JP2529669B2

JP2529669B2 - 掘削装置

Info

Publication number: JP2529669B2
Application number: JP61151152A
Authority: JP
Inventors: 清之堀井; 一男吉田; 和夫山口
Original assignee: 清之堀井; 株式会社青木建設
Priority date: 1986-06-27
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1996-08-28
Anticipated expiration: 2011-08-28
Also published as: JPS637488A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、鉱山、土木等の分野における掘削装置に
関する。さらに詳しくは、コアンダスパイラルフローに
より土石、土砂を吸引除去することを特徴とする掘削装
置に関するものである。

（技術の背景）鉱山、土木等の分野において岩盤、土質部を掘削する
には様々な形状と規模の掘削装置が用いられている。

ドリル方式のもの、シャベル方式のものなど多様であ
る。また坑道、トンネルの形成のための大型のものか
ら、パイプルーフ、NATM工法用の支保ボルト削孔のため
の小規模のものまで、その規模も多様である。

これらの従来の掘削装置に共通していることは、掘削
によって生成した土石、土砂を掘削装置とは別の手段に
よって除去回収していることである。掘削装置の切刃か
ら生成するこれらの土石、土砂をシャベル、コンベア等
の手段によって作業現場から除去していることである。

このため、作業現場近傍においては土石、土砂の飛散
によって作業環境が著しく悪化するばかりか、鉱山にお
いてはガス粉じん爆発をも誘発する原因ともなってい
る。

また、散乱した土石、土砂を回収するための作業が必
要になることから作業効率も低下する。

さらに問題なのは、特にパイプルーフ、NATM工法用の
比較的小さな支保ボルトの削孔を土質部あるいは軟岩部
に行う場合に、削孔の長さが長くなればなるほど、また
その径が小さくなればなるほど、掘削装置によって生成
した土石、土砂の削孔形成部からの除去が困難になり、
削孔のための掘削装置の作業効率の低下、もしくはその
作業の停止さえもひきおこし、所定形状の掘削も極めて
困難であった。

たとえば、トンネル形成のためのNATM工法の場合に
は、トンネルの半円形周壁に８〜10本の、内径35〜40m/
m、長さ約１〜6mの削孔を形成するのが普通であるが、
この削孔をドリル等によって掘削形成する際に生成する
土石、土砂の除去回収は困難であり、回転するドリル刀
の周縁部に土石、土砂のたまりが形成されるため、ドリ
ル刀の回転効率を低下させ、しかも、削孔の内径を拡大
させてしまう。このため、効率的に所定寸法の削孔を形
成することが難しかった。この削孔の内径の拡大は、ト
ンネル支保の強度低下を誘発したり材料食い込みが大き
くなる等の原因となるため、作業上の大きな障害になっ
ていた。

このため、掘削作業の規模にかかわりなく、掘削装置
によって生成する土石、土砂を効率的に除去するための
手段、ことに、掘削装置に連動して土石、土砂を飛散、
あるいは散乱させることなく、さらには削孔の所定寸法
の形成を効率的に行いえる土石、土砂の除去回収の手段
の実現が強く望まれていた。

（発明の目的）この発明は、このような事情を鑑みてなされたもので
あり、掘削によって生成する土石、土砂を効果的に除去
回収することのできる新規な掘削装置を提供することを
目的としている。

（発明の構成）この発明の掘削装置は、上記の目的を達成するため
に、掘削により生成する土石、土砂をコアンダスパイラ
ルフローによって吸引、搬送除去するようにしたことを
特徴としている。さらに詳しくは、この発明は、内部が
中空多重円筒構造からなる主軸と、主軸の先端部に設け
た回転切刃とを有し、この回転切刃の中心部には開口が
設けられ、中空多重円筒の最内筒の中空部が連通し、最
内筒には、その外周中空部に通じる環状細隙が設けら
れ、この環状細隙から前記開口とは逆方向の最内筒内壁
には径が小さくなる傾斜面が傾斜角θとしてtanθ＝1/4
〜1/8で形成されている掘削装置であって、前記外周中
空部を通じて環状細隙より加圧流体を噴出させて生成さ
せたコアンダスパイラルフローによって、回転切刃での
掘削により生じた土石、土砂を先端部開口から吸引して
除去することを特徴とする掘削装置を提供する。

そしてまた、この発明は、内部が中空の主軸と、主軸
の先端部に設けた回転切刃とを有し、回転切刃の中心部
には開口が設けられ、この開口には主軸内の中空部が連
通し、開口とは逆の主軸端部には、外周中空部に通じる
環状細隙を介して円筒が設けられ、この環状細隙から円
筒内壁には径が小さくなる傾斜面が傾斜角θとしてtan
θ＝1/4〜1/8で形成されている掘削装置であって、前記
外周中空部を通じて環状細隙より加圧流体を噴出させて
生成させたコアンダスパイラルフローによって、回転切
刃での掘削により生じた土石、土砂を先端部開口から吸
引して除去することを特徴とする掘削装置をも提供す
る。

このコアンダスパイラルフローとその利用は、この発
明の発明者によってはじめて見出されたものである。す
なわち、この発明の発明者は、管方向の流体のベクトル
に管路半径方向のベクトルを加えると流体が旋回し、こ
の旋回流に基づき管内壁近傍に動的境界層が形成され、
流体はスパイラル（螺旋）を描きつつ、管路方向に高速
で進行するという事実を見出した。このスパイラルフロ
ーの生成部には負圧域が形成される。土石、土砂などの
固体粒塊物はこの負圧域に吸引されることによってスパ
イラルを描きつつ管路方向に高速移動し、しかもこの場
合には乱流混合とはならないことから粒塊物と管路内壁
との接触は抑制され、磨耗はほとんど生じない。

この発明は、このような新たな知見に基づいてなされ
たものである。

この発明の掘削装置について、添付した図面に沿っ
て、さらに詳細に説明する。

第１図に示したこの発明の掘削装置の例によると、掘
削装置ドリルの主軸（１）の先端部に回転切刃（２）を
回動自在に設ける。主軸（１）は中空の多重円筒、たと
えば（３）、（４）および（５）によって構成する。最
外筒（３）は回転切刃を回転駆動させる。このため、最
外筒（３）は回転切刃（２）と一体成形するか、もしく
は切刃に回転動力を伝達するための適宜な手段を採用す
る。第１図に示した例の場合には、外筒（３）と切刃
（２）とは一体になっており、外筒（３）は、中間部の
円筒（４）との間にボールベアリング（６）を介して回
転するように設置されている。先端部の回転切刃（２）
の中心部には開口（８）を設ける。

この開口は、最内筒（５）の中空内部空間に連通して
いる。最内筒（５）の開口（８）近傍には環状の細隙
（10）を設ける。この細隙（10）には最内筒（５）と中
間部円筒（４）との間の通路（９）を通して加圧流体、
たとえば加圧空気を最内筒（５）の連通管路（13）に送
入する。

細隙（10）からは、図に示したように管路（13）の出
口方向に向ってたとえば滑らかに湾曲した傾斜壁面（1
1）を形成する。細隙（10）の傾斜した湾曲壁面（11）
と反対の壁面（12）は、直角または鋭角状に折り曲げ
る。

この細隙（10）はその間隔を調製できるようにするの
が好ましい。もちろん、特定の幅の間隔としておいても
よい。

この構造の掘削装置においては、加圧流体、たとえば
加圧空気、もしくは加圧水を高速で細隙（10）から最内
筒（５）内に送入する。細隙（10）の出口で流体はコア
ンダ効果により管路（13）側に傾いた流線（α）を描い
て移動する。この結果、反対側には負圧域が生じる。こ
の負圧域に回転切刃により掘削された土石、土砂の粒塊
が吸引されて流入する（矢印β）。

細隙（10）からの流体の運動のベクトルと外部からの
粉粒体の運動ベクトルとは合成されて管路（13）内を出
口方向へ進行する流体流が形成される。

流体流は、次第に径を狭められ、その際に半径方向の
ベクトルを与えられる。この半径方向のベクトルが旋回
ベクトルに転換し、直進ベクトルと合わせてスパイラル
モーションを形成する。

もちろん、この発明は、この図に示した例に限定され
るものでない。コアンダスパイラルモーションを生成さ
せることができ、それを維持する限り、構造上に特段の
限定はない。

たとえば第２図に示したように、掘削装置の最外筒
（３）の基部にコアンダスパイラルフロー生成部を設け
てもよい。

すなわち、主軸端部には、外周中空部に通じる環状細
隙を介して円筒が設けられ、この環状細隙から円筒内壁
には径が小さくなる傾斜面が形成される。

そして、外周中空部を通じて環状細隙より加圧流体を
噴出させることでコアンダスパイラルフローが生成され
ることになる。

この場合には、生成部は掘削孔以外に位置しているよ
うにしてもよい。また、主軸は多重円筒とせずに、生成
部そのものが掘削切刃部とともに回転するようにしても
よい。

この発明の掘削装置においては、第１図に示した例で
は、たとえば、最内円筒（５）の傾斜角θは、tanθが1
/4〜1/8程度となるようにする。また、管路（13）と細
隙（10）部の内径の比は1/2〜1/5程度とするのが好まし
い。土石、土砂の粒塊の径と管路（13）の径との比は、
およそ1/3以下とし、粒塊と流体との混合比を10以下と
するのが好ましい。加圧流体は２〜10Kg/cm²とする。こ
うすることにより、粒塊の径が30mm〜50mmという大きな
ものであっても高速で搬送することが可能とする。

流速は、100〜200m/分という超高速にまですることが
可能となる。

先端部の開口の回転速度、進行速度、そして、加圧流
体の供給量を適宜なものとすることによって、最適の掘
削が可能となる。

掘削装置の主軸（１）が長くなる場合には、最内筒
（５）の適宜な箇所に別の細隙を形成し、同様にコアン
ダフローを生成させてもよい。

（発明の効果）以上のとおり、この発明の装置による場合には、効率
的に所定寸法の削孔等の掘削が可能となる。

また、コアンダスパイラルフローにより、土石、土砂
と最内筒の内壁との磨耗は著しく低減されるため、装置
の耐久性は大きく向上し、しかも高速での土石、土砂の
除去回収が可能になる。

このような効果は、これまでの掘削装置からは全く予
期できないことである。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、この発明に用いる装置の要部を
示したものである。図中の番号は次のものを示している。１…主軸２…回転切刃３…最外筒４…中間部円筒５…最内筒６…ボールベアリング７…ボールベアリング８…開口部９…加圧流体通路 10…細隙 11…湾曲壁面 12…直角（鋭角）壁面 13…連通管路 14…流入口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−59295（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が中空多重円筒構造からなる主軸と、
主軸の先端部に設けた回転切刃とを有し、回転切刃の中
心部には開口が設けられ、この開口には中空多重円筒最
内筒の中空部が連通し、最内筒には、その外周中空部に
通じる環状細隙が設けられ、この環状細隙から前記開口
とは逆方向の最内筒内壁には径が小さくなる傾斜面が傾
斜角θとしてtanθ＝1/4〜1/8で形成されている掘削装
置であって、前記外周中空部を通じて環状細隙より加圧
流体を噴出させて生成させたコアンダスパイラルフロー
によって、回転切刃での掘削により生じた土石、土砂を
先端部開口から吸引して除去することを特徴とする掘削
装置。
【請求項２】内部が中空の主軸と、主軸の先端部に設け
た回転切刃とを有し、回転切刃の中心部には開口が設け
られ、この開口には主軸内の中空部が連通し、開口とは
逆の主軸端部には、外周中空部に通じる環状細隙を介し
て円筒が設けられ、この環状細隙から円筒内壁には径が
小さくなる傾斜面が傾斜角θとしてtanθ＝1/4〜1/8で
形成されている掘削装置であって、前記外周中空部を通
じて環状細隙より加圧流体を噴出させて生成させたコア
ンダスパイラルフローによって、回転切刃での掘削によ
り生じた土石、土砂を先端部開口から吸引して除去する
ことを特徴とする掘削装置。