示すグラフである。

【図4a】第一の実施形態による力－変位曲線及び基準力－変位曲線を模式的に示すグラフである。

【図4b】第二の実施形態による力－変位曲線及び基準力－変位曲線を模式的に示すグラフである。

【図5】掘削装置の掘削工程制御方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、幾つかの実施形態を示す添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。本発明は、記載された実施形態に限定されると見なされるべきでなく、添付の特許請求の範囲によって定義される。本明細書において、同一の符号は同一の構成要素を参照する。

【0046】

図１は、掘削装置１の実施形態を非常に概略的に示している。掘削装置１は、制御ユニット３及び少なくとも一つのセンサ５を備えている。掘削装置１は、さらに打撃要素７及び工具９を備えている。前記打撃要素７は、例えば、打撃ピストンであり得、また、前記工具９は、例えば、アダプタ、一つ又は複数の連結されたドリルロッド、及び岩盤１３を打撃するように構成されたドリルビット１１から成るドリルストリングであり得る。

【0047】

ドリルビット１１は、工具９の端部に設けられている。打撃要素７は、高速で工具９に衝突するように構成されている。工具９は、打撃要素７によって生成される衝撃エネルギをドリルビット１１に伝達するように構成されている。ドリルビット１１は、岩盤１３を打撃し、それにより、ドリルビットに設けられたボタン（図示せず）が岩盤１３に打ち込まれ、岩盤１３の中に進行して、岩盤１３に孔１５を形成する。

【0048】

上述したように、削岩は、エネルギを消費する作業である。岩盤の特性及び特徴、並びに、使用される掘削パラメータ及びドリルビットの種類、材料及びサイズ等の工具９の両方が掘削工程に影響を与えることになる。ここでは、掘削パラメータは、フラッシング圧力、フラッシング流量、打撃速度、回転速度及び送り込み力等を意味する。

【0049】

現在の掘削が望ましい方法で進行しているか否かを判断し、そうでない場合には、それが望まし掘削工程に対応するように掘削を調整することが望ましい。これは、制御ユニット３が、掘削工程の大部分又は全体を制御する自律的又は半自立式掘削において特に重要である。

【0050】

望ましい掘削工程は様々な工程があり得る。望ましい掘削工程は、例えば、孔１５の所定の深さに対して最低限のエネルギを使用して掘削することであり得る。又は、高速な掘削工程が望ましい場合がある。これらの要望の幾つかは、互いに相反するものもあり得る。例えば、高速穿孔工程は、工具９の摩耗を増加させる可能性がある。他の要望は、協働し得るものもある。

【0051】

望ましい掘削工程に拘わらず、現在の掘削工程の効率又は能力は定量化する必要がある。現在の掘削工程を定量化するための従来の公知の方法は、実際の掘削工程を十分に記述していないため、掘削工程の制御が鈍くなる。

【0052】

この問題を解決するために、本発明によれば、センサ５が、打撃要素７の衝突時の岩盤１３に供給される力及び岩盤１３への刻み込み深さに応じた測定データを収集する。従って、打撃要素７が工具９に衝突する時、工具９が岩盤１３に衝突する時、及び反動が生じる時に、センサ５が、これらの測定データを収集する。センサ５は、例えば、衝撃時の工具９の軸線方向歪みを測定することで、これらのデータを収集し得る。その後、収集されたデータに基づいて、打撃工程が決められる。打撃工程は、衝撃の全過程を記述し、従って、岩盤１３へ供給される力及び岩盤１３への刻み込み深さに基づいている。その後、打撃工程は、基本打撃工程と比較され得る。基準打撃工程は、望ましい掘削工程を記述し得る。現在の打撃工程は、二つの打撃工程間の偏差を決めることで、基準打撃基準と比較され得る。前記偏差に基づいて、掘削工程に関連する一つ又は複数の掘削パラメータが調整され得る。掘削パラメータは、例えば、偏差が小さくなるように調整され得る。当然のことながら、常に、掘削パラメータの調整に基づいて偏差が小さくなるように、それは決められ得る。従って、「偏差が小さくなるように」という表現は、調整によって偏差が小さくなるように掘削パラメータが調整されるようにすると解釈されるべきである。

【0053】

掘削装置は、センサ５によって収集された測定データと、測定データに係る打撃工程と基準打撃工程との比較結果とに基づいて、少なくとも部分的に制御ユニット３によって制御されるように構成されている。

【0054】

打撃工程は、収集した測定データに基づいて決められた力－変位曲線によって表され得る。図２は、実験室での測定で得られたデータに基づいた多数の力－変位曲線を示しており、掘削中に力－変位曲線がどのように変化し得るかを例示している。Ｙ軸に岩盤に供給される力Ｆを、Ｘ軸に岩盤への圧痕の深さを示す。図２に示すように、力－変位曲線は、同じ岩盤で、かつ、同じ掘削パラメータであっても、掘削中に大きく変化し得る。力－変位曲線の変化は、掘削効率と相関している。力－変位曲線は、ボタンが岩盤に食い込んだ時の工具の初期負荷段階と、新しく形成された孔から工具が引き戻される時の最終負荷段階とを有する工具の打撃工程を表している。

【0055】

望ましい掘削効率を有する望ましい掘削工程を表す望ましい力－変位曲線は、様々な掘削工程の力－変位曲線を分析し、効率的な掘削工程を、所定のタイプの力－変位曲線に相関させることによって決められ得る。このようにして、基準力－変位曲線で表される基準打撃工程が得られる。その後、掘削中に岩盤１３へ与える工具９の衝撃に対する力－変位曲線を決めることによって、前記力―変位曲線は、所望の力－変位曲線と比較され得る。掘削パラメータは、前記比較結果に基づいて、その後、調整され得る。

【0056】

力－変位曲線は、例えば、入射及び反射衝撃の軸線方向の波の時間データから時間窓を選択することで決定され得る。ドリルビットの既知の長さに加えて、ドリルビットにおける軸線方向の歪み波を検知するセンサが、時間窓のために使用される。また、センサは、ドリルビット又はネック上の様々な位置に配置され得る。前記位置は測定信号に影響を与えるため、それを考慮しなければならない。力－変位曲線は、次式に従って決められ得る。

【0057】

【数1】

式中、δinc は入射波の応力、δrefは反射波の応力、Eは弾性体モジュールである。
さらに、
εincは、入射波の周りの選択された歪み信号であり、時間データからのトリガー、又はロッドにおける衝撃、ジオメトリ及び波速度からの基準パルスを使用することによって選択される。
εrefは、反射波の周りの選択された歪み信号であり、εincのセンサ位置とロッド及びドリルビットのジオメトリ並びに波速度に関連して選択時間を決定することによって選択される。

【0058】

また、力－変位曲線を決める別の方法も本発明によって構成される。例えば、複数のセンサを使用する場合には、計算を調整しなければならない。これらの方法は、信号処理及び波形伝搬の技術分野で一般的に公知であり、ここではこれ以上説明しない。

【0059】

図3は、三つのベクトルki、kc、krで表される概略的な力－変位曲線の一実施例を示している。ｙ軸は岩盤に供給される力であり、ｘ軸は食い込み深さを示している。ベクトルｋｉ及びｋｃは荷重段階を示しており、ベクトルｋｒは荷重なし段階を示している。

【0060】

基準となる打撃工程は、また、所望の掘削工程によって決められた力－変位曲線によって構成され得る。図３には、基準曲線が点線で示されている。複数の力－変位曲線及びそれによる複数の打撃工程は、例えば、曲線間の変位を得るために最小二乗法によって比較され得る。曲線を比較する他の方法は、例えば、傾きや長さ等の測定データを介して部分的な曲線を比較することであり得る。測定データは、絶対値だけでなく、相対値、即ち、相互に相関した値でも表され得る。他の実施例としては、ベクトルｋｉ、ｋｃ及びｋｒの角度を調べることが挙げられる。

【0061】

打撃工程を決定するために、現在の打撃工程と基準打撃工程との間の偏差が分析され得る。図４ａ及び図４ｂは、どのようにして、現在の打撃工程の力－変位曲線と、基準打撃工程の力－変位曲線との比較が偏差を分析するために使用さ得るかを示している。

【0062】

図４ａには、概略的な現在の打撃工程が実線で示され、基準打撃工程が点線で示されている。基準打撃工程は、望ましい打撃工程を表している。図４ａに示されているように、ボタンは岩盤にあまり深く突き刺さっていない。同時に、送り込み力は一時的に高くなっている。これは、岩盤が硬すぎるか、又は、ドリルストリングの回転速度が低すぎることを意味し得る。従って、この情報は、どの掘削パラメータを調整すべきか、即ち、回転速度を調整することを決定し、かつ、そのパラメータをどのように調整すべきか、即ち、回転速度を上げることを決定するために使用され得る。

【0063】

図４ｂには、現在の打撃工程が実線で概略的に示されており、基準打撃工程が点線で示されている。基準打撃工程は、望ましい打撃工程を表している。図４ｂから、ボタンは、予想以上に深く突き刺さっており、岩盤に送り込まれる力は良そうよりも小さくなっていることが分かる。これは、フラッシング流量が少なすぎて、結果として、孔１５にドリル屑が残ってしまうこと、又は、岩盤１３が柔らかすぎることを意味し得る。従って、この分析は、フラッシング圧力又はフラッシング流量を増やすために使用することができ、即ち、調整するための掘削パラメータを選択し、かつ、その掘削パラメータをどのように調整すべきかを決定するために使用され得る。

【0064】

従って、前記分析に基づいて、前記一つ又は複数の掘削パラメータから、偏差を低減させるために調整する必要がある一つ又は複数の第一掘削パラメータを決定することが可能になる。加えて、前記分析に基づいて、偏差が低減されるように一つ又は複数の掘削パラメータを調整するための第一の方法を決定することが可能になる。

【0065】

打撃工程と基準打撃工程との間の偏差は、また、掘削工程が、機器とその周囲環境にとって安全な方法で進行することを保証するためにも使用され得る。偏差が所定の閾値より低いことを確認することで、掘削工程が正常に実行されていることを保証することができる。仮に掘削装置１がトンネル内に貫通してしまい、岩盤に当たらなくなると、偏差は急激に上昇し、閾値を超えることになる。このような事態が発生した場合、制御ユニット３は、クリティカルアクションを実行し得る。クリティカルアクションは、例えば、閾値を超えたことを使用者等に視覚的に表示することであり得る。また、閾値を超えた時に警報を鳴らすように構成することもでき、また、装置が損傷を受けないように掘削工程を中断するように構成することもできる。

【0066】

次に、掘削装置１の掘削工程の制御方法５００について説明する。選択的な工程は、図面に破線で示されている。

【0067】

以下に説明する方法の工程は、例えば、制御ユニット３によって実行され得る。

【0068】

図５は、掘削装置１の掘削工程制御方法５００の一実施形態を示している。掘削装置１は、制御ユニット３、少なくとも一つのセンサ５、打撃要素７及び工具９を有する。工具９の端部には、岩盤１３を打撃するように構成されたドリルビット１１を備えている。打撃要素７は、工具９に衝撃を与えるように構成され、工具９は、打撃要素７によって生み出された打撃エネルギをドリルビット１１に伝達するように構成されている。本発明に係る方法は、掘削中に、打撃要素７が衝撃を与えた時の岩盤への食い込み深さと、岩盤に送り込まれる力とに応じたデータを収集する工程５０１を含む。また、前記方法は、収集したデータに基づいて打撃工程を決定する工程５０２を有する。該方法は、さらに、打撃工程と基準打撃基準との間の偏差を測定する工程５０３を有する。さらにまた、該方法は、偏差に基づいて掘削工程に関する一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７を有する。

【0069】

基準掘削手順と実際の掘削手順との間の偏差は、上述したように、どのように衝撃工程を表すかに依存した複数の様々な方法で決められ得る。

【0070】

基準打撃工程は、例えば、エネルギの観点から、又は、岩盤への進行の観点から、検討された、即ち、効率的であることが証明された先行する掘削工程に基づいて、経験的に決められ得る。基準打撃工程は、掘削速度、消費エネルギ又はドリルの摩耗の最小化のように、特定のパラメータが最適化された掘削工程を記述し得る。これらのパラメータの最適化は、エネルギ効率等の幾つかの他のパラメータを犠牲にして、実行され得る。選択的に、基準打撃工程は、複数のパラメータを相互にバランスさせた時に、最適又は効率的になる掘削が検討された掘削工程を記述し得る。また、基準打撃工程は、計算又はシミュレーションすることによって決定され、従って、最適化された手順を記述することも考えられ得る。基準打撃工程は、例えば、データベースからピックアップされ得る。

【0071】

特定の実施形態によれば、一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７は、偏差が低減するように前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７から成る。

【0072】

さらに、この方法は、偏差の特性を分析する工程５０４と、前記分析結果に基づいて、前記一つ又は複数の掘削パラメータの中から偏差を低減させるために調整する必要がある一つ又は複数の第一掘削パラメータを決定する工程５０５を有し得る。前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７は、偏差を低減するように一つ又は複数の第一掘削パラメータを調整する工程５０７から成る。

【0073】

さらにまた、前記方法は、偏差の特性を分析する工程５０４と、前記分析結果に基づいて、偏差が低減するように一つ又は複数の掘削パラメータを調整する第一の態様を決定する工程５０６を有し得る。前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７は、前記第一の態様で、偏差を低減するように一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５０７から成る。

【0074】

前記「第一の態様」は、変更すべき掘削パラメータに依存する。打撃速度に関連する掘削パラメータの場合には、第一の態様は、打撃速度を上げること、又は下げることであり得る。掘削パラメータがフラッシング圧力に関する場合には、第一の態様は、フラッシング圧力等を上げること、又は下げることであり得る。当業者であれば、パラメータが既知であるため、特定の態様、即ち、第一の態様でパラメータを調整することの意味は直ぐに理解され得る。従って、これについては、さらなる説明はしない。

【0075】

さらに、該方法は、偏差が閾値を超えた時にクリティカルアクションを実行する工程５１３を有し得、ここで、クリティカルアクションは、偏差が、閾値が超えたことを視覚的に表示する工程、音声信号を出力することで偏差が閾値を超えたことを表示する工程、及び掘削工程を中断する工程の一つ又は複数を有する。

【0076】

さらにまた、該方法は、調整工程５０７を実行した後、偏差がどのように変化したかを評価する工程５１１を有し得る。該方法は、さらに、偏差が低減するように評価に基づいて前記一つ又は複数の掘削パラメータを調整する工程５１２を有する。幾つかの実施形態によれば、該方法は、さらに、打撃要素が次の衝撃を与える時に、岩盤に供給される送り込み力及び岩盤への食い込み深さに応じて、次のデータセットを収集する工程５０８を有し得る。該方法は、さらに、収集したデータに基づいて次の打撃工程を決定する工程５０９及び次の打撃工程と基準打撃工程との間の次の偏差を取得する工程５１０を有し得る。評価工程５１１は、現在の偏差と次の偏差との間の比較結果に基づいて、偏差が調整後にどのように変化したかを評価する。

【0077】

上述の方法を実行することによって、掘削装置１の掘削工程は制御されることになる。明確にするために、上記の工程は、打撃要素7による各衝撃時に実行されるように、掘削k中に複数回実行され得ることに留意すべきである。

【0078】

基準打撃工程は、望ましい掘削工程を記述し得る。一つ又は複数の掘削パラメータは、フラッシング、ロックドリルの回転速度、送り込み力、打撃力、打撃頻度、ストローク長、打撃速度、回転トルク、又は衝撃の波形の一つ又は複数に関連し得る。前記収集データは、動作中の工具の歪みに関連したデータであり得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5】

【国際調査報告】