KR20110116603A

KR20110116603A - 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치

Info

Publication number: KR20110116603A
Application number: KR1020100036101A
Authority: KR
Inventors: 임병덕; 임우철; 임경문
Original assignee: 임병덕
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-10-26

Abstract

본 발명은 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치에 관한 것으로서, 좀더 상세히 설명하면 타격장치에 의해 구동되는 드라이버(Driver)의 하단 모서리 부위에 발가락 형상의 토우비트(Toe bit)가 방사형으로 설치되어 있어서, 상기 토우비트가 상기 드라이버의 중심축 방향을 따라 상하로 각운동하면서 확장 또는 복귀하도록 구성된 시추공 굴착장치에 관한 것이다.

Description

확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치{Borehole drilling apparatus having extendable toe bits}

일반적으로 지반에 시추공을 굴착하는데 사용되는 공압 해머(Air hammer) 장비는 원통형 케이싱(Casing) 속에 장착된 타격장치와 그 하부 구조인 굴착장치로 구성된다. 그리고, 상기 굴착장치는 통상 3가지 구성요소, 즉 상기 타격장치에 결합되어 구동력을 전달받는 가이드 디바이스(Guide device)와, 상기 가이드 디바이스의 구동력에 의해 시추공 바닥을 굴착하는 파이럿 비트(Pilot bit), 그리고 상기 케이싱이 시추공 안으로 들어올 수 있도록 시추공의 내경을 확장시켜 주는 확장비트(Extending bit)로 이루어진다.

이러한 굴착장치가 굴착작업을 수행할 때는 상기 확장비트가 가이드 디바이스의 외경 밖으로 확장되어 있다가, 굴착작업이 종료되면 상기 굴착장치가 케이싱 밖으로 빠져 나올수 있도록 상기 확장비트가 원래 위치로 복귀하게 된다. 이때, 상기 확장비트의 위치 및 구동방식에 따라 여러가지 형태의 굴착장치들이 개발되어 있다.

예컨대, 일본특허등록 제2710192호(공개일자; 1994.11.29.)에는 타격장치에 결합된 가이드 디바이스와, 상기 가이드 디바이스의 하단에 결합된 파이럿 비트와, 상기 디바이스와 파이럿 비트 사이에 설치된 확장비트로 이루어진 굴착장치가 소개되어 있다. 이때, 상기 확장비트는 상기 가이드 디바이스의 하단부에서 가이드 디바이스의 길이방향으로 각 운동 가능하게 축 고정되어 있고, 상기 파일럿비트의 상단부에는 경사면이 형성되어 있어서, 상기 가이드 디바이스와 파일럿비트가 서로 접근하면, 확장비트가 상기 파일럿비트의 경사면을 따라 벌어지면서 확장되도록 구성되어 있다.

그러나 이러한 구조의 굴착장치에서는 상기 확장비트를 지지하는 축봉에 상당한 전단력이 집중되기 때문에 상기 축봉이 쉽게 파손되는 단점이 있고, 나아가 전체적인 구조가 복잡하여 제조단가가 높은 단점이 있었다.

또한, 국내 실용신안등록 제273989호(공고일자; 2002.05.01.)에는 보다 간단한 구조로서 첨부 도 1과 같이, 원통형 케이싱(1)의 내부에 설치되는 드라이버(2)와, 상기 드라이버(2)의 하단에 형성된 경사홈(3)과, 상기 경사홈(3)에 슬라이딩 이동 가능하게 장착된 확장비트(3')로 이루어진 굴착장치가 소개되어 있다. 이때, 상기 드라이버(2)의 하면 및 확장비트(3')의 측면에는 초경합금(超硬合金) 소재도 된 볼(4)이 촘촘히 박혀있다.

이러한 구조의 굴착장치에서는 상기 드라이버(2)의 하단부가 케이싱(1) 밑으로 하강하여 그 저면이 바닥에 밀착되면, 상기 드라이버(2)의 압력에 의해서 상기 확장비트(3')가 상기 경사홈(3)을 타고 밀려 올라 가면서 드라이버(2)의 외경 밖으로 확장하게 된다. 그리고, 굴착작업이 끝나고 드라이버(2)가 상승하면, 상기 확장비트(3)가 자중에 의해서 상기 경사홈(3)을 타고 내려오면서 원래 위치로 복귀하도록 구성되어 있다.

상기 굴착장치는 상기 드라이버(2)가 기존의 가이드 디바이스와 파일럿비트의 기능을 겸하고 있기 때문에 전체적인 구조가 매우 간소화된 장점이 있다. 그러나, 상기 확장비트(3')가 경사홈(3)을 타고 슬라이딩 이동하도록 구성되어 있기 때문에 예컨대 시추공 바닥이 모래나 뻘과 같이 무른 땅일 경우, 상기 확장비트(3')가 제대로 확장되지 않거나, 특히 상기 확장비트(3')의 측면이 자갈이나 바위 등에 부딛쳐서 강한 하중이 발생하면 굴착작업 도중에도 상기 확장비트(3')가 밑으로 흘러내려 복귀하는 오작동을 일으키는 사고가 종종 발생하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 확장비트를 갖는 시추공 굴착장치에 있어서, 우선 전체적인 구조를 간소화하여 제조단가를 대폭 절감하고, 상기 확장비트의 작동구조를 개선하여 굴착작업 도중에 확장비트가 스스로 복귀하는 오작동이 발생하지 않도록 하며, 나아가 확장비트에 미치는 전단력을 골고루 분산하여 확장비트의 파손을 최소화 하는 것이다.

본 발명에서는 상기 도 1의 확장비트(3')와 같이 드라이버(2)의 하단 모서리 부위에 설치된 발가락 형상의 확장비트를 특별히 '토우비트(Toe bit)'라 명명한다.

본 발명에 따른 시추공 굴착장치는 타격장치에 결합되는 상축부와, 하단 모서리 부위에 비트수용홈이 방사형으로 함몰되어 있는 하축부와, 상기 상축부와 하축부의 중심축을 따라 형성된 중앙홀(H1)로 이루어진 원주형 드라이버와; 상기 비트수용홈 속으로 삽입되는 회전지지부와, 상기 비트수용홈 밖으로 돌출되는 확장돌부로 이루어진 토우비트와; 상기 비트수용홈 내에서 상기 회전지지부를 각운동 가능하게 지지해 주는 축봉; 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 드라이버의 비트수용홈 내벽에는 그 중심축과 수직하는 방향으로 상기 축봉을 삽입시켜 주는 축지지공과, 상기 축봉에 대하여 일정한 반경(R)을 갖도록 형성된 원호형 회전내벽부와, 상기 회전내벽부가 상기 하축부의 저면 및 측면과 만나는 저면턱 및 측면턱이 각각 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 토우비트의 회전지지부에는 그 중심부를 관통하는 축공과, 상기 회전내벽부에 밀착되는 반경(R')을 갖는 원호형 외륜부가 형성되어 있고, 상기 축공의 양쪽 입구는 상기 축지지공의 양쪽 입구에 밀착되도록 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 시추공 굴착장비는 드라이버와 토우비트 및 이들을 결합해 주는 축봉으로만 이루어지기 때문에 전체적인 구조가 매우 간소하고, 따라서 제조원가를 크게 절감할수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 토우비트의 확장돌부가 드라이버의 축방향, 즉 상하로 각운동 하기 때문에 상기 토우비트의 확장 및 복귀과정이 매우 원할하고, 오작동을 일으킬 가능성이 거의 없다.

마지막으로 상기 토우비트의 회전지지부가 드라이버의 비트수용홈 속에서 빈공간 없이 밀착된 상태로 결합되어 있기 때문에 굴착과정에서 토우비트의 확장돌부에 미치는 강력한 전단력이 상기 회전지지부를 통해 드라이버로 그대로 분산되고, 따라서 상기 토우비트나 이를 지지하는 축봉의 파손 우려가 거의 없다.

도 1은 종래 시추공 굴착장치의 구조를 예시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 시추공 굴착장치의 구조로 나타낸 분리 사시도,
도 3은 본 발명에서 드라이버(100)의 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에서 토우비트(200)의 구조를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 시추공 굴착장치의 작동구조를 나타낸 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 통상적인 기술에 속하거나, 공지된 문헌에 이미 소개된 부분에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다. 또한, 각 구성요소에 대해 부여된 명칭들은 공지된 문헌에서 사용한 명칭과 상관없이 본 발명에서 독립적으로 정의된 명칭을 사용한다.

본 발명에 따른 시추공 굴착장치는 도 2과 같이, 외부공압에서 의해서 구동되는 타격장치(도시하지 않음)에 결합되는 원주형 드라이버(100)와, 상기 드라이버(100)의 하단 모서리 부위에 방사형으로 설치되는 다수개의 토우비트(200)와, 상기 토우비트(200)를 상하로 각운동 가능하게 지지해 주는 축봉(300)으로 이루어진다. 상기 타격장치와 드라이버(100)는 도 1의 굴착장치와 마찬가지로 원통형 케이싱(1) 내에서 구동된다.

먼저 상기 드라이버(100)는 도 3의 (A)와 같이, 상대적으로 외경이 작은 상축부(110)와, 상대적으로 외경이 큰 하축부(120)로 이루어지고, 그 내부에는 중심축을 따라 중앙홀(H1)이 형성되어 있다. 상기 상축부(110)의 외경부에는 둘레방향으로 결합홈(111)과, 길이방향으로 스플라인(112)이 각각 형성되어 있다. 상기 결합홈(111)과 스플라인(112)은 상기 드라이버(100)를 타격장치에 결합시켜 주는 기능을 한다. 상기 하축부(120)의 외경부에는 길이방향으로 슬러지배출홈(121)이 형성되어 있다.

상기 하축부(120)의 하단 모서리 부위에는 상기 하축부(120)의 측면과 저면에 걸쳐서 다수개의 비트수용홈(130)이 방사형으로 함몰되어 있다. 상기 비트수용홈(130)을 형성하는 내벽에는 도 3의 (B)에서 보는 바와 같이, 상기 드라이버(100)의 중심축과 수직하는 방향으로 상기 축봉(300)을 삽입시켜 주는 축지지공(131)과, 상기 축봉(300)에 대하여 일정한 반경(R)을 갖도록 형성된 원호형 회전내벽부(132), 그리고 상기 회전내벽부(132)가 상기 하축부(120)의 저면과 만나는 저면턱(133)과, 상기하축부(120)의 측면과 만나는 측면턱(134)이 각각 마련되어 있다. 상기 저면턱(133)과 측면턱(134)은 각각 상기 토우비트(200)의 회전각도를 제한하는 기능을 한다.

본 발명에서 상기 비트수용홈(130)의 갯수는 특별한 제한은 없으나, 3 ~ 5개 형성하는 것이 바람직하다. 도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 상기 비트수용홈(130)이 4개인 구조를 나타낸 것이다. 상기 슬러지배출홈(121)과 상기 비트수용홈(130)은 서로 교대로 배치되며, 상기 축지지공(131)은 상기 슬러지배출홈(121)에서 인접한 비트수용홈(130)을 향하여 관통되도록 구성할 수 있다.

상기 하축부(120)의 저면에는 도 3의 (C)에서 보는 바와 같이, 상기 슬러지배출홈(121)과 연결되는 공압홈(122)이 형성되어 있고, 동시에 초경합금으로 제작된 볼(Ball)들이 촘촘히 박혀있다. 또한, 상기 하축부(120)의 내부에는 상기 중앙홀(H1)의 하단에서 상기 비트수용홈(130)의 상부로 연결되는 공압홀(H2)과, 상기 슬러지배출홈(121) 및 공압홈(122)으로 연결되는 공압홀(H3)이 각각 형성되어 있다. 그래서 굴착과정에서 발생하는 모래나 자갈 등 슬러지(Sludge)는 상기 중앙홀(H1)을 통해서 공급되는 외부공압에 의해서 상기 슬러지배출홈(121)을 통해 시추공 밖으로 배출된다.

다음으로 상기 토우비트(200)는 도 4와 같이, 상기 비트수용홈(130) 속으로 삽입되는 회전지지부(210)와, 상기 비트수용홈(130) 밖으로 돌출되는 확장돌부(220)로 이루어진다. 상기 회전지지부(210)에는 그 중심부를 관통하는 축공(211)과, 상기 회전내벽부(132)에 밀착되는 반경(R')을 갖는 원호형 외륜부(212)가 형성되어 있고, 상기 축공(211)의 양쪽 입구는 상기 비트수용홈(130)에 형성된 축지지공(131)의 양쪽 입구에 밀착되어 있다.

그리고, 상기 외륜부(212)에는 도 4의 (A) 및 (B)에서 보는 바와 같이, 둘레방향으로 통기홈(213)이 형성되어 있고, 상기 통기홈(213)은 상기 하축부(120)의 공압홀(H2)과 연결되어 있다. 상기 공압홀(H2)과 통기홈(213)을 통해 공급되는 외부공압이 상기 비트수용홈(130)과 회전지지부(210) 사이에 슬러지가 적체되지 않도록 불어내는 기능을 한다.

상기 확장돌부(220)는 도 4의 (C)에서 보는 바와 같이, 돌부저면(221)과 돌부상면(222)을 포함하는데, 상기 돌부저면(221)은 상기 외륜부(212)의 접선(接線) 방향으로 연장되고, 상기 돌부상면(222)은 상기 회전지지부(210)의 중간부위에서 상기 돌부저면(221)과 평행하게 확장된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 돌부저면(221)에는 초경합금으로 제작된 볼(Ball)들이 촘촘히 박혀있다.

마지막으로 상기 축봉(300)은 상기 토우비트(200)의 회전지지부(210)가 상기 드라이버(100)의 비트수용홈(130)에 삽입된 상태에서 상기 축지지공(131)과 축공(211)에 연속적으로 삽입된다. 이렇게 되면, 도 5와 같이 상기 비트수용홈(130) 밖으로 돌출된 확장돌부(220)가 상기 비트수용홈(130)의 저면턱(133)과 측면턱(134) 사이에서 상하로 각운동 가능하게 지지된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2에서 보는 바와 같이, 상기 드라이버(100)의 하출부에는 상기 축지지공(131)과 교차하는 핀체결공(135)이 형성되어 있고, 상기 축봉(300)의 일측에는 상기 핀체결공(135)과 연결되는 핀걸림홈(311)이 형성되어 있으며, 상기 핀체결공(135)과 핀걸림홈(311)에는 상기 축봉(300)을 붙잡이 주는 고정핀(310)이 삽입되어 있다. 상기 고정핀(310)은 구동과정에서 축봉(300)이 빠져 나오지 않도록 고정시켜 주는 기능을 한다.

또한, 상기 드라이버(100)의 비트수용홈(130)은 도 3의 (B)에서 보는 바와 같이 회전내벽부(132)를 형성하는 원의 내경(G1) 보다, 상기 저면턱(133)과 측면턱(134) 사이의 입구 간격(G2)을 더 좁게 형성하고, 상기 토우비트(200)의 회전지지부(210)는 도 3의 (A) 및 (C)와 같이 그 외륜부(212)의 외경 중 일부가 상기 입구 간격(G2)과 동일한 외경을 갖도록 하는 절삭면(214)을 형성하는 것이 바람직하다. 그래서 상기 절삭면(214)에 의해서 축소된 외경을 이용하여 상기 회전지지부(210)를 비트수용홈(130) 속으로 밀어 넣고 토우비트(200)를 일정각도 만큼 회전시켜 주면, 상기 절삭면(214)을 제외한 외륜부(212)의 외경이 상기 입구 간격(G2)보다 크기 때문에 축봉(300)을 삽입하지 않더라도 상기 회전지지부(210)가 상기 비트수용홈(130)에서 저절로 빠져나오지 않고 단단히 지지된다.

본 발명에 따른 시추공 굴착장치는 도 5의 (A)와 같이, 상기 토우비트(200)가 접혀진 상태, 즉 확장돌부(220)의 돌부저면(221)이 비트수용홈(130)의 저면턱(133)에 접근한 상태에서 원통형 케이싱(도 1의 도면부호 '1' 참조) 내부로 삽입된다. 이어 드라이버(100)가 하강하여 그 저면이 시추공 바닥에 닿으면, 드라이버(100)의 압력에 의해서 확장돌부(220)가 윗쪽으로 밀려 올라오면서 돌부상면(222)이 비트수용홈(130)의 측면턱(134)에 닿을 때 까지 상기 토우비트(200)가 드라이버(100)의 축방향으로 각운동한다.

이렇게 되면, 도 5의 (B)와 같이, 확장돌부(220)의 돌부저면(221)과 하축부120)의 저면이 하나의 평면을 형성하게 되고, 상기 확장돌부(220)의 끝단은 드라이버(100)의 외경 밖으로 확장된다. 본 발명의 시추공 굴착장치는 이처럼 상기 토우비트(200)가 확장된 상태에서 회전하면서 굴착작업을 실시한다.

굴착작업이 끝나고 상기 드라이버(100)가 상승하면, 확장돌부(220)의 돌부상면(222)이 원통형 케이싱(도 1의 도면부호 '1' 참조)의 하단에 걸려서 도 5의 (A)와 같이 상기 토우비트(200)가 다시 접히게 된다.

본 발명에 따른 시추공 굴착장비는 토우비트(200)의 확장돌부(220)가 드라이버(100)의 축방향, 즉 상하로 각운동 하기 때문에 상기 토우비트(200)의 확장 및 복귀과정이 매우 원할하고, 오작동을 일으킬 가능성이 거의 없다.

또한, 상기 토우비트(200)의 회전지지부(210)가 드라이버(100)의 비트수용홈(130) 속에서 빈공간 없이 밀착된 상태로 결합되어 있기 때문에 굴착과정에서 토우비트(200)의 확장돌부(220)에 미치는 강력한 전단력이 상기 회전지지부(210)를 통해 드라이버(100)로 그대로 분산되고, 따라서 상기 토우비트(200)나 이를 지지하는 축봉(300)의 파손 우려가 거의 없다.

또한, 상기 고정핀(310)이 축봉(300)을 붙잡고 있기 때문에 굴착과정에서 상기 축봉(300)이 빠져나오는 사고가 발생할 우려가 없다.

100 ; 드라이버(Driver) 110 ; 상축부
111 ; 결합홈 112 ; 스플라인(Spline)
120 ; 하축부 121 ; 슬러지(Sludge) 배출홈
122 ; 공압홈 130 ; 비트수용홈
131 ; 축지지공 132 ; 회전내벽부
133 ; 저면턱 134 ; 측면턱
135 ; 핀체결공 200 ; 토우비트(Toe bit)
210 ; 회전지지부 211 ; 축공
212 ; 외륜부(外輪部) 213 ; 통기홈
214 ; 절삭면 220 ; 확장돌부
221 ; 돌부저면 222 ; 돌부상면
300 ; 축봉 310 ; 고정핀
311 ; 핀걸림홈 H1 ; 중앙홀
H2, H3 ; 공압홀

Claims

타격장치에 결합되는 상축부(110)와, 하단 모서리 부위에 비트수용홈(130)이 방사형으로 함몰되어 있는 하축부(120)와, 상기 상축부(110)와 하축부(120)의 중심축을 따라 형성된 중앙홀(H1)로 이루어진 원주형 드라이버(100)와; 상기 비트수용홈(130) 속으로 삽입되는 회전지지부(210)와, 상기 비트수용홈(130) 밖으로 돌출되는 확장돌부(220)로 이루어진 토우비트(200)와; 상기 비트수용홈(130) 내에서 상기 회전지지부(210)를 각운동 가능하게 지지해 주는 축봉(300)으로 이루어지되,
상기 드라이버(100)의 비트수용홈(130) 내벽에는 그 중심축과 수직하는 방향으로 상기 축봉(300)을 삽입시켜 주는 축지지공(131)과, 상기 축봉(300)에 대하여 일정한 반경(R)을 갖도록 형성된 원호형 회전내벽부(132)와, 상기 회전내벽부(132)가 상기 하축부(120)의 저면 및 측면과 만나는 저면턱(133) 및 측면턱(134)이 각각 마련되어 있고,
상기 토우비트(200)의 회전지지부(210)에는 그 중심부를 관통하는 축공(211)과, 상기 회전내벽부(132)에 밀착되는 반경(R')을 갖는 원호형 외륜부(212)가 형성되어 있고, 상기 축공(211)의 양쪽 입구는 상기 축지지공(131)의 양쪽 입구에 밀착되도록 구성된 것을 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.
제1항에 있어서, 상기 드라이버(100)의 하축부에는 상기 축지지공(131)과 교차하는 핀체결공(135)이 형성되어 있고, 상기 축봉(300)의 일측에는 상기 핀체결공(135)과 연결되는 핀걸림홈(311)이 형성되어 있으며, 상기 핀체결공(135)과 핀걸림홈(311)에는 상기 축봉(300)을 붙잡아 주는 고정핀(310)이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하축부(120)의 외경부에는 길이방향으로 슬러지배출홈(121)이 형성되어 있고, 상기 축지지공(131)은 상기 슬러지배출홈(121)에서 인접한 비트수용홈(130)을 향하여 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 하축부(120)의 내부에는 상기 중앙홀(H1)의 하단에서 상기 비트수용홈(130)의 상부로 연결되는 공압홀(H2)이 형성되어 있고, 상기 토우비트(200)의 외륜부(212)에는 둘레방향으로 상기 공압홀(H2)과 연결되는 통기홈(213)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 토우비트(200)의 확장돌부(220)는 상기 외륜부(212)의 접선(接線) 방향으로 연장되는 돌부저면(221)과, 상기 회전지지부(210)의 중간부위에서 상기 돌부저면(221)과 평행하게 확장된 돌부상면(222)을 포함하여 이루어지고, 상기 돌부저면(221)과 돌부상면(222)은 각각 저면턱(133)과 측면턱(134)에 의해서 회전이 제한되는 것은 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비트수용홈(130)은 회전내벽부(132)를 형성하는 원의 내경(G1) 보다 상기 저면턱(133)과 측면턱(134) 사이의 입구 간격(G2)이 더 좁게 형성되어 있고, 상기 회전지지부(210)의 외륜부(212)에는 그 외경 중 일부가 상기 입구 간격(G2)과 동일한 외경을 갖도록 하는 절삭면(214)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 확장형 토우비트를 갖는 시추공 굴착장치.