JP5180082B2 - 穿孔のための方法および削岩装置 - Google Patents

Description

発明の背景

本発明は、トップハンマ式削岩装置で岩に孔をあける方法に関するものであり、削岩装置はロックドリルを含み、これにはドリルロッドが取り付けられ、その一端にはドリルビッドが取り付けられている。ロックドリルは、衝撃装置および回転式モータを含み、本方法では、ドリルロッドおよびドリルビットは回転式モータによって回転し、応力パルスを衝撃装置によってドリルロッドおよびドリルビットを経由して岩へ送って、岩を砕く。本発明はさらに、岩に孔をあける削岩装置に関するものであり、削岩装置は、トップハンマ式ロックドリルと、これに取り付けられたドリルロッドと、ドリルロッドの端部に取り付けられたドリルビットとを含み、ロックドリルは、ドリルロッドおよびドリルビットを介して岩へ応力パルスを供給する衝撃装置と、ドリルロッドおよびドリルビットを回転させる回転式モータとを含む。

各種の硬岩に関するかぎり、削岩は、いわゆるトップハンマ式削岩装置を使って行なわれる。削岩装置は、ロックドリルと、これに取り付けられた１つ以上の相互接続された部品からなるドリルロッドと、ドリルロッドの端部にある工具、すなわちドリルビットとを含む。公知の方式では、ドリルビットは固定された本体を有し、その穿孔の方向に面する表面には超硬合金ボタンが埋め込まれ、これは、衝撃装置からの応力パルスの効果によって実際の砕岩を行なう。この公知の方式は、砕岩に大きな力を要するという欠点を有し、それゆえ超硬合金ボタンは、効率的な砕岩よりも荷重持続時間の方を考慮して設計しなければならない。孔の直径が増大するにつれて、孔の底を砕くボタンの数もまた増やさなければならない。ボタン数が増加すると、ドリルビットの設計をさらに困難になる、なぜなら、ボタンには均一に負荷をかけるべきだからである。実際、各ボタンに相対的に不均一に負荷をかけると、穿孔速度は低下する。

さらに、大きな孔をあけることも困難であり、トップハンマ式削岩装置を用いたとき、最大限の孔の大きさは5.5〜６インチである。なぜなら、直径５インチの孔をあける場合で既にかなりの問題が生じているからである。公知のトップハンマ式削岩装置ではまた、砕岩に必要なエネルギー量が非常に高く、典型的には約600〜800Ｊである。現存の装置では、ドリルビットの超硬合金ボタンはきわめて高い負担にさらされる。ドリルビットが大きな力で岩に対して押されてボタンが岩の表面を摺動すると、激しい摩耗が生じ、これもボタン形状の設計に考慮しなければならない。

直径８〜10インチの大きな孔は典型的には、衝撃なしで作動し回転式円錐状ローラビットを備えたドリルビットを用いる回転式ドリルで穿孔される。これらは、岩の破壊に極めて大きな静的力を必要とするという問題を有する。したがって、これらのいわゆる回転式穿孔装置は重く、頑丈な基部を必要とする。

発明の簡単な説明

本発明の目的は、以前より効率的な削孔が可能で、トップハンマ式削岩装置が経済的かつ効率的に穿孔できる孔の寸法を現在の可能な寸法と比較して増すことが可能な削岩方法および装置を提供することである。

本発明の方法は、使用するドリルビットが円錐状ローラビットであり、衝撃装置は、ドリルビットの負荷係数が少なくとも0.075になるような高い周波数で低い振幅の応力パルスを出力することを特徴とする。

本発明の削岩装置は、ドリルビットが円錐状ローラビットであり、衝撃装置は、ドリルロッドおよびドリルビットを介して、ドリルビットの負荷係数が少なくとも0.075になるような高い周波数で低い振幅の応力パルスを岩に供給するように構成されていることを特徴とする。

本発明の基本思想は、トップハンマ式削岩装置は工具として円錐状ローラビットを使用することである。本発明の別の基本思想は、穿孔に、ドリルビットの負荷係数が大きい、少なくとも0.075となるような高い周波数で生成される低振幅の応力パルスを利用することである。

本発明は、トップハンマ式による穿孔に現在使用されてきた方式と比較して、ボタンにかかる負荷が減少するという利点を有する。同様に、給送力は、現在回転穿孔で必要な給送力よりかなり小さい。応力パルスの振幅が小さいので、穿孔に使われるロッド装置は、剛性、フラッシングなどといった穿孔に重要なパラメータの方をよく考慮して設計すればよく、ドリルロッドの張力が設計を制限することは、もはや、ない。更なる利点は、穿孔の効率化には先端面のボタンを非対称に配置する必要のある通常のドリルビットにはあまり見られない対称性負荷が、円錐状ローラビットによって供給されることである。さらに別の利点は、円錐状ローラビットが回転運動するので、穿孔摩擦や工具の摩耗は、現存の方式よりかなり少ないことである。

本発明を添付図面との関連でより詳細に述べる。

発明の実施例の詳細な説明

図はトップハンマ式削岩装置を示し、これは、ロックドリル１、ロックドリルに取り付けられたドリルロッド２、およびドリルロッドの端部に取り付けられた円錐状ローラビット３を含む。ロックドリル１は衝撃装置1aおよび回転式モータ1bを含む。衝撃装置1aは、ドリルロッド２を介して円錐型ローラビット３へ衝撃を送り、それに対応して回転式モータ1bは、ドリルロッド、およびそれとともに円錐状ローラビットを回転させる。それらの構造や動作は、それ自体公知であるため、さらに詳しく述べる必要はない。

典型的には、衝撃装置は、それ自体公知の方法で、かつそれ自体公知の給送機構によって送りビーム４に沿って動く。その端部には通常、掘削中にドリルロッドを、したがってドリルビットを導くドリルガイド５がある。送りビーム４はそこで、典型的には穿孔装置の基部（図示せず)にブーム６等で接続されている。これらの構造やその動作は一般に知られ、当業者に明白であるので、これに関連してさらに詳しく述べる必要はない。穿孔中に、通常、孔７が岩８の中に形成される。

本発明に係る削岩装置では、ロックドリル１の衝撃装置1aは、200〜1000Hzの周波数で応力パルスをドリルロッド２へ生成し、それを通ってパルスは、ドリルビットへ、さらに被穿孔岩へ到る。ドリルビットが回転式モータ1bによって最低250〜300rpmで対応して回転しながら、たとえば直径100mmの孔をあける際、円錐状ローラビット３を回転させて、応力パルスが到来する都度、岩と接しているボタンが常に、前の応力パルスの到来時とは異なる位置になるようにする。円錐状ローラビットへ送られる応力パルスは振幅が低く、標準的には100MPa、最大でも150MPaである。円錐状ローラビットは、典型的には超硬合金ボタンを備えた回転式円錐状体を３つ含んでいるが、円錐状ローラビットの少数のボタンだけが岩と接触すると、それらのボタンを介して岩に十分な力を送り、こうして岩を砕くことが可能である。応力パルスごとに必要なエネルギー量は、標準的には、同様の寸法の孔をあけるときに従来の削岩装置で必要なエネルギーの、およそ1/5〜1/10である。他方、円錐状ローラビット３では、超硬合金ボタンは岩に対して摺動せず、ビットの回転で円錐状ローラが回転し、岩に当たる超硬合金ボタンは、この回転で常に入れ替わるので、超硬合金ボタンは、大きな力に耐えるよう設計する必要がなく、ゆえに砕岩の観点から効率的に成形すればよい。円錐状ローラビットであるため、必要な回転モーメントは少ない。なぜなら、公知の方式のような滑り摩擦を克服する必要がないからである。必要な給送力は相対的に小さく、それにもかかわらず、結果として岩の破砕は非常に効率的である。

図２は、従来のトップハンマ式ロックドリル、いわゆる回転式ドリルと、本発明に係る方法を使用する本発明の削岩装置に作用する力を概略的に示す。従来のトップハンマ式ロックドリルによって生成された応力パルスの振幅は高く、その応力パルスの持続時間は非常に短い。図２の場合、従来のロックドリルの典型的な応力パルス（たとえば、周波数50Hz、パルス幅0.2ms）は、約250kNの瞬間負荷力を生み出し、それによってドリルビットの総負荷係数（α）は約0.01となる。これらのパルスは文字Ａで表示されている。

砕岩に使用される固有負荷係数（α）によって、砕かれる岩に加わる負荷の時間的変化が決まる。これは、式
α＝ｔ_ｐ/Ｔ＝ｔ_ｐｆ＝Ｌ_ｐｆ/ｃ （１）
によって表わされる。ただし、ｔ_ｐは応力パルスの幅、ｆは周波数、Ｌ_ｐは波長、ｃは工具における応力パルスの速度である。現存の衝撃装置では、典型的な負荷係数α＝0.01〜0.025である。

たとえば、ピストン長が0.5ｍで周波数が60Hzの衝撃装置では、負荷係数αは0.012である。

本発明の方法は、相当に大きい負荷係数を提供する、それによって、
α≧0.075、好ましくは少なくとも0.1となる。

理論上、最大負荷係数は１であるが、実際にそうなることはあり得ない。応力波を生成する装置は、応力波生成にいくらかの時間を、また回復、すなわち応力波生成位置への復帰にいくらかの時間を費やす。これは実際には、回復速度は事実上、応力波の生成速度より速くなれないので、最大負荷係数は実際上、およそ0.5であることを意味している。

いわゆる回転式ドリルを穿孔に使用すると、ドリルビットは連続的に静荷重（αは約１）を受け、これは水平線Ｂで示されている。それはたとえば、ほぼ70kN程度である。

従来のトップハンマ式ロックドリルでは、従来の固定されたドリルビットは第一に、負荷力に耐えるよう最適な設計をしなければならない。これが、ボタンの形状および構造、ならびにドリルビットの構造の両方とも、実際上、上記目的のみを考慮して設計する必要がある理由である。なぜなら、穿孔には、ドリルビットが少なくとも相応の期間の寿命を有することが重要だからである。円錐状ローラビットによって行なわれる通常の回転穿孔では、高い負荷耐性は主要な要素ではない。なぜなら、その負荷力は、固定されたドリルビットを使ったトップハンマ式ロックドリルの負荷力の約1/3だからである。代わりに、静荷重を供給するための重機が必要である。

文字Ｃは、本発明に係る削岩装置、すなわち円錐状ローラビットを備えるトップハンマ式ロックドリル（たとえば周波数500Hz、パルス幅0.4ms）によって生じた状態を示す。この場合、負荷力は、回転式ドリルより約70％高いが、従来のトップハンマ式削岩機によって与えられる負荷力の半分以下である。円錐状ローラビットはこの種の荷重に瞬間的に耐え、これによって高応力パルス周波数の使用で0.1という負荷係数αが得られる。従来のトップハンマ式削岩装置と本発明の削岩装置との間で応力パルス周波数を比較すると、この図から、本発明の削岩装置および方法では応力パルス周波数が10倍以上まで高くなり得ることがわかる。回転式ドリルにより典型的に得られる静的値よりも高い低振幅を使用し、かつ高い周波数によって、高い負荷係数αが生じ、これは、固定されたドリルビットを備える従来のトップハンマ式削岩機に関連して生ずる負荷係数と比較して10〜200倍高い。

図３は、図２と同様に、従来のトップハンマ式ロックドリル、いわゆる回転式ドリルと、本発明に係る方法を使用する本発明の削岩装置に作用する力を概略的に示す。しかしこの事例では、本発明に係る方法に関連して使用するパルスの数値が異なり、すなわち周波数が400Hzでパルス幅が0.25msである。しかしパルスの振幅は同一である。そこで、負荷係数αは0.1となる。

本発明に係る方法および装置の動作を調査するために行われた実験検査では、パルス周波数200〜1000Hzを使用すると、0.075〜0.5の負荷比を使用することが有利であることがわかった。負荷比が増加すると、給送力の必要性がかなり増加して、それは望ましいことではない。

図面および関連する明細書は単に発明の思想を示すことを意図している。本発明の詳細は特許請求の範囲内で変えることができる。

図１は、本発明に係る削岩装置の概略図である。 図２は、従来のトップハンマ式ロックドリル装置、いわゆる回転式ドリル、および本発明の削岩装置に作用する力を概略的に示す。 図３は、図２と同様で、異なる数値の場合によるそれらの力を概略的に示す。

Claims (4)

1. ドリルロッドが取り付けられたロックドリルを含み、該ドリルロッドの一端にはドリルビットが取り付けられ、前記ロックドリルは衝撃装置および回転式モータを含み、該衝撃装置および該回転式モータは前記ドリルロッドの他端に取り付けられるトップハンマ式削岩装置で岩に孔をあける方法であって、前記ドリルロッドおよび前記ドリルビットは前記回転式モータによって回転し、応力パルスを前記衝撃装置によって前記ドリルロッドおよび前記ドリルビットを介して前記岩へ送って該岩を砕く方法において、前記使用されるドリルビットは円錐状ローラビットであり、前記衝撃装置は、t_pは前記応力パルスの幅、ｆは周波数であるとして式α＝t_pｆによって表される前記ドリルビットの負荷係数(α)が少なくとも0.075になるような少なくとも200Hzの周波数(ｆ)で最大でも150MPaの振幅の応力パルスを生成することを特徴とする岩に孔をあける方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記応力パルスの振幅は最大で100MPaであることを特徴とする方法。
3. トップハンマ式ロックドリルと、該ロックドリルに取り付けられたドリルロッドと、該ドリルロッドの一端に取り付けられたドリルビットとを含み、前記ロックドリルは前記ドリルロッドの他端に、前記ドリルロッドおよび前記ドリルビットを介して岩へ応力パルスを供給する衝撃装置と、前記ドリルロッドおよび前記ドリルビットを回転させる回転式モータとを取り付けている、岩に孔をあけるための削岩装置において、前記ドリルビットは円錐状ローラビットであり、前記衝撃装置は、t_pは前記応力パルスの幅、ｆは周波数であるとして式α＝t_pｆによって表される前記ドリルビットの負荷係数(α)が少なくとも0.075になるような少なくとも200Hzの周波数(ｆ)で最大でも150MPaの振幅の応力パルスを前記ドリルロッドおよび前記ドリルビットを介して前記岩へ与えるように構成されていることを特徴とする削岩装置。
4. 請求項３に記載の削岩装置において、前記衝撃装置は、最大で100MPaの振幅を有する応力パルスを生ずるように構成されていることを特徴とする削岩装置。

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