CN106014261B - 有效排出岩粉的dth式钻孔机及利用其的钻孔方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明的钻孔机，由于能够将打碎岩石或地面而形成的岩粉有效地向外部排出，因此具有即使开挖跨度变长也能够防止降低岩粉排出及堵塞(jamming)的发生的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种DTH(潜孔，Down-the-hole)式钻孔机，尤其涉及一种，由于可有效地排出打碎岩石或地面而成的岩粉，因此即使开挖跨度(Excavation span)变长也不会发生降低岩粉的排出及堵塞(jamming)的DTH式钻孔机。并且，本发明还涉及一种利用这种钻孔机的钻孔方法。
背景技术
多锤头式的钻孔机是设在主体的多个锤头进行往复移动的同时对位于前方的岩石进行锤打并开凿的，根据锤头的工作方式分为液压式和气动式。
气动多锤头式的钻孔机主要使用于如地下水的开发、浅深度的地热开发等的垂直钻孔。利用气动式锤头对岩石进行垂直钻孔时，打碎岩石或地面而成的岩粉(rockparticles)通过用于使锤头工作的压缩空气来自动地排除到地表面。当岩粉与压缩空气一同排出到上方时，除了与钻孔壁摩擦而部分速度下降之外，在整体上速度矢量比较均匀(uniform)地形成，由此，岩粉可顺利地排出到外部。
但是，当利用气动多锤头式的钻孔机来以水平方向钻孔时，开挖跨度越长，越难以排出岩粉，对这点以多锤头式的扩孔机作为例子进行说明。
如上所述，气动多锤头式的扩孔机是通过压缩空气来使锤头进行往复移动，同时对位于前方的岩石进行锤打，并由上述锤打而形成的岩粉通过用于使所述锤头工作的压缩空气来排出到后方。
如图1a所示，挖掘起始部中，在扩孔机1后方几乎没有岩粉3，由此不会妨碍岩粉的排出，因此岩粉3可以顺利地排出到后方(地面)。
但是，如图1b所示，若开挖跨度为10m-30m左右，则岩粉3会堆积在扩孔机1后方，因此，会开始妨碍岩粉的排出，如图1c所示，若开挖跨度超过30m-50m，则岩粉3会大量堆积在扩孔机1后方，因此，降低岩粉的排出并发生堵塞(jamming)现象。
如上所述，在利用气动多锤头式的钻孔机(包括扩孔机)以水平方向钻孔的情况下，开挖跨度越长，岩粉3越难以顺利地排出到外部，由此，存在妨碍钻孔作业的问题。
发明内容
发明要解决的课题
本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种，在以水平方向钻孔的情况下，能够将岩粉顺利地排出到外部(地面)的DTH式钻孔机(包括扩孔机)。
本发明的另一目的在于，提供一种利用这种钻孔机的钻孔方法。
解决课题的方法
本发明的技术构思可适用于气动多锤头式的钻孔机，下面围绕本发明相对于现有的气动多锤头式的钻孔机所具有的特定结构进行说明，并省略气动多锤头式钻孔机的一般结构。气动多锤头式钻孔机的一般结构记载于韩国专利第10-0683909号、第10-1072232号等专利文献中。本说明书包括上述专利的授权公报中所公开的、用于理解的气动多锤头式钻孔机的一般结构的内容。
本发明的钻孔机100具备：钢管40，其设置在主体10且与主体10相比更向后方延伸；导向板50，其在所述后方的钢管40的内部设置，并且与主体10及钢管40一起形成密闭的空间55；及排放管60，其与导向板50连接并与所述空间55连通。
由锤头20锤打岩石或地面而形成的岩粉，通过压缩空气来经过所述空间55和排放管60而排出到外部(地面)。
本发明可适用于多锤头式的扩孔机100。所述扩孔机100具备：压缩空气供应管7，其用于向锤头20供应压缩空气；及驱动杆5，其用于向主体10传递旋转力和拉力。压缩空气供应管7以贯通导向板50的方式设置。
优选地，当所述钻孔机或扩孔机以水平方向进行钻孔时，导向板50在钢管40的内部倾斜设置，导向板50以其下端与其上端相比更远离主体10的方式设置。此时，排放管60优选设置在所述下端或设置在与所述下端接近的高度。
所述钻孔机是直径为400mm-2000mm的扩孔机100，在以水平方向进行钻孔时，导向板50是平板且以与主体10的后端面形成20度至40度的角度θ的方式倾斜设置，排放管60的直径d为80mm至120mm，并且设置在导向板50的下端或与所述下端接近的高度。
本发明的另一方面的钻孔方法，其包括：(a)设置在主体10的锤头20通过压缩空气来进行往复移动的同时锤打岩石，并且由所述锤打而形成的岩粉通过所述压缩空气向主体10的后方移动的步骤；(b)移动至主体10后方的岩粉经过钢管40和导向板50的引导来向排放管60移动的步骤；及(c)移动至排放管60的岩粉向外部排出的步骤。
发明的效果
根据本发明的DTH式钻孔机及钻孔方法，即使开挖跨度变长，也能够将岩粉顺利地向外部排出。尤其，现有的气动多锤头式钻孔机在进行水平方向的钻孔时，开挖跨度变长，则降低岩粉的排出并发生堵塞(jamming)，但本发明的钻孔机和钻孔方法能够解决上述课题。
附图说明
下面，为说明本发明，参照附图对本发明适用于气动多锤头式的扩孔机及DTH(Down-the-hole)式钻孔机的情况进行说明。参考本说明书的本领域技术人员可容易得知，本发明除适用于扩孔机之外，还可适用于其他气动DTH式的锤钻头及多锤头式钻孔机。
图1a至图1c是示出气动多锤头式扩孔机的水平方向的岩石挖掘及由此进行的排出岩粉的剖视图。
图2是示出本发明的优选实施例的气动多锤头式的扩孔机的立体图。
图3是示出图2中的扩孔机的分解立体图。
图4是示出图2中的扩孔机的左视图。
图5是示出图2中的扩孔机所具备的锤头的纵剖视图。
图6是示出图2中的扩孔机所具备的送泥管道(flushing channel)、及通过该送泥管道排出岩粉的纵剖视图。
图7是示出设计图2的扩孔机时的参数(parameter)的纵剖视图。
图8a是示出岩粉在本发明的扩孔机中的速度和分布的图。
图8b是示出使岩粉移动的空气的流线(streamline)和速度的图。
图9是示出岩粉的移动速度(y轴)和距工作面的距离(x轴)之间关系的图表。
图10是示出基于时间(x轴)的岩粉排放量(y轴)的图表。
图11a是示出从现有的扩孔机所排出的岩粉的分布的图。
图11b是示出从本发明的扩孔机所排出的岩粉的分布的图。
附图标记说明
1、100：气动多锤头式扩孔机
3：岩粉
5：驱动杆
7：压缩空气供应管
10：主体
20：锤头
21：排放孔
30：送泥管道
40：钢管
45：外壳环
50：导向板
55：空间
60：排放管
θ：导向板的倾斜角度
r：导向板的曲率半径
d：排放管的直径
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明。此前，本说明书及权利要求中所使用的术语或词汇不可限定地解释为通常的或词典中的含义，应理解为发明人以最佳的方法说明自身的发明时，能够适当地定义术语的概念的原则上，解释符合本发明的技术构思的含义和概念。因此，本说明书中记载的实施例和附图所示的结构仅仅是本发明的实施例，并不代表本发明的全部技术构思，应理解为本发明具有可代替其的多种均等物和变形例。
1.扩孔机的结构
图2是示出本发明的优选实施例的气动多锤头式的扩孔机的立体图，图3是示出所述扩孔机的分解立体图。
如图2和图3所示，扩孔机100具备：主体10；设置在主体10的锤头20；设置在主体10外周面的钢管40；设置在钢管40的导向板50；及与导向板50连接的排放管60。
主体10连接于驱动杆5(参照图1a)并以规定的旋转速度(R.P.M.)进行旋转。并且，在主体20连接有压缩空气供应管7(参照图1a)，压缩空气供应管7向主体10供应用于使锤头20工作的压缩空气。
经由压缩空气供应管7而供应的压缩空气使锤头20向前方、后方进行往复移动，从而能够挖掘岩石。图5的虚线和箭头表示压缩空气的流动。
锤头20工作时所使用的压缩空气经由排放孔21排放到工作面，之后通过送泥管道30向后方排放。送泥管道30以贯通主体10的方式沿着主体10的长度方向形成。
钢管40是以围绕主体10的外周面的方式设置的圆形管，若钢管40后方没有特殊装置，则钢管40通常与主体10一起旋转。当钢管40与主体10一起旋转时，钢管40能够通过其顶端焊接于外壳环45来与主体10连接。外壳环45由耐磨损强的材质形成且具有圆形的环结构，其使钢管40和主体10互相连接，从而在扩孔机主体10旋转开凿并前进时，外壳环45发挥使钢管40与主体10一起前进的引导作用。另外，在开凿软质岩或破碎带时，钢管40起到防止隧道上方的岩粉和沙土落到扩孔机而堵塞(jamming)扩孔机的作用。并且，挖掘隧道时，若在地面继续对扩孔机主体10的钢管40的后端焊接钢管40而使两者连接，则具有可挖掘隧道的同时埋设钢管40的优点。
另一方面，即使钢管40如上所述那样进行旋转，由于导向板50与钢管40分离(即，钢管和导向板并非一体形成)，并且排放管60本身具有重量，因此导向板50不会旋转。优选地，在钢管40和导向板50之间设有轴承(未图示)。
作为上述结构的对应方案，由于钢管40不与主体10一体结合，因此能够使钢管40不旋转，但该情况下，用液压千斤顶(未图示)等从后方固定钢管40以使钢管40不与主体10一起旋转，并且用橡胶垫(未图示)等密封钢管40和导向板50之间的缝隙使得岩粉不会泄漏。
另一方面，如图5所示，钢管40与主体10的后端相比更向后方延伸而设置，在所述延伸的部分设有导向板50。
导向板50设置在位于主体10后方的钢管40的内部。由此，形成由主体10的后端面、钢管40及导向板50而密封的空间55。所述空间55与排放管60连通。
在进行水平方向的开凿时，导向板50优选倾斜设置，以有效地排出岩粉。即，如图6所示，优选地，从送泥管道30排出的岩粉通过倾斜的导向板50来堆积到下方，之后再经由排放管60排出到外部(地面)。另外，与具有圆弧形截面的板相比，导向板50优选是具有平面结构的平板，在下面对此进行说明。
排放管60以与空间55连通的方式设置在导向板50。排放管60设置成延伸至开凿孔的外部(例如，地面)。因此，岩粉能够通过排放管60排出到地面。
在进行水平方向开凿时，岩粉会堆积到空间55的下方，因此排放管60优选设置在导向板50的下端或设置在与导向板50的下端接近的高度。
对于导向板50呈平板且倾斜设置的结构、和排放管60设置在导向板50的下端或与下端接近的位置的结构而言，具有如下作用：使压缩空气的压力损失(能量损失)最小化，同时能够将岩粉顺利地排出到外部。
另一方面，压缩空气供应管7以贯通导向板50的方式设置，由于压缩空气供应管7与主体10一起旋转，因此可以在导向板50和压缩空气供应管7之间设置轴承。轴承通过将导向板50连接于压缩空气供应管7，使导向板50与主体10一起移动，但阻止压缩空气供应管7的旋转传递到导向板50。因此，导向板50和排放管60不会旋转。
2.CFD模拟结果
申请人用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)对扩孔机100的性能进行了试验。图8a至图11b示出上述计算流体动力学的结果。
图8a示出岩粉在工作面、送泥管道30、空间55及排放管60中移动的速度和分布，图8b示出使岩粉移动的空气的流线(streamline)和速度。
如图8a和图8b所示，在工作面产生的岩粉经由送泥管道30流入到空间55，之后受到导向板50的引导而流入到排放管60。
图9是示出距工作面的距离(x轴)和岩粉的速度(y轴)之间关系的图表，图10是示出基于时间(x轴)的岩粉排放量(y轴)的图表。
岩粉的速度在工作面处急剧下降，之后在送泥管道30的入口附近(约x＝0.25m)和空间55(约x＝2.0m)处稍微增加，这种速度的增加是通道截面面积变小而造成的。因此，利用导向板50来将岩粉堆积到空间55的下方，之后利用排放管60排出该岩粉，从而能够稳定地排出岩粉且能够有效地防止扩孔机的堵塞。
如图9所示，从送泥管道30所排出的岩粉的速度不会急剧下降，由此岩粉可有效地排出到外部。相比之下，就现有的扩孔机而言，从送泥管道所排出的岩粉的速度会急剧下降，从而存在有岩粉会堆积到扩孔机后方的问题，由此若开挖跨度变长，则降低岩粉的排出性且发生了扩孔机的堵塞(jamming)。
图11a示出从现有的扩孔机所排出的岩粉的分布，图11b示出从本发明的扩孔机100所排出的岩粉的分布。
如图2和图3所示，本发明的扩孔机100具备钢管40、导向板50及排放管60，因此从扩孔机100所排出的岩粉能够经由排放管60有效地输送到地面。相比之下，从现有的扩孔机所排出的岩粉无法移动到远处，并会在扩孔机后方堆积。
3.RSM结果
申请人利用直径为400mm至2000mm的扩孔机100进行水平方向钻孔时，用RSM(Response Surface Methodology)进行分析以得到导向板50的倾斜角度θ和曲率(1/r)、排放管60直径d(排放管的内径)的最适值。图7示出所述角度θ和曲率(1/r)及直径d，在以下表1中示出上述分析结果。
【表1】
| 设计要素 | 范围 | 最适值 |
| θ | 20度至40度 | 27度 |
| d | 80mm至120mm | 97mm |
| r | ∞(平板) | ∞(平板) |
如表1所示，优选地，导向板50是平板且以与主体10的后端面形成20度至40度的角度θ的方式倾斜设置，排放管60的直径(内径)d为80mm至120mm且设置在导向板50的下端或设置在与所述下端接近的高度。
若所述角度θ小于20度，则从送泥管道30所排出的气流会急剧变化，因此压力损失过大；若角度θ大于40度，则空间55过大而不优选。
另外，若导向板50不是平板，而是具有圆弧形截面的板，则在岩粉向排放管60侧移动时，会发生较大的压力损失。
并且，若排放管60的直径d小于80mm，则排放截面过小而无法有效地排出岩粉；若直径d大于120mm，则排放截面与压缩空气量相比过大，会导致气流速度变慢，从而无法有效地排出岩粉。
另一方面，以上仅仅对本发明适用于水平方向的钻孔的情况进行了说明，但本发明也可适用于利用气动多锤头式的钻孔机来进行垂直方向钻孔的情况，这点对参照本说明书的本领域技术人员来说是容易想到的。
Claims (6)
1.一种DTH式钻孔机，其是设置于主体(10)的多个锤头(20)通过压缩空气来进行往复移动的同时锤打岩石的DTH式钻孔机，其特征在于，其具备：
钢管(40)，其以围绕主体( 10) 的外周面的方式设置，且与所述主体(10)相比更向后方延伸；
导向板(50)，其在所述后方的所述钢管(40)的内部设置，并且与所述主体(10)和所述钢管(40)一起形成密闭的空间(55)；及
排放管(60)，其与所述导向板(50)连接并与所述空间(55)连通，并延伸至地面，
所述钻孔机为直径400mm至2000mm的扩孔机(100)；
所述扩孔机(100)具备：
压缩空气供应管(7)，其用于向所述锤头(20)供应压缩空气；及
驱动杆(5)，其用于向所述主体(10)传递旋转力和拉力，
所述压缩空气供应管(7)以贯通所述导向板(50)的方式设置，
锤头(20)工作时所使用的压缩空气经由形成在锤头(20)上的排放孔(21)排放到工作面，由所述锤头(20)锤打岩石而形成的岩粉，通过所述压缩空气经由主体(10)的送泥管道(30)和空间(55)以及排放管(60)而排出到外部，
当以水平方向进行钻孔时，所述导向板(50)在所述钢管(40)内部倾斜设置，所述导向板(50)以和所述主体(10)的后端面形成20度至40度的角度θ的方式倾斜设置，所述导向板(50)以其下端与上端相比更远离所述主体(10)的方式设置，
所述排放管(60)设置在所述下端或与所述下端接近的高度，并且直径d为80mm至120mm，
所述钢管(40)与所述主体(10)一起旋转，所述导向板(50)不与所述钢管(40)一起旋转。
2.一种DTH式钻孔机，其是设置于主体(10)的多个锤头(20)通过压缩空气来进行往复移动的同时锤打岩石的DTH式钻孔机，其特征在于，其具备：
钢管(40)，其以围绕主体( 10) 的外周面的方式设置，且与所述主体(10)相比更向后方延伸；
导向板(50)，其在所述后方的所述钢管(40)的内部设置，并且与所述主体(10)和所述钢管(40)一起形成密闭的空间(55)；及
排放管(60)，其与所述导向板(50)连接并与所述空间(55)连通，并延伸至地面，
所述钻孔机为直径400mm至2000mm的扩孔机(100)，
所述扩孔机(100)具备：
压缩空气供应管(7)，其用于向所述锤头(20)供应压缩空气；及
驱动杆(5)，其用于向所述主体(10)传递旋转力和拉力，
所述压缩空气供应管(7)以贯通所述导向板(50)的方式设置，
锤头(20)工作时所使用的压缩空气经由形成在锤头(20)上的排放孔(21)排放到工作面，由所述锤头(20)锤打岩石而形成的岩粉，根据压缩空气经由主体(10)的送泥管道(30)和空间(55)以及排放管(60)而排出到外部，
当以水平方向进行钻孔时，所述导向板(50)在所述钢管(40)内部倾斜设置，所述导向板(50)以和所述主体(10)的后端面形成20度至40度的角度θ的方式倾斜设置，所述导向板(50)以其下端与其上端相比更远离所述主体(10)的方式设置，
所述排放管(60)设置在所述下端或与所述下端接近的高度，并且直径d为80mm至120mm，
所述钢管(40)和所述导向板(50)不与所述主体(10)一起旋转。
3.根据权利要求1或2所述的DTH式钻孔机，其特征在于：
所述扩孔机(100)用于进行水平方向的钻孔，
所述导向板(50)是平面结构的平板。
4.一种钻孔方法，其特征在于，其包括：
(a)设置于主体(10)的多个锤头(20)通过压缩空气来进行往复移动的同时锤打岩石，并且由所述锤打而形成的岩粉通过所述压缩空气向主体(10)的后方移动的步骤；
(b)移动至所述主体(10)后方的岩粉和压缩空气，经过由钢管(40)、导向板(50)及所述主体(10)所形成的密闭的空间(55)而移动至排放管(60)的步骤；及
(c)移动至所述排放管(60)的岩粉向外部排出的步骤，其中：
所述钢管(40)以围绕所述主体(10)外周面的方式设置，所述钢管(40)与主体(10)的后端相比更向后方延伸，所述空间(55)具有从其上端越朝向下端越变宽的结构以使压缩空气的能量损失最小化，
排放管(60)，其与所述导向板(50)连接并与所述空间(55)连通，并延伸至地面，
在锤头(20)上形成有向工作面排放压缩空气的排放孔(21)，在主体(10)上形成有向后方移动岩粉和压缩空气的送泥管道(30)，
锤头(20)工作时所使用的压缩空气在经由形成在锤头(20)上的排放孔(21)排放到工作面之后，和岩粉一起经由主送泥管道(30)而到达所述空间(55)，
到达空间(55)的岩粉和压缩空气根据压缩空气的压力通过排放管(60)排放到地面上，
钻孔机为直径400mm至2000mm的扩孔机(100)，
导向板(50)是平面结构的平板，其以和所述主体(10)的后端面形成20度至40度的角度θ的方式倾斜设置，并以其下端与其上端相比更远离所述主体(10)的方式设置，
排放管(60)，其直径d为80mm至120mm，其设置在所述下端或与所述下端接近的高度。
5.根据权利要求4所述的钻孔方法，其特征在于：
所述钻孔方法用于进行水平方向的钻孔。
6.根据权利要求4或5所述的钻孔方法，其特征在于：
当挖掘隧道时，在地面对所述钢管(40)的后端进一步连接钢管，从而在挖掘隧道的同时埋设钢管。
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