JP4009222B2 - コア採取ボーリングシステム、脱酸素水生成装置及びコア採取ボーリング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質調査や水文地質調査用のコアを採取するためと調査ボーリング孔掘削のためのコア採取ボーリングシステム及びコア採取ボーリング方法に関するものであり、特に、コアの酸素汚染を防止するために微酸素環境でのコア採取を実現するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力施設の立地・設計における環境安全事前評価用のコアとしては、酸素汚染のないものを採取する必要がある。また、一般環境調査においても、地下水汚染の原因とされるクローム、砒素、マンガン等は、酸化によって化合物（イオン）の形が異なってしまうため、酸素存在下において採取されたコアサンプルでは、高精度な環境調査を行うことができない。
【０００３】
更に地下微生物調査においては、嫌気性・好気性の別を問わず、試料採取に伴う地下環境中の酸素濃度あるいは有機物濃度に対する撹乱を避けなければ、高精度の試料採取・環境調査を行うことができない。このため、試料に対する還元剤の添加や水素添加によって還元的雰囲気を再現しようという努力は、無益であるばかりか、試験・調査に対して有害である。
【０００４】
そこでコアサンプルを低酸素環境下においてボーリングにより採取するため、昇温脱気システムが考えられてきた。即ち、このシステムは、水を加熱して密封チャンバ内に供給し、密封チャンバの上部に位置する気層から気体を強制脱気することにより、一定の温度で一定量の液体に溶解する気体の量はその気体の圧力（分圧）に比例するというヘンリーの原則を利用して、水に溶存する酸素を気相に追い出して低酸素水を作成し、この低酸素水をビット付きのロッド内へ圧送してコアサンプル周辺を低酸素環境にするというものである。
【０００５】
このような方法では、水温をある程度高めに上昇させないと、水中に溶存している酸素を十分に取り除くことができず、しかも１００°Ｃにおいてすら酸素は水に対する溶解度から、常温に比較して３分の１量に低減するに留まっている。更にこれを実現するためには、大量の水を、高めの水温になるように加熱するのに大量のエネルギーを必要とするため、コスト高になってしまう。
【０００６】
また密封チャンバ内から温水を下流側に送水ポンプで送る際に、送水ポンプの上流側で気泡を生じがちであるため、キャビテーションの問題が生じる。従って、これを防止するために送水ポンプを密封チャンバに対して相対的に低い位置に設置しなければならず、そのための設備設置にも追加の費用と時間が掛かるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記の昇温脱気システムよりも経済的に且つ脱気効率の優れたコア採取ボーリングシステム、脱酸素水生成装置及びコア採取ボーリング方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明の第１の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機と、密封チャンバと、水と不活性ガスとを高速で分散混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置と、前記高速気液混合器から密封チャンバ内へ排出された脱酸素水を前記ロッド内へ供給する手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、高速気液混合器内で水に不活性ガスが微粒状に分散混合され、この結果不活性ガスが水中に溶存している酸素を不活性ガス中に抽出し、抽出酸素を含む微粒状の分散窒素混合水が密封チャンバ内に排出されるときに、抽出された酸素は窒素と共に密封チャンバ内の気相に溜まる。気相内の気体は脱気装置により外部へ脱気されるので、気相内は減圧され、この結果、密封チャンバ内の混合水の表面から未だ水中に残存している酸素が更に気相内に脱離し、外部へ脱気される。このようにして形成された脱気水は、ロッドの内側へ供給されることでインナーチューブの周囲は微酸素環境となり、コアの酸素汚染が防止される。
【００１０】
また、本発明の第２の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１の態様において、前記不活性ガスは窒素であることを特徴とするものである。
また、本発明の第３の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１または２の態様において、前記高速気液混合器はスタティックミキサであることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の第４の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１〜第３のいずれかの態様において、前記高速気液混合器には、不活性ガスが微粒に分散混合された水を密封チャンバ内へ排出することなく、直接に前記ロッド内へ供給するための不活性ガス混合水供給口が形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の脱酸素水生成装置は、掘削機の管状ロッド内へ供給する脱酸素水を生成する装置であって、密封チャンバと、水と不活性ガスとを高速で混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のコア採取ボーリング方法は、先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機を準備する工程と、高速気液混合器を使用して水と不活性ガスとを高速で混合して、水に懸濁または溶存する酸素を水から追い出した脱酸素水を密封チャンバ内へ排出する工程と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する工程と、前記密封チャンバ内の脱酸素水を、前記ロッド内へ圧送しながら、前記掘削機による掘削を行う工程とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記コア採取ボーリング方法では、前記不活性ガスを窒素、アルゴン、ヘリウムとすることができる。後に述べるように、本願特許の実施態様中で、上記窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスに、水素あるいは二酸化炭素を添加して使用することも可能であるが、施工以前の地下環境に存在しなかったガスの添加は、地下の化学的、生物学的環境を損なうので、無益であるばかりか、厳密な試料採取・調査にとって有害である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１中、符号１は本発明に係るコア採取ボーリングシステムを示し、このシステム１は、大きく分けて掘削機３と、脱酸素環境作業部５と、脱酸素水生成装置７とを備えている。
【００１６】
掘削機３は、図２（ａ）に示す３重管式または図２（ｂ）に示す２重管式の構造を備えている。３重管式は沖積層のように孔壁が自立しない場合に使用され、２重管式は孔壁が自立する深度以深で使用するのが一般的である、また地表より洪積層や三紀層が出現するような場合には２重管式を適用した掘削機を使用する。図２（ａ）に示す３重管式を適用する場合には、先端にビット９を有するインナーロッド１１と、該インナーロッド１１の外側に位置し先端にケーシングビット１３を備えるケーシング１５と、インナーロッド１１の内側下端に設けられたインナーチューブ１７と、インナーチューブ１７の内側下端に設けられ、その内側にコアを収納することができる包装部１９（図３参照）とを備えている。包装部１９は、採取直後のコアを周囲の環境から隔離された状態で包装することができるものであり、例えば、ビニルスリーブやアクリルパイプなどを用いることができる。またビットとしては、ダイモンモンドビットやメタルクラウンを使用することができる。
【００１７】
インナーロッド１１及びケーシング１５には駆動部２１が接続されており、該駆動部２１はインナーロッド１１及びケーシング１５を回転駆動する。このような構造により高速回転でインナーロッド１１及びケーシング１５を駆動することができる。この場合、ビットの給圧・回転数を変更する工程を備えるようにしてもよい。
【００１８】
一方、図２（ｂ）に示す２重管式では、自立性のない地層の掘削時以外ではケーシング１５に相当する部材を使用せず、ロッド１４と、ロッド１４の内側下端に設けられたインナーチューブ１７と、インナーチューブ１７の内側下端に設けられ、その内側にコアを収納することができる包装部１９とを備えている。２重管式の場合にはロッド１４が駆動部２１に接続されており、３重管の場合同様に、該駆動部２１によりロッド１４が回転駆動する。なお、包装部１９は、３重管式と同様な機能を有する。
【００１９】
次に脱酸素環境作業部５は、図５に示すように、掘削孔３１を取り囲むように貯水槽３３を備えており、貯水槽３３内には供給水が一定の水位まで溜められている。また貯水槽３３内には閉鎖時に内部が気密可能となる脱酸素水作業室３５が設けられており、脱酸素水作業室３５の上部には、脱酸素水作業室３５を作業中できる限り気密状態に保つために大部分または全てを閉鎖可能な蓋部３７が設けられている。この蓋部３７の部分的な開閉により、採取したコアを脱酸素水作業室３５内に収納し、あるいは取り出すことが可能である。脱酸素水作業室３５内には、後述する脱酸素水生成装置７から供給される脱酸素水を脱酸素水作業室３５に供給するための脱酸素水供給パイプ３９が敷設されていると共に、脱酸素水作業室３５内の底壁及び周囲壁には、脱酸素水作業室３５内の水に残存する酸素を確実に取り除くための脱酸素剤４１が設けられている。
【００２０】
このように脱酸素水作業室３５は、蓋部３７を閉鎖し、脱酸素水供給パイプ３９から脱酸素水を供給することにより、内部が脱酸素水で満たされた環境を作り出すことができる。脱酸素水作業室３５は、上述の掘削機３により微酸素環境で採取したコアサンプルをインナーチューブから取り出し、気密性容器で完全包装するまでの作業を行うための部屋である。脱酸素水作業室３５での作業については後述する。
【００２１】
次に脱酸素水生成装置７は図６に示すように、密封チャンバ４３内に高速気液混合器として機能するスタティックミキサ４５を備えている。本発明で使用するスタティックミキサは、上下方向に延びる筒体の中にワイヤブラシや金属たわしのように細長い金属片、金属繊維片等を塊状にした泡分裂要素が収容されている。そして筒体の下方から不活性ガスと供給水とを混合した状態で供給したときに、不活性ガスが微粒に分散した混合水が上方へ移動し、気体の大きな泡が泡分裂要素間を通過するときに、小さな泡に分裂する過程で生じる渦流等の撹拌効果により不活性ガスと供給水とを混合する作用をなすものである。このようにスタティックミキサは撹拌のために何の動力も使用することなく、水に窒素を混合し、酸素抽出を行わせることができる。
【００２２】
スタティックミキサ４５の下端付近には、水供給口４７と不活性ガス供給口４９とが形成されており、水供給口４７には供給水５１を送水ポンプ５３によりスタティックミキサ４５に供給するための水供給管５５が接続されている。一方、不活性ガス供給口４９には、窒素ボンベ５７から窒素をスタティックミキサ４５に供給するための不活性ガス供給管５９が接続されている。
【００２３】
本実施の形態では不活性ガスとして窒素を使用しているが、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン等を使用することも可能であり、地下環境の変化を厭わなければ、水素、炭酸ガス等の不活性ガスを窒素等に混合して使用することも可能である。
【００２４】
スタティックミキサ４５の上部には、窒素及び水が混合されたもの（窒素が微粒状態で分散したもの）を密封チャンバ４３内に排出する排出口６１が形成されている。排出口６１は、密封チャンバ４３内の水位より上方に形成される気相６３内に位置決めされている。またスタティックミキサ４５の頂部には微粒分散した不活性ガスの混合水供給口に相当する窒素混合水供給口６５が形成されており、この供給口は弁（図示せず）により必要に応じて開閉可能となっている。この弁が閉鎖されているときには窒素が微粒分散した窒素混合水は排出口６１から密封チャンバ４３内に排出され、弁の開放されたときには窒素混合水供給口６５から窒素混合水供給経路６７を経て、窒素混合水を掘削機３で使用することができる。
【００２５】
密封チャンバ４３内の気相６３には脱気管６９の一端側が開口しており、この脱気管６９の途中に設けられた脱気ポンプ７１により、気相６３内の気体を強制的に密封チャンバ４３の外部へ脱気できるようになっている。
【００２６】
密封チャンバ４３内の水位よりも低い位置には脱酸素水供給口７３が形成されており、脱酸素水供給口７３に接続する脱酸素水供給管７５の途中には送水ポンプ７７が設けられている。送水ポンプ７７により送り出される脱酸素水は、それぞれ脱酸素水供給管７５、７５ａ、脱酸素水供給管７５、７５ｂ（図１参照）を介してロッド１４の上端及び脱酸素水作業室３５へ供給可能である。各脱酸素水供給管７５ａ、７５ｂには調節弁７９、８１が設けられ、各脱酸素水供給管での流量を調節可能としている。
【００２７】
尚、上記実施の形態ではスタティックミキサ４５が密封チャンバ４３内に収容されているが、スタティックミキサ４５を密封チャンバ４３の外に置き、排出口６１を密封チャンバ４３の側壁等に接続する構成を採用しても良い。
【００２８】
３重管式を適用する場合には、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように自走式車両１０に付属したロータリーパーカッション掘削機を使用することができる。インナーチューブ１７の上端にはヘッド２３が形成されており、該ヘッド２３には把持部２５が形成されている。掘削機３に設けられた懸吊機構２７から延びるワイヤ２９の先端に接続されたラッチで把持部２５を把持することで、コアの入った包装部１９を備えたインナーチューブ１７を吊り上げて採取することができる。
【００２９】
以上が本発明のコア採取ボーリングシステム１及び脱酸素水生成装置７の構成であり、以下、本発明のコア採取ボーリングシステムを使用してコアを採取する工程について説明する。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、掘削機は軟弱地層では３重管式を使用して掘削を行い、次いで孔壁が自立するような地層では、図２（ｂ）に示すように２重管式を使用して掘削するなど、両方式を適宜併用できる。即ち地山が表層で軟柔な場合には３重管式を先ず使用し、次いで掘進とともに地山の自立性が向上するに従い、２重管ケーシング併用方式へ移行し、地山あるいは岩盤がしっかりしている地層では（もはやケーシングを併用せず）２重管式を適用する。
【００３１】
まず脱酸素水を生成するために送水ポンプ５３、７７及び脱気ポンプ７１を駆動状態とし、併せて窒素ボンベ５７の弁を開放して窒素をスタティックミキサ４５内へ供給する。尚、本例では窒素混合水供給口６５のバルブは閉鎖する。送水ポンプ５３の駆動により、供給水５１が水供給管５５を介してスタティックミキサ４５に供給されると、供給水はスタティックミキサ４５内で窒素と混合されながら上方へ移行し、排出口６１から密封チャンバ４３内へ排出される。スタティックミキサ４５内で供給水と窒素とが混合されることにより、供給水内の酸素は供給水中から抽出され、密封チャンバ４３の気相６３に酸素含有窒素ガスとして一旦滞留する。気相６３内の気体は脱気ポンプ７１により外部へ排出されるため気相６３内の圧力が低下し、密封チャンバ４３内に溜まった供給水の表面から、供給水内に残存する酸素がさらに気相６３内に脱して脱気されていく。このようにして、密封チャンバ４３内には脱酸素水が貯留された状態となる。
【００３２】
密封チャンバ４３内に貯留された脱酸素水は、送水ポンプ７７によって脱酸素水供給管７５ａを介してロッド１４の上端へ及び脱酸素水供給管７５ｂを介して脱酸素水作業室３５へ供給される。そしてロッド１４の上端へ供給された脱酸素水は掘削工程において以下のように使用される。
【００３３】
３重管式に脱酸素水を適用する工程では、ロッド１１（図２（ａ））を回転させ、ビット９の掘削作用により所定深さの孔を掘削する。サンプリングする深さまで掘削したら、包装部１９を備えたインナーチューブ１７をロッド１４内に入れ込み、図４（ｂ）に示すようにロッド１４を継ぎ足して、その上端に駆動部２１を接続する。
【００３４】
この状態でインナーチューブ１７を再び駆動させて更に深く掘削する。このときロッド１４の上端へ供給された脱酸素水が供給ノズル８３（図２参照）からロッド１４内へ供給され、図２（ｂ）中、矢印で示すように、インナーチューブ１７とロッド１４の内壁との間を通った後、ビット９を介してロッド１４の外側へ回り込み、ロッド１４の外面に沿って上昇し、最終的に貯水槽３３内へ排出される。
【００３５】
インナーチューブ１７へ連続的に脱酸素水が供給されることにより、コアサンプルの周囲は微酸素状態となり、コアサンプルの酸素汚染が防止される。またビット周辺への脱酸素水の連続供給により、ビット９が冷却され、円滑な掘進をもたらすという付随的効果もある。
【００３６】
掘削中に、インナーチューブ１７内に備えられた包装部１９内には、微酸素環境下でコアが入り込むため、コアが酸素に触れることはない。次に図４（Ｃ）に示すように、インナーチューブ１７の把持部２５上端近くの通称空気抜き孔をシールして気密な状態にした後、把持部２５をワイヤ２９の先端に設けられたラッチで把持し、包装部１９内に採取されたコアを含むインナーチューブ１７を貯水槽３３まで吊り上げる（図５中、インナーチューブ１７を吊り上げた状態を参照）。
【００３７】
一方、送水ポンプ７７によって脱酸素水作業室３５へ脱酸素水が供給されており、また脱酸素剤４１が存在することにより、脱酸素水作業室３５は微酸素環境に維持されている。インナーチューブ１７が貯水槽３３まで吊り上げられたら、蓋部３７を開け、インナーチューブ１７を脱酸素水作業室３５内へ移行して、図５に示すように寝かせた状態とする。この状態から脱酸素水中でインナーチューブ１７からコアを取り出し、コアを空気中で取り扱っても酸素汚染されないように完全な包装をする。完全包装が完了したらコアを微酸素水中から取り出し、コアの採取が完了する。
【００３８】
尚、図示しないが、送水ポンプ７７の下流側に懸濁不活性ガス気泡水生成装置を配置し、１気圧における不活性ガスの気泡と脱酸素水との容積比が５：１〜１：３となるように脱酸素水を不活性ガスと混合して懸濁気泡水を生成し、これをロッド１４の上部から脱酸素水に代えて供給するようにしてもよい。このような懸濁気泡水は孔壁、孔底でのボイリングがなく、コアサンプルの流出や孔を壊すこともない。また地下水脈の流水が多いところでも懸濁気泡水の泡が消えることがなく、懸濁気泡水の泡が上昇してくるときに急激に膨張して孔の壁を壊すこともない。更に懸濁気泡水の潤滑性により、円滑な掘進が可能となり、ビット先端部において適度の気泡を発生してビットを冷却するとともに、掘削に伴い発生するスライムを気泡に付着させて排出することが可能となる。
【００３９】
供給水には、原位置の地下水を使用することが、地下環境に対する攪乱をさけることから厳密であるが、現地の状況によっては、沢水、水道水を使用しても最使えない。
【００４０】
掘削施工の全深度にわたり、経費の都合等により脱酸素水を使用したボーリングによるコア採取を必要としない場合には、窒素等の不活性ガスの使用に代えて、空気を使用することは容易であり、また礫質あるいは破砕岩と砂・粘土等の混在する地層では、微粒気体混合水を、脱酸素水を使用したコア採取工法との間で、相互に切り替えて使用する等の施工が、迅速に且つ円滑に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコア採取ボーリングシステムの全体構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）は３重管式を適用した場合の脱酸素水の流通経路を示す説明図であり、（ｂ）は２重管式を適用した場合の脱酸素水の流通経路を示す説明図である。
【図３】本発明で使用可能なビットの例で、ビット先端部（ボーリング穴底面）を経て、供給、排出される脱酸素水の流通経路を示すビット周辺の拡大図である。
【図４】３重管式を適用してロータリーパーカッション・ワイヤライン工法により、コアを採取する工程を段階的に示す説明図である。
【図５】微酸素環境作業部を示す側断面図である。
【図６】脱酸素水生成装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ コア採取ボーリングシステム
３ 掘削機
５ 脱酸素環境作業部
７ 脱酸素水生成装置
９ ビット
１０ 自走式車両
１１ インナーロッド
１３ ケーシングビット
１４ ロッド
１５ ケーシング
１７ インナーチューブ
１９ 包装部
２１ 駆動部
２３ ヘッド
２５ 把持部
２７ 懸吊機構
２９ ワイヤ
３１ 掘削孔
３３ 貯水槽
３５ 脱酸素水作業室
３７ 蓋部
３９ 脱酸素水供給パイプ
４１ 脱酸素剤
４３ 密封チャンバ
４５ スタティックミキサ
４７ 水供給口
４９ 不活性ガス供給口
５１ 供給水
５３ 送水ポンプ
５５ 水供給管
５７ 窒素ボンベ
５９ 不活性ガス供給管
６１ 排出口
６３ 気相
６５ 窒素混合水供給口
６７ 窒素混合水供給経路
６９ 脱気管
７１ 脱気ポンプ
７３ 脱酸素水供給口
７５、７５ａ、７５ｂ 脱酸素水供給管
７７ 送水ポンプ
７９ 調節弁
８１ 調節弁
８３ 供給ノズル
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質調査や水文地質調査用のコアを採取するためと調査ボーリング孔掘削のためのコア採取ボーリングシステム及びコア採取ボーリング方法に関するものであり、特に、コアの酸素汚染を防止するために微酸素環境でのコア採取を実現するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力施設の立地・設計における環境安全事前評価用のコアとしては、酸素汚染のないものを採取する必要がある。また、一般環境調査においても、地下水汚染の原因とされるクローム、砒素、マンガン等は、酸化によって化合物（イオン）の形が異なってしまうため、酸素存在下において採取されたコアサンプルでは、高精度な環境調査を行うことができない。
【０００３】
更に地下微生物調査においては、嫌気性・好気性の別を問わず、試料採取に伴う地下環境中の酸素濃度あるいは有機物濃度に対する撹乱を避けなければ、高精度の試料採取・環境調査を行うことができない。このため、試料に対する還元剤の添加や水素添加によって還元的雰囲気を再現しようという努力は、無益であるばかりか、試験・調査に対して有害である。
【０００４】
そこでコアサンプルを低酸素環境下においてボーリングにより採取するため、昇温脱気システムが考えられてきた。即ち、このシステムは、水を加熱して密封チャンバ内に供給し、密封チャンバの上部に位置する気層から気体を強制脱気することにより、一定の温度で一定量の液体に溶解する気体の量はその気体の圧力（分圧）に比例するというヘンリーの原則を利用して、水に溶存する酸素を気相に追い出して低酸素水を作成し、この低酸素水をビット付きのロッド内へ圧送してコアサンプル周辺を低酸素環境にするというものである。
【０００５】
このような方法では、水温をある程度高めに上昇させないと、水中に溶存している酸素を十分に取り除くことができず、しかも１００°Ｃにおいてすら酸素は水に対する溶解度から、常温に比較して３分の１量に低減するに留まっている。更にこれを実現するためには、大量の水を、高めの水温になるように加熱するのに大量のエネルギーを必要とするため、コスト高になってしまう。
【０００６】
また密封チャンバ内から温水を下流側に送水ポンプで送る際に、送水ポンプの上流側で気泡を生じがちであるため、キャビテーションの問題が生じる。従って、これを防止するために送水ポンプを密封チャンバに対して相対的に低い位置に設置しなければならず、そのための設備設置にも追加の費用と時間が掛かるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、上記の昇温脱気システムよりも経済的に且つ脱気効率の優れたコア採取ボーリングシステム、脱酸素水生成装置及びコア採取ボーリング方法を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するため、本発明の第１の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機と、密封チャンバと、水と不活性ガスとを高速で分散混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置と、前記高速気液混合器から密封チャンバ内へ排出された脱酸素水を前記ロッド内へ供給する手段とを備えることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第１の態様によれば、高速気液混合器内で水に不活性ガスが微粒状に分散混合され、この結果不活性ガスが水中に溶存している酸素を不活性ガス中に抽出し、抽出酸素を含む微粒状の分散窒素混合水が密封チャンバ内に排出されるときに、抽出された酸素は窒素と共に密封チャンバ内の気相に溜まる。気相内の気体は脱気装置により外部へ脱気されるので、気相内は減圧され、この結果、密封チャンバ内の混合水の表面から未だ水中に残存している酸素が更に気相内に脱離し、外部へ脱気される。このようにして形成された脱気水は、ロッドの内側へ供給されることでインナーチューブの周囲は微酸素環境となり、コアの酸素汚染が防止される。
【００１０】
また、本発明の第２の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１の態様において、前記不活性ガスは窒素であることを特徴とするものである。
また、本発明の第３の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１または２の態様において、前記高速気液混合器はスタティックミキサであることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の第４の態様に係るコア採取ボーリングシステムは、上記第１〜第３のいずれかの態様において、前記高速気液混合器には、不活性ガスが微粒に分散混合された水を密封チャンバ内へ排出することなく、直接に前記ロッド内へ供給するための不活性ガス混合水供給口が形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の脱酸素水生成装置は、掘削機の管状ロッド内へ供給する脱酸素水を生成する装置であって、密封チャンバと、水と不活性ガスとを高速で混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のコア採取ボーリング方法は、先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機を準備する工程と、高速気液混合器を使用して水と不活性ガスとを高速で混合して、水に懸濁または溶存する酸素を水から追い出した脱酸素水を密封チャンバ内へ排出する工程と、前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する工程と、前記密封チャンバ内の脱酸素水を、前記ロッド内へ圧送しながら、前記掘削機による掘削を行う工程とを備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また、上記コア採取ボーリング方法では、前記不活性ガスを窒素、アルゴン、ヘリウムとすることができる。後に述べるように、本願特許の実施態様中で、上記窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスに、水素あるいは二酸化炭素を添加して使用することも可能であるが、施工以前の地下環境に存在しなかったガスの添加は、地下の化学的、生物学的環境を損なうので、無益であるばかりか、厳密な試料採取・調査にとって有害である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１中、符号１は本発明に係るコア採取ボーリングシステムを示し、このシステム１は、大きく分けて掘削機３と、脱酸素環境作業部５と、脱酸素水生成装置７とを備えている。
【００１６】
掘削機３は、図２（ａ）に示す３重管式または図２（ｂ）に示す２重管式の構造を備えている。３重管式は沖積層のように孔壁が自立しない場合に使用され、２重管式は孔壁が自立する深度以深で使用するのが一般的である、また地表より洪積層や三紀層が出現するような場合には２重管式を適用した掘削機を使用する。図２（ａ）に示す３重管式を適用する場合には、先端にビット９を有するインナーロッド１１と、該インナーロッド１１の外側に位置し先端にケーシングビット１３を備えるケーシング１５と、インナーロッド１１の内側下端に設けられたインナーチューブ１７と、インナーチューブ１７の内側下端に設けられ、その内側にコアを収納することができる包装部１９（図３参照）とを備えている。包装部１９は、採取直後のコアを周囲の環境から隔離された状態で包装することができるものであり、例えば、ビニルスリーブやアクリルパイプなどを用いることができる。またビットとしては、ダイモンモンドビットやメタルクラウンを使用することができる。
【００１７】
インナーロッド１１及びケーシング１５には駆動部２１が接続されており、該駆動部２１はインナーロッド１１及びケーシング１５を回転駆動する。このような構造により高速回転でインナーロッド１１及びケーシング１５を駆動することができる。この場合、ビットの給圧・回転数を変更する工程を備えるようにしてもよい。
【００１８】
一方、図２（ｂ）に示す２重管式では、自立性のない地層の掘削時以外ではケーシング１５に相当する部材を使用せず、ロッド１４と、ロッド１４の内側下端に設けられたインナーチューブ１７と、インナーチューブ１７の内側下端に設けられ、その内側にコアを収納することができる包装部１９とを備えている。２重管式の場合にはロッド１４が駆動部２１に接続されており、３重管の場合同様に、該駆動部２１によりロッド１４が回転駆動する。なお、包装部１９は、３重管式と同様な機能を有する。
【００１９】
次に脱酸素環境作業部５は、図５に示すように、掘削孔３１を取り囲むように貯水槽３３を備えており、貯水槽３３内には供給水が一定の水位まで溜められている。また貯水槽３３内には閉鎖時に内部が気密可能となる脱酸素水作業室３５が設けられており、脱酸素水作業室３５の上部には、脱酸素水作業室３５を作業中できる限り気密状態に保つために大部分または全てを閉鎖可能な蓋部３７が設けられている。この蓋部３７の部分的な開閉により、採取したコアを脱酸素水作業室３５内に収納し、あるいは取り出すことが可能である。脱酸素水作業室３５内には、後述する脱酸素水生成装置７から供給される脱酸素水を脱酸素水作業室３５に供給するための脱酸素水供給パイプ３９が敷設されていると共に、脱酸素水作業室３５内の底壁及び周囲壁には、脱酸素水作業室３５内の水に残存する酸素を確実に取り除くための脱酸素剤４１が設けられている。
【００２０】
このように脱酸素水作業室３５は、蓋部３７を閉鎖し、脱酸素水供給パイプ３９から脱酸素水を供給することにより、内部が脱酸素水で満たされた環境を作り出すことができる。脱酸素水作業室３５は、上述の掘削機３により微酸素環境で採取したコアサンプルをインナーチューブから取り出し、気密性容器で完全包装するまでの作業を行うための部屋である。脱酸素水作業室３５での作業については後述する。
【００２１】
次に脱酸素水生成装置７は図６に示すように、密封チャンバ４３内に高速気液混合器として機能するスタティックミキサ４５を備えている。本発明で使用するスタティックミキサは、上下方向に延びる筒体の中にワイヤブラシや金属たわしのように細長い金属片、金属繊維片等を塊状にした泡分裂要素が収容されている。そして筒体の下方から不活性ガスと供給水とを混合した状態で供給したときに、不活性ガスが微粒に分散した混合水が上方へ移動し、気体の大きな泡が泡分裂要素間を通過するときに、小さな泡に分裂する過程で生じる渦流等の撹拌効果により不活性ガスと供給水とを混合する作用をなすものである。このようにスタティックミキサは撹拌のために何の動力も使用することなく、水に窒素を混合し、酸素抽出を行わせることができる。
【００２２】
スタティックミキサ４５の下端付近には、水供給口４７と不活性ガス供給口４９とが形成されており、水供給口４７には供給水５１を送水ポンプ５３によりスタティックミキサ４５に供給するための水供給管５５が接続されている。一方、不活性ガス供給口４９には、窒素ボンベ５７から窒素をスタティックミキサ４５に供給するための不活性ガス供給管５９が接続されている。
【００２３】
本実施の形態では不活性ガスとして窒素を使用しているが、例えばアルゴン、ヘリウム、ネオン等を使用することも可能であり、地下環境の変化を厭わなければ、水素、炭酸ガス等の不活性ガスを窒素等に混合して使用することも可能である。
【００２４】
スタティックミキサ４５の上部には、窒素及び水が混合されたもの（窒素が微粒状態で分散したもの）を密封チャンバ４３内に排出する排出口６１が形成されている。排出口６１は、密封チャンバ４３内の水位より上方に形成される気相６３内に位置決めされている。またスタティックミキサ４５の頂部には微粒分散した不活性ガスの混合水供給口に相当する窒素混合水供給口６５が形成されており、この供給口は弁（図示せず）により必要に応じて開閉可能となっている。この弁が閉鎖されているときには窒素が微粒分散した窒素混合水は排出口６１から密封チャンバ４３内に排出され、弁の開放されたときには窒素混合水供給口６５から窒素混合水供給経路６７を経て、窒素混合水を掘削機３で使用することができる。
【００２５】
密封チャンバ４３内の気相６３には脱気管６９の一端側が開口しており、この脱気管６９の途中に設けられた脱気ポンプ７１により、気相６３内の気体を強制的に密封チャンバ４３の外部へ脱気できるようになっている。
【００２６】
密封チャンバ４３内の水位よりも低い位置には脱酸素水供給口７３が形成されており、脱酸素水供給口７３に接続する脱酸素水供給管７５の途中には送水ポンプ７７が設けられている。送水ポンプ７７により送り出される脱酸素水は、それぞれ脱酸素水供給管７５、７５ａ、脱酸素水供給管７５、７５ｂ（図１参照）を介してロッド１４の上端及び脱酸素水作業室３５へ供給可能である。各脱酸素水供給管７５ａ、７５ｂには調節弁７９、８１が設けられ、各脱酸素水供給管での流量を調節可能としている。
【００２７】
尚、上記実施の形態ではスタティックミキサ４５が密封チャンバ４３内に収容されているが、スタティックミキサ４５を密封チャンバ４３の外に置き、排出口６１を密封チャンバ４３の側壁等に接続する構成を採用しても良い。
【００２８】
３重管式を適用する場合には、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように自走式車両１０に付属したロータリーパーカッション掘削機を使用することができる。インナーチューブ１７の上端にはヘッド２３が形成されており、該ヘッド２３には把持部２５が形成されている。掘削機３に設けられた懸吊機構２７から延びるワイヤ２９の先端に接続されたラッチで把持部２５を把持することで、コアの入った包装部１９を備えたインナーチューブ１７を吊り上げて採取することができる。
【００２９】
以上が本発明のコア採取ボーリングシステム１及び脱酸素水生成装置７の構成であり、以下、本発明のコア採取ボーリングシステムを使用してコアを採取する工程について説明する。
【００３０】
図２（ａ）に示すように、掘削機は軟弱地層では３重管式を使用して掘削を行い、次いで孔壁が自立するような地層では、図２（ｂ）に示すように２重管式を使用して掘削するなど、両方式を適宜併用できる。即ち地山が表層で軟柔な場合には３重管式を先ず使用し、次いで掘進とともに地山の自立性が向上するに従い、２重管ケーシング併用方式へ移行し、地山あるいは岩盤がしっかりしている地層では（もはやケーシングを併用せず）２重管式を適用する。
【００３１】
まず脱酸素水を生成するために送水ポンプ５３、７７及び脱気ポンプ７１を駆動状態とし、併せて窒素ボンベ５７の弁を開放して窒素をスタティックミキサ４５内へ供給する。尚、本例では窒素混合水供給口６５のバルブは閉鎖する。送水ポンプ５３の駆動により、供給水５１が水供給管５５を介してスタティックミキサ４５に供給されると、供給水はスタティックミキサ４５内で窒素と混合されながら上方へ移行し、排出口６１から密封チャンバ４３内へ排出される。スタティックミキサ４５内で供給水と窒素とが混合されることにより、供給水内の酸素は供給水中から抽出され、密封チャンバ４３の気相６３に酸素含有窒素ガスとして一旦滞留する。気相６３内の気体は脱気ポンプ７１により外部へ排出されるため気相６３内の圧力が低下し、密封チャンバ４３内に溜まった供給水の表面から、供給水内に残存する酸素がさらに気相６３内に脱して脱気されていく。このようにして、密封チャンバ４３内には脱酸素水が貯留された状態となる。
【００３２】
密封チャンバ４３内に貯留された脱酸素水は、送水ポンプ７７によって脱酸素水供給管７５ａを介してロッド１４の上端へ及び脱酸素水供給管７５ｂを介して脱酸素水作業室３５へ供給される。そしてロッド１４の上端へ供給された脱酸素水は掘削工程において以下のように使用される。
【００３３】
３重管式に脱酸素水を適用する工程では、ロッド１１（図２（ａ））を回転させ、ビット９の掘削作用により所定深さの孔を掘削する。サンプリングする深さまで掘削したら、包装部１９を備えたインナーチューブ１７をロッド１４内に入れ込み、図４（ｂ）に示すようにロッド１４を継ぎ足して、その上端に駆動部２１を接続する。
【００３４】
この状態でインナーチューブ１７を再び駆動させて更に深く掘削する。このときロッド１４の上端へ供給された脱酸素水が供給ノズル８３（図２参照）からロッド１４内へ供給され、図２（ｂ）中、矢印で示すように、インナーチューブ１７とロッド１４の内壁との間を通った後、ビット９を介してロッド１４の外側へ回り込み、ロッド１４の外面に沿って上昇し、最終的に貯水槽３３内へ排出される。
【００３５】
インナーチューブ１７へ連続的に脱酸素水が供給されることにより、コアサンプルの周囲は微酸素状態となり、コアサンプルの酸素汚染が防止される。またビット周辺への脱酸素水の連続供給により、ビット９が冷却され、円滑な掘進をもたらすという付随的効果もある。
【００３６】
掘削中に、インナーチューブ１７内に備えられた包装部１９内には、微酸素環境下でコアが入り込むため、コアが酸素に触れることはない。次に図４（Ｃ）に示すように、インナーチューブ１７の把持部２５上端近くの通称空気抜き孔をシールして気密な状態にした後、把持部２５をワイヤ２９の先端に設けられたラッチで把持し、包装部１９内に採取されたコアを含むインナーチューブ１７を貯水槽３３まで吊り上げる（図５中、インナーチューブ１７を吊り上げた状態を参照）。
【００３７】
一方、送水ポンプ７７によって脱酸素水作業室３５へ脱酸素水が供給されており、また脱酸素剤４１が存在することにより、脱酸素水作業室３５は微酸素環境に維持されている。インナーチューブ１７が貯水槽３３まで吊り上げられたら、蓋部３７を開け、インナーチューブ１７を脱酸素水作業室３５内へ移行して、図５に示すように寝かせた状態とする。この状態から脱酸素水中でインナーチューブ１７からコアを取り出し、コアを空気中で取り扱っても酸素汚染されないように完全な包装をする。完全包装が完了したらコアを微酸素水中から取り出し、コアの採取が完了する。
【００３８】
尚、図示しないが、送水ポンプ７７の下流側に懸濁不活性ガス気泡水生成装置を配置し、１気圧における不活性ガスの気泡と脱酸素水との容積比が５：１〜１：３となるように脱酸素水を不活性ガスと混合して懸濁気泡水を生成し、これをロッド１４の上部から脱酸素水に代えて供給するようにしてもよい。このような懸濁気泡水は孔壁、孔底でのボイリングがなく、コアサンプルの流出や孔を壊すこともない。また地下水脈の流水が多いところでも懸濁気泡水の泡が消えることがなく、懸濁気泡水の泡が上昇してくるときに急激に膨張して孔の壁を壊すこともない。更に懸濁気泡水の潤滑性により、円滑な掘進が可能となり、ビット先端部において適度の気泡を発生してビットを冷却するとともに、掘削に伴い発生するスライムを気泡に付着させて排出することが可能となる。
【００３９】
供給水には、原位置の地下水を使用することが、地下環境に対する攪乱をさけることから厳密であるが、現地の状況によっては、沢水、水道水を使用しても最使えない。
【００４０】
掘削施工の全深度にわたり、経費の都合等により脱酸素水を使用したボーリングによるコア採取を必要としない場合には、窒素等の不活性ガスの使用に代えて、空気を使用することは容易であり、また礫質あるいは破砕岩と砂・粘土等の混在する地層では、微粒気体混合水を、脱酸素水を使用したコア採取工法との間で、相互に切り替えて使用する等の施工が、迅速に且つ円滑に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコア採取ボーリングシステムの全体構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）は３重管式を適用した場合の脱酸素水の流通経路を示す説明図であり、（ｂ）は２重管式を適用した場合の脱酸素水の流通経路を示す説明図である。
【図３】本発明で使用可能なビットの例で、ビット先端部（ボーリング穴底面）を経て、供給、排出される脱酸素水の流通経路を示すビット周辺の拡大図である。
【図４】３重管式を適用してロータリーパーカッション・ワイヤライン工法により、コアを採取する工程を段階的に示す説明図である。
【図５】微酸素環境作業部を示す側断面図である。
【図６】脱酸素水生成装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ コア採取ボーリングシステム
３ 掘削機
５ 脱酸素環境作業部
７ 脱酸素水生成装置
９ ビット
１０ 自走式車両
１１ インナーロッド
１３ ケーシングビット
１４ ロッド
１５ ケーシング
１７ インナーチューブ
１９ 包装部
２１ 駆動部
２３ ヘッド
２５ 把持部
２７ 懸吊機構
２９ ワイヤ
３１ 掘削孔
３３ 貯水槽
３５ 脱酸素水作業室
３７ 蓋部
３９ 脱酸素水供給パイプ
４１ 脱酸素剤
４３ 密封チャンバ
４５ スタティックミキサ
４７ 水供給口
４９ 不活性ガス供給口
５１ 供給水
５３ 送水ポンプ
５５ 水供給管
５７ 窒素ボンベ
５９ 不活性ガス供給管
６１ 排出口
６３ 気相
６５ 窒素混合水供給口
６７ 窒素混合水供給経路
６９ 脱気管
７１ 脱気ポンプ
７３ 脱酸素水供給口
７５、７５ａ、７５ｂ 脱酸素水供給管
７７ 送水ポンプ
７９ 調節弁
８１ 調節弁
８３ 供給ノズル
Claims (7)
- 先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機と、
密封チャンバと、
水と不活性ガスとを高速で分散混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、
前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置と、
前記高速気液混合器から密封チャンバ内へ排出された脱酸素水を前記ロッド内へ供給する手段とを備えることを特徴とするコア採取ボーリングシステム。 - 請求項１において、前記不活性ガスは窒素であることを特徴とするコア採取ボーリングシステム。
- 請求項１または２において、前記高速気液混合器はスタティックミキサであることを特徴とするコア採取ボーリングシステム。
- 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記高速気液混合器には、不活性ガスが微粒に分散混合された水を密封チャンバ内へ排出することなく、直接に前記ロッド内へ供給するための不活性ガス混合水供給口が形成されていることを特徴とするコア採取ボーリングシステム。
- 掘削機の管状ロッド内へ供給する脱酸素水を生成する装置であって、
密封チャンバと、
水と不活性ガスとを高速で混合し、前記密封チャンバ内へ排出する高速気液混合器と、
前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する脱気装置とを備えることを特徴とする脱酸素水生成装置。 - 先端にビットを備えた回転可能な管状のロッド、該ロッドの内側下端に配置されるインナーチューブ、及び前記ロッド内へ圧送された脱酸素水が前記ロッドの内側から該ロッドの内面と前記インナーチューブの外面との間を通過し、前記ロッドの先端を介して前記ロッドの外面に沿って地上に排出される経路を備える掘削機を準備する工程と、
高速気液混合器を使用して水と不活性ガスとを高速で混合して、水に懸濁または溶存する酸素を水から追い出した脱酸素水を密封チャンバ内へ排出する工程と、
前記密封チャンバ内の気相に溜まっている気体を密封チャンバの外部へ強制的に排出する工程と、
前記密封チャンバ内の脱酸素水を、前記ロッド内へ圧送しながら、前記掘削機による掘削を行う工程とを備えることを特徴とするコア採取ボーリング方法。 - 請求項６において、前記不活性ガスは窒素であることを特徴とするコア採取ボーリング方法。
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