岩盤に合わせてドリル速度を調整する：「硬い岩はゆっくり、柔らかい岩は速く」が想像以上に重要な理由
空気圧ドリルには必ずスロットルが付いています。そして、ドリル作業員は皆、スロットルをどこに設定すれば良いかという直感を持っています。しかし、直感というものには落とし穴があります。それは通常、ドリルビットが岩盤に当たる穴の底で実際に何が起こっているかではなく、ドリルの口で感じる感覚に基づいているのです。
ルールは至ってシンプルに聞こえる。硬い岩盤は低速、柔らかい岩盤は高速。しかし、ルールを理解している掘削作業員のほとんどは、なぜそれが機能するのかを理解していないため、その適用方法を間違えてしまう。そして、その理由を理解していなければ、状況の変化に応じて調整することはできない。ここでは、スロットル操作の背後にある物理法則と、なぜスロットル操作を誤ると掘削ビットやドリルロッドが掘削装置上の他のどの部品よりも早く破損してしまうのかを解説する。
ビット速度が間違っている場合、ビット面では何が起こるのか
空気圧式削岩機は、ドリルロッドを通してドリルビットに2つのエネルギーを伝達します。1つは打撃エネルギー（ピストンがシャンクを叩くことによるもの）、もう1つは回転です。打撃によって岩盤が砕かれ、回転によって超硬インサートが打撃の合間に新しい岩盤に位置合わせされるため、同じ場所を2度叩くことがなくなります。
打撃頻度と回転速度の関係によって、ビットが効率的に切削しているか、それとも単に自らを叩き壊しているだけなのかが決まります。
硬い岩盤で回転速度が速すぎると、ビットが衝撃の間隔で大きく回転してしまいます。超硬インサートは、直前の打撃でできたクレーターではなく、砕けていない岩盤の隆起部に着地します。ビットは、すでに破砕された岩盤に食い込んで亀裂を広げるのではなく、打撃のたびに浅い角度で無傷の岩盤に当たってしまいます。インサートは跳ね返り、掘削速度が低下します。また、ビットが岩盤に適切に食い込んでいないため、衝撃エネルギーは岩盤に吸収されることなく、ドリルロッドを伝って跳ね返ります。この跳ね返ったエネルギーは振動として現れ、手で感じる振動であると同時に、ドリルロッドのすべてのねじ込み接続部に周期的な疲労負荷をかける振動でもあります。
軟岩で回転速度が遅すぎると、逆の問題が発生します。インサートが打撃の間隔で重なり合いすぎて、新しい岩を切削するのではなく、既に砕けた岩を再び粉砕してしまうのです。ビットは切削屑を粉々に粉砕し、過剰な熱を発生させ、既に粉々になった岩にエネルギーを費やすため、掘削速度が低下します。一方、回転速度が遅いため、切削屑が十分に速やかに排出されず、ビット面に詰まりが生じ始めます。軟岩でビット面が詰まると、水穴が塞がり、超硬インサートが焼き切れてしまいます。
硬岩における大径ビット：なぜ低速掘削が唯一の選択肢なのか
花崗岩を掘削する45ミリのテーパーボタンビットは、石灰岩を掘削する32ミリのビットとは全く異なる機械的な問題を抱えています。ビットの直径が大きいほど、ビット面と岩石との接触面積が大きくなります。接触面積が大きいということは、回転に対する抵抗が大きくなることを意味します。ビットはより広いゲージ円に沿って摩擦を克服しなければならないため、また、衝撃エネルギーがより多くの超硬インサートに分散されるため、貫通に対する抵抗も大きくなります。
硬くて密度が高く、摩耗しやすい岩盤では、その大きな接触面積が逆に不利に働きます。同じ地層で32mmビットと同じ回転数で45mmビットを回転させると、ゲージ列の周速が比例して高くなります。つまり、外側のインサートは中央のインサートよりも速く移動し、より強く接触し、より早く摩耗します。ゲージ列が最初に摩耗し、ビット径が縮小し、突然、残りの掘削プログラムで穴のサイズを維持できなくなります。
解決策は、打撃頻度と回転速度の両方を下げることです。打撃頻度を下げると、次の打撃が来る前に、各打撃が岩盤にエネルギーを伝達し、適切なクレーターを形成する時間が長くなります。回転速度を下げると、打撃間のビットの移動距離が短くなり、インサートが未破砕の岩盤ではなく、既に破砕された岩盤に確実に着地します。この組み合わせにより、エネルギー伝達がよりスムーズになり、ビット面全体でインサートの摩耗が均一になり、穴のサイズもゲージ内に収まります。
実際には、硬い花崗岩や珪岩に一般的な36～45mmのテーパーボタンビットを使用する場合、回転速度は150～250RPMの範囲で、直径が大きいほど回転速度は低めになります。打撃エネルギーを高く保ち、インデックス距離を適切にするために、打撃頻度は抑える必要があります。その代償として掘削速度は遅くなりますが、適切な直径で穴を仕上げるビットは、10メートルは高速で掘削できるものの、その後ゲージを維持できなくなるビットよりも価値があります。
軟岩における小径ビット：スピードが味方
風化した砂岩、泥岩、または軟質石灰岩に32mmまたは34mmのボタンビットを使用する場合、問題は正反対になります。接触面積が小さく、岩が弱いため、比較的低い衝撃エネルギーでビットが素早く貫通します。この設定で硬岩用の速度で運転すると、ビットが同じ岩の箇所に接触している時間が長くなりすぎて、切削ではなく再研磨が行われ、作業が進む代わりに熱が発生します。
回転速度を300～400RPM（岩の状態によってはそれ以上）に上げると、ビットのインデックス移動距離が長くなります。各インサートは打撃ごとに新鮮で割れていない岩に当たり、粉塵を粉砕するのではなく、きれいな切り屑を生成します。回転速度を上げると、切削屑の排出もスムーズになります。ビットの回転によって切削屑が機械的にジャンクスロットから環状流路へと掃き出され、洗浄水によって上方へと排出されます。
軟岩におけるリスクは、インサートの破損ではなく、冷却不足による過熱と、切削屑の流れの悪さによるビットの詰まりです。回転数を上げることで、滞留時間を短縮し、機械的なクリアランスを改善することで、これらの問題を解決できます。ただし、ビットが跳ね上がるほど速く回転させないように注意してください。非常に柔らかく脆い地盤では、特に送り圧力が弱すぎる場合、回転数が高すぎるとビットが地盤に食い込むのではなく、表面を滑ってしまう可能性があります。
ほとんどのトラブルを未然に防ぐ、勤務開始前の点検
穴にビットを入れる前に、2分かけてセットアップを確認してください。
ドリルの打撃周波数と回転速度が、これから掘削するビットの直径と岩石の種類に合わせて設定されていることを確認してください。前の作業者が使っていた設定のままではいけません。昨日の砂岩でうまくいった設定でも、今日の花崗岩ではうまくいかない可能性があります。
ドリルロッドがまっすぐで、ビットがテーパーまたはねじ山に正しく装着されていることを確認してください。ビットがわずかにずれていると、高速回転時にぐらつき、回転数が高くなるにつれてぐらつきがひどくなります。カラー部分で最初はわずかな振動として発生するものが、深部では楕円形の穴になり、インサートの摩耗が不均一になり、ロッド接続部のねじ山の疲労が加速します。
ドリルビットが岩盤に接触する前に、洗浄水がきれいかつ安定して流れていることを確認してください。水路が部分的に詰まった状態で穴あけを開始すると、新しいドリルビットが過熱する最も早い原因となります。
どれも複雑なことではありません。しかし、スムーズに進む掘削プログラムと、予想の2倍の速さで岩盤掘削ビットや掘削ロッドを消耗してしまうプログラムとの違いは、たいていの場合、シフト開始時に誰かがたった2分間を費やしたかどうかに尽きるのです。
