WO2015102165A1 - 드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법 - Google Patents

드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법 Download PDF

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WO2015102165A1
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striking
hitting
rock
drill bit
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PCT/KR2014/003905
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조정우
신대영
이재욱
오주영
박진영
권기범
송창헌
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0052—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes measuring forces due to impact

Definitions

  • the present invention relates to a drill bit drilling efficiency test apparatus, and more particularly, to a drill bit drilling efficiency test apparatus to obtain an optimal button arrangement by obtaining the amount of rock crushing according to the button arrangement.
  • the present invention also relates to a test method using such a test apparatus.
  • the drill bit is a key part of the perforator that breaks the rock by delivering striking energy directly to the rock by striking, rotating, and feeding.
  • 1 shows a drill bit 102 mm in diameter, showing a button 30 and a flushing channel 40 arranged in the head.
  • the button 30 of the drill bit is positioned at a new strike position and strikes. Then, the rock crushed by the hitting is crushed again by continuous hitting and rotation, and discharged out of the hole due to the pneumatic supply.
  • FIG. 2A shows that the buttons 30 of FIG. 1 form four concentric tracks.
  • button 1 hits the innermost circle (track) with a radius r1
  • buttons 2 and 3 hit the second circle (track) with a radius r2, and hit 4-6.
  • Burn button hits while drawing the third circle (track) with radius r3.
  • gauge buttons 7-15 hit the outermost position by drawing a fourth circle (track) with radius r4.
  • the impact point of the button 30 in the process of drilling the rock depends on the operating conditions of the drifter. Although operating the drifter to have an even hitting point as a whole is ideal for efficient rock drilling, under certain operating conditions, as shown in FIG.
  • the hitting point of FIG. 2 (b) is the point where the drill bit with the button arrangement of FIG. 2 (a) hits the rock when operated at 180 revolutions per minute (rpm) and 2200 blow per minute (BPM). This is a duplicate of the hitting point.
  • buttons 30 Since it is practically impossible to operate the drifter to have an even hitting point at all times, it is important to arrange the buttons 30 so that the hitting points are not duplicated.
  • Applicant has developed a computer program capable of simulating the hitting point according to the R.P.M and B.P.M of the drill bit in order to arrange the button 30 of the drill bit so as not to overlap the hitting point.
  • the computer program can simulate hitting points according to various R.P.M and B.P.M without actually manufacturing and testing the drill bits, thereby rearranging the buttons of the existing drill bits to increase the drilling efficiency.
  • FIG. 3 (a) shows rearrangement of the buttons of FIG. 2 (a) through the computer program simulation.
  • button 2 of track 2 is arranged by moving ⁇ r2 toward the center of r2
  • button 3 is arranged by moving ⁇ r2 outward of r2 and by track 5 of track 3
  • the buttons are arranged by moving? R3 toward the center of r3, and the sixth button of track 3 is arranged by moving? R3 outward of r3.
  • DELTA r2 and DELTA r3 are approximately 2 mm to 3 mm.
  • Figure 3 (b) shows the hitting point formed by the button of Figure 3 (a).
  • FIG. 3B shows the striking point at which the rock strikes when operating the drill bit with the button arrangement of FIG. 3A at 180 R.P.M. (revolution per minute), 2200 B.P.M. (blow per minute). Comparing FIG. 3B with FIG. 2B, it can be seen that the hitting point of FIG. 3B is much smaller than the hitting point of FIG. 2B, but the smaller hitting point overlap means that the rock breaking efficiency is greater. .
  • an object of the present invention is to provide a drilling bit drilling efficiency test apparatus and test method that can determine whether the button arrangement is appropriate by testing the amount of rock crushing according to the button arrangement with the actual rock specimen.
  • the present invention is optimized not only for the buttons rearranged by the computer program but also during the manufacture of a new drill bit, by varying the distance between the impact points and the impact energy (or impact speed) and obtaining the amount of rock fracture. It is an object of the present invention to provide a test apparatus and a test method for obtaining the button arrangement and the striking energy (or striking speed) of.
  • Another object of the present invention is to provide a drilling bit drilling efficiency test apparatus and test method, which is simple in structure, low in cost, and can complete the test in a short time.
  • a test apparatus includes a striking member having a button 112; Blow energy generating unit for transmitting the energy for hitting the rock specimen (s) to the blow member; And fixing the rock specimen (s) so that the rock specimen (s) does not move by the striking, and moving and rocking the rock specimen by a predetermined distance after the striking.
  • the blow energy generating unit, the guide pipe 121 is installed vertically and the inside is empty; A drop piston 123 installed to allow free fall inside the guide tube 121; And a frame 125 supporting the guide tube 121.
  • the striking member may include a striking piston 110 and a button 112 installed at the lower end of the striking piston 110.
  • the drop piston 123 falls inside the guide tube 121 and strikes the striking piston 110, whereby the button 112 strikes the rock specimen 2.
  • the fixing and moving means includes: a box 145 in which a rock specimen is received therein but is fixed so that the rock specimen does not move and the top surface is opened for hitting the button; And a fixing part for fixing the box 145 to a flat plate so that the box 145 does not move during the hitting, but after the hitting, the fixing part releases the fixing and moves the box 145 in a straight line. Can be.
  • the circular hitting point of the drill bit button is converted into a linear hitting point.
  • the button 112 hits the linear hitting point, and after the hit is made by the button 112, the fixing and moving means moves the rock specimen. Move in a straight line.
  • Another aspect of the present invention is a drilling efficiency test method, (a) a drop piston 123 is installed so as to be freely dropped inside the guide tube 121 and the lower end of the blow piston 110 provided with a button 112 Preparing a drilling efficiency test apparatus comprising; (b) dropping the drop piston (123) to hit the striking piston (110) so that the button (112) strikes the rock specimen (s); (c) striking the rock specimen (s) after moving the rock specimen (s) a predetermined distance after step (b); And, (d) measuring specific volume of rock crushed by the striking to obtain specific energy.
  • the test method may include converting the circular striking point of the drill bit button into a linear striking point before the step (a). Then, the steps (a) and (b) strikes the rock specimen to correspond to the linear strike point.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a typical drill bit.
  • Figure 2a shows a button and a flushing channel arranged in the drill bit of figure 1;
  • Figure 2b is a view showing the hitting point by the button of Figure 2a.
  • Figure 3a is a view showing a rearranged button of Figure 2a.
  • Figure 3b is a view showing the hitting point by the button of Figure 3a.
  • Figure 4 is a perspective view showing the drilling efficiency test apparatus of the drill bit, according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4.
  • FIG. 6 is a view showing the conversion of the circular striking point of FIG. 2b into a linear striking point.
  • FIG. 7 is a view showing the conversion of the circular striking point of FIG. 3b into the linear striking point.
  • FIG. 8 shows the rock fractured by the buttons on track 2 of FIG. 2A
  • FIG. 9 shows the rock fractured by the interaction of track buttons 2 and 3 of FIG. 2A;
  • FIG. 10 shows a rock fractured by buttons on track 2 of FIG. 3A
  • FIG. 11 shows the rock fractured by the interaction of track buttons 2 and 3 of FIG. 3A;
  • button 121 guide tube
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a test apparatus according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 4.
  • the test apparatus 100 is fixed to the striking member for striking the rock specimen (s), the striking energy generator for generating energy striking the rock specimen (s), and the rock specimen (s) And fixed and moving means for moving.
  • the striking member has a percussion piston 110 and a button 112.
  • the striking piston 110 is installed to be able to move up and down at the lower end of the guide tube 121, the button 112 is installed at the lower end of the striking piston 110.
  • the button 112 is a button installed in the drill bit, it may be made of tungsten carbide or the like.
  • the impact force applied by the drop piston 123 to the striking piston 110 is transmitted to the rock specimen s through the button 112.
  • the blow energy generating unit is a guide tube 121 installed vertically, a frame 125 supporting the guide tube 121, a drop piston 123 installed inside the guide tube 121, and a drop piston 123. It may be provided with a speedometer 127 for measuring the falling speed of the.
  • the guide tube 121 is a hollow tube, and the drop piston 123 is introduced through the upper end thereof, and the dropped drop piston 123 freely falls to strike the striking piston 110.
  • the guide tube 121 preferably has a diameter such that the drop piston 123 can freely fall.
  • the lower end of the guide tube 121 may be a long hole (not shown in the figure) in the vertical direction for measuring the speed of the speedometer 127.
  • the long hole is formed at a position corresponding to the speedometer 127, through which the speedometer 127 can measure the falling speed of the drop piston 123.
  • the long hole also serves as a passage through which air in the guide tube 121 is discharged when the drop piston 123 falls.
  • the frame 125 supports the guide tube 121 to maintain the vertical. At this time, the frame 125 is the lower end of the guide tube 121 or button 112 is located above the box 145 so that the box 145 can move to the space below the lower end of the guide tube 121. do.
  • the drop piston 123 transfers the hitting energy to the hitting piston 110 by hitting the hitting piston 110 after free fall in the guide tube 121.
  • the striking energy can be adjusted by changing the weight of the drop piston 123 or by changing the drop start point of the drop piston 123.
  • the speedometer 127 may measure the impact energy applied by the drop piston 123 to the striking piston 110 by measuring the drop speed of the drop piston 123.
  • the speedometer 127 is preferably installed at the point where the drop piston 123 strikes the striking piston 110.
  • the speedometer 127 is not only well known in construction, but can be easily purchased on the market, and thus description thereof will be omitted.
  • the fixing and moving means is fixed to prevent the rock specimen (s) from moving while the rock specimen (s) is hit, and to move the rock specimen (s) by a predetermined distance after the strike.
  • the fixing and moving means may include a guide rail 141, a box 145 that can slide on the guide rail 141, and a fixing part for selectively fixing the box 145.
  • the guide rail 141 is installed parallel to the ground.
  • the guide rail 141 is installed to extend into a space below the lower end of the guide tube 121.
  • the box 145 accommodates the rock specimen s therein and may be moved along the guide rail 141.
  • the box 145 is preferably formed to constrain all boundary surfaces other than the striking surface in order to prevent the shock wave generated by the striking from being reflected by the tensile wave at the boundary of the end of the rock specimen (s). Only the top side is open and the other side is closed.
  • the box 145 is preferably fixed to the guide rail 141 or a flat plate (not shown in the drawing) that supports the guide rail 141 at the time of the hitting so as not to move by the hitting of the hitting piston 110.
  • a fixing portion (not shown), for example, a bolt (not shown) may be provided to penetrate the lower surface of the box 145 to the guide rail 141 or the flat plate.
  • the bolt is fastened to the guide rail 141 or the flat plate so that the box 145 is not shaken by the hitting, and when the box 145 is moved after the hitting, the bolt coupling is released to the box 145. Allow the movement of.
  • a breaker device (not shown in the drawing) may be used to fix the box 145 to the guide rail 141 separately from the fixing using the bolt or together with the fixing using the bolt.
  • the breaker device is a structure widely used in rail bikes, vehicles, carter, etc., so that description thereof will be omitted.
  • a gripper or a jig may be used, or rock specimen fixing means disclosed in FIG. 4 of Korean Patent Registration No. 918664 may be used.
  • Such grippers, jigs, fixing means, etc. may move the rock specimens by the distance between the hitting points, and are widely used to fix the rock specimens.
  • the test apparatus having such a configuration has the advantage that the structure is simple, the cost is low, and the test can be completed in a short time.
  • the impact point by the button of the drill bit is deformed linearly.
  • the point of impact will be circular, as shown in FIGS. 2B and 3B.
  • the test can be simplified by deforming the circular point of impact to be linear. That is, the deformation is made by converting a circular array of hitting points to be linear, which can simplify the test apparatus and facilitate the test.
  • 6 and 7 show the hitting points arranged in a linear manner, where all the hitting points of the tracks are assumed to start on the same line, and the interval between the hitting points in each track (for example, the 2nd button on track 2).
  • the distance between the hitting points, the distance between the hitting points of buttons 2 and 3 on track 2 corresponds to the spacing between the hitting points in the circular hitting point arrangement (ie, the arrangement of FIG. 2B).
  • 6, the distances between the tracks correspond to r1, r2-r1, r3-r2, and r4-r3, respectively.
  • Reference numeral C denotes a center point of the drill bit. Meanwhile, in FIGS. 6 and 7, tracks 1 and 4 represent only a starting point.
  • reference numerals of FIG. 6 denote button numbers of FIG. 2A.
  • reference numeral 2 denotes button 2 of FIG. 2A and reference numeral 3 denotes button 3 of FIG. 2A.
  • reference numerals of FIG. 7 denote button numbers of FIG. 3A.
  • reference numeral 2 denotes button 2 of FIG. 3A and reference numeral 3 denotes button 3 of FIG. 3A.
  • the hitting point 2 of the 2nd button and the hitting point 3 of the 3rd button are located very close to each other on the same straight line. Also, it can be seen that the distance d1 between tracks 2 and 3 is relatively wide.
  • the hitting point of button 2 and the hitting point of button 3 are separated by a predetermined interval. This is because, as described above, the number 2 button is disposed to be moved by ⁇ r2 toward the center of r2 and the button 3 is disposed to be moved by ⁇ r2 to the outside of r2. In addition, it can be seen that the distance d2 between the tracks 2 and 3 is much narrower than in the case of FIG. 6.
  • the box 145 After fixing the rock specimen s inside the box 145 and moving the box 145 to be positioned below the striking piston 110, the box 145 is fixed.
  • the rock specimen s in the box 145 and / or the box 145 is moved and fixed by the distance between the impact points of FIGS. 6 and 7, and then the drop piston 123 is dropped to drop the rock specimen ( hit s)
  • FIG. 8 is formed by tracks 2 (buttons 2 and 3) when the button arrangement (traditional button arrangement) of FIG. 2A, i.e., when the rock specimen s hits the impact point of FIG.
  • the fracture is measured by a laser scanner
  • FIG. 9 measures the fracture formed by the interaction of the track button 2 and the track 3 button with the laser scanner when the rock specimen s hits the impact point of FIG. 6. It is.
  • FIG. 10 shows track 2 (buttons 2 and 3) when the button arrangement (improved button arrangement) of FIG. 3A is applied, that is, when the rock specimen s hits the impact point of FIG. 7.
  • the fracture formed by the laser scanner was measured
  • FIG. 11 shows the fracture formed by the interaction of the track button 2 and the track button 3 when the rock specimen s hits the impact point of FIG. 7. It is measured by.
  • SE Specific energy
  • the movement distance of the rock specimen (s) can be used in the appropriate button arrangement by measuring the amount of rock crushing according to the movement distance (that is, the distance between the impact point) of the rock specimen, the impact energy (that is, the impact By varying the velocity, it is also possible to determine the appropriate impact energy by measuring the amount of rock breakage.
  • the present invention has the following effects.
  • the optimum button arrangement and the amount of rock fracture can be obtained by changing the distance between the impact points and the impact energy (or impact speed). Allows you to get the hit energy (or hit speed).
  • the structure is simple, inexpensive, and the test can be completed in a short time.

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Abstract

본 발명에 따른 드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법은 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량을 구함으로써 최적의 버튼 배열을 얻을 수 있도록 한다.

Description

드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법
본 발명은 드릴비트의 천공효율 시험장치에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량을 구함으로써 최적의 버튼 배열을 얻을 수 있도록 하는, 드릴비트의 천공효율 시험장치에 대한 것이다. 아울러, 본 발명은 이러한 시험장치를 이용한 시험방법에 대한 것이기도 하다.
통상적으로, 드릴비트는 타격, 회전 및, 피드 작용으로 암반에 직접 타격 에너지를 전달하여 암반을 파쇄하는 천공기의 핵심 부품이다. 도 1은 직경 102mm의 드릴 비트를 나타낸 도면으로서, 헤드에 배열된 버튼(30)과 플러싱 채널(40)을 보여준다.
회전에 의해서 드릴 비트의 버튼(30)은 새로운 타격 위치에 자리를 잡고 타격이 이루어진다. 그리고, 타격에 의해 파쇄된 암반은 연속 타격 및 회전에 의해 재차 분쇄되고, 공압 공급으로 인해 천공홀 밖으로 배출된다.
도 2(a)는 도 1의 버튼(30)들이 4개의 동심원(track)을 이루는 것을 보여준다. 즉, 1번 버튼은 가장 안쪽에서 반경 r1의 원(트랙)을 그리면서 타격하게 되고, 2번과 3번 버튼은 반경 r2의 두 번째 원(트랙)을 그리면서 타격하게 되며, 4번~6번 버튼은 반경 r3의 세 번째 원(트랙)을 그리면서 타격하게 된다. 마지막으로, 7번~15번의 게이지 버튼은 반경 r4의 네 번째 원(트랙)을 그리면서 최외곽 위치를 타격하게 된다.
암반을 천공하는 과정에서 버튼(30)의 타격지점은 드리프터의 운용 조건에 따라 달라진다. 전체적으로 고른 타격지점을 갖도록 드리프터를 운용하는 것이 효율적인 암반 천공을 위하여 이상적이지만, 특정 운용 조건에서는 도 2(b)와 같이 버튼의 타격지점이 중복되어 천공효율이 낮아질 수 있다. 참고로, 도 2(b)의 타격지점은 도 2(a)의 버튼 배열을 가진 드릴비트가 180 R.P.M.(revolution per minute), 2200 B.P.M.(blow per minute)으로 작동될 때 암반을 타격하는 지점을 표시한 것인데, 타격지점이 중복된 것을 보여준다.
실제 현장에서는 항상 고른 타격 지점을 갖도록 드리프터를 운용하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문에 타격지점이 중복되지 않도록 버튼(30)을 배열하는 것이 중요하다.
본 출원인은 드릴 비트의 버튼(30)을 타격지점이 중복되지 않도록 배열하기 위해서 드릴비트의 R.P.M과 B.P.M에 따라 타격 지점을 시뮬레이션할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 개발한 바 있다.
상기 컴퓨터 프로그램은, 실제로 드릴비트를 제작 및 시험하지 않고서도, 다양한 R.P.M과 B.P.M에 따른 타격 지점을 시뮬레이션할 수 있고, 이에 따라 기존 드릴 비트의 버튼을 재배열하여 천공 효율을 높일 수 있다.
도 3(a)는 도 2(a)의 버튼을 상기 컴퓨터 프로그램 시뮬레이션을 통해서 재배열한 것을 보여준다. 구체적으로, 도 3(a)에서 2번 트랙의 2번 버튼이 r2 보다 중심쪽으로 △r2 만큼 이동되어 배열되고 3번 버튼은 r2 보다 바깥쪽으로 △r2 만큼 이동되어 배열되며, 3번 트랙의 5번 버튼은 r3 보다 중심쪽으로 △r3 만큼 이동되어 배열되고, 3번 트랙의 6번 버튼은 r3 보다 바깥쪽으로 △r3 만큼 이동되어 배열된다. 이 때, 상기 △r2와 △r3는 대략 2mm~3mm 정도인 것이 바람직하다.
도 3(b)는 도 3(a)의 버튼에 의해 형성된 타격지점을 보여준다. 참고로, 도 3b는 도 3a의 버튼 배열을 가진 드릴 비트를 180 R.P.M.(revolution per minute), 2200 B.P.M.(blow per minute)으로 작동시킬 때 암반을 타격하는 타격 지점을 나타낸 것이다. 도 3b와 도 2b를 비교하면, 도 3b의 타격 지점은 도 2b의 타격 지점에 비하여 타격 지점 중복이 훨씬 작은 것을 알 수 있는데, 타격 지점 중복이 작다는 것은 그 만큼 암반 파쇄 효율성이 크다는 것을 의미한다.
본 출원인은, 상기 컴퓨터 프로그램과 함께, 상기 재배열된 버튼의 착공 효율을 실제 암석시편에 대해 테스트하기 위하여 본 발명을 고안하였다. 즉, 본 발명은 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량을 실제 암석시편으로 시험함으로써 버튼 배열의 적정성 여부를 확인할 수 있는, 드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 상기 컴퓨터 프로그램에 의해 재배열된 버튼에 대해서 뿐만 아니라 신규 드릴비트의 제작시에도, 타격지점 사이의 거리와 타격 에너지(또는 타격 속도)를 변경시키며 암반 파쇄량을 구함으로써 최적의 버튼 배열과 타격 에너지(또는 타격 속도)를 구할 수 있도록 하는 시험장치 및 시험방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 구조가 단순하고, 가격이 저렴하며, 빠른 시간에 시험을 완료할 수 있는, 드릴비트의 천공효율 시험장치 및 시험방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 시험장치는, 버튼(112)을 구비하는 타격부재; 암석시편(s)을 타격하기 위한 에너지를 타격부재에 전달하는 타격에너지 발생부; 및, 상기 타격에 의해 암석시편(s)이 움직이지 않도록 암석시편(s)을 고정하되, 상기 타격 후에는 암석시편을 소정 거리만큼 이동시키는 고정 및 이동수단;을 구비한다.
상기 타격 에너지 발생부는, 수직으로 설치되고 그 내부는 비어 있는 가이드관(121); 가이드관(121)의 내부에서 자유낙하 가능하도록 설치된 드롭 피스톤(123); 및 가이드관(121)을 지지하는 프레임(125);을 구비할 수 있다.
그리고, 상기 타격부재는 타격 피스톤(110) 및, 타격 피스톤(110)의 하단에 설치된 버튼(112)을 구비할 수 있다. 드롭 피스톤(123)이 가이드관(121)의 내부에서 낙하하여 타격 피스톤(110)을 타격하고, 이에 따라 버튼(112)이 암석시편(2)을 타격하게 된다.
상기 고정 및 이동수단은, 내부에 암석시편(s)이 수용되되 암석시편이 움직이지 않도록 고정되고 상기 버튼의 타격을 위해 윗면이 개방된 박스(145); 및, 상기 타격시 박스(145)가 움직이지 않도록 박스(145)를 평판에 고정하되, 상기 타격 후에는 상기 고정을 해제하고 박스(145)를 직선으로 이동시킬 수 있도록 하는 고정부;를 구비할 수 있다.
본 발명에서는 드릴비트 버튼의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환하는데, 버튼(112)은 상기 선형 타격지점을 타격하며, 버튼(112)에 의한 타격이 이루어진 후, 고정 및 이동수단은 암석시편을 직선으로 이동시킨다.
본 발명의 다른 측면인 천공효율 시험방법은, (a) 가이드관(121)의 내부에서 자유낙하 가능하도록 설치된 드롭 피스톤(123)과, 하단에 버튼(112)이 구비된 타격 피스톤(110)을 포함하는 천공효율 시험장치를 준비하는 단계; (b) 상기 드롭 피스톤(123)을 낙하시켜 타격 피스톤(110)을 타격함으로써 상기 버튼(112)이 암석시편(s)을 타격하도록 하는 단계; (c) 상기 (b) 단계 이후에 암석시편(s)을 소정거리 이동시킨 후 암석시편(s)을 타격하는 단계; 및, (d) 상기 타격에 의해 파쇄된 암석의 부피를 측정하여 비에너지를 구하는 단계;를 포함한다.
상기 시험방법은, 상기 (a) 단계의 이전에 드릴비트 버튼의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 (a) 단계와 (b) 단계는 상기 선형 타격지점에 대응하도록 암석시편을 타격한다.
상기 타격부재의 타격속도 또는 타격에너지 및, 상기 소정거리를 변화시키며 비에너지를 구함으로써 최적의 타격속도 또는 타격에너지 및 버튼 사이의 거리를 구할 수 있다.
도 1은 일반적인 드릴비트를 보여주는 사시도.
도 2a는 도 1의 드릴비트에 배열된 버튼과 플러싱 채널을 보여주는 도면.
도 2b는 도 2a의 버턴에 의한 타격지점을 보여주는 도면.
도 3a는 도 2a의 버턴을 재배열한 것을 보여주는 도면.
도 3b는 도 3a의 버턴에 의한 타격지점을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 드릴비트의 천공효율 시험장치를 보여주는 사시도.
도 5는 도 4의 A-A' 단면도.
도 6은 도 2b의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환한 것을 보여주는 도면.
도 7은 도 3b의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환한 것을 보여주는 도면.
도 8은 도 2a의 2번 트랙의 버튼들에 의해 암반이 파쇄된 것을 보여주는 도면.
도 9는 도 2a의 2번 트랙 버튼들과 3번 트랙 버튼들의 상호 작용에 의해 암반이 파쇄된 것을 보여주는 도면.
도 10은 도 3a의 2번 트랙의 버튼들에 의해 암반이 파쇄된 것을 보여주는 도면.
도 11은 도 3a의 2번 트랙 버튼들과 3번 트랙 버튼들의 상호 작용에 의해 암반이 파쇄된 것을 보여주는 도면.
-- 부호의 설명 --
30 : 버튼 40 : 플러싱 채널
100 : 천공효율 시험장치 110 : 타격 피스톤
112 : 버튼 121 : 가이드관
123 : 드롭 피스톤 125 : 프레임
127 : 속도계 141 : 가이드 레일
145 : 박스 s : 암석시편
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시험장치를 보여주는 사시도이고, 도 5는 도 4의 A-A' 단면도이다.
도면에 나타난 바와 같이, 상기 시험장치(100)는 암석시편(s)을 타격하는 타격부재와, 암석시편(s)을 타격하는 에너지를 발생시키는 타격에너지 발생부 및, 암석시편(s)을 고정 및 이동시키는 고정 및 이동수단을 구비한다.
상기 타격부재는 타격 피스톤(percussion piston, 110)과 버튼(112)을 구비한다.
타격 피스톤(110)은 가이드관(121)의 하단에 상하 이동이 가능하도록 설치되고, 버튼(112)은 타격 피스톤(110)의 하단에 설치된다. 상기 버튼(112)은 드릴 비트에 설치되는 버튼으로서, 텅스텐 카바이드 등으로 만들어질 수 있다.
드롭 피스톤(123)이 낙하하여 타격 피스톤(110)에 인가하는 타격력은 버튼(112)을 통해서 암석시편(s)에 전달된다.
상기 타격에너지 발생부는 수직으로 설치된 가이드관(121)과, 가이드관(121)을 지지하는 프레임(125)과, 가이드관(121)의 내부에 설치된 드롭 피스톤(123) 및, 드롭 피스톤(123)의 낙하 속도를 측정하는 속도계(127)를 구비할 수 있다.
가이드관(121)은 그 내부가 비어 있는 관으로서, 그 상단을 통해서 드롭 피스톤(123)이 투입되고, 투입된 드롭 피스톤(123)은 자유 낙하하여 타격 피스톤(110)을 타격한다. 가이드관(121)은 드롭 피스톤(123)이 자유 낙하할 수 있을 정도의 직경을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 가이드관(121)의 하단에는 속도계(127)의 속도측정을 위해 상하 방향의 장공(도면에 미도시)이 형성될 수 있다. 상기 장공은 속도계(127)와 대응되는 위치에 형성되는데, 상기 장공을 통해서 속도계(127)는 드롭 피스톤(123)의 낙하 속도를 측정할 수 있다. 또한, 상기 장공은 드롭 피스톤(123)의 낙하시 가이드관(121) 내부의 공기가 배출되는 통로 역할도 한다.
프레임(125)은 가이드관(121)이 수직을 유지하도록 지지한다. 이 때, 프레임(125)은 가이드관(121)의 하단 또는 버튼(112)이 박스(145) 보다 상측에 위치하도록 함으로써 가이드관(121)의 하단 아래의 공간으로 박스(145)가 이동할 수 있도록 한다.
드롭 피스톤(123)은 가이드관(121)의 내부에서 자유 낙하한 후 타격 피스톤(110)을 타격함으로써 타격 에너지를 타격 피스톤(110)에 전달한다. 상기 타격 에너지는 드롭 피스톤(123)의 무게를 변경시키거나 드롭 피스톤(123)의 낙하 개시 지점을 변경함으로써 조절될 수 있다.
속도계(127)는 드롭 피스톤(123)의 낙하 속도를 측정함으로써 드롭 피스톤(123)이 타격 피스톤(110)에 인가하는 타격 에너지를 측정할 수 있도록 한다. 이를 위해, 속도계(127)는 드롭 피스톤(123)이 타격 피스톤(110)을 타격하는 지점에 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 속도계(127)는 그 구성이 널리 알려져 있을 뿐만 아니라, 시중에서 쉽게 구입할 수 있으므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
상기 고정 및 이동수단은 암석시편(s)이 타격되는 동안에는 암석시편(s)이 움직이지 못하도록 고정하고, 상기 타격 후에는 암석시편(s)을 소정거리만큼 이동시킬 수 있도록 한다.
상기 고정 및 이동수단은 가이드 레일(141)과, 가이드 레일(141) 위에서 슬라이딩될 수 있는 박스(145) 및, 박스(145)를 선택적으로 고정하는 고정부를 구비할 수 있다.
가이드 레일(141)은 지면(地面)에 평행하게 설치된다. 가이드 레일(141)은 가이드관(121) 하단 아래의 공간으로 연장되도록 설치된다.
박스(145)는 그 내부에 암석시편(s)을 수용하고, 가이드 레일(141)을 따라 이동될 수 있다. 박스(145)는 타격에 의해 발생한 충격파가 암석시편(s) 끝단의 경계면에서 인장파로 반사되는 것을 방지하기 위해 타격면 이외의 모든 경계면을 구속하도록 형성되는 것이 바람직하고, 이를 위해 박스(145)의 상부면만이 개방되고 나머지 면은 밀폐된다.
박스(145)는 타격 피스톤(110)의 타격에 의해 움직이지 않도록 상기 타격시 가이드 레일(141) 또는 가이드 레일(141)을 지지하는 평판(도면에 미도시) 등에 고정되는 것이 바람직하고, 이를 위해 박스(145)의 아랫면을 관통하여 가이드 레일(141) 또는 상기 평판에 체결되는 고정부(도면에 미도시) 예를 들어, 볼트(도면에 미도시)가 구비될 수 있다. 상기 타격시에는 상기 볼트가 가이드 레일(141) 또는 평판에 체결됨으로써 타격에 의해 박스(145)가 흔들리지 않도록 하고, 상기 타격 후 박스(145)를 이동시키는 경우에는 볼트 결합이 해제됨으로써 박스(145)의 이동이 가능하도록 한다.
한편, 상기 볼트를 이용한 고정과는 별도로, 또는 상기 볼트를 이용한 고정과 함께, 박스(145)를 가이드 레일(141)에 고정하는 브레이커 장치(도면에 미도시)가 사용될 수도 있다. 상기 브레이커 장치는 레일 바이크, 차량, 카터 등에 널리 사용되는 구조이므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.
암석시편(s)을 박스 내부에 고정되도록 설치하기 위해서는 그리퍼(gripper) 또는 지그(jig)를 이용하거나 대한민국 특허등록 제918664호의 도 4 등에 개시된 암석시편 고정수단을 이용할 수 있다. 이러한 그리퍼, 지그, 고정수단 등은 타격지점 사이의 거리만큼씩 암석시편을 이동시킬 수도 있는 것으로서, 암석시편을 고정하기 위해 널리 사용되는 구성이다.
이와 같은 구성을 갖는 시험장치는 그 구조가 단순하고, 가격이 저렴하며, 짧은 시간에 시험을 완료할 수 있다는 장점을 갖는다.
그러면, 상기 시험장치(100)를 이용하여 버튼 배열의 유효성을 테스트하는 과정을 설명하기로 한다.
먼저, 드릴비트의 버튼에 의한 타격지점을 선형으로 변형한다. 드릴비트가 작동하여 버튼이 암반을 타격하면 타격지점은, 도 2b와 도 3b에 나타난 바와 같이, 원형을 이루게 되는데, 상기 원형 타격지점을 선형이 되도록 펴서 변형함으로써 시험을 단순화할 수 있다. 즉, 상기 변형은 원형을 이루는 타격지점의 배열을 선형이 되도록 변환함으로써 이루어지는데, 이러한 변환은 시험장치를 단순화하고 시험을 용이하게 할 수 있도록 한다.
도 6 및 도 7은 선형으로 배열된 타격지점을 보여주는데, 모든 트랙의 타격지점은 동일선상에서 시작되는 것으로 가정하였고, 각 트랙에서 타격지점 사이의 간격(예를 들어, 2번 트랙에서 2번 버튼의 타격지점 사이의 거리, 2번 트랙에서 2번 버튼과 3번 버튼의 타격지점 사이의 거리)은 원형 타격지점 배열(즉, 도 2b의 배열)에서 타격지점 사이의 간격에 대응된다. 아울러, 도 6에서 각 트랙 사이의 거리는 r1, r2-r1, r3-r2, r4-r3에 각각 대응된다. 그리고, 도면 참조부호 C는 드릴 비트의 중심점(center point)을 나타낸다. 한편, 도 6 및 도 7에서 1번 트랙과 4번 트랙은 시작점만을 나타낸다.
도 6 및 도 7은 버튼의 타격지점이 중복되는 드리프터의 운용조건(R.P.M.= 180, B.P.M.=2200)을 가정하여 천공 효율이 가장 낮을 것으로 예상되는 상황을 실험조건으로 설정하였다. 참고로, 도 6의 도면참조 부호는 도 2a의 버튼 번호를 나타내는데, 예를 들어, 도면참조부호 2는 도 2a의 2번 버튼을 나타내고 도면참조부호 3은 도 2a의 3번 버튼을 나타낸다. 그리고, 도 7의 도면참조 부호는 도 3a의 버튼 번호를 나타내는데, 예를 들어, 도면참조부호 2는 도 3a의 2번 버튼을 나타내고 도면참조부호 3은 도 3a의 3번 버튼을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 2번 버튼의 타격지점(2)과 3번 버튼의 타격지점(3)이 거의 동일 직선상에서 매우 인접하게 위치하고 있음을 알 수 있다. 또한, 2번 트랙과 3번 트랙의 간격(d1)이 비교적 넓음을 알 수 있다.
한편, 도 7을 참조하면, 2번 버튼의 타격지점과 3번 버튼의 타격지점이 소정간격 떨어져 있음을 알 수 있다. 이것은, 상술한 바와 같이, 2번 버튼이 r2 보다 중심쪽으로 △r2만큼 이동되어 배치되고 3번 버튼이 r2 보다 바깥쪽으로 △r2만큼 이동되어 배치되었기 때문이다. 아울러, 2번 트랙과 3번 트랙의 간격(d2)이 도 6의 경우보다 훨씬 좁음을 알 수 있다.
위와 같이 선형으로 배열된 타격지점에 대응하도록 시험장치(100)를 이용하여 암석시편(s)을 타격한다. 구체적으로, 질량 30kg의 드롭 피스톤(123)을 400mm의 높이에서 자유 낙하하도록 하였고, 암석시편(s)으로는 대한민국 전라북도 익산시 황등면에서 생산되는 황등 화강암을 사용하였다. 상기 암석시편(s)의 크기는 200mm × 200mm × 200mm이고, 압축강도는 183MPa로서 경암으로 분류된다.
박스(145) 내부에 암석시편(s)을 고정하고 박스(145)가 타격 피스톤(110)의 아래에 위치하도록 이동시킨 후, 박스(145)를 고정시킨다.
이어서, 드롭 피스톤(123)을 자유 낙하시켜 타격 피스톤(110)을 타격하면 버튼(112)이 암석시편(s)을 타격하여 파쇄시킨다.
다음으로, 상기 도 6 및 도 7의 타격 지점 사이의 거리만큼 박스(145) 및/또는 박스(145) 내의 암석시편(s)을 이동시켜 고정한 다음, 드롭 피스톤(123)을 낙하시켜 암석시편(s)을 타격한다.
도 8 내지 도 11은 이러한 과정을 통해서 암석시편(s)에 형성된 파쇄를 촬영한 것이다.
도 8은 도 2a의 버튼 배열(기존의 버튼 배열)을 갖는 경우, 즉, 도 6의 타격지점에 대응하도록 암석시편(s)을 타격한 경우 2번 트랙(2,3번 버튼)에 의해 형성된 파쇄를 레이저 스캐너로 계측한 것이고, 도 9는 도 6의 타격지점에 대응하도록 암석시편(s)을 타격한 경우 2번 트랙 버튼과 3번 트랙 버튼의 상호 작용에 의해 형성된 파쇄를 레이저 스캐너로 계측한 것이다.
그리고, 도 10은 도 3a의 버튼 배열(개선된 버튼 배열)을 갖는 경우, 즉, 도 7의 타격지점에 대응하도록 암석시편(s)을 타격한 경우 2번 트랙(2,3번 버튼)에 의해 형성된 파쇄를 레이저 스캐너로 계측한 것이고, 도 11은 도 7의 타격지점에 대응하도록 암석시편(s)을 타격한 경우 2번 트랙 버튼과 3번 트랙 버튼의 상호 작용에 의해 형성된 파쇄를 레이저 스캐너로 계측한 것이다.
천공효율을 비교할 수 있는 비에너지(specific energy, SE)는 타격 에너지를 암석파쇄부피로 나눈 수치로서, 다음의 식에 의해 계산될 수 있다.
SE(J/mm3) = [Impact energy(Ep, J)]/[Drilled volume(Vp, mm3)]
비에너지 값이 상대적으로 높을수록 단위 부피를 천공하는데 드는 에너지량이 많아지므로, 비에너지 값이 낮을수록 높은 천공효율을 갖게 된다. 비에너지 결과값과 천공효율 향상도를 표 1에 정리하였다.
천공효율이 저하될 수 있는 드리프터의 운용조건을 가정하여 기존 버튼배열(도 2a의 버튼 배열)과 개선된 버튼 배열(도 3a의 버튼배열)의 천공 효율을 비교하였을 때, 개선된 버튼배열에서 2번 트랙의 천공효율은 47%, 2번 트랙과 3번 트랙의 복합 천공효율은 45% 향상되는 것으로 조사되었다.
표 1
시료구분 타격횟수 파쇄부피(mm3) 타격 에너지(J) 비에너지(SE, J/mm3) 천공효율 향상도
기존 배열 T2 on track 14 1960 1770 0.90 -
T2T3 on track 28 5480 3560 0.65 -
신규 배열 T2 off track 14 3750 1780 0.47 47%
T2T3 off track 32 11350 4060 0.36 45%
한편, 암석시편(s)의 이동거리를 조절해 가면서 암석시편의 이동거리(즉, 타격지점 사이의 거리)에 따른 암석 파쇄량을 측정하여 적절한 버튼 배열에 이용할 수 있고, 타격 에너지(즉, 타격 속도)를 변화시켜 가면서 암석 파쇄량을 측정함으로써 적절한 타격 에너지를 구할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 시험장치 및 시험방법을 이용하면 새로운 버튼배열의 천공효율을 실험적으로 알 수 있고, 이에 따라 드릴비트의 버튼 설계에 반영할 수 있다.
한편, 이상에서는 타격 피스톤에 버튼이 하나만 설치된 경우를 설명하였으나, 타격 피스톤에 복수 개의 버튼이 설치된 경우도 구현될 수 있는데, 이러한 점은 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 타격 피스톤에 복수 개의 버튼이 설치된 경우도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 버튼 배열에 따른 암석 파쇄량을 테스트함으로써 버튼 배열의 적정성 여부를 확인할 수 있다.
둘째, 상기 컴퓨터 프로그램에 의해 재배열된 버튼에 대해서 뿐만 아니라 신규 드릴비트의 제작시에도, 타격지점 사이의 거리와 타격 에너지(또는 타격 속도)를 변경시키며 암반 파쇄량을 구함으로써 최적의 버튼 배열과 타격 에너지(또는 타격 속도)를 구할 수 있도록 한다.
셋째, 구조가 단순하고, 가격이 저렴하며, 짧은 시간에 시험을 완료할 수 있다.

Claims (7)

  1. 암반을 굴착하기 위해 사용되는 드릴 비트의 천공효율을 시험하기 위한 장치로서,
    버튼을 구비하는 타격부재;
    암석시편을 타격하기 위한 에너지를 타격부재에 전달하는 타격에너지 발생부; 및,
    상기 타격에 의해 암석시편이 움직이지 않도록 고정하되, 상기 타격 후에는 암석시편을 소정 거리만큼 이동시키는 고정 및 이동수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 타격 에너지 발생부는,
    수직으로 설치되고, 그 내부는 비어 있는 가이드관;
    가이드관의 내부에서 자유낙하 가능하도록 설치된 드롭 피스톤; 및
    가이드관을 지지하는 프레임;을 구비하고,
    상기 타격부재는 그 하단에 상기 버튼이 설치된 타격 피스톤을 구비하며,
    드롭 피스톤이 가이드관의 내부에서 낙하하여 타격 피스톤을 타격하고, 이에 따라 버튼이 암석시편을 타격하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정 및 이동수단은,
    내부에는 암석시편이 수용되되 암석시편이 움직이지 않도록 고정되고, 상기 버튼의 타격을 위해 윗면이 개방된 박스; 및
    상기 타격시 박스가 움직이지 않도록 박스를 평판에 고정하되, 상기 타격 후에는 상기 고정을 해제하고 박스를 직선으로 이동시킬 수 있도록 하는 고정부;를 구비하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험장치.
  4. 제2항에 있어서,
    드릴비트 버튼의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환하고,
    상기 버튼은 상기 선형 타격지점을 타격하며,
    고정 및 이동수단에 의한 상기 이동은 선형이동인 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험장치.
  5. (a) 가이드관의 내부에서 자유낙하 가능하도록 설치된 드롭 피스톤과, 하단에 버튼이 구비된 타격 피스톤을 포함하는 천공효율 시험장치를 준비하는 단계;
    (b) 상기 드롭 피스톤을 낙하시켜 타격 피스톤을 타격함으로써 상기 버튼이 암석시편을 타격하도록 하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계 이후에 암석시편을 소정거리 이동시킨 후 암석시편을 타격하는 단계; 및
    (d) 상기 타격에 의해 파쇄된 암석의 부피를 측정하여 비에너지를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 이전에,
    드릴비트 버튼의 원형 타격지점을 선형 타격지점으로 변환하는 단계를 포함하고, (c) 단계에서의 상기 이동은 선형 이동이며,
    상기 (b) 단계와 (c) 단계는 상기 선형 타격지점에 대응하도록 암석시편을 타격하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험방법.
  7. 제6항에 있어서,
    타격부재의 타격속도 또는 타격에너지 및, 상기 소정거리를 변화시키며 비에너지를 구함으로써 최적의 타격속도 또는 타격에너지 및 소정거리를 구하는 것을 특징으로 하는, 드릴비트의 천공효율 시험방법.
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