JP2017025617A - コアビット - Google Patents

Abstract

【課題】岩盤の特性に因らず高い精度で岩盤応力を評価することが可能になる岩盤切削用のコアビットを提供する。【解決手段】ボーリング装置のロッドの下端に取り付けられて岩盤を切削することにより円柱状の岩石コアを採取するためのコアビット１であって、円筒状の本体２と、この本体２の先端部に設けられて岩盤を切削する切削部３とを備え、切削部３の先端面４に連なる内周面５が、先端面４から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ボーリング装置によって回転駆動されるロッドの先端に取り付けられて岩石コア等を採取するために用いられるコアビットに関するものである。

本発明者等は、下記非特許文献１に見られるように、岩盤応力の測定法の一種として、ボーリングコアの変形を利用したコア変形法（DCDA : Diametrical Core Deformation Analysis）を開発した。このコア変形法は、図７に示すように、後述するコアビットによって採取された円柱状のボーリングコアＣが、切削後に応力解放によって弾性的に変形することを利用して、当該変形量から採取前に作用していた岩盤応力を求めるものである。

すなわち、コアビットによって切削された瞬間のボーリングコアＣの直径をｄ_０とし、切削後の応力解放によって弾性的に変形して最大直径ｄ_１および最小直径ｄ_２になった場合に、上記変形量が解放された応力に比例するとすれば、当該ボーリングコアＣが等方均質（弾性係数Ｅ、ポアソン比ν）であれば、最大直径ｄ_１の方向と最大主応力σ_１の方向は一致し、最大主応力σ_１と最小主応力σ_２の主応力差を次式によって得ることができる。
σ_１−σ_２＝｛（ｄ_１−ｄ_２）／ｄ_０｝・Ｅ／（１＋ν）

図４〜図６は、このようなボーリングコアＣを採取するためのボーリング装置１０を示すもので、ボーリングロッド１１を回転駆動するボーリング機械１２と、このボーリングロッド１１の下端部に連結されたコアバーレル１３とを備えたものである。

そして、このボーリング装置１０においては、コアバーレル１３の先端に設けられたコアビット１４によって岩盤を円柱状に切削し、得られたボーリングコアＣを、上記コアビット１４の上部に配置されてボーリングコアＣとの間に僅かな隙間が形成された落下防止用のコアリフター１５を通じてコアバーレル１３のインナーチューブ１６内に収納して回収するようになっている。

図６は、岩盤を切削して円柱状のボーリングコアＣを得るための従来のコアビット１４を示すものであり、このコアビット１４は、鋼製の円筒状の本体１７と、この本体１７の先端面に設けられた切削部１８とを備えたものである。

この本体１７は、先端部分が肉厚に形成されることにより内径寸法が小さく形成されており、この先端部分に上記切削部１８が固着されている。この切削部は、マトリックスとなる金属中に工業用ダイヤモンドを分散させた焼結体であり、先端面１８ａが切削刃とされるとともに、本体１７の内壁の一部を形成する内周面１８ｂが内刃とされている。

ここで、切削部１８の内周面１８ｂの内刃は、先端面１８ａの切削刃によって削り出されたボーリングコアＣの側面を滑らかに仕上げるためのものであり、その内径が先端部から軸線方向に沿って一定に形成されている。

ところで、上記従来のコアビット１４によって切削・回収されたボーリングコアＣに対して、上記コア変形法（DCDA）によって岩盤応力を測定したところ、その測定値から得られた主応力差（σ_１−σ_２）が実際の値よりも幾分小さく評価されてしまう場合のあることが指摘されていた。

そこで、本発明者等は、その原因について鋭意研究を行ったところ、岩盤をコアビット１４によって切削してボーリングコアＣを得る際に、切削部１８の内周面１８ｂ内に送られて切削とともに応力解放に伴って膨張したボーリングコアＣの側面が、内周面１８ｂに形成された内刃によって切削されてしまい、この結果上記最大直径ｄ_１が本来よりも小さく測定されてしまうことが主因であるとの知見を得るに至った。

Journal of MMIJ Vol.130 (2014) P.515-521 コア変形法（DCDA）の室内検証実験

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、岩盤の特性に因らず高い精度で岩盤応力を評価することが可能になる岩盤切削用のコアビットを提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、ボーリング装置のロッドの下端に取り付けられて岩盤を切削することにより円柱状の岩石コアを採取するためのコアビットであって、円筒状の本体と、この本体の先端部に設けられて上記岩盤を切削する切削部とを備え、上記切削部の先端面に連なる内周面が、上記先端面から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成されていることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、上記傾斜面の傾斜角度が、１／１００〜３．５／１００の範囲であることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記切削部は、マトリックスとなる金属中に工業用ダイヤモンドを分散させた焼結体であり、かつ上記先端面および上記内周面に上記ダイヤモンドが表出していることを特徴とするものである。

請求項１〜３のいずれかに記載の本発明に係るコアビットによれば、切削されたボーリングコアが送られる内周面を、上記先端面から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成しているために、切削とともに応力解放に伴って膨張したボーリングコアの外周面が、上記内周面によって削られることを防止することができる。この結果、ボーリングコアを回収する前に、その外径寸法が小さくなって評価に影響をあたえることがなく、よって岩盤の特性に因らず高い精度で岩盤応力を推定することが可能になる。

ちなみに、後述する実施例で詳述するように、一般的な岩石について応力解放に起因するコア根元の膨張勾配をFEM解析によって算出したところ、2.4／1000であった。ただし、実際のボーリングコアの採取にあたっては、上記膨張勾配の値は岩石の弾性係数Ｅ、ポアソン比νおよびコア径ｄの相違によって上記範囲よりも大きくなる可能性がある。

そこで、請求項２に記載の発明のように、上記傾斜角度を１／１００以上に設定すれば、岩盤の特性に因らずボーリングコアの側面がコアビットの内周面によって削られることを確実に防止することができる。

一方、上記内周面を傾斜面によって形成すると、上記切削部の先端面が摩耗した場合に、ボーリングコアの内径が次第に大きくなり、ボーリングコアとの間に僅かな隙間が形成された落下防止用のコアリフターと干渉する虞がある。そこで、上記傾斜角度の上限を３．５／１００とすれば、このような不具合の発生も防ぐことができ、安定的にボーリングコアを回収することができる。

さらに、請求項１または２に記載の発明によれば、先端部のみに切削刃が形成されて内周面に内刃が形成されていないコアビットについても、上述した効果が得られるが、特に請求項３に記載の発明のように、上記切削部としてダイヤモンドを分散させた焼結体を用いた場合に、内周面にも切削効果を有する内刃が形成されることから顕著な効果を得ることができる。

本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＰ部拡大図である。 図１の左側面図である。 本発明の実施例において行ったFEM解析の結果を示すグラフである。 一般的なボーリング装置を示す概略構成図である。 図４のＡ部拡大図である。 図５のＢ部を拡大した従来のコアビットを示す縦断面図である。 コア変形法の測定原理を示す図である。

図１および図２は、本発明に係るコアビットの一実施形態を示すものである。
このコアビット１は、鋼製の円筒状の本体２と、この本体２の先端面に設けられて岩盤を切削する切削部３とを備えたものである。

この切削部３は、銅、ニッケル、コバルト等をマトリックスとして工業用ダイヤモンドを分散させた粉末焼結体であり、本体２の先端部の先端面、内面および外面を覆う寸法形状に形成されたものである。これにより、切削部３は、先端面４が岩盤からボーリングコアＣを削り出す切削面とされるとともに、内周面５にも内刃が形成されている。なお、図中符号６は、切削用溝部である。

そして、このコアビット１においては、図１（ｂ）に示すように、切削部３の先端面４に連なる内周面５が、先端面４から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成されている。ここで、上記傾斜面の軸線に対する傾斜角度θは、１／１００〜３．５／１００の範囲に設定されている。なお、図１（ｂ）においては、目視の便宜のために内周面５を上記傾斜角度よりも誇張して図示してある。

上記内周面５の好適な傾斜角度θを見出すために、掘削に伴って応力解放を受けたボーリングコアの変形挙動を、FEM解析と実験により確認した。その結果、コアビット先端でボーリングコアが削り出されて応力が解放されることによりボーリングコアが膨張すること、およびその変形は弾性的でFEM解析と実験結果が良く一致していた。

上記FEM解析の条件は以下の通りである。
・使用コード：有限要素解析コードPhase2（Rock Science）
・解析モデル：軸対称モデル、半径300mm、高さ300mm

コアの半径25mm、溝の幅2.6mm、深さ150mm
・モデル岩盤物性：E=21GPa、ν=0.25
・圧縮応力：σa=7.5MPa（外周から半径方向に作用）

図３は、上記FEM解析の結果を示すもので、ボーリングコア根元の膨張勾配は2.4/1000であった。ここで、この勾配は、σ×d／Eに比例するため、実際の様々な条件下ではより大きくなる可能性がある。そこで、この点を考慮し余裕を見て上記傾斜角度θを1/100以上とした。

これに対して、上記傾斜角度θの上限値は、コアビットの摩耗を考慮して設定した。
すなわち、コアビットで削り出されたボーリングコアは、上述したようにコアリフターを通ってインナーチューブに収納される。このコアリフターは、ボーリングコアの落下防止用の装置であって上記ボーリングコアの側面とのクリアランスは非常にわずかである。

他方、コアビットの先端面が摩耗すると、内周面が傾斜面によって形成されている結果、次第に削り出されるボーリングコアの外径が大きくなる。このため、削り出されたボーリングコアが上記コアリフターを通過することができずにコア詰まりを起こす可能性がある。

また、傾斜角度θが大きくなると、コアビット先端面の許容摩耗量が小さくなってコアビットの寿命が短くなる。このため、傾斜角度θの上限値は、試作して実験により有効性を確認したコアビットの傾斜角度2°（3.5/100）とした。

以上説明したように、上記構成からなるコアビット１によれば、岩盤を切削する切削部３の先端面４に連なって切削されたボーリングコアが送られる内周面５を、先端面４から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成しているために、切削とともに応力解放に伴って膨張したボーリングコアの側面が、内周面５によって削られて外径寸法が小さくなることがない。このため、岩盤の特性に因らず高い精度で岩盤応力を推定することができる。

１ コアビット
２ 本体
３ 切削部
４ 先端面
５ 内周面
Ｃ ボーリングコア

Claims (3)

1. ボーリング装置のロッドの下端に取り付けられて岩盤を切削することにより円柱状の岩石コアを採取するためのコアビットであって、
   円筒状の本体と、この本体の先端部に設けられて上記岩盤を切削する切削部とを備え、上記切削部の先端面に連なる内周面が、上記先端面から離間するにつれて漸次拡径する傾斜面によって形成されていることを特徴とするコアビット。
2. 上記傾斜面の傾斜角度は、１／１００〜３．５／１００の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のコアビット。
3. 上記切削部は、マトリックスとなる金属中に工業用ダイヤモンドを分散させた焼結体であり、かつ上記先端面および上記内周面に上記ダイヤモンドが表出していることを特徴とする請求項１または２に記載のコアビット

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