硬岩掘削のコードを解読: 画期的な DTH テクノロジー。
建設エリア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主な掘削方法は 4 つあります。
a. 空気圧または油圧駆動の回転ヘッドと衝撃装置を組み合わせることで、回転エネルギーと衝撃エネルギーをヘッドの上部から伝達します。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、小径と浅い深さに限定されており、採石場、建設現場、地下採掘作業で一般的に使用されます。
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 ビットに直接衝突させ、衝撃エネルギーを岩に伝えます。このシステムは電力損失が最小限で、深い穴、まっすぐな穴、中程度の硬さの岩に特に適しています。
紀元前逆循環（RC）掘削DTH を使用して、掘削ビットの面から岩石サンプルを収集して輸送します。乾燥した汚染されていない掘削片は、DTH の中央パイプを通ってサンプル収集装置に運ばれ、地質分析の準備が整います。
d. 油圧または電動モーターで駆動するギアボックスが回転するパワーヘッドを形成し、掘削装置上で上下に動くフィードシステムと厚肉のドリルパイプを通じて、3コーンドリルビットに十分なフィード力を加えます。この方法は、柔らかい岩石や強く接合された硬い岩石に使用されます。
- DTHの原理と特徴
DTH で掘削される地層には、中硬度以上の火成岩、変成岩、堆積岩がほぼすべて含まれます。硬岩は脆い傾向があるため、DTH は硬岩や硬い地層の掘削に特に有利です。衝撃荷重を受けると、直接の衝撃部位で破砕が発生するだけでなく、破砕帯も形成され、岩石の破片が大きくなります。そのため、掘削速度は純粋な回転掘削に比べて大幅に速くなります。図 2 の機械モデルは、衝撃回転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、DTH（ダウンザホール）掘削は、層理や葉理構造が発達した地層や、硬度が不均一で亀裂が多い岩層など、孔ずれが発生しやすい地層において非常に有効です。孔ずれを大幅に低減できるほか、砂利層や玉石層の掘削の難しさも克服できます。
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、共通の特徴は、衝撃機構とドリルビットの両方が掘削孔に沈められ、回転と衝撃を組み合わせて岩を破砕することです。衝撃力を生成するために使用される機器は、駆動方法によって空気圧、油圧、油圧、電気、機械式に分類できます。
衝撃エネルギーは伝達中に大幅に損失し、衝撃を受けた部品に重大な損傷を与える可能性があるため、より深い掘削作業では、通常、機器がドリルツールとともに掘削孔に入り、出力された衝撃力がドリルビットまたはコアバレルに直接作用する必要があります。これにより、伝達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ります。
空気圧 DTH (空気駆動 DTH とも呼ばれる) には、さまざまな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。
- 全体構造別：非貫通型と貫通型。
- バルブの動作原理：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。
- ピストン構造別：等径ピストン、不等径ピストン、タンデムピストンタイプ。
- 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され、バルブレスDTHは、センターロッド排気タイプ、ピストン空気分配タイプ、ピストン、シリンダー、センターロッドによる複合空気分配タイプに分類されます。
- 穴洗浄・スラグ排出方式：センター穴洗浄、フロント穴洗浄、サイド穴洗浄。
2. 衝撃メカニズム構造図の決定
2.1 ピストン自己ガス供給非バルブ衝撃機構
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使用してガスを供給するため、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、この衝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拡大し、機構の衝撃エネルギーが向上します。
2.2 ピストンとシリンダーの複合ガス供給非バルブ衝撃機構
構造がシンプルで製造しやすく、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のが特徴で、海外では広く採用されています。
2.3 センターパイプガス供給非バルブ衝撃機構
この機構は、ピストンが摺動する円形パイプ上に上下室の空気取り入れ口を配置しており、高い製造精度が要求され、センターパイプの寿命が比較的短いという欠点がある。
2.4 サイド排気衝撃機構
いわゆるサイド排気とは、排気ガス経路がドリルビットの中心を通って穴の底まで通るのではなく、シリンダー本体から出ることを意味します。このタイプの衝撃メカニズムでは、通常、シリンダー本体に多くの吸気経路と排気経路があるため、構造強度が低下し、縦方向の疲労亀裂が発生する可能性があり、空気圧が大幅に低下し、破片の除去とドリルビットの冷却効果が最適ではなくなります。
2.5 センター排気衝撃機構
このタイプの衝撃機構は、破片とガスをドリルビットの中心から穴の底に直接排出します。直接の空気の流れは破片の除去効率を高めるだけでなく、掘削効率と冷却を改善し、ドリルビットの寿命を延ばします。この構造タイプは、側面排気衝撃機構の内筒にある多数の縦溝を環状溝に置き換え、内筒の応力集中を大幅に軽減します。近年広く採用されている構造になっています。
2.6シリーズピストンインパクト機構
直列ピストン衝撃機構はデュアルピストン（ヘッド）インパクターとも呼ばれ、アイソレーション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ため、衝撃力が大きくなり、衝撃頻度が高くなります。それに応じて、穴の底から岩粉を効果的に除去するデュアル排気システムがあります。ただし、その主な欠点は、構造が複雑で、部品の加工に高精度が必要であることです。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つあり、アプリケーションとプロモーションが制限されます。したがって、この設計では、2番目のオプション、つまり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を採用しています。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、長さが 4500 mm 未満、重量が 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、540 mmに設定された掘削直径に基づいて決定されます。
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 掘削深度: 杭の設計要件に応じて、通常は数十メートルから 100 メートルの間になります。
3.1.5 ドリル速度: DTH 掘削は通常、7 ～ 25 r/s の低い回転速度で行われます。
3.1.6 回転トルク：この設計の最大トルクは150kN·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、製造された装置のパフォーマンスを定義します。
3.2.1 衝撃装置の設計圧力P
中国では、空気圧式打撃装置の設計基準として、0.49MPa（約5×10^5Pa）の圧力が広く選択されています。この設計のDTHは、大きな掘削径と重いピストンを備えたバルブなしの打撃装置であるため、空気圧が高いほど性能が向上します。また、高圧空気圧縮機がますます一般的になり、国際規格ISO 5941-1979に従って、1.6MPaの設計圧力が選択されています。
3.2.2 衝撃力
大口径の穴を掘削するために使用される 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 衝撃頻度
一般的に、衝撃エネルギーが一定であれば、衝撃周波数は衝撃子の出力に比例します。しかし、シリンダー径が固定されている場合、衝撃周波数を上げるとピストンのストロークが短くなり、その結果、単一の衝撃力が低下します。単一の衝撃力が一定のしきい値を下回ると、周波数を上げても岩石破砕効果は得られません。したがって、衝撃周波数の選択は衝撃力によって制限されます。
設計圧力 0.5 MPa で作動する空気圧 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 の設計圧力で作動するため、衝撃周波数は大幅に変化する可能性があります。衝撃子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ある。この設計ではP = 1.6 MPaなので、
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 Hzです。
3.3 構造パラメータ設計
DTH の主な構造パラメータには、シリンダーボア径、ピストンストローク、ピストン寸法などがあります。シリンダー径を大きくすると、衝撃力と周波数の両方を高めることができるため、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 以上で、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 シリンダー径と掘削径の比率は、通常 0.5 以上になります。
3.3.1 シリンダの作動直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(ボア) = (0.57 - 0.68) × D(ボア) (3)
この設計では、D(ボア) = 600 mm なので、D は 360 mm になります。構造ストローク S は、経験的に S = 500 mm になります。
3.3.2 ピストン質量
ピストンの半径寸法はシリンダーのサイズと構造によって制限されるため、ピストンの直径は同じでも異なっていてもかまいません。直線寸法はピストンの重量によって決まり、ピストンがドリルビットに当た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）、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で構成されています。トルク伝達構造はドリルロッドとDTHを接続し、回転切削力と引っ張り力を伝達します。空気圧衝撃機構は衝撃を発生させ、衝撃ドリルビットに軸方向の力を提供します。具体的な構造の詳細は図3に示されています。
トルク伝達構造は、ドリルロッドとインパクターを接続します。上部ジョイントは、パイプねじを介してドリルロッドとインパクターに接続し、主に気密性を確保すると同時に、トルクと牽引力を伝達します。チェックバルブは、スプリングによって制御され、泥や水がインパクターと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空気取り入れ口シートは、圧縮空気をシリンダーに導入する機能があり、シリンダーとピストンと一緒にガス供給動作を促進し、それによって複合ガス供給を実現します。スプリング安全リングは、ドリルビットを交換するときにピストンがシリンダーから滑り落ちるのを防ぎます。
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の影響を受けます。圧縮空気によってピストンに作用する力は、次の式で表されます。
F = P × S (5)
ここで、P はシステム圧力（Pa）、S はピストンの力面積（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、F は圧縮空気によってドリルビットに及ぼされる力（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りDTHドリルビットに作用するトルクはN=150kNである。ドリルビットの下端面を固定した状態でドリルビットにF'=2688kN、N=150kNを作用させ、降伏強度320MPaのQT500-7材を用いて有限要素解析を行う。具体的な荷重・拘束条件およびメッシュ分割を図4、図5に示す。
有限要素解析の結果は図6に示されており、最大応力は144.355 MPaであり、QT500-7の降伏強度（320 MPa）を下回っており、要件を満たしていることがわかります。