(57)【要約】      （修正有）【課題】掘削中に掘削ツールの位置を特定する装置および方法を提供する。【解決手段】この装置１１は、回転掘削ツールに取り付けられた磁気源１３と、掘削穴の外部に配置された少なくとも３つの磁力計１２とを備える。回転磁界の検知データは、磁力計から、位置計算アルゴリズムが備わっている制御ユニットＣＵに伝送される。制御ユニットには、磁力計の姿勢データも備わっている。制御ユニットは、受け取った検知データを比較し、検知データから位相角を特定する。このアルゴリズムは、位置を計算するとき、位相角と、磁力計の既知の位置とを利用する。【選択図】図２
2020190185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩石掘削リグ（１）の掘削ツール（８）が長手方向の掘削軸（９）のまわりで回転する（Ｒ）掘削中に、前記掘削ツール（８）の位置の変化を検出するための装置（１１）であって、
前記回転可能な掘削ツール（８）に取り付けられ、回転磁界を生成するように構成された少なくとも１つの磁気源（１３）であって、前記磁界の軸（１７）の方向が前記掘削軸（９）から逸脱する、少なくとも１つの磁気源（１３）と、
前記磁気源（１３）によって生成された前記磁界を検知するように構成された少なくとも１つの磁力計（１２）と、
前記磁力計（１２）から検知データを受け取るように構成され、前記回転磁界を検査するように構成された少なくとも１つの制御ユニット（ＣＵ）とを備える装置（１１）において、
前記装置（１１）が、すべて前記掘削ツール（８）に対して外部に配置された少なくとも３つの磁力計（１２ａ〜１２ｃ）を備え、
前記制御ユニット（ＣＵ）には、前記磁力計（１２）の位置および方向に関するデータ（２５）が備わっており、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記磁力計（１２）から受け取った前記検知データ（２９）の間の位相差を検出するように構成されており、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記検出された位相差に応答して、前記磁力計（１２）と前記回転する磁気源（１３）の間の位相角（Ｂ、Ｃ、Ｇ）を特定するように構成されており、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記検出された位相角（Ｂ、Ｃ、Ｇ）および前記磁力計（１２）の前記入力された位置および方向（２５）に基づいて前記磁気源（１３）の位置（３２）に関するデータを計算するように構成されており、
ここにおいて
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記掘削穴（２）内部の前記磁気源（１３）の進行距離（３０）に関するデータをさらに供給され、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記磁気源（１３）の位置（３２）に関する前記計算されたデータおよび前記進行距離（３０）に関する前記データを使用して前記掘削ツール（８）の３次元位置データを計算するように構成されている、ことを特徴とする、装置（１１）。
【請求項２】
前記制御ユニット（ＣＵ）が前記磁気源（１３）の前記位置計算において三角測量を実施するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記受け取られた磁界値の最大の強度を特定することによって、前記受け取られた検知データ（２９）を検査し、前記検査される磁力計（１２ａ〜１２ｃ）に対する前記磁気源（１３）の対応する回転角（Ａ）を特定するように構成され、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記検出された最大の強度値の前記特定された回転角（Ａ）を比較することにより、前記基準検知データ（２８）の間の位相角（Ｂ、Ｃ、Ｇ）を特定するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁力計（１２）が、掘削されている前記ドリル穴（２）を囲む岩肌（３８）に配置される、ことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記掘削穴（２）内部の前記磁気源（１３）の異なる進行距離（Ａｄ）にあるいくつかの測定点（Ｍｐ）における前記磁力計（１２）から検知データを供給され、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記いくつかの測定点（Ｍｐ）の前記計算された位置データを比較するように構成され、前記位置データにおける検出された偏差に応答して前記掘削ツール（８）の曲げを特定するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記制御ユニット（ＣＵ）には、作業現場の座標系（３９）における、前記磁力計（１２）の座標に関するデータが備わっており、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記作業現場の座標系（３９）における前記磁気源（１３）の座標を計算するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記制御ユニット（ＣＵ）には位置検出アルゴリズム（２１）を実行するように構成されたプロセッサ（２０）が備わっており、前記位置検出アルゴリズム（２１）の実行により、前記受け取られた前記磁力計（１２）の検知データ（２９）および前記入力された位置データ（２５）に応答して前記磁気源（１３）の前記位置を計算するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記検出された磁界の強度を比較することなく位置特定を実行するように構成されている、ことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記磁気源（１３）が永久磁石である、ことを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記磁気源（１３）が、前記掘削ツール（８）の遠位端に配置されたドリルの刃先（１０）に取り付けられている、ことを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
可動運搬車（３）と、
岩石掘削ユニット（５）を装備し、前記運搬車（３）に対して移動可能に接続された少なくとも１つの掘削ブーム（４）とを備え、
前記岩石掘削ユニット（５）が、送りビーム（６）および前記送りビーム（６）上に移動可能に支持された岩石掘削機（７）を備える、岩石掘削リグ（１）において、
前記掘削ユニット（５）に対して接続可能な前記掘削ツール（８）の位置を特定するための、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置（１１）が、少なくとも１つ備わっていることを特徴とする、岩石掘削リグ（１）。
【請求項１２】
掘削動作中に岩石掘削リグの掘削ツールの位置を特定する方法であって、
前記掘削中に、前記掘削ツール（８）を、長手方向の掘削軸（９）のまわりで回転させながら（Ｒ）、前記掘削ツール（８）を進行方向において軸方向前方へ送ること（Ｆ）と、
前記掘削中に、前記回転掘削ツール（８）に取り付けられた少なくとも１つの磁気源（１３）および少なくとも１つの磁力計（１２）を備える装置（１１）によって、前記掘削ツール（８）の位置を検出することと、
前記掘削ツール（８）とともに前記磁気源（１３）を回転させること（Ｒ）によって回転磁界を生成することと、
前記少なくとも１つの磁力計によって前記回転磁界を検知して検知データ（２９）を生成することとを含み、
前記検知することにおいて、少なくとも３つの磁力計（１２ａ〜１２ｃ）を実装して少なくとも３つの検知データ（２９ａ〜２９ｃ）を生成することと、
前記生成された検知データ（２９ａ〜２９ｃ）の間の比較を実行して、位相差および位相角（Ｂ、Ｃ、Ｇ）を特定することと、
前記特定された位相角（Ｂ、Ｃ、Ｇ）に基づいて前記磁力計（１２ａ〜１２ｃ）の既知の姿勢（２５）に対する前記磁気源（１３）の位置を計算することと、によって特徴づけられる方法において、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記掘削穴（２）内部の前記磁気源（１３）の進行距離（３０）に関するデータをさらに供給され、
前記制御ユニット（ＣＵ）が、前記磁気源（１３）の位置（３２）に関する計算されたデータおよび前記進行距離（３０）に関する前記データを使用して前記掘削ツール（８）の３次元位置データを計算するように構成されている、方法。
【請求項１３】
前記掘削中に、掘削穴（２）内部の前記磁気源（１３）の進行距離（Ａｄ）を検知することと、
前記ドリル穴（２）内で、異なる深さを有するいくつかの測定点（Ｍｐ）における位置測定を繰り返すことと、
前記いくつかの測定点（Ｍｐ）における前記掘削ツール（８）の前記計算された位置を比較して、前記比較に応答して前記ドリル穴（２）の真直度を特定することによって特徴づけられる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
コンピュータまたはデータ処理デバイス（２０）で実行されたとき、上記の独立請求項において開示されたステップおよび手順を実行するように構成されたプログラムコード手段を含む、ことを特徴とする、コンピュータプログラム製品（２１）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、岩石掘削中に掘削ツールの場所を特定するように構成された装置に関する。この装置は磁界計測を利用する。
【０００２】
本発明はさらに、開示された装置が備わっている岩石掘削リグ、ならびに岩石掘削中に掘削ツールの場所を特定するための方法およびコンピュータプログラム製品に関する。
【０００３】
本発明の分野は、独立請求項のプリアンブルにおいてより具体的に定義される。
【０００４】
鉱山や他の作業現場では、岩石物質にドリル穴を掘削するために様々なタイプの岩石掘削リグが使用される。掘削リグは、掘削機が備わっている掘削ユニットを備え、掘削機には掘削ツールが接続されている。掘削中に、掘削ツールには様々な力がかかり、それによって掘削ツールが横方向へ動き、計画された掘削ラインから離れてしまう。すると、完成したドリル穴が設計されたドリル穴からずれ、掘削に続く手順に問題が起こり得る。したがって、掘削穴の特性を検査するための様々なデバイスおよび方法が開示されている。しかしながら、掘削中のドリル穴の検知特性には問題がある。掘削中のドリル穴の内部状態は非常に苛酷である。そのために、掘削中に掘削ツールの位置を追跡するための現在知られている確かな解決策はない。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の目的は、掘削中に掘削ツールを追跡するための、新規な改善された装置および方法を提供することである。さらなる目的は、そのような装置を装備した岩石掘削リグと、開示された解決策を実施するためのコンピュータプログラムとを提供することである。
【０００６】
本発明による装置は、装置の第１の独立請求項を特徴づける機能によって特徴づけられる。
【０００７】
本発明による岩石掘削リグは、装置の第２の独立請求項を特徴づける機能によって特徴づけられる。
【０００８】
本発明による方法は、方法の独立請求項を特徴づける機能によって特徴づけられる。
【０００９】
本発明によるコンピュータプログラム製品は、装置の第３の独立請求項を特徴づける機能によって特徴づけられる。
【００１０】
開示される解決策の概念は、掘削プロセス中に、掘削ツールの位置が監視されることである。
【００１１】
この解決策は、掘削ツールの横方向への移動すなわち横位置移動を検知するための磁気追跡システムを開示するものである。開示される解決策では、掘削ツールの位置は磁気に基づいて検知される。
【００１２】
この装置は、回転掘削ツールに取り付けられた少なくとも１つの磁気源を備える。さらに、この装置は最低限でも３つの磁力計を備え、磁力計はドリル穴の外部に配置されている。回転磁界の検知データは、磁力計から、位置計算アルゴリズムが備わっている制御ユニットに伝送される。制御ユニットには、３つ以上の磁力計の姿勢を含む計算のための基本データも備わっている。制御ユニットは磁力計から検知データを受け取り、受け取ったデータの間の位相差を特定する。特定された位相差は、磁力計と磁気源の間の位相角に対応する。制御ユニットが計算プログラムまたはアルゴリズムを備えており、この計算プログラムまたはアルゴリズムの実行により、検出された位相角および磁力計の既知の姿勢に基づいて掘削ツールの位置を計算する。
【００１３】
開示された解決策には、ボーリング穴の方向を特定するためにダウンホール測定器を使用する必要がないという利点がある。開示された解決策には、ドリル穴の掘削中に測定が行われる、掘削中の測定（ＭＷＤ）の解決策を提供するというさらなる利点がある。開示された測定プロセスおよび機構は、どのような形でも掘削を妨げることはない。測定は掘削中にいつでも開始されてよく、または、掘削中に測定プロセスが連続的に実行されてもよい。
【００１４】
開示された、磁気に基づくシステムは、磁性材料または鉄鉱石が掘削ツールの回転磁界の検知を妨げる状況を除けば、すべての種類の掘削環境に適するものである。
【００１５】
非常に遠い距離からの磁界が検知され得るというさらなる利点がある。掘削される岩石物質は、同質でなくてもよく、様々な種類の岩石物質および様々な岩質を含んでもよく、それでも、開示された解決策を使用すれば検知が妨げられない。
【００１６】
検査されているドリル穴の外部に磁力計が配置されるので、磁力計の位置決めは簡単かつ迅速であり、さらに、磁力計の位置として選択されるための多くの任意選択の場所がある。
【００１７】
この解決策は、掘削機器の大規模な再設計が不要であるため、低コストでもある。掘削ツールに１つまたは複数の磁気源を設ければ十分であり、既存の掘削ツールに対して必要なのは、若干の変更または追加装備のみである。既存の掘削部材に磁石を後付けすることさえ可能であろう。
【００１８】
一実施形態によれば、開示された位置検出システムは、実際の掘削を開始するのに先立って較正されるかまたは検証されてよい。次いで、磁気源を有する掘削ツールが、希望のドリル穴位置に配置され、希望のドリル穴方向に従って整列される。ドリル穴の位置および方向は、掘削パターンまたは掘削計画の中で事前に決定されてよい。掘削ユニットは岩肌に対して支持されてよく、掘削ツールはそれ自体の掘削軸のまわりを回転する。次いで、開示された解決策によって掘削ツールの位置が計算され、結果が、岩石掘削リグによって正確に認識されている位置と比較され得る。
【００１９】
一実施形態によれば、制御ユニットは位相角の変化を監視するように構成されてよく、所定の限度またはルールを超えたときには制御ユニットは正確な位置データを計算してよい。
【００２０】
一実施形態によれば、磁力計によって検知された磁束が、掘削ツールの回転角に対する関数として検査される。したがって、検査は時間に対する関数として実行されるわけではない。
【００２１】
一実施形態によれば、制御ユニットは、検出された位相角と、入力されたいくつかの磁力計の位置および磁気源の基準位置とに基づいて、掘削ツールの位置に関する２次元（２Ｄ）データを計算するように構成されている。言い換えれば、制御ユニットは、掘削軸に対する横断方向の位置変化を計算する。制御ユニットは２次元面における状態を検査し得る。
【００２２】
一実施形態によれば、この装置の掘削ツールには、いかなる電気的検知デバイスも取り付けられていない。それによって、掘削中のドリル穴の内部に掘削ツールとともに挿入される電気的検知デバイスはない。
【００２３】
一実施形態によれば、この装置は、打撃掘削ばかりでなく回転掘削においても実施され得る。さらに、この装置は、トップハンマ掘削の解決策およびダウンザホール掘削の解決策に関連して使用されるのに適する。開示された解決策は、地表掘削および地下掘削において実施され得る。
【００２４】
一実施形態によれば、測定および位置データの計算は、掘削中にリアルタイムで実行される。
【００２５】
一実施形態によれば、制御ユニットは、回転磁界のみを考慮に入れるように構成されており、回転磁界の回転速度は掘削ツールの回転速度に対応する。それによって、掘削ツールの回転磁界を求めるとき、可能性のある他の磁界がフィルタリングされ、分離され、場合によっては無視されてもよい。
【００２６】
一実施形態によれば、検出される交番磁界の周波数は掘削ツールの回動速度と等しい。
【００２７】
一実施形態によれば、開示された解決策は、ドリル穴の方向および目的に関係なく実施され得る。そこで、下方または上方へ向かうドリル穴があけられるとき、垂直方向の掘削のために、開示された測定が実行され得る。さらに、この測定は、トンネル工事における切羽掘削などの実質的に水平方向の掘削にも適している。
【００２８】
一実施形態によれば、磁力計の位置は、磁力計の位置および方向が特定されて、測定を開始する前に制御システムに入力される限り、自由に選択され得る。磁力計の位置は、たとえば外部の位置測定システムによって特定されてよい。いくつかの近隣のドリル穴が掘削されるとき、磁力計は、場合によっては、同一の既知の位置に維持されてよい。そのようにすると、各ドリル穴が完成した後に磁力計の位置を変える必要はない。言い換えれば、いくつかの別個のドリル穴について、磁力計の既知の姿勢設定が利用される。
【００２９】
一実施形態によれば、装置は３つ、４つ、またはそれ以上の磁力計を備え得る。磁力計の最小数は３つであり、３つ未満であると位置計算の三角法を解くための初期の位置データおよび角度データが不足する。多数の磁力計を実装すると、さらにいくつかの検知結果を比較することによって測定の精度が検証され得る。この実施形態は、磁界に擾乱が生じる作業現場で動作するとき有効であり得る。
【００３０】
一実施形態によれば、制御ユニットには、必要な計算を実行するためのコンピュータプログラム製品またはアルゴリズムが備わっている。計算プログラムまたはソフトウェアは、計算において三角測量および三角法を実施する。
【００３１】
一実施形態によれば、受け取られた検知データは、受け取られた磁界データの最大の強度値と、このピーク値が検出されたときの、検査される磁力計に対する磁気源の対応する回転角とを特定することによって検査される。さらに、基準検知データと任意の新規の検知データの間の位相角は、検出された最大の強度値の回転角を比較することによって特定される。言い換えれば、この実施形態は検知されたピーク値を利用する。
【００３２】
一実施形態によれば、制御ユニットは、検知された磁界のピーク値を検査することによって上述の位相角および位相差を検出しても検出しなくてもよい。あるいは、検出のために最小の強度値が使用されてもよい。
【００３３】
一実施形態によれば、位相角および位相差を特定するためのさらなる代替形態は、より広範な検知データのサンプルを解析するもの、または、位相差および位相角を検出するために検知データを連続的に監視するものである。その場合、ピークまたは他の単一値を検査するだけでなく、代わりに、解析はより長い期間を含む。あるいは、複数の波長が検査され得る。解析は、計算より前に検知された１つまたは複数の波長を考慮に入れてもよい。位相角の計算は信号処理方法に基づくものでよい。その代わりに、またはそれに加えて、位相差および位相角を特定するためにベクトル代数およびフーリエ変換などの数理解析が実施されてよい。要約すると、磁力計の検知データを解析するためのいくつかの代替方法がある。
【００３４】
一実施形態によれば、磁力計は、掘削されているドリル穴の周囲の岩肌に配置される。その場合、岩肌に磁力計を取り付けるのは簡単かつ迅速である。
【００３５】
一実施形態によれば、磁力計は表面レベルに配置される。その場合、磁力計と制御ユニットの間のデータ転送は用意するのが容易である。さらに、表面に取り付けられた磁力計は、苛酷な地下環境にさらされない。それによって、測定のために、標準的な市販の磁力計を使用することができる。
【００３６】
一実施形態によれば、磁力計は、水平な面または実質的に水平な面に配置される。
【００３７】
一実施形態によれば、磁力計の既知の位置および磁気源の基準位置が、磁気源の位置変化が検査される２次元面を定義する。これらの位置はＸＹ座標において定義され得る。
【００３８】
一実施形態によれば、完成したドリル穴の設計された深さに関連して、ドリル穴からの磁力計の横断距離が選択される。横断距離は、通常は数メートルであり、たとえば最大１０〜２０メートルであり得る。
【００３９】
一実施形態によれば、ドリル穴からの１つまたは複数の磁力計の横断距離は、特別な場合には比較的小さいことがある。そこで、１つまたは複数の磁力計がドリル穴の近く配置され得るが、いずれにしてもドリル穴の外部である。
【００４０】
一実施形態によれば、磁力計は岩石掘削リグに取り付けられる。その場合、磁力計は、たとえば運搬車上に、掘削ブームまたは掘削ユニットに取り付けられてよい。さらに、磁力計はアームに取り付けられてよく、その結果、掘削ツールから横方向距離においてより遠くに配置され得る。アームによって、磁力計は、掘削ツールのまわりの希望の場所に位置決めされ得る。前述のアームは可動でよく、掘削ツールに対する位置および距離が変化し得る。このアームはまた、収縮された搬送位置または保管位置と、延長された検知位置または動作位置とを有し得る。
【００４１】
一実施形態によれば、開示された解決策は、ｘ、ｙおよびｚ成分の３つの成分で３つの方向の磁束を検知することができる磁力計を利用する。測定システムによって磁力計の位置および方向が認識されると、次いで、選択された検知成分は位相角を特定するときに検査され得る。
【００４２】
一実施形態によれば、磁気源の位置の検出された２次元の変化に加えて第３の次元も含まれる。したがって、掘削深さが測定され、検査に含まれる。そのようにして、３次元の位置データが生成され得る。掘削深さは進行距離と呼ばれることもある。
【００４３】
一実施形態によれば、進行距離に関するデータは、装置の外部の距離検知デバイスによって生成される。掘削深さを検知するためのいくつかの代替方法および原理がある。
【００４４】
一実施形態によれば、距離検知デバイスは岩石掘削リグの掘削ユニットに取り付けられる。掘削ユニットは掘削中に掘削部材を操作し、掘削ユニットに配置された距離検知ユニットが掘削部材の送りを監視してよい。
【００４５】
一実施形態によれば、距離検知デバイスは、ドリルの刃先とドリル穴の開口または出入口との間の距離を特定するように構成されている。
【００４６】
一実施形態によれば、この解決策は、掘削中の掘削ツールの曲げと、これによる掘削穴の真直度の偏差とを検出することを目的とする。曲げを検出するために、数回の測定を、異なるドリル穴深さにおいて実行する必要がある。そこで、掘削穴の内部で、磁気源の、異なる進行距離にあるいくつかの測定点が使用される。測定点の数および深さはケースバイケースで選択されてよい。各測定点において磁力計から受け取られた検知データが解析され、位置データが計算される。制御ユニットは、計算された位置データを比較し、計算された位置データにおいて検出された差に基づいて曲げを特定する。
【００４７】
一実施形態によれば、曲げに関するデータの特定は、岩石掘削の品質および完成したドリル穴の品質を特定する際に実施される。
【００４８】
一実施形態によれば、曲げに関するデータの特定は、是正措置を開始して制御するために掘削中に実施される。是正措置は傾斜掘削を含み得、傾斜掘削は、検出された掘削ツールの曲げおよび掘削穴の曲げを補償するために積極的に操縦される。さらに、可能な実装形態は、希望の非直進の進行プロファイルまたは側面プロファイルを有するドリル穴を生成するために、掘削ツールをわざと曲げるように操縦するものである。
【００４９】
一実施形態によれば、制御ユニットは、磁気源の変化した位置に関する座標データを生成するように構成されている。その場合、制御ユニットには、作業現場の座標系における磁力計の座標に関するデータが備わっている。
【００５０】
一実施形態によれば、上述の作業現場の座標系は採掘座標系またはプロジェクト座標系でよい。
【００５１】
一実施形態によれば、座標を伴う上述の位置データは、作業現場の座標系を介して、掘削計画、装填計画または補強計画にリンクされ得る。
【００５２】
一実施形態によれば、制御ユニットが、切羽の表面に対する磁気源の入力された位置データに応答して掘削ツールの切羽の表面の位置を計算することにより、掘削ツールの位置が切羽の表面の位置として検査されるように構成されている。
【００５３】
一実施形態によれば、掘削ツールの上述の切羽の位置は、掘削段階中のドリル穴の最低部の位置に等しい。ドリル穴の最低部の位置は、とりわけ掘削穴に爆発物を装填するときに重要である。
【００５４】
一実施形態によれば、制御ユニットには、位置検出アルゴリズムを実行するように構成された１つまたは複数のプロセッサが備わっており、この位置検出アルゴリズムの実行により、受け取られた磁力計の検知データおよび入力された位置データに応答して磁気源の位置を計算するように構成されている。
【００５５】
一実施形態によれば、前述の位置検出アルゴリズム、コンピュータプログラム製品またはソフトウェアは、計算において三角測量および三角法を実施するように構成されている。
【００５６】
一実施形態によれば、制御ユニットは、検出された磁界の強度を比較せずに位置特定を実行するように構成されている。
【００５７】
一実施形態によれば、位置検出は、検知された磁界の位相角を特定することに基づくものであるため、検出された磁界の強度は位置検出にとって重要ではない。回転する磁気源が生成する交番磁界は、異なる位置に配置された磁力計によって検知される。回転磁界は、異なる位相における磁力計と合致する。少なくとも３つの位相角が検出されたとき、次いで、新規の場所が計算され得る。
【００５８】
一実施形態によれば、各磁力計が、ドリル穴から異なる距離に配置されてよく、さらに、ドリル穴の周囲の岩石物質が異なる特性を有する可能性がある。したがって、別個の磁力計によって検出される磁界の強度は異なる。位置検出が磁界の強度ではなく位相角に基づくものであるときには、岩石物質における磁界の減衰が、開示された位置決めの検知手順に影響を及ぼすことはない。
【００５９】
一実施形態によれば、磁気源は永久磁石である。永久磁石は低コストであり、掘削ツールに取り付けるのが比較的簡単である。
【００６０】
一実施形態によれば、磁気源は電磁石またはコイルである。
【００６１】
一実施形態によれば、磁気源は、掘削ツールの遠位端にあるドリルの刃先に取り付けられる。
【００６２】
一実施形態によれば、磁気源は、ドリルのロッドまたはチューブに取り付けられる。
【００６３】
一実施形態によれば、磁気源は、ドリルの刃先とドリルのロッドまたはチューブの間に配置されたアダプタ部分に取り付けられる。アダプタ部分は、１つまたは複数の磁気源を受け取るように特に設計された構成要素でよい。
【００６４】
一実施形態によれば、磁気源は非強磁性材料で覆われているかまたは囲まれている。非強磁性材料は弾力材でよく、それによって保護材料層として役立ち得る。囲んでいる材料は、動作中に磁気源に向かう力を減衰し得、それによって磁気源の寿命を延ばし得る。特に、打撃掘削では減衰特性は有効であり得る。磁界は、非強磁性材料を通ってうまく入り込む。
【００６５】
一実施形態によれば、掘削ツールまたはこれの掘削部材が強磁性材料で作製されているとき、半径方向の外表面には、磁気源とともに周囲の非強磁性充填材を受けるための凹部があってよい。ドリルの刃先とドリルのロッドまたはチューブとの間に特別なアダプタ要素が付けられるとき、アダプタはステンレス鋼または別の非強磁性鉄鋼材で作製されてよい。
【００６６】
一実施形態によれば、開示された装置および解決策は、既に掘削されているドリル穴の真直度を検査するために実施され得る。そこで、磁気源を伴う掘削ツールは、ドリル穴の出入口の開口に位置決めされる。その後、掘削ツールは、希望の１つまたは複数のドリル穴の深さまで長手方向に移動され、掘削ツールおよび磁気源の位置の変化が、この文献で開示されたように計算される。
【００６７】
一実施形態によれば、開示された装置および解決策は、磁気源の絶対位置を計算せずにドリル穴の真直度を検出することで実施され得る。制御ユニットには、計算された位置座標ではなく、２回の測定間の位相角または位相差の最大偏差に関する限度値が備わっていてよい。限度値を超えたときには掘削が終結してよく、警報が生成され得るか、または是正措置が開始され得る。
【００６８】
一実施形態によれば、開示された測定原理は、特別な測定手段に関連して実施され得る。そこで、磁気源は、長手方向軸のまわりで回転し得てドリル穴の内部で長手方向に移動し得る計器、プローブ、構成要素、または要素に取り付けられる。言い換えれば、この文献の特許請求の範囲において定義される本発明には従わない、この特別な実施形態は、いかなる掘削ツールも含まない。この、開示された実施形態は、既に掘削されているドリル穴の真直度を測定するように意図された特別な測定デバイスでよい。
【００６９】
上記の開示された実施形態は、必要な上記の特徴を有する適切な解決策を形成するために組み合わされてよい。
【００７０】
添付図面にはいくつかの実施形態がより詳細に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】岩石掘削リグの概略側面図である。
【図２】開示された装置の構成要素を提示する概略図である。
【図３】掘削ツールと、磁気源が備わっている掘削ツールの構成要素との概略側面図である。
【図４】ドリル穴の最低部における掘削ツールの概略側面図である。
【図５】非強磁性の防護材料によって囲まれた磁気源の概略側面図である。
【図６】位置検出を実行するように意図された制御ユニットを示す概略図である。
【図７】開示された測定システムで利用される三角測量の原理を示す高度に単純化された概略図である。
【図８】回転掘削ツールに取り付けられた３つの磁力計と１つの磁気源とを備えた測定機構の概略上面図である。
【図９ａ】掘削ツールの初期位置および変化した位置の計算を明示する、図８に関連した概略図である。
【図９ｂ】掘削ツールの初期位置および変化した位置の計算を明示する、図８に関連した概略図である。
【図１０】２つの磁力計で得られた磁界測定および位相角の特定の概略グラフである。
【図１１】他の２つの磁力計で得られた磁界測定および位相角の特定の別の概略グラフである。
【図１２】各磁力計が、ドリル穴から異なる距離および方向に位置決めされ得る様子を示す概略図である。
【図１３】ドリル穴の真直度を検出するための測定機構の概略側面図である。
【図１４】磁力計の代替取付け機構を示す概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７２】
明瞭さのために、図には、開示された解決策のいくつかの実施形態が簡単に示されている。図では、類似の参照数字は類似の要素を識別する。
【００７３】
図１は、ドリル穴２を掘削するための岩石掘削リグ１を示す。岩石掘削リグ１は、可動運搬車３と、運搬車３に接続された１つまたは複数の掘削ブーム４とを備える。掘削ブーム４は、掘削ユニット５を備え、掘削ユニット５は、送りビーム６と、送りビーム６上に移動可能に支持された岩石掘削機７とを備える。掘削ツール８は、岩石掘削機７に接続可能であり、岩石掘削機７の回転デバイスによって掘削軸９のまわりで回転し得る（Ｒ）。掘削ツール８の遠位端にはドリルの刃先１０がある。岩石掘削機７は、掘削ツール８に衝撃パルスを生成するための打撃デバイスを備え得る。打撃デバイスは、掘削機７に接続されてよく、または掘削ツールの遠位端の一部分に配置されてよく、それによって、打撃の岩石掘削はトップハンマ掘削またはダウンザホール掘削であり得る。さらなる代替形態は、掘削が打撃を伴わない回転掘削であるというものである。岩石掘削機７は、送りデバイス（図１には開示されていない）によって掘削中に送られる（Ｆ）。
【００７４】
図１の岩石掘削リグ１は垂直面の掘削を対象としたものであり、この文献で開示された装置を装備し得る。しかしながら、図１の解決策は単なる１つの掘削用途である。開示された解決策は、長孔掘削、切羽掘削、ベンチ掘削などの他の掘削の解決策でも利用され得る。
【００７５】
図２は、掘削ツールの位置検知のための装置１１を開示する。装置１１は、３つ以上の磁力計１２から受け取られた検知データを解析するための１つまたは複数の制御ユニットＣＵを備える。装置１１は、回転可能な掘削ツールに取り付けられた１つまたは複数の磁気源１３をさらに備える。装置１１には、ドリル穴内部の磁気源の進行距離を特定するための深さ検知手段１４も備わっていてよい。
【００７６】
図３は、互いに接続されたいくつかの掘削部材を備え得る掘削ツール８を開示する。掘削ツール８は、１つまたは複数の掘削ロッド１５またはチューブおよびドリルの刃先１０を備え得る。ロッド１５とドリルの刃先１０の間にはアダプタ部分１６があり得る。構成要素１５、１６、１０のうちの少なくとも１つには、少なくとも１つの磁気源１３が備わっている。磁気源１３は、磁界１７の軸が掘削ツール８の掘削軸９を横切るように取り付けられる。１つの構成要素にいくつかの磁気源１３を使用すること、または磁気源１３を有するいくつかの構成要素を設けることが可能である。
【００７７】
図４は、掘削ツール８の遠位端部分を開示する。ドリルの刃先１０とドリルロッド１５の間には、非強磁性の材料で作製されて永久磁石１３を備えるアダプタ部分１６がある。そこで、磁石１３は、ドリルの刃先の切羽およびドリル穴２の最低部１８に接近している。磁石１３と最低部１８の間の距離が既知であることにより、ドリル穴の最低部１８の位置は、開示された解決策によって検知され得る。
【００７８】
図５は、磁気源１３のまわりに、非強磁性材料でよい保護材料１９が存在し得ることを開示している。保護材料１９は、磁気源１３に向かう機械的力を減衰してよく、また、ドリル穴の内部に生じる厳しい状態に対抗して磁気源１３を封入してもよい。保護材料１９は磁気源１３の固定にも関与し得る。
【００７９】
図６は、制御ユニットＣＵを開示し、制御ユニットＣＵは、制御ユニットＣＵに入力されている位置検出プログラム２１を実行するためのプロセッサ２０を備える。制御ユニットＣＵは、プログラムおよびデータを記憶するための記憶手段２２と、サーバならびに岩石掘削リグの掘削制御ユニットまたは採掘制御システムなどの他の制御ユニットと通信するためのデータ通信手段２３とをさらに備える。制御ユニットは、磁力計に関する位置データおよび方向データ、すなわち姿勢データ２５を受け取るための入力手段２４を有する。掘削ツールの位置が追跡されるとき、磁力計によって生成された検知データ２９が制御ユニットＣＵに入力される。追跡される磁気源の進行距離３０に関するデータも入力され得る。制御ユニットが入力データを解析し、プロセッサ２０によって実行された解析および計算の結果が、出力手段３１を介して、希望のシステム、サーバおよび制御ユニットに伝送される。制御ユニットＣＵは、たとえば、掘削ツールに関する位置データ３２、掘削ツールのドリル穴の真直度または曲げに関するデータ３３、掘削プロセスの操縦および制御のための制御指令３４、掘削パターン、および掘削計画および充填計画に対する更新３５を生成し得る。
【００８０】
図６はさらに、掘削ツールおよび含まれている磁気源の回転データ４１が、検知されて、制御ユニットＣＵに入力され得ることを開示している。回転データ４１は、掘削ユニットに接続して配置されている別個の検知デバイスによって特定され得る。回転は掘削プロセスの１つの制御パラメータであるので、掘削の回転データ４１はシステムによって認識される。しかしながら、回転データ４１は、磁力計から受け取られた検知結果を解析することによっても特定され得る。
【００８１】
図７は、開示された位置検出システムで実施され得る三角測量の原理を示す。送りビーム６および岩石掘削機７が備わっている掘削ユニット５が掘削位置に位置決めされ、掘削ツール８が岩石物質の内部に貫入している。そして、ドリル穴２が形成される。ドリル穴２の内部で、掘削ツール８と一緒に磁気源１３が回転され、掘削期間の後には、磁気源１３の正確な位置が認識されない可能性がある。しかしながら、いくつかの磁力計１２ａ〜１２ｃの位置が分かっていることにより、形成された基本三角形４６の辺４５ａ、４５ｂおよび４５ｃの長さが計算され得る。さらに、この文献で開示されているように、受け取られた検知データの間の位相差を解析することによって、磁気源１３から磁力計１２ａ〜１２ｃに向かう角度Ｂ、ＣおよびＧが検出される。実際の位相角は磁力計によって定義されたｘｙ面への投影として検査されるので、図７では、位相角Ｂ’、Ｃ’およびＧ’は説明の目的のみのものである。したがって、制御ユニットＣＵには、ｘｙ面において磁力計１２ａ〜１２ｃの位置に対して磁気源１３の位置を計算するための十分かつ正確なデータが備わっている。
【００８２】
図８は開示された測定原理を示すものであり、磁気源１３が備わっている掘削ツール８ａが第１の場所２７ａにおいて回転され、回転角Ａは磁力計１２ａ〜１２ｃによって検知される。次いで、磁力計１２ａ〜１２ｃによって回転磁界が検知され、第１の場所２７ａにおける検知データ２８ａ〜２８ｃが生成される。検知データを解析し、かつ比較することによって位相角Ｂ１、Ｃ１およびＧ１が特定される。それによって、第１の位置２７ａの位置データ３２ａが計算され得る。そのように望まれる場合、第１の位置データ３２ａは実際の掘削が開始される前に生成されてよく、それによって、結果が、岩石掘削リグの基本的な測位システムによって生成された位置データと比較され得る。実際の掘削中に、磁力計１２ａ〜１２ｃによって検知データ２９ａ〜２９ｃが生成される。掘削ツール８ｂは、横向きの力成分を受ける可能性があり、位置を、検査される面における意図された位置２７ａから変えざるを得ない可能性があり、新規の位置２７ｂへ横方向に移動する（Ｔ）可能性がある。新規の位置２７ｂでは、磁気源１３と磁力計１２ａ〜１２ｃとの間のアラインメントが変化することにより、位相角Ｂ１、Ｃ１およびＧ１も変化する。新規の検知データ２９ａ〜２９ｃを検査することにより、新規の位相角Ｂ２、Ｃ２およびＧ２が特定され得る。磁力計１２ａ〜１２ｃの位置２５ａ〜２５ｃが追跡システムによって認識されているので、第１の位置２７ａの位置データ３２ａおよび新規の位置２７ｂの位置データ３２ｂが計算され得る。図９ａおよび図９ｂは、位置特定原理をさらに図示する。実際の計算は、当業者に周知の通常の三角法に基づくものであり、したがって、ここで詳細に開示されることはない。
【００８３】
図８および図１２において、ライン２８ａ〜２８ｂおよび２９ａ〜２９ｂは、検知データを図示するためにのみ使用されている。実際の検知データは信号を含み、図１０および図１１に開示されているように、一般的には正弦波の形を有する。したがって、図８および図１２は、開示された解決策の理解を向上するための簡素化された表現である。
【００８４】
図１０は、磁力計１２ａおよび１２ｂによって受け取られた２つの検知データ２９ａおよび２９ｂのグラフを開示する。言い換えれば、比較のために１対のグラフが提示されている。検知された磁界の大きさまたは強度Ｈが、時間に対して図示されている。注目され得るように、検知データ２９ａ、２９ｂは正弦波として図示することができる。正弦波の、たとえばピーク値３７ａ、３７ｂを検査するとき、ピーク値３７ａ、３７ｂにおけるシフトがあることが注目され得る。言い換えれば、これらの曲線には位相差がある。位相差は位相角Ｂ２に対応するものである。他の２つの位相角Ｃ２およびＧ２は、同様のやり方で図示され、かつ特定され得る。
【００８５】
図１１は、磁気源の回転角Ａに対する関数における磁力計１２ｂおよび１２ｃの読み取り値または出力を開示する。サイン波形２９ｂと２９ｃは異なる位相角Ｃ２を有する。基準点と新規の変化した場所とにおける振幅Ｈ１とＨ２すなわち磁界の強度が異なるという事実にも関わらず、位相角Ｃ２が特定され得る。したがって、図１１は、磁界の強度値を検査することなく位置が特定され得ることを図示するものである。言い換えれば、磁束密度Ｅの値すなわち検知されたテスラ［Ｔ］は、位相角の特定にとってあまり重要ではない。
【００８６】
図１２は開示された測定機構の別の例である。注目され得るように、磁力計１２ａ〜１２ｃは掘削ツール８に対して別々の方向および距離に配置されてよい。
【００８７】
図１３は、ドリル穴２の曲げを特定するための測定原理を開示する。掘削ツール８はドリル穴の開始点に位置決めされる。岩石掘削リグの測位システムは、開始点における掘削ツールの正確な位置を認識している。磁力計１２ａ〜１２ｃが岩肌３８に取り付けられ、これらは、掘削ツール８から、異なる距離Ｌ１およびＬ２に配置されてよい。磁力計１２ａ〜１２ｃおよび開始点に位置決めされた掘削ツール８の位置は、たとえば作業現場の座標系３９において特定され得る。掘削が開始されたとき、掘削ツール８の位置は、磁気源１３によって生成された回転磁界を検査することによって特定される。同時に、掘削ツール８の進行距離がセンサ１４によって検知される。いくつかの測定点Ｍｐ１〜Ｍｐ３において位置測定が実行されると、異なる進行距離Ａｄ１〜Ａｄ３における位置が検出される。制御ユニットＣＵにおいて、取得されたデータに基づいてドリル穴２の真直度が検査され得る。
【００８８】
図１４は、磁力計１２ａ〜１２ｃがアーム４０によって掘削ユニット５に接続されている解決策を開示する。アーム４０は可動でよく、接合部を備え得る。
【００８９】
図面および関連した説明は、本発明の概念を例証するようにのみ意図されている。本発明は、特許請求の範囲の範囲内で、詳細において多様であり得る。
【符号の説明】
【００９０】
１  岩石掘削リグ
２  ドリル穴
３  可動運搬車
４  掘削ブーム
５  掘削ユニット
６  送りビーム
７  岩石掘削機
８  掘削ツール
８ａ  掘削ツール
８ｂ  掘削ツール
９  掘削軸
１０  ドリルの刃先
１１  位置検知のための装置
１２  磁力計
１２ａ  磁力計
１２ｂ  磁力計
１２ｃ  磁力計
１３  磁気源、永久磁石
１４  深さ検知手段、センサ
１５  掘削ロッド、ドリルロッド
１６  アダプタ部分
１７  磁界、磁界の軸
１８  ドリル穴の最低部
１９  保護材料
２０  プロセッサ、コンピュータまたはデータ処理デバイス
２１  位置検出プログラムまたは計算アルゴリズム、コンピュータプログラム製品
２２  記憶手段
２３  データ通信手段
２４  入力手段
２５  磁力計に関する姿勢データ、磁力計に関する位置データおよび方向データ、姿勢データ、磁力計の位置および方向に関するデータ、位置および方向
２５ａ  磁力計の姿勢データ、位置
２５ｂ  磁力計の姿勢データ、位置
２５ｃ  磁力計の姿勢データ、位置
２７ａ  第１の場所、第１の位置
２７ｂ  新規の位置
２８ａ  検知データ
２８ｂ  検知データ
２８ｃ  検知データ
２９  磁力計によって生成された検知データ、磁力計の検知データ
２９ａ  検知データ
２９ｂ  検知データ、サイン波形
２９ｃ  検知データ、サイン波形
３０  磁気源の進行距離、進行距離
３１  出力手段
３２  掘削ツールに関する位置データ、位置
３２ａ  第１の位置データ
３２ｂ  位置データ
３３  ドリル穴の真直度または曲げに関するデータ、ドリル穴の真直度
３４  掘削プロセスの操縦および制御のための制御指令、掘削方向を制御するための制御指令
３５  掘削パターン、掘削計画および充填計画に対する更新、掘削計画に対する更新
３７ａ  ピーク値
３７ｂ  ピーク値
３８  岩肌
３９  作業現場の座標系
４０  アーム
４１  掘削ツールおよび含まれている磁気源の回転データ、掘削ツールの回転データ
４５ａ  辺
４５ｂ  辺
４５ｃ  辺
４６  基本三角形
Ａ  回転角
Ａｄ１〜Ａｄ３  進行距離
Ｂ、Ｃ、Ｇ  角度
Ｂ’、Ｃ’ 、Ｇ’  位相角
Ｂ１、Ｃ１、Ｇ１  位相角
Ｂ２、Ｃ２、Ｇ２  新規の位相角
ＣＵ  制御ユニット
Ｅ  磁束密度
Ｈ  検知された磁界の大きさまたは強度
Ｈ１、Ｈ２  振幅
Ｌ１、Ｌ２  距離
Ｍｐ、Ｍｐ１〜Ｍｐ３  測定点
【図１】
2020190185.tif 000003
【図２】
2020190185.tif 000004
【図３】
2020190185.tif 000005
【図４】
2020190185.tif 000006
【図５】
2020190185.tif 000007
【図６】
2020190185.tif 000008
【図７】
2020190185.tif 000009
【図８】
2020190185.tif 000010
【図９ａ】
2020190185.tif 000011
【図９ｂ】
2020190185.tif 000012
【図１０】
2020190185.tif 000013
【図１１】
2020190185.tif 000014
【図１２】
2020190185.tif 000015
【図１３】
2020190185.tif 000016
【図１４】
2020190185.tif 000017
【外国語明細書】
2020190185000001.pdf
2020190185000002.pdf
2020190185000003.pdf
2020190185000004.pdf