硬岩掘削は「詰まる」ことがない！パラメータ調整の3つのヒント
硬岩層（花崗岩、玄武岩などに代表される）は硬度と靭性が高く、掘削パラメータの適合性に厳しい要件が課せられます。回転速度、掘削圧力（ウォブ/ビット圧力）、そして切削屑の除去（フラッシング）を適切に調整することが、掘削率の向上と機器の摩耗低減の鍵となります。以下では、これら3つの主要パラメータにおける硬岩掘削の調整ロジックと実用ルールについて説明します。
回転速度：効果的な破砕には低速回転 硬岩は硬度が高いため、通常、ビットの歯が岩石を破砕するのに十分な接触時間を確保するために、低速回転で掘削が行われます。硬岩は密度が高く、自然亀裂がほとんどないため、歯型ローラーコーンビットは、時間をかけて地層に押し込み、くさびで固定する必要があります。回転速度が速すぎると、歯の接触時間が大幅に短くなり、効果的な破砕が起こる前にビットが面から滑り落ちてしまいます。この「エアミリング」は、貫入性を向上させるだけでなく、ビットの摩耗を加速させます。
実際には、硬岩掘削における回転速度は通常30～60rpmの範囲で制御されます。例えば、花崗岩を掘削する場合、回転速度を100rpmまで上げると、歯が表面を高速で滑走し、岩盤を貫通することなく浅い傷をつけるだけです。回転速度を40rpm程度まで下げると、歯が掘削面に接触したまま持続的な圧力をかけることができます。くさび作用と歯の硬度によって岩盤は徐々に分割され、破砕効率は30%以上向上すると同時に、ビットの摩耗も大幅に低減します。
掘削圧力：岩石の抵抗を克服するのに十分な圧力をかける。硬岩は圧縮強度が高い場合が多く（通常100MPa以上）、抵抗を克服してビットの歯を地層に打ち込むには、適切な掘削圧力が必要となる。圧力が不十分だと、ビットの歯が地表で滑り、「スキッド」効果が生じる。適切な圧力をかけると、ビットの歯は地表の応力を貫通し、内部の亀裂や結晶間隙に到達し、押し出し作用とせん断作用の組み合わせによって岩石を破砕する。
エンジニアリングの実務において、硬岩作業における掘削圧力は一般的に3～5 MPa程度に設定されます。例えば、硬鉱の採掘において、ビット圧力が2 MPaしかない場合、ビット歯は有効な破断点を確立できず、貫入速度は0.5 m/hを下回る可能性があります。圧力を4 MPaに上げると、ビット歯の噛み合いが深くなり、周期的な応力サイクルによって亀裂が拡大し、貫入速度は1.2～1.5 m/hに達し、その後の作業において破砕された岩石の健全性が向上します。
切削屑除去（フラッシング）：十分なフラッシングにより、作業面を清潔に保ちます。硬岩掘削で発生する切削屑は比較的微細ですが、掘削速度が遅いため、掘削孔底に堆積しやすく、「再破砕」の悪循環を引き起こします。つまり、詰まった切削屑はビットと新鮮な岩盤の接触を妨げ、摩耗を増大させ、切削屑の再破砕にエネルギーを浪費し、全体的な効率を低下させます。切削屑除去調整の中心的な目標は、十分なフラッシング液の流れを確保し、切削屑を速やかに排出することです。
硬岩掘削の場合、フラッシング流量は通常40～80 L/分に制御されます。例えば、地下の硬岩トンネルプロジェクトでは、初期のフラッシング流量が30 L/分だったため、トンネル底に5～8 cmの掘削屑が堆積し、ビットは2時間ごとに交換する必要があり、1日の掘削距離は8 m未満でした。流量を60 L/分に増加させた後、トンネル底の残留物は1 cm未満に抑えられ、ビットの寿命は8時間を超え、1日の掘削距離は15～18 mに増加しました。また、摩耗の減少によりビット調達コストが約40%削減されました。
パラメータ調整：3つのコアロジックを統合硬岩掘削のパラメータ調整は、個々の値を個別に最適化するのではなく、3つすべてを調整して一致させることです。
回転速度と掘削圧力: 掘削圧力を上げるときは、高速/高圧条件下での瞬間的な過負荷と突然のビット破損を回避するために、低速を維持します。
フラッシングと掘削圧力: フラッシング流量を増やすときは、掘削圧力と調整して、過度のフラッシングの影響によって穴壁の安定性が損なわれるのを防ぎます。
速度、圧力、フラッシングを適切に組み合わせることによってのみ、高効率で低消費の硬岩掘削を実現できます。
