KR20130138464A - 연속굴반기의 굴착방법 - Google Patents

연속굴반기의 굴착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속굴반기의 굴착방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력이 저하되는 것을 방지하여 깊은 곳까지 굴반을 할 수 있는 연속굴반기의 굴착방법에 대한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 연속굴반기의 굴착방법은 파워스위벨과 에어챔버가 형성된 챔버형 드릴로드파이프 사이에 대구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립한 후 상기 챔버형 드릴로드파이프의 일단에 탈착가능하게 고정된 드릴비트로 일정 깊이까지 굴착하는 제1굴착단계를 시행한다. 그리고 상기 일정 깊이까지 굴착한 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 분리하여 상기 드릴비트를 상승시킨다. 그리고 상승된 상기 드릴비트를 상기 챔버형 드릴로드파이프에서 분리시킨 후 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이에 소구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립시킨다. 그리고 상기 소구경의 드릴로드파이프를 조립 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 상기 파워스위벨과 상기 챔버형 드릴로드파이프 사이에 일렬로 복수 개 조립하여 상기 드릴비트로 상기 일정 깊이보다 더 깊이 굴착하는 제2굴착단계를 시행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 일정 깊이까지만 대구경의 드릴로드파이프를 사용하고 그 이상의 깊이의 경우 소구경의 드릴로드파이프를 사용하므로 압력을 더 높이지 않더라도 대구경에 작용한 압력으로 소구경의 드릴로드파이프를 사용하여 깊은 범위까지 암반을 굴착할 수 있다.

Description

연속굴반기의 굴착방법{The drilling method by reverse circulation drilling rig}
본 발명은 연속굴반기의 굴착방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 압력이 저하되는 것을 방지하여 깊은 곳까지 굴반을 할 수 있는 연속굴반기의 굴착방법에 대한 것이다.
도 1은 공개특허 제1999-0064758호에 개시된 연속굴반기의 개통도를 개략적으로 도시한 것이다. 파워팩(power pack)(100)의 작동에 따라 각 동력계통에 전원이 공급되게 되고, 케이싱(102)을 이용하여 굴반할 해당 토양층(soil)(104)의 깊이까지 설치하고 굴반기의 설치를 완료한다. 워터펌프(106)를 작동시켜 워터탱크(108)에 있는 용수를 물공급파이프(110)를 통해 케이싱(102)으로 공급하여 저장시키고, 에어콤프레서(112)를 작동시켜 에어를 에어공급호스(114)를 통하여 에어리프트파이프(116)를 매개하여 드릴로드파이프(118)의 하단에 설치되어 암반층(120)을 실질적으로 굴반하게 될 드릴비트(122)까지 공급되게 한다. 상기와 같은 상태에서 굴반기를 작동시킴으로서 드릴로드파이프(118)는 파워스위벨(power swivel)(124)에 의하여 회전하게 되고, 동시에 파워실린더(126)에 의하여 수직압력을 받게 되며, 그 회전력과 수직압력이 드릴비트(122)에 전달되게 된다.
이에 따라 드릴비트(122)의 몸체 하단에 복수로 설치된 커터들이 드릴비트(122)와 함께 회전 및 자전을 하면서 암반층(120)을 파쇄하게 되며, 이때 케이싱(102)에 있는 물이 암반층(120)으로 공급되면서 파쇄되는 파쇄석과 혼합되어 슬라임(slime)(128)을 형성하게 되며, 이렇게 만들어진 슬라임(128)은 드릴비트(122)까지 공급되고 있는 고압의 에어에 의하여 드릴로드파이프(118) 내부를 통하여 디스차지호스 (130)로 배출되게 된다. 즉 연속굴반기는 드릴비트(122)를 사용하여 암반층(120)을 파쇄시킨 후 에어콤프레서로 고압의 에어를 공급하여 드릴로드파이프(118) 내부에 상기 에어의 상승기류가 형성시켜서 파쇄된 슬라임(128)을 외부로 배출시킨다.
이러한 연속굴반기로 암반의 깊숙한 부위까지 파쇄를 시키므로 종래의 굴착하는 방법은 복수 개의 드릴로드파이프를 상부에서 연결하여 드릴비트(122)를 삽입시키면서 암반층(120)을 파쇄하였다.
종래의 연속굴반기의 경우 드릴비트(122)와 에어챔버가 일체로 형성되었다. 그래서 드릴로드파이프(118)로 슬라임(128)을 배출시키기 위하여 드릴비트(122)가 파내려간 깊이까지 에어콤프레서로 에어를 공급해야 하였다. 이 경우 드릴비트(122)가 지하로 깊숙이 내려가면 내려갈수록 압력이 저하되므로 더욱 강력한 압축력으로 에어를 공급해야 하였다. 그러나 파워스위벨(124)의 밀폐 능력이 한계가 있을 뿐만 아니라, 에어콤프레서(112)로 압력을 높이는 데에도 한계가 있다. 그래서 현재까지는 200m까지 굴착실적이 있으며, 더 이상의 깊이에서는 파워스위벨(124)의 밀폐성능을 기대할 수 없고, 밀폐기술이 개발된다고 하더라도 에어리프트파이프(116)가 20bar 이상을 견뎌야 하는 어려움이 있어서 현실적으로는 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명은 에어콤프레서의 압력을 더 이상 높이지 않더라도 200m 이상의 깊은 곳까지 굴착할 수 있는 연속굴반기의 굴착방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연속굴반기의 굴착방법은 파워스위벨과 에어챔버가 형성된 챔버형 드릴로드파이프 사이에 대구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립한 후 상기 챔버형 드릴로드파이프의 일단에 탈착가능하게 고정된 드릴비트로 일정 깊이까지 굴착하는 제1굴착단계를 시행한다. 그리고 상기 일정 깊이까지 굴착한 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 분리하여 상기 드릴비트를 상승시킨다. 그리고 상승된 상기 드릴비트를 상기 챔버형 드릴로드파이프에서 분리시킨 후 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이에 소구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립시킨다. 그리고 상기 소구경의 드릴로드파이프를 조립 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 상기 파워스위벨과 상기 챔버형 드릴로드파이프 사이에 일렬로 복수 개 조립하여 상기 드릴비트로 상기 일정 깊이보다 더 깊이 굴착하는 제2굴착단계를 시행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기의 연속굴반기의 굴착방법은 상기 제2굴착단계 후 상기 대구경 드릴로드파이프를 분리하여 상기 챔버형 드릴로드파이프를 상승시키는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 상승된 챔버형 드릴로드드파이프와 상기 드릴비트 사이에 복수 개의 소구경의 드릴로드파이프를 더 연결하여 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이의 거리를 더 연장시킨다. 그리고 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이의 거리를 연장시킨 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 상기 파워스위벨과 상기 챔버형 드릴로드파이프 사이에 일렬로 복수 개 조립하여 상기 제2굴착단계에서 굴착한 깊이보다 더 깊이 굴착하는 제3굴착단계를 시행한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연속굴반기의 굴착방법은 파워스위벨과 에어챔버가 형성된 챔버형 드릴로드파이프 사이에 대구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립하고, 상기 챔버형 드릴로드파이프와 드릴비트 사이에 소구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립하여 상기 드릴비트로 굴착한다.
본 발명에 의하면 일정 깊이까지만 대구경의 드릴로드파이프를 사용하고 그 이상의 깊이의 경우 소구경의 드릴로드파이프를 사용하므로 압력을 더 높이지 않더라도 대구경에 작용한 압력으로 소구경의 드릴로드파이프를 사용하여 깊은 범위까지 암반을 굴착할 수 있다.
도 1은 종래의 연속굴반기의 개념도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 연속굴반기의 굴착방법의 개념도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 연속굴반기를 사용한 굴착방법에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 연속굴반기의 경우 에어챔버와 드릴비트가 일체형으로 형성되어 분리되지 아니한다. 그러나 본 발명에 따른 굴착방법을 수행하기 위해서는 드릴로드파이프(11)에 관통공이 형성되어 에어챔버(12)가 드릴로드파이프(11)에 형성된다. 그리고 에어챔버(12)가 형성된 챔버형 드릴로드파이프(11)가 드릴비트(13)와 착탈가능하게 결합된다. 즉 드릴비트(13)가 챔버형 드릴로드파이프(11)에 분리될 수 있게 결합된다. 에어콤프레서로 압축공기를 공급하면 압축공기가 에어챔버(12)로 유입되어 챔버형 드릴로드파이프(11) 내부에 상승기류를 형성한다. 챔버형 드릴로드파이프(11) 내부에 형성된 상승기류에 의하여 굴착공의 물 및 슬라임이 함께 배출된다.
본 발명에 따른 굴착방법은 먼저 도 2의 (a)와 같이 대구경의 드릴로드파이프(15)를 복수 개 연결하여 드릴비트(13)를 하강시켜서 암반층(21)을 굴착한다. 즉 파워스위벨과 챔버형 드릴로드파이프(11) 사이에 대구경의 드릴로드파이프(15)를 일렬로 복수 개 조립하여 드릴비트(13)를 하강시켜서 암반층(21)을 굴착한다. 이는 종래의 도 1에 도시된 방법과 동일하다. 대구경의 드릴로드파이프(15)를 상부에서 조립시키므로, 대구경의 드릴로드파이프(15)가 조립됨에 따라 드릴비트(13)는 하강한다. 굴착된 암반층에 물을 공급한 후 에어콤프레서를 작동시키면 챔버형 드릴로드파이프(11)의 에어챔버(12)로 고압의 공기가 공급된다. 이로 인하여 상승기류가 형성되고 상기 상승기류에 의하여 물 및 슬라임이 대구경의 드릴로드파이프(15)를 통하여 상부로 토출된다. 지하 100m까지는 도 2의 (a)와 같이 기존의 방법과 동일하게 굴착한다. 이 경우 지하 200m까지 기존의 방법과 동일하게 굴착하는 것이 가능하지만 지하 100m 이하로 내려가면 슬라임을 상부로 토출시키기 위해서 더 많은 압축력이 필요하다. 그래서 에어콤프레서의 용량이 커져야 할 뿐만 아니라 파워스위벨의 밀폐 성능 등이 향상되어야 하므로 지하 100m 정도까지만 기존의 방법으로 하는 것이 바람직하다.
지하 100m 이하까지 굴착할 경우 소구경의 드릴로드파이프(17)를 사용한다. 이를 위하여 대구경의 드릴로드파이프(15)를 분리시켜 챔버형 드릴로드파이프(11)를 상부로 올린다. 그리고 도 2의 (b)와 같이 챔버형 드릴로드파이프(11)와 드릴비트(13)를 분리시켜서 복수 개의 소구경의 드릴로드파이프(17)로 원하는 길이만큼 연결시켜 챔버형 드릴로드파이프(11)와 드릴비트(13) 사이에 결합시킨다. 예를들면 지하 200m 깊이까지 굴착할 경우 복수 개의 소구경의 드릴로드파이프(17)를 100m 길이 만큼 연결시킨다. 그리고 도 2의 (c)와 같이 챔버형 드릴로드파이프(11)에 대구경의 드릴로드파이프(15)를 조립시키면서 드릴비트(13)를 하강시켜 지하 200m 깊이까지 굴착한다. 이때 대구경의 드릴로드파이프(15) 및 챔버형 드릴로드파이프(11)는 지하 100m 깊이까지만 삽입되고, 그 이하의 깊이는 소구경의 드릴로드파이프(17)가 삽입된다. 이 경우 에어콤프레서를 작동시키면 에어챔버(12)로 고압의 공기가 분사되어 대구경의 드릴로드파이프(15)에 상승기류가 형성된다. 대구경의 드릴로드파이프(15)에 형성된 상승기류에 의하여 대구경의 드릴로드파이프(15)가 잠겨있는 물이 함께 외부로 배출된다. 에어챔버(12)를 통하여 흡입된 공기와 물이 상승기류를 형성하여 대구경의 드릴로드파이프(15)를 통하여 외부로 토출될 경우 소구경의 드릴로드파이프(17)에 흡입력을 발생시킨다. 그러면 소구경의 드릴로드파이프(17)로 물 및 드릴비트(13)에 의하여 파쇄된 슬라임이 흡입되어 대구경의 드릴로드파이프(15)를 통하여 함께 외부로 토출될 수 있다. 이때 대구경의 드릴로드파이프(15)로는 공기, 물 및 슬라임이 함께 이송되지만, 소구경의 드릴로드파이프(17)로는 물 및 슬라임만이 이송된다. 그리고 소구경의 드릴로드파이프(17)의 직경의 크기를 조절하면 소구경의 드릴로드파이프(17)로 이송되는 물 및 슬라임의 속도를 조절할 수 있다. 여기서 소구경의 드릴로드파이프(17)의 직경의 크기를 조절하여 대구경의 드릴로드파이프(17)에서 이송되는 물 및 슬라임의 이송속도와 동일한 속도로 이송하도록 소구경의 드릴로드파이프(17)의 직경을 정하는 것이 바람직하다. 이 경우 챔버형 드릴로드파이프(11)는 종래의 작업방법과 동일한 깊이까지만 삽입되므로 종래의 작업방법과 동일한 압력을 사용하더라도 챔버형 드릴로드파이프(11)를 통하여 대구경의 드릴로드파이프(15)로 암반층의 물 및 공기를 외부로 분출할 수 있다. 대구경의 드릴로드파이프(15)를 통하여 물 및 공기가 외부로 분출될 때 생기는 진공압력이 소구경의 드릴로드파이프(17)에 작용하여 소구경의 드릴로드파이프(17)를 통하여 암반층의 물 및 슬라임을 외부로 분출시킬 수 있다.
이때 지하 200m까지 굴착한 후 더 깊은 곳까지 굴착할 필요가 있을 경우 다시 대구경의 드릴로드파이프(15)를 분리시켜 챔버형 드릴로드파이프(11)를 상승시킨다. 그리고 도 3의 (d)와 같이 챔버형 드릴로드파이프(11)가 상승되면 소구경의 드릴로드파이프(17)를 원하는 길이만큼 드릴비트(13)와 챔버형 드릴로드파이프(11) 사이에 조립한다. 소구경의 드릴로드파이프(17)가 조립되면 도 3의 (e)와 같이 대구경의 드릴로드파이프(15)를 조립시켜서 드릴비트(13)를 하강시키면서 굴착한다. 따라서 이와 같은 방법에 의하면 대구경의 드릴로드파이프(15)로 지하 100m 깊이의 물을 흡입할 수 있는 압력을 사용하여 그보다도 훨씬 깊은 곳의 슬라임을 외부로 토출시킬 수 있다.
11 : 챔버형 드릴로드파이프 12 : 에어챔버
13 : 드릴비트 15 : 대구경의 드릴로드파이프
17 : 소구경의 드릴로드파이프 21 : 암반층
100 : 파워팩 102 : 케이싱
104 : 토양층 106 : 워터펌프
108 : 워터탱크 110 : 물공급파이프
112 : 에어콤프레서 114 : 에어공급호스
116 : 에어리프트파이프 118 : 드릴로드파이프
120 : 암반층 122 : 드릴비트
124 : 파워스위벨 126 : 파워실린더
128 : 슬라임 130 : 디스차지 호스

Claims (3)

  1. 파워스위벨과 에어챔버가 형성된 챔버형 드릴로드파이프 사이에 대구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립한 후 상기 챔버형 드릴로드파이프의 일단에 탈착가능하게 고정된 드릴비트로 일정 깊이까지 굴착하는 제1굴착단계와,
    상기 일정 깊이까지 굴착한 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 분리하여 상기 드릴비트를 상승시키는 단계와,
    상승된 상기 드릴비트를 상기 챔버형 드릴로드파이프에서 분리시킨 후 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이에 소구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립시키는 단계와,
    상기 소구경의 드릴로드파이프를 조립 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 상기 파워스위벨과 상기 챔버형 드릴로드파이프 사이에 일렬로 복수 개 조립하여 상기 드릴비트로 상기 일정 깊이보다 더 깊이 굴착하는 제2굴착단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속굴반기의 굴착방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2굴착단계 후 상기 대구경 드릴로드파이프를 분리하여 상기 챔버형 드릴로드파이프를 상승시키는 단계와,
    상기 상승된 챔버형 드릴로드드파이프와 상기 드릴비트 사이에 복수 개의 소구경의 드릴로드파이프를 더 연결하여 상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이의 거리를 더 연장시키는 단계와,
    상기 챔버형 드릴로드파이프와 상기 드릴비트 사이의 거리를 연장시킨 후 상기 대구경의 드릴로드파이프를 상기 파워스위벨과 상기 챔버형 드릴로드파이프 사이에 일렬로 복수 개 조립하여 상기 제2굴착단계에서 굴착한 깊이보다 더 깊이 굴착하는 제3굴착단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연속굴착반기의 굴착방법.
  3. 파워스위벨과 에어챔버가 형성된 챔버형 드릴로드파이프 사이에 대구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립하고, 상기 챔버형 드릴로드파이프와 드릴비트 사이에 소구경의 드릴로드파이프를 일렬로 복수 개 조립하여 상기 드릴비트로 굴착하는 것을 특징으로 하는 연속굴반기의 굴착방법.
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