KR101374612B1 - 구멍 드릴링용 착암 드릴링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암반에 구멍을 뚫는 착암 드릴링 장치와 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는 드릴 로드와 이 드릴 로드의 단부의 콘 롤러 비트를 포함하는 이른바 탑 해머 착암 드릴링 장치로 구멍을 뚫는다. 충격 장치로 드릴링 할 때, 작은 진폭의 응력 펄스가 적어도 200 Hz 인 고주파수에서 발생된다. 이 착암 드릴링 장치에서는 상기 드릴 로드의 단부의 콘 롤러 비트 (3) 와 충격 장치는 드릴 로드와 콘 롤러를 경유하여 암반에 적어도 200 Hz 의 주파수로 낮은 진폭의 이송 응력 펄스를 이송하도록 구성된다.

Description

구멍 드릴링용 착암 드릴링 장치 및 방법 {METHOD AND ROCK DRILLING RIG FOR HOLE DRILLING}

본 발명은 착암 드릴을 포함하는 탑 해머 착암 드릴링 장치로 암반에 구멍을 뚫는 방법으로서, 상기 착암 드릴에 드릴 로드가 부착되며, 상기 드릴 로드의 일단부에는 드릴 비트가 부착되어 있고, 상기 착암 드릴은 충격 장치와 회전 모터를 포함하며, 상기 드릴 로드와 드릴 비트는 회전 모터로 회전되고, 응력 펄스가 충격 장치에 의해 발생되어 드릴 로드와 드릴 비트를 경유하여 암반에 전달되어 이 암반을 파괴하는 상기 방법에 관한 것이다. 게다가, 본 발명은 탑 해머 착암 드릴과, 이에 부착된 드릴 로드와, 이 드릴 로드의 단부에 부착된 드릴 비트를 포함하고, 상기 착암 드릴은 드릴 로드와 드릴 비트를 경유하여 암반에 응력 펄스를 제공하는 충격 장치와 상기 드릴 비트와 드릴 로드를 회전시키는 회전 모터를 포함하는 암반에 구멍을 뚫는 착암 드릴링 장치에 관한 것이다.

단단한 암반 종류와 관련하여, 착암 드릴링은 착암 드릴과 이에 부착된 하나 이상의 상호연결 부분으로 구성되는 드릴 로드와 이 드릴 로드의 단부에 있는 공구즉, 드릴 비트를 포함하는 소위 탑 해머 착암 드릴링 장치로 수행된다. 공지되어 있는 해결방안으로는, 상기 드릴 비트는 고정 본체를 갖고, 드릴링 방향을 향하 는 고정 본체의 표면에는 충격 장치로부터 받는 응력 펄스의 작용으로 실제 암반파괴를 수행하는 단단한 금속 버튼이 끼워져있다. 공지된 해결 방안은 암반 파괴시 큰 힘을 필요로 하는 결점이 있고, 그러므로 단단한 금속 버튼은 능률적인 암반 파괴의 관점보다는 하중에 대한 내구의 관점에서 설계되어야 한다. 구멍의 직경이 커짐에 따라, 구멍 바닥을 파괴하는 버튼의 수도 또한 많아져야 한다. 버튼의 갯수의 증가는 다시 상기 드릴 비트를 설계하는 것을 더 어렵게 만드는데, 그 이유는 이 버튼들은 균일한 방식으로 로드 (laod) 되어야하기 때문이다. 사실 버튼이 실제로 비교적 불균일한 방식으로 로드되면, 드릴링 속도가 감소된다.

더욱이, 5 인치 직경을 갖는 구멍을 드릴링 할 때 이미 상당한 문제점이 야기되기 때문에, 최대 5.5 내지 6 인치 크기의 큰 구멍을 탑 해머 드릴링 장치로 뚫는 것 역시 힘들다. 공지된 탑 해머 드릴링 장치에서 암반 파괴를 위해 필요한 에너지의 양은 일반적으로 대략 600 내지 800 J 로 매우 크다. 현재의 장치에서, 드릴 비트의 단단한 버튼은 극히 큰 스트레인을 받는다. 드릴 비트가 큰 힘으로 암반을 밀고, 버튼이 암반 표면을 슬라이딩하면서 운동할 때, 강한 마모가 발생되고, 이 역시 버튼 형상 설계시 고려되어야 한다.

8 내지 10 인치의 직경의 큰 구멍은 일반적으로 충격없이 작동하고 회전 콘 롤러 비트가 제공된 드릴 비트를 사용하는 회전 드릴로 뚫는다. 이는 암반 파괴시 극히 큰 정적 힘을 필요로 하고 이에 상응하여 이른바 회전 드릴링 장치는 무겁고 튼튼한 베이스 (base) 가 필요하다는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 종래보다 더 효과적인 드릴링을 허용하고, 현재 가능한 크기와 비교할 때, 탑 해머 착암 드릴링 장치가 경제적이고 효율적으로 뚫릴 구멍의 크기를 증가시킬 수 있는 착암 드릴용 장치와 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 방법은 사용되는 드릴 비트가 콘 롤러 비트이며, 충격장치는 고주파수에서 작은 진폭의 응력 펄스를 발생시켜, 이 드릴 비트의 하중 계수는 적어도 0.075 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 착암 드릴링 장치는 드릴 비트가 콘 롤러 비트이고 충격장치는 고주파수에서 작은 진폭의 응력 펄스를 제공하도록 구성되며, 이 드릴 비트의 하중 계수는 적어도 0.075 인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기본 사상은 탑 해머 착암 드릴링 장치를 공구로서 콘 롤러 비트를 사용하는 것이다. 본 발명이 다른 기본 사상은 드릴링은 고주파수에서 발생되는 작은 진폭의 응력 펄스를 사용하고 드릴 비트의 하중 계수는 적어도 0.075 로 높다.

본 발명의 이점은 탑 해머 드릴링에서 현재 사용되는 해결방안과 비교하여 버튼에 대한 하중이 작다는 것이다. 이와 마찬가지로, 이송력은 회전 드릴링에서 현재 필요한 이송력보다 상당히 작다. 응력 펄스의 진폭이 작기 때문에, 드릴링시 사용되는 로드 장비는 예를 들면, 강성과 플러싱 (flushing) 등과 같은 드릴링에 중요한 파라미터의 관점에서 더 잘 설계되어질 수 있는데 드릴 로드의 장력은 설계를 제한하지 않기 때문이다. 다른 이점은 상기 콘 롤러 비트는 보통의 드릴 비트에서는 볼 수 없는 대칭적인 로드를 제공하는데, 보통의 드릴 비트에서는 효율적인 드릴링을 위해 전면의 버튼은 비대칭적으로 배치되야 한다. 그러나 다른 이점은 이 콘 롤러 비트의 회전 운동 덕분에, 드릴링 마찰과 공구의 마멸이 현재 이용할 수 있는 해결 방안보다 휠씬 작다라는 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 더 자세히 설명될 것이다.

도 1 은 본 발명의 착암 드릴링 장치의 개략도이다.

도 2 는 통상적인 탑 해머 착암 드릴링 장치, 이른바 회전 드릴과 본 발명의 착암 드릴링 장치에서 드릴 비트에 작용하는 힘을 개략적으로 나타낸다.

도 3 은 도 2 와 유사한 것으로서, 다른 값을 갖는 동일한 힘을 개략적으로 나타낸다.

도면은 착암 드릴 (1) 과 이 착암 드릴에 부착된 드릴 로드 (2) 와 이 드릴 로드의 단부에 부착된 콘 롤러 비트 (3) 를 포함하는 탑 해머 착암 드릴링 장치를 나타낸다. 착암 드릴 (1) 은 충격 장치 (1a) 와 회전 모터 (1b) 를 포함한다. 이 충격 장치 (1a) 는 드릴 로드 (2) 를 경유하여 콘 롤러 비트 (3) 에 충격을 전달하고, 이에 따라 회전 모터 (1b) 는 드릴 로드와 콘 롤러 비트 (3) 를 회전시킨다. 이러한 구조와 작동 그 자체는 공지되어 있으므로, 더 상세히 설명하지 않는다.

일반적으로 충격 장치는 공지된 방법으로 그리고 공지된 이송 기구에 의해 이송 빔 (4) 를 따라 움직이고, 일반적으로 이 이송빔의 단부에는 드릴링 중에 드 릴 로드와 드릴 비트를 안내하는 드릴 가이드 (5) 가 있다. 일반적으로, 상기 이송 빔 (4) 은 붐 (6) 등에 의해 드릴링 장치의 베이스 (미 도시) 에 연결되어 있다. 이러한 구조와 작동은 일반적으로 공지되어 있고, 당업자에게 명백하므로 이에 관하여 더 상세히 설명하지 않는다. 드릴링 과정에서, 구멍 (7) 이 일반적으로 암반 (8) 에 형성된다.

본 발명의 착암 드릴링 장치에서 착암 드릴 (1) 의 충격 장치 (1a) 는 드릴 로드 (2) 에 주파수 200 내지 1000 Hz 의 응력 펄스를 발생시키고 이 응력 펄스는 드릴 로드를 통해 드릴 비트에 그리고 다음에 드릴링될 암반에 전달된다. 이에 상응하여 드릴 비트가 예를 들어 최소 250 내지 300 rpm 으로 회전 모터 (1b) 로 회전되면서 100 mm 직경의 구멍을 드릴링할 때, 콘 롤러 비트 (3) 는 모든 응력 펄스의 도달시 암반에 접촉하는 버튼이 항상 이전의 응력 펄스의 도달시의 버튼과는 다른 위치에 있도록 회전한다. 콘 롤러 비트에 전달되는 응력 펄스의 진폭은 작은데, 일반적으로 100 MPa 이고, 최대 150 MPa 이다. 일반적으로 단단한 금속 버튼이 제공된 세 개의 회전 콘을 포함하는 이 콘 롤러 비트의 단지 소수의 버튼이 암반에 접촉해 있을 때, 이 버튼들을 통하여 충분한 힘이 암반에 전달되고, 따라서 암반을 파괴할 수 있다. 응력 펄스당 필요한 에너지의 양은 일반적으로, 상응하는 크기의 구멍을 뚫을 때, 통상적인 착암 드릴링 장치에서 필요로 하는 에너지의 대략 1/5 내지 1/10 정도이다. 다른 한편으로, 상기 콘 롤러 비트 (3) 에서 상기 단단한 금속 버튼은 암반에 대해 마찰되지 않고, 그러나 회전하는 동안 상기 비트가 이 콘 롤러를 회전시키고, 암반에 맞닿는 단단한 금속 버튼은 회 전으로 인해 연속적으로 변하기 때문에, 이 단단한 금속 버튼은 큰 힘에 저항하도록 설계될 필요가 없으며, 그러므로 이는 암반 파괴 관점에서 보아 효율적으로 성형될 수 있다. 상기 콘 롤러 비트로 인하여 필요한 회전 모멘트는 작은데 그 이유는, 공지된 해결방안과 같이 미끄럼 마찰을 극복할 필요가 없기 때문이다. 필요한 이송력은 상대적으로 낮게 되고, 그럼에도 결과적으로 암반 파괴는 매우 효율적이다.

도 2 는 통상적인 탑 해머 착암 드릴과 소위 회전 드릴 및 본 발명에 따른 방법을 사용하는 본 발명의 착암 드릴링 장치에서 드릴 비트에 작용하는 힘을 개략적으로 나타낸다. 이 통상적인 탑 해머 착암 드릴에 의해 발생된 응력 펄스의 진폭은 높고, 이 응력 펄스의 지속 시간은 매우 짧다. 도 2 의 경우, 통상적인 착암 드릴의 전형적인 응력 펄스는 (예를 들어, 주파수 50 Hz 와 펄스 길이 0.2 ms) 대략 250 kN 의 순간 하중력을 발생시키며, 이에 따라 드릴 비트의 전체 하중 계수 (α) 는 대략 0.01 이 된다. 이러한 펄스는 A 로 표기되어 있다.

암반 파괴시 이용되는 특정 하중 계수 (α) 는 파괴될 암반에 하중이 어떻게 일시적으로 가해질 것인지를 결정한다. 이는 이하의 식으로 표현될 수 있다.

여기서, t_p 는 응력 펄스의 길이이고, f 는 주파수이며, L_p 는 파장이며, C 는 공구에서의 응력 펄스의 속도이다. 현재의 충격 장치에서 전형적인 하중 계 수 α = 0.01 ~ 0.025 이다.

예를 들어, 피스톤 길이가 0.5 m 이고, 주파수가 60 Hz 인 충격장치에서 하중 계수 (α) 는 0.012 이다.

본 발명의 방법은 상당히 더 높은 하중 계수를 제공하여, α≥ 0.075, 바람직하게는 적어도 0.1 이다.

이론적으로, 최대 하중 계수는 1 이지만, 실제적으로 그렇게 될 수 없다. 응력파를 발생시키는 장치는 응력파의 발생과 회복 (즉, 응력파 발생 위치로 되돌아오는것) 에 어느 정도의 시간이 걸린다. 실제로, 이는 회복 속도가 사실상 응력파 발생 속도보다 빠를 수 없기 때문에 최대 하중 계수는 실제로는 대략 0.5 임을 의미한다.

드릴링을 하기 위해 이른바 회전 드릴이 이용되면, 드릴 비트는 연속적으로 정하중 (α ~ 1) 을 받게되고, 이는 수평선 (B) 으로 나타나 있다. 이는 예를 들어 70 kN 정도이다.

통상적인 탑 해머 착암 드릴에서는, 통상적인 고정 드릴 비트는 우선 하중력을 견딜 수 있게 최적으로 설계되어져야 한다. 따라서, 실제로는 이 목적만을 염두에 두고, 드릴 비트의 구조와 버튼의 구조와 형태가 설계되어야 하는데, 왜냐하면 드릴링에 있어서는 드릴 비트가 적어도 합당한 시간 동안 지속되는것이 중요하기 때문이다. 콘 롤러 비트에 의해 수행되는 보통의 회전 드릴링시에는, 하중력이 고정 드릴 비트를 갖는 탑 해머 착암 드릴의 하중력의 대략 1/3 이기 때문에, 큰 하중 저항은 주요인이 아니다. 대신, 정하중을 제공하기 위한 무거운 장비가 필요하다.

문자 C 는 본 발명에 따른 착암 드릴링 장치 즉, 콘 롤러 비트가 제공된 탑 해머 착암 드릴에 의해 발생된 상태 (예컨대, 주파수 500 Hz, 펄스 길이 0.4 ms) 를 표시한다. 여기서, 하중력은 회전 드릴에서의 하중력 보다 70 % 크지만, 통상적인 탑 해머 착암 드릴링 기계에 의해 제공되는 하중력의 절반보다는 작다. 상기 콘 롤러 비트는 이런 종류의 하중을 순간적으로 견디며, 높은 응력 펄스 주파수의 이용으로 0.1 의 하중 계수 (α) 가 얻어진다. 통상적인 탑 해머 착암 드릴링 기계와 본 발명의 착암 드릴링 장치간의 응력 펄스 주파수를 비교하면, 도면에서 알 수 있듯이 본 발명의 착암 드릴링 장치와 방법에서 응력 펄스 주파수는 최대 10 배 이상 더 높다. 일반적으로 회전 드릴에 의해 얻어지는 고정값보다 더 큰 낮은 진폭과 고주파수의 사용으로, 고정 드릴 비트가 제공되는 통상적인 탑 해머 착암 드릴링 기계와 관련하여 얻어지는 하중 계수 (α) 와 비교해 10 배 내지 20 배 더 큰 하중 계수 (α) 가 얻어진다.

도 3 은 도 2 와 유사하게 통상적인 탑 해머 착암 드릴과 소위 회전 드릴링 장치 및 본 발명에 따르는 방법을 사용하는 본 발명의 착암 드릴링 장치에서 드릴 비트에 작용하는 힘을 개략적으로 나타낸다. 그러나, 이 경우 본 발명의 방법과 관련하여 사용되는 펄스 값은 다르며, 다시 말해, 주파수는 400 Hz 이며 펄스 길이는 0.25 ms 이고, 그러나 펄스 진폭은 같다. 그러면, 하중 계수 (α) 는 0.1 일 것이다.

본 발명의 장치와 방법의 작동에 대해 연구하기 위해 시행된 실험 테스트에 서, 200 내지 1000 Hz 의 펄스 주파수를 이용할 때, 0.075 ~ 0.5 의 하중비를 사용하는 것이 유리함이 밝혀졌다. 이 하중비가 증가함에 따라, 이송력에 대한 요구가 상당히 커지고, 이는 바람직하지 않다.

도면과 관련 설명은 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 상세 사항은 청구 범위 내에서 변경할 수 있다.

Claims (8)

1. 착암 드릴 (1) 을 포함하는 탑 해머 착암 드릴링 장치로 암반에 구멍을 뚫는 방법으로서, 상기 착암 드릴에 드릴 로드 (2) 가 부착되며, 상기 드릴 로드의 일단부에는 드릴 비트가 부착되어 있고, 상기 착암 드릴은 충격 장치 (1a) 와 회전 모터 (1b) 를 포함하며, 상기 드릴 로드 (2) 와 드릴 비트는 회전 모터로 회전되고,암반을 파괴하기 위해, 응력 펄스가 충격 장치 (1a) 에 의해 발생되어 드릴 로드 (2) 와 드릴 비트를 경유하여 암반에 전달되는 상기 방법에 있어서,

   상기 이용되는 드릴 비트는 콘 롤러 비트 (3) 이며, 상기 충격 장치 (1a) 는 적어도 200 Hz 의 고주파수에서 최대 150 MPa 의 작은 진폭의 응력 펄스를 발생시켜, 드릴 비트의 하중 계수 (α) 가 적어도 0.075 인 것을 특징으로 하는 탑 해머 착암 드릴링 장치로 암반에 구멍을 뚫는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 응력 펄스의 진폭은 최대 100 MPa 인 것을 특징으로 하는 탑 해머 착암 드릴링 장치로 암반에 구멍을 뚫는 방법.
3. 암반에 구멍을 뚫는 착암 드릴링 장치로서, 탑 해머 착암 드릴 (1) 과, 이에 부착된 드릴 로드 (2) 와, 이 드릴 로드 (2) 의 단부에 부착된 드릴 비트를 포함하고, 상기 착암 드릴 (1) 은 드릴 로드 (2) 와 드릴 비트를 경유하여 암반에 응력 펄스를 제공하는 충격 장치 (1a) 와 상기 드릴 로드 (2) 와 드릴 비트를 회전시키는 회전 모터 (1b) 를 포함하는 상기 장치에 있어서,

   상기 드릴 비트는 콘 롤러 비트 (3) 이며, 상기 충격 장치 (1a) 는 상기 드릴 로드 (2) 와 드릴 비트를 경유하여 적어도 200 Hz 의 고주파수에서 최대 150 MPa 의 작은 진폭의 응력 펄스를 암반에 제공하도록 구성되어, 상기 드릴 비트의 하중 계수 (α) 가 적어도 0.075 인 것을 특징으로 하는 착암 드릴링 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 충격 장치 (1a) 는 최대 100 MPa 의 진폭을 갖는 응력 펄스를 발생시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 착암 드릴링 장치.
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