(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転力及び打撃力を発生するドリルヘッドと、内管及び外管からなる二重管との間を連結するクリーニングスイベルであって、
後端が前記ドリルヘッドに連結され、前端に開口する軸方向部分及び外周に開口する半径方向部分からなる空気流路を有するトップサブと、
このトップサブの前端部外周に後端部が固定され、その中間部内周に形成された環状隔壁部と前記トップサブとの間に液圧シリンダ室が区画されたアウタロッドサブと、
このアウタロッドサブ内に軸方向に移動自在に挿入されて、その後端部が前記空気流路の軸方向部分に、中間部が前記環状隔壁部にそれぞれ摺動自在に嵌合され、外周に前記液圧シリンダ室を摺動自在なピストンが設けられたインナロッドサブと、
前記アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転力を伝達するための手段と、
前記トップサブ及び前記アウタロッドサブの各外周に相対回転自在に嵌合され、内周に環状空気室、前後２つの環状液室及び環状カッティングス室をそれぞれ有し、また外周に前記環状空気室、前記２つの環状液室及び前記環状カッティングス室とそれぞれ連通する空気流入口及び２つの液入出口及びカッティングス排出口を有するスイベルケースとを備え、
前記環状空気室は前記空気流路の半径方向部分と連通し、前記前後２つの環状液室は前記アウタロッドサブに設けられた連通孔を介して前記シリンダ室の前後室とそれぞれ連通し、前記カッティングス室は前記アウタロッドサブに設けられた連通孔を介して前記アウタロッドサブと前記インナロッドサブとの間の空隙に連通していることを特徴とするロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイベル。
【請求項２】
前記インナロッドサブの後端部に小径部が形成され、この小径部が前記空気流路の軸方向部分に摺動自在に嵌合されていることを特徴とする請求項１記載のロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイベル。
【請求項３】
前記アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転力を伝達するための手段は、前記アウタロッドサブの内周及び前記インナロッドサブの外周にそれぞれ形成されて互いに嵌合するスプラインであることを特徴とする請求項１又は２記載のロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイベル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二重管掘削装置用クリーニングスイベルに関し、さらに詳細には、ロータリパーカッションドリルにダウンザホールハンマを併用する際に好適なスイベルジョイントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
油圧ドリルヘッドを有するロータリパーカッションドリルによる二重管掘削工法は、外管（アウタロッド）により孔壁を保護しつつ掘削できることから、崩壊性のある地質条件下での工法として一般化している。しかしながら、この工法にも以下のような弱点がある。
【０００３】
崩壊性地層を掘り抜いた後、安定した硬岩層や硬質の転石などに当たると掘削速度が低下する。また、軽量小型のロータリパーカッションドリルでは、パワー不足から十分な掘削能率を得にくい。掘削深度が増すほど油圧ドリルヘッドによる打撃力は途中で減衰されてしまう。
【０００４】
このような弱点を補うために、内管（インナロッド）の先端にダウンザホールハンマを取り付けて、補助的に打撃力を発生させることがなされているが、この場合油圧ドリルヘッドによる打撃力がインナロッドを介してダウンザホールの本体に伝達されるため、以下の問題が発生する。
【０００５】
一般市販のダウンザホールハンマは、元来油圧パーカッションによる打撃力を本体に受けることを想定しておらず、強度的な問題がある。この強度を得るために本体の肉厚を大きくするなどの方法もあるが、例えば外径側に肉厚を大きくするとアウタロッド内径とのクリアランスが小さくなり、カッティングスの排出に支障をきたすか、あるいはもう一回り大きいアウタロッドと組み合わせる必要が生じる。また、内径側に肉厚を大きくすると、打撃力を発生させるピストンも小型化する必要が生じ、掘削能力が低下する。さらに、ハンマビットは油圧ドリルヘッドとダウンザホールハンマとの双方から打撃を受けることになり、これら周波数の異なる打撃によりどのような影響が生じるのか解析は非常に困難であり、その予測ができない。
【０００６】
そのため、一般的には油圧パーカッションによる二重管掘削が困難になった時点で、アウタロッドをケーシングとして残したまま、その下層をダウンザホールハンマのみによるシングル掘削に切り替え、油圧パーカッションは作動させないという手法を採っている。しかし、この場合以下のような問題が生じる。
【０００７】
アウタロッドとインナロッドとのクリアランスを通過して排出されるカッティングスを受け止めホース等によって任意の方向に排出できるクリーニングスイベルが使えなくなるため、カッティングスの飛散が避けられない。ダウンザホールハンマのビット径はアウタロッドの内径よりも小さい必要があることから、設計仕上げ孔径を確保するためには、一回り以上大きなアウタロッド・アウタビットを必要とする。
【０００８】
所定掘削深度の中間に油圧パーカッションでは掘削困難な地層があり、その下方にはアウタロッドによる孔壁の保護が必要な地層があるような場合、一旦ダウンザホールハンマで芯抜きした後、アウタロッド・アウタビットによる拡孔が必要となる。しかし、この場合インナロッド・インナビットを再セットしなければカッティングスの排出が困難であり、セットできない場合、排出が不充分なカッティングスによってアウタビットの早期摩耗や焼き付きなどの障害が発生する可能性が高い。また、インナロッド・インナビットを再セットする場合もダウンザホールハンマによる芯抜き孔径がインナビットよりも十分小さくないと、インナロッドは空打撃状態となり、ねじはずれやロッド切断などの試錐事故の原因となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、ダウンザホールハンマを併用するロータリパーカッション式二重管掘削工法において、種々の問題点を解決することができる二重管掘削装置用クリーニングスイベルを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を達成するために、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、回転力及び打撃力を発生するドリルヘッドと、内管及び外管からなる二重管との間を連結するクリーニングスイベルであって、
後端が前記ドリルヘッドに連結され、前端に開口する軸方向部分及び外周に開口する半径方向部分からなる空気流路を有するトップサブと、
このトップサブの前端部外周に後端部が固定され、その中間部内周に形成された環状隔壁部と前記トップサブとの間に液圧シリンダ室が区画されたアウタロッドサブと、
このアウタロッドサブ内に軸方向に移動自在に挿入されて、その後端部が前記空気流路の軸方向部分に、中間部が前記環状隔壁部にそれぞれ摺動自在に嵌合され、外周に前記液圧シリンダ室を摺動自在なピストンが設けられたインナロッドサブと、
前記アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転力を伝達するための手段と、
前記トップサブ及び前記アウタロッドサブの各外周に相対回転自在に嵌合され、内周に環状空気室、前後２つの環状液室及び環状カッティングス室をそれぞれ有し、また外周に前記環状空気室、前記２つの環状液室及び前記環状カッティングス室とそれぞれ連通する空気流入口及び２つの液入出口及びカッティングス排出口を有するスイベルケースとを備え、
前記環状空気室は前記空気流路の半径方向部分と連通し、前記前後２つの環状液室は前記アウタロッドサブに設けられた連通孔を介して前記シリンダ室の前後室とそれぞれ連通し、前記カッティングス室は前記アウタロッドサブに設けられた連通孔を介して前記アウタロッドサブと前記インナロッドサブとの間の空隙に連通していることを特徴とするロータリパーカッション式二重管掘削装置用クリーニングスイベルにある。
【００１１】
より具体的には、前記インナロッドサブの後端部に小径部が形成され、この小径部が前記空気流路の軸方向部分に摺動自在に嵌合されている。また、前記アウタロッドサブから前記インナロッドサブに回転力を伝達するための手段は、前記アウタロッドサブの内周及び前記インナロッドサブの外周にそれぞれ形成されて互いに嵌合するスプラインである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、この発明によるクリーニングスイベル（スイベルジョイント）の実施形態を示す軸方向断面図、図２は図１のＡ−Ａ線拡大断面図、図３は分解断面図、図４はクリーニングスイベルを油圧ドリルヘッドに接続した状態を示す断面図である。この発明によるクリーニングスイベル１は、トップサブ２、アウタロッドサブ３、インナロッドサブ４及びスイベルケース５で構成されている。
【００１３】
トップサブ２は後端に雌ねじ８が設けられ、この雌ねじ８に接続されるシャンクロッド７を介して油圧ドリルヘッド６に連結される（図４参照）。また、トップサブ２にはその前端に開口する軸方向部分９ａと、外周に開口する半径方向部分９ｂとからなる空気流路９が形成されている。軸方向部分９ａには段部１０が形成されている。
【００１４】
アウタロッドサブ３は、その後端部がトップサブ２の前端部外周にねじ１１を介して固定されている。このアウタロッドサブ３の前端には、アウタロッドカップリング１２を介して図示されていないアウタロッドが接続される。アウタロッドサブ３には、その中間部内周に環状隔壁部１４が形成され、この環状隔壁部１４とトップサブ２との間に油圧シリンダ室１５が区画されている。
【００１５】
インナロッドサブ４はアウタロッドサブ３内に軸方向に移動自在に挿入されている。このインナロッドサブ４の前端には、図示されていないインナロッドを接続するための雌ねじ１６が設けられている。インナロッドサブ４は、その中間部が環状隔壁部１４に摺動自在に嵌合している。インナロッドサブ４の後端部には小径部１３が形成され、この小径部１３は空気流路９の軸方向部分９ａに摺動自在に嵌合している。さらに、インナロッドサブ４の外周には油圧シリンダ室１５を摺動自在なピストン１７が設けられ、このピストン１７によって油圧シリンダ室１５は前室１５ａと後室１５ｂとに区画されている。以上の説明から、ピストン１７を有するインナロッドサブ４は、ピストンロッドとして機能することが理解される。
【００１６】
図２に示すように、アウタロッドサブ３における油圧シリンダ室１５を区画する部分の内周には雌スプライン１８が設けられている。他方、インナロッドサブ４の外周には雌スプライン１８と嵌合する雄スプライン１９が設けられている。雄スプライン１９の高さは雌スプライン１８の深さよりも低くなっていて、この結果これら雌雄スプライン１８，１９間に形成される周方向の隙間が油圧シリンダ室１５の前室１５ａであり、作動油の通過路となる。
【００１７】
スイベルケース５はトップサブ２及びアウタロッドサブ３の各外周に相対回転自在に嵌合されている。このスイベルケース５の後端には、該スイベルケースをトップサブ２及びアウタロッドサブ３に保持するためのリテーナリング２１がねじ２０によって固定されている。また、スイベルケース５には共回りを防止するためのスイベルストッパ２２が設けられている（図４参照）。
【００１８】
スイベルケース５の内周には環状空気室２３、軸方向に互いに間隔を置いた前後２つの環状油室２４ａ，２４ｂ及び環状カッティングス室２５がそれぞれ設けられている。また、スイベルケース５の外周には環状空気室２３と連通する空気流入口２６、２つの環状油室２４ａ，２４ｂとそれぞれ連通する２つの作動油入出口２７ａ，２７ｂ及び環状カッティングス室２５と連通するカッティングス排出口２８が設けられている。
【００１９】
そして、環状空気室２６は空気流路９の半径方向部分９ｂと連通している。また、２つの環状油室２４ａ，２４ｂはアウタロッドサブ３に設けられた連通孔２９ａ，２９ｂを介して油圧シリンダ室１５の前後室１５ａ，１５ｂとそれぞれ連通している。さらに、環状カッティングス室２５はアウタロッドサブ３に設けられた連通孔３０を介してアウタロッドサブ３とインナロッドサブ４との間の空隙３１に連通している。
【００２０】
次に上記実施形態のものの作用を説明する。図５はダウンザホールハンマを併用して掘削する状態を示す軸方向断面図である。掘削時において、アウタロッドサブ３にはいずれも外管を構成するアウタロッドカップリング１２、アウタロッド３２及びアウタビット３３を有するファーストケーシング３４がそれぞれ接続される。また、インナロッドサブ４にはいずれも内管を構成するインナロッド３５及びスターティングロッド３６がそれぞれ接続される。さらに、スターティングロッド３６にはアダプタサブ３７を介してハンマビット３８を有するダウンザホールハンマ３９が接続される。
【００２１】
このダウンザホールハンマ３９は周知のもので、詳細説明は省略するが、圧縮空気で作動してハンマビット３８に打撃力を与えるピストンが内蔵され、ハンマビット３８を掘削孔底に押し付けると打撃を開始する（図５（ａ）の状態）。また、ハンマビット３８を掘削孔底から離間させ、ハンマビット３８がダウンザホールハンマ本体からビットストロークＳ2 だけ下降すると、圧縮空気のほぼ全量がハンマビット３８の先端から噴出し、この噴出空気によって掘削孔底周囲に残るカッティングスを効果的に排除（フラッシング）できる構造になっている（図５（ｂ）の状態）。
【００２２】
図５（ａ）に示す掘削状態にするには、図１に示した作動油入出口２７ｂから環状油室２４ｂ及び連通孔２９ｂを経て油圧シリンダ後室１５ｂに所定圧力の作動油を供給する。これにより、インナロッドサブ４が軸方向に前進し、ダウンザホールハンマ３９のハンマビット３８がファーストケーシング３４から突出する。このとき、すなわちインナロッドサブ４がストロークエンドまで前進したとき、スプライン１８，１９は最大面積で噛み合い、この位置が標準的な掘削ポジションとなる。
【００２３】
掘削時において、油圧ドリルヘッド６で発生した回転力及び打撃力はシャンクロッド７を介してトップサブ２に伝達される。トップサブ２に伝達された回転力及び打撃力はアウタロッドサブ３、アウタロッドカップリング１２、アウタロッド３２及びファーストケーシング３４に順に伝播して、アウタビット３３に伝達される。
【００２４】
他方、インナロッドサブ４に関しては、該インナロッドサブ４がトップサブ２から離間した前進位置にあるので、トップサブ２から打撃力は伝達されない。インナロッドサブ４には、アウタロッドサブ３からスプライン１８，１９を介して回転力のみが伝達される。インナロッドサブ４に伝達された回転力は、インナロッド３５、スターティングロッド３６、アダプタサブ３７及びダウンザホールハンマ３９に順に伝播して、ハンマビット３８に伝達される。
【００２５】
また、掘削時において、図示しないエアコンプレッサにより発生した圧縮空気が、図示しないラインオイラによってダウンザホールハンマのための潤滑油を付加された後、スイベルケース５の空気流入口２６を経て環状空気室２３に流入する。なお、その際、まれに粉塵飛散防止などの目的から、水注入ポンプによって少量の清水を圧縮空気に混入させることがある。
【００２６】
圧縮空気はさらに空気流路９に流入し、インナロッドサブ４、インナロッド３５、スターティングロッド３６及びアダプタサブ３７の各内部を経てダウンザホールハンマ３９に供給される。この圧縮空気によりダウンザホールハンマ３９に内蔵されたピストンが作動し、ハンマビット３８に打撃力を与える。このとき、ハンマビット３８の先端から圧縮空気が断続的に噴出する。この噴出空気は、アウタロッド３２とインナロッド３５との空隙を送気時と逆方向に通過して、アウタロッドサブ３とインナロッドサブ４との間の空隙３１に至る。さらに、噴出空気は連通孔３０及び環状カッティングス室２５を経てカッティングス排出口２８から外部に排出され、この空気流によってカッティングスが地上に運搬、排出される。
【００２７】
なお、図１に示すように、インナロッドサブ４の小径部１３はシールリング４０を介して空気流路９の軸方向部分９ａに常に嵌合保持される長さを有しているので、インナロッドサブ４がストローク（図１にＳ1 で示される）一杯に前進しても、小径部１３が軸方向部分９ａから抜け出すことはない。
【００２８】
図５（ｂ）のフラッシング状態にするには、作動油入出口２７ａより環状油室２４ａ及び連通孔２９ａを経て油圧シリンダ前室１５ａに所定圧力の作動油を供給する。これにより、インナロッドサブ４が後退し、ダウンザホールハンマ３９のハンマビット３８が掘削孔底から離間して、ハンマビット３８がビットストロークＳ2 分下降し、圧縮空気の全量が噴出する。この噴出空気流により、掘削孔底に残るカッティングスが効果的に排除され、カッティングスは掘削時におけると同様の経路を通って地上に運搬、排出される。
【００２９】
なお、アウタロッドサブ３に設けた環状隔壁部１４は、その軸方向長さがインナロッドサブ４のストローク量よりも長くなっている。このため、万一インナロッドサブ４に設けたダストシール４１が摩耗し、インナロッドサブ４の外周にカッティングスや泥が付着した状態でインナロッドサブ４をストロークエンドまで後退させても、これらが直接油圧シリンダ前室１５ａに引き込まれることはない。
【００３０】
上記実施形態によれば次のような作用効果がもたらされる。
(1) インナロッド３５は掘削ポジションである前進位置で油圧ドリルヘッドによる打撃を直接受けない構造になっているため、インナロッド先端に取り付けたダウンザホールハンマも打撃を受けることがなく、特別な補強を必要としない。
(2) ハンマビット３８はダウンザホールハンマによる打撃力のみを受けるので、これとは周波数が異なる油圧ドリルヘッドによる打撃力も受ける従来のような影響を考慮する必要がない。
【００３１】
(3) インナロッドサブ４は油圧力によって必要時にいつでも前進・後退させることができるので、油圧ドリルヘッドによるアウタロッドサブへの打撃を停止することなく、フラッシング操作をすることができる。
(4) インナロッドサブ４のストローク量をフラッシング操作に必要なストロークよりも十分大きくとることにより、アウタビットとハンマビットとの軸方向の前後位置関係を微調整することができるようになるので、地質条件に合わせた掘削ができる。
【００３２】
(5) この発明によるクリーニングスイベルは、カッティングス排出に関し、ロータリパーカッションドリルによる二重管掘削工法に必ず使われるクリーニングスイベルと同等の機能を有しているため、ダウンザホールハンマを併用してもカッティングスの飛散がない。
(6) 従来のロータリパーカッションドリルによる二重管掘削工法では油圧ドリルヘッドによる打撃力はアウタビット及びインナビットの双方に分散して伝達される。これに対し、この発明によるクリーニングスイベルを使用した場合、油圧ドリルヘッドによる打撃力はアウタビットにのみ伝達されるので、アウタ側の掘削効率が向上する。
【００３３】
(7) この発明によるクリーニングスイベルは、ロータリパーカッションドリルによる二重管掘削工法に必ず使われるクリーニングスイベルと交換して使用することができ、したがって既存の掘削機をそのまま使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、内管の先端にダウンザホールハンマを取り付けて掘削するロータリパーカッション式二重管掘削工法において、ドリルヘッドの打撃力が内管には伝達されないので、ダウンザホールハンマが受ける種々の影響を回避することができる。また、外管への打撃を停止することなく、フラッシング操作をすることができるので、掘削効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるクリーニングスイベルの実施形態を示す軸方向断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。
【図３】同クリーニングスイベルの分解断面図である。
【図４】クリーニングスイベルを油圧ドリルヘッドに接続した状態を示す断面図である。
【図５】ダウンザホールハンマを併用して掘削する状態を示す軸方向断面図である。
【符号の説明】
１：クリーニングスイベル
２：トップサブ
３：アウタロッドサブ
４：インナロッドサブ
５：スイベルケース
６：油圧ドリルヘッド
７：シャンクロッド
９：空気流路
９ａ：軸方向部分
９ｂ：半径方向部分
１２：アウタロッドカップリング
１３：小径部
１４：環状隔壁部
１５：油圧シリンダ室
１５ａ：油圧シリンダ前室
１５ｂ：油圧シリンダ後室
１７：ピストン
１８：雌スプライン
１９：雄スプライン
２３：環状空気室
２４ａ：環状油室
２４ｂ：環状油室
２５：環状カッティングス室
２６：環状空気室
２６：空気流入口
２７ａ：作動油入出口
２７ｂ：作動油入出口
２８：カッティングス排出口
２９ａ：連通孔
２９ｂ：連通孔
３０：連通孔
３１：空隙
３２：アウタロッド
３３：アウタビット
３４：ファーストケーシング
３５：インナロッド
３６：スターティングロッド
３８：ハンマビット
３９：ダウンザホールハンマ
【図１】
0003859523.tif 000002
【図２】
0003859523.tif 000003
【図３】
0003859523.tif 000004
【図４】
0003859523.tif 000005
【図５】
0003859523.tif 000006