Borehole drilling equipment and a method of driving with an in-line extension wing

本発明は、インライン拡張ウィングを有する試錐孔掘削装置とその駆動方法に係り、さらに詳しくは、高圧空気により駆動されるガイドデバイスと拡張ウィング及びパイロットビットを備えてなるが、試錐孔を拡径させる拡張ウィングをインライン方式により出没させることにより、拡張ウィングが縮込ませられる空間に汚泥が溜まることを防ぐことのできる試錐孔掘削装置とその駆動方法に関する。

通常、試錐孔を掘削するのに用いられるハンマービット装備には、上から回動装置と打撃装置及び掘削装置が順に設けられている。 本発明は、これらのうち最下部に設けられる掘削装置に関する。 掘削装置は、試錐孔を拡径させる手段、例えば、リーマーや拡張翼またはアームの構造によって、偏心型のものと拡張型のもの及び拡開型のものに分けられる。

偏心型掘削装置は、米国特許第４、７７０、２５９号（１９８８年９月１３日公告）に記載のように、ドリルストリングと、このドリルストリングの下端部に取り付けられる切削装置と、により構成される（例えば、下記の特許文献１参照）。 そして、切削装置は、ドリルストリング内において回転する中継部と外面とにより構成され、前記中継部には、リーマーが中心軸に対して偏心状に設けられている。 このため、偏心型のものは、前記リーマーが偏心回転しながら、試錐孔を拡径させる。

そして、拡張型掘削装置は、日本特許公報第２７１０１９２号（１９９４年１１月２９日公開）に記載のように、エアポンプにより駆動されるデバイスと、その先端に設けられたビット装置と、前記デバイスとビット装置との間に設けられた拡張翼と、により構成される。 前記拡張翼は、縦方向に首振り自在にその上端部がデバイスにピン固定されており、ビット装置の上端部には斜面が設けられていて、デバイスとビット装置が近づくと、拡張翼の下端部がビット装置の上端部の斜面に倣って広がるようになっている。

また、拡開型掘削装置は、米国特許第５、７８７、９９９号（１９９８年８月４日公告）に記載のように、ドライバと、アンダーリーマーアーム及びパイロットビットにより構成され、ドライバーの回転力により多数のアームがパイロットビットの中心から斜め方向に回転しながら出没するようになっている。

しかしながら、上記の偏心型掘削装置は、リーマーが偏心回転するために高速な掘削作業が不可能であり、高負荷の条件下では中継部の繋ぎ部が破損し易いという問題があった。 また、拡張型掘削装置は、拡張翼が長手方向に首振りしながら拡張されるため、高負荷の条件下では使用することができず、固定ピンが破損し易いという短所があった。

そして、拡開型掘削装置は、偏心型掘削装置や拡張型掘削装置に比べて、高負荷の条件下で使用できるという長所はあるが、ドライバーの回転力がアームを強制的に拡開させると共に、アームを介してパイロットビットまで回転させる必要があるため、アームとパイロットビットとの間の接触部が激しく摩耗され、しかも、アームを固定させる固定ピンが頻繁に破損するという短所があった。 さらには、掘削作業を終えてアームを縮込ませるとき、アームが縮込ませられる空間に汚泥が溜まり易く、これにより、アームが元の位置に縮込ませられない結果、試錐孔筐体から掘削装置を取り出せなくなるといった極めて困難な状況に会うこともしばしばあった。

本発明は、従来の打撃型の試錐孔掘削装置が有していた問題点を解消するためになされたものであり、高負荷の条件下での高速掘削作業が行え、拡張ウィングの拡開及び縮込過程が容易である他、拡張ウィングが収納される空間に汚泥が溜まることがないので作業効率性に優れており、しかも、メンテナンスコストを大幅に節減可能な新規な構造の試錐孔掘削装置を提供するところにその目的がある。

上記の如き目的を達成するために、本発明は、試錐孔筐体内において昇降しながら回転するガイドデバイスと、掘削孔を拡径させる拡張ウィングと、前記ガイドデバイスの下部に取り付けられて試錐孔の底面を打撃するパイロットビットと、を備えてなるが、前記ガイドデバイスの底面に突設された螺旋突部と前記拡張ウィングの側面に刻設されたガイド溝が互いに滑り移動自在に結合され、パイロットビットの側面にはウィング出入窓が設けられていて、前記拡張ウィングがパイロットビットの中心から一直線上に拡開及び縮込自在になっていることを特徴とする試錐孔掘削装置及びその駆動方法を提供する。

本発明においては、上述の如く、拡張ウィングがパイロットビットの中心から一直線上に互いに離れながら拡開され、且つ、一直線上に近づきながら縮込ませられるという駆動方式をいわゆる「インライン」方式と称する。

本発明による試錐孔掘削装置の構成断面図。

図１におけるガイドデバイス１００の構成図。

図１における拡張ウィング２００の構成図。

拡張ウィング２００の平面図（Ａ）及びＳ−Ｓ線断面図（Ｂ）。

図１におけるパイロットビット３００の構成図。

パイロットビット３００の平面図（Ａ）、Ｓ−Ｓ線断面図（Ｂ）及びＳ'−Ｓ'線断面図（Ｃ）。

本発明の一実施形態による環状のピン４００の構造図。

本発明の他の実施形態による固定ピン４５０の取付け構造図。

本発明の他の実施形態による固定ピン４５０の取付け構造図。

本発明によるインライン駆動方法の説明図。

本発明によるインライン駆動方法の説明図。

以下、添付図面に基づき、本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明による試錐孔掘削装置の構成断面図あり、図２は、図１におけるガイドデバイス１００の構成図であり、図３は、図１における拡張ウィング２００の構成図であり、図４は、拡張ウィング２００の平面図（Ａ）及びＳ−Ｓ線断面図（Ｂ）であり、図５は、図１におけるパイロットビット３００の構成図であり、 図６は、パイロットビット３００の平面図（Ａ）、Ｓ−Ｓ線断面図（Ｂ）及びＳ'−Ｓ'線断面図（Ｃ）である。

本発明による試錐孔掘削装置は、図１に示すように、打撃装置（図示せず）に取り付けられるガイドデバイス１００と、このガイドデバイス１００の下部に設けられて試錐孔を拡径させる拡張ウィング２００と、前記拡張ウィング２００を支持すると共に、地面を掘削するパイロットビット３００と、により構成されている。 本発明の一実施形態においては、前記ガイドデバイス１００とパイロットビット３００を結合するピン止め手段が環状のピン４００である。

先ず、ガイドデバイス１００は、図２に示すように、相対的に大径のピストン部１１０を中心としてこれよりも小径の上軸部１２０と下軸部１３０により構成される。 ピストン部１１０は、図１に示すように、筐体１０内に遊嵌されて、筐体１０の下端に設けられたシュー１２の上端を打撃しながら、筐体１０を試錐孔中に叩き込む。 ピストン部１１０の外周縁には掘削中に発生する土や砂利などの汚泥を試錐孔の外に排出する汚泥排出溝３０が刻設されている。 そして、ピストン部１１０と上軸部１２０及び下軸部１３０を貫通する中心軸上には、図１に示すように、長手方向に外部から高圧空気を供給するエアホール２０が穿設されている。

上軸部１２０には、掘削装置の上部構造である打撃装置（図示せず）と係合される軸結合溝１２１が刻設されている。 そして、下軸部１３０の底面にはその中心において半径が次第に拡径する曲面を有する螺旋突部１３１が突設され、下軸部１３０の側面には長手方向に係止突部１３２が突設されている。 そして、下軸部１３０の上方、すなわち、ピストン部１１０の真下には外周縁に沿って前記環状のピン４００が係止されるピン溝１３３が刻設されている。

拡張ウィング２００は、図３及び図４に示すような形状をなし、内側には前記ガイドデバイス１００の螺旋突部１３１と嵌合するガイド溝２１０が刻設されている。 そして、拡張ウィング２００の外側の上面には段付き面２２０が設けられており、下部の隅部には斜面２３０が設けられている。 斜面２３０には掘削作業が容易に行えるように特殊鋼製の多数のボタンチップ４０が打ち込まれている。

一方、パイロットビット３００は、図５及び図６に示すように、筒状容器をなし、その内部に前記ガイドデバイス１００の下軸部１３０と前記拡張ウィング２００が収納される。

パイロットビット３００の側面には前記拡張ウィング２００が出没する四角形状のウィング出入窓３１０が設けられ、内面には前記ガイドデバイス１００の係止突部１３２に対応する係止爪３２０が設けられ、内周縁には前記下軸部１３０のピン溝１３３に対応する個所にピン溝３３０が刻設されている。 ピン溝３００は、ピン挿入孔３３１により外部と連通されている。 そして、パイロットビット３００の底面にはエアホール２０が穿設され、側面には汚泥排出溝３０が刻設され、底面にはボタンチップ４０が打ち込まれている。

図７は、本発明の一実施形態による環状のピン４００の構造図であって、多数の円弧状のピン４１０が揃って円を形成する。 前記環状のピン４００は、ガイドデバイス１００の下軸部１３０の外周縁に刻設されたピン溝１３３とパイロットビット３００の内周縁に刻設されたピン溝３３０とが形成するピンホールに挿入されて、ガイドデバイス１００とパイロットビット３００を固定する。 このとき、これらの円弧状のピン４１０は、パイロットビット３００のピン溝３３０に穿設されたピン挿入孔３３１を介して１つずつピンホールに挿入される。 ピン挿入孔３３１には円弧状のピン４１０が再び抜け出ないようにピン支持具３３２を挿入し、ボルト孔３３３にボルト（図示せず）を係止して仕上げる。

一方、図８及び図９は、本発明の他の実施形態によるガイドデバイス１００とパイロットビット３００を固定するピン止め手段が、環状のピン４００ではなく、その代わりに、固定ピン４５０とピン支持棒４６０とにより構成されている。 図８は、拡張ウィング２００とパイロットビット３００の縦断面図であり、図９は、図８におけるＳ−Ｓ線断面図である。 これらの図面から明らかなように、パイロットビット３００の側面にはピン挿入孔３５０が斜設されており、その内面にはピン止め溝３６０が刻設されている。 また、ガイドデバイス１００の下軸部１３０の上端には前記ピン挿入孔３５０から延びるピン挿入孔１３５が斜設されており、その挿入孔１３５の内部には前記ピン止め溝３６０に対応するピン受け溝１３６が刻設されている。

前記実施形態による試錐孔掘削装置を組み立てるためには、先ず、ガイドデバイス１００のピン受け溝１３６に固定ピン４５０を挿入し、この状態で、ガイドデバイス１００をパイロットビット３００中に挿入した後、前記ピン挿入孔３５０を介してピン支持棒４６０を挿入孔１３５中に強く押し込む。 これにより、ピン支持棒４６０が固定ピン４５０を外に押し出してパイロットビット３００のピン止め溝３６０に係止されることにより、結果として、ガイドデバイス１００とパイロットビット３００が係合される。

以下、本発明による試錐孔掘削装置のインライン駆動方法について説明する。 図１０及び図１１は、本発明の一実施形態による、２枚の拡張ウィング２００が一直線上に並設された掘削装置の駆動原理を説明する図面である。

先ず、図１０に示すように、拡張ウィング２００（太い点線）がパイロットビット３００（細い実線）中に収納された状態で、ガイドデバイス１００（太い実線）がパイロットビット３００と共に時計回り方向に回転しながら下降する。 パイロットビット３００の底面が試錐孔の底面を打撃し始めると、摩擦力によりパイロットビット３００の回転が抑えられ、この状態からガイドデバイス１００が回転し続けると、螺旋突部１３１（散点部分）が拡張ウィング２００のガイド溝２１０（逆方向ハッチング部分）に沿って半径が拡径する方向に回転しながら、拡張ウィング２００をウィング出入窓３１０の外に拡開させる。 このとき、拡張ウィング２００はウィング出入窓３１０を介してパイロットビット３００の中心から互いに離れる直線方向に拡開される。

次いで、図１１に示すように、ガイドデバイス１００の係止突部１３２がパイロットビット３００の係止爪３２０（正方向ハッチング部分）に突き当たると、拡張ウィング２００の拡開は中断され、ガイドデバイス１００の回転力がパイロットビット３００にそのまま伝わって、ガイドデバイス１００と拡張ウィング２００及びパイロットビット３００が一体に回転しながら掘削作業を行う。 掘削作業中に発生する砂利、砂などの汚泥はエアホール２０を介して供給される圧縮空気により汚泥排出溝３０を介して外に排出する。

一方、試錐孔拡張ウィング２００が縮込ませられる過程は、ガイドデバイス１００が逆転・上昇しながら始まる。 すなわち、図１１に示すように、拡張ウィング２００が拡開された状態からガイドデバイス１００が反時計回り方向に回転しながら上昇すると、拡張ウィング２００の段付き面２２０が試錐孔筐体１０のシュー２０の下端に突き当たり、その摩擦力により試錐孔拡張ウィング２００の回転が抑えられる。 この状態からガイドデバイス１００が逆転し続けると、その回転力により螺旋突部１３１（散点部分）が拡張ウィング２００のガイド溝２１０（逆方向ハッチング部分）に沿って半径が縮径する方向に移動しながら、拡張ウィング２００をパイロットビット３００のウィング出入窓３１０中に縮込ませる。 このとき、拡張ウィング２００は、ウィング出入窓３１０を介してパイロットビット３００の中心に向かって近づく直線方向に縮込ませられる。

ガイドデバイス１００が逆転していて、図１０に示すように、係止突部１３２がパイロットビット３００の係止爪３２０（正方向ハッチング部分）に突き当たると、拡張ウィング２００の縮込が完了し、ガイドデバイス１００と拡張ウィング２００及びパイロットビット３００が共転しながら筐体１０の外に抜け出る。

本発明においては、前記実施形態のように、両側に２枚の拡張ウィング２００を設けることが好ましいが、必要に応じて、３枚の拡張ウィング２００を設けることもできる。 拡張ウィング２００が３枚である場合であっても、その駆動原理は基本的に２枚の場合と同様である。 但し、３枚の拡張ウィング２００に対応するようにガイドデバイス１００の螺旋突部１３１とパイロットビット３００のウィング出入窓３１０をそれぞれ３個ずつ設ける必要がある。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明がこれらの実施形態にのみ限定されるものではない。 本発明の技術的な思想がそのまま適用される範囲内である限り、当業者が種々の設計変更を試みることができるであろう。 しかしながら、このような設計変更はいずれも本発明の権利範囲内に属するものであると見なされる。

本発明による試錐孔掘削装置は、拡張ウィングがインライン方式により出没することから、高負荷の条件下での高速掘削作業が行え、特に、拡張ウィングの出没位置に汚泥が溜まらないという効果がある。

また、従来の掘削装置が汚泥の溜まりにより作業を頻繁に中止したり故障を起こしていたことを考慮してみると、本発明は、試錐孔掘削にかかる作業期間を大幅に短縮することができるという効果がある。

特に、従来には、拡張ウィングの間に汚泥が溜まって拡張ウィングが円滑に縮込ませられなかった場合、掘削装置の全体を試錐孔から取り出せずにあきらめてしまうことも頻繁に起こっていたため、本発明は、装備損失によるコスト節減効果も期待できる。