Perforation device for pneumatic AgeNoboru method

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求項１の上位概念に記載された、空気式揚昇法で穿孔屑を搬送しつつ地中に孔を掘り下げる方法及び装置に関する。

上位概念に記載の穿孔装置及び空気式揚昇法は従来技術から知られている。 空気式揚昇法（リヴァース・サーキュレーション）による物質の搬送の際に、液柱は、搬送流路を形成する、中空のボーリングロッドの横断面にあって、装置ヘッドの上方でボーリングロッドのこの搬送流路へ吹き込まれるので、ボーリングロッドの中を上昇する空気によって、液柱の差圧が、孔底と表面との間のボーリングロッド内に生じる。 この差圧は、ボーリングロッド内での流速、つまり、孔底において破壊された物質をボーリングロッドの横断面を通って出すために用いる流速を生起させる。 差圧の従ってまた搬送能力の大きさは、特に、単位時間に吹き込まれた空気量と、吹込みの深さと、搬送の高さとに因る。 カッティングエレメントによって破壊された物質は、吸引開口部を通して、
底から吸引される。 吸引開口部は、装置ヘッドの下側の中央に設けられているか、例えば、装置ヘッドが案内先端部を有するときは、直径の約４分の１だけ中心からずれた位置に設けられていることができる。

この箇所及び以下に「吸引」について述べるときは、
ボーリングロッドに吸引ポンプを据え付けてあるべきであることを意味しない。 ポンプは、高圧の空気を穿孔装置の上方で搬送流路へ押し込めるためにのみある。 しかし乍ら、孔底における静水圧は、水と穿孔屑と空気とからなる混合物が入った搬送流路内での遥かに上方においての静水圧よりも大きい。 搬送は、実際に、孔底の領域でのより高い圧力によってなされるが、とにかく、搬送流路内にはより低い圧力が存在する。 表現法を簡単にするために、「吸引」を、より低い圧力の領域への合流の意味で述べる。

従来技術から公知な穿孔装置の場合には、吸引開口部は円形か卵形に設計されている。 幾つかの公知の穿孔装置では、１つの吸引開口部の代わりに、複数の吸引開口部が、穿孔装置の作用面に亘って配置されていて、物質の吸引を各カッティングエレメントの出来る限り近くで達成することができるようになっている。 このことは、
カッティングエレメントによって破壊された穿孔屑が直後に孔底から運び出され、穿孔装置が、破壊されて孔底に残っている穿孔屑の層の上で効率的に作動するために、必要である。 半径方向に異なって設けられた複数の箇所に吸引開口部を今し方述べたように配置することは、吸引開口部を、中央の搬送流路を形成するボーリングロッドの内部横断面に、接続するためのコストの掛かる管路の敷設を前提とする。

US 3 951 220からは、外側から内側へ向けられた洗浄液の流れが発生されるように、吸引開口部が螺旋状に形成されてなる穿孔装置が公知である。 この穿孔装置の欠点は、より多量の破壊された穿孔屑を運び出すために流れが不十分なことである。

本発明の課題は、カッティングエレメントによって破壊された物質（切削屑）をほぼ完全に孔底から吸引して、カッティングエレメントを既に破壊された物質に繰り返し係合させることがない、効率的な吸引特性を有する穿孔装置を製造することである。

この課題は、請求項１の主題によって解決される。

穿孔中には、穿孔装置ヘッドの作用面に沿って、穿孔装置ヘッドの中心へ半径方向に延びる洗浄液の横流が発生される。 横流の流速は、破壊された物質を取り入れて運び出すために十分に高い。 この場合、流速によって、
作用面における吸引特性従ってまた空気式揚昇法の効率を全体的に高める揚昇作用が達成される。 穿孔中に穿孔装置を回転することによって、横流が穿孔装置の回転毎に孔底の横断面全体に亘って１度で完全に移動されるので、カッティングエレメントは常に「穿孔屑を取り除かれた」孔底と係合する。

横流の揚昇作用を高めるため、横流に、穿孔装置ヘッドから下方に向けられている液流を重ねることができる。 これらの「渦巻き状に」重ねられた液流によって、
吸引の効率は著しく高められる。 何故ならば、比較的重い穿孔屑も揚昇されて、横流によって連れ出されるからである。

本発明の穿孔装置の場合には、吸引開口部が、長めの、下方に開いた、半径方向に延びる流路であって、そこでは横流が外側から中心へボーリングロッドの搬送流路へ発生されてなる流路として形成されている。 流路の外端で、この流路の上方の壁部には、横流のより高い速度が達成可能であるように、孔底の領域から追加的に洗浄液を入れるための開口部が設けられている。

流路は、穿孔装置ヘッドの、周囲側の端部において閉じられている。 流路の周囲が閉じられている構成によって、特に、軟らかい岩石を掘っているとき、横流が穿孔の「膨らみ」（Auskesselung）を引き起こすこと、が避けられる。

作動中に、流路状に形成された吸引開口部が、回転毎に、孔底の横断面全体に亘って案内される。 掘り崩された物質は、横流によって、ボーリングロッドの内部横断面を通って表面へと運ばれる。

特に、より低い穿孔の深さ及び軟らかい岩石の穿孔の最中に、この開口部の閉塞を防ぐために、開口部には、
上方に延びる管状の要素が設けられていることができる。

洗浄媒体を開口部において加速度的に供給し、かつ横流を増大するための手段を設けることができる。

揚昇作用を改善するために、流路には、流れに影響を及ぼす部材が設けられていることができる、及び／又は流路の壁面は渦巻き形に形成されている。 従って、横流には、渦巻き状の流れ特性が達成される。

請求項10によれば、追加的に、下方に向いておりかつ空気導管を介して空気を供給されるノズルが設けられており、これらのノズルは、破壊した物質を巻き上げることによってその物質の揚昇作用を増大させる。

横流に洗浄液を十分に供給させることができるように、洗浄液用の少なくとも１本の追加の供給管及び／又は空気用の追加の供給管がボーリングロッドに沿って延びている。 特殊な用途のために、装置ヘッドは、１本の支持管から穿孔が可能であるように、設計されていることができる。

本発明の他の構成及び利点は図面を参照した３つの実施の形態の以下の説明から明らかである。

図１は、平らな作用面を有する穿孔装置の側面を、穿孔軸線を通る断面で示す図である。

図２は図１に基づく穿孔装置ヘッドの作用面の底面図である。

図３は吸引流路の横断面図である。

図４は、穿孔装置の他の実施の形態の、図１に対応する断面図である。

図５は、Ｗ字形の作用面を有する穿孔装置の第３の実施の形態の、図１に対応する断面図である。

図１に示した穿孔装置100は、穿孔直径に応じて数メートルであることがある直径の、シリンダ状のハウジング１を有する。 ハウジング１の下側には同じ直径の装置ヘッド10が取着されている。 超硬インサートとして形成された多数のカッティングエレメント２は、装置ヘッド
10の下側20に、穿孔装置100全体が一点鎖線で示された平らな作用面３を有するように、設けられている。 作用面３全体に亘って配設されたローラービット６はカッティングエレメント２を補っている。 装置ヘッド10はその上側に接続プレート21を有し、この接続プレート21はハウジング１の下側に設けられた接続フランジ４と結合可能である。 他方、ハウジング１は中空のボーリングロッド50と結合されている。 このボーリングロッド50は、上端に係合する図示しない回転駆動装置によって、穿孔軸線Ａを中心に回転されることができる。 ボーリングロッド50の内部横断面は搬送流路51を形成し、空気式揚昇法（Lufthebeverfahren）に基づく穿孔屑の搬送に用いられる。 ボーリングロッド50の搬送流路51は、穿孔軸線Ａ
に対し同軸で、穿孔軸線Ａと直角をなしかつハウジング１のほぼ半分の高さにあるフランジ結合手段24へと下方に延びており、装置ヘッド10の内側で僅かに傾斜して設けられた吸引管11に繋がっている。 この吸引管11は、フランジ結合手段24の高さにおいて中心から外れて、この実施の形態では、約20度の角度で、穿孔ヘッド10の上方の接続プレート21に形成された開口部22に繋がっている。 この開口部22は半径方向に延びる流路５として形成された吸引孔に連通しており、穿孔軸線Ａの近くに位置している。 流路５の、穿孔軸線Ａに隣接した端部の距離は、穿孔軸線Ａ上に穿孔ヘッド10から下方に突出している案内先端部７の収容部７′の寸法によって定められている。 流路５は下方に開いているＵ字状の横断面を有し、中心から半径方向に外へ延びており、装置ヘッド10
の周縁部で、そこのハウジング壁部８によって閉じられている。 図３に横断面で示された流路５はその長さに亘って一定の横断面を有する。 この実施の形態では、流路５に入り込む塊（切削屑）の大きさを限定するために、
流路５の開いた下側に格子９が取り付けられている。 流路５は、図２においてより明確に見られるように、周方向に見て１箇所においてのみ、装置ヘッド10の下面20に設けられている。

作動中には、ボーリングロッド50の搬送流路51と、流路５に繋がる吸引管11とには、洗浄液、通常は水が充填されている。 空気Ｌは、ボーリングロッド50に沿って延びる供給管52を経て、搬送流路51の下端に設けられた噴射ノズル53を通って、上方に搬送流路51中へ吹き込まれる。 孔底とボーリングロッド50の内部との差圧を空気Ｌ
の吹込みによって引き起こす。 圧力低下に従って、液体は、孔底の高圧の領域から搬送流路51内の低圧の領域へと吸い込まれる。 調節される強い流れによって、孔底に接触するカッティングエレメント２及びローラビット６
によって破壊されかつ破砕された穿孔屑は運ばれ、液体Ｆと穿孔屑Ｂとの混合物Ｂとして、搬送流路51を通って表面に運ばれる。 流路５の半径方向の延びによって、作動中に、矢印Ｑによって示された横流が流路５内に生起され、この横流は破壊された穿孔屑を流路５の半径方向の延び全体に亘って集めて、吸引管11及び中央の搬送流路51へ供給する。 流路５が周縁部においてハウジング壁部８によって閉じられていることによって、物質が不都合にも孔壁から洗い流されることが避けられる。

穿孔装置100の回転運動の故に、吸引流路５は、360度の回転中に、孔底の横断面全体をかすめるから、空気式揚昇法では、矢印の方向での横流Ｑの故に、底の「掃除」（Reinigung）が自動的に達成されて、カッティングエレメント2,6が、既に破壊された物質の中で作業する必要もない。

横流Ｑを吸引流路５内で強めるために、吸引流路５の外端には、流路５の上側のハウジング壁部８の付近に、
開口部13が設けられている。 この開口部13を通って清浄な洗浄液Ｆが外端側で流路５に流入し、内端側で開口部
22において、流路５から上方へ、穿孔屑の含まれた洗浄液FBとして吸引管11へ流出する。

横流Ｑの揚昇作用を高めるために、流路５の側から孔底14に向いたノズル15を設けることができる。 これらのノズル15を用いて、横流Ｑによっては容易に運ばれない比較的大きな物質の塊（切削屑）16も持ち上げて、横流Ｑと共に搬送流路５及び表面へと搬送することができる。 図２に示すように、均等に分布された追加の渦巻きを達成するために、好ましくはこのような複数のノズル
15′が流路５に沿って設けられている。 ノズル15に空気又は水が供給され、ノズル15は、ノズル15の噴射方向が穿孔装置100の回転方向Ｄに指向しているように、設けられている。

ノズル15の代わりに又はノズル15に追加して、流路５
内で、流れに影響を与える部材、例えばそらせ板17（図３）を設けることができる。 こられの部材を用いて、孔底14にある岩塊16を更に一層持ち上げるトルク（Dral
l）が横流へ導入される。 他には、流路５の壁部18もねじ形又は渦巻き形のレリーフ、窪み又は溝を有し、かくして、横流Ｑ内で追加のトルクを達成することができる。 横流内での追加のトルクによって、カッティングエレメント２によって孔底14に形成された窪みにある物質（穿孔屑）も持ち上げることができる。

図４に示した穿孔装置200の場合には、流路105は、孔底114の直ぐ上を覆っている下方の境界部を備えた穿孔ヘッド110の中を延びており、孔底114の特に直ぐ上方に延びており、吸引管111は、流路105の長手方向に、すなわち、突然の転向なしに、流路105に繋がっている曲管として形成されている。 他の構造によって、吸引管111
及び案内先端部107が互いを邪魔しない。 上端では、吸引管111はフランジ結合手段124の高さにおいてボーリングロッド150へ移行している。 ハウジング壁部108の付近に位置している開口部113には、管部分120が溶接されており、上方に延びて、管の上端において、内側へ、つまり、穿孔の壁部から離れて、湾曲していて、落下するか穿孔へ滑り落ちる物質によって流入開口部122を塞がないようになっている。

複数の示した実施の形態は流路5,105の半径方向外側の端部で上方から洗浄液を「自由に」吸引することを示している。 ボーリングロッド50,150に沿って延びる他の供給管であって、その中を通って外側から高圧下で洗浄液を外側の開口部に供給することができてなる供給管によって、流路5,105内で高速の横流を達成することができる。 このことによって、吸引能率従ってまた穿孔装置
100,200の効率を全体的に一層高めることができる。

図５に示した穿孔装置300の場合に、ローラーカッテイングエレメント206（１個のみを図示）によって規定された、装置ヘッド210の作用面203は、穿孔軸線Ａを通る断面においてＷ字形に形成されている。 Ｗ字形の作用面を有する穿孔装置の場合には、約3.60mの直径を有しかつほぼ3m/sの横流Ｑの流速を有する穿孔装置にとって最適な結果を達成することができる。 作用面の平坦は構成とは異なるＷ字形は、孔底に向いた、流路205内での横流Ｑのトルク作用と協働するので、吸引管211及びボーリングロッド250の中を穿孔屑を特別に能率的に持ち上げかつ運び出すことが達成される。

特に、図１及び５に示した穿孔装置100及び300は支持管（Stuetzrohre）から穿孔するためにも適切である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−61006（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−25988（ＪＰ，Ａ) 特開 昭48−72906（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl. ⁷ ，ＤＢ名) E21B 10/28 E21B 3/00