JP2009507154A - シングルパス・アンカーボルト留用の単一部材ドリルビットおよびシングルパス・掘削装置 - Google Patents

Abstract

本発明はドリルビット（１６）とシングルパス・掘削装置（１０）とに関する。単一部材ドリルビット（１６）は、ドリル鋼部と堅固に連結されるようになっている連結部分とパイロット部（１４）とリーマ部（１９）とを有する。パイロット部は第一の岩石切削手段（１７）である。リーマ部は第一の中心線（ＣＬ２）と第二の岩石切削手段（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ）とを有する。第二の岩石切削手段は、前記連結部分と前記第一の岩石切削手段との間においてパイロット部の一側に軸線方向に設置されている。リーマ部（１９）から離れて対面するパイロット部（１４）の側部には、耐摩耗手段（１７’）が設けられている。耐摩耗手段（１７’）は、第一の岩石切削手段１７に一体的である。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、独立請求項の前段によるドリルビットおよびシングルパス・掘削装置（ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐａｓｓ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ）に関する。

開削を強化するためのアンカーボルトの設置は、通常二つの別個の工程によって実施される。通常、穴部が掘削され、ボルトが穴部内に挿入され堅く締められるかまたはグラウト仕上げされる前に、ドリル鋼部とドリルビットとが引抜かれる。シングルパス・アンカーボルト留作用は、ボルトを挿入するために除去されるべきドリル鋼部を取除く作業を伴って、二つの工程を同時に実行することを含んでいる。シングルパス・ボルト留の利点は、ボルトを設置するのに要求される時間を最小限にすること、手動または半手動のボルト留に比較したときのドリル装置の操作者に対する安全性を向上させること、および、手順の全自動化に対する見通しを高めることである。追加の利点は、手動または半手動のボルト留と比較したときのアンカーボルトの設置の品質と精度とを向上させることである。穴部の直径は、摩擦が在る場合におけるアンカーボルト、例えばスプリットセットボルトの性能にとって重要である。さらにシングルパス・ボルト留の追加の利点は、ボルトがすでに穴部内に在るため、ドリルビットを引抜くとき穴部が崩壊しないということである。ボルトが常に設置されている、すなわち、穴が失われることが無くなるので、このことによってさらに良好な効果が導かれる。

シングルパス・ボルト留の先行する試みは、概ね革新的なアンカーボルトを対象としている。その革新的なアンカーボルトは、さらにドリル鋼部として作用し、端部にはドリルビットを有している。そのような装置は、回転式の掘削方法または回転／衝撃式の掘削方法を介して使用されていて、概ね、固い地面の状態に対しては不向きであった。ドリルビットを再使用しなくて固い地面用の既存の衝撃式アンカーボルトはコストの問題を抱えている。多種多様なルーフボルトが存在しており、一つの特殊な形状は、ボルトが通る縦に形成された中央穴部を有する管状（例えば、スプリットセット、スウェレックス（Ｓｗｅｌｌｅｘ）等）である。ケーシングを通じて取出されるようになっているドリルビットは複雑となり、従ってコストが掛かるようになる。ビットのコストに対する掘削速度のコスト競争力は、従来技術のシングルパス・アンカーボルトにおける特殊なアンカーボルトの使用と、複雑に引込可能なビットの何れかの排他的使用とに起因して複雑になっている。それにもかかわらず、自己掘削するルーフボルトによる設置の利点は、自己掘削しない型の利点よりも上回る場合が依然として残っている。

本発明によるドリルビットは、先行技術に関連付けられた上述の課題をほぼ克服すること、またはそれに対する代替物を少なくとも提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、シングルパス・ドリルビットを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、使用にコストの掛からない、そして鉱業においてシングルパス・ボルト留をさらに魅力的に使用できるドリルビットとシングルパス・掘削装置とを提供することである。
本発明のさらに他の目的は、良好な耐摩耗性を有するドリルビットを提供することである。

本願明細書を通して、文脈が別の意味を要求していない限り、「備える」またはその変形である「備える（三人称）」、「備えている（進行形）」という言葉は、他のいかなる構成要素（ｉｎｔｅｇｅｒ）または構成要素のグループを排除するということではなく、述べられた構成要素または構成要素のグループを包含すること意味すると理解されるべきである。

添付図面は、前述した種類の発明の実施形態を示している。添付図面および関連付けられた記載の特徴に、本発明についての前述した広範な記載の大部分が代わるものではない。

図１Ａ〜図１Ｇは、本発明によるドリルビット１６を使用した本発明によるシングルパス・掘削装置１０を示している。図２Ａ〜図３Ｂは、本発明によるドリルビット１６をさらに詳細に示している。シングルパス・掘削装置１０は複数の部品、例えば、掘削方向Ｆを基準とした導入端１２と図示しない追従端とを有する細長いドリル鋼部１１を備えている。導入端１２は、ネジ山部１５、図示しないテーパまたは差込式の連結部を備えた連結部分を有している。単一部材ドリルビット１６は、岩石切削手段１７、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを有するよう形成されている。ドリルビット１６は、ネジ山、テーパまたは差込式の連結部分（図示しない）による連結部２０を介してドリル鋼部に連結可能である。ドリル鋼部１１とドリルビットとは掘削手段を構成する。シングルパス・掘削装置１０は、ドリル鋼部１１を少なくとも部分的に包囲するようになっているアンカーボルト２１をさらに備えている。アンカーボルト２１は開放端を有している。ドリルビットの最大の直径寸法はアンカーボルト２１の最小の直径よりも小さい。

シングルパス・掘削装置の基本的な概念は、ボルトがドリル鋼部を包囲しつつ穴部を掘削し、次いで、ビットを引込めて再利用することである。ビット部分の損失は存在しない。シングルパス・ドリル装置１０はスウェーデン特許第０４００５９７−１号においてさらに詳細に記載されており、シングルパス・ドリル装置についての開示を参照することによって記載に代える。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、ドリルビット１６は以下のように形成されている。単一部材ドリルビット１６は、二つの一体的な部分、すなわち、装置１０全体を適切に案内するのに十分な長さＬを有するパイロット部１４と、リーマ部１９とを有している。パイロット部１４の中心線または中間線であるＣＬ１は、リーマ部の第一の中心線ＣＬ２に対して平行に延びる軸線ＣＬ３に対し、鋭角の第二の角度αを形成している。角度αは、０度を除く−２０度から＋２０度までの角度であり、好ましくは＋０．１度以上でかつ＋１５度以下である。「＋」の指標は、図２Ａおよび図３Ａにおいて示されている。中間線ＣＬ１は、掘削時において穴部２２の軸線と概ね合致する。パイロット部１４の中間線ＣＬ１もまた、掘削時におけるアンカーボルト２１の中心線と概ね合致するが、ドリルビットの引込時は合致しない。掘削しない場合には、リーマ部１９の中心線または中間線ＣＬ２とドリル鋼部１１の中心線とは合致している。パイロット部１４とリーマ部１９とのどちらも、半径方向断面において円形または対称的である必要がないことに注意すべきであり、線ＣＬ１とＣＬ２とに対する言及は、各部分における中間線を平均した参考として理解されるべきである。

単一部材の岩石用ドリルビット１６は、超硬合金手段、すなわち、のみ部および／またはボタン部１７、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃと、本体２５とから構成されている。ドリルビットの本体は鋼から形成されている。本体２５は、ほぼ円筒形のパイロット部１４と、ほぼ円錐形のリーマ部１９とから構成されている。パイロット部１４が円錐形形状を有してもよく、リーマ部１９が円筒形形状を有してもよい。パイロット部は、直径方向に延びるのみ部１７もしくは図示しない二つまたはそれ以上の直径方向にほぼ整列した前方ボタンを担持する前面を有している。リーマ部１９は円形の半径方向断面を有しうる。リーマ部は、一つまたはそれ以上の前方ボタン、この場合においては三つの前方ボタン１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃを担持する前面を有している。前面は凸状であるかまたはほぼ平坦であってもよい。ボタン１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、リーマ部に周方向アーチ部を形成してもよい。ボタン１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃは、掘削時に鋼製本体２５よりも大きい直径を有する穴部２２を切削するために、リーマ部の周辺の外側にやや突出してもよい。リーマ部における超硬合金製のボタンの数は、ドリルビットの直径の大きさに応じて変化させてもよい。チップ経路および陥凹部は、リーマ部の隣接したボタンの間であって流出媒体が通過できる領域に形成される。岩石用ドリルビット１６は、連結部によりドリル鋼部１１に結合されるべきであり、通常の方法により回転運動と衝撃とを伝達する。ドリル鋼部１１は、流出媒体を搬送する流路を含んでいる。流出媒体のための主要流路はドリルビットの内側に形成される。この主要流路は、流路の前方端において多数の分岐通路と連通し、これら分岐通路は前面に通ずる。実際のところ、流出媒体は水、セメントまたは空気である。パイロット部は、穴部２２に対して小さい直径および長さのパイロット穴部２２Ａを掘削する。パイロット部１４の長さＬは、リーマ部の中心線ＣＬ２に対して平行な方向においてパイロット部の最前方部分と最前方に在るリーマボタン１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃとの間の距離として定義されている。長さＬは少なくとも１０ｍｍであり６０ｍｍ以下であって、ドリルビットに対する良好な案内作用と良好な耐用年数とを提供する。本実施形態におけるリーマボタンは、導入ボタン１８Ａと中間ボタン１８Ｂと追従ボタン１８Ｃとである。掘削時においてリーマ部１９における最大の反力は、導入用岩石切削手段１８Ａと中間岩石切削手段１８Ｂとに作用する。それゆえ、のみ部１７を通る軸線方向の面は、導入用岩石切削手段１８Ａと中間岩石切削手段１８Ｂとの間を通過する角度により設置されている。言い変えれば、好ましくは岩石切削手段またはのみ部１７を通る中線であってリーマ部１９の中心線ＣＬ２に対して垂直である想像線Ｓは、中心線ＣＬ２に対する法線Ｎに対して鋭角の第一の角度βを形成している。法線Ｎはドリルビット１６の回転方向Ｒに導く岩石切削手段またはボタン１８Ａと交差している。角度βは、好ましくは０度以上でかつ２０度以下である。リーマ部１９における導入用岩石切削手段がボタンである場合には、法線Ｎは岩石切削手段の中心線と交差する。リーマ部１９における導入用岩石切削手段が他の形状を有する場合には、法線Ｎは回転方向Ｒにおける導入用岩石切削手段の最前方点と交差する。掘削時にはリーマ部１９における最も大きい反力は、導入ボタン１８Ａと中間ボタン１８Ｂとに作用する。とくに岩石切削手段１７は少なくとも包囲表面５０にまで延びている。それゆえ、導入ボタン１８Ａに対して特定の関係をなすように岩石切削手段１７をパイロット部分の包囲表面５０に位置決めすることにより、岩石切削手段１７は、掘削時に最も磨耗を受けるリーマの位置に耐摩耗手段１７’を形成するようになる。従って、前記耐摩耗手段１７’は第一の岩石切削手段１７に対して一体的である。包囲表面５０またはドリルビットのすそ部５１に接していて中心線ＣＬ２に対して平行な接線Ｔは、パイロット部の前方端において、パイロット部の周囲に対し半径方向距離Ｘを形成する。半径方向距離Ｘはゼロではなく、そして好ましくは−５ｍｍ以上でかつ好ましくは＋５ｍｍ以下である。

説明した形状は、パイロット穴部２２Ａとパイロット部１４との間の良好な掘削結果とより良好な接触表面とを提供する。リーマ部に向かって或る度合いだけ傾斜しているパイロット部を有することにより、より良好な掘削結果が達成される。なぜならば、掘削時にドリル鋼部は常に同じ方向にたわみ、ドリル鋼部１１のたわみは、ボタン１８Ａ〜１８Ｃよりも軸線方向下方に在るすそ部５１の軸線方向の下方端５２における接触部によって制限されるからである。岩石と接触することとなるすそ部の下方端５２は、表面処理により鋼製の本体２５の他の部分より硬くされるか、または、摩耗を減らすための硬いインサートが下方端５２に設けられる。

シングルパス・岩石掘削装置１０の動作を図１Ａ〜図１Ｇに示す。図３Ａおよび図３Ｂは例えば図１Ｃに対応する。ドリル鋼部１１のたわみ度合いは、図３Ａにおいて多少誇張して表示されている。ドリルビット１６はドリル鋼部１１に例えばネジ式により連結されている。標準的なドリルジャンボなどの掘削機械はドリル鋼部を保持している。ボルト２１は、好ましくは自動的にドリル鋼部１１の周りに供給され、掘削方向Ｆにおいてドリルビット１６の後方部に位置決めされる。図１Ａにおいては、パイロット部１４は、まず最初に岩石に対して当接し、円弧補間（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）時に短時間で岩石表面を切削するようになる。次いで、図１Ｂにおいては、パイロット部１４は正確な中心位置を検出して、中心に掘削を開始し、同時にドリル鋼部１１はパイロット部１４の中心線ＣＬ１に対して揺動し始める。次いで、リーマ部１９は岩石の表面に接触し、パイロット部１４により形成された穴を広げ始める。程なくして、ボルト２１が穴に到達し、図１Ｃに示されるように穴内に押込められる。通常、ボルト２１はドリルビット１６から軸線方向に間隔を空けて配置されている。ボルト２１の直径は、好ましくは穴部２２の直径よりも小さい。図１Ｄを参照すると、掘削機械の継手スリーブ２６によりボルトが前方に押されている間、異なる部分の供給が停止されるまで、ドリルビット１６は掘削して穴部２２を広げ続ける。穴部２２の深さは、ボルト２１の長さによってほぼ定まる。すなわち、穴部２２の深さは、図１Ｅを参照するとボルトの追従端に位置決めされた座金２３が岩石表面または穴部の入口に到達して追加の供給が停止されることにより定まる。掘削機械にはアンカーボルト押出機が存在する。ボルト押出機は、ドリル鋼部により駆動される継手スリーブ２６または当盤工具（ｄｏｌｌｙ ｔｏｏｌ）である。当盤工具は通常、挿入時にドリル鋼部とボルトと共に回転する。しかしながら、例えば機械的なアンカーボルトの場合には、ボルトは挿入時に、例えば回転しないよう保持されてもよい。当盤工具は、完全に挿入したときに、アンカーボルトにトルクを与えることができる。当盤工具は、さらにドリル鋼部に沿って摺動して、機械的なシェルボルト（Ｓｈｅｌｌ ｂｏｌｔ）とグラウト仕上げされたボルトとの設置を容易にすることができる。図１Ｅは、ドリル鋼部とドリルビットとがまだアンカーボルト内に在る状態で、完全に挿入されたアンカーボルト２１を示している。押出機はプレートを岩石面に押出す。座金は、アンカーボルトの追従端において膨張部２４と協働する中央穴部を有する通常の留めていないプレートであってもよい。次いで、図１Ｆを参照すると、ドリルビットはパイロット穴部２２Ａから引込まれる。アンカーボルトとドリルビットとの間の軸線方向の空間はパイロット穴部２２Ａの深さよりも大きいことが好ましく、そのことにより、アンカーボルトの導入端がドリルビットの引込みに干渉することがない。ドリルビットとドリル鋼部とは完全に引込まれることができ、繰り返される掘削作業に再使用されうる。

本装置１０を駆動する機械は、トップハンマ（ｔｏｐ ｈａｍｍｅｒ）掘削機械、ピュアロータリ（ｐｕｒｅ ｒｏｔａｒｙ）機械、または、ダウンザホール（ｄｏｗｎ−ｔｈｅ−ｈｏｌｅ）機械であってもよい。
リーマ部から離れて対面するドリルビット側における摩耗は耐摩耗岩石切削手段１７’により受容されるので、本発明によるドリルビットは良好な耐摩耗性を備えていて、好ましい掘削結果を提供する。

本願明細書において記載された発明は、これら具体的に記載された発明以外の変更、修正および／または追加を受け入れる余地があり、本発明は請求項の範囲内にある変更、修正および／または追加を含むものとして理解されるべきである。

図１Ａは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｂは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｃは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｄは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｅは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｆは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図１Ｇは、本発明によるドリルビットを使用したシングルパス・ルーフボルト留めの作用順序を図的に示している。 図２Ａは、側面図により本発明によるドリルビットと棒部分とを示している。 図２Ｂは、正面図によりドリルビットを示している。 図３Ａは、側面図により岩石内の穴の掘削時におけるドリルビットを示している。 図３Ｂは、正面図により岩石内の穴の掘削時におけるドリルビットを示している。

Claims (10)

1. シングルパス・アンカーボルト留用に形成された単一部材ドリルビットであって、前記ドリルビット（１６）は、ドリル鋼部と堅固に連結されるようになっている連結部分とパイロット部（１４）とリーマ部（１９）とを有しており、前記パイロット部（１４）は第一の岩石切削手段（１７）を有しており、前記リーマ部は第一の中心線（ＣＬ２）と第二の岩石切削手段（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ）とを有しており、前記第二の岩石切削手段は前記連結部分と前記第一の岩石切削手段との間において前記パイロット部の一側に軸線方向に設置されており、前記ドリルビットは回転方向（Ｒ）を有するドリルビットにおいて、
   前記リーマ部（１９）から離れて対面する前記パイロット部（１４）の側部には、耐摩耗手段（１７’）が設けられており、前記耐摩耗手段（１７’）は、前記第一の岩石切削手段（１７）に一体的であることを特徴とするドリルビット。
2. 前記第一の岩石切削手段（１７）を通って延びていて、前記リーマ部（１９）の前記第一の中心線（ＣＬ２）に対して垂直な想像線Ｓは、前記第一の中心線に対する法線（Ｎ）と鋭角の第一の角度（β）を形成しており、前記法線（Ｎ）は、前記ドリルビット（１６）の前記回転方向（Ｒ）に導く岩石切削手段（１８Ａ）と交差している請求項１記載のドリルビット。
3. 前記第一の角度（β）は、０度以上でかつ２０度以下である請求項２記載のドリルビット。
4. 前記リーマ部（１９）における導入用岩石切削手段（１８Ａ）はボタンであり、前記法線Ｎは前記導入用岩石切削手段（１８Ａ）の中心線と交差する請求項２または３記載のドリルビット。
5. 前記法線（Ｎ）は前記回転方向（Ｒ）において前記導入用岩石切削手段の最前方点と交差する請求項２または３記載のドリルビット。
6. 前記第一の岩石切削手段はのみ部（１７）であり、前記第二の岩石切削手段は少なくとも三つのボタン（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ）である請求項２または３記載のドリルビット。
7. 前記パイロット部（１４）の中間線（ＣＬ１）は、前記第一の中心線（ＣＬ２）に対して平行に延びる軸線（ＣＬ３）と鋭角の第二の角度（α）を形成している請求項１から６の何れかに記載のドリルビット。
8. 前記第二の角度（α）は、０度を除く−２０度から＋２０度までの角度である請求項７記載のドリルビット。
9. 前記パイロット部（１４）の長さ（Ｌ）は、前記第一の中心線（ＣＬ２）に対して平行な方向において前記パイロット部の最前方部分と最前方に在る前記第二の岩石切削手段（１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ）との間の距離として定義されており、前記長さ（Ｌ）は少なくとも１０ｍｍであり６０ｍｍ以下である請求項１から８の何れかに記載のドリルビット。
10. 掘削手段とアンカーボルト（２１）とを備えたシングルパス・掘削装置において、
    請求項１から９の何れかに記載の単一部材ドリルビット（１６）を備えた掘削装置。

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