ドリルロッドが失敗する主な理由

2024.10.31シャンディケイ・イーソン

中国の鉱業の発展と輸送インフラ建設の規模の拡大、そして政府主導の機械化、自動化、無人の建設・採掘に関する要求により、掘削工具市場は急速に発展しています。市場規模は数十億元に達するメーカーが数多く存在すると言われています。しかし、国内ブランド製品の性能には依然として改善の余地が多くあります。

今日は、岩の掘削装置におけるドリルロッドの故障についての私たちの経験をお話ししましょう。
掘削トロリーのドリルロッドとして、それはロックドリルの衝撃エネルギーを岩に伝達する導体です。その作業形態は上の図に示されています。仕様に関係なく、主にいくつかの故障モードがあり、すなわち通常の摩耗です。さらに、1つはドリルロッドの破損であり、もう1つは接続スレッド摩耗の変形です。スレッドの摩耗と変形は一般的ですが、破壊は比較的まれですが、破壊点はほぼ常にスレッドスリーブから約50センチメートルの距離に位置しています。

この状況は、実際にロックドリルにおけるエネルギー伝達の変動理論と非常に一致しています。衝撃ピストンがドリルテールに衝突すると、衝撃ピストンの運動エネルギーが応力波に変換され、ドリルロッドとドリルビットを通じて孔の底に伝達されます。最適な掘削経済を達成するためには、ロックドリルから掘削工具、そして岩石までの全システムが相互に調整されている必要があります。応力波理論によれば、応力波は長方形の形をしており、長方形波の長さはピストンの2倍です。長方形波の高さは、衝突の瞬間におけるピストンの速度と、衝撃ピストンの断面積とドリルロッドの断面積の関係によります。衝撃によって発生するエネルギーは、ドリルロッドテールを通じて波の形で伝達され、ドリルロッドが岩を破砕します。大きなハンマーを叩いたり、ドリルロッドを持ったり、釘を彫ったりしたことがあれば、手のひらや指でドリルロッドのわずかな膨張を感じることができ、その感覚体験を得ることができます。この理論によれば、任意の衝撃圧力において、ドリルパイプ内の応力波振幅、すなわち応力値はドリルパイプの断面の減少によって高くなります。ドリルテールとドリルロッドの長寿命を確保するためには、作業圧力が常に掘削工具の断面サイズと一致することが重要です。アトラスコプコのロックドリルはすべてスレンダー・ピストンの概念を採用しており、ドリルビットテールとドリルロッドの直径がそれと調和し、一貫して変化しないことを望んでいます。これにより、エネルギー波のピーク値が均一になり、高い伝送効率を達成できるだけでなく、掘削工具の寿命も向上します。これが、アトラスロックドリルが他のブランドよりも効率的である理由でもあります。

しかし、実際には、ドリルテールでもドリルロッドでも、機能的および加工の要求のため、その構造形状が直径の変化がないという条件を完全に満たすことは難しいです。図からもわかるように、掘削や岩盤掘削において、一体型の高速ドリルロッドを使用する場合でも、接続スリーブを使用する場合でも、ドリルロッドのテールとドリルロッドの間の接続ねじが衝撃波の振幅が最も変化する場所、つまり衝撃波のピークが生成される場所です。ねじ加工の精度、相互協力の適合度、さらにはドリルパイプの作業プロセス中の偏向変化がこの部分に最も大きな影響を与えます。このため、この領域でドリルパイプの故障がより頻繁に発生するのです。したがって、掘削工具メーカーがこの分野で努力をすれば、まだやるべきことがたくさんあります。

しかし実際には、改善しかできないと私は信じています。ある意味で、この問題は水平掘削や岩の掘削に対しては解決不可能です。
露天掘削において、ダウンホールハンマーがより一般的に使用されており、ドリルパイプが衝撃に耐えられないため、そのような問題はありません。アトラスは、トップハンマードリリング用のCOPRODという一種のドリルツールを巧妙に使用しました。図に示すように、外部のケーシングは衝撃を受けず、内部のインパクトロッドはねじ接続を使用せず、ラップジョイントを使用しているため、直径が変わらず、波形にピークの変化が生じません。掘削速度とドリルツールの寿命は非常に長いですが、基本的には垂直掘削にのみ適しています。