JP4792506B2

JP4792506B2 - 削岩時の方法及び装置

Info

Publication number: JP4792506B2
Application number: JP2008541106A
Authority: JP
Inventors: ペアーソン，ラルス
Original assignee: アトラスコプコロツクドリルスアクチボラグ
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-11-07
Also published as: NO333463B1; SE529285C2; CN101310092B; JP2009516110A; NO20082654L; EP1948901A4; WO2007055637A1; SE0502497L; EP1948901A1; US7740060B2; CN101310092A; US20090107727A1

Description

本発明は、削岩用穿孔装置に使用するスラックオフ装置、削岩用穿孔装置、及び特に削岩時における穿孔ロッドのスラックオフを簡単化するようにした、穿孔装置で削岩する際のネジ継手のスラッキング方法に関する。

穿孔ロッドは、通常一端に雄ネジを備え、他端に雌ネジを備えたロッドである。通常の穿孔ロッドは長さ６ｍであるが、約１０ｍまでのばすことができる。穿孔ロッドにおける雄ネジをネジ継手により隣接した穿孔ロッドにおける雌ネジに捩じ込むことによって連結される多数の穿孔ロッドは、通常５０ｍ〜１００ｍの長さのドリルストリングを形成する。ドリルストリングの一端部には、ビットが設けられ、打撃し回転しながら岩盤に穿孔する。ドリルストリングの他端部はシャンクアダプタを介して駆動装置に連結される。動作時にはドリルストリングは、ドリルストリングの突出する穿孔装置に設けられる駆動装置によって打撃し回転される。ドリルストリングの殆どが岩盤内へ穿孔していくと、ドリルストリングは、シャンクアダプタからドリルストリングをスランキングし、そしてシャンクアダプタ及びドリルストリングの他端部に別の穿孔ロッドを捩じ込むことにより、一度に一本の穿孔ロッド分長くされる。

ドリルストリングに高いトルクを掛けて穿孔する際には、ドリルストリングのネジ継手はしばしば強く締付けられる。これらのトレッド継手をスラッキングできるようにするために、打撃装置は、穿孔作業の完了後、スランキングすべき第１のトレッド継手すなわちシャンクアダプタを最も近接した穿孔ロッドに連結するネジ継手を振って緩めるように軸線方向にドリルストリングに打撃を加え続けるようにできる。これにより穿孔装置、送りビーム、削岩機及び穿孔スチールに大きな負荷がかかることになる。さらに、シャンクアダプタに最も近い穿孔ロッドがスラックオフすることは確かではないが、岩盤内にある別のロッド継手がスラックオフする。従って、特に穿孔すなわち穿孔が岩盤に対して下向きに行われ、ドリルストリングが重力の影響を受ける場合に、ドリルストリングの部品が失われる危険がある。これは、ドリルストリングをスラックオフするために逆回転時に大きなトルクを必要とする時間の無駄となる作業である。

ＷＯ０２０１０４１には、穿孔装置において穿孔鋼における継手を緩める方法が記載されている。スラッキング時に、穿孔鋼及び継手において打撃装置からの圧力は前述のように穏かな軸方向衝撃を受ける。穿孔鋼は回転と同期して保持される。

ＷＯ０３／０３３８５８には、打撃ヘッドを備えた打撃装置が示されており、かかる打撃装置は、スラッキングオフ時に二つの連結した穿孔ロッド間のトルクを低減するようにされる。打撃装置は、手動で回されて穿孔ロッドを緩めるようにし、また作業者が穿孔ロッドのまわりに手動で締付けるようにされる。打撃装置は連結した穿孔ロッドのまわりに二つの直径上異なる方向から締付ける。この操作は、コイルバネによって打撃装置における各打撃ヘッドに対して連結した穿孔ロッドに押圧する打撃装置におけるトランスファーアームによって行われる。打撃ヘッドすなわち締付けポイントの一つは、継手に対して又は継手に近接して半径方向打撃力で打撃し、継手における変形により生じる張力を低減する。穿孔鋼は相対的に回転され、それにより取外される。これは、手動で取り扱われなければならない複雑な装置である。さらに、締付けポイントの一つが打撃ポイントであるので、安定性を達成するのは困難であり、このことは、打撃ヘッドが戻り工程にある時に及び新たな打撃がなされるまで、締付け力が減少することを意味している。このことはまた、特に穿孔作業が岩盤に対して下向に行われ、重力の影響を受ける場合に、ドリルストリングの部品が落下する危険を意味している。

従って、本発明の目的は、単純であり、安定性が高く、しかも自動化に適しているスラックオフ装置を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、岩盤の穿孔する穿孔装置に用いるスラックオフ装置によって達成される。穿孔装置は、ネジ継手によってドリルストリングを連結するようにされる削岩機を備えている。ドリルストリングは任意の数のドリルロッドから成り、これらのドリルロッドはネジ継手によって互いに連結するようにされる。穿孔装置はまたドリルストリングを順方向及び逆方向に回転させる駆動装置を備えている。スラックオフ装置は、ドリルストリングを締付けるように構成した締付け装置と、逆回転において前記ネジ継手の任意の第１のネジ継手において主として７５°〜１０５°の長手方向に向かう角度で打撃するようにされた別個の打撃装置とを備え、第１のネジ継手のスラッキングを行うようにネジを緩める回転方向においてドリルストリングにおける押圧トルクが得られる。

本発明によれば、この目的はまた、岩盤の穿孔する穿孔装置によって達成される。この穿孔装置は、ネジ継手によってドリルストリングを連結するようにする削岩機を備えている。ドリルストリングはまた、任意の数のドリルロッドから成り、これらのドリルロッドはネジ継手によって互いに連結するようにされる。穿孔装置は、ドリルストリングを順方向及び逆方向に回転させる駆動装置及び前記の特徴をもつスラックオフ装置を備えている。

本発明によれば、この目的はまた、ドリルストリングにより岩盤に穿孔している際にネジ継手を緩めるスラッキング方法によって達成される。該方法は、締付け装置によってドリルストリングを締付け、スラッキングすべき第１のネジ継手の領域でドリルストリングに打撃装置で打撃し、そしてドリルストリングをトレッドスラッキング回転方向に動かすことを含む。

スラックオフ装置は締付け装置及び別個の打撃装置を備えているので、締付け装置は一つの位置でドリルストリングのまわりを締付け、そして打撃装置は別の位置においてドリルストリングに打撃する。このことは、ネジ継手をスラックオフするためドリルストリングを打撃する際の安定性が高められ、装置が相対的に単純でありかつ自動化に十分に着て往されると同時に、ドリルストリングの落下の危険が減少されるということを意味している。

本発明の複数の実施形態について以下説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明による削岩用穿孔装置２を示している。穿孔装置２は削岩機４を備え、削岩機４は、通常の仕方で少なくとも送りビーム８に沿って可動であるキャリジ６に設けられている。従って削岩機４は送りビーム８に沿って順方向及び逆方向に可動である。

削岩機４にはドリルストリング１０が連結される。ドリルストリング１０は任意の数のドリルストリング１２、１４、１６から成っている。代表的なドリルロッドは長さ６ｍであるが、より短くても約１０ｍまでのばしてもよい。代表的なドリルストリングの直径は約３８〜８７ｍｍである。ドリルストリング１０はまたその一端にシャンクアダプタ１８を備え、他端にはドリルビット２０を備え、さらに中間にはドリルストリング１２、１４、１６が設けられている。シャンクアダプタ１８の一端は、削岩機４に連結され、またその他端はネジ継手においてドリルロッド１２に連結されている。ドリルストリング１２、１４、１６はネジ継手により互いに連結するように構成されている。各ドリルストリング１２、１４、１６はその一端に雄ネジを備え、また他端には雌ネジを備え、それで各ドリルロッドは一側においてそれの雄ネジと別のドリルロッドの雌ネジとで互いに連結され、また他側ではそれの雌ネジと別のドリルロッドの雄ネジとで互いに連結され得る。ドリルロッド１６の他端には、ドリルビット２０がネジ継手において連結されるように構成されている。岩盤２１内にドリルストリングの殆ど全てが穿孔すると、ドリルストリング１０は、岩盤内へより深く穿孔し続けることができるようにのばされる。この操作は、シャンクアダプタ１８でドリルストリング１０をスラックオフし、そして別のドリルロッドをドリルストリング１０及びシャンクアダプタ１８にネジ込むことにより一度に一本のドリルロッドで行われる。これは、ドリルストリングが普通約５０ｍの長さから約１００ｍの長さまでのばし得ることを意味している。先行作業が完了すると、ドリルロッドは一度に一回スラッキングされる。ある共通の仕方では、ドリルロッド１２をシャンクアダプタ１８に連結するトレッド継手がまずスラッキングされ、続いて容易にスラッキングできる必要のある小さなトルクで締付けられる。その後、ドリルロッド１２をドリルロッド１４と連結する継手は送られそしてスラッキングされ、その後シャンクアダプタ１８とドリルロッド１４を接合する継手がスラッキングされて、ドリルロッド１２を外すことができる。その後、シャンクアダプタ１８は、容易にスラッキングできる必要のある小さなトルクでドリルロッド１４に捩じ込まれ、ドリルロッド１４とドリルロッド１６との間のネジ継手は、スラッ九できるように前方向へ送られる。穿孔作業時にドリルストリングを案内するために、送りビーム８の前方端部に少なくとも一つのドリル支持体２２が設けられ、このドリル支持体２２は穴２３を備え、図２ａ参照、この穴２３を通ってドリルストリング１０がのびるようにされている。削岩機４は、ドリルストリング１０の長手方向にドリルストリング１０を打撃する打撃装置（図示していない）及びドリルストリング１０を順方向及び逆方向に回転駆動する駆動装置（図示していない）を備えている。穿孔作業時の通常の回転速度は５０ｒ．ｐ．ｍ．である。可動キャリアに設けられた穿孔装置は例えば掘削装置（図示していない）である。作業者は、例えば掘削装置に設けた制御パネルによって穿孔作業を制御でき、或いは地下の穿孔時には穿孔装置に設けたビデオカメラによって撮影した穿孔装置２を示す制御パネル２による視覚スクリーンを用いて地上の制御パネルから、又は別の適当な場所における制御パネルから遠隔制御によって案内できる。

ネジ継手のスラックオフ操作は、ドリルロッド１４、１６、１８を追加してドリルストリング１０をのばす際及びドリルストリング１０のドリルロッド１４、１６、１８を外して穿孔作業を終了する際の両方において行われる。ネジ継手のスラックオフ操作を容易にするために、削岩機４は、図２ａに示す本発明によるスラックオフ装置２４を備えている。

スラックオフ装置２４は、締付け装置２５を備え、この締付け装置２５は穿孔装置２に適当な仕方で、例えば図２ａに示すようにドリル支持体２２の近傍に又はドリル支持体２２上に、送りビーム８の近傍に又は送りビーム８上に、設けられる。適当な種類のものであり得る締付け装置は例えば、少なくとも一つのコレットジョーを備えることができる。図２ａの実施形態では、締付け装置装置２５は二つのコレットジョー２６、２７を備えており、各コレットジョー２６、２７は、Ｖ字型の輪郭をもつ締付け領域を備えているが、この輪郭はまた、例えばＵ字型でもよく、或いはドリルストリング１０のまわりの良好な把持をもたらす別の外形でもよい。コレットジョー２６、２７は、例えばそれぞれのシリンダ２８、２９に設けられ得、各シリンダ２８、２９は、ドリル支持体２２に好ましくは穴２３に近接して設けたホルダー３０、３１を通ってのびている。コレットジョー２６、２７は、穴２３の各側の適当な位置に、例えば互いに対向して設けられ、それで穴２３を通るドリルストリング１０に向かって主として半径方向内方へ動いてドリルストリング１０を締付けるようにされ得る。ドリルストリング１０は有利には、スラッキングされることになる第１のネジ継手３２に近接して締付けられ得る。締付け装置２５は、適当な仕方、例えば空気圧で又は液圧で制御され、これは、ソフトウエアによって、作業者が制御パネルを用いて或いは別の仕方で自動的に行われ得る。

スラックオフ装置２４はまた、打撃装置３３を備え、この打撃装置３３は、ネジ継手を緩めることができるようにするために、ドリルストリングに加える必要のあるトルクを低減する目的で、ドリルストリングに打撃を加えるように構成されている。ネジ継手に打撃を加えることにより、該トルクは約１００００Ｎｍから約３０００〜４０００Ｎｍへ低減する。有利には、打撃装置３３はスラッキングされることになる第１のネジ継手３２の近くを、特に第１のネジ継手３２を打撃する。打撃装置３３は適当な種類のもの、例えばハンマー３５、ハンマードリル、打撃装置、打撃力を発生する偏心体でもよい。打撃装置３３は穿孔装置２に適当な位置に、例えば送りビーム８の前端部に、ドリル支持体２２又は送りビームに関連して、或いは別の仕方で、設けられる。

打撃装置３３は、例えばドリル支持体２２にネジ留めされ得、或いはドリル支持体２２に組込まれ得る。図２ａには一つの実施形態を示し、シリンダ３７内にハンマー３５が設けられ、ハンマー３５の動きをシリンダ３７で案内するようにしている。ハンマー３５は、ドリルストリング１０の長手方向に向かって主として７５°〜１０５°、好ましくは８５°〜９５°の角度で第１のネジ継手３２に打撃を加えるように構成されている。打撃装置３３は例えば一打撃当たり２０〜２００ジュール、好ましくは一打撃当たり１００ジュールの打撃エネルギー及び５Ｈｚ以上、好ましくは１０Ｈｚの打撃振動数で打撃し得る。打撃装置３３は、適当な仕方、例えば空気圧又は液圧で制御され、これは、ソフトウエアによって、作業者が制御パネルを用いて或いは別の仕方で自動的に行われ得る。

ドリルロッドのネジを緩める際にドリルストリングを保持し、またドリルストリング１０を締付け、そして打撃が加えられる際に安定性を得るために、打撃装置３３は締付け装置２５から分離している。すなわちコレットジョー２６、２７のいずれも締付け及び打撃の両方を行うことはない。代わりに、締付け装置２５は６ドリルストリング１０をある位置に締付け、それでドリルストリングは、打撃中安定に保持され、外れ落ちる危険にはない。打撃装置３３は別の位置でドリルストリング１０に打撃を加える。締付け装置２５は好ましくは、取外されることになるロッドに隣接したロッドのまわりを締付け、それで締付け装置２５はドリルストリング１０を保持でき、従ってドリルストリング１０は、スラッキングしたドリルロッドを外しながら、穿孔内の元の位置へ戻ることはない。有利には、打撃装置３３は雌ネジをもつドリルロッドの継手に打撃を加える。打撃装置３３と締付け装置２５とが共動する仕方の一例は図２ｂに示され、コレットジョー２６、２７は、有利には第１のネジ継手３２に隣接して矢印３８、３９で示す力によってドリルストリング１０を締付け、ハンマー３５は矢印４０で示す動きにより第１のネジ継手３２に打撃する。締付け装置２５はドリルストリング１０の直径上相対した側部においてドリルストリング１０に対して主として半径方向に締付け、また打撃装置３３は有利には、ドリルストリング１０の長手方向に向かって特に主として９０°の角度で第１のネジ継手３２に打撃を加える。締付け装置２５及び打撃装置３３は好ましくは、二つの装置が共にネジ継手領域、すなわちネジ継手のある領域及び該ネジ継手に隣接した領域においてドリルストリング１０を締付けかつ打撃を加え、好ましくは打撃装置が第１のネジ継手３２に打撃を加えるスペースを残してすなわちネジ継手３２に近接するように第１のネジ継手３２に近接してドリルストリング１０を締付け得るように構成される。締付け装置２５及び打撃装置３３は、異なる仕方で共動してもよく、例えば締付け方向及び打撃方向は図２ａに示すように主として互いに垂直であってもよく、或いは図２ｂに示すように打撃方向が一方のコレットジョー２６の運動方向と平行であってもよく、さらには別の適当な仕方で締付け装置２５及び打撃装置３３を共動するようにしてもよい。ドリルストリング１０に対する打撃時には、第１のネジ継手３２をスラッギングオフするために、ドリルストリングに対してネジスラッキング（緩め）回転方向に約３０００〜４０００Ｎｍのトルクが加えられる。このトルクの大きさは、穿孔時にはネジ継手に実際に相当な締付け作用を生じさせる大きなトルクがドリルストリングに加わるので、穿孔作業の完了後に、必要となる。ドリルストリング１０をのばす際、すなわちドリルストリングが比較的短い穿孔時間中に相当に締付けられた時には、上記より幾分低いトルクが必要とされる。スラッキングオフの場合のトルクは例えば図２ｂに矢印４２で示すようにドリルストリング１０を逆回転方向に駆動装置で駆動することによって得られる。

結局、穿孔時に別のドリルロッドでのばすためにドリルストリング１０のスラッキングオフ時に、又は穿孔作業の完了後に長いドリルストリングにおけるネジ継手がスラックされることになる時すなわち多数の連結したドリルロッド１２、１４、１６が分解される時には、ドリルストリング１０は有利にはネジ継手の領域内に位置され、すなわち締付け装置２５によりスラックされることになる第１のネジ継手３２に近接してドリルストリング１０を締付ける。そして打撃装置３３は好ましくは、ドリルストリング１０の同時逆回転によりスラックされることになる第１のネジ継手３２に打撃を加える。スラッキングオフ装置２４は適当な仕方、例えば空気圧又は液圧で容易に制御され得る。

図２ａには、本発明によるスラッキングオフ装置２４の一実施形態が水力学によって制御される。液体タンク４４及び液圧ポンプ４６によって液体は液圧係内を循環される。

弁４８は打撃装置３３を制御する。静止状態では、打撃装置３３が打撃していない時には弁は図２ａに示す位置すなわち位置５０にある。液圧流体は矢印５２に沿って循環し、ハンマー３５をドリルストリング１０から離れた位置におく。ハンマー３５がまさに打撃しようとする際には、弁４８は位置５４へ向かって右方へ動かされ、液体が矢印５６に沿って循環され、ハンマー３５をドリルストリング１０へ案内し、その後弁４８は位置５０へ向かって左方へ戻され、それによりハンマー３５は再びドリルストリング１０から離れる方向へ動かされる。弁４８は、ハンマーに所望の打撃振動数でドリルストリング１０に対して打撃を加えさせるような振動数で位置５０、５４の間で前後に動かされる（上記参照）。ハンマーがまさに打撃を止めようとする時には、弁は静止位置５０に位置され、ハンマーをドリルストリング１０から離れさせる。

弁５８は締付け装置２５を制御する。静止位置６０では、締付け装置２５には液体は循環しない。この状態は図２ｂに示されている。ドリルストリング１０を締付けるために、弁６０は位置６２に向かって右方へ動かされる。それにより矢印６４、６５の方向に沿って液圧流体が循環し、コレットジョー２６、２７をドリルストリング１０に当接させ、ドリルストリングを締付ける。ドリルストリング１０からコレットジョー２６、２７を外す際には、液圧流体は矢印６７、６８の方向に沿って循環し、コレットジョー２６、２７をドリルストリング１０から離れさせ、ドリルストリング１０を緩める。その後弁５８は静止位置６０へ戻され得る。

弁４８、５８は信号によって、例えば操作者によって操作される制御パネルからの電気信号及びソフトウエアによって、或いは別の適当な仕方で制御される。本発明の別の実施形態では、スラッキングオフ装置２４は空圧によって簡単な仕方で制御されるが、空気に代えて液圧流体が用いられる。

これは、削岩時におけるドリルストリングのネジ継手をスラックオフする簡単で安定した解決法を提供する。

上記の実施形態は、単に例示のためのものであり、本発明を限定するものではない。当業者に明らかなように、本発明の範囲及び意義から逸脱することなしに、上記の実施形態に対して種々の変更がなされ得る。本発明の範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、代わりに特許請求の範囲と同等のものとして見做されるべきである。

本発明による削岩用穿孔装置の概略側面図。流体力によってスラックオフ装置をどのように制御するかを示す制御系を備えた本発明によるスラックオフ装置の斜視図。本発明によるスラックオフ装置の概略側面図。

Claims

削岩用穿孔装置（２）に用いるスラックオフ装置（２４）であって、削岩用穿孔装置（２）が、ネジ継手によってドリルストリング（１０）を連結するようにされた削岩機（４）を備え、前記ドリルストリング（１０）が、ネジ継手によって互いに連結するようにされた任意の数の穿孔ロッド（１２、１４、１６）を備え、また前記削岩用穿孔装置（２）が、ドリルストリング（１０）を順方向に回転させたり逆方向に回転させたりする駆動装置を備えているスラックオフ装置において、
ドリルストリング（１０）を締付けるように構成した締付け装置（２５）と、
ドリルストリング（１０）の逆方向回転中に前記ネジ継手の任意の第１のネジ継手（３２）を、ドリルストリング（１０）の長手方向に向かって主として７５°〜１０５°の角度で打撃するように構成した別個の打撃装置（３３）と
を有し、
ネジ緩め回転方向において、ドリルストリング（１０）において押圧トルクが得られ、第１のネジ継手（３２）を緩めるように構成したこと
を特徴とするスラックオフ装置。
締付け装置（２５）が、ドリルストリング（１０）に向かって主として半径方向に締付けることを特徴とする請求項１に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）の打撃運動及び締付け装置（２５）の半径方向締付け方向が主に互いに垂直であることを特徴とする請求項１に記載のスラックオフ装置。
締付け装置（２５）が、二つの相対したサイドコレットジョー（２６、２７）を備え、各コレットジョー（２６、２７）が締付け領域を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスラックオフ装置。
締付け領域の外形がＶ字形又はＵ字形であることを特徴とする請求項４に記載のスラックオフ装置。
締付け装置（２５）が、空気圧又は油圧で制御されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）がハンマー（３５）で構成されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）が、空気圧又は油圧で制御されることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）が、ドリルストリング（１０）の長手方向に向かって主に８５°〜９５°の角度で打撃することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）が、ドリルストリング（１０）の長手方向に向かって主に９０°の角度で打撃することを特徴とする請求項９に記載のスラックオフ装置。
打撃装置（３３）が、一打撃当たり２０〜２００ジュールの打撃エネルギーで打撃することを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のスラックオフ装置。
ネジ継手によってドリルストリング（１０）を連結するようにされた削岩機（４）を有し、前記ドリルストリング（１０）が、ネジ継手によって互いに連結するようにされた任意の数の穿孔ロッド（１２、１４、１６）を備え、またドリルストリング（１０）を順方向に回転させたり逆方向に回転させたりする駆動装置を有する削岩用穿孔装置（２）において、
請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載のスラックオフ装置を有すること
を特徴とする削岩用穿孔装置。
少なくとも一つの送りビーム（８）と、送りビーム（８）に設けられた少なくとも一つの削岩機支持部材（２２）とを有し、送りビーム（８）に沿って削岩機（４）が可動であり、また削岩機支持部材（２２）に締付け装置（２５）が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の削岩用穿孔装置。
打撃装置（３３）が削岩機支持部材（２２）に設けられていることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の削岩用穿孔装置。
締付け装置（２５）が、ネジ継手の一つに近接してドリルストリング（１０）を締付けるように構成されていることを特徴とする請求項１２〜請求項１４のいずれか一項に記載の削岩用穿孔装置。
締付け装置（２５）によってドリルストリング（１０）を締付け、
スラッキングすべき第１のネジ継手（３２）の領域でドリルストリング（１０）に打撃装置（３３）で打撃し、
ドリルストリング（１０）をトレッドスラッキング回転方向に動かすこと
を特徴とする請求項１２〜請求項１５のいずれか一項に記載の削岩用穿孔装置（２）による削岩時におけるネジ継手のスラッキング方法。