(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
削岩時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する制御方法であって、
衝撃手段を使用する衝撃発生装置が岩盤に対して保持される工具に衝撃波を生じさせるように構成され、
前記衝撃発生装置が、支持手段に対して掘削方向に移動可能にされており、
掘削作業中に衝撃波発生圧力の圧力レベルが制御される制御方法において、
前記支持手段に対する衝撃発生装置の動きを測定することによって、前記掘削作業に対する実際の掘削速度を測定する工程と、
前記衝撃波発生圧力を測定した前記掘削速度の関数として制御して、前期掘削速度が増加した時に衝撃波発生圧力を低減し、前記掘削速度が低減した時に衝撃波発生圧力を増加する工程と、
前記掘削速度が、掘削がキャビティに達したことが分かる速度を表す第一キャビティ速度を超えた時に、衝撃波発生装置の最大供給速度（掘削速度）を、所定の値に設定する工程と
を備えていることを特徴とする制御方法。
【請求項２】
削岩時に少なくとも一つの掘削パラメータを制御する制御装置であって、
衝撃手段を使用する衝撃発生装置が岩盤に対して保持される工具に衝撃波を生じさせるように構成され、
前記衝撃発生装置が、支持手段に対して掘削方向に移動可能にされており、
掘削中に衝撃波発生圧力の圧力レベルが制御される制御装置において、
前記支持手段に対する衝撃発生装置の動きを測定することによって、前記掘削作業に対する実際の掘削速度を測定する手段と、
前記衝撃波発生圧力を測定した前記掘削速度の関数として制御する手段と
を備え、
該装置が、前記制御時に、前記掘削速度が増加した時に衝撃波発生圧力を低減し、前記掘削速度が低減した時に衝撃波発生圧力を増加する手段をさらに備え、
さらに、前記掘削速度が、掘削がキャビティに達したことが分かる速度を表す第一キャビティ速度を超えた時に、衝撃波発生装置の最大供給速度（掘削速度）を、所定の値に設定する手段を備えている
ことを特徴とする制御装置。
【請求項３】
前記支持手段が、送りビームから成る
ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
初期掘削が完成した後に前記制御が実行されるように構成されている
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
【請求項５】
前記掘削速度を測定する手段が、前記支持手段に対する前記衝撃発生装置の位置変化を測定することによって前記掘削速度を確立するように構成されている
ことを特徴とする請求項２〜４の何れか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記掘削速度を測定する手段が、センサ手段を用いて、前記支持手段に対する前記衝撃発生装置の前記動きを測定するように構成されている
ことを特徴とする請求項２〜５の何れか一項に記載の装置。
【請求項７】
掘削速度に従って衝撃波発生圧力を制御する前記手段が、掘削速度が所定の速度を超えた時に制御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２〜６の何れか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記掘削速度が通常掘削速度より下に落ちた時に、衝撃波発生圧力を前記掘削速度の関数として制御し、それにより、衝撃波発生圧力を通常掘削レベルより上のレベルまで増大させる手段を
さらに含んでいることを特徴とする請求項２〜７の何れか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記第一キャビティ速度が検知された後、掘削速度が、掘削が前記キャビティの端部に達した速度を表す第二の低いキャビティ速度より下に落ちた時に、前記衝撃波発生圧力を通常掘削圧力まで増加する手段を、
さらに含んでいることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１０】
請求項２〜９の何れか一項に記載の装置を備えていることを特徴とする削岩リグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１及び１０の前文に各々記載されているように、岩盤を掘削する時に掘削パラメータを制御するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
削岩は、しばしば、衝撃掘削によって実行される。この掘削では、しばしば油圧で駆動される衝撃ピストンが、油圧（衝撃圧力）によって発生させられる衝撃力を用いて衝撃波を生み出すために使用され、衝撃波は、ドリルビットに、従って、ドリルスチール（ドリルストリング）を介して岩盤に伝達される。岩盤への接触において、岩盤に接触するドリルビットの硬質合金から成るピンが岩盤内に押し当てられ、岩盤を砕くための十分に強力な力を発生する。
【０００３】
それは一般的に適用され、特に、困難な岩盤コンディションの下で強い衝撃力を用いて掘削をする場合は、ドリルビットが可能な限り良好な岩との接触をもつべきである。
【０００４】
この理由のために、削岩機は、岩盤に対して押圧される。削岩機は、例えば、キャリッジに取り付けることができ、キャリッジは送りビームのような支持手段に沿って動き、送りビームは車両のようなキャリアに連結される。ドリルビットは、岩盤に向けて送りビームに沿ってキャリッジ、即ち、削岩機を動かすことによって岩盤に付勢される。キャリッジは、例えば、通常、供給シリンダと称される油圧シリンダによって駆動され得る。代わりに、削岩機は、チェーンフィードと呼ばれるものを使用することによっても前方に動かすことができ、この場合、供給シリンダは、平歯車が取り付けられた油圧エンジン（供給エンジン）に置き換えられる。キャリッジ（削岩機）は、キャリッジに固定され、供給エンジンによって駆動されるチェーンを用いてビームに沿って前方及び後方に動かされ得る。この場合、チェーンは、供給ビームに沿って動く。供給シリンダ又は供給エンジンを作動する油圧は、供給圧力と呼ばれる。
【０００５】
この種の削岩機を掘削に使用する時、しばしば一般的な掘削コンディションが変わる。多くの異なるタイプの岩盤があり、それらの特性、例えば、硬さに従って、掘削能力が異なる。柔らかくて崩れ易い岩盤は、一般的に、最も困難な掘削コンディションであると考えられる。柔らかい岩盤を掘削する場合には、衝撃波のエネルギの一部が、岩盤に当たった時に、反射され、ドリルストリングに沿って削岩機まで戻される危険がある。この結果、ドリルビット、ドリルスチール及び削岩機の使用寿命が短くなり、その結果はコストの増大に繋がる。異なる硬さの層が混ざっている種類の岩盤の場合には、掘削なさらに困難になり得る。
【０００６】
掘削速度の増大は、岩盤が柔らかくなっていることを示唆する。従来技術によれば、この事実を利用する解決手段がある。公知の解決手段の一つでは、スロットル式調整機又はスロットルが、油圧供給モータのリターンエンドに取り付けられる。そして、掘削速度が通常の速度より高くなると、スロットルがモータを介した流れを低減し始め、その結果、リターンエンドに圧力差が生み出される。圧力の増大は、供給モータの圧力差が低減していることを意味し、この圧力差によって制御され、衝撃圧力に影響を与えるバルブを用いる時には、ドリルビットが柔らかい岩の領域に入った時に、衝撃圧力は、初期掘削レベルまで低減されるか、又は、完全に止められ得る。
【０００７】
このような解決手段は、欧州特許１，１０２，９１７号に開示されている。この場合、スロットルが供給エンジンの上流に配置されている点が異なる。この解決手段では、スロットルバルブにかかる圧力が測定され、圧力差が非常に大きくなった場合に、衝撃圧力を操作するために用いられる。
【０００８】
しかし、上述した解決手段は、共通して、掘削リグが新しい掘削場所に導入される時の適切な設定が困難であるという問題がある。この問題点の理由の一つは、供給モータ又はスロットルバルブにかかる一定の圧力差が、ある種類の岩盤においては衝撃圧力を低減させるのに適当であるのに対して、別のタイプの岩盤の場合には完全に異なる圧力差が適当であることにある。
【０００９】
従って、特に、掘削コンディションが変わる時に、衝撃圧力を制御する改良された方法及び装置が必要であり、少なくとも従来技術の問題点を低減させることができる方法及び装置が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許１，１０２，９１７号
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的の一つは、上述した問題点を解決するために少なくとも一つの削岩パラメータを制御する方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、上述した問題点を解決するために、少なくとも一つの削岩パラメータを制御する装置を提供することにある。
【００１２】
これらの目的及び他の目的は、請求項１に限定したように削岩パラメータを制御する方法を用いて、そして、請求項１０による装置を用いて、本発明によって達成される。
【００１３】
本発明によれば、上記した目的は、削岩機のようなパルス発生装置を用いて岩盤を掘削する時に、掘削パラメータを制御する方法及び装置を用いることによって達成される。掘削中、例えば、従来の衝撃ピストンのような衝撃装置を使用する削岩機のような衝撃発生装置は、岩盤に対して作用する工具に衝撃波を生じさせるように構成される。前記衝撃発生装置は、支持手段に対して掘削方向に移動可能であり、衝撃波発生圧力の圧力レベルが、削岩作業中に制御される。前記掘削作業の掘削速度は、前記支持手段に対する衝撃発生装置の動きを決めることによって決められ、衝撃波発生圧力は、前記決められた掘削速度に応じて制御される。衝撃波発生圧力は前記掘削速度が増加する時に低減され、また、衝撃波発生圧力は前記掘削速度が低減する時に増加される。
【００１４】
この構成の利点は、実際の掘削速度に応じて衝撃圧力のような衝撃波発生圧力を制御することによって、現行の掘削速度に対して正確な衝撃圧力を、あらゆる状況で使用することができることにある。同様に、このことは、初期掘削及び通常掘削の両方の場合において、有害な反射を防止することができることを意味する。また、本発明は、例えば、オイルの粘度や周囲の温度に起因する油圧構成部品の作業の不確実性を低減させることを可能にするという利点を有する。
【００１５】
また、本発明は、最初の速度レベル、制御の終わり、制御動作の間の衝撃圧力の最大値及び最小値を、削岩リグの制御パネルから簡単な方法で設定することができ、かつ、作業中に変更したり調整したりすることもできるので、調整が簡単なシステムを提供するという利点を有する。
【００１６】
前記削岩リグは、第一端部及び第二端部を備えた少なくとも一つのブームを有し得、第一端部はキャリアに固定され得、また、第二端部は、前記支持手段に固定され得る。
【００１７】
さらにまた、衝撃波発生圧力は、それが前記掘削速度の変化を反映するような方法で制御され得る。
【００１８】
制御中、衝撃波発生圧力は、例えば、通常掘削レベルに本質的に対応する第一レベルと、初期掘削レベル、簡単に言うと停止、及び前記通常掘削の割合の何れかに本質的に対応する第二レベルとの間で変化され得る。
【００１９】
この制御は、例えば、掘削速度と衝撃波圧力との間の数学的関係を用いて、及び／又は掘削速度と衝撃波発生圧力との間の関係を与えるテー部を検索することによって、実行され得る。
【００２０】
この作用は、例えば、掘削速度に対する比例関数、掘削速度に対する反比例関数、掘削速度の指数関数、掘削速度の対数、及び掘削速度と一定の関係がある関数から選択される一つ又は複数の関数を有する。
【００２１】
掘削速度は、例えば、感知、監視、測定又は演算することによって、例えば、連続的に及び／又は一定のインターバルで決められ得る。
【００２２】
また、本発明は、それにより、上述した利点が得られる装置にも関する。
【００２３】
他の利点は、本発明の様々な特徴から導き出され、以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明を用いることができる掘削リグの一実施例を示している。
【図２】図１に示した掘削リグに設けられた削岩機をより詳細に示している。
【図３】図１に示した掘削リグ用の削岩機及び送りビームをより詳細に示している。
【図４】実際の掘削速度に従った衝撃圧力の制御の一例を示している。
【図５】本発明の別の実施例による衝撃圧力の制御の一例を示している。
【図６】キャビティ検出の場合の本発明による制御の一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を、図１に示した形式の削岩リグを参照して説明する。図１は、トンネル掘削用、鉱石採掘用又は、例えば、トンネル掘削や採掘における岩盤補強ボルト設置用の削岩リグ１０を示している。削岩リグ１０はブーム１１を有する。ブーム１１の一端１１ａは、一つ又は複数の連結具によって車両のようなキャリア１２に間接接合され、ブーム１１の他端１１ｂは、削岩機１４の形態の衝撃発生装置を支持する送りビーム１３を支持している。削岩機１４は、送りビーム１３に沿って移動可能であり、かつ、ドリルストリング１５及びドリルビット１８によって岩盤１７に伝達される衝撃波を発生する。また、削岩リグ１０は、制御ユニット１６を備えており、この制御ユニット１６は、以下に説明するように本発明に従って掘削パラメータを制御するために用いられ得る。制御ユニット１６は、削岩機及びキャリアに関する位置、方向、掘削距離等を監視するために用いられ得る。また、制御ユニット１６は、削岩リグ１０の移動を制御するためにも用いられ得る。勿論、この目的のために、別体の制御ユニットを用いることもできる。
【００２６】
図２は、削岩機１４の詳細を示している。削岩機はアダプタ３１を有する。アダプタ３１の一端には、例えば、ねじ山のような連結手段３０が設けられ、ドリルストリング１５のドリルストリング構成部材(図示せず）に対する連結を確立する。また、削岩機はピストン３２を備えている。ピストン３２は長手方向に移動可能であり、アダプタ３１に対して衝突して衝撃パルスをドリルストリング（ドリルスチール）及び岩盤に伝達する。打撃の衝撃は、衝撃波発生圧力（衝撃圧力）で衝撃ピストンの岩盤から見て外方に向いた端部を加圧することによって生み出される。岩盤に向いたドリルビットの軸受圧力は、ダンピングピストン３４によって生み出され、スリーブ３３を介して伝達される上述した供給圧力によって変化させられる。ダンピングピストン３４は、ダンピングシステム内に配置され、岩盤から反射される打撃衝撃パルスを緩衝するためにも使用される。作動中、第一ダンピング室３７において油圧によって生み出される力が、ダンピングピストン３４及びスリーブ３３を介してアダプタ３１に伝達される。前記力は、ドリルビットが常に岩盤に対して加圧されることを保証するために用いられる。
【００２７】
岩盤に対してドリルストリングを加圧することから成る作用を有することに加えて、ダンピングピストンは、ダンピング作用も果たす。衝撃が岩盤からの反射を生じさせる時、ピストン３４は、第二ダンピング室３８内に押し進められることによって、これらの反射を緩衝する。その結果、この第二ダンピング室３８は、ダンピングピストン３４が第二ダンピング室３８内に押し進められる時にダンピングピストン３４とチャンバ壁３５との間に形成される小さなスリットを介して第一ダンピング室３７内にプレスされる。これにより、第二ダンピング室３８内に妨害圧力上昇がもたらされる。
【００２８】
図３は、削岩機１４を有する送りビーム１３を詳細に示している。削岩機１４は、フィーダに沿って移動可能なキャリッジ４１に接続されており、送りビーム１３に沿ったキャリッジ４１の動きは、供給シリンダ４０によって制御される。供給シリンダ４０は、この実施例では、油圧シリンダである。掘削の間、送りビームは、好ましくは可能な限り削岩機１４を後方に動かした掘削位置にセットされ、その結果、適当な長さのドリルストリング構成部品４２は、ドリルビット１８を、送りビーム１３に配置された前方ドリル支持部材４３から極端に伸ばすことなく、前記アダプタ３１を介して削岩機に接続され得る。新しい掘削孔を掘削し始める時、ドリルビット及びドリルストリング用の支持部材は、掘削開始時に掘削孔が間違った方向に曲がることを可能な限り防止するべきである。従って、掘削作業の開始前に、送りビームは、それが岩盤に押し付けられるように制御され、それにより、ドリルビットは、それが岩盤から望ましい（小さい）距離になるように制御され得る。供給シリンダ４０は、次いで、岩盤に適当な供給圧力を加えるために用いられる。ドリルビット（ドリルストリング）は、適切な初期掘削状態の下で掘削作業を開始するために、通常、それが岩盤に押し付けられる前に回転するように構成される。掘削処理が進むにつれて、供給シリンダは、削岩機を岩盤の方向に動かす。キャリッジ４０が岩盤の方向に前端位置まで移動させられた時、削岩機は、岩盤の中まで掘削されているドリルストリングから離され、新しいドリルストリング構成部品が、削岩機とドリルストリング構成部品４２との間に接続され得、それにより、掘削は、要求された長さの掘削孔が得られるまで続けられ得る。ドリルストリング構成部品４２が、それ自身で、要求深さの掘削孔を形成する場合には、別のドリルストリング構成部品を用いることは必要ないことは勿論のことである。
【００２９】
上述したように、供給シリンダ４０に加えられる圧力は、従来技術においては、掘削作業が非常に速いかどうかを見つけ出すため、即ち、掘削される岩盤のタイプが柔らかいかどうか、又は、掘削がキャビティに達したかどうかを見つけ出すために用いられており、衝撃圧力は、有害な反射を防止するために、それに応じて、低減されるか停止され得る。しかし、掘削が非常に速く進行しているかどうかを見つけ出すこの方法は、それが、実際の掘削速度とは全く異なる推定された掘削速度を与えるだえであるという欠点を持つ。さらにまた、この公知の解決手段が油圧構成要素を基礎としているために、満足な方法で供給圧力に従って衝撃圧力を調整することが難しい。これは部分的には、様々な岩盤のタイプが、供給圧力に従った衝撃圧力に異なる変化を要求することが原因である。岩盤が硬い場合、供給圧力は、一定の供給圧力で低減させなければならないが、柔らかい岩盤を削岩する時には、全く異なる供給圧力で衝撃圧力を低減させることが求められる。さらにまた、フィーダが正確に状態を維持されないか、又は、正確に調整されないと、圧力変更が明らかに均等にならず、制御がより困難になる。
【００３０】
本発明は、現在のシステムの欠点を少なくとも低減させる。本発明は、図３及び図４を参照して以下により詳細に説明される。衝撃圧力を制御するために油圧圧力を使用する代わりに、本発明によれば、この目的のために、送りビーム１３のような支持部材に対する削岩機の速度が使用される。送りビームに対する削岩機の速度を使用することは、油圧圧力や流体の流れを基礎とするタイプの制御に比べて、制御のための基礎が、より正確になり、その結果、衝撃圧力の十分により正確な制御を得ることができる。
【００３１】
本発明によれば、掘削速度は、例えば、送りビームに対する削岩機（キャリッジ）の速度を測定する速度センサ４４を使用することによって決められる。選択的に、削岩機（キャリッジ）の位置の経時的な変化を測定し、するために位置センサを用いることもでき、次いで、それから従来の方法で速度を決めることができる。位置センサは、例えば、送りビームに沿った相対運動を測定するために用いることができ、それは、例えば、送りビーム（キャリッジ）上に配置した読取目盛りに対する動き（速度）を検出するためにキャリッジ（又は送りビーム）に配置したＩＲセンサを用いて実行することができ、位置を決めるために反射光が用いられ得る。読取目盛りは、相対運動を検出するためだけの方法、又は、例えば、ＩＲセンサによって検出され得る適当なコーディングを用いて絶対位置を検出するための方法で配置され得る。
【００３２】
センサ４４は、図３においてはキャリッジ４１に設けられている。しかし、本発明は、ＩＲセンサの使用に制限されることなく、代わりに、例えば、レーザーセンサのような他の適当なセンサを使用することもできる。
【００３３】
図４は、実際の掘削速度に従った衝撃圧力の制御の実施例を示している。図４は二つのグラフを示している。上のグラフは、衝撃圧力を時間の関数として示し、それは掘削速度によって変化する。下のグラフは、掘削速度を時間の関数として示している。この図面に示すように、衝撃圧力は、第一レベルＳ１と第二レベルＳ２との間で制御される。第一レベルＳ１は低いレベルであり、このレベルでは、衝撃圧力は、例えば、初期掘削のための衝撃圧力のように低いとみなされる。一方、第二レベルＳ２は通常掘削レベルであり、即ち、衝撃圧力が、特定の岩盤の種類のための必要と思われる値になるレベルである。実際には、これらのレベルは、問題の岩盤の種類によって変化され得る。
【００３４】
図４から分かるように、衝撃圧力は、削岩速度が、図４においてＢ２で示される所定の速度より低い限りは、通常掘削レベルに滞在するようにされている。また、この図から分かるように、速度Ｂ２は、問題の岩盤に対して通常の速度と考えられる掘削速度Ｂ１より高く設定されている。これにより、本発明による制御が開始される前に、掘削速度のいくらかの変化が許容される。通常掘削速度であると考えられる値、例えば、岩盤が同種のものであり、かつ、掘削を実行すべき領域の特性である硬度を有すると分かっている適当な場所で一つ又は複数の試験孔を掘削することによって決められ得る。Ｂ２の値は、例えば、通常掘削速度Ｂ１のｘ％として与えられ得る。ここでｘは、１００より大きい。
【００３５】
本発明による制御は、掘削速度が速度Ｂ２を超えた時に開始される。この制御は、掘削速度が、例えば、図４に示された掘削速度値Ｂ２とＢ３との間に留まっている限り維持される。
【００３６】
時間ｔ２の時に、掘削速度は速度Ｂ２を超え、掘削速度がこの速度Ｂ２を超えると衝撃圧力の低減が始まる。ここで示された実施例では、衝撃圧力の制御は、掘削速度に比例しており、即ち、掘削速度の増加が線形であると、衝撃圧力の低減も線形になる。その後、掘削速度が、時間ｔ３においてより高い速度Ｂ３に達し、ｔ３及びｔ４の間の間隔で図面に示されているように掘削速度が削岩速度Ｂ３と等しいか、それを超えている限りは、衝撃圧力は、初期掘削レベルＳ１（又は他の適当なレベル）まで低減される。次いで、時間ｔ４において掘削速度が再び掘削速度Ｂ３より下に落ちた時に、時間ｔ５において再び通常掘削速度を選択するために、衝撃圧力は、再び、掘削速度に比例的に追従する。次いで、これは、掘削速度が再び速度Ｂ２を超えるか、又は、掘削作業が終了するまで持続する。初期掘削レベルまで衝撃圧力を低減させる代わりに、掘削速度が速度Ｂ３を超えた時に一般的な通常掘削圧力の任意のフラクションを低減させるか、さもなければ完全に停止させることができる。
【００３７】
従来技術の欠点を減らすことに加えて、本発明は、必要とされる複数の油圧構成部品を減らせるという利点も有する。これらの構成部品は、比較的高いだけでなく、それらの動作がオイルの粘性によって変化することが原因となって、言い換えれば、周囲温度及び使用するオイルの種類に依存することが原因となって、動作安定性を欠く。本発明は、また、時間と共に送りビームに生じる慣性及び摩擦の影響を低減させるか、又は完全に排除することもできる。
【００３８】
本発明は、今までのところ、線形制御の場合について説明されてきた。しかし、勿論、衝撃圧力は、掘削速度の任意の関数に従っても制御され得る。例えば、衝撃圧力は、掘削速度に対して指数関数的に、又は対数的に現象及び増加されるように構成され得る。有利には、例えば、制御ユニット１６内に簡単にプログラムされ得る数学的関数が使用され得、制御の目的として用いられ得る。代わりに、与えられる掘削速度に対応する衝撃圧力を検索するために用いられ得るテーブルにおいて関数を見つけることもできる。
【００３９】
別の実施例では、衝撃圧力はステップ的に増加させられ、その結果、掘削速度の一定の増加や低減が各々、段階的な増加及び低減を生じさせる。しかし、各ステップは、第一レベルＳ１と第二レベルＳ２との間の全体的な差と比較して相対的に小さい。
【００４０】
図５は本発明の別の実施例を示している。時間ｔ５までは、図４に示した実施例と同じであるが、この実施例では、衝撃圧力に対する別のレベルＳ３がある。このレベルＳ３では、衝撃圧力は、通常掘削圧力Ｓ２より高い。この実施例では、衝撃圧力は、時間ｔ６において、掘削速度が通常掘削速度Ｂ１より下まで落ちた時に、レベルＳ３まで増加することが可能である。例えば、図面に示すように、時間ｔ６とｔ７との間の間隔に対しては、まだこの場合には、掘削速度が通常掘削速度より下に低下した時に、衝撃圧力が掘削速度に追従するようにするために上述した制御が使用され得る。衝撃圧力が通常掘削圧力を超えるように設定することは、例えば、掘削される岩盤に、非常に硬い岩の層がある場合でも掘削をより簡単に実行することができるという利点を有する。それは、通常掘削のために用いられる衝撃圧力Ｓ２が硬い岩を破壊するには不十分であるような状況で生じ得る。仮に、このような状況で、衝撃圧力が通常掘削圧力を超えるレベルまで増加されると、解き放される衝撃波のエネルギが増大し、それが硬い岩を含む部分を貫き通すことを可能にする。硬い岩部分が貫通されると、図５における時間ｔ８とｔ９の間で削岩速度は再び増加し、その結果、時間ｔ９で通常掘削速度Ｂ１に再び到達し、衝撃圧力は、時間ｔ９で再び通常掘削レベルＳ２に到達することを保証するために適切に制御される。
【００４１】
上記した説明は、掘削速度に従った衝撃圧力の制御に関係するだけである。しかし、この制御は、供給圧力の制御と組み合わせることもできる。言い換えれば、供給圧力も、同じ原理に従って掘削速度に基づいて制御されるように構成され得、その結果、掘削速度が増加した時に供給力は低減され、及び／又は掘削速度が低減した時に供給速度は増加される。供給圧力及び衝撃圧力における掘削速度の影響は、各圧力制御のために異なるものにすることができる。例えば、衝撃圧力における相対的変化は、供給圧力における相対的変化より大きくすることができ、また、その逆もできる。同様に、衝撃圧力を、例えば、第一数学的関数に従って線形に制御し、同時に、供給圧力を、例えば、第二関数に従って非線形な方法で制御することができる。
【００４２】
衝撃圧力の場合に上述したように、供給圧力も、初期掘削レベルと通常掘削レベルのような二つのレベルの間で制御され得る。勿論、これらのレベルは、岩盤の種類によって異なるものにされ得る。さらにまた、供給圧力の制御は、一般的な通常掘削圧力の任意のフラクションに対して実行するように構成され得、又、掘削速度が、例えば、速度Ｂ３を超えた時に供給圧力は完全に停止され得る。
【００４３】
図６は、本発明が有利に使用され得る掘削用途を示している。前述したように、柔らかくて砕けやすい岩は、掘削することが最も難しい。掘削中にドリルビットがキャビティに遭遇すると、抵抗が突然下がり、掘削速度が非常に増大し、そのために、掘削速度が増大した時に上述した制御が使用され得る。しかし、掘削速度が過剰に高い値まで増加する時に幾つかの問題が生じ得る。たとえば、キャビティが粘度で満たされていると、掘削作業中に掘削孔をフラッシングするためのドリルビットに設けられたフラッシング媒体の排出用の開口が詰まらされ得、切断片、即ち、掘削中に形成された破片が、掘削孔を塞ぎ、そのために、掘削作業の最後に、それらの切断片が、掘削孔からドリルストリングを引き抜くことを妨げる。掘削速度が著しく増大した時に生じ得る他の問題点は、ドリルビットがキャビティの他端に到達し、急停止にさらされた時に、掘削機械が損傷を受け得ることにある。
【００４４】
本発明による装置がキャビティに遭遇して掘削速度が増加すると、上述した理由のために少なくとも衝撃圧力が低減され、本発明による制御を含まないシステムと比較して速度の増大が少なくなり、たとえ、例えば、図４における時間ｔ３及びｔ４の間で示されたような比較的高い速度の時であっても、速度の増大を完全に止めることさえもできる。
【００４５】
また、発明の従来技術において説明した解決手段も、このような状況に対応するために用いることができる。この場合、スロットルが油圧供給エンジンのリターンエンドに設けられ、掘削速度が通常の値を超えた時に、このスロットルが流れを低減し始め、上述したように、上述した衝撃圧力の低減とは別に、供給エンジン全体の圧力差が低減し、同様に、供給モータのモーメントが低減することが保証され、その結果、掘削速度がさらに増加することが防止される。
【００４６】
欧州特許第１，１０２，９１７号公報に開示された解決手段においては、さらに、供給エンジンの上流に取り付けられ得たスロットルが、掘削速度がそれ以上増加しないことを保証する。
【００４７】
しかし、本発明及び公知の解決手段は両方共、キャビティを通過した速度が通常掘削速度より下に落ちないという問題があり、実際、キャビティを通過した速度は、図４に関して上述したように、通常掘削速度より実質的に高いものであり得る。特に、通常掘削速度が比較的高いルーズタイプの岩盤の場合、ドリルビットが岩盤に再びヒットした時に、速度が高くなり得、結果的に損傷の危険を伴う。しかし、本発明の一つの特徴によれば、本発明は、供給圧力及び衝撃圧力のための複数の制御レベルを電子的に設定することを可能にし、それらが通常掘削中にシステムに影響を及ぼさないようにしているので、この損傷の危険は低減され得る。本発明によるこの電子制御は、掘削速度が特定の値を超えた時に供給圧力及び／又は衝撃圧力が制御され得るような方法で設定され得る。本発明によって掘削速度を正確に決めることができるので、前記特定の値は、通常掘削速度を表す速度より高いが、それに非常に近い値になり得る。これにより、供給圧力及び／又は衝撃圧力の急速な制御が可能になり、その結果、速度における小さな差異が、制御される圧力に大きな効果を生じさせ得る。
【００４８】
従って、本発明は、この値までのどんな速度上昇においても、影響を受けないパラメータによって掘削作業を実行することを可能にする。
他方、従来技術による解決手段の場合、これら場合には、制御が油圧の絞りを基礎としており、絞りの大きさが制御に影響を及ぼすので、これは相当に困難である。これは、衝撃圧力及び／又は通常掘削作業のための衝撃圧力に作用する低い速度で既に絞りを開始することなく、通常の掘削速度より僅かにだけ大きい速度の時に十分に大きな絞り効果を与える絞り作用を得ることが困難であり得るという欠点を有する。
【００４９】
このケースは、図６に示した本発明の実施例によって例示されており、図６は、ドリルビットがキャビティと遭遇する状況が、どのようにして、簡単な方法で対処され得るかを示している。この実施例によれば、掘削速度が監視され、それが速度Ｈ４（第一「キャビティ速度」、即ち、岩盤を掘削している時に到達し得る速度より高い速度を表す速度）を超えた時に、供給速度（掘削速度）、供給圧力及び衝撃圧力が全て、キャビティの端部が検出されるまで、所定のレベルに設定される。図６に示した時間ダイアグラムは、掘削が高い衝撃圧力Ｓ２（問題になっている岩盤のタイプに対する通常掘削圧力である）で実行され、同時に、通常速度Ｈ２で掘削が進行している通常の状況の下で始まる。時間ｔ１の時に、ドリルビットがキャビティの壁に遭遇することが原因となって、掘削速度は増加し始める。掘削速度が、時間ｔ２の時に、図５に示された速度Ｂ３より高いか又はそれに等しい「キャビティ速度」Ｈ４に達すると、掘削速度は、所定の「移送速度」Ｈ３まで落ち、同時に、衝撃圧力は「カラーリング」、即ち、初期圧力Ｓ１又は他の適当な圧力レベルまで低減される。
【００５０】
次いで、速度及び圧力の設定は、掘削速度が、時間ｔ３の時に、通常掘削速度より下まで、そして、第二キャビティ速度Ｈ１まで低減されるまで維持される。この第二キャビティ速度Ｈ１は、移送速度Ｈ２より低く、この時に、キャビティを越えて、岩盤との接触が回復したとみなされる。ドリルビットが再び岩盤に接触した状態になる時、低減した衝撃圧力が、通常の速度で岩盤を打ち破るには十分ではないので、掘削速度は低い値Ｈ１まで落ちる。この方法で岩盤との接触が検知された時、衝撃圧力制限及び掘削速度制限は、通常掘削作業の場合に用いられる値まで変えられ、それにより、衝撃圧力が、通常掘削圧力Ｓ２まで再び上げられ、それにより、衝撃圧力の増加のおかげで、掘削速度も増加して、それはもう一度、問題となっているタイプの岩盤に適した通常掘削速度Ｈ２に達する。図面に示すように、衝撃圧力の増加は急速であり得、代わりに、それは、掘削孔の逸脱の危険を防止するために適当な「カラーリング」作業によって表される。
【００５１】
また、図６に示した解決手段は、複数の他の機能と組み合わせられ得る。衝撃掘削はしばしば、衝撃毎にドリルビットのピンが新しい岩盤に当たることを保証するためにドリルストリングの回転（指標付け）を含む。この回転速度は、例えば、増加され得、また、それは、キャビティを通過する間は低減され得る。これの代わりに、又はこれに加えて、ドリルビットのフラッシング孔が詰まらされる危険を低減させるためにフラッシング圧力が増加され得る。
【００５２】
図６に示された実施例は、ドリルビットのキャビティの通過が高度に制御された作業になるという利点を有する。速度が低い値に維持されるので、岩盤との接触における損傷の危険を相当に低減させることが可能になる。さらにまた、キャビティ速度（移送速度）は、掘削すべき岩盤の硬さに依存して、通常掘削速度より高くなるように、又は低くなるように設定され得る。図６に示した解決手段は、また、設定が容易であるという利点を有する。キャビティが検出されたとみなされた時、及び岩石との接触が回復した時の速度設定は、リグの制御パネルから簡単な方法で制御され得、掘削が進んでいる間に調整され得る。
【００５３】
上述したように、本発明は、初期掘削及び通常掘削の両方の場合に用いられ得る。それは、特に、岩盤が多数の裂け目を含んでいたり、及び／又は岩盤の硬さが大きく変化したりして、その結果、ドリルスチールが、時々、岩との接触を失う場合に有利である。この場合、有害な反射の危険が低減され得る。
【００５４】
さらにまた、本発明は、ここでは、衝撃ピストンを有する衝撃削岩機に関して説明されている。この衝撃削岩機は、理論上は、衝撃、即ち、衝撃パルスのエネルギが衝撃ピストンの運動エネルギから成り、そのエネルギがドリルスチールに伝達される。しかし、本発明は、非常に小さな運動を実行するだけの衝撃手段を介してエネルギストレージからドリルストリングに伝達される衝撃パルスによって衝撃波エネルギが生み出されるような他の形式の衝撃発生システムにも用いることができる。
【００５５】
本発明で用いられている用語「速度に従った圧力の制御」は、掘削速度が敷居値を超えると直ぐに、衝撃圧力が、通常掘削圧力から、例えば、初期掘削圧力まで突然低減させられるタイプの制御を含まない。
【００５６】
さらにまた、上記説明では、本発明は、地下掘削リグについて説明されているが、本発明は、上述した掘削アプリケーションとは異なる掘削アプリケーションに使用することもでき、かつ、地上で動作する掘削リグにも使用することもできる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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