WO2013051611A1 - レーザー掘削装置 - Google Patents

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WO2013051611A1
WO2013051611A1 PCT/JP2012/075661 JP2012075661W WO2013051611A1 WO 2013051611 A1 WO2013051611 A1 WO 2013051611A1 JP 2012075661 W JP2012075661 W JP 2012075661W WO 2013051611 A1 WO2013051611 A1 WO 2013051611A1
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WO
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laser
optical fiber
tube
fiber cable
eccentric ring
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/075661
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English (en)
French (fr)
Inventor
孝男 乗岡
浩明 西尾
Original Assignee
独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
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Publication date
Application filed by 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構 filed Critical 独立行政法人石油天然ガス・金属鉱物資源機構
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
    • E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency
    • E21B47/135—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency using light waves, e.g. infrared or ultraviolet waves

Definitions

  • the present invention relates to a laser excavator.
  • rotary drilling In oil drilling, natural gas drilling, metal mine drilling, hot spring drilling, and civil engineering-related drilling, rotary drilling is generally used in which the drill bed rocks down by high-speed rotation of the drill bit. In rotary drilling, wear of the drill bit is inevitable, so it is necessary to periodically lift the drill string consisting of a drill pipe or coiled tubing from the bottom of the borehole or on the sea where the drilling rig is installed to replace the drill bit. appear.
  • excavation stop time during which excavation cannot be performed is reached. Since the drilling stop time becomes longer as the well becomes deeper, the drilling stop time becomes one of the dominant factors in the drilling schedule in deep drilling and deep water drilling. Therefore, shortening the excavation stop time is one of the important themes.
  • Laser drilling is known as a technology based on a principle different from rotary drilling.
  • Laser excavation is an excavation technique for non-contact excavation of a rock mass by irradiating the rock surface of the bottom of the rock with a laser beam.
  • One advantage of laser drilling is that rotary drilling eliminates the inevitable drill bit replacement. Therefore, laser drilling may be an epoch-making technique in deep drilling and deep water drilling. However, it has not yet been put to practical use.
  • drilling fluid is sent into the mine. Its main objectives are (1) removing the debris from the bottom of the well and transporting it to the surface, (2) forming a mud layer on the inner surface of the well, and pressurizing it with mud containing clay minerals, (3) Suppress oil, gas, water, etc. existing underground from jetting into the mine from the pit wall, and (4) Discharge so that heat generated during excavation does not accumulate at the bottom of the mine. Therefore, the drilling fluid is indispensable for smoothly performing the drilling operation.
  • Drilling fluid is supplied from the drilling rig on the ground or the sea through the drill string, discharged at the bottom of the drill hole, rises the annulus between the drill string and the wall, and returns to the drilling rig. Pumped to form a circulatory system.
  • the drilling fluid forms a liquid column connected from the drilling rig to the bottom of the drill string inside and outside the drill string, and the pressure of the liquid column is applied to the bottom of the drill string.
  • the pressure applied to the bottom of the well increases as the well is deepened. For example, in a well having a vertical depth of 7000 m, the hydraulic pressure applied to the bottom of the well usually exceeds 700 atm.
  • the underground temperature also increases due to the influence of geothermal heat. For example, at a vertical depth of 7000 m, the underground temperature is about 200 ° C. In this way, the bottom of the pit where excavation is performed is in a severe environment of pressurization by the excavation fluid and heating by geothermal heat.
  • Fluids used as drilling fluid can be classified into mud, brine, emulsion, gas, etc.
  • Muddy water is a slurry-like fluid having water or oil as a continuous phase, and is often prepared by adding bentonite of a clay mineral as a dispersed phase to fresh water or seawater.
  • bentonite reflects the laser beam or absorbs its energy, hindering laser beam irradiation. Therefore, in laser excavation, it is important to transmit as much energy as possible to the rock mass while minimizing the energy loss taken by the muddy water during the laser beam transmission process.
  • brine is a clear salt solution that does not contain solids, and is characterized in that it can be adjusted to any specific gravity up to 2.2.
  • Patent Document 1 discloses a lens assembly for high-power laser excavation installed just above the bottom of a well.
  • a condensing element including a condensing lens is provided at the end of an optical fiber so as to cover the excavation hole using at least 100 optical fibers according to the size of the excavation hole. Arranged.
  • This lens assembly is used by being installed toward the rock surface at the bottom of the well.
  • a cooling conduit is incorporated into the lens assembly for cooling the lens assembly and removing debris generated from the rock surface. That is, the cooling water flowing through the cooling conduit plays a role of removing the debris generated by laser irradiation after being injected into the well bottom after cooling the lens assembly.
  • the lens assembly and cooling conduit are housed in a protective container.
  • Patent Document 2 a laser beam is irradiated to the rock surface at the bottom of the borehole to generate thermal stress and to perform a steam explosion.
  • An apparatus and a method are disclosed in which the site is peeled off and the generated debris is removed by a cleaning system.
  • a laser beam rock mass is generated by an electro-optic laser beam switch so that each of the single laser beams constituting the group is irradiated to a corresponding position on the rock mass surface.
  • Excavation is performed by sequentially selecting the irradiation position, peeling the rock surface by beam irradiation, generating multiple overlapping pieces and removing them.
  • the apparatus disclosed in Patent Document 2 that is, a laser head, is (1) a beam forming optical package for condensing and adjusting the direction of a laser beam, and (2) a removal flow for removing strips and forming a laser beam passage. It consists of a package and (3) an electro-optic laser beam switcher, all of which are housed in a protective container.
  • Patent Document 3 discloses an apparatus for drilling rocks by moving a laser beam in water.
  • the apparatus disclosed in Patent Document 3 is an apparatus in which a laser oscillator, a laser transmission mechanism, a laser focusing diameter adjustment mechanism, a laser beam operation mechanism, and a monitoring mechanism are housed in a protective container.
  • the apparatus disclosed in Patent Document 3 is characterized in that the energy required for rock drilling is supplied not by laser but by electric power. That is, it is supplied from a drilling rig on the ground or the sea to the laser oscillator in the protective container with a power cable and oscillates the laser beam there.
  • the laser beam is adjusted to focus on the bottom of the rock to be drilled and provides energy to the rock.
  • the laser beam operating mechanism has a function of moving the laser beam on the rock, but the structure is specifically described in Patent Document 3. There is no.
  • Patent Document 4 the shape of the beam is adjusted so that the energy supplied by the laser beam has a predetermined profile on the rock surface.
  • Systems, apparatus, and methods are disclosed, and in particular, various embodiments are disclosed for laser bottom hole assemblies that deliver high power lasers to rock surfaces.
  • the laser well bottom assembly in Patent Document 4 includes a lens assembly and a moving mechanism thereof.
  • the laser beam has a Gaussian beam pattern.
  • this beam pattern is converted into a desired pattern through a lens assembly.
  • the beam pattern is converted into a plurality of spots.
  • the moving mechanism imparts rotation driven by a motor to the beam pattern. That is, in the system disclosed in Patent Document 4, the shape of a laser beam is adjusted by a lens assembly, the shape is rotated by a motor drive, and a laser beam pattern is drawn on the rock surface at the bottom of the well.
  • This laser well bottom assembly ie, the laser head
  • This laser well bottom assembly ie, the laser head
  • the cleaning fluid partially flows out from the side of the laser head and is used to transport the debris to the ground, while it flows out from the tip so as to wrap the laser beam and removes the debris from the rock surface at the bottom.
  • the laser beam is emitted from the exit window provided in the protective container toward the rock surface. Diggs scatter from the rock surface to the exit window, but the collision and adhesion of the digs are prevented by jetting the clean fluid.
  • the conventional laser drilling apparatus described above is summarized as follows.
  • a drilling rig installed on the ground or the sea and the bottom of the shaft are connected by an optical fiber, and a laser head is installed at the tip.
  • the laser beam supplied from the drilling rig through the optical fiber is emitted from the laser head toward the rock surface.
  • all of the prior art uses lens assemblies, where the laser beam pattern and illumination direction are adjusted.
  • the laser head disclosed in Patent Document 1 covers an excavation hole with 100 or more optical fibers, a lens assembly is individually installed at each end of the optical fiber, and the lens assembly is opposed to the entire rock surface at the bottom of the well. .
  • the laser head disclosed in Patent Document 2 condenses one laser beam in a lens assembly, adjusts the irradiation direction, and sequentially selects the irradiation position by an electro-optic laser beam switch, and applies laser energy to the rock surface.
  • the electro-optic laser beam switch faces the rock surface at the bottom.
  • the laser head disclosed in Patent Document 3 adjusts the focusing distance in a lens assembly (laser focusing diameter adjusting mechanism) and distributes the laser energy to the rock surface at the bottom of the well by a laser beam operating mechanism.
  • Patent Document 3 does not disclose an embodiment of the laser beam operation mechanism.
  • Patent Document 4 refers to motor drive.
  • the laser head disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 draws a laser beam pattern on the rock surface at the bottom of a well by adjusting the shape of a laser beam in a lens assembly and then rotating the shape by driving a motor.
  • Patent Documents 1 to 4 all include a lens assembly in the laser head.
  • the lens assembly functions in a clean atmosphere at room temperature, and does not function in a bottom-hole environment heated by geothermal heat in a high-pressure drilling fluid. For this reason, the laser head must be stored in a protective container and kept at room temperature by cooling with water.
  • a fresh water circulation line connecting the ground or the sea and the inside of the mine is required. Since it is difficult to produce low-temperature fresh water on the ground or the sea and supply it to the bottom of the well while maintaining a low temperature, it is inevitable to install a cooler for producing cooling water in the well.
  • the bottom of the pit where excavation takes place is in a harsh environment of pressurization with drilling fluid and heating with geothermal heat.
  • the pressure of the drilling fluid applied to the bottom of the well usually exceeds 700 atm, and the temperature exceeds 200 ° C. due to the influence of geothermal heat.
  • electrical or optical devices such as lens assemblies and electro-optic laser beam switchers in such a harsh underground environment
  • these devices are housed in protective containers and isolated in a clean atmosphere.
  • a dedicated control power cable and a fresh water circulation line are required.
  • the present invention has been made in view of the above technical problems. According to some embodiments of the present invention, it is possible to provide a laser excavation apparatus that can draw a desired laser beam pattern on a rock surface in a severe downhole environment.
  • the laser excavator according to the present invention is With fiber optic cable, A tube containing the optical fiber cable; A first eccentric ring that penetrates the tube and rotatably supports the tube via a bearing; A second eccentric ring including the first eccentric ring and rotatably supporting the first eccentric ring via a bearing; A fixing ring that includes the second eccentric ring and rotatably supports the second eccentric ring via a bearing; Including The central axis of the tube is moved by the rotation of the first eccentric ring and the second eccentric ring, and the position of the beam radiation end of the optical fiber cable contained in the tube is moved.
  • the central axis of the tube is moved by the rotation of the first eccentric ring and the second eccentric ring, and the position of the beam radiating end of the optical fiber cable contained in the tube is moved.
  • the first eccentric ring and the second eccentric ring can be rotated in a mechanical configuration.
  • the mechanical configuration has high reliability in a harsh underground environment as compared with electrical equipment and optical equipment. Therefore, it is possible to realize a laser excavation apparatus that can draw a desired laser beam pattern on the rock surface in a severe underground environment.
  • a first wave gear device that penetrates the tube A second wave gear device penetrating the tube; Further including Connecting the pipe to an input portion of the first wave gear device via a joint, and connecting the first eccentric ring to an output portion of the first wave gear device; Connecting the pipe to an input portion of the second wave gear device via a joint, and connecting the second eccentric ring to an output portion of the second wave gear device; Rotating the first eccentric ring by decelerating the rotation of the tube with the first wave gear device; The second eccentric ring may be rotated by decelerating the rotation of the tube with the second wave gear device.
  • the rotation of the tube is decelerated by the first wave gear device to rotate the first eccentric ring
  • the rotation of the tube is decelerated by the second wave gear device to rotate the second eccentric ring.
  • the first eccentric ring and the second eccentric ring can be rotated by utilizing the rotation of. Therefore, it is possible to realize a highly reliable laser drilling apparatus even in a harsh underground environment compared to electrical equipment and optical equipment.
  • a jacket that covers the optical fiber cable with a gap may be further included.
  • a fluid for example, fresh water
  • a fluid that is highly transparent to the laser beam
  • It may further include a nozzle provided in communication with the gap between the optical fiber cable and the jacket and surrounding the beam radiation end of the optical fiber cable.
  • a highly transparent fluid for example, fresh water
  • a highly transparent fluid for example, fresh water
  • the optical fiber cable includes a plurality of optical fibers, It may further include a nozzle that communicates with the gap between the optical fiber cable and the jacket and that surrounds the beam emitting ends of the plurality of optical fibers.
  • a highly transparent fluid for example, fresh water
  • a highly transparent fluid for example, fresh water
  • the tube includes the optical fiber cable with a gap, It may further include a nozzle provided so as to communicate with the gap between the optical fiber cable and the tube and to surround the beam emitting end of the optical fiber cable.
  • drilling fluid such as muddy water can be discharged from a nozzle that is in communication with the gap between the optical fiber cable and the pipe and that surrounds the beam radiation end of the optical fiber cable. Therefore, it is possible to easily remove the melted material such as the rock mass melted by the laser beam.
  • the tube may include an outer tube and an inner tube that are slidable relative to each other.
  • the pipe is configured to include the outer pipe and the inner pipe that are provided so as to be able to swing relative to each other, the length can be adjusted autonomously.
  • the length of the tube is determined using the outflow resistance of the drilling fluid. You can change it autonomously. Therefore, it can suppress that a pipe
  • It may further include a protective shell provided outside the movable range of the optical fiber cable and covering at least a part of the movable range of the optical fiber cable.
  • the protective shell is provided outside the movable range of the optical fiber cable and covers at least a part of the movable range of the optical fiber cable. Can be suppressed.
  • the beam emission end of the optical fiber cable may protrude outward from the end of the tube.
  • the optical fiber cable can be brought close to the rock mass, the energy of the laser can be efficiently supplied to the rock mass.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an outline of functions of a laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal sectional view schematically showing a main part of the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view schematically showing the main configuration of the laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the optical fiber cable 11.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the optical fiber cable 11.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof, schematically showing another configuration example of the laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an outline of functions of a laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a horizontal sectional view schematically showing a main part of the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11.
  • FIG. 8 is a diagram schematically illustrating another configuration example of the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof, schematically showing another configuration example of the laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • 9B is a cross-sectional view of the vicinity of the beam emission end 37 taken along the line AA in FIG. 9A.
  • FIG. 10 is a vertical sectional view schematically showing a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof.
  • FIG. 11 is a vertical sectional view schematically showing a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof.
  • FIG. 12 is a vertical sectional view schematically showing the main configuration of the laser excavator 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 13A is a horizontal sectional view of the optical fiber cable 11 of the laser excavator according to the third embodiment.
  • FIG. 13B is a vertical cross-sectional view (cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
  • FIG. 13A schematically showing a configuration example of the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof in the laser excavator according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the holding mechanism 150.
  • FIG. 15 is a vertical cross-sectional view schematically showing the main configuration of the laser excavator 3 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16A is a diagram showing an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 16B is a diagram showing an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 16C is a diagram illustrating an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 16D is a diagram showing an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 16E is a diagram showing an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 16F is a diagram illustrating an example of the laser beam pattern 205.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining an outline of functions of a laser excavation device 1 according to the first embodiment.
  • the function of the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment is such that the beam radiation surface 201, which is a surface on which the beam radiation end moves, is opposed to the rock surface 202, and on the beam radiation surface 201,
  • the moving pattern 203 is formed by moving the beam emission end of the optical fiber, and the laser beam 204 is irradiated onto the rock surface 202 to project the moving pattern 203 onto the rock surface 202 to draw the laser beam pattern 205.
  • the laser beam 204 includes a plurality of laser beams.
  • FIG. 2 is a horizontal sectional view schematically showing the main part of the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a vertical sectional view schematically showing the main configuration of the laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • the laser excavation apparatus 1 includes an optical fiber cable 11, a pipe 12 containing the optical fiber cable 11, a first eccentric ring that penetrates the pipe 12 and rotatably supports the pipe 12 via a bearing 14. 13, a first eccentric ring 13, a second eccentric ring 15 that rotatably supports the first eccentric ring 13 via a bearing 16, a second eccentric ring 15, and a bearing 18. And a fixed ring 17 that rotatably supports the eccentric ring 15, and the central axis of the tube 12 is moved by the rotation of the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15, and the optical fiber cable enclosed in the tube 12 11 beam radiation ends 37 are moved.
  • the laser excavation apparatus 1 accommodates the optical fiber cable 11 in the pipe 12 and applies a mechanism having a double eccentric ring to the pipe 12 and the pipe 12.
  • the included optical fiber cable 11 is freely moved in the plane.
  • the outer shape of the cross section of the tube 12 is circular.
  • the inner shape of the cross section of the tube 12 may be any shape as long as the optical fiber cable 11 can be included.
  • the pipe 12 may function as a drilling fluid supply pipe for supplying a drilling fluid 38 such as mud water into the mine.
  • the first eccentric ring 13 is a ring having an eccentric circular inner peripheral surface.
  • the tube 12 passes through the inside of the circular inner peripheral surface of the first eccentric ring 13 via the bearing 14.
  • the first eccentric ring 13 is configured to support the tube 12 via a bearing 14 and to allow the tube 12 to freely rotate with respect to the first eccentric ring 13.
  • the second eccentric ring 15 is a ring having an eccentric circular inner peripheral surface.
  • the first eccentric ring 13 is fitted inside the circular inner peripheral surface of the second eccentric ring 15 via a bearing 16. That is, the second eccentric ring 15 is configured to include the first eccentric ring 13.
  • the second eccentric ring 15 supports the first eccentric ring 13 via the bearing 16 and is configured so that the first eccentric ring 13 can freely rotate with respect to the second eccentric ring 15.
  • the fixing ring 17 is a ring having a circular inner peripheral surface.
  • the fixing ring 17 may be configured in a tubular shape.
  • the second eccentric ring 15 is fitted inside the circular inner peripheral surface of the fixed ring 17 via a bearing 18. That is, the fixing ring 17 is configured to include the second eccentric ring 15.
  • the fixing ring 17 supports the second eccentric ring 15 via a bearing 18 and is configured so that the second eccentric ring 15 can freely rotate with respect to the fixing ring 17.
  • bearing 14 bearing 16, and bearing 18
  • various well-known bearings such as a ball bearing and a roller bearing, are employable, for example.
  • the planetary movement about the central axis of the tube 12 is performed in a range inside a circle 21 having a radius of the sum of the first eccentric amount 22 and the second eccentric amount 23. It becomes possible to make it. That is, the circular motion having the radius of the first eccentric amount 22 and the circular motion having the radius of the second eccentric amount 23 are superimposed, and the central axis of the tube 12 performs planetary motion. As the central axis of the tube 12 moves, the optical fiber cable 11 included in the tube 12 also moves.
  • the central axis of the tube 12 is moved by the rotation of the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15, and the beam radiation of the optical fiber cable 11 included in the tube 12.
  • the position of the end 37 is moved.
  • the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 can be rotated in a mechanical configuration.
  • the mechanical configuration has high reliability in a harsh underground environment as compared with electrical equipment and optical equipment. Therefore, the laser excavation apparatus 1 that can draw a desired laser beam pattern 205 on the rock surface 202 under a severe underground environment can be realized.
  • the laser excavator 1 further includes a first wave gear device 31 that penetrates the tube 12 and a second wave gear device 32 that penetrates the tube 12, and the tube 12 is connected via a joint 33.
  • the first eccentric ring 13 is connected to the output portion of the first wave gear device 31, and the pipe 12 is connected to the input of the second wave gear device 32 via the joint 34.
  • the second eccentric ring 15 is connected to the output portion of the second wave gear device, the rotation of the tube 12 is decelerated by the first wave gear device 31 to rotate the first eccentric ring 13, and the tube 12 May be decelerated by the second wave gear device 32 to rotate the second eccentric ring 15. That is, the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 may be rotated using the rotational force of the tube 12 as a drive source.
  • the drive source for the rotation of the tube 12 there is no particular limitation on the drive source for the rotation of the tube 12.
  • a motor may be installed on the ground or the sea, and the tube 12 may be rotated by the rotational force of the motor.
  • a downhole motor that obtains the rotation of a motor shaft using the flow of drilling fluid 38 such as mud that is fed into the mine through the drill string from the ground or the sea is installed in the mine, and the pipe is generated by the rotational force of the downhole motor. 12 may be rotated. In the latter case, all or part of the drilling fluid 38 may be introduced into the tube 12 after driving the downhole motor.
  • the rotational force of the pipe 12 is transmitted to the first eccentric ring 13 via the joint 33 and the speed reducer, and the joint 34. And transmitted to the second eccentric ring 15 via the reduction gear.
  • the joint 33 and the joint 34 connect the pipe 12 and the speed reducer, and are not particularly limited. As the joint 33 and the joint 34, for example, an Oldham joint is applicable.
  • a wave gear device (harmonic gear reducer) is adopted as a reducer. That is, the rotational force of the pipe 12 is transmitted to the first eccentric ring 13 through the joint 33 and the first wave gear device 31, and is transmitted to the second eccentric ring 15 through the joint 34 and the second wave gear device 32.
  • the wave gear unit is coaxial and takes the inner ring as an input and the outer ring as an output without using a complicated mechanism or structure, and a high reduction ratio of about 1/30 to 1/320 can be obtained. Therefore, it is suitable for harsh underground environments.
  • the rotating tube 12 passes through the first wave gear device 31, the first eccentric ring 13 and the second wave gear device 32, and the inside of the first wave gear device 31 through the joint 33. It is connected to a ring (corresponding to the input portion of the first wave gear device 31) and connected to an inner ring (corresponding to the input portion of the second wave gear device 32) of the second wave gear device 32 via a joint 34.
  • the rotation is transmitted to the first wave gear device 31 and the second wave gear device 32.
  • the rotation of the pipe 12 is decelerated at the respective reduction ratios in the first wave gear device 31 and the second wave gear device 32 and is output from the respective outer rings.
  • the outer ring of the first wave gear device 31 (corresponding to the output portion of the first wave gear device 31) has the first eccentric ring 13 so that the central axis thereof coincides with the central axis of the outer circumference of the first eccentric ring 13. Connected.
  • the outer ring of the second wave gear device 32 (corresponding to the output portion of the second wave gear device 32) has a second eccentricity such that the central axis coincides with the central axis of the outer circumferential circle of the second eccentric ring 15. Connected to the ring 15.
  • the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 can be rotated at a predetermined rotational speed by the rotational force of the tube 12.
  • the rotation of the tube 12 is decelerated by the first wave gear device 31 to rotate the first eccentric ring 13, and the rotation of the tube 12 is performed by the second wave gear device 32. Since the second eccentric ring 15 is rotated by decelerating, the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 can be rotated using the rotation of the tube 12. Therefore, the laser drilling apparatus 1 with higher reliability can be realized even in a harsh underground environment compared to electrical equipment and optical equipment.
  • the planetary motion of the tube 12 due to the simultaneous rotation of the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 is included in the tube 12 on the upstream side of the tube 12 (the tube 12 contains more than the first eccentric ring 13.
  • the universal joint 35 provided on the far side from the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 is used as a fulcrum. Accordingly, as shown in FIG.
  • the first wave gear device 31, the second wave gear device 32, and the fixing ring 17 are fixed to the fixed pipe 48 on the outer periphery, and contact with the drilling fluid 38 in the mine is cut off by the seal portion 49. ing.
  • the fixing ring 17 and the fixing tube 48 may be integrally formed.
  • the tube 12 is connected via a coupling member 42 on the upstream side (the side farther from the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 included in the tube 12 than the first eccentric ring 13).
  • the rotary tube 43 is coupled.
  • the rotary tube 43 is coupled to the output shaft of a downhole motor (not shown) on the upstream side (the side farther from the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 included in the tube 12 than the coupling member 42). . That is, in the laser excavator 1 according to the first embodiment, the rotary tube 43 rotates by being coupled with the output shaft of the downhole motor, and further rotates the tube 12 via the universal joint 35.
  • the drilling fluid 38 is guided to the inside of the rotary tube 43, further guided to the tube 12, and sprayed from the tube end 36, which is the end of the tube 12, toward the rock surface 202. Then, the debris generated on the rock surface 202 is removed. Then, the scraps are transported through the gap between the housing 44 and the pit wall 50 of the laser excavator 1, that is, the annulus, and returned to the excavation rig.
  • the rotating tube 43 may be elastically deformed in the housing 44 by a known deflection mechanism, for example, a rotary steerable system to bend and deflect it.
  • a known deflection mechanism for example, a rotary steerable system to bend and deflect it.
  • the central axis 47 of the rotary tube 43 is displaced from the central axis 46 of the housing 44 at the focal bearing 45.
  • the tube 12 performs planetary motion with the universal joint 35 as a fulcrum and the central axis 47 as an axis by the action of the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15.
  • the planetary motion of the tube 12 is transmitted and expanded by a laser beam 204 that is directed towards the rock surface 202, allowing the laser beam 204 to draw a laser beam pattern 205 on the rock surface 202.
  • the central axis 47 is the excavation direction.
  • the optical fiber cable 11 is configured to include one optical fiber, but the optical fiber cable 11 may be configured to include a plurality of optical fibers.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the optical fiber cable 11.
  • the optical fiber cable 11 in the optical fiber cable 11, ten optical fibers 60 are accommodated in a protective sheath 65, and a gap between the protective sheath 65 and the optical fiber 60 is filled with a jelly 66.
  • each of the ten optical fibers 60 serves as a path for the laser beam 204. Since the optical fiber cable 11 includes a plurality of optical fibers 60, more energy can be given to the rock surface 202.
  • the protective sheath 65 of the optical fiber cable 11 having such a configuration is required to withstand a high temperature and high pressure underground environment.
  • the protective sheath 65 is preferably a metal tube.
  • the material of the protective sheath 65 include stainless steel, heat-resistant steel, and nickel-based alloy.
  • the jelly 66 functions to prevent water from entering from the inner end of the protective sheath 65 in the longitudinal direction.
  • a thixotropic viscous fluid compound can be used as the jelly 66.
  • Advantages of the optical fiber cable 11 shown in FIG. 4 include that it can be manufactured at a lower cost than the configuration described later with reference to FIGS. 5 to 9, and that a long cable of 10 km can be easily manufactured integrally.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the optical fiber cable 11.
  • the optical fiber cable 11 is configured such that ten optical fibers 60 are accommodated in a groove provided on the outer periphery of the slot rod 61 and a presser wound layer 62 is wound so as to seal the groove. ing.
  • a tension member 63 made of a stranded steel wire is embedded in the slot rod 61.
  • the presser wound layer 62 is reinforced by an iron wire layer 64 on the outer periphery, and a protective sheath 65 is formed thereon.
  • each of the ten optical fibers 60 serves as a path for the laser beam 204. Since the optical fiber cable 11 includes a plurality of optical fibers 60, more energy can be given to the rock surface 202.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof, schematically showing another configuration example of the laser excavator 1 according to the first embodiment.
  • the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment may further include a jacket 70 that has a gap 71 and covers the optical fiber cable 11.
  • a transparent fluid (fluid (eg, fresh water) that is more transparent to the laser beam 204 than the drilling fluid 38 (eg, muddy water)) is supplied to the optical fiber. It can flow up to the beam radiation end 37 of the cable 11.
  • the transparent fluid eg, fresh water
  • the transparency to the laser beam 204 between the beam emission end 37 and the rock surface 202 can be increased. Therefore, the laser drilling apparatus 1 with high energy efficiency can be realized.
  • the laser excavation apparatus 1 is configured to further include a nozzle that is in communication with the gap 71 between the optical fiber cable 11 and the jacket 70 and is provided so as to surround the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11. May be.
  • FIG. 7 is a diagram schematically illustrating a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11.
  • ten circular single-hole nozzles 80 arranged at equal intervals so as to surround the beam radiation end 37 are provided around the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11.
  • the number and shape of the single-hole nozzles 80 can be arbitrarily selected according to the specifications of the laser excavator 1.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing another configuration example of the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11.
  • a slit nozzle 90 divided into four parts is provided around the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 so as to surround the beam radiation end 37 at equal intervals.
  • the number and shape of the slit nozzles 90 can be arbitrarily selected according to the specifications of the laser excavator 1.
  • the slit nozzle 90 is provided so as to surround a part of the direction of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 when viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11.
  • the slit nozzle 90 may be provided so as to surround all directions of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11.
  • a transparent fluid (excavation fluid 38 (muddy water) is obtained from a nozzle (single hole nozzle 80 or slit nozzle 90) provided so as to surround the beam emission end 37 of the optical fiber cable 11. Etc.) can be emitted to the laser beam 204 (eg, fresh water).
  • the laser beam 204 eg, fresh water.
  • the excavation debris generated by the irradiation of the laser beam 204 can be quickly removed from the rock surface 202 using a transparent fluid ejected from the nozzle.
  • the occurrence of turbidity between the beam radiation end 37 and the rock surface 202 can be suppressed.
  • the optical fiber cable 11 includes a plurality of optical fibers 60, communicates with the gap 71 between the optical fiber cable 11 and the jacket 70, and the beam emission ends of the plurality of optical fibers 60 are respectively connected.
  • You may be comprised including the nozzle 100 provided so that it might surround.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof schematically showing another configuration example of the laser excavation apparatus 1 according to the first embodiment
  • FIG. 9B is an A of FIG. It is sectional drawing in the -A line.
  • the nozzle 100 is provided at the end of the jacket 70 so that the center line coincides with the end of the optical fiber 60 (beam emission end).
  • the nozzle 100 is a circular single hole nozzle.
  • the transparent fluid is guided from the gap 71 to the nozzle 100 to form a transparent fluid jet stream 101. Since the transparent fluid jet stream 101 coincides with the end of the optical fiber 60 and the center line, the laser beam 204 emitted from the optical fiber 60 reaches the rock surface 202 through the transparent fluid jet stream 101 as a passage.
  • FIG. 9B the nozzle 100 is provided at the end of the jacket 70 so that the center line coincides with the end of the optical fiber 60 (beam emission end).
  • the nozzle 100 is a circular single hole nozzle.
  • the transparent fluid is guided from the gap 71 to the nozzle 100 to form a transparent fluid jet stream 101. Since the transparent fluid jet stream 101 coincides with the end of the optical fiber 60 and the center line, the laser beam 204 emitted from the optical fiber 60 reaches the rock surface 202
  • the nozzle 100 is provided so as to surround all directions of the beam radiation end of the optical fiber 60 when viewed from the direction along the central axis of the optical fiber 60, but it does not necessarily surround all directions. It is not necessary to be provided as such. For example, as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber 60, there may be a portion where the nozzle 100 is not provided in a part around the beam emission end of the optical fiber 60.
  • the laser is more transparent than the transparent fluid (excavation fluid 38 (such as mud water)) from the plurality of nozzles 100 provided so as to surround the beam emission ends of the plurality of optical fibers 60.
  • a fluid that is highly transparent to the beam 204 eg, fresh water
  • the transparency with respect to the laser beam 204 between the beam emission end 37 and the rock surface 202 can be enhanced.
  • the fluid discharged from the nozzle 100 can suppress the entry of foreign matter onto the path of the laser beam 204. Therefore, the laser drilling apparatus 1 with high energy efficiency can be realized.
  • the environment surrounding the transparent fluid jet 101 formed by the single-hole nozzle 80, the slit nozzle 90 or the nozzle 100 is the drilling fluid 38. That is, the transparent fluid jet stream 101 is formed in the flowing drilling fluid 38.
  • Muddy water which is a typical drilling fluid, is a slurry-like fluid having water or oil as a continuous phase, and functions as a passage for the laser beam 204.
  • energy loss with respect to the laser beam 204 is large. From the viewpoint of efficiency, it is not preferable.
  • the transparent fluid provides a path for the laser beam 204 over muddy water from an energy efficiency perspective.
  • the transparent fluid and the drilling fluid may be selected so that the specific gravity of the transparent fluid is larger than that of the drilling fluid. As a result, the refractive index of the transparent fluid exceeds the refractive index of the drilling fluid, allowing total reflection.
  • An example of a suitable drilling fluid is brine.
  • Brine is a salt solution and preferably has a specific gravity of 1.4 to 2.2 from the viewpoint of realizing total reflection.
  • a fluid that becomes a gas at room temperature and normal pressure such as nitrogen, argon, or helium, may be selected.
  • the tube 12 has a gap 121 and encloses the optical fiber cable 11, communicates with the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the tube 12, and beam radiation of the optical fiber cable 11.
  • a nozzle 110 provided so as to surround the end 37 may be further included.
  • FIG. 10 is a vertical sectional view schematically showing a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof.
  • the central axis of the non-rotating optical fiber cable 11 is aligned with the central axis of the rotating tube 12 at the tube end 36 of the tube 12.
  • the nozzle 110 is a slit nozzle that communicates with the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the tube 12 and is configured by the inner surface of the tube end 36 and the outer surface of the optical fiber cable 11. is there.
  • FIG. 10 is a vertical sectional view schematically showing a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof.
  • the nozzle 110 is provided so as to surround all directions of the beam emitting end 37 of the optical fiber cable 11 when viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11. It is not necessary to be provided to surround. For example, as viewed from the direction along the central axis of the optical fiber cable 11, there may be a portion where the nozzle 110 is not provided in a part around the beam emission end 37.
  • the drilling fluid 38 flowing through the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the pipe 12 is jetted from the nozzle 110 toward the rock surface 202 and becomes a drilling fluid jet stream 39.
  • the laser beam 204 emitted from the beam emitting end 37 reaches the rock surface 202 and melts the rock.
  • the generated melt and exfoliation pieces are removed by excavation fluid jet stream 39 ejected from nozzle 110 to become debris, conveyed by excavation fluid 38, and rock excavation proceeds.
  • the muddy water is communicated from the nozzle 110 provided to communicate with the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the pipe 12 and surround the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11. Or other drilling fluid 38 can be discharged. Therefore, it is possible to easily remove the melted material such as the bedrock melted by the laser beam 204.
  • the drilling fluid 38 flows to the outer periphery of the pipe end 36 after colliding with the rock surface 202 as a drilling fluid jet 39.
  • the thickness of the liquid layer of the drilling fluid 38 flowing out is the smallest immediately below the pipe end 36.
  • the liquid layer thickness 113 which is the thickness of the drilling fluid 38 immediately below the pipe end 36, is not affected when the gap 112 between the pipe end 36 and the rock surface 202 is wide, but the gap 112 is not spaced apart. When it becomes narrower, the rock surface 202 is affected. That is, the liquid layer thickness 113 is regulated by the gap 112, the outflow speed of the drilling fluid 38 at this portion increases, and the pressure loss increases. This increase in pressure loss appears as an increase in the back pressure of the tube 12 on the ground or at sea.
  • the pipe end is obtained by using the own weight of the laser drilling apparatus 1 so that the back pressure of the pipe 12 falls within a predetermined range while supplying the drilling fluid 38 to the pipe 12 in a fixed amount. If an appropriate load is applied to 36, the gap 112 can be maintained in an appropriate range. As a result, since the gap 112 is stabilized, excavation can be continued under stable excavation conditions.
  • the laser beam 204 is emitted from the optical fiber 60 into the drilling fluid 38.
  • mud is used as the drilling fluid 38, but the use of mud involves a transmission loss of energy of the laser beam 204.
  • a fluid that absorbs less laser light than mud water may be used as the drilling fluid 38.
  • One of the functions of the drilling fluid 38 is the transport of swarf, and after separating the swarf on the ground or on the sea, it is sent again to the bottom of the mine, but it becomes turbid even when a fluid that absorbs less laser light than mud is applied It is unavoidable that this occurs, and a certain amount of energy transmission loss is unavoidable.
  • the nozzle 100 is provided so that the end of the optical fiber 60 and the center line coincide with each other, and the transparent fluid jet stream 101 is formed. It is formed in the drilling fluid 38 and can be used as a path for the laser beam 204. Since the transparent fluid jets 101 need only be provided by the number of the optical fibers 60, the flow rate of the transparent fluid is much smaller than the flow rate of the drilling fluid 38. Therefore, even if the transparent fluid is added, there is no obstacle to the establishment of the recycling system for the drilling fluid 38. This method makes it possible to suppress the energy transmission loss of the laser beam 204 to the limit.
  • FIG. 11 is a vertical sectional view schematically showing a configuration example of the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 and the vicinity thereof.
  • the central axis of the non-rotating optical fiber cable 11 is aligned with the central axis of the rotating tube 12 at the tube end 36 of the tube 12.
  • the nozzle 110 is a slit nozzle that communicates with the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the tube 12 and is configured by the inner surface of the tube end 36 and the outer surface of the optical fiber cable 11. is there.
  • the drilling fluid 38 flowing through the gap 121 between the optical fiber cable 11 and the pipe 12 is jetted from the nozzle 110 toward the rock surface 202 and becomes a drilling fluid jet stream 39.
  • the nozzle 100 is provided so that the end of the optical fiber 60 (beam emission end) and the center line coincide.
  • the nozzle 100 is a circular single hole nozzle.
  • the transparent fluid is guided from the gap 71 to the nozzle 100 to form a transparent fluid jet stream 101. Since the transparent fluid jet stream 101 coincides with the center line of the end portion of the optical fiber 60, the laser beam 204 emitted from the optical fiber 60 reaches the rock surface 202 by using the transparent fluid jet stream 101 as a passage to melt the rock.
  • the generated melt and exfoliation pieces are removed by excavation fluid jet stream 39 ejected from nozzle 110 to become debris, conveyed by excavation fluid 38, and rock excavation proceeds.
  • a transparent fluid layer 120 is formed to transport the debris and eventually integrate with the drilling fluid 38.
  • the drilling fluid 38 is supplied to the pipe 12 in a fixed amount, and the suspension load of the laser drilling apparatus 1 is adjusted so that the back pressure of the pipe 12 falls within a predetermined range. If an appropriate load is applied, the gap 112 can be kept in an appropriate range. As a result, the energy density of the laser beam 204 supplied to the rock surface 202 by the laser beam 204 emitted from the beam emission end 37 is stabilized, resulting in stable destruction of the rock mass. Therefore, excavation can be continued under stable excavation conditions.
  • FIG. 12 is a vertical sectional view schematically showing the main configuration of the laser excavation device 2 according to the second embodiment.
  • the back pressure of the pipe 12 detected on the ground or the sea is kept within a predetermined range in order to keep the gap 112 between the pipe end 36 and the rock surface 202 properly.
  • the laser excavator 2 according to the second embodiment has a configuration that can autonomously adjust the gap 112 in the mine.
  • symbol is attached
  • the laser excavator 2 is configured to include an outer tube 132 and an inner tube 133 in which the tube 12 is provided so as to be capable of sliding with respect to each other.
  • the tube 12 is configured to include an outer tube 132 and an inner tube 133 having a slidable overlapping portion 134.
  • the outer tube 132 is arranged on the upstream side, and the inner tube 133 is arranged on the downstream side.
  • the inner tube is arranged on the upstream side and the outer tube is arranged on the downstream side. Good.
  • FIG. 12 the example shown in FIG.
  • a seal portion 135 that seals between the outer tube 132 and the inner tube 133 at a position corresponding to the end portion of the outer tube 132 and a position corresponding to the end portion of the inner tube 133, and A seal portion 136 is provided.
  • the drilling fluid 38 flowing through the pipe 12 slides the inner pipe 133 in the extending direction of the pipe 12 by the internal pressure of the pipe 12.
  • the gap 112 shown in FIG. 11 is narrowed, the outflow resistance of the drilling fluid 38 in the gap 112 increases, and a force that pushes up the pipe end 36 acts. Due to the force pushing up the tube end 36, the inner tube 133 slides in the contraction direction of the tube 12, and the gap 112 is restored. In this way, the length of the tube 12 can be adjusted autonomously within a range in which the outer tube 132 and the inner tube 133 can slide.
  • the pipe 12 is used by using the self-weight of the laser drilling apparatus 2 until the back pressure of the pipe 12 shows a rapid rise every predetermined time.
  • the gap 112 can be kept in an appropriate range.
  • the energy density of the laser beam 204 supplied to the rock surface 202 by the laser beam 204 emitted from the beam emission end 37 is stabilized, resulting in stable destruction of the rock mass. Therefore, excavation can be continued under stable excavation conditions.
  • the length of the pipe 12 is autonomously changed because the pipe 12 includes the outer pipe 132 and the inner pipe 133 that are provided so as to be slidable with respect to each other. Can do.
  • the drilling fluid 38 such as muddy water
  • the length of the tube 12 can be adjusted autonomously using the outflow resistance. Therefore, it can suppress that the optical fiber cable 11 included in the pipe
  • the transparent fluid supply pipe 130 may be arranged in the pit and connected to the gap 71 between the optical fiber cable 11 and the jacket 70 at the connection portion 131. .
  • FIG. 13A is a horizontal sectional view of the optical fiber cable 11 of the laser excavator according to the third embodiment
  • FIG. 13B is a beam of the optical fiber cable 11 of the laser excavator according to the third embodiment.
  • FIG. 13B is a vertical sectional view (sectional view taken along the line AA in FIG. 13A) schematically showing a configuration example of the radiating end 37 and the vicinity thereof.
  • the configuration of the optical fiber cable 11 is the same as the example described with reference to FIG. 13A.
  • the beam emission end 37 of the optical fiber cable 11 protrudes outward from the end of the tube 12 (tube end 36). That is, in the first embodiment and the second embodiment, the beam radiating end 37 is disposed inside the tube end 36, but in the third embodiment, the beam radiating end 37 is close to or in contact with the rock surface 202. In this manner, the tube end 36 is disposed so as to protrude outside.
  • the beam radiation end 37 that is the end portion on the inner side of the optical fiber cable 11 is disposed so as to protrude from the tube end 36, and the optical fiber cable 11 and the tube end 36 form an annular nozzle. Form.
  • the drilling fluid 38 supplied through the pipe 12 becomes a drilling fluid jet stream 39 at the pipe end 36.
  • the optical fiber cable 11 can be moved toward the bottom of the shaft using the frictional force between the drilling fluid jet 39 and the optical fiber cable 11 as a driving force. Since the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 is close to or in contact with the rock surface 202, the laser energy is efficiently transmitted from the beam radiating end 37 to the opposite portion of the rock surface 202.
  • the distance from the beam emission end 37 to the rock surface 202 is preferably 50 mm or less, and more preferably 30 mm or less. From the viewpoint of avoiding wear of the pipe 12, the distance from the pipe end 36 to the rock surface 202 is preferably 50 mm or more.
  • a part of the laser beam is reflected by the rock surface 202 and heats the inner end of the optical fiber cable 11 (near the beam emission end 37).
  • the jelly 66 evaporates and cools the optical fiber 60 and the protective sheath 65 by heat of vaporization, but the wear of the optical fiber 60 and the protective sheath 65 gradually proceeds.
  • the wear of the optical fiber 60, the protective sheath 65, and the jelly 66 is compensated by the supply of the optical fiber cable 11.
  • a holding mechanism 150 that can select a state in which the optical fiber cable 11 moves and a state in which the optical fiber cable 11 does not move may be installed inside the tube 12.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the holding mechanism 150.
  • the holding mechanism 150 includes a spring mechanism 151, a fluid receiving portion 152, and a pressing portion 153.
  • the spring mechanism 151 is provided on the inner wall surface of the tube 12.
  • the spring mechanism 151 can move the arm having the fluid receiving portion 152 and the pressing portion 153 in the horizontal direction.
  • the fluid receiving part 152 is provided so as to have an inclined surface with respect to the flow direction of the drilling fluid 38.
  • the arm receives a force in a direction approaching the optical fiber cable 11 when the fluid receiving portion 152 receives the drilling fluid 38.
  • the pressing portion 153 can stop the movement of the optical fiber cable 11 by contacting the optical fiber cable 11.
  • a holding mechanism 150 by controlling the flow rate of the drilling fluid 38, a state in which the optical fiber cable 11 moves and a state in which the optical fiber cable 11 does not move can be selected. By providing such a holding mechanism 150, it is possible to adjust the distance from the beam radiation end 37 to the rock surface 202 and control the wear rate.
  • the beam radiating end 37 of the optical fiber cable 11 protrudes from the end portion (tube end 36) of the tube 12, so that the beam radiating end 37 is close to or in contact with the rock surface 202. Can be made. As a result, the transmission loss of laser energy becomes extremely small, so that the laser beam 204 can supply laser energy having a high power density to the rock surface 202.
  • the surface layer of the formed islands peels off and becomes a large number of fragments due to the difference in thermal expansion from the lower layer and the thermal expansion of water that has entered the cracks.
  • the debris occupying most of the rock is removed in the solid phase without reaching the melting point, so the rock is melted by applying a low power density.
  • the laser excavation apparatus according to the third embodiment is also suitable for an application for supplying laser energy having such a high energy density to the rock surface 202.
  • FIG. 15 is a vertical sectional view schematically showing a main configuration of a laser excavation device 3 according to the fourth embodiment.
  • symbol is attached
  • the laser excavation apparatus 3 is configured to further include a protective shell 140 that is provided outside the movable range of the optical fiber cable 11 and covers at least a part of the movable range of the optical fiber cable 11.
  • the protective shell 140 is fixed to the fixed tube 48 and the seal portion 49.
  • the protective shell 140 is provided outside the movable range of the optical fiber cable 11. Further, in the example shown in FIG. 15, at least the tip portion 141 of the protective shell 140 is configured to come into contact with the rock mass. In the example shown in FIG. 15, the protective shell 140 covers at least a part of the movable range of the optical fiber cable 11. Further, in the example shown in FIG. 15, the protective shell 140 is configured in a substantially funnel shape extending downward.
  • the protective shell 140 can be lowered in the mine by lowering the fixed pipe 48 into the mine.
  • the tip 141 of the protective shell 140 comes into contact with the rock at the outer periphery of the rock surface 202 where excavation is in progress.
  • the gap 112 between the beam radiation end 37 and the rock surface 202 is kept constant by keeping the load applied to the protective shell 140 constant by adjusting the suspension load of the laser excavator 3.
  • the load applied to the protective shell 140 can be, for example, 1 to 10 tons.
  • the tip portion 141 of the protective shell 140 is configured to have a plurality of outlets 142 discretely over the entire periphery of the tip of the protective shell 140.
  • the drilling fluid 38 that flows down from the pipe end 36 toward the rock surface 202 cleans the inner surface of the protective shell 140 to prevent debris from adhering to the rock surface 202, and is a transparent fluid discharged from the nozzle 100. And move to the outside of the protective shell 140 through the outflow port 142 with the digging waste and ascend the mine.
  • the tip 141 comes into contact with the rock and cuts the embrittled rock into fragments.
  • the tip 141 is made of a wear resistant material.
  • the wear resistant material can be selected from, for example, WC-Co based cemented carbide, cermet, ceramic and tool steel.
  • the tip portion 141 made of the wear resistant material may be a bulk material or a covering material.
  • As the covering material for example, a steel surface sprayed with Co-based alloy powder, cermet powder, or ceramic powder can be used.
  • the protection unit 140 is provided outside the movable range of the optical fiber cable 11 and covers at least a part of the movable range of the optical fiber cable 11. It can suppress that the optical fiber cable 11 breaks by colliding with a bedrock.
  • the pipe end 36 of the pipe 12 is provided in the vicinity of the seal portion 49, and the pipe end 36 is provided with a nozzle having a narrowed flow path for generating a drilling fluid jet flow. Absent.
  • the central axis of the optical fiber cable 11 protruding from the pipe 12 is adjusted at the pipe end 36 so as to coincide with the central axis of the pipe 12 using a swivel joint (not shown). Further, the portion of the optical fiber cable 11 protruding from the tube 12 is reinforced to prevent bending deformation.
  • the central axis of the tube 12 can be planetarily moved by rotating the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 at a predetermined rotational speed.
  • the beam radiation end 37 of the optical fiber cable 11 can be moved in a planetary motion.
  • the locus of the beam emission end 37 draws a movement pattern 203 on the beam emission surface 201, and this movement pattern 203 can be enlarged and transferred as a laser beam pattern 205 to the rock surface 202 via the laser beam 204. It becomes. Examples of such a laser beam pattern 205 are shown below.
  • First Example Table 1 shows the conditions of the first example.
  • Cycle time is the time for the first eccentric ring 13 or the second eccentric ring 15 to make one rotation.
  • the eccentric amount is the first eccentric amount 22 in the first eccentric ring 13 and the second eccentric amount 23 in the second eccentric ring 15.
  • FIG. 16A shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 1.
  • a laser beam pattern 205 shown in FIG. 16A is similar to the locus drawn by the center line of the optical fiber cable 11 at the beam emission end 37 of the optical fiber cable 11.
  • the optical fiber cable 11 is configured to include a plurality of optical fibers 60, a number of loci corresponding to the number of optical fibers 60 are drawn in the vicinity of the laser beam pattern 205.
  • the laser beam pattern 205 is a pattern that intersects at the center. Further, the laser beam pattern 205 is a pattern that is repeated with one cycle of 60 seconds when the first eccentric ring 13 rotates 10 times.
  • Second Example Table 2 shows the conditions of the second example.
  • FIG. 16B shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 2.
  • the first eccentric amount 22 is larger than the second eccentric amount 23, a blank portion is generated at the center of the laser beam pattern 205.
  • Third Example Table 3 shows the conditions of the third example.
  • FIG. 16C shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 3.
  • the blank portion at the center of the laser beam pattern 205 is larger than in the second embodiment. Yes.
  • Fourth Example Table 4 shows the conditions of the fourth example.
  • FIG. 16D shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 4.
  • the laser beam pattern 205 is a pattern that intersects at the center. Further, since the laser beam pattern 205 does not repeat the same trajectory for 120 seconds, the laser beam 204 can be finely irradiated to the rock surface 202.
  • FIG. 16E shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 5.
  • the laser beam pattern 205 is a pattern that intersects at the center. Further, since the laser beam pattern 205 is a pattern that repeats with one cycle of 60 seconds in which the first eccentric ring 13 rotates six times, the laser beam pattern 205 is formed on the rock surface 202 as compared with the laser beam pattern 205 of the first embodiment. It can irradiate roughly.
  • FIG. 16F shows a laser beam pattern 205 when the laser beam 204 is irradiated for 120 seconds under the conditions shown in Table 6.
  • the laser beam pattern 205 of the sixth embodiment is a pattern that can irradiate the peripheral portion roughly.
  • the laser beam pattern 205 is a pattern that is repeated with one cycle of 60 seconds when the first eccentric ring 13 rotates 10 times.
  • Examples 1 to 6 show that various laser beam patterns 205 can be formed by the above laser excavation apparatus.
  • the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 are continuously rotated.
  • the first eccentric ring 13 and the second eccentric ring 15 can be intermittently rotated.
  • various laser beam patterns 205 can be formed.
  • the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment.
  • the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced.
  • the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object.
  • the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
  • Drilling fluid jet 42 ... Coupling member, 43 ... Rotating pipe, 44 ... Housing, 45 ... Focal bearing, 46 ... Center axis, 47 ... Center axis, 48 ... Fixed tube, 49 ... Seal member, 50 ... Anti-wall, 60 ... Optical fiber, 61 ... Slot rod, 62 ... Presser wound layer, 63 ... Tension member, 64 ... Line layer, 65 ... protective sheath, 66 ... jelly, 70 ... jacket, 71 ... air gap, 80 ... single hole nozzle, 90 ... slit nozzle, 100 ... nozzle, 101 ... transparent fluid jet flow, 110 ... nozzle, 112 ... gap, 113 ... Liquid layer thickness, 120 ...
  • Transparent fluid layer 121 ... Gap, 130 ... Transparent fluid supply pipe, 131 ... Connection part, 132 ... Outer pipe, 133 ... Inner pipe, 134 ... Overlapping part, 135 ... Sealing part, 136 ... Sealing part, 140 ... protective shell, 141 ... tip part, 142 ... outlet, 150 ... holding mechanism, 151 ... spring mechanism, 152 ... fluid receiving part, 153 ... pressing part, 201 ... beam radiation surface, 202 ... rock surface, 203 ... Movement pattern, 204 ... Laser beam, 205 ... Laser beam pattern

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Abstract

　レーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１と、光ファイバーケーブル１１を内包する管１２と、管１２を貫通させ、軸受１４を介して管１２を回転自在に支持する第１偏心リング１３と、第１偏心リング１３を内包し、軸受１６を介して第１偏心リング１３を回転自在に支持する第２偏心リング１５と、第２偏心リング１５を内包し、軸受１６を介して第２偏心リング１５を回転自在に支持する固定リング１７と、を含み、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５の回転によって管１２の中心軸を移動させて、管１２に内包される光ファイバーケーブル１のビーム放射端３７の位置を移動させる。

Description

レーザー掘削装置
　本発明は、レーザー掘削装置に関する。
　近年、石油やガスの開発エリアの拡大によって、深度５０００ｍを超える大深度掘削や、水深１０００ｍを超える海域での大水深掘削が盛んに行われている。
　石油掘削、天然ガス掘削、金属鉱山のボーリング、温泉のボーリング及び土木関連のボーリングでは、ドリルビットの高速回転によって坑底の岩盤を切り崩す、ロータリー掘削が一般的である。ロータリー掘削では、ドリルビットの摩耗が避けられないので、定期的に坑底より掘削リグが設置された地上又は海上にドリルパイプ又はコイルドチュービングからなるドリルストリングを引き上げてドリルビットを交換する作業が発生する。ドリルビットを交換する作業の間は、掘削は行えない掘削停止時間となる。掘削停止時間は坑井が深くなるほど長くなるので、大深度掘削や大水深掘削では掘削停止時間が掘削スケジュールの支配的要因の１つとなる。したがって、掘削停止時間の短縮は重要テーマの１つとなっている。
　ロータリー掘削とは異なる原理に基づく技術として、レーザー掘削が知られている。レーザー掘削は、レーザービームを坑底の岩盤表面に照射して岩盤を非接触掘削する掘削技術である。レーザー掘削の利点の１つとしては、ロータリー掘削には不可避のドリルビット交換が不要となることが挙げられる。したがって、レーザー掘削は、大深度掘削や大水深掘削において、画期的な技術となる可能性がある。しかし、未だ実用化には至っていない。
　ところで、石油掘削、天然ガス掘削、金属鉱山のボーリング、温泉のボーリング及び土木関連のボーリングでは、坑内に掘削流体が送り込まれる。その主要な目的は、（１）坑底から掘屑を除去して地表まで運ぶ、（２）坑壁内面に泥層を形成し、かつ、粘土鉱物を含む泥水によって加圧し坑壁の崩壊を抑える、（３）地下に存在する油、ガス、水などが坑壁から坑内に噴出してこないように抑える、及び（４）掘削に伴って発生する熱が坑底に蓄積しないように排出することであり、掘削流体は掘削作業を円滑に実施するために不可欠である。掘削流体は地上又は海上の掘削リグからドリルストリングを通して供給され坑底で放出されドリルストリング―坑壁間のアニュラス部を上昇して掘削リグに戻り、掘屑分離、成分調整後、再びドリルストリングへ圧送され、循環系を構成する。掘削流体はドリルストリングの内外で掘削リグから坑底まで繋がる液柱を形成し、坑底にはその液柱の圧力がかかる。坑底にかかる圧力は坑井が深くなるほど大きくなり、例えば垂直深度７０００ｍの坑井では坑底にかかる液圧は通常７００気圧を超える。また地熱の影響によって坑内温度も高くなる。例えば、垂直深度７０００ｍでは坑内温度は約２００℃にもなる。このように、掘削が行われる坑底は掘削流体による加圧、地熱による加熱という厳しい環境下にある。
　掘削流体として用いられる流体は、泥水、ブライン、エマルジョン、ガス等に分類できる。泥水は、水あるいは油を連続相とするスラリー状の流体であり、清水あるいは海水に、分散相として粘土鉱物のベントナイトを加えて調製されることが多い。しかし、ベントナイトはレーザービームを反射、もしくはそのエネルギーを吸収し、レーザービーム照射の妨げとなる。したがって、レーザー掘削においては、レーザービームの伝送過程で泥水に奪われるエネルギー損失を最小限に抑え、できるだけ多くのエネルギーを岩盤に伝えることが重要なポイントとなる。これに対して、ブラインは固形分を含まない透明の塩類溶液であり、２．２までの任意の比重に調整できるという特徴がある。
　米国特許第６，７５５，２６２号明細書（以下では「特許文献１」と記載する）には、坑底の直上に設置する高出力レーザー掘削用のレンズアセンブリーが開示されている。特許文献１に開示されているレンズアセンブリーは、掘削孔の大きさに合わせて少なくとも１００本の光ファイバーを使用して掘削孔を覆うように、光ファイバーの端末に集光レンズからなる集光素子を配して構成されている。このレンズアセンブリーは、坑底の岩盤表面に向けて設置されて用いられる。レンズアセンブリーの冷却と岩盤表面から発生する掘屑の除去のために、冷却導管がレンズアセンブリーの中に組み込まれている。すなわち、冷却導管の中を流れる冷却水は、レンズアセンブリーを冷却した後、坑底に噴射されレーザー照射によって発生した掘屑を除去する役割を担う。レンズアセンブリーと冷却導管は防護容器に収納されている。
　米国特許第７，４１６，２５８号明細書（以下では「特許文献２」と記載する）には、坑底の岩盤表面にレーザービームを照射してその部位において熱応力を発生させるとともに水蒸気爆発を起こさせてその部位を剥離させ、発生した砕片を洗浄システムによって除去する装置及び方法が開示されている。特許文献２に開示されている装置及び方法では、グループを構成する単一のレーザービームのそれぞれが岩盤表面のそれぞれ対応する位置に照射されるように、電気光学レーザービーム切替器によってレーザービームの岩盤照射位置を順次選択し、ビーム照射によって岩盤表面を剥離させて多重に重なりあう剥離片を生成してこれを除去することによって掘削を行う。特許文献２に開示されている装置、すなわちレーザーヘッドは（１）レーザービームを集光し方向を整えるビーム形成用光学パッケージ、（２）剥離片の除去とレーザービームの通路形成のための除去流パッケージ、及び（３）電気光学レーザービーム切替器からなり、これらはすべて防護容器に収納されている。
　特開２０１０－１７８６４号公報（以下では「特許文献３」と記載する）には、水中においてレーザービームを移動させて岩石を穿孔する装置が開示されている。特許文献３に開示されている装置は、レーザー発振器、レーザー伝送機構、レーザー集光径調整機構、レーザービーム操作機構及びモニタリング機構が防護容器に収納された装置である。特許文献３に開示されている装置においては、岩石穿孔に必要なエネルギーはレーザーではなく電力で供給されることが特徴的である。すなわち、地上又は海上の掘削リグから電力ケーブルで防護容器内のレーザー発振器に供給されここでレーザービームを発振する。レーザービームは穿孔される岩盤の底部に集光するように調整され岩盤にエネルギーを供給する。特許文献３に開示されている装置を構成する機器の中で、レーザービーム操作機構はレーザービームを岩盤上で移動させる機能を有するものであるが、その構成について特許文献３には具体的な記載はない。
　米国特許出願公開第２０１０／００４４１０５号明細書（以下では「特許文献４」と記載する）には、レーザービームによって供給されるエネルギーが岩盤表面において所定のプロフィルとなるようにビームの形状を調節するシステム、装置及び方法が開示され、特に、高出力レーザーを岩盤表面に供給するレーザー坑底アセンブリーについて多様な実施例が開示されている。特許文献４におけるレーザー坑底アセンブリーは、レンズアセンブリーとその移動機構とからなる。通常、レーザービームはガウス分布のビームパターンを有するが、特許文献４に開示されているシステム等においては、レンズアセンブリーを通してこのビームパターンを所望のパターンに変換する。例えば、ビームパターンを複数のスポットに変換する。一方、移動機構はモーター駆動による回転をこのビームパターンに付与する。すなわち、特許文献４に開示されているシステム等においては、レンズアセンブリーによってレーザービームの形状を整え、その形状をモーター駆動によって回転し、坑底の岩盤表面にレーザービームパターンを描く。
　このレーザー坑底アセンブリー、すなわちレーザーヘッドは、防護容器に隔離され、レーザービームの透過可能な清浄流体をその内部に通すことによって冷却される。清浄流体はそのレーザーヘッドの側面から一部流出して掘屑の地上への輸送に使われる一方、先端からはレーザービームを包むように流出して掘屑を坑底の岩盤表面から除去する。レーザービームは防護容器に設けられた出口窓から岩盤表面に向けて照射される。この出口窓には岩盤表面から掘屑が飛散してくるが、清浄流体の噴射によって、掘屑の衝突及び付着を防止する。
　以上述べてきた従来のレーザー掘削装置を要約すると以下のようになる。従来のレーザー掘削装置においては、地上又は海上に設置された掘削リグと坑底とを光ファイバーで繋ぎ、その先端部にレーザーヘッドを設置する。掘削リグから光ファイバーを通じて供給されたレーザービームはレーザーヘッドから岩盤表面に向かって照射される。レーザーヘッドに関して、従来技術はいずれもレンズアセンブリーを使用し、ここでレーザービームのパターン及び照射方向を調節する。特許文献１に開示されているレーザーヘッドは、１００本以上の光ファイバーによって掘削孔を覆い、光ファイバーの端末にそれぞれ個別にレンズアセンブリーが設置され、レンズアセンブリーが坑底の岩盤表面全体と対向する。特許文献２に開示されているレーザーヘッドは、１本のレーザービームをレンズアセンブリーにおいて集光し照射方向を整え、電気光学レーザービーム切替器によって照射位置を順次選択して岩盤表面にレーザーエネルギーを供給するものであり、電気光学レーザービーム切替器が坑底の岩盤表面と対向する。特許文献３に開示されているレーザーヘッドは、レンズアセンブリー（レーザー集光径調整機構）において集光距離を整えレーザービーム操作機構によって坑底の岩盤表面にレーザーエネルギーを分配するものである。レーザービーム操作機構について特許文献３には実施態様が開示されていない。一方、特許文献４はモーター駆動に言及している。特許文献４に開示されたレーザーヘッドは、レンズアセンブリーにおいてレーザービームの形状を整えてから、この形状をモーター駆動によって回転し、坑底の岩盤表面にレーザービームパターンを描くものである。
　特許文献１から特許文献４は、いずれもレーザーヘッドにレンズアセンブリーを含む。レンズアセンブリーは常温の清浄な雰囲気で機能するものであり、高圧の掘削流体中において地熱によって加熱される坑底の環境下では機能しない。このため、レーザーヘッドは防護容器に収納し、水冷して常温に維持せねばならない。このために、地上又は海上と坑内を結ぶ清水の循環ラインが必要となる。低温の清水を地上又は海上で製造して低温を維持したまま坑底に供給することは困難なので、冷却水製造用の冷却器の坑内設置は不可避である。この場合、坑内設置した冷却器で低温清水を得、防護容器と熱交換した後、戻りの配管で地上又は海上に上げここで大気への放熱と予備冷却を行い、再び、往きの配管で坑内の冷却器へ供給するように冷却循環システムを構築せねばならない。また、かかる冷却システムは制御用電源を必要とし、地上又は海上より坑内の冷却器まで電源ケーブルを引かねばならない。このほか、特許文献２に記載される電気光学レーザービーム切替器を使用すると、これも水冷の対象となる。また、電気光学レーザービーム切替器も制御用電源を必要とする。以上のように、レンズアセンブリーや電気光学レーザービーム切替器等の電気的あるいは光学的機器を坑底で使用するには、限られた坑内空間に冷却器の設置が必要となり、冷却器を含むレーザーヘッドの構成は複雑となる。これを過酷な坑内環境で実施するのは困難を伴い、好ましくない。
　レーザー掘削装置においては、地上又は海上から坑底直上まで光ファイバーを配して、坑底の岩盤表面全体に、効率よくレーザーエネルギーを供給することが望まれるが、従来技術には以下のような問題があった。
　掘削が行われる坑底は掘削流体による加圧、地熱による加熱という厳しい環境下にある。例えば、垂直深度７０００ｍを超える坑井では、坑底にかかる掘削流体の圧力は通常７００気圧を超え、温度は地熱の影響によって２００℃を超える。このように過酷な坑内環境下で、レンズアセンブリーや電気光学的レーザービーム切替器等の電気的あるいは光学的機器を使用するには、これらの機器を防護容器に収納して清浄な雰囲気に隔離し、水冷等によって常温に維持することが不可欠となる。このために、専用の制御用電源ケーブル、清水の循環ラインが必要となる。さらに、低温の清水を地上又は海上で製造して低温を維持したまま坑底に供給することは困難なので、冷却水製造用の冷却器の坑内設置も必要となる。このように、電気的機器あるいは光学的機器を採用すると装置の構成が複雑となり、これを過酷な坑内環境で実施するのは困難を伴う。
　本発明は、以上のような技術的課題に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターンを岩盤表面に描くことができるレーザー掘削装置を提供することができる。
（１）本発明に係るレーザー掘削装置は、
　光ファイバーケーブルと、
　前記光ファイバーケーブルを内包する管と、
　前記管を貫通させ、軸受を介して前記管を回転自在に支持する第１偏心リングと、
　前記第１偏心リングを内包し、軸受を介して前記第１偏心リングを回転自在に支持する第２偏心リングと、
　前記第２偏心リングを内包し、軸受を介して前記第２偏心リングを回転自在に支持する固定リングと、
　を含み、
　前記第１偏心リング及び前記第２偏心リングの回転によって前記管の中心軸を移動させて、前記管に内包される前記光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を移動させる。
　本発明によれば、第１偏心リング及び第２偏心リングの回転によって管の中心軸を移動させて、管に内包される光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を移動させる。第１偏心リング及び第２偏心リングは機械的な構成で回転させることができる。一般的に、機械的な構成は、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下においての信頼性が高い。したがって、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターンを岩盤表面に描くことができるレーザー掘削装置を実現できる。
（２）上述のレーザー掘削装置において、
　前記管を貫通させる第１波動歯車装置と、
　前記管を貫通させる第２波動歯車装置と、
　をさらに含み、
　前記管を、継手を介して前記第１波動歯車装置の入力部に連結し、前記第１偏心リングを前記第１波動歯車装置の出力部に連結し、
　前記管を、継手を介して前記第２波動歯車装置の入力部に連結し、前記第２偏心リングを前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、
　前記管の回転を前記第１波動歯車装置で減速して前記第１偏心リングを回転させ、
　前記管の回転を前記第２波動歯車装置で減速して前記第２偏心リングを回転させてもよい。
　本発明によれば、管の回転を第１波動歯車装置で減速して第１偏心リングを回転させ、管の回転を第２波動歯車装置で減速して第２偏心リングを回転させるので、管の回転を利用して第１偏心リング及び第２偏心リングを回転させることができる。したがって、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下でも信頼性の高いレーザー掘削装置を実現できる。
（３）上述のレーザー掘削装置において、
　空隙を有して前記光ファイバーケーブルを被覆するジャケットをさらに含んでもよい。
　本発明によれば、光ファイバーケーブルとジャケットとの間の空隙を利用して、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を、光ファイバーケーブルのビーム放射端まで流すことができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
（４）上述のレーザー掘削装置において、
　前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
　本発明によれば、光ファイバーケーブルのビーム放射端を囲むように設けられたノズルから、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を放出することができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
（５）上述のレーザー掘削装置において、
　前記光ファイバーケーブルは、複数の光ファイバーを含み、
　前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
　本発明によれば、複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられた複数のノズルから、レーザービームに対して透明性の高い流体（例えば、清水など）を放出することができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置を実現できる。
（６）上述のレーザー掘削装置において、
　前記管は、空隙を有して前記光ファイバーケーブルを内包し、
　前記光ファイバーケーブルと前記管との間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含んでもよい。
　本発明によれば、光ファイバーケーブルと管との間の空隙と連通し、光ファイバーケーブルのビーム放射端を囲むように設けられたノズルから、泥水などの掘削流体を放出することができる。したがって、レーザービームによって溶融された岩盤などの溶融物を容易に除去できる。
（７）上述のレーザー掘削装置において、
　前記管は、互いに褶動可能に設けられた外管と内管とを含んでもよい。
　本発明によれば、管が互いに褶動可能に設けられた外管と内管とを含んで構成されているので、自律的に長さを調節することができる。特に、光ファイバーケーブルと管との間の空隙と連通し、光ファイバーケーブルのビーム放射端を包囲するノズルから、泥水などの掘削流体を放出する場合には、掘削流体の流出抵抗を用いて管の長さを自律的に変えることができる。したがって、管や管に内包されている光ファイバーケーブルが岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
（８）上述のレーザー掘削装置において、
　前記光ファイバーケーブルの可動域の外に設けられ、前記光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻をさらに含んでもよい。
　本発明によれば、光ファイバーケーブルの可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻を含んで構成されているので、光ファイバーケーブルが岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
（９）上述のレーザー掘削装置において、
　前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端は、前記管の端部よりも外側に突出していてもよい。
　本発明によれば、光ファイバーケーブルを岩盤に近づけることができるので、レーザーのエネルギーを効率よく岩盤に供給できる。
図１は、第１実施形態にレーザー掘削装置１の機能の概略を説明するための模式図である。 図２は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の要部を模式的に示す水平断面図である。 図３は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。 図４は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。 図５は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。 図６は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図である。 図７は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す図である。 図８は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の他の構成例を模式的に示す図である。 図９Ａは、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図である。 図９Ｂは、ビーム放射端３７近傍についての図９ＡのＡ－Ａ線における断面図である。 図１０は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。 図１１は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。 図１２は、第２実施形態に係るレーザー掘削装置２の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。 図１３Ａは、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１の水平断面図である。 図１３Ｂは、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図（図１３ＡのＡ－Ａ線における断面図）である。 図１４は、保持機構１５０の構成を模式的に示す断面図である。 図１５は、第４実施形態に係るレーザー掘削装置３の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。 図１６Ａは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。 図１６Ｂは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。 図１６Ｃは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。 図１６Ｄは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。 図１６Ｅは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。 図１６Ｆは、レーザービームパターン２０５の実施例を示す図である。
　以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１．第１実施形態に係るレーザー掘削装置
　図１は、第１実施形態にレーザー掘削装置１の機能の概略を説明するための模式図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の機能は、図１に示されるように、ビーム放射端が移動する面であるビーム放射面２０１を岩盤表面２０２と対向させ、ビーム放射面２０１上において、光ファイバーのビーム放射端を移動させて移動パターン２０３を形成し、レーザービーム２０４を岩盤表面２０２へ照射することによって、移動パターン２０３を岩盤表面２０２に投影させてレーザービームパターン２０５を描くことである。ここで、光ファイバーケーブルが複数の光ファイバーを収納する場合には、レーザービーム２０４は複数のレーザービームで構成される。
　図２は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の要部を模式的に示す水平断面図である。図３は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１と、光ファイバーケーブル１１を内包する管１２と、管１２を貫通させ、軸受１４を介して管１２を回転自在に支持する第１偏心リング１３と、第１偏心リング１３を内包し、軸受１６を介して第１偏心リング１３を回転自在に支持する第２偏心リング１５と、第２偏心リング１５を内包し、軸受１８を介して第２偏心リング１５を回転自在に支持する固定リング１７と、を含み、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５の回転によって管１２の中心軸を移動させて、管１２に内包される光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の位置を移動させる。
　図２に示されるように、本実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１を管１２の内部に収納し、二重の偏心リングを有する機構を適用して、管１２と管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１とを自在に面内移動させる。図２に示されるように、管１２の断面の外形は円形である。管１２の断面の内形は、光ファイバーケーブル１１を内包できるかぎり任意の形状を採用できる。管１２は、泥水などの掘削流体３８を坑内に供給するための掘削流体供給管として機能してもよい。
　第１偏心リング１３は、偏心した円形内周面を備えたリングである。管１２は、軸受１４を介して、第１偏心リング１３の円形内周面の内側を貫通している。第１偏心リング１３は、軸受１４を介して管１２を支持し、管１２が第１偏心リング１３に対して自在に回転できるように構成されている。
　第２偏心リング１５は、偏心した円形内周面を備えたリングである。第１偏心リング１３は、軸受１６を介して、第２偏心リング１５の円形内周面の内側に嵌め込まれている。すなわち、第２偏心リング１５は、第１偏心リング１３を内包するように構成されている。第２偏心リング１５は、軸受１６を介して第１偏心リング１３を支持し、第１偏心リング１３が第２偏心リング１５に対して自在に回転できるように構成されている。
　固定リング１７は、円形内周面を備えたリングである。固定リング１７は、管状に構成されていてもよい。第２偏心リング１５は、軸受１８を介して、固定リング１７の円形内周面の内側に嵌め込まれている。すなわち、固定リング１７は、第２偏心リング１５を内包するように構成されている。固定リング１７は、軸受１８を介して第２偏心リング１５を支持し、第２偏心リング１５が固定リング１７に対して自在に回転できるように構成されている。
　なお、上述の軸受１４、軸受１６及び軸受１８としては、例えば、玉軸受、ローラー軸受など種々の公知の軸受を採用できる。
　図２に示されるように、第１偏心リング１３を単独で回転させると、管１２の中心軸は、第１偏心リング１３の外周円の中心とのずれ、すなわちこの第１偏心量２２を半径として、軌跡１９に示されるように、円を描いて移動する。また、図２に示されるように、第２偏心リング１５を回転させると、第１偏心リング１３の外周円の中心は、第２偏心リング１５の外周円の中心とのずれ、すなわちこの第２偏心量２３を半径として、軌跡２０に示されるように、円を描いて移動する。第１偏心リング１３と第２偏心リング１５を同時に回転させると、第１偏心量２２と第２偏心量２３との和を半径とする円２１の内側の範囲で管１２の中心軸に遊星運動をさせることが可能となる。すなわち、第１偏心量２２を半径とする円運動と第２偏心量２３を半径とする円運動とが重畳して、管１２の中心軸は遊星運動する。管１２の中心軸が移動することによって、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１も移動する。
　なお、管１２の中心軸が遊星運動することによって描かれるレーザービームパターン２０５の例については、「４．実施例」の項で後述される。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５の回転によって管１２の中心軸を移動させて、管１２に内包される光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の位置を移動させる。第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５は機械的な構成で回転させることができる。一般的に、機械的な構成は、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下においての信頼性が高い。したがって、過酷な坑内環境下で所望のレーザービームパターン２０５を岩盤表面２０２に描くことができるレーザー掘削装置１を実現できる。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１において、管１２を貫通させる第１波動歯車装置３１と、管１２を貫通させる第２波動歯車装置３２と、をさらに含み、管１２を、継手３３を介して第１波動歯車装置３１の入力部に連結し、第１偏心リング１３を第１波動歯車装置３１の出力部に連結し、管１２を、継手３４を介して第２波動歯車装置３２の入力部に連結し、第２偏心リング１５を前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、管１２の回転を第１波動歯車装置３１で減速して第１偏心リング１３を回転させ、管１２の回転を第２波動歯車装置３２で減速して第２偏心リング１５を回転させてもよい。すなわち、管１２の回転力を駆動源として第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５を回転させてもよい。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、管１２の回転の駆動源について特に制約はない。例えば、地上あるいは海上にモーターを設置して、モーターの回転力によって管１２を回転させてもよい。また例えば、地上あるいは海上からドリルストリング内を通して坑内に送り込まれる泥水などの掘削流体３８の流れを利用してモーター軸の回転を得るダウンホールモーターを坑内に設置し、ダウンホールモーターの回転力によって管１２を回転させてもよい。後者の場合、掘削流体３８は、ダウンホールモーターを駆動した後に、管１２の内部に、そのすべてあるいは一部が導入されてもよい。
　管１２の回転力を第１偏心リング１３と第２偏心リング１５の駆動に利用するために、管１２の回転力は継手３３及び減速機を介して第１偏心リング１３に伝達され、継手３４及び減速機を介して第２偏心リング１５に伝達される。継手３３及び継手３４は、管１２と減速機を接続するものであり、特に制約はない。継手３３及び継手３４としては、例えば、オルダム継手が適用できる。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、減速機として波動歯車装置（調和歯車減速機）を採用している。すなわち、管１２の回転力は継手３３及び第１波動歯車装置３１を介して第１偏心リング１３に伝達され、継手３４及び第２波動歯車装置３２を介して第２偏心リング１５に伝達される。波動歯車装置は複雑な機構や構造を用いることなく同軸上で内リングを入力とし外リングを出力として取出し、１／３０～１／３２０程度の高い減速比が得られ、部品数が少なく小型軽量であるので、過酷な坑内環境に適している。
　図３に示されるように、回転する管１２は、第１波動歯車装置３１、第１偏心リング１３及び第２波動歯車装置３２を貫通し、継手３３を介して第１波動歯車装置３１の内リング（第１波動歯車装置３１の入力部に相当する）と接続され、継手３４を介して第２波動歯車装置３２の内リング（第２波動歯車装置３２の入力部に相当する）と接続され、その回転が第１波動歯車装置３１及び第２波動歯車装置３２に伝達される。管１２の回転は、第１波動歯車装置３１及び第２波動歯車装置３２において、それぞれの減速比で減速され、それぞれの外リングより出力される。第１波動歯車装置３１の外リング（第１波動歯車装置３１の出力部に相当する）はその中心軸が第１偏心リング１３の外周円の中心軸に一致すように、第１偏心リング１３と接続される。同様に、第２波動歯車装置３２の外リング（第２波動歯車装置３２の出力部に相当する）は中心軸が第２偏心リング１５の外周円の中心軸に一致するように、第２偏心リング１５と接続される。この結果、管１２の回転力によって、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５を、所定の回転速度で回転させることができる。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、管１２の回転を第１波動歯車装置３１で減速して第１偏心リング１３を回転させ、管１２の回転を第２波動歯車装置３２で減速して第２偏心リング１５を回転させるので、管１２の回転を利用して第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５を回転させることができる。したがって、電気的機器や光学的機器に比べて、過酷な坑内環境下でも信頼性の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
　図３に示される例では、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５が同時に回転することによる管１２の遊星運動は、管１２の上流側（第１偏心リング１３よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）に設けられた自在継手３５を支点として行われる。これによって、図１に示されるように、ビーム放射端３７がビーム放射面２０１の上で遊星運動を行うと、ビーム放射端３７の軌跡はこの面上に移動パターン２０３を形成し、レーザービーム２０４が岩盤表面２０２へ到達すると、岩盤表面２０２に移動パターン２０３を相似形に拡大したレーザービームパターン２０５を描くことができる。
　図３に示される例では、第１波動歯車装置３１、第２波動歯車装置３２及び固定リング１７は外周において固定管４８に固定され、シール部４９によって坑内の掘削流体３８とは接触が断たれている。なお、固定リング１７と固定管４８とが一体として構成されていてもよい。
　図３に示される例では、管１２は、上流側（第１偏心リング１３よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）において、結合部材４２を介して回転管４３と結合されている。回転管４３は、上流側（結合部材４２よりも、管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７から遠い側）においてダウンホールモーター（図示せず）の出力軸と結合されている。すなわち、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、回転管４３は、ダウンホールモーターの出力軸と結合されることによって回転し、さらに自在継手３５を介して管１２を回転させる。
　掘削流体３８はダウンホールモーターの駆動に利用されたあと、回転管４３の内部へ誘導され、さらに管１２へと誘導され、管１２の端部である管端３６より岩盤表面２０２へ向けて噴射され、岩盤表面２０２において発生した掘屑を除去する。そしてレーザー掘削装置１のハウジング４４と坑壁５０との間の空隙、すなわち、アニュラス部を通って掘屑を搬送し掘削リグへと戻って行く。
　また、図示されないが、公知の偏向機構、例えばロータリーステアラブルシステムによって、ハウジング４４の中で回転管４３を弾性変形させて曲げを付与し偏向させてもよい。回転管４３に曲げを付与することによって、回転管４３の中心軸４７はフォーカル軸受４５においてハウジング４４の中心軸４６からずれる。また、管１２は、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５の作用によって、自在継手３５を支点として中心軸４７を軸として遊星運動をする。管１２の遊星運動は、岩盤表面２０２に向けて照射されるレーザービーム２０４に伝達されて拡大され、レーザービーム２０４が岩盤表面２０２にレーザービームパターン２０５を描くことを可能にする。なお、上述の例の場合、中心軸４７が掘削方向となる。
　図３に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１本の光ファイバーを含んで構成されているが、光ファイバーケーブル１１は、複数の光ファイバーを含んで構成されていてもよい。
　図４は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す横断面図である。図４に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１０本の光ファイバー６０が保護シース６５の内部に収納され、保護シース６５と光ファイバー６０との間隙にはジェリー６６が充填されている。図４に示される構成の光ファイバーケーブル１１の場合には、１０本の光ファイバー６０のそれぞれがレーザービーム２０４の通路となる。光ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されていることによって、より多くのエネルギーを岩盤表面２０２に与えることができる。このような構成の光ファイバーケーブル１１の保護シース６５には高温高圧の坑内環境に耐えることが求められる。かかる観点から保護シース６５は金属管であることが好ましい。保護シース６５の材質として、例えば、ステンレス鋼、耐熱鋼、ニッケル基合金が挙げられる。ジェリー６６は、保護シース６５の坑内側端部から長手方向に水が侵入するのを防ぐように機能する。ジェリー６６としては、例えば、チクソトロピー性の粘性流体コンパウンドを用いることができる。図４に示される光ファイバーケーブル１１の利点としては、図５～図９を用いて後述される構成よりも安価に製造できること、及び、１０ｋｍに及ぶ長いケーブルを容易に一体で製造できることが挙げられる。
　図５は、光ファイバーケーブル１１の他の構成例を模式的に示す断面図である。図５に示される例では、光ファイバーケーブル１１は、１０本の光ファイバー６０がスロットロッド６１の外周に設けられた溝に収納され、溝を封鎖するように押え巻層６２が巻き回されて構成されている。スロットロッド６１には鋼撚線からなるテンションメンバー６３が埋設されている。押え巻層６２は外周を鉄線層６４によって補強され、さらにその上から保護シース６５が形成されている。図５に示される構成の光ファイバーケーブル１１の場合には、１０本の光ファイバー６０のそれぞれがレーザービーム２０４の通路となる。光ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されていることによって、より多くのエネルギーを岩盤表面２０２に与えることができる。
　図６は、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、空隙７１を有して光ファイバーケーブル１１を被覆するジャケット７０をさらに含んで構成されていてもよい。
　光ファイバーケーブル１１とジャケット７０との間の空隙７１を利用して、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７まで流すことができる。透明流体を光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７まで流すことによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１とジャケット７０と間の空隙７１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズルをさらに含んで構成されていてもよい。
　図７は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す図である。図７に示される例では、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の周囲に、ビーム放射端３７を囲むように等間隔に配置された１０個の円形の単孔ノズル８０が設けられている。なお、単孔ノズル８０の数及び形状は、レーザー掘削装置１の仕様に応じて任意に選択できる。
　図８は、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見た光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の他の構成例を模式的に示す図である。図８に示される例では、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の周囲に、ビーム放射端３７を囲むように等間隔に配置された４分割されたスリットノズル９０が設けられている。なお、スリットノズル９０の数及び形状は、レーザー掘削装置１の仕様に応じて任意に選択できる。なお、図８に示される例では、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の一部の方位を囲むようにスリットノズル９０が設けられているが、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の全方位を囲むようにスリットノズル９０が設けられていてもよい。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル（単孔ノズル８０又はスリットノズル９０）から、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を放出することができる。これによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。さらに、ノズルとして、出口近傍が狭窄された形状のノズルを採用することによって、ノズルから噴射された透明流体を用いて、レーザービーム２０４の照射によって生じた掘屑を岩盤表面２０２から速やかに除去し、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間における濁りの発生を抑制できる。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、光ファイバーケーブル１１が、複数の光ファイバー６０を含み、光ファイバーケーブル１１とジャケット７０と間の空隙７１と連通し、複数の光ファイバー６０のそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズル１００を含んで構成されていてもよい。
　図９Ａは、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１の他の構成例を模式的に示す、光ファイバーケーブル１１及びその近傍の断面図、図９Ｂは、ビーム放射端３７近傍についての図９ＡのＡ－Ａ線における断面図である。
　図９Ａ及び図９Ｂに示される例では、ジャケット７０は端部において、光ファイバー６０の端部（ビーム放射端）と中心線が一致するようにノズル１００が設けられている。図９Ｂに示される例では、ノズル１００は円形の単孔ノズルである。これによって、透明流体は空隙７１からノズル１００へと導かれ、透明流体ジェット流１０１が形成される。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の端部と中心線が一致するので、光ファイバー６０から放射されたレーザービーム２０４は透明流体ジェット流１０１を通路として岩盤表面２０２に至る。なお、図９に示される例では、光ファイバー６０の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバー６０のビーム放射端の全方位を囲むようにノズル１００が設けられているが、必ずしも全方位を囲むように設けられている必要はない。例えば、光ファイバー６０の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバー６０のビーム放射端の周囲の一部に、ノズル１００が設けられていない箇所があってもよい。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、複数の光ファイバー６０のそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられた複数のノズル１００から、透明流体（掘削流体３８（泥水など）よりもレーザービーム２０４に対して透明性の高い流体（例えば、清水など））を放出することができる。これによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間におけるレーザービーム２０４に対する透明性を高めることができる。さらに、光ファイバー６０とノズル１００の中心軸を一致させることによって、ノズル１００から放出される流体がレーザービーム２０４の進路上への異物の侵入を抑制できる。したがって、エネルギー効率の高いレーザー掘削装置１を実現できる。
　単孔ノズル８０、スリットノズル９０あるいはノズル１００によって形成される透明流体ジェット流１０１を取り巻く環境は、掘削流体３８である。すなわち、透明流体ジェット流１０１は、流動する掘削流体３８中に形成される。代表的な掘削流体である泥水は、水あるいは油を連続相とするスラリー状の流体であり、レーザービーム２０４の通路として機能はするが、レーザービーム２０４に対してのエネルギー損失が大きいので、エネルギー効率の観点からは好適とはいえない。透明流体は、エネルギー効率の観点から、泥水に勝るレーザービーム２０４の通路を提供する。清水は透明流体として好適であるが、清水によって掘削流体３８中に透明流体ジェット流１０１を形成した場合、清水を通過するレーザービーム２０４の一部が掘削流体３８中へ漏れ、エネルギー損失の一因となる問題が発生する。レーザービーム２０４の掘削流体３８中へ漏れを防止するにためは、透明流体ジェット流１０１と掘削流体３８の界面でレーザービーム２０４の全反射が生じる必要がある。これを実現するには、透明流体の比重が掘削流体よりも大きくなるように透明流体及び掘削流体を選択すればよい。これによって、透明流体の屈折率が掘削流体の屈折率を上回り全反射が可能となる。好適な掘削流体の例としては、ブラインが挙げられる。ブラインは塩類溶液であり、全反射実現の観点から１．４～２．２の比重のものが好ましい。また、透明流体としては、例えば、窒素、アルゴン、ヘリウム等の常温常圧で気体となる流体を選択してもよい。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１は、管１２が空隙１２１を有して光ファイバーケーブル１１を内包し、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル１１０をさらに含んでもよい。
　図１０は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。図１０に示される例では、スイベル継手（図示せず）を使用して、非回転の光ファイバーケーブル１１の中心軸は、管１２の管端３６において、回転する管１２の中心軸と一致させている。また、図１０に示される例では、ノズル１１０は、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、管端３６の内側面と光ファイバーケーブル１１の外側面によって構成されるスリットノズルである。図１０に示される例では、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７の全方位を囲むようにノズル１１０が設けられているが、必ずしも全方位を囲むように設けられている必要はない。例えば、光ファイバーケーブル１１の中心軸に沿った方向から見て、ビーム放射端３７の周囲の一部に、ノズル１１０が設けられていない箇所があってもよい。光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１を流れる掘削流体３８は、ノズル１１０から岩盤表面２０２に向けて噴射され掘削流体ジェット流３９となる。ビーム放射端３７から放射されたレーザービーム２０４は岩盤表面２０２に到達して岩石を溶融する。発生した溶融物及び剥離片はノズル１１０から噴射された掘削流体ジェット流３９によって除去され掘屑となり、掘削流体３８によって搬送され、岩石の掘削が進行する。
　第１実施形態に係るレーザー掘削装置１によれば、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を囲むように設けられたノズル１１０から、泥水などの掘削流体３８を放出することができる。したがって、レーザービーム２０４によって溶融された岩盤などの溶融物を容易に除去できる。
　掘削の進行に伴って岩盤表面２０２の位置は変化する。岩盤の掘削を安定して継続するためには、岩盤表面２０２と管端３６との間隙１１２を岩盤表面２０２の位置の変化に追従して適正な範囲に保つ必要がある。これを実現する方法の例について説明する。
　掘削流体３８は掘削流体ジェット流３９として岩盤表面２０２に衝突後、管端３６の外周へ流出する。流出する掘削流体３８の液層の厚さは管端３６直下においてもっとも薄くなる。管端３６直下における掘削流体３８の液層の厚さである液層厚１１３は、管端３６と岩盤表面２０２との間隙１１２の間隔が広いときにはその影響を受けないが、間隙１１２の間隔が狭くなると岩盤表面２０２から影響を受けるようになる。すなわち、液層厚１１３は間隙１１２によって規制されるようになり、この部位の掘削流体３８の流出速度は増大し圧損が増加する。この圧損の増加は、地上あるいは海上において管１２の背圧上昇として表れる。したがって、地上あるいは海上の掘削リグにおいて、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、管１２の背圧が所定の範囲に収まるように、レーザー掘削装置１の自重を利用するなどして管端３６に適正な負荷を掛ければ、間隙１１２を適正な範囲に保つことができる。これによって、間隙１１２の間隔が安定するので、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
　図１０に示される例では、レーザービーム２０４は光ファイバー６０から掘削流体３８中へ放射される。掘削流体３８には通常、泥水が使用されるが、泥水を使用するとレーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失を伴う。エネルギー伝送損失を低減するために、泥水よりもレーザー光の吸収の少ない流体を掘削流体３８としてもよい。掘削流体３８の機能の一つは掘屑の搬送であり、地上あるいは海上において掘屑を分離後、再び坑底に送られるが、泥水よりもレーザー光の吸収の少ない流体を適用しても濁りが発生することは避けられず、ある程度のエネルギーの伝送損失は避けられない。
　レーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失をさらに抑制するために、すでに図９を用いて説明したように、光ファイバー６０の端部と中心線が一致するようにノズル１００を設け、透明流体ジェット流１０１を掘削流体３８中に形成しこれをレーザービーム２０４の通路として利用することができる。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の数だけ設ければよいので、透明流体の流量は掘削流体３８の流量に比べて圧倒的に少ない。したがって、透明流体が加わっても掘削流体３８のリサイクルシステム成立の障害となることはない。この方法によってレーザービーム２０４のエネルギーの伝送損失を極限にまで抑制することが可能となる。
　図１１は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図である。図１１に示される例では、スイベル継手（図示せず）を使用して、非回転の光ファイバーケーブル１１の中心軸は、管１２の管端３６において、回転する管１２の中心軸と一致させている。また、図１１に示される例では、ノズル１１０は、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、管端３６の内側面と光ファイバーケーブル１１の外側面によって構成されるスリットノズルである。光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１を流れる掘削流体３８は、ノズル１１０から岩盤表面２０２に向けて噴射され掘削流体ジェット流３９となる。
　ジャケット７０は端部において、光ファイバー６０の端部（ビーム放射端）と中心線が一致するようにノズル１００が設けられている。図１１に示される例では、ノズル１００は円形の単孔ノズルである。これによって、透明流体は空隙７１からノズル１００へと導かれ、透明流体ジェット流１０１が形成される。透明流体ジェット流１０１は光ファイバー６０の端部と中心線が一致するので、光ファイバー６０から放射されたレーザービーム２０４は透明流体ジェット流１０１を通路として岩盤表面２０２に到達して岩石を溶融する。発生した溶融物及び剥離片はノズル１１０から噴射された掘削流体ジェット流３９によって除去され掘屑となり、掘削流体３８によって搬送され、岩石の掘削が進行する。透明流体は岩盤表面２０２に衝突後、透明流体層１２０を形成して掘屑を搬送し、やがて掘削流体３８と一体化する。
　また、地上あるいは海上において、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、管１２の背圧が所定の範囲に収まるように、レーザー掘削装置１の吊り荷重を調整するなどして管端３６に適正な負荷を掛ければ、間隙１１２の間隔を適正な範囲に保つことができる。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。したがって、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
２．第２実施形態に係るレーザー掘削装置
　図１２は、第２実施形態に係るレーザー掘削装置２の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。第１実施形態に係るレーザー掘削装置１においては、管端３６と岩盤表面２０２の間隙１１２の間隔を適正に保つために、地上又は海上において検出される管１２の背圧を所定の範囲に収める方法が採用されたが、第２実施形態に係るレーザー掘削装置２は、坑内において間隙１１２の間隔を自律的に調整できる構成となっている。なお、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
　第２実施形態に係るレーザー掘削装置２は、管１２が互いに褶動可能に設けられた外管１３２と内管１３３とを含んで構成されている。図１２に示される例では、管１２が摺動可能な重複部１３４を有する外管１３２と内管１３３とを含んで構成されている。図１２に示される例では、上流側に外管１３２、下流側に内管１３３を配しているが、これとは逆に、上流側に内管、下流側に外管を配してもよい。図１２に示される例では、外管１３２の端部に相当する位置と、内管１３３の端部に相当する位置に、外管１３２と内管１３３との間を封止するシール部１３５及びシール部１３６が設けられている。シール部１３５及びシール部１３６が設けられていることによって、管１２の内部を流通する掘削流体３８の漏洩が防止される。
　管１２を流通する掘削流体３８は、管１２の内圧によって内管１３３を管１２の伸長方向に摺動させる。図１１に示した間隙１１２が狭まると、間隙１１２における掘削流体３８の流出抵抗が増大して管端３６を押し上げる力が働く。管端３６を押し上げる力によって、内管１３３が管１２の収縮方向に摺動し、間隙１１２は回復する。このようにして、管１２の長さを、外管１３２と内管１３３とが摺動可能な範囲内で自律的に調節することができる。さらに、地上あるいは海上において、掘削流体３８を管１２に定量供給しつつ、一定時間毎に、管１２の背圧が急上昇を示すまで、レーザー掘削装置２の自重を利用するなどして管１２を降下させることによって、間隙１１２の間隔を適正な範囲に保つことができる。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。したがって、安定した掘削条件の下で掘削を継続することが可能となる。
　第２実施形態に係るレーザー掘削装置２によれば、管１２が互いに褶動可能に設けられた外管１３２と内管１３３とを含んで構成されているので、自律的に長さを変えることができる。特に、光ファイバーケーブル１１と管１２との間の空隙１２１と連通し、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を包囲するノズル１１０から、泥水などの掘削流体３８を放出する場合には、掘削流体３８の流出抵抗を用いて管１２の長さを自律的に調節することができる。したがって、管１２や管１２に内包されている光ファイバーケーブル１１が岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
　第２実施形態のレーザー掘削装置２において、図６及び図９に示されるような光ファイバーケーブル１１及びジャケット７０を有する構成を採用する場合には、地上又は海上においてこのような形態にして、坑内へ搬入してもよいし、また、図１２に示されるように、透明流体供給管１３０を坑内に配して接続部１３１において光ファイバーケーブル１１とジャケット７０との間の空隙７１と接続させてもよい。なお、第１実施形態においても同様である。
３．第３実施形態に係るレーザー掘削装置
　図１３Ａは、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１の水平断面図、図１３Ｂは、第３実施形態に係るレーザー掘削装置の光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７及びその近傍の構成例を模式的に示す垂直断面図（図１３ＡのＡ－Ａ線における断面図）である。なお、以下では第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と相違する点を中心に説明し、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
　図１３Ａに示されるように、第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１の構成は、図４を用いて説明した例と同様である。
　図１３Ｂに示されるように、第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７は、管１２の端部（管端３６）よりも外側に突出している。すなわち、第１実施形態及び第２実施形態においては、ビーム放射端３７は管端３６の内部に配置されていたが、第３実施形態においては、ビーム放射端３７は岩盤表面２０２に近接あるいは接触するように管端３６の外部に突出して配置されている。
　図１３Ｂに示される例では、光ファイバーケーブル１１の坑内側の端部となるビーム放射端３７は、管端３６から突出するように配置されており、光ファイバーケーブル１１と管端３６が環状のノズルを形成する。これによって、管１２を通じて供給される掘削流体３８は管端３６において掘削流体ジェット流３９となる。また、掘削流体ジェット流３９と光ファイバーケーブル１１との摩擦力を駆動力として、光ファイバーケーブル１１を坑底へ向けて移動させることができる。光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７は、岩盤表面２０２に近接あるいは接触するので、レーザーエネルギーはビーム放射端３７から岩盤表面２０２の対向部位に効率よく伝達される。より多くのレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に伝達する観点から、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２までの間の距離は、５０ｍｍ以下とすることが好ましく、３０ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。なお、管１２の損耗を避ける観点からは、管端３６から岩盤表面２０２までの間の距離は、５０ｍｍ以上とすることが好ましい。
　レーザービームの一部は岩盤表面２０２において反射して、光ファイバーケーブル１１の坑内側の端部（ビーム放射端３７の近傍）を加熱する。この結果、ジェリー６６は気化して光ファイバー６０と保護シース６５を気化熱によって冷却するが、光ファイバー６０と保護シース６５の損耗は徐々に進行する。光ファイバー６０、保護シース６５及びジェリー６６の損耗分は光ファイバーケーブル１１の供給によって補われる。このような損耗を制御するために、管１２の内部に光ファイバーケーブル１１が移動する状態と移動しない状態とを選択できる保持機構１５０を設置してもよい。
　図１４は、保持機構１５０の構成を模式的に示す断面図である。図１４に示される例では、保持機構１５０は、バネ機構１５１、流体受け部１５２及び押さえ部１５３を含んで構成されている。バネ機構１５１は、管１２の内壁面に設けられている。バネ機構１５１は、流体受け部１５２及び押さえ部１５３を有するアームを水平方向に移動させることができる。流体受け部１５２は、掘削流体３８の流通方向に対して斜面を有するように設けられている。図１４に示される例では、流体受け部１５２が掘削流体３８を受けることによって、アームは光ファイバーケーブル１１に近づく方向に力を受ける。押さえ部１５３は、光ファイバーケーブル１１と接することによって、光ファイバーケーブル１１の移動を停止させることができる。このような保持機構１５０においては、掘削流体３８の流量を制御することによって、光ファイバーケーブル１１が移動する状態と移動しない状態とを選択することができる。このような保持機構１５０を設けることによって、ビーム放射端３７から岩盤表面２０２の間の距離を調節し損耗速度を制御することが可能となる。
　第３実施形態に係るレーザー掘削装置においては、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７が管１２の端部（管端３６）よりも突出しているので、ビーム放射端３７を岩盤表面２０２に近接あるいは接触させることができる。これによってレーザーエネルギーの伝送損失が極めて小さくなるので、レーザービーム２０４は、高いパワー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給することが可能となる。
　ビーム放射端３７から、好ましくは１０５Ｗ／ｃｍ２以上、より好ましくは１０６Ｗ／ｃｍ２以上のパワー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２の局所に供給すると、レーザーエネルギーはほとんど損失なく岩石に伝達され、岩石成分の少なくとも一部が蒸発して噴出し、溝が形成される。「５．実施例」の項で後述されるように、坑底の岩盤表面２０２上でレーザービームを移動させながら照射しレーザービームパターンを描くと、レーザービームパターンに沿って溝状のパターンが形成される。すなわち、岩盤表面２０２は切り刻まれ多数の島に分割される。形成された島々の表層は、下層との熱膨張差や、亀裂に侵入した水の加熱膨張によって、剥離して多数の砕片となる。このように、高いエネルギー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給すると、岩石の大部分を占める砕片は融点に達することなく固相のまま除去されるので、低いパワー密度を適用して岩石を溶融除去する方法に比べて、エネルギー効率が圧倒的に高くなるという利点がある。第３実施形態に係るレーザー掘削装置は、このように高いエネルギー密度のレーザーエネルギーを岩盤表面２０２に供給する用途にも適している。
４．第４実施形態に係るレーザー掘削装置
　図１５は、第４実施形態に係るレーザー掘削装置３の主要な構成を模式的に示す垂直断面図である。なお、第１実施形態に係るレーザー掘削装置１と同様の構成には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
　第４実施形態に係るレーザー掘削装置３は、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも一部を覆う防護殻１４０をさらに含んで構成されている。
　図１５に示される例では、固定管４８及びシール部４９に防護殻１４０が固定されている。防護殻１４０は、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられている。また、図１５に示される例では、少なくとも防護殻１４０の先端部１４１が岩盤と接触できるように構成されている。また、図１５に示される例では、防護殻１４０は、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも側方の一部を覆っている。また、図１５に示される例では、防護殻１４０は、下方に広がるほぼ漏斗状に構成されている。
　防護殻１４０は、固定管４８を坑内に降下させることによって坑内を降下できる。坑内で防護殻１４０を降下させると、防護殻１４０の先端部１４１は掘削が進行中の岩盤表面２０２の外周部において岩盤と接触する。レーザー掘削装置３の吊り荷重を調整するなどして、防護殻１４０にかかる負荷を一定に保つことによって、ビーム放射端３７と岩盤表面２０２の間隙１１２は一定に保持される。これによって、ビーム放射端３７から発せられるレーザービーム２０４によって岩盤表面２０２に供給されるレーザービーム２０４のエネルギー密度が安定し、岩盤の安定的な破壊がもたらされる。このような状況を実現するためには、防護殻１４０にかける負荷を、例えば、１トンから１０トンとすることができる。
　図１５に示される例では、防護殻１４０の先端部１４１は、防護殻１４０の先端全周に渡って離散的に複数の流出口１４２有する形状に構成されている。管端３６から岩盤表面２０２に向けて流下する掘削流体３８は掘屑が付着するのを防止すべく防護殻１４０の内面を洗浄して岩盤表面２０２に到り、ノズル１００から放出される透明流体と合流し、掘屑を伴って、流出口１４２を通って防護殻１４０の外部へ移動し、坑内を上昇する。先端部１４１は、岩盤と接触し、脆化した岩盤を切り崩して砕片とする。これに伴う摩耗を避けるために、先端部１４１は耐摩耗材料によって構成される。耐摩耗材料としては、例えば、ＷＣ－Ｃｏ系の超硬合金、サーメット、セラミック及び工具鋼の中から選択することができる。耐摩耗材料で構成される先端部１４１は、バルク材であっても被覆材であってもよい。被覆材としては、例えば、鋼表面にＣｏ基合金粉末、サーメット粉末又はセラミック粉末を溶射したものを用いることができる。
　第４実施形態に係るレーザー掘削装置３によれば、光ファイバーケーブル１１の可動域の外に設けられ、光ファイバーケーブル１１の可動域の少なくとも一部を覆う防護殻１４０を含んで構成されているので、光ファイバーケーブル１１が岩盤などに衝突することによって破損することを抑制できる。
　図１５に示される例では、管１２の管端３６はシール部４９近傍に設けられ、管端３６には掘削流体ジェット流を発生させるために流路が狭窄された形状のノズルは設けられていない。この場合、管１２から突出した光ファイバーケーブル１１の中心軸は、スイベル継手（図示せず）を使用して管１２の中心軸と一致するように管端３６において調整されている。また、光ファイバーケーブル１１の管１２から突出した部分においては、曲げ変形防止のための強化がなされている。
５．実施例
　上述のレーザー掘削装置を使用すれば、第１偏心リング１３及び第２偏心リング１５をそれぞれ所定の回転速度で回転させることによって管１２の中心軸を遊星運動させることができる。これに伴って光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７を遊星運動させることができる。この作用によって、ビーム放射面２０１上においてビーム放射端３７の軌跡が移動パターン２０３を描き、この移動パターン２０３を、レーザービーム２０４を介して岩盤表面２０２にレーザービームパターン２０５として拡大転写することが可能となる。このようなレーザービームパターン２０５の実施例を以下に示す。
５－１．第１実施例
　表１に、第１実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　サイクルタイムは、第１偏心リング１３又は第２偏心リング１５が１回転する時間である。偏心量は、第１偏心リング１３においては第１偏心量２２、第２偏心リング１５においては第２偏心量２３である。
　表１に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ａに示す。図１６Ａに示されるレーザービームパターン２０５は、光ファイバーケーブル１１のビーム放射端３７における光ファイバーケーブル１１の中心線が描く軌跡と相似形である。光ファイバーケーブル１１が複数の光ファイバー６０を含んで構成されている場合には、レーザービームパターン２０５の近傍に、光ファイバー６０の数に相当する数の軌跡が描かれる。
　第１実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が１０回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっている。
５－２．第２実施例
　表２に、第２実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ｂに示す。第２実施例では、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも大きいので、レーザービームパターン２０５の中心部において空白部分が生じる。
５－３．第３実施例
　表３に、第３実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ｃに示す。第３実施例では、第２実施例よりもさらに、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも大きいので、レーザービームパターン２０５の中心部の空白部分が第２実施例よりも大きくなっている。
５－４．第４実施例
　表４に、第４実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ｄに示す。第４実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、１２０秒の間では、レーザービームパターン２０５が同一の軌跡を繰り返すことはないので、レーザービーム２０４を岩盤表面２０２に対して細かく照射できる。
５－５．第５実施例
　表５に、第５実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ｅに示す。第５実施例では、第１偏心量２２と第２偏心量２３の大きさが同じなので、レーザービームパターン２０５は、中心で交わるパターンとなっている。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が６回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっているので、第１実施例のレーザービームパターン２０５に比べて、岩盤表面２０２に対して荒く照射できる。
５－６．第６実施例
　表６に、第６実施例の条件を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表６に示される条件で、レーザービーム２０４を１２０秒間照射した時のレーザービームパターン２０５を図１６Ｆに示す。第６実施例では、第１偏心量２２が第２偏心量２３よりも小さいので、レーザービームパターン２０５の中心部において空白部分が生じる。第２実施例及び第３実施例と比較すると、第６実施例のレーザービームパターン２０５は、周辺部を荒く照射できるパターンである。また、レーザービームパターン２０５は、第１偏心リング１３が１０回回転する６０秒を１周期として繰り返されるパターンとなっている。
　上述の実施例１～６は、上述のレーザー掘削装置によって多様なレーザービームパターン２０５の形成が可能であることを示す。上述の実施例１～６においては、第１偏心リング１３と第２偏心リング１５とを連続回転させることを前提としたが、断続回転させることも可能である。この場合、さらに多様なレーザービームパターン２０５の形成が可能となる。
　なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、複数を適宜組み合わせることが可能である。
　本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１…レーザー掘削装置、２…レーザー掘削装置、３…レーザー掘削装置、１１…光ファイバーケーブル、１２…管、１３…第１偏心リング、１４…軸受、１５…第２偏心リング、１６…軸受、１７…固定リング、１８…軸受、１９…軌跡、２０…軌跡、２１…円、２２…第１偏心量、２３…第２偏心量、３１…第１波動歯車装置、３２…第２波動歯車装置、３３…継手、３４…継手、３５…自在継手、３６…管端、３７…ビーム放射端、３８…掘削流体、３９…掘削流体ジェット流、４２…結合部材、４３…回転管、４４…ハウジング、４５…フォーカル軸受、４６…中心軸、４７…中心軸、４８…固定管、４９…シール部材、５０…抗壁、６０…光ファイバー、６１…スロットロッド、６２…押え巻層、６３…テンションメンバー、６４…鉄線層、６５…保護シース、６６…ジェリー、７０…ジャケット、７１…空隙、８０…単孔ノズル、９０…スリットノズル、１００…ノズル、１０１…透明流体ジェット流、１１０…ノズル、１１２…間隙、１１３…液層厚、１２０…透明流体層、１２１…空隙、１３０…透明流体供給管、１３１…接続部、１３２…外管、１３３…内管、１３４…重複部、１３５…シール部、１３６…シール部、１４０…防護殻、１４１…先端部、１４２…流出口、１５０…保持機構、１５１…バネ機構、１５２…流体受け部、１５３…押さえ部、２０１…ビーム放射面、２０２…岩盤表面、２０３…移動パターン、２０４…レーザービーム、２０５…レーザービームパターン

Claims (9)

  1. 　光ファイバーケーブルと、
    　前記光ファイバーケーブルを内包する管と、
    　前記管を貫通させ、軸受を介して前記管を回転自在に支持する第１偏心リングと、
    　前記第１偏心リングを内包し、軸受を介して前記第１偏心リングを回転自在に支持する第２偏心リングと、
    　前記第２偏心リングを内包し、軸受を介して前記第２偏心リングを回転自在に支持する固定リングと、
    　を含み、
    　前記第１偏心リング及び前記第２偏心リングの回転によって前記管の中心軸を移動させて、前記管に内包される前記光ファイバーケーブルのビーム放射端の位置を移動させる、レーザー掘削装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記管を貫通させる第１波動歯車装置と、
    　前記管を貫通させる第２波動歯車装置と、
    　をさらに含み、
    　前記管を、継手を介して前記第１波動歯車装置の入力部に連結し、前記第１偏心リングを前記第１波動歯車装置の出力部に連結し、
    　前記管を、継手を介して前記第２波動歯車装置の入力部に連結し、前記第２偏心リングを前記第２波動歯車装置の出力部に連結し、
    　前記管の回転を前記第１波動歯車装置で減速して前記第１偏心リングを回転させ、
    　前記管の回転を前記第２波動歯車装置で減速して前記第２偏心リングを回転させる、レーザー掘削装置。
  3. 　請求項１又は２に記載のレーザー掘削装置において、
    　空隙を有して前記光ファイバーケーブルを被覆するジャケットをさらに含む、レーザー掘削装置。
  4. 　請求項３に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
  5. 　請求項３に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記光ファイバーケーブルは、複数の光ファイバーを含み、
    　前記光ファイバーケーブルと前記ジャケットと間の前記空隙と連通し、前記複数の光ファイバーのそれぞれのビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記管は、空隙を有して前記光ファイバーケーブルを内包し、
    　前記光ファイバーケーブルと前記管との間の前記空隙と連通し、前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端を囲むように設けられたノズルをさらに含む、レーザー掘削装置。
  7. 　請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記管は、互いに褶動可能に設けられた外管と内管とを含む、レーザー掘削装置。
  8. 　請求項１ないし７のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記光ファイバーケーブルの可動域の外に設けられ、前記光ファイバーケーブルの可動域の少なくとも一部を覆う防護殻をさらに含む、レーザー掘削装置。
  9. 　請求項１ないし８のいずれか１項に記載のレーザー掘削装置において、
    　前記光ファイバーケーブルの前記ビーム放射端は、前記管の端部よりも外側に突出している、レーザー掘削装置。
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