DTHハンマーとビットのマッチング：硬岩掘削における問題が通常、機器の不適合に起因する理由
硬い花崗岩の中でDTH掘削機の横に立って、コンプレッサーがフル出力で唸りを上げているのに掘削速度が止まってしまうのを見たことがあるなら、おそらく誰かがこう言っているのを聞いたことがあるでしょう。「この岩は硬すぎる。」そして、時にはそれは本当です。しかし、もっと多くの場合、岩は想定どおりの硬さなのです。問題は、ハンマーとビットの組み合わせが別の作業用に選ばれたということです。
ダウンザホール掘削は一つのシステムです。ハンマー、ビット、空気圧、そして岩盤、これらすべてが互いに調和していなければなりません。調和が取れていないと、掘削速度の低下、ビットの詰まり、過度の摩耗、掘削コースからの逸脱など、誰もが地盤のせいにする症状が現れます。これらの要素の調和が取れていれば、岩盤は突然、はるかに扱いやすくなるのです。
115ミリ規格：4インチハンマーが賢明な選択となる時
中～硬質の地層（石灰岩、石炭層、ほとんどの金鉱床およびモリブデン鉱床）を貫通する直径115ミリメートルの発破孔、井戸、探査掘削には、4インチDTHハンマーと115mmビットの組み合わせが、同クラスの他のどの製品よりも速度、コスト、信頼性のバランスに優れています。
115mmビットに4インチを使う理由とは？ 4インチハンマーのピストン径は、115mmビットの面が効果的に吸収できる打撃エネルギーに見合うだけの打撃面面積を確保できるからです。例えば、アダプターを通して115mmビットを3.5インチハンマーで打ち込むなど、もっと小さいハンマーを使うと、1回の打撃あたりの衝撃エネルギーがビット径に対して低すぎます。ビット面は硬岩に適切なクレーターを作るのに十分なエネルギー密度を得られず、コンプレッサーの負荷は同じでも掘削速度が低下します。
さらに大きなハンマー（例えば115mmのドリルビットに5インチのハンマー）を使うと、ドリルビット本体や超硬インサートが耐えられる以上のエネルギーがビットに伝わります。この過剰なエネルギーは、ドリル速度の向上には繋がらず、衝撃荷重となって超硬インサートの欠け、ドリルシャンクの変形、そしてドリルストリング全体に伝わる振動を引き起こし、ハンマーより上の部分の寿命を縮めてしまいます。
4インチ/115mmの組み合わせはまさに理想的です。ハンマーは十分な速さで動作し、高い打撃頻度を維持します。これは、1分間に多くの打撃回数が必要な硬岩工事において重要です。しかも、個々の打撃は岩を砕くのに十分なエネルギーを持ち、跳ね返るだけではありません。さらに、システム内の圧力が過剰にならないため、空気消費量も管理しやすい範囲に抑えられます。ハンマーの動作を維持するためだけに、コンプレッサーをフル稼働させる必要はありません。
実用上、この組み合わせは、適度な空気圧で石灰岩や石炭層の岩盤を楽に掘削できます。花崗岩、玄武岩、珪岩などの硬い地層では、圧力を上げる必要がありますが、ハンマーとビットはそれに耐えられるように設計されています。硬岩用の適切な仕様の115mm DTHビットの超硬ボタンの形状は、円錐形ではなく球形または弾道形になっており、貫通速度を多少犠牲にする代わりに耐衝撃性が向上します。ボタンが欠けたり、穴の途中でビットが抜けたりするよりは、このトレードオフは許容範囲内です。
140ミリメートルの挑戦：あらゆるものを大きくする必要があるとき
鉄鉱石、高密度の銅斑岩、未風化玄武岩などの高硬度地層で直径140mmの穴を掘る場合、状況は一変します。ビットの接触面積は115mmの場合と比べて約50%増加するため、岩盤面で同じエネルギー密度を維持するには、ハンマーは1回の打撃で比例してより大きな衝撃エネルギーを伝達する必要があります。4インチのハンマーでは対応できません。5インチのハンマーが必要です。
5インチDTHハンマーは、ストロークの長い大型ピストンを備え、140mmのビットフェースが硬岩を効率的に破砕するために必要な、より深く、より強力な打撃を実現します。打撃頻度は4インチハンマーよりも低くなりますが、これは一撃あたりのエネルギーを高めるためのトレードオフです。しかし、大径の硬岩では、打撃頻度よりも打撃エネルギーの方が重要です。岩を実際に破砕する100回の強力な打撃は、表面を削るだけの200回の軽い打撃よりも、穴を早く進めることができます。
ビットの設計も変更されています。硬岩用の140mm DTHビットは、1メートルあたりに発生する切削屑の量が多いため、より頑丈な本体とより深い切り屑排出スロットが必要です。フラッシングホールは大きく、ゲージ列の冷却が必要な場所に正確に空気を送るように配置されています。外側のボタンは中央のボタンよりも回転あたりの作業量が多く、移動距離が長いため、より積極的な冷却が必要です。フラッシングがゲージに正しく行われないと、外側のボタンが過熱して早期に摩耗し、最初の20メートル以内に穴の直径が縮小し始めます。
140mmの深穴掘削では、切削屑を長距離にわたって排出するという新たな課題が生じます。50メートル以上になると、環状空間内の空気速度が低下し、重い切削屑が流れ出ずに沈降し始めることがあります。浅い穴ではコスト要因となる5インチハンマーの空気消費量の増加は、深い穴では利点となります。空気量が多いほど環状空間の速度が維持され、穴の中がより清潔に保たれるからです。
シフトを失う前にミスマッチを見抜く方法
ハンマーとビットの相性が悪い兆候は、何に注意すべきかを知っていればすぐにわかります。
硬岩では掘削速度が急激に低下するが、コンプレッサーは正常に作動している。ハンマーのサイズがビットの直径に対して小さすぎます。一撃あたりの衝撃エネルギーが岩を砕くのに十分ではないため、ビットは実質的にその場でハンマーで叩いている状態です。
超硬ボタンは、最初の数個の穴を開けただけで欠けたり割れたりする。ハンマーがビットに対して大きすぎます。衝撃エネルギーが高すぎるため、特定のエネルギー範囲に対応するように設計された超硬インサートが、設計上の許容範囲を超える衝撃荷重を受けています。解決策としては、より小型のハンマーを使用するか、より高い衝撃に耐えられる高耐久性の超硬ボタンを備えたビットを使用することです。
穴は、特に深いところで移動している。これはハンマーの問題（ピストンが正確に打撃していない）かビットの問題（ゲージ列が不均一に摩耗している）の可能性がありますが、多くの場合、ハンマーの打撃エネルギーがビットの質量分布の中心に合っていないというマッチングの問題です。ビットのシャンクの長さとハンマーのチャックが互換性があることを確認してください。ハンマーに対して短すぎたり長すぎたりするビットは、軸からずれた衝撃を受けます。
過剰な空気消費量にもかかわらず、透過率の改善は見られない。システムの必要圧力よりも高い圧力で運転しているのは、通常、ハンマーとビットの組み合わせを修正する代わりに、コンプレッサーの出力を上げることで不一致を補おうとしていることが原因です。空気量を増やしても、根本的に間違ったハンマーのサイズは修正されません。
結論
DTH掘削では、ハンマーとビットは一対一で機能します。システムとして設計され、システムとしてテストされ、システムとして機能します。"itが合うからとか、トラックに積んであったからとかいう理由でブランドやサイズを混ぜると、通常の掘削作業がトラブルシューティング作業になってしまいます。穴のサイズに合わせてハンマーを選び、岩盤に合わせてビットを選び、それらが互いに連携して機能するように設計されていることを確認してください。そうすれば、硬い岩盤は問題ではなくなり、単なる作業になります。
