DE69120279T2

DE69120279T2 - Verfahren und ausrüstung zum ausrichten des vorschubarms einer gesteinsbohrausrüstung

Info

Publication number: DE69120279T2
Application number: DE69120279T
Authority: DE
Inventors: Heikki Rinnemaa
Original assignee: Tamrock Oy
Current assignee: Tamrock Oy
Priority date: 1990-10-08
Filing date: 1991-10-07
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2011-10-08
Also published as: US5383524A; JP3010377B2; ZA918035B; WO1992006279A1; FI904937A0; NO931179D0; FI88426C; FI904937A; JPH06502000A; FI88426B; EP0551351B1; AU8626291A; NO931179L; DE69120279D1; EP0551351A1; NO303843B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausfluchten des Vorschubarms einer Gesteinsbohrvorrichtung mit einem Bohrloch, bei dem die Neigung des Vorschubarms in Richtung zweier unter einem Winkel zueinander stehender vertikaler Ebenen mittels zweier schwerkrattbetriebener, auf die Position des Vorschubarms ansprechender Sensoren gemessen wird, wobei jeder Sensor die Neigung des Vorschubarms in Richtung einer Ebene anzeigt, und bei dem der Vorschubarm derartig gedreht wird, daß die Bohrstange in einer gewünschten Richtung positioniert wird durch Einstellen der Neigung des Vorschubarms gegenüber den Meßebenen auf der Basis der mittels der Sensoren erhaltenen Werte der Neigungswinkel.
Die Erfindung befaßt sich auch mit einer Gesteinsbohrvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend einen Träger, einen am Träger mittels Gelenken drehbar gelagerten Ausleger und einen Vorschubarm für eine Bohrmaschine, wobei der Vorschubarm am Ende des Auslegers mit rechtwinkelig zueinander stehenden Gelenken gelagert ist, zwei schwerkraftbetriebene Neigungssensoren zur Messung der Neigung des Vorschubarms gegenüber zwei vertikalen Meßebenen, die zueinander unter einem Winkel stehen, und eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der durch die Sensoren gemessenen Neigungswinkelwerte.
Zum Bohren von Löchern in Gestein wird der Vorschubarm parallel zu einer Ebene positioniert, die durch die Reihe von zu bohrenden Löchern definiert ist, insbesondere wenn sich Gestein zur weiteren Verarbeitung löst. In ähnlicher Weise ist es in einigen Fällen erwünscht, Löcher in systematischen regelmäßigen Feldern zu bohren, um das Sprengen so wirkungsvoll und genau wie möglich durchführen zu können. Zum Bohren einer Reihe von Löchern in einer vorgegebenen Richtung wird die Bohrrichtung für gewöhnlich in x- und y-Ebenen festgelegt, die vertikal sind und im rechten Winkel zueinander stehen. Normalerweise besteht das Ziel darin, das Bohren so auszuführen, daß die y-Ebene parallel zur Längsachse des Trägers ist, wobei die x-Ebene im rechten Winkel hierzu steht, damit die Bohrstange leichter in einer gewünschten Richtung positioniert werden kann. Das Positionieren erfolgt normalerweise durch Ausfluchtungsgeräte verschiedener Bauarten.
Zur Festlegung der Position des Vorschubarms, ist die Anwendung von schwerkraftbetriebenen Fühleinrichtungen bekannt, deren Zweck darin besteht, die Richtung des Vorschubarms gegenüber der vertikalen Richtung zu ermitteln. Solche Einrichtungen sind zum Beispiel in SE-Patent 392 319 beschrieben, das einen Sensorkasten offenbart, der am Vorschubarm befestigt ist und einen schwerkraftbetriebenen Sensor enthält. Dieser Sensorkasten liefert eine Winkelanzeige sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung auf einem vor der Bohrperson positionierten Schirm. Zur Berücksichtigung der Richtung des Auslegers gegenüber dem Träger ist der Sensorkasten am Vorschubarm um eine zur Bohrstange parallele Achse drehbar befestigt, wobei die Bohrperson den Sensorkasten im Verhältnis zur Schwenkung des Auslegers so schwenken kann, daß die Meßrichtungen des Sensors gegenüber der ursprünglichen vertikalen Ebene ungeändert bleiben.
GB-Patent 1 325 240 wiederum offenbart eine Anordnung, bei der der Vorschubarm ein Steuerventil enthält, das in Abhängigkeit von einem schwerkraftbetriebenen Gewichtssensor betätigt wird und die Schwenkzylinder des Vorschubarms während der Bewegung des Auslegers derart steuert, daß die Position des Vorschubarms im wesentlichen unverändert bleibt. Bei dieser Anordnung werden der Vorschubarm und somit die Bohrstange zuerst in eine gewünschte Winkelposition gegenüber dem Ende des Auslegers geschwenkt, wonach das schwerkraftbetriebene Steuerventil vertikal positioniert und an Ort und Stelle festgelegt wird. Wenn die Verschiebung des Auslegers ein Abweichen der Position des Vorschubarms von seiner ursprünglichen Position bewirkt, hält der schwerkraftbetriebene Sensor einen oder mehrere der den Vorschubarm schwenkenen Zylinder in Betrieb, bis der Vorschubarm in seine ursprüngliche Richtung zurückgekehrt ist.
Aus US-Patent 4 514 796 und FR-Patent 82 00 648 ist zum Beispiel auch bekannt, die Richtung der Bohrstange gegenüber dem Träger der Bohrvorrichtung mittels verschiedener Sensoren zu berechnen, während die Richtung der Bohrstange gegenüber der Erdoberfläche oder der Schwerkraft in keiner Weise bestimmt wird, wodurch die Position des Trägers in keiner Weise in Betracht gezogen wird.
Ein Nachteil der bekannten Anordnungen besteht darin, daß das Ausfluchten schwierig ist, da nur die x- und y-Ebenen verwendet werden können. Das Steuern der Vorrichtung ist schwer und die Bohrperson muß mechanische Einstellungen und andere Maßnahmen ausführen können, um eine ziemlich erfolgreiche Ausfluchtung zu gewährleisten. Die Vorrichtungen rechnen nicht mit der Winkelabweichung, die in Fällen auftritt, in denen der Vorschubarm sowohl in der x- als auch in der y-Richtung geschwenkt wird. Bei bekannten Anordnungen werden Winkelabweichungen nur vermieden, wenn die Schwenkachsen des Vorschubarms vollständig parallel zu den x- und y-Ebenen geschwenkt werden, wodurch die Vorrichtung für jedes Loch so verschoben werden muß, daß die Längsrichtung des Auslegers parallel zur y-Achse ist, oder durch Verwendung eines gesonderten zusätzlichen Gelenks, durch das der Vorschubarm und seine herkömmlichen Schwenkgelenke so geschwenkt werden können, daß sie parallel zu den x- und y- Ebenen sind. Die im letzteren Fall erforderliche zusätzliche Gelenkkonstruktion ist schwer und teuer. Zusätzlich hierzu müssen zusätzliche Fühleinrichtungen in jedem Fall die Richtung in Betracht ziehen. Darüberhinaus macht diese Konstruktion die Vorrichtung schwer steuerbar und verursacht die Ausübung von zusätzlichen Belastungen auf den Ausleger und die anderen Strukturen. Ferner ziehen die bekannten Anordnungen die Abweichung nicht in Betracht, die durch die Neigung des Trägers verursacht wird, wenn die Neigung des Vorschubarms durch Sensoren bestimmt wird, die auf die Schwerkraft ansprechen. Schließlich ermöglichen die gegenwärtig in Gebrauch befindlichen Vorrichtungen keine genaue Bestimmung der Bohrtiefe. Vielmehr muß die Bohrtiefe gesondert berechnet werden, während die Neigung der Ebene in Betracht gezogen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die die oben beschriebenen Probleme vermeiden und durch die die Ausfluchtung sowohl des Vorschubarms als auch der Bohrstange und, falls erforderlich, die Bohrtiefe zuverlässig bestimmt und ausgeführt werden können und, falls erforderlich, vollautomatisch.
Dies erfolgt gemäß der Erfindung durch ein Verfahren derart, daß der durch den Sensor angegebene Winkelwert durch Rechnung derart korrigiert wird, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel des Vorschubarms entspricht, durch Berücksichtigen des Einflusses einer Abweichung aufgrund der Neigung des Vorschubarms in der anderen Meßebene unter einem Winkel gegenüber der Meßebene des Sensors, und daß der Vorschubarm auf der Basis des Winkelwerts des Sensors in einer gegebenen Richtung ausgefluchtet wird, nachdem der Wert durch Rechnung derart korrigiert wurde, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel entspricht.
Die Grundidee des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die Neigung des Vorschubarms gegenüber der Erdoberfläche durch zwei Sensoren gemessen wird, die die Neigung in zueinander im rechten Winkel stehenden Ebenen messen. Der Unterschied zwischen den durch die Sensoren erhaltenen Winkelwerten und dem tatsächlichen Winkelwert des Vorschubarms in Richtung einer vorgegebenen Ebene wird durch Berechnung dieser Abweichung kompensiert, das heißt der Unterschied zwischen dem Winkelwert eines Sensors und dem tatsächlichen Winkel des Vorschubarms in der Meßebene dieses Sensors. Die Abweichung wird dadurch verursacht, daß der Vorschubarm auch in der Richtung der anderen Ebene geneigt ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Neigung des Vorschubarms gegenüber dem Ausleger mit Hilfe von gesonderten Sensoren derart gesondert gemessen, daß die Neigung in der y-Rechnung gemessen wird als Drehwinkel des Gelenks zwischen dem Ausleger und dem Vorschubarm, welcher Drehwinkel von der x-Achse unabhängig ist. Der x- Winkel wird bezüglich des Gelenks zwischen dem Vorschubarm und dem Ausleger gemessen und wird durch Rechnung korrigiert zur Erzielung des tatsächlichen x-Winkels, wobei die durch den y-Winkel verursachte Winkelabweichung in Betracht gezogen wird. Wenn der Ausleger von der Richtung der y-Ebene abweicht, werden die entsprechenden mathematischen Korrekturen sowohl des y-Winkels als auch auf der Basis hiervon des x-Winkels durchgeführt, um die tatsächlichen Richtungswinkel zu erzielen. So können die Richtung der Bohrstange und des Vorschubarms immer als tatsächliche Richtungswinkel festgelegt werden, wobei dies mathematisch derart erfolgen kann, daß die Bohrperson die tatsächlichen Winkel auf dem Bildschirm ablesen kann, oder die festgelegten Winkel werden zur Vorrichtung geliefert. Sie berechnet auf diese Weise immer die tatsächlichen Winkel und stellt den Vorschubarm entsprechend den voreingestellten Winkelwerten ein. In ähnlicher Weise kann das Bohren durch seine Festlegung in einem zylindrischen Koordinatensystem erfolgen durch Festlegung eines Abweichungswinkels gegenüber der y-Achse und eines Neigungswinkels gegenüber einer vertikalen Achse, die zur Schwerkraft in dieser Richtung parallel ist. Hierdurch ist das Bohren leicht einzustellen und auszuführen unabhängig von Änderungen der zu bohrenden Wand und der Position des Trägers.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes enthält: einen Rechner mit einer Rechenvorrichtung zum Korrigieren des durch wenigstens einen der Sensoren angegebenen Winkelwerts durch Berechnung derart, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel des Vorschubarms entspricht durch Inbetrachtziehung des Einflusses der Neigung des Vorschubarms in einer Neßebene unter einem Winkel gegenüber der Meßebene des Sensors auf den Winkelwert des Sensors, und eine Steuereinheit zum Ausfluchten des Vorschubarms in einer vorgegebenen Richtung auf der Basis der durch Rechnung korrigierten Winkelwerte.
Die Grundidee der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß die Neigung des Vorschubarms gegenüber der Schwerkraft, das heißt gegenüber der Erdoberfläche, durch zwei Sensoren in zwei Ebenen gemessen wird, die im rechten Winkel zueinander stehen und parallel zur Schwerkraft sind, das heißt vertikal zur Erdoberfläche, und daß die Vorrichtung einen Rechner enthält, der eine Abweichung oder eine Differenz zwischen dem durch den Sensor erhaltenen Winkelwert und der tatsächlichen Neigung des Vorschubarms berechnet. Die Abweichung ist dadurch bedingt, daß der Vorschubarm auch in der zweiten Meßebene geneigt ist, die im rechten Winkel zur Meßebene steht. Der Rechner zeigt dann die durch Rechnung erhaltene tatsächliche Neigung des Vorschubarms an. Die Grundidee einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der Erfindung besteht darin, daß die Neigung in der Längsrichtung des Auslegers durch einen gesonderten schwerkraftbetriebenen Sensor gemessen wird. Somit ist der durch diesen Sensor erhaltenen Winkelwert unabhängig vom anderen Neigungswinkel des Vorschubarms. Ferner wird die Neigung des Vorschubarms in der Querrichtung des Auslegers durch einen zweiten schwerkraftbetriebenen Sensor gemessen. Der durch diesen Sensor erhaltene Winkelwert kann dann durch Rechnung korrigiert werden auf der Basis des durch den ersten Sensor erhaltenen Winkelwerts, so daß der tatsächliche Winkelwert in der Querrichtung erhalten wird. Ferner dient bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung die Recheneinrichtung zur Berechnung der korrigierten Winkelwerte auf der Basis der Winkel zwischen dem Ausleger und dem Träger und der Geometrie des Auslegers, das heißt der Länge seiner Teile und der Winkel der Auslegergelenke, nämlich der durch die Winkelsensoren in den Gelenken erhaltenen Winkelwerte und der geometrischen Längenwerte, die in der Recheneinrichtung festgelegt sind, sowohl wenn der Vorschubarm in Längsrichtung des Auslegers als auch in Querrichtung hierzu schwenkt, wodurch die tatsächlichen Winkelwerte gegenüber den definierten Grundebenen immer erhalten werden, wenn Löcher in einer Reihe in gegebener Richtung gebohrt werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schrägan sicht einer Gesteinsbohrvorrichtung gemäß der Erfindung bei Anwendung des Verfahrens zur Bestimmung der Neigung des Vorschubarms durch zueinander im rechten Winkel stehende x- und y-Ebenen;
Fig. 2 eine schematische Schrägan sicht einer Gesteinsbohrvorrichtung gemäß der Erfindung bei Festlegung der Neigung des Vorschubarms als Richtungswinkel und als Neigung in einer durch den Richtungswinkel definierten Ebene;
Fig. 3 eine schematische Schrägan sicht einer Gesteinsbohrvorrichtung gemäß der Erfindung bei Messung der Neigung des Vorschubarms durch zwei gesonderte Sensoren, von denen einer zum Messen der Neigung des Vorschubarms in der Längsrichtung des Auslegers und der andere in seiner Querrichtung dient;
Fig. 4 eine schematische Schrägan sicht der Messung der Neigung des Vorschubarms, wenn gesonderte schwerkraftbetriebene Sensoren, die die Neigung gegenüber der Erdoberfläche anzeigen, im Träger der Gesteinsbohrvorrichtung vorgesehen sind.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Gesteinsbohrvorrichtung mit einem Träger 1 an dem ein Ausleger 3 an einem vertikalen Gelenk um eine vertikale Achse drehbar gelagert ist. Ein Vorschubarm 6 ist am Ende des Auslegers 3 um eine horizontale Achse 4 und um eine zur Achse 4 im rechten Winkel stehende Achse 5 drehbar befestigt, wobei eine Bohrmaschine mit einer Bohrstange so angeordnet ist, daß sie sich längs des Vorschubarms 6 in Richtung von dessen Längsachse in an sich bekannter Weise bewegt, was hier nicht näher beschrieben ist.
Ein Sensorkasten 7, der an sich bekannte schwerkraftbetätigte Sensoren 7x und 7y enthält, ist am Vorschubarm 6 befestigt. Die Konstruktion und der Betrieb der Sensoren sind an sich bekannt, wobei die Sensoren ähnlich oder dasselbe Prinzip verwendend arbeiten können wie zum Beispiel die im SE- Patent 392 319 offenbarten schwerkraftbetätigten Sensoren. In Fig. 1 ist eine durch die Schwerkraft definierte vertikale Linie mit dem Bezugszeichen P bezeichnet. Im Fall dieser Figur befindet sich der Träger 1 in einer horizontalen Stellung, das heißt die durch den Träger definierte Ebene steht im rechten Winkel zur Linie P. Ähnlich ist eine bei der Neigungsmessung zu verwendende erste Meßebene, nämlich eine y-Ebene, parallel zur Längsachse des Auslegers 3 und zur Linie P. So gibt der Sensor 7y die Neigung des Vorschubarms in der y-Ebene an als Winkel β zwischen der Längsachse des Vorschubarms und der vertikalen Linie P. Dementsprechend ist eine zweite Meßebene, nämlich eine x-Ebene, vertikal zur y- Ebene und parallel zur Linie P. Der Sensor 7x gibt die Neigung des Vorschubarms in der x-Ebene als Winkel α zwischen der Längsachse des Vorschubarms und der Linie P an. Wenn der Vorschubarm nur in Richtung einer Meßebene, wie der y-Ebene, geneigt ist, gibt der Sensor diese Ebene die Neigung des Vorschubarms genau an. Wenn der Vorschubarm zusätzlich in Richtung der x-Ebene geschwenkt wird, gibt der Sensor 7y einen größeren Winkelwert an, obwohl der Winkel tatsächlich in Richtung der y-Ebene unverändert bleibt. Wenn folglich die tatsächliche Richtung des Vorschubarms berechnet wird, muß der Einfluß der Neigung in Richtung der anderen Ebene in Betracht gezogen werden, um eine fehlerhafte Bohrrichtung zu vermeiden. In Fig. 1 ist die Situation in vielerlei Hinsicht vereinfacht. Der Klarheit wegen sei angenommen, daß der Träger 1 sich in der horizontalen Position befindet und daß der Ausleger 3 zur Ebene des Trägers parallel ist. Die Vorrichtung nach der Erfindung enthält eine Recheneinheit 8, mit der die im Sensorkasten 7 enthaltenen Winkelsensoren verbunden sind und die den tatsächlichen Neigungswinkel des Vorschubarms auf der Basis der durch die beiden Sensoren gemessenen Winkel α und β berechnet. Eine an der Recheneinheit 8 befestigte Anzeigevorrichtung 9 zeigt die tatsächliche Richtung des Vorschubarms, wodurch der Vorschubarm durch an sich bekannte und daher nicht gezeigte Steuermittel in gewünschte Richtungen geschwenkt werden kann bis seine tatsächlichen berechneten Winkelwerte und die Winkelwerte einer vorgegebenen Bohrlochrichtung gleich groß sind.
Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Bohrvorrichtung, die der in Fig. 1 gezeigten ähnlich ist. In Fig. 2 wird die Richtung des Vorschubarms 6 durch die Neigungen der x- und y-Ebenen gemessen, die ähnlich wie in Fig. 1 definiert sind. Jedoch ist die Richtung der Längsachse des Vorschubarms in einem zylindrischen Koordinatensystem definiert, in dem die Längsachse einen Richtungswinkel γ hat, der in einer zur Linie P im rechten Winkel stehenden Ebene definiert ist, das heißt im wesentlichen in der Ebene der Erdoberfläche beginnend von der y-Ebene, und ferner definiert ist als Schwenkwinkel δ der Längsachse des Vorschubarms 6 weg von der Linie P in einer durch den Richtungswinkel γ und die Linie P definierten Ebene.
Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Anordnung entsprechend Fig. 1. In Fig. 3 sind der die Neigung in der x-Ebene bestimmende Sensor 7x und der die Neigung in der y-Ebene bestimmende Sensor 7y gesondert montiert, so daß der Sensor 7x an der Seite des Vorschubarms so positioniert ist, daß er auf Neigungsänderungen sowohl in der x-Ebene als auch in der y- Ebene reagiert, während der Sensor 7y zwischen dem Vorschubarm 6 und dem Ausleger 3 so positioniert ist, daß er nur durch eine Neigungsänderung beeinflußt wird, die um die Achse 4 in der y-Ebene stattfindet. Dies vereinfacht die Rechnung, da Änderungen der Winkelwerte in der y-Ebene nur bei den Winkelwerten der x-Ebene in Betracht gezogen werden müssen, während die Werte in der y-Ebene unabhängig von in der x-Ebene stattfindenden Änderungen korrekt sind.
Fig. 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Winkelsensoren enthaltender Sensorkasten 10 am Träger 1 befestigt ist, wodurch der Sensorkasten die Neigung des Trägers 1 als Winkel β' gegenüber einer durch die Schwerkraft definierten Linie P in einer dritten Meßebene oder einer y'-Ebene anzeigt, die durch die Linie P und die Längsachse y' des Trägers 1 definiert ist, und dementsprechend als ein Winkel α' gegenüber der Linie P in einer vierten Meßebene oder einer x'-Ebene, die zu der durch die Linie P definierten Ebene y' im rechten Winkel steht. Durch die so erhaltenen Winkelwerte α' und β' und durch Verwendung des Schwenkwinkels des Gelenks 2 des Auslegers 3 um das Gelenk 2 und der geometrischen Längenwerte des Auslegers ist es möglich, die Position des dem Vorschubarm 6 nahe gelegenen Endes des Auslegers 3 und auch die Richtung sowie Neigung des Auslegers zu berechnen, wodurch die Position eines im Ende des Auslegers 3 definierten Bezugspunkts, das heißt des Gelenkpunkts des Vorschubarms, gegenüber dem zu bohrenden Loch bekannt ist. Gleichzeitig kann berechnet werden, um wieviel die y-Ebene in der Längsrichtung des Auslegers und die zur y-Ebene im rechten Winkel stehende x-Ebene, deren Schnittlinie Z zur Ebene des Trägers im rechten Winkel stehen, von der durch die Schwerkraft definierten Linie P abweichen. Ferner können die durch die Winkelsensoren 7y und 7x erhaltenen Winkelwerte durch Rechnung derart korrigiert werden, daß die die Richtung und Neigung des Vorschubarms wiedergebenden Winkelwerte gegenüber der durch die Schwerkraft definierten Linie P korrekt bestimmt werden. Danach kann der Vorschubarm durch die Steuereinrichtung entsprechend den vorgegebenen Winkelwerten entweder manuell oder automatisch ausgerichtet werden.
Fig. 5 zeigt den Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung durch ein Blockdiagramm, das zeigt, wie die schwerkraftbetätigten Winkelsensoren 7x und 7y des Vorschubarms, die schwerkraftbetätigten Winkelsensoren 9x und 9y des Trägers, die Gelenksensoren 11 des Auslegers und die Positionssensoren 12 der Bohrstange und des Vorschubarms mit einer Recheneinheit 13 verbunden sind. Die Abstände zwischen den Auslegergelenken und weitere geometrische Daten, die die Konstruktion des Auslegers und die Verbindungen zwischen dem Träger und dem Ausleger betreffen, werden im voraus zum Rechner gegeben, so daß die Recheneinheit in der Lage ist, die benötigte Information auf der Basis der Position und der Winkeldaten, die, wie oben beschrieben, durch die Sensoren geliefert werden, zu berechnen. Die Messung und Berechnung der Richtung und Position des Auslegers gegenüber dem Träger sind an sich bekannt und dem Fachmann naheliegend, das heißt auf der Basis von US-Patent 4 514 796 oder FR-Patent 8 200 648, weshalb sie hier nicht weiter beschrieben werden. Auf der Basis der durch die Recheneinheit 13 berechneten Werte können die Betätigungseinrichtungen des Auslegers und des Vorschubarms entweder automatisch mittels einer mit der Recheneinheit 13 verbundenen Steuereinheit 14 oder durch manuelles Einstellen der Steuereinheit in Betrieb gesetzt werden, wodurch die Steuereinheit Steuersignale 14a so erzeugt, daß der Vorschubarm in einer gewünschten Position und Richtung positioniert werden kann. Bei der Vorrichtung und dem Leitverfahren nach der Erfindung sind die Leit- und Steuereinrichtungen voneinander unabhängig in zwei Teile unterteilt. Der erste Teil bestimmt die Position und die Bewegungen des Trägers 1 und des Auslegers 3 und die Messung sowie Berechnung der Position, Richtung und Neigung des dem Vorschubarm nahe gelegenen Endes des Auslegers 3, das heißt eines am Auslegerende definierten Bezugspunkts. Dies kann derart erfolgen, daß der Träger 1 immer in einer horizontalen Position positioniert ist, wodurch das Ende des Auslegers 3 immer gemäß der horizontalen Ebene positioniert ist, wobei seine Position gegenüber dem Träger auf der Basis der Winkelwerte der Gelenke und der Geometrie des Auslegers unmittelbar berechnet werden kann. Wenn demnach eine Neigung des Trägers zugelassen wird, kann die tatsächliche Neigung des Trägers auf der Basis der durch die Neigungssensoren des Trägers gegebenen Daten berechnet werden, wobei auf der Basis hiervon die Richtung, Neigung und Position des Auslegerendes berechnet werden kann. Der zweite Teil des Leit- und Steuersystems befaßt sich mit der Einstellung der Neigung des Vorschubarms 6 in der Weise, daß die Neigungsebenen des Vorschubarms 6 gegenüber dem Ausleger in vorgegebener Weise festgelegt werden, wodurch die Neigungssensoren 7x und 7y des Vorschubarms dessen Neigung durch dieses durch die x- und y-Ebenen definierte besondere Koordinatensystem angeben. Wenn der Träger 1 sich in einer horizontalen Position befindet, kann die tatsächliche Richtung des Vorschubarms nur durch die Neigungssensoren 7x und 7y des Vorschubarms im x-, y-Koordinatensystems oder gegenüber der durch die Schwerkraft im zylindrischen Koordinatensystem definierten Linie P berechnet werden. Wenn der Träger 1 geneigt ist, können die durch die Neigungssensoren 7x und 7y des Vorschubarms gegenüber dem Ende des Auslegers 3, das heißt gegenüber dem oben erwähnten Bezugspunkt, im festgelegten Koordinatensystem erhaltenen Neigungswerte durch Berechnung auf der Basis der Werte korrigiert werden, die für die Position und die Neigung des Auslegerendes auf der Basis der Neigungssensoren des Trägers berechnet werden. Somit wird wiederum die Neigung des Vorschubarms in einem rechteckigen Koordinatensystem erhalten, das durch die durch die Schwerkraft definierte Linie P definiert ist.
Anstelle der gesonderten Sensoren 9x und 9y, die die Neigung des Trägers angeben, ist es möglich die die Neigung des Vorschubarms angebenden Sensoren 7x und 7y derart zu verwenden, daß der Vorschubarm und der Ausleger in vorgegebenen Positionen mittels mechanischer Begrenzer festgelegt werden, um Neigung des Trägers zu bestimmen. Wenn der Ausleger und der Vorschubarm sich in diesen festgelegten Positionen befinden, kann die Neigung des Trägers von den Neigungssensoren des Vorschubarms in den Längs- und Querebenen des Trägers unmittelbar erhalten werden, wodurch diese Werte im Speicher der Recheneinheit festgelegt sind. Danach können die für die Positionierung des Vorschubarms und des Auslegers benötigten, Korrekturberechnungen auf der Basis der Neigungswerte des Trägers erfolgen, die im Speicher festgelegt sind, solange der Träger nicht verschoben wird.
Obwohl die schematisch in Fig. 1 bis 5 gezeigte Gesteinsbohrvorrichtung so gebaut ist, daß der Ausleger 3 nur um eine vertikale Achse gegenüber dem Träger geschwenkt werden kann, und der Ausleger ein durchgehender Balken von vorgegebener Länge ohne Gelenke ist, kann der Ausleger von beliebiger Konstruktion sein, vorausgesetzt, daß die Winkel der Gelenke des Auslegers durch daran befestigte Sensoren gemessen werden können, wobei die geometrischen Längen des Auslegers festgelegt sind oder im Fall eines teleskopisch ausfahrbaren Auslegers durch einen Längensensor für die Berechnung meßbar sind. In ähnlicher Weise kann die Berechnung mathematisch auf unterschiedlichen Wegen besonders dann erfolgen, wenn die Neigung des Trägers in Betracht gezogen wird, wodurch ein mathematischer Bezugspunkt am Ende beispielsweise des Auslegers festgelegt werden kann, wobei die Position des Bezugspunkts gegenüber dem Träger und die Richtung der Ebene des Trägers gegenüber der Schwerkraft festgelegt sind. Danach kann die Neigung der Vorschubvorrichtung bestimmt werden durch Berechnen in einem festgelegten Koordinatensystem gegenüber dem Bezugspunkt, oder das Neigungskoordinatensystem des Vorschubarms kann durch Berechnung so modifiziert werden, daß seine vertikale Achse parallel zur Achse P der Schwerkraft ist, wonach die Position des Vorschubarms in diesem modifizierten Koordinatensystem bestimmt wird durch Berechnen der durch die Sensoren erhaltenen Winkelwerte, so daß sie dem Neigungswinkel des Vorschubarms entsprechen.
Die Erfindung wurde in der obigen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen nur als Beispiel und in einer vereinfachten Form beschrieben bzw. gezeigt, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf die obige Beschreibung beschränkt. Die Konstruktion des Trägers sowie die Konstruktion und Abmessungen des zugehörigen Auslegers können nach Bedarf gewählt werden. Die Steuerung der Vorrichtung und das Ausfluchten des Vorschubarms und der Bohrvorrichtung können entweder automatisch oder von Hand erfolgen je nach den Bedingungen und Erfordernissen in jedem besonderen Fall. Die Position des Bezugspunkts des Auslegers wird zum Beispiel gegenüber der Ebene einer Reihe von zu bohrenden Löchern festgelegt, wobei die Bohrtiefe durch verschiedene Meßvorrichtungen und Bezugseinrichtungen bestimmt werden kann. Der Vorschubarm kann zum Beispiel in einer gewünschten Bohrrichtung ausgefluchtet werden, wonach er in seiner Längsrichtung so verschoben werden kann, daß ein Bezugsdetektor am Ende des Vorschubarms mit zum Beispiel einem Laserstrahl ausgefluchtet ist, der in an sich bekannter Weise eine Bezugsebene definiert. So wird angezeigt, daß das Ende des Vorschubarms sich in einer gewissen Ebene befindet. Das Höhenniveau kann selbstverständlich auch auf andere Weise ermittelt werden. Danach kann der Vorschubarm in Bohrrichtung verschoben werden bis er mit dem Gestein in Berührung kommt. Durch Messen dieser Verschiebung und deren Subtraktion von der gewünschten Bohrtiefe gegenüber der durch die oben erwähnte Laservorrichtung angegebenen Bezugsebene kann die erforderliche Länge eines zu bohrenden Lochs an dieser besonderen Stelle berechnet werden, damit das Ende jedes Lochs sich gegenüber der Bezugsebene auf derselben Höhe befindet. Dieses Messen und Berechnen der Bohrtiefe kann auch mit der Recheneinheit der Vorrichtung verbunden werden, um die Bohrtiefe jedes Lochs zu berechnen und den Bohrvorgang durch die Steuereinheit in gewünschter Weise zu steuern. Die Messung der Bewegungen des Vorschubarms und der Bohrmaschine muß hierdurch mittels Meßsensoren erfolgen, die eine ausreichend genaue Information für die Recheneinheit liefern.

Claims

1. Verfahren zum Ausfluchten des Vorschubarms einer Gesteinsbohrvorrichtung mit einem zu bohrenden Loch, bei dem die Neigung des Vorschubarms (6) in Richtung zweier unter einem Winkel zueinander stehender senkrechter Ebenen (x, y) mittels zweier schwerkraftbetriebener, auf die Position des Vorschubarms (6) ansprechender Sensoren (7x, 7y) gemessen wird, wobei jeder Sensor (7x, 7y) die Neigung des Vorschubarms (6) in Richtung einer der Ebenen (x, y) anzeigt, und bei dem der Vorschubarm (6) derart gedreht wird, daß die Bohrstange in einer gewünschten Richtung positioniert wird durch Einstellen der Neigung des Vorschubarms (6) gegenüber den Meßebenen (x, y) auf der Basis der mittels der Sensoren (7x, 7y) erhaltenen Werte der Neigungswinkel, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Sensor (7x, 7y) angegebene Winkelwert (α, β) durch Rechnung derart korrigiert wird, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel des Vorschubarms (6) entspricht, durch Berücksichtigen des Einflusses einer Abweichung aufgrund der Neigung des Vorschubarms (6) in der anderen Meßebene (y, x) unter einem Winkel gegenüber der Meßebene (x, y) des Sensors (7x, 7y), und daß der Vorschubarm (6) auf der Basis des Winkelwerts des Sensors (7x, 7y) in einer gegebenen Richtung ausgefluchtet wird, nachdem der Wert durch Rechnung derart korrigiert wurde, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Position und Tiefe des Bohrlochs bestimmt werden durch Positionieren des am Vorschubarm (6) befestigten Endes des Auslegers (3) der Bohrvorrichtung an einer vorgegebenen Stelle über dem Gestein auf der Basis der gemessenen Winkelwerte der Gelenke (2) zwischen dem Ausleger (3) und dem Träger (1) sowie der geometrischen Abmessungen des Auslegers (3), und daß der Vorschubarm (6) mit den in der Gesteinswand zu bohrenden Löchern auf der Basis der bezüglich der Position des Auslegers (3) korrigierten Werte ausgefluchtet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Trägers (1) in Richtung der im rechten Winkel zur Ebene des Trägers (1) und unter einem Winkel zueinander stehenden beiden Meßebenen (x', y') durch zwei schwerkraftbetätigte, auf die Position des Trägers (1) ansprechende Sensoren (9x, 9y) gemessen wird, wobei jeder Sensor (9x, 9y) die Neigung in Richtung einer der Meßebenen (x', y') angibt, daß die die Neigung des Vorschubarms (6) wiedergebenden Winkelwerte (α, β) bezüglich einer senkrechten Achse P derart korrigiert werden, daß sie den tatsächlichen Winkeln entsprechen, durch Berechnung des Einflusses der Neigung des Trägers (1) auf die Winkelwerte (α, β) der Sensoren (7x, 7y) des Vorschubarms (6), und daß der Vorschubarm (6) auf der Basis der auf diese Weise korrigierten Winkelwerte ausgefluchtet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung des Trägers (1) derart bemessen wird, daß der Ausleger (3) und der Vorschubarm (6) in einer vorgegebenen Position gegenüber dem Träger (1) positioniert werden, und daß die Neigung des Trägers (1) in einer Ebene (y'), die sich in Richtung der Längsachse des Trägers (1) und senkrecht zur Ebene des Trägers (1) erstreckt, und entsprechend in einer Ebene (x'), die sich quer zum Träger (1) und senkrecht zur Ebene des Trägers (1) erstreckt, durch die Neigungssensoren (7x, 7y) des Vorschubarms (6) gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Vorschubarms (6) nach der Berechnung angegeben wird als Drehwinkel (γ) um die senkrechte Achse (P), die sich durch das dem Vorschubarm (6) nahegelegene Ende des Auslegers (3) erstreckt, und als Richtungswinkel (δ) in einer Ebene, die durch den Drehwinkel (γ) und die senkrechte Achse (P) definiert ist.

6. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die die Neigung des Vorschubarms (6) messenden Sensoren (7x, 7y) derart angeordnet werden, daß sie die Neigung des Vorschubarms (6) gegenüber den Meßebenen (x, y) derart messen, daß der erste Sensor (7y) die Neigung des Vorschubarms (6) in der ersten Meßebene (y) mißt, die sich in Längsrichtung des Auslegers (3) und senkrecht zur Ebene des Trägers (1) zwischen einem sich quer zum Vorschubarm (6) erstreckenden ersten Gelenk (4) und einem sich im rechten Winkel zum ersten Gelenk (4) erstreckenden zweiten Gelenk (5) erstreckt, wodurch die Drehung des Vorschubarms (6) gegenüber dem zweiten Gelenk (5) den ersten Sensor (7y) nicht beeinflußt, und daß der zweite Sensor (7x) derart angeordnet wird, daß er die Neigung des Vorschubarms (6) gegenüber dem zweiten Gelenk (5) in der zweiten Meßebene (x) mißt, die zur ersten Meßebene (y) und zur Ebene des Trägers (1) im rechten Winkel steht, wodurch der durch den zweiten Sensor (7x) erhaltene Winkelwert (β) korrigiert wird durch dessen Berechnung auf der Basis der in der ersten Meßebene (y) gemessenen Neigung des Vorschubarms (6).

7. Gesteinsbohrvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, enthaltend einen Träger (1), einen am Träger (1) mittels Gelenken (2) drehbar gelagerten Ausleger (3) und einen Vorschubarm (6) für eine Bohrmaschine, wobei der Vorschubarm (6) am Ende des Auslegers (3) an im rechten Winkel zueinander stehenden Gelenken (4, 5) drehbar gelagert ist, zwei schwerkraftbetätigte Neigungssensoren (7x, 7y) zur Messung der Neigung des Vorschubarms (6) gegenüber zwei senkrechten Meßebenen (x, y), die zueinander unter einem Winkel stehen, und eine Anzeigeeinrichtung (9) zur Anzeige der durch die Sensoren (7x, 7y) gemessenen Neigungswinkelwerte (α, β) dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes enthält: einen Rechner (8) mit einer Rechenvorrrichtung (10) zum Korrigieren des durch wenigstens einen der Sensoren (7x, 7y) angegebenen Winkelwerts (α, β) durch Berechnung derart, daß er dem tatsächlichen Neigungswinkel des Vorschubarms (6) entspricht durch In-Betracht-Ziehen des Einflusses der Neigung des Vorschubarms (6) in einer Meßebene (y, x) unter einem Winkel gegenüber der Meßebene des Sensors (7x, 7y) auf den Winkelwert (α, β) des Sensors (7x, 7y), und eine Steuereinheit (11) zum Ausfluchten des Vorschubarms (6) in einer vorgegebenen Richtung auf der Basis der durch Rechnung korrigierten Winkelwerte.

8. Gesteinsbohrvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie Sensoren (9x, 9y) zur Messung der Neigung des Trägers (1) enthält, daß die Sensoren (9x, 9y) derart angeordnet sind, daß sie die Neigung des Trägers (1) in dessen Längsrichtung in einer dritten Ebene (y') messen, die sich im rechten Winkel zur Ebene des Trägers (1) und demnach in der Querrichtung des Trägers (1) in einer vierten Meßebene (x') erstreckt, die sich im rechten Winkel zur dritten Meßebene (y') und zur Ebene des Trägers (1) erstreckt, und daß die Sensoren (9x, 9y) mit dem Rechner (8) derart verbunden sind, daß die Neigungswinkel (α, β) des Vorschubarms (6) derart korrigiert werden, daß sie den tatsächlichen Neigungswinkeln des Vorschubarms auf der Basis der Neigungswinkel (α', β') des Trägers (1) entsprechen.

9. Gesteinsbohrvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der die Neigung des Vorschubarms (6) messende erste Sensor (7y) derart angeordnet ist, daß er die Neigung des Vorschubarms (6) in der Längsrichtung des Auslegers (3) in einer ersten Meßebene (y) mißt, die sich im rechten Winkel zur Ebene des Trägers (1) erstreckt, wodurch der Sensor (7y) positioniert ist zwischen einem ersten Gelenk (4), das zwischen dem Ausleger (3) und dem Vorschubarm (6) im rechten Winkel zur Meßebene (y) positioniert ist, und einem im rechten Winkel zum ersten Gelenk (4) ausgerichteten zweiten Gelenk (5), und daß der zweite Sensor (7x) derart angeordnet ist, daß er die Neigung des Vorschubarms (6) in einer zweiten Meßebene (x) mißt, die sich im rechten Winkel zur ersten Meßebene (y) und zur Ebene des Trägers (1) erstreckt.

10. Gesteinsbohrvorrichtung nach Anspruch 7 bis 9 mit Sensoren, die die Winkel der Gelenke (2) zwischen dem ersten Träger (1) und dem Ausleger (3) sowie die Längen der geometrischen Teile des Auslegers (3) angeben, wobei die Sensoren mit der Recheneinrichtung (10) verbunden sind zum Berechnen der Position und Richtung des dem Vorschubarm (6) nahegelegenen Endes des Auslegers (3) gegenüber dem Träger (1), dadurch gekennzeichnet, daß im Träger (1) Sensoren (9x, 9y) vorgesehen sind zum Angeben der Neigung des Trägers (1) gegenüber der Schwerkraft in zueinander im rechten Winkel stehenden Ebenen, daß die Recheneinheit (8) zum Berechnen der tatsächlichen Position und Richtung des Endes des Auslegers (3) auf der Basis der Winkelwerte (α', β') der Neigungssensoren (9x, 9y) des Trägers (1) dient, daß die Meßebenen (x, y) des Vorschubarms (6) so festgelegt sind, daß sie parallel zu einer Achse (z) sind, die im rechten Winkel zum Träger (1) steht, und daß der Rechner (8) zum Berechnen der tatsächlichen Richtung und Position des Vorschubarms (6) gegenüber der Richtung der Schwerkraft dient auf der Basis der Winkelwerte (α', β'), die die Neigung des Trägers (1) wiedergeben, und der Winkelwerte der Gelenke (2) des Auslegers (3) sowie der geometrischen Abmessungen des Auslegers (3).

11. Gesteinsbohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (8) zur Angabe der Richtung des Vorschubarms (6) dient als Drehwinkel (γ) um die vertikale Achse (P, Z), die sich durch das dem Vorschubarm (6) nahegelegene Ende des Auslegers (3) erstreckt, und als Richtungswinkel (δ) in einer Ebene, die durch den Drehwinkel (γ) und die vertikale Achse (P, Z) definiert ist.