JP3647081B2 - 二重管掘削システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は二重管掘削システムに関する。さらに詳細には、ダウンザホールドリル等の打撃機構の打撃力を有効に利用した二重管掘削システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
転石や玉石等が混在した地層、硬岩層等の難地層のボーリング用として、ドリルロッドの先端に接続されて使用されるダウンザホールドリルが知られている。このダウンザホールドリルはドリルロッドを通して送られてくる圧縮流体によりピストンを駆動し、ビットに打撃運動を与える形式のドリルである。
【０００３】
さらに、ダウンザホールドリルを使用した二重管掘削システムも知られている。この二重管掘削システムは、掘削孔壁の崩壊を防止するためのケーシング（外管）内に内管（ドリルロッド）を配置し、内管の先端にダウンザホールドリルを接続したものである。
【０００４】
従来、ダウンザホールドリルによる二重管掘削システムは、具体的には、２つの方式に大別される。その１つは、ダウンザホールドリル先端のビットに拡大・縮小機能を加えたものを使用し、追従するケーシングよりも大径の孔を掘削する方式である。また他の１つは、ケーシングに外周ビットを取付け、孔の中心部のみをダウンザホールドリルで掘削し、外周部を外周ビットで掘削する方式である。
【０００５】
しかし、前者は最も負荷が大きいビット部に、これを拡大・縮小させるための可動部分を有しているため、作動不良が発生しやすいという問題がある。また、後者は掘進速度がケーシングに設けた外周ビットの掘削能力に規制されてしまい、ダウンザホールドリル本来の掘進速度を得ることができないという問題がある。
【０００６】
さらに、パーカッションドリルによる二重管掘削システムも知られている。しかし、この場合打撃力が内外周ビットとも内外管を介して地上部から伝達されるため、内外管に強度を要求され、したがってそれに応じた材質や肉厚が要求され、重量が大きく、また高価になる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
【０００８】
この発明の目的は、打撃機構の打撃力を有効に利用し、簡単な構造で掘進速度を高めることができる二重管掘削システムを提供することにある。
【０００９】
この発明の他の目的は、先端ビットの形状を変えるだけで既存のシステムにも適用可能な二重管掘削システムを提供することにある。
【００１０】
さらにこの発明の他の目的は、外管には掘削のための力が伝達されないようにすることにより、その肉厚を薄くでき、軽量化、操作性の向上、低コスト化を図ることができる二重管掘削システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
【００１２】
すなわちこの発明は、内外管からなる二重管と、前記内管の先端に設けられた内周ビットと、この内周ビットを打撃するための打撃機構とを備えた二重管掘削システムであって、
前記外管の先端に軸線方向に相対移動可能に設けられた外周ビットと、
前記打撃機構の打撃力を前記外周ビットに伝達するための打撃力伝達手段と
を備えてなる二重管掘削システムにある。
【００１３】
またこの発明は、前記打撃力伝達手段が、前記内周ビットの外周に設けられた内側係合部と、
前記外周ビットの内周に設けられ、前記内側係合部と軸線方向に係合する外側係合部と
を備えてなる二重管掘削システムにある。
【００１４】
さらにこの発明は、前記内側係合部が内側スプラインからなり、
前記外周ビットの内周に前記内側スプラインと係合する外側スプラインが設けられている
ことを特徴とする二重管掘削システムにある。
【００１６】
さらにこの発明は、前記内側スプラインの外周に前記外側スプラインが軸線方向に係合可能な係合部が設けられている
ことを特徴とする二重管掘削システムにある。
【００１７】
さらにこの発明は、前記外周ビットが前記外管に軸線方向に相対移動可能に設けられている
ことを特徴とする二重管掘削システムにある。
【００１８】
【作用】
上記のようなこの発明によれば、打撃力伝達手段を介して打撃機構の打撃力が外周ビットに伝達される。したがって、孔の中心部のみならず外周部も打撃力による掘削がなされ、掘進速度が高められる。打撃力伝達手段を内周ビットと外周ビットとの係合によって構成することにより、簡単な構造で打撃力を外周ビットに伝達することができる。
【００１９】
【実施例】
この発明の実施例を図面を参照しながら以下に説明する。図１はこの発明による二重管掘削システムの第１実施例を示す軸線方向断面図、図２はダウンザホールドリルの打撃機構を拡大して示す断面図である。
【００２０】
ケーシングである外管１内にドリルロッドである内管２が配置され、二重管が構成されている。内管２の先端には継手管４を介してダウンザホールドリル３が接続されている。ダウンザホールドリル３は前部ヘッド５及び後部ヘッド６が設けられたシリンダ７を有している。
【００２１】
前部ヘッド５の内周にはスプライン２１を介して内周ビット２０が嵌合され、内周ビット２０にはその先端に開口する流体排出路２２が設けられている。後部ヘッド６には内管２及び継手管４内の流路８と常時連通する流路９が設けられている。フードチューブ１０は、ダウンザホールドリル３を覆い、外管１内に位置決めするためのものである。
【００２２】
シリンダ７の内周にはインナチューブ１１が固定されている。このインナチューブ１１の後部ヘッド６側にバルブホルダ１２が固定され、このバルブホルダ１２により後部ヘッド６の内部に弁室１３が区画されている。バルブホルダ１２には、コイルスプリング１４によって流路９を常時閉鎖する方向に付勢された逆止弁１５が設けられている。
【００２３】
インナチューブ１１内には打撃ピストン１６が摺動可能に配置され、これによりシリンダ７の内部に前部チャンバ１７と後部チャンバ１８とが区画されている。前部チャンバ１７に設けられたリング２３は、内周ビット２０の抜け落ちを防止するためのものである。バルブホルダ１２には後部チャンバ１８側に延びる延出部２４が形成され、またバルブホルダ１２には弁室１３側の端面及び延出部２４の端面に開口する流路２５が形成されている。この流路２５には通過流量を調節するためのフローレギュレーター１９が設けられている。
【００２４】
打撃ピストン１６には中心孔２６が形成されている。この中心孔２６には打撃ピストン１６が前進位置にあるとき、流体排出路２２に設けられたフート弁２７が嵌合し、打撃ピストン１６が後退位置にあるとき、延出部２４が嵌合する。打撃ピストン１６にはまた、その外周及び後部チャンバ１８側の端面に開口する連通孔２８が形成され、さらに外周に環状連通路２９が形成されている。
【００２５】
シリンダ７の内周には２つの環状流路、すなわち第１環状流路３０と第２環状流路３１とが形成されている。インナチューブ１１には５つの連通孔、すなわち第１連通孔３２、第２連通孔３３、第３連通孔３４、第４連通孔３５及び第５連通孔３６が形成されている。
【００２６】
第１環状流路３０は第１連通孔３２を介して弁室１３と常時連通し、また打撃ピストン１６が前進位置にあるとき第３連通孔３４を介して環状連通路２９と連通し、さらに打撃ピストン１６が後退位置にあるとき第２連通孔３３を介して連通孔２８と連通する。第２環状流路３１は第５連通孔３６を介して前部チャンバ１７と常時連通し、また打撃ピストン１６が前進位置にあるとき第４連通孔３５を介して環状連通路２９と連通する。
【００２７】
上記のような打撃機構において、打撃ピストン１６は次のように動作する。図１、２は打撃ピストン１６の前進位置すなわち打撃位置を示している。内管２、流路８、９を通じて供給される加圧流体、例えば圧縮空気はコイルスプリング１４に抗して逆止弁１５を開き、弁室１３に流入する。圧縮空気はさらに、第１連通孔３２、第１環状流路３０、第３連通孔３４、環状連通路２９、第４連通孔３５、第２環状流路３１及び第５連通孔３６を経て前部チャンバ１７に流入する。これにより打撃ピストン１６が後退する。
【００２８】
打撃ピストン１６が後退位置に達すると、フート弁２７が中心孔２６から離脱し、前部チャンバ１７がフート弁２７を介して流体排出路２２と連通する。また第１、第２環状流路３０、３１と環状連通路２９との連通が阻止される一方、第１環状流路３０が第２連通孔３３を介して連通孔２８と連通する。このため、圧縮空気は第２連通孔３３及び連通孔２８を経て後部チャンバ１８に流入する。このとき打撃ピストン１６の中心孔２６には延出部２４が嵌合しており、したがって打撃ピストン１６は加圧されて前進し、内周ビット２０を打撃する。このような打撃ピストン１６の往復運動が繰り返され、打撃ピストン１６は内周ビット２０を繰り返し打撃する。なお、流体排出路２２にはフート弁２７を経て圧縮空気が常時送られる。
【００２９】
上記のような打撃機構それ自体は従来と同様である。この発明の二重管掘削システムにおいては、外管１の先端に円筒状の外周ビット３７が設けられている。より具体的には、外管１の先端には連結チューブ３８がボルト３９を介して固定され、外周ビット３７はこの連結チューブ３８に取付けられている。外周ビット３７にはその外周に連結チューブ３８が係合可能な環状段部４０が形成され、外周ビット３７は環状段部４０よりも後側部分４１が連結チューブ３８の内周に受入れられている。
【００３０】
外周ビット３７の後側部分４１には、軸線方向に延びる所定長さの複数の案内長孔４２が周方向に間隔を置いて形成されている。この案内長孔４２には連結チューブ３８に設けた複数のピン４３の先端が嵌入している。これにより、外周ビット３７は外管１に対して軸線方向に相対移動可能である。また外周ビット３７の後側部分４１と連結チューブ３８とは、スプライン４４により係合しており、外管１の回転を外周ビット３７に伝達することが可能である。
【００３１】
内周ビット２０の外周には内側係合部である環状突部４５が形成されている。また、外周ビット３７の内周には外側係合部である環状突部４６が形成されている。環状突部４５の前端及び環状突部４６の後端には、それぞれ傾斜した係合面４７、４８が形成され、打撃力伝達手段を構成するこれらの環状突部４５、４６は係合面４７、４８において軸線方向に互いに係合している。
【００３２】
この実施例の場合、内管２及び外管１はそれぞれ別個に図示しない回転駆動手段に連結される。その結果、内周ビット２０及び外周ビット３７は、それぞれ独立して回転する。すなわち、内管２の回転に伴うダウンザホールドリル３のシリンダ７の回転は、スプライン２１を介して内周ビット２０に駆動伝達され、内周ビット２０が回転する。また、外管１の回転は連結チューブ３８及びスプライン４４を介して外周ビット３７に駆動伝達され、外周ビット３７が回転する。
【００３３】
一方、打撃ピストン１６の往復運動により内周ビット２０が打撃されることは前述したとおりである。この内周ビット２０に付与される打撃力は、環状突部４５、４６の係合面４７、４８を介して外周ビット３７にも伝達される。これにより、外周ビット３７は回転による掘削に加えて、打撃による掘削を行う。その際、外周ビット３７は外管１に対して軸線方向に移動可能であるので、打撃力は外管１にはほとんど伝達されず外周ビット３７にのみ伝達され、効率のよい打撃が行われる。
【００３４】
掘削により生ずるスライムは、この実施例の場合、流体排出路２２から排出される圧縮空気により、外管１と掘削孔壁との間を経て地上に排出される。内周ビット２０の外周に、軸線方向に沿う複数の溝を設け、この溝を介してスライムを外管１内に取り込み、外管１と内管２との間を経てスライムを排出するようにすることもできる。
【００３５】
図３はこの発明の第２実施例を示す軸線方向断面図である。この実施例は内周ビット２０に付与される打撃力のみならず、回転力も外周ビット３７に伝達するようにしたものである。連結チューブ３８は外管１に溶接により固定されている。外周ビット３７の後側部分４１の外周には、軸線方向の所定長さを有する環状案内溝５０が形成されている。連結チューブ３８にはその内周側に突出する複数の突起５１が設けられ、これらの突起５１は環状案内溝５０に嵌入している。これにより、外周ビット３７は、外管１に対して軸線方向に相対移動可能であり、また相対回転も可能である。
【００３６】
内周ビット２０の外周に形成された内側係合部は、この実施例では内側スプライン５２からなっている。スプライン５２は先端に第１実施例と同様の傾斜した係合面４７を有し、この係合面４７が外周ビット３７における環状突部４６の係合面４８に係合している。内側スプライン５２に対応して、外周ビット３７の内周にもスプライン５２と係合する外側スプライン５３が設けられている。これにより、内周ビット２０の回転を外周ビット３７に伝達することが可能である。
【００３７】
この第２実施例においては、内管２のみが回転駆動される。内管２の回転に伴う回転はスプライン５２、５３を介して外周ビット３７に伝達され、外周ビット３７が回転する。その際、外周ビット３７は外管１に対して相対回転可能であるので、外管１は回転せずに外周ビット３７のみが回転し、効率のよい回転が行われる。
【００３８】
一方、内周ビット２０に付与される打撃力は内側スプライン５２を介して外周ビット３７に伝達される。すなわち、スプライン５２は内周ビット２０の回転と打撃力の双方を外周ビット３７に伝達する機能を有する。打撃力が外管１には伝達されず、外周ビット３７にのみ伝達されることは、第１実施例と同様である。言い換えれば、外管１には掘削のための力、すなわち回転力も打撃力も伝達されず、したがって外管１の肉厚を薄くすることができ、軽量化、操作性の向上、低コスト化を図ることができる。
【００３９】
スライムは内周ビット２０と外周ビット３７との間、具体的にはスプライン５２、５３間の間隙を経て外管１内に取り込まれ、地上に排出される。このため、この実施例では排出スライムの流速の低下をきたさないように、内管２の外周に中間チューブ５４を設け、流路断面積を小さくしてある。その他、打撃機構等は第１実施例と同様であり、主な部材には第１実施例と同一符号を付してある。
【００４０】
図４はこの発明の第３実施例を示す軸線方向の拡大断面図、図５、図６は図４のそれぞれＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線断面図、図７は内周ビットの一部展開図である。この実施例は第２実施例に改良を加えたものである。外周ビット３７の後側部分４１の外周に形成された環状溝５０に、連結チューブ３８に設けられた突起５１が嵌入し、外周ビット３７が外管１に対して軸線方向の相対移動及び相対回転が可能であることは、第２実施例と同様である。また、内側係合部が内側スプライン５２からなり、その先端の傾斜した係合面４７が外周ビット３７の環状突部４６の係合面４８に係合することも第２実施例と同様である。
【００４１】
この実施例では、内側スプライン５２の周面に切欠部６０が形成され、この切欠部６０の軸線方向壁面６１に外側スプライン５３が係合するようになっている（図６、図７参照）。そして、切欠部６０の周方向壁面６２には外側スプライン５３の先端部を受け入れ、内側スプライン５２と外側スプライン５３とを軸線方向に係合させるための係合凹部６３が形成されている。外側スプライン５３は掘削中は、係合凹部６３から離脱している。この実施例によれば、内外管１、２を掘削孔から一部または全部を引上げる場合、内管２のみに引上げ動作を与えればよい。
【００４２】
すなわち、内側スプライン５２と外側スプライン５３とを周方向に係合させた状態で内管２を軸線方向に後退移動させると、内側スプライン５２の係合凹部６３に外側スプライン５３が係合する。これにより、外管１は内管２に伴って後退移動し、内管２のみの引上げ動作によって外管１を引上げることができる。その他の構造は第２実施例と同様である。なお、スライムの排出流路が図５、図６に符号６４で示されている。
【００４３】
上記実施例は単なる例示にすぎず、この発明はその本質を逸脱しない限り、種々の改変が可能である。例えば、ダウンザホールドリルの打撃機構は種々提案されており、上記実施例のものに限らず適宜の機構を選択できる。また、この発明はパーカッションドリルによる二重管掘削システムにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、打撃機構の打撃力を有効に利用し、簡単な構造で掘進速度を高めることができる。また、先端ビットの形状を変えるだけで既存の二重管掘削システムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、この発明の第１実施例を示す軸線方向断面図である。
【図２】図２は、打撃機構の拡大断面図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施例を示す軸線方向断面図である。
【図４】図４は、この発明の第３実施例を示す軸線方向の拡大断面図である。
【図５】図５は、図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】図６は、図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】図７は、内周ビットの一部展開図である。
【符号の説明】
１…外管
２…内管
３…ダウンザホールドリル
１６…打撃ピストン
２０…内周ビット
３７…外周ビット
３８…連結チューブ
４１…後側部分
４２…案内長孔
４３…ピン
４４…スプライン
４５…環状突部
４６…環状突部
４７…係合面
４８…係合面
５０…環状案内溝
５１…突起
５２…内側スプライン
５３…外側スプライン

Claims (5)

1. 内外管からなる二重管と、前記内管の先端に設けられた内周ビットと、この内周ビットを打撃するための打撃機構とを備えた二重管掘削システムであって、
   前記外管の先端に軸線方向に相対移動可能に設けられた外周ビットと、
   前記打撃機構の打撃力を前記外周ビットに伝達するための打撃力伝達手段と
   を備えてなる二重管掘削システム。
2. 前記打撃力伝達手段が、前記内周ビットの外周に設けられた内側係合部と、
   前記外周ビットの内周に設けられ、前記内側係合部と軸線方向に係合する外側係合部と
   を備えてなる請求項１記載の二重管掘削システム。
3. 前記内側係合部が内側スプラインからなり、
   前記外周ビットの内周に前記内側スプラインと係合する外側スプラインが設けられている
   ことを特徴とする請求項２記載の二重管掘削システム。
4. 前記外周ビットが前記外管に相対回転可能に設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の二重管掘削システム。
5. 前記内側スプラインの外周に前記外側スプラインが軸線方向に係合可能な係合部が設けられている
   ことを特徴とする請求項４記載の二重管掘削システム。

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