ハードロック掘削の暗号を解読: 革新的な DTH テクノロジー。
建設地域の地質条件に応じて、図 1 に示すように、掘削リグで一般的に使用される 4 つの主要な掘削方法があります。
ａ．空気圧または油圧駆動のロータリーヘッドと衝撃装置を組み合わせると、回転エネルギーと衝撃エネルギーがヘッドの上部を介して伝達されます。ドリルパイプ、ドリルパイプ内の衝撃波を介してドリルビットにエネルギーを伝達します。この方法は小さな直径と浅い深さに限定されており、一般に採石場、建設現場、地下採掘作業で使用されます。
b.ダウン・ザ・ホール (DTH) ハンマー ドリルストリングの下部にあります。圧縮空気がドリルストリングを通って DTH に入り、ピストンを往復運動させてドリルビットに直接衝撃を与え、衝撃エネルギーを岩石に伝達します。このシステムはパワーロスが最小限に抑えられ、特に深い穴、ストレートホール、中程度の硬さの岩に適しています。
c.逆循環（RC）掘削は、DTH を使用して、ドリルビットの表面から岩石サンプルを収集および輸送します。乾燥した汚染されていない切片は、DTH の中央パイプを通ってサンプル収集装置に運ばれ、地質学的分析の準備が整います。
d.油圧または電気モーターによって駆動されるギアボックスは回転パワーヘッドを形成し、ドリルリグと厚肉ドリルパイプ上で上下に移動する送りシステムを通じてスリーコーンドリルビットに十分な送り力を加えます。この方法は、より柔らかい岩石または強く結合した硬い岩石に使用されます。
- DTHの原理と特徴
DTH で掘削された地層には、ほぼすべての火成岩、変成岩、中硬さ以上の堆積岩を含めることができます。硬い岩は脆い傾向があるため、DTH は硬い岩や硬い地層の掘削に特に有利です。衝撃荷重がかかると、直接衝突箇所で破壊が発生するだけでなく、破壊領域が形成され、その結果、より大きな岩石の破片が生成されます。したがって、穴あけ速度は純粋な回転穴あけと比較して大幅に速くなります。図 2 の機械モデルは、インパクトロータリー掘削中に岩石に作用するさまざまな荷重を示しています。
また、地層や葉面が発達した地層や、硬さが不均一で割れ目の多い岩層など、孔がずれやすい地層に対してもDTH（ダウン・ザ・ホール）掘削は高い効果を発揮します。ボーリング孔のずれを大幅に軽減し、砂利層やボルダーベッドを掘削する際の困難も克服できます。
DTH掘削は19世紀後半に開発され、1世紀以上の歴史があります。 DTH ドリルには多くの種類がありますが、共通の特徴があります。衝撃機構とドリルビットの両方がボーリング孔に沈められ、回転と衝撃の組み合わせによって岩石を破壊します。衝撃力を発生させる装置は、その駆動方式により空圧式、油圧式、油圧式、電気式、機械式に分類されます。
衝撃エネルギーは伝達中に大幅な損失を被り、衝撃を受けたコンポーネントに重大な損傷を引き起こす可能性があるため、より深い掘削作業では、出力された衝撃力がドリルビットに直接作用できるように、機器がドリルツールでボアホールに入ることが一般に必要です。またはコアバレル。これにより、伝送中のエネルギー損失が最小限に抑えられ、エネルギー効率が向上し、ダウンホール機器の故障の可能性が減少します。
空気駆動 DTH とも呼ばれる空気圧 DTH には、多くの構造タイプと分類方法があります。
・圧力定格別：高圧、中圧、低圧タイプがあります。
・全体の構造により、非貫通タイプと貫通タイプがあります。
・バルブの動作原理により、コントロールバルブタイプ、フリーバルブタイプ、ハイブリッドバルブタイプがあります。
・ピストン構造により、等径ピストン、不等径ピストン、タンデムピストンタイプがあります。
- 空気分配タイプ別: バルブ付き DTH とバルブレス DTH。バルブ付き DTH はプレートバルブ、ディスクバルブ、円筒バルブタイプに分類でき、バルブレス DTH はセンターロッド排気タイプ、ピストンエア分配タイプ、ピストン、シリンダー、センターロッドによる複合エア分配タイプに分類できます。
・穴洗浄とスラグ排出方式による：センター穴洗浄、前穴洗浄、横穴洗浄。
2. 衝撃メカニズムの構造スキームの決定
2.1 ピストン自己ガス供給ノンバルブインパクト機構
このタイプの衝撃機構は、主にピストン自体のガス通路をガス供給に使用するため、多数のガス通路を持つ複雑なピストン構造となり、ピストンの強度と寿命が低下します。しかし、この打撃機構は内筒と外筒を一体化しているため、ピストンの有効作動面積が増大し、機構の打撃エネルギーが増大します。
2.2 ピストンとシリンダーの複合ガス供給ノンバルブインパクト機構
シンプルな構造で製作が容易でピストンの寿命が長く、ガス穴がシリンダーとピストンの両方にあるタイプです。海外では広く使われている構造です。
2.3 センターパイプガス供給ノンバルブインパクト機構
この機構では、ピストンが摺動する円管上に上下室の吸気通路が配置されています。高い製造精度が要求されるため、センターパイプの寿命は比較的短くなります。
2.4 側方排気衝撃機構
いわゆる側方排気とは、排気ガスの経路がドリルビットの中心を通って穴の底まで通過するのではなく、シリンダー本体から出ることを意味します。このタイプの衝撃機構は通常、シリンダー本体に多くの吸気経路と排気経路を備えているため、構造強度が低下し、長手方向の疲労亀裂が発生する可能性があり、空気圧の大幅な損失が発生し、その結果、ドリルビットの破片除去と冷却効果が最適ではなくなります。
2.5 センターエキゾーストインパクト機構
このタイプの衝撃機構は、ドリルビットの中心から穴の底に直接破片とガスを排出します。直接的な空気の流れは、破片の除去効率を高めるだけでなく、穴あけ効率と冷却も改善し、ドリルビットの寿命を延ばします。この構造タイプは、側方排気衝撃機構の内筒の多数の縦溝を環状溝に置き換えることにより、内筒への応力集中を大幅に軽減します。近年では広く採用される構造となっています。
2.6シリーズピストンインパクト機構
シリーズ ピストン インパクト メカニズムは、デュアル ピストン (ヘッド) インパクターとも呼ばれ、隔離リングを使用してシリンダーを 2 つのチャンバーに分割します。この設計により、両方のピストン面が同じボア径内で同時に動作できるようになり、より大きな衝撃力とより高い衝撃頻度が得られます。これに対応して、穴の底から石粉を効果的に除去する二重排気システムがあります。しかし、その主な欠点は、構造が複雑であり、部品の加工に高精度が必要なことです。たとえば、ピストンには関連コンポーネントとの合わせ面が最大 5 つあるため、その用途と推進が制限されます。したがって、この設計では 2 番目のオプションである、ピストンとシリンダーを組み合わせたガス供給を備えた非バルブ衝撃機構が採用されています。その構造を図 3 に示します。
3.DTH の理論分析と関連計算
3.1 動作パラメータの選択**
3.1.1 ハンマーの長さと重量: 予備設計では、長さは 4500 mm 未満、重量は 2500 kg 未満と指定されています。
3.1.2 ハンマー直径: 適切なハンマー直径は、穴あけ直径に基づいて決定され、540 mm に設定されます。
3.1.3 掘削直径: これは杭穴の直径を指し、通常は 550 mm から 600 mm の間です。
3.1.4 掘削深さ: 杭の設計要件によると、これは通常、数十メートルから 100 メートルの間です。
3.1.5 ドリル速度: DTH ドリルは通常、7 ～ 25 r/s の低い回転速度で動作します。
3.1.6 回転トルク: この設計の最大トルクは 150 kN・m に設定されています。
3.2 設計パラメータの計算
DTH の設計パラメータ、特に DTH 衝撃装置の性能パラメータは、機械設計の基礎として機能し、製造される装置の性能を定義します。
3.2.1 衝撃装置の設計圧力 P
中国では、0.49 MPa (約 5 × 10^5 Pa) の圧力が空気圧衝撃装置の設計標準として広く選択されています。この設計の DTH が大きな穴あけ直径と重いピストンを備えた非バルブ衝撃装置であることを考慮すると、空気圧を高くすると性能がさらに向上します。また、高圧エアコンプレッサーの普及が進んでおり、国際規格 ISO 5941-1979 では設計圧力 1.6 MPa が選択されています。
3.2.2 衝撃力
大口径の穴の穴あけに使用される DTH の場合、設計衝撃エネルギーは大幅に変動する可能性があります。この設計の衝撃エネルギーは次のように計算されます。
3.2.3 衝撃の頻度
一般に、一定の衝撃エネルギーの下では、衝撃周波数はインパクターの出力に比例します。しかし、シリンダ径を固定した場合、打撃回数を増やすとピストンストロークを小さくする必要があり、一回の打撃力が低下します。一回の衝撃力が一定の閾値を下回ると、周波数を上げても満足のいく砕石結果が得られなくなります。したがって、衝撃周波数の選択は衝撃力によって制約されます。
設計圧力 0.5 MPa で動作する空気圧 DTH の場合、周波数は 16.8 Hz を超えてはなりません。 DTH は 0.5 ～ 2.5 MPa の設計圧力で動作するため、衝撃頻度は大幅に変化する可能性があります。インパクターの周波数の初期選択は次のように計算できます。
f = 10.4 + 7.6P
(2) ここで、P はシステム供給圧力です。この設計では、P = 1.6 MPa となるため、次のようになります。
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 Hz。
3.3 構造パラメータの設計
DTH の主な構造パラメータには、シリンダ ボア径、ピストン ストローク、ピストン寸法が含まれます。シリンダーの直径を大きくすると、衝撃力と振動数の両方が向上するため、構造サイズの制限内で直径を最大化する必要があります。通常、DTH の外径とボア径の差は 15 ～ 20 mm 未満であってはならず、DTH の外側ケーシングは薄すぎてはなりません。したがって、DTH シリンダーの直径と穴あけ直径の比は、一般に 0.5 を超えます。
3.3.1 シリンダの作動径と構造ストローク
シリンダーの作動直径 D は次のように計算できます。
D = K × D(内径) = (0.57 - 0.68) × D(内径) (3)
この設計では、D(ボア) = 600 mm であるため、D は 360 mm と見なされます。構造ストローク S は経験的に S = 500 mm とされます。
3.3.2 ピストン質量
ピストンの半径方向の寸法はシリンダーのサイズと構造によって制限され、同じ直径または異なる直径のピストンが可能になります。直線寸法はピストンの重量によって決まり、これはドリルビットを打撃するときの速度にも関係します。したがって、ピストンの構造寸法を決定することは、DTH 設計の複雑な側面です。 DTH ピストンの質量は次のように推定できます。
m = 0.0205D^2.84 (4)
ここで、m はピストンの質量 (kg) です。 D はシリンダーの作動直径 (cm) です。
D = 36 を代入すると、m = 540 kg となります。
DTH は主にトルク伝達構造と空気圧衝撃機構から構成されます。トルク伝達構造はドリルロッドと DTH を接続し、回転切断力と引張力を伝達します。空気圧インパクト機構は衝撃を発生させ、インパクトドリルビットに軸方向の力を供給します。具体的な構造の詳細を図 3 に示します。
ドリルロッドとインパクターを接続するトルク伝達構造。上部ジョイントは、主に気密性を確保するとともに、トルクと引っ張り力を伝達するために、管ねじを介してドリルロッドとインパクタに接続されます。逆止弁は、スプリングによって制御され、泥や水がインパクターやドリルロッドに入るのを防ぎます。ガス供給ロッドを備えたエアインテークシートは、シリンダー内に圧縮空気を導入する機能を有し、シリンダーとピストンとのガス供給作用を促進し、複合ガス供給を実現します。スプリング安全リングは、ドリルビット交換時にピストンがシリンダーから滑り出るのを防ぎます。
3.4 DTH ドリルビットの有限要素解析
DTH ドリルビットは、ピストンからの衝撃力とドライブヘッドからのトルクを受けます。圧縮空気によってピストンにかかる力は次の式で与えられます。
F = P × S (5)
ここで、P はシステム圧力 (Pa) です。 S はピストンの力の面積 (m²) です。
したがって、F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N となります。
したがって、ドリルビットにかかる衝撃力は次のようになります。
F' = kF (6)
ここで、k は衝撃係数です。 F は、圧縮空気によってドリルビットに加えられる力 (N) です。したがって、F' = 20 × 134400 = 2688 kN となります。
ドライブヘッドによって DTH ドリルビットに加えられるトルクは N = 150 kN です。ドリルビット下端面を固定した状態でドリルビットにF'=2688kN、N=150kNを負荷し、耐力320MPaのQT500-7材を使用し、有限要素解析を行います。具体的な荷重と拘束条件およびメッシュ分割を図 4 および 5 に示します。
有限要素解析の結果を図 6 に示します。最大応力は 144.355 MPa であり、QT500-7 の降伏強度 (320 MPa) を下回り、要件を満たしていることがわかります。