设计凿岩计划的方法和布置的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种设计用于岩洞挖掘的凿岩计划（12）的方法和布置。所述方法使用借助于计算机辅助设计程序产生的所述凿岩计划，提前限定在预定坐标系中的至少钻孔（13）的位置，用于待被在掌子面中钻出的一轮钻孔（26）。所述方法基于钻孔的末端（36）的位置和一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌（28）来确定一轮钻孔的挖出度，并且基于因而所确定的挖出度来设计或修改用于后续一轮钻孔的凿岩计划。
【专利说明】设计凿岩计划的方法和布置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种设计用于岩洞挖掘的凿岩计划的方法，该凿岩计划提前限定用于在掌子面中待被钻出的一轮钻孔的、在预定的坐标系中的至少钻孔的位置，并且该方法借助于计算机辅助设计程序产生凿岩计划。本发明还涉及一种设计用于通过凿岩设备挖掘岩洞的凿岩计划的布置，该凿岩设备包括一个或者更多个钻臂，该钻臂具有附接到钻臂上的凿岩单元和用于控制凿岩的控制单元，该布置包括用于设计或修改凿岩计划的计算机，由此在凿岩计划中，已经提前限定了在预定坐标系中的至少钻孔的位置，用于待被钻出的一轮钻孔。
【背景技术】
[0002]隧道、地下储仓和其它岩石设施都以多轮钻孔的形式进行挖掘。在掌子面中，钻出钻孔，在钻凿之后对这些钻孔装药并且爆破。一次爆破使等于一轮钻孔的量的岩石材料从岩石脱落。为了挖掘岩洞，针对岩石类型等，提前作出计划，并且确定信息。通常，岩洞的订货人也对待被挖掘的岩洞设置了各种质量要求。
[0003]当通过设有使用仪器的凿岩设备执行掌子面凿岩时，通常作为办公室工作来设计用于钻出一轮钻孔的凿岩计划，在该过程中，也要注意提供用于爆破该轮钻孔的装药计划。借助于凿岩设备的控制计算机向正在使用的凿岩设备提供该凿岩计划。该凿岩计划控制指令，以便以能够形成期望的一轮钻孔的方式在岩石中钻出钻孔。
[0004]通过每一轮钻孔的挖出度(pull-out)，测量凿岩计划、凿岩和装药的成功性等，该挖出度涉及的是一轮爆破之后的隧道的掘进长度与凿岩计划中的设计长度的比率。例如，将挖出度从88%提高到95%意味着挖掘工程中的显著成本节约。在实践中，通过改变凿岩计划来找到最佳的挖出度，这里的参数包括在不同计划区域中的钻孔的定位、定向和数目、爆破口、具体装药量。
[0005]为了设计凿岩计划，存在帮助设计者制定凿岩计划的已研发出来的设计程序。因而，设计凿岩计划是设计者和设计程序之间的交互行为。
[0006]例如，考虑到爆破技术，已经以各种方式研发出了凿岩计划和连续设计的制定，以及在隧道作业期间对计划的审阅。例如，专利公开W02008/078001代表了现有技术。
[0007]在实践中，在一轮爆破中已经发现，即使尽可能完善地基于已知的事实来设计钻孔的位置和尺寸以及爆破装药的量，然而爆破的结果也不满足所计划的设计。通常，当在爆破之后清除脱离的材料时，可能发现残留下来的岩石的表面明显偏离爆破之后应该获得的理论表面。这可能由多种不同的因素导致，诸如岩石的碎裂特性或硬度，或者不能提前充分精确了解的一些其它因素。然而，结果是挖掘效率降低，并且这继而导致非常显著的额外成本。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是提供一种制定凿岩计划的方法和布置，其比之前的更好地考虑了条件，且因此，可以比先前更高效和更精确地挖掘隧道。本发明的方法的特征在于:结合钻孔的钻凿，确定至少一些钻孔的末端的位置；在存储器中存储所确定的钻孔的末端的位置；基于所确定的钻孔的末端的位置和一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌来确定一轮钻孔的挖出度，并且基于因而所确定的挖出度，设计或修改下一轮钻孔的凿岩计划。
[0009]本发明的布置的特征在于，该布置包括:用于定位至少一些钻孔的末端的位置的装置；用于在存储器中存储所确定的钻孔的末端的位置的装置；和用于确定一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌的装置，并且由此能够基于所限定的钻孔的末端的位置和一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌，来限定已爆破的一轮钻孔的挖出度，并且可以基于因而所限定的挖出度来设计或修改凿岩计划。
[0010]本发明的构思在于，在设计用于一个或者更多个随后轮的钻孔的凿岩计划时，考虑最近爆破的一轮钻孔的钻孔的末端的位置和待被钻出的新的钻孔的起始点的位置之间的差异。此外，该构思在于基于这些差异作出变化。
[0011]本发明具有的优点在于，通过考虑在爆破之后在最近爆破的一轮钻孔中出现的与计划的偏离，能够获得用于后续轮钻孔的更适当和更有效的凿岩计划，这将继而增加一轮钻孔的挖出度，并且因而提高整个隧道挖掘过程的效率，并且降低成本。所以，在整个操作中，可以比以前更好地考虑岩石特性上的变化。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]将在附图中更详细地解释本发明的一些实施例，其中:
[0013]图1以侧视图示意性地示出了凿岩设备和通常与凿岩设备分离的、用于设计凿岩计划的装置，
[0014]图2示意性地示出了在待被挖掘的隧道方向上看到的凿岩计划，
[0015]图3是凿岩计划原理的示意性顶视图，
[0016]图4a和图4b是在爆破之后的一轮钻孔中的实际情形的示意性顶视图，和
[0017]图5a-图5d是在两轮接连的钻孔中的情形的示意性透视图。
[0018]在附图中，为清楚起见，简化地示出了本发明的一些实施例。图中相同的附图标记指的是相同的部分。
【具体实施方式】
[0019]图1示出了凿岩设备1，其包括可移动载架2，一个或者更多个钻臂3以及布置在钻臂3上的凿岩单元4。凿岩单元4包括进给梁5，凿岩机6可借助于进给设备在进给梁5上移动。此外，凿岩单元4包括钻具7，由凿岩机传送的冲击脉冲通过钻具7传递到待被凿岩的岩石。凿岩设备I还包括至少一个控制单元8，其被构造用以控制被包含在凿岩设备I中的致动器。控制单元8可以是计算机或相应的设备，并且控制单元8可以包括用户界面，用户界面包括显示设备以及用于向控制单元8发出指令和信息的控制装置。
[0020]通常，考虑到凿岩计划，制定用于钻出每一轮钻孔的装药计划。在凿岩计划中，在预定坐标系中限定待被钻出的钻孔的位置。待被钻出的钻孔的位置可以被确定为其在该坐标系中的起始点、方向和长度，或者仅被确定为起始点和终止点，基于该起始点和终止点，在坐标系中分别确定长度和方向。装药计划继而限定专用于孔的所要用的爆炸物、装药尺寸、引爆装药的定时等。
[0021]通常在凿岩现场之外提前设计凿岩计划，诸如在办公室9，其具有设计计算机21，例如，当制定或者审阅凿岩计划12时,在设计计算机21的显示器22上示出凿岩计划12。可以从设计计算机21下载凿岩计划，并且将其存储在存储装置中，诸如记忆棒或磁盘，或者可以通过数据传输连接10直接将凿岩计划传输到凿岩设备的控制单元8，并且存储在通常存在于控制单元中的存储装置中，诸如硬盘或存储磁盘。如果如此需要，则例如也可以借助于在凿岩设备I的舱室11中的控制单元8对凿岩计划12进行设计和修改。此外，可以在凿岩现场或者凿岩现场之外修改现有的凿岩计划。凿岩计划的设计由计算机进行辅助，并且实际上大体是重复的。设计程序在设计计算机21、控制单元8的计算机等上运行，并且设计者23与设计程序交互地操作，并且输入必需的数据，作出选择，并且控制设计进程。为了获得更好的结果，在设计进程期间可以进一步重复地修改计划中已经设计好的部分。
[0022]一旦完成凿岩计划，就可以将其下载到凿岩设备的控制单元8并且执行。在岩石24中钻出所设计的钻孔，对它们装药，并且然后爆破。等于期望一轮钻孔的量的岩石量从岩石24破碎出，通过运输将这些岩石清除。之后，根据相同的或新的凿岩计划12，钻出用于下一轮钻孔的新钻孔。
[0023]图2示出了凿岩计划12的示例，凿岩计划12可以包括多个钻孔。在凿岩计划12中，可用适当的符号代表钻孔13的起始点13a，诸如圆圈，并且用从起始点中引出的投影线13b代表钻孔的方向。如图2所示的凿岩计划12的XZ投影可以在图形用户界面即设计计算机21的显示器22中显示，或者另外地，以与在图形用户界面中相同的方式在凿岩设备I的控制单元8中显示。
[0024]图3示出了从上方看时，结合隧道25中待被钻出的一轮钻孔26的凿岩计划12的原理。在导航中，凿岩设备和凿岩计划的坐标系相互链接，并且与隧道的坐标系链接。导航之后，可以根据计划执行对该轮钻孔的凿岩。
[0025]图3从挖掘的角度，示出了如何以适当的间距和以不同的方向，相对于待被横向于隧道钻凿的岩石来定位钻孔13。通常，用于凿岩计划的基础是所谓的导航平面27，该导航平面27是距实际的岩石表面28 —定距离处的、在隧道的横向方向上的虚构表面。在凿岩计划中，在将处在该导航平面上的坐标系中确定待被钻出的钻孔的理论上的起始点29，并且以凿岩开始时钻杆穿过该点的方式，执行凿岩设备中的钻臂的定向。
[0026]一轮钻孔26的标称长度是导航平面27和理论上的终止平面30之间的距离L。实际上，如图所示，一些钻孔延伸超过终止平面，并且一些钻孔，通常是处在边缘部分的那些钻孔，保持比这一轮钻孔的长度短。
[0027]图4a和图4b示意性地示出了，通常是在爆破之后从上方看时的这一轮钻孔中的实际情形。在图4a中，实线33描述在已爆破的这一轮钻孔中的钻孔的末端部分，该末端部分在爆破之后保留在岩石中，并且在该末端部分周围的岩石在爆破中未脱离。此外，虚线34描述用于下一轮钻孔的待被钻出的钻孔。在残留下来的岩石表面，即起始表面28和穿过这一轮钻孔的钻孔末端的理论上的终止表面36之间的区域是岩石，理论上，该岩石应该已经在爆破中脱离。在图4b中以区域37图示该岩石。在实践中，这样的岩石总是残留下来，并且当从在爆破中预期脱离的、所设计的岩石量减去残留下来的岩石量时，就将获得上文提及的挖出度，即为预期量的一定百分比的脱离的岩石量。取决于岩石类型和结构、多成功地钻出钻孔等，残留下来的岩石可能在隧道的横向表面的各个部分的厚度上变化很大。
[0028]然后，图5a到图5d以透视图示意性地示出了在同一隧道挖掘中的两轮已实际实现的钻孔之间的相互关系，和所设计的一轮钻孔与已实现的一轮钻孔之间的爆破时未脱离的残留下来的岩石。例如，通过确定在残留下来的岩石表面上的、下一个轮钻孔中待被钻出的钻孔的起始点的位置和先前一轮钻孔的钻孔的末端的位置，并且通过基于这些点形成向用户示出在这轮爆破中的未脱离岩石的体积的型体，获得该未脱离岩石的形状。
[0029]图5a基于在岩石的起始表面28a上的钻出的钻孔的起始点、和由这轮钻孔的钻孔末端的位置限定且穿过钻孔末端的位置的终止表面36a，示出了一轮钻孔26a在隧道坐标系中的形状。图5b继而相应地基于从先前一轮钻孔26a的爆破中残留下来的岩石的起始表面28b上的新钻孔的起始点，以及由新钻孔的钻孔末端的位置限定并且穿过新钻孔的钻孔末端的位置的终止表面36b,不出了下一轮钻孔26b在同一坐标系中的形状。
[0030]在图5c中，两轮钻孔26a和26b被布置在它们实际的相互的位置中，且结果是，看起来后一轮钻孔26b的起始表面28b比前一轮钻孔26a的理论上的终止表面36a更接近前一轮钻孔26a的起始表面28a。因此，在表面28b和表面36a之间存在残留下来的岩石37，理论上，残留下来的岩石37应该已经在爆破中脱离。在图5d中图示了该岩石37。这意味着所获得的钻孔轮长度的损失，这是因为并非所有期望的岩石都脱离。这也意味着隧道挖掘作业中进度较慢以及额外的成本。将借助于本发明充分改进这些特征。
[0031]本发明的构思是以下列方式修正后续轮钻孔的凿岩计划，S卩，基于已实施一轮钻孔的爆破结果，将修改或最优化将用于钻出一个或更多个后续轮钻孔的凿岩计划。
[0032]在当前实践中，根据所设计的计划钻出钻孔，而与钻孔的实际起始点的位置无关。所以，由于额外的岩石，钻孔的实际起始点偏离理论上的起始点，而该额外岩石不对凿岩计划的设计和实施产生任何影响。根据本发明，如果需要，则基于所实现的结果来修正凿岩计划。所以，例如，可以预先结合下一轮钻孔来修改钻孔的长度和/或它们的终止点的位置，以便爆破结果将更好地对应于所期望的结果。
[0033]为新一轮钻孔在开始钻孔的钻凿时所确定的岩石的表面形貌和已爆破的这一轮的岩石中的钻孔末端的位置，构成了修改凿岩计划的基础。通过测量设备，诸如激光器或超声波测量设备来精确测量而获得岩石的表面形貌，即其轮廓。可替代地，可以通过确定在岩石的表面上的、用于下一轮钻孔的钻孔的起始点，以足够的精度来近似确定岩石的表面形貌。可通过本身已知的单独的测量设备测量这些起始点或通过借助于凿岩设备的控制单元确定位置数据来执行形貌的确定。可以在凿岩之前、期间或之后测量钻孔的起始点的位置数据。因此，通过使用单独的测量设备测量这些钻孔末端或借助于凿岩设备的控制单元确定这些钻孔末端，从而提供钻孔末端的位置数据。根据期望的精度，能够确定所有钻孔的起始点和终止点的位置数据或仅仅适当选择的钻孔的位置数据。
[0034]因而，借助于岩石的因此所确定的表面形貌和所确定的钻孔末端的位置数据，能够计算前一轮钻孔的挖出度，并且如果需要，能够通过上述方式修正用于下一轮钻孔或任何后续轮钻孔的凿岩计划。
[0035]在实践中，当使用凿岩设备的控制单元时，以如下方式实施该确定，即，当操作者，诸如凿岩者开始钻出钻孔时，他移动凿岩设备的钻臂到相对于待被钻出的钻孔的正确的凿岩位置，由此设备传感器能够测量钻孔在凿岩方向上的起始点。将该信息存储在凿岩设备的控制单元中，并且基于该信息和对应的较早钻出的钻孔的实际位置数据，计算出这些点之间的差异。当对凿岩计划中所有的钻孔或者所选择的钻孔执行这一程序时，也能够计算出与凿岩计划相比，隧道的横向表面的每个具体点处还残留下来多少岩石未脱离，以及该
岩石的量。
[0036]借助于凿岩设备上的计算机或通过将数据传输给不在现场的凿岩计划设计者使用的、凿岩设备之外的计算机，该原理允许在凿岩计划中待被确定的用于下一轮钻孔的必需修改，所以在下一轮爆破中，岩石材料能够更好地按照计划破碎并从岩石脱离。一旦预先基于所述差异数据限定了凿岩计划，就能够立即用于凿岩设备的控制计算机，或者将其传输至凿岩设备的控制计算机以供使用。
[0037]可以结合对前一轮钻孔的爆破之后的一轮钻孔的钻凿，立即实施凿岩计划的变化，但是在实践中，在用于校正在下一轮钻孔之后的一轮钻孔时，它也是有用的。在实践中，能够脱离凿岩设备，通过激光扫描仪来执行测量，该激光扫描仪存储遍及整个表面的表面轮廓，并且不以任何方式集中在待被钻出的钻孔的起始点上。激光扫描同样是仅花费几分钟的操作，因此它无论如何也不会以任何方式减慢工作。
[0038]在一些情形下，可以同样使用本申请中所公开的特征，而不考虑其它特征。另一方面，如果需要的话，则本申请中所公开的特征可以组合以提供不同的组合。
[0039]附图和相关的描述仅旨在图示本发明的构思。本发明的细节可以在权利要求书的范围内变化。
【权利要求】
1.一种设计用于挖掘岩洞的凿岩计划的方法，所述凿岩计划提前限定用于待被在掌子面中钻出的一轮钻孔的、在预定坐标系中的至少钻孔的位置，并且所述方法借助于计算机辅助设计程序产生所述凿岩计划，所述方法的特征在于，结合钻孔的钻凿，确定至少一些所述钻孔的末端的位置；在存储器中存储所确定的钻孔的末端的位置；基于所确定的钻孔的末端的位置和一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌来确定一轮钻孔的挖出度，以及基于因而所确定的挖出度来设计或修改后续一轮钻孔的凿岩计划。
2.根据权利I所述的方法，其特征在于，通过使用测量设备测量所述残留下来的岩石的轮廓来确定所述岩石的形貌。
3.根据权利I所述的方法，其特征在于，通过测量用于在所述岩石的表面上的下一轮钻孔的钻孔的起始点中的至少一些起始点并且通过基于这些起始点计算所述轮廓的近似值来确定所述岩石的形貌。
4.根据权利3所述的方法，其特征在于，通过借助于凿岩设备的控制系统测量来确定待被钻出的钻孔的起始点的位置。
5.根据权利3所述的方法，其特征在于，通过使用单独的测量设备测量来确定待被钻出的钻孔的起始点的位置。
6.根据上述权利要求 中的任一项所述的方法，其特征在于，通过借助于凿岩设备的控制系统测量来确定待被钻出的钻孔的终止点的位置。
7.根据权利要求1-5中的任一项所述的方法，其特征在于，通过在所述钻孔的钻凿之后使用单独的测量设备测量待被钻出的钻孔来确定待被钻出的钻孔的末端的位置。
8.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，通过被包括在凿岩设备的控制单元中的计算机来设计用于所述一轮钻孔的所述凿岩计划。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的方法，其特征在于，将关于所述钻孔的末端的所测量到的位置数据从所述凿岩设备传输到与所述凿岩设备分离的外部计算机；使用与所述凿岩设备分离的所述外部计算机来计算已实现的挖出度，并且设计或修改用于后续一轮钻孔的凿岩计划；以及将所获得的凿岩计划传递到所述凿岩设备的控制计算机。
10.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，通过基于所述挖出度修改预定的凿岩计划，设计所述凿岩计划。
11.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，基于所述挖出度来设计凿岩计划，用于在最近爆破的一轮钻孔随后的一轮钻孔。
12.根据权利要求1-10中的任一项所述的方法，其特征在于，基于所述挖出度来设计凿岩计划，用于在最近爆破的一轮钻孔之后的那一轮钻孔随后的任意一轮钻孔。
13.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述预定坐标系中的所述钻孔的位置以钻孔起始点、钻孔方向角和钻孔长度来限定。
14.根据权利要求1-12中的任一项所述的方法，其特征在于，在所述预定坐标系中的所述钻孔的位置以待被钻出的钻孔的起始点和终止点来限定。
15.根据上述权利要求中的任一项所述的方法，其特征在于，确定在所述预定坐标系中的所述钻孔的起始点的位置，和相应的所述钻孔的末端的位置，用于所有待被钻出的钻孔。
16.一种用于设计用于使用凿岩设备挖掘岩洞的凿岩计划的布置，所述凿岩设备包括一个或者更多个钻臂，所述钻臂具有附接到所述钻臂上的凿岩单元和用于控制凿岩的控制单元，所述布置包括用于设计或修改所述凿岩计划的计算机，由此在凿岩计划中，已经提前限定用于待被钻出的一轮钻孔的、在预定坐标系中的至少钻孔的位置，其特征在于，所述布置包括:用于定位至少一些所述钻孔的末端的位置的装置，用于在存储器中存储所确定的钻孔的末端的位置的装置，以及用于确定在一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌的装置，并且由此，能够基于所限定的钻孔的末端的位置和在一轮爆破之后所述残留下来的岩石的形貌来限定已爆破的所述一轮钻孔的挖出度，并且可以基于因而所限定的挖出度来设计或修改所述凿岩计划。
17.根据权利要求16所述的布置，其特征在于，用于限定在一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌的所述装置包括:用于测量所述残留下来的岩石的轮廓的测量设备。
18.根据权利要求16所述的布置，其特征在于，用于限定一轮爆破之后残留下来的岩石的形貌的所述装置包括:用于测量在所述岩石的表面上的用于下一轮钻孔的至少部分钻孔的起始点的并且用于基于所测量的起始点计算所述岩石的表面的轮廓的近似形的测量设备。
19.根据权利要求 18所述的布置，其特征在于，用于测量待被钻出的钻孔的起始点的所述装置是所述凿岩设备的控制系统的组成部分。
20.根据权利要求18所述的布置，其特征在于，用于测量待被钻出的钻孔的起始点的所述装置包括单独的测量 设备。
【文档编号】E21B7/02GK103597160SQ201280028906
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2012年6月14日 优先权日:2011年6月14日
【发明者】约科·穆奥纳 申请人:山特维克矿山工程机械有限公司