特許 6674848 リーミング掘削方法およびリーミング掘削装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6674848

(24)【登録日】2020年3月11日

(45)【発行日】2020年4月1日

(54)【発明の名称】リーミング掘削方法およびリーミング掘削装置

(51)【国際特許分類】

   E21B 7/28 20060101AFI20200323BHJP

   E21B 44/04 20060101ALI20200323BHJP

【ＦＩ】

   E21B7/28

   E21B44/04

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2016-121564(P2016-121564)

(22)【出願日】2016年6月20日

(65)【公開番号】特開2017-226959(P2017-226959A)

(43)【公開日】2017年12月28日

【審査請求日】2019年5月16日

(73)【特許権者】

【識別番号】000140292

【氏名又は名称】株式会社奥村組

(73)【特許権者】

【識別番号】000168506

【氏名又は名称】鉱研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101971

【弁理士】

【氏名又は名称】大畑 敏朗

(72)【発明者】

【氏名】塚本 耕治

(72)【発明者】

【氏名】川口 昇平

(72)【発明者】

【氏名】木山 隆二郎

【審査官】 石川 信也

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−２９３１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−００２１７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２８７２２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０３３９２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１８４８８５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｅ２１Ｂ １／００−４９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パイロット孔を掘削した後、前記パイロット孔をリーミングビットにより拡径するリーミング掘削方法において、前記リーミングビットを支持する支持部材内に設置されたひずみ計測手段で計測されたひずみ値と予め決められたひずみの管理値との関係に基づいて、前記リーミングビットの掘削条件を前記支持部材が損傷しないように制御することを特徴とするリーミング掘削方法。

【請求項2】

前記ひずみ計測手段で計測されたひずみ値が前記管理値より大きい場合、前記ひずみ計測手段で計測されるひずみ値が前記管理値以下になるように、前記掘削条件としてのスラスト、トルクまたはその両方を制御することを特徴とする請求項１記載のリーミング掘削方法。

【請求項3】

前記ひずみ計測手段により計測されたひずみ値が前記管理値より大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、
前記第１の判定ステップにおいて、前記ひずみ計測手段により計測されたひずみ値が前記管理値より大きい場合、前記リーミングビットに対するスラストを下げるステップと、
を有することを特徴とする請求項１または２記載のリーミング掘削方法。

【請求項4】

前記第１の判定ステップにおいて前記ひずみ計測手段で計測されたひずみ値が前記管理値より小さい場合は、前記リーミングビットに対するトルク値が所定範囲内にあるか否かを判定する第２の判定ステップと、
前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲内にある場合は、前記リーミングビットに対するスラストを維持するステップと、
前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲よりも小さい場合は、前記リーミングビットに対するスラストを上げるステップと、
前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲よりも大きい場合は、前記リーミングビットに対するスラストを下げるステップと、
を有することを特徴とする請求項３記載のリーミング掘削方法。

【請求項5】

前記リーミングビットに対するスラストを下げた後、前記リーミングビットのスラストが予め決められた下限の管理値よりも小さく、かつ、前記リーミングビットのトルク値が予め決められた上限の管理値よりも大きいか否かを判定する第３の判定ステップと、
前記第３の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのスラストが予め決められた下限の管理値よりも小さく、かつ、前記リーミングビットのトルク値が予め決められた上限の管理値よりも大きい場合は、前記前記リーミングビットの回転数を予め決められた回転数の管理値よりも下げるステップと、
を有することを特徴とする請求項３または４記載のリーミング掘削方法。

【請求項6】

地表とその下方の坑道との間の地盤を掘削するリーミングビットと、
前記地表に設置され、前記リーミングビットを駆動する駆動本体と、
前記駆動本体と前記リーミングビットを接続し、前記リーミングビットを支持する支持部材と、
前記支持部材内に設置され、前記支持部材のひずみを計測するひずみ計測手段と、
前記地表側に設置され、前記ひずみ計測手段で得られたひずみ値と予め決められた管理値との関係に基づいて、前記支持部材に過剰な荷重が作用して損傷するか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段に接続され、前記判断手段の指示に基づいて前記支持部材に過剰な荷重が作用していることを知らせる警告手段と、
を備えることを特徴とするリーミング掘削装置。

【請求項7】

前記判断手段は、前記ひずみ計測手段で得られたひずみ値が前記管理値より大きい場合に前記支持部材に損傷が生じると判断し、それを知らせるように前記警告手段に指示することを特徴とする請求項６記載のリーミング掘削装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レイズボーリング工法におけるリーミング掘削方法およびリーミング掘削装置に関し、例えば、リーミング掘削中にリーミングビットを支持する支持部材が過剰な荷重の作用を受け、損傷することを防止する技術に関するものである。

【背景技術】

【0002】

パイロットリーミング掘削工法を代表するレイズボーリング工法では、無人化や遠隔操作が可能で安全性が高い上、他の掘削工法と比べても高速処理が可能であること等から、鉱物採掘のための立坑や導水路用の斜坑あるいはトンネルの換気立坑等、様々な立坑や斜坑を形成するための掘削工事で採用されている。

【0003】

レイズボーリング工法は、例えば、以下のようにする。まず、ドリルユニットを地表に設置した後、そのドリルユニットから下部坑道に向けて、先端にパイロットビットを装着したドリルロッドを回転させながら移動することにより小口径のパイロット孔を掘削する。続いて、下部坑道内においてパイロットビットに代えて大口径のリーミングビットをドリルロッドの先端に取り付けた後、リーミングビットを回転させながら引き上げることでパイロット孔を拡径してリーミング坑を形成する。

【0004】

なお、レイズボーリング工法については、例えば、特許文献１に記載があり、パイロット孔の掘削時に取得した掘削データに基づいて、パイロット孔の周囲の岩盤性状を評価するとともに、その岩盤性状に基づいてリーミング掘削条件を設定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１０−２１７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、レイズボーリング工法を用いた掘削作業では、一旦、掘削作業が始まったら掘削機の修理や交換等を実施し難い場合がある。このため、掘削中に、リーミングビット、ロッドおよび接合部等に、局部荷重、偏荷重あるいは過大なねじり荷重等が作用しないようにすることで掘削機の損傷や破壊を防止し、安定した掘削性能を発揮させることが求められている。

【0007】

しかし、掘削作業を実施する岩盤中には、形成時期や成因の異なる様々な亀裂（割れ目）や空洞あるいは破砕帯等（以下、亀裂等という）が存在しており、その亀裂等が原因で、リーミング掘削中に、例えば、リーミングビットに作用した偏荷重によってリーミングビットを支持するロッドに繰り返し加わった曲げモーメントに起因してロッドが折損し、リーミングビットが落下してしまう問題が発生する場合がある。

【0008】

本発明は、上述の技術的背景からなされたものであって、その目的は、リーミング坑の掘削中にリーミングビットを支持する支持部材が過剰な荷重の作用を受けて損傷し、折損するのを防止することが可能な技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のリーミング掘削方法は、パイロット孔を掘削した後、前記パイロット孔をリーミングビットにより拡径するリーミング掘削方法において、前記リーミングビットを支持する支持部材内に設置されたひずみ計測手段で計測されたひずみ値と予め決められたひずみの管理値との関係に基づいて、前記リーミングビットの掘削条件を前記支持部材が損傷しないように制御することを特徴とする。

【0010】

また、請求項２に記載の本発明は、上記請求項１記載の発明において、前記ひずみ計測手段で計測されたひずみ値が前記管理値より大きい場合、前記ひずみ計測手段で計測されるひずみ値が前記管理値以下になるように、前記掘削条件としてのスラスト、トルクまたはその両方を制御することを特徴とする。

【0011】

また、請求項３に記載の本発明は、上記請求項１または２記載の発明において、前記ひずみ計測手段により計測されたひずみ値が前記管理値より大きいか否かを判定する第１の判定ステップと、前記第１の判定ステップにおいて、前記ひずみ計測手段により計測されたひずみ値が前記管理値より大きい場合、前記リーミングビットに対するスラストを下げるステップと、を有することを特徴とする。

【0012】

また、請求項４に記載の本発明は、上記請求項３記載の発明において、前記第１の判定ステップにおいて前記ひずみ計測手段で計測されたひずみ値が前記管理値より小さい場合は、前記リーミングビットに対するトルク値が所定範囲内にあるか否かを判定する第２の判定ステップと、前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲内にある場合は、前記リーミングビットに対するスラストを維持するステップと、前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲よりも小さい場合は、前記リーミングビットに対するスラストを上げるステップと、前記第２の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのトルク値が、前記所定範囲よりも大きい場合は、前記リーミングビットに対するスラストを下げるステップと、を有することを特徴とする。

【0013】

また、請求項５に記載の本発明は、上記請求項３または４記載の発明において、前記リーミングビットに対するスラストを下げた後、前記リーミングビットのスラストが予め決められた下限の管理値よりも小さく、かつ、前記リーミングビットのトルク値が予め決められた上限の管理値よりも大きいか否かを判定する第３の判定ステップと、前記第３の判定ステップにおいて、前記リーミングビットのスラストが予め決められた下限の管理値よりも小さく、かつ、前記リーミングビットのトルク値が予め決められた上限の管理値よりも大きい場合は、前記前記リーミングビットの回転数を予め決められた回転数の管理値よりも下げるステップと、を有することを特徴とする。

【0014】

また、請求項６に記載の本発明のリーミング掘削装置は、地表とその下方の坑道との間の地盤を掘削するリーミングビットと、前記地表に設置され、前記リーミングビットを駆動する駆動本体と、前記駆動本体と前記リーミングビットを接続し、前記リーミングビットを支持する支持部材と、前記支持部材内に設置され、前記支持部材のひずみを計測するひずみ計測手段と、前記地表側に設置され、前記ひずみ計測手段で得られたひずみ値と予め決められた管理値との関係に基づいて、前記支持部材に過剰な荷重が作用して損傷するか否かを判断する判断手段と、前記判断手段に接続され、前記判断手段の指示に基づいて前記支持部材に過剰な荷重が作用していることを知らせる警告手段と、を備えることを特徴とする。

【0015】

また、請求項７に記載の本発明は、上記請求項６記載の発明において、前記判断手段は、前記ひずみ計測手段で得られたひずみ値が前記管理値より大きい場合に前記支持部材に損傷が生じると判断し、それを知らせるように前記警告手段に指示することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、リーミング坑の掘削中にリーミングビットを支持する支持部材が損傷するのを防止することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の一実施の形態に係るリーミングマシンの一例の概略構成図である。

【図2】図１のリーミングマシンのドリルユニットの一例の正面図である。

【図3】図１のリーミングマシンのリーミングビットの一例の側面図である。

【図4】図３のリーミングビットの上面（掘削面）の平面図である。

【図5】（ａ）はひずみゲージの配置位置の一例を示したリーミングビットおよび支持部材の側面図、（ｂ）はひずみゲージの設置位置の一例を透過して示した支持部材の拡大斜視図である。

【図6】ひずみゲージの電気的な接続関係の一例の構成図である。

【図7】ひずみ計測システムの一例の構成図である。

【図8】本発明の一実施の形態に係るリーミング掘削方法の一例のフロー図である。

【図9】（ａ）はリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図、（ｂ）は図９（ａ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図である。

【図10】図９（ｂ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図、（ｂ）は図１０（ａ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図である。

【図11】図１０（ｂ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図、（ｂ）は図１１（ａ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図である。

【図12】図１１（ｂ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図、（ｂ）は図１２（ａ）に続くリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図である。

【図13】図１２（ａ），（ｂ）のリーミング坑の掘削工法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の一例としての実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【0019】

まず、本実施の形態に係るリーミングマシンの構成例について図１〜図４を参照して説明する。なお、図１は本実施の形態に係るリーミングマシンの一例の概略構成図、図２は図１のリーミングマシンのドリルユニットの一例の正面図、図３は図１のリーミングマシンのリーミングビットの一例の側面図、図４は図３のリーミングビットの上面（掘削面）の平面図である。

【0020】

図１に示す本実施の形態のリーミングマシン１は、例えば、地盤Ｇに形成された下部横坑道ＬＨと地表Ｓとを繋ぐリーミング坑Ｈの掘削に用いるリーミング掘削装置であり、ドリルユニット（駆動本体）２と、リーミングビット３と、支持部材４とを備えている。なお、ここでは説明を簡単にするため坑Ｈとして立坑を例示しているが、これに限定されるものではなく、斜坑の掘削に適用することもできる。また、図１の矢印Ａ１はリーミングビット３による掘削方向を示している。

【0021】

リーミングマシン１のドリルユニット２は、リーミングビット３を上下方向（軸方向）および回転方向に駆動する駆動本体である。図２に示すように、ドリルユニット２のベース２ａ上には、一対のスラストシリンダ２ｂ，２ｂが設置されている。この一対のスラストシリンダ２ｂ，２ｂの各々のピストンロッド２ｃ，２ｃにはドリルヘッド２ｄがガイドロッド（図示せず）を介して機械的に接続されており、スラストシリンダ２ｂ，２ｂの作動のよりピストンロッド２ｃ，２ｃが上下動すると、ドリルヘッド２ｄも昇降するようになっている。また、ドリルヘッド２ｄの上部には、油圧モータ２ｅが設置されている。この油圧モータ２ｅには、スピンドル２ｆを介して支持部材４を構成するドリルロッド４ｒが軸を中心に正逆方向に回転可能な状態で接続されている。

【0022】

リーミングマシン１のリーミングビット３は、地盤Ｇを掘削するための掘削部材であり、図３および図４に示すように、下部横坑道ＬＨ内で組立可能なように複数の部分（ボトムセグメント３ａ、ベースヘッド３ｂ、複数のサイドセグメント３ｃおよび複数のサポート部材３ｄ等）が分解可能な状態で接続されることで構成されている。なお、特に限定されるものではないが、リーミングビット３の直径Ｒ（図４参照）は、例えば、４７５０ｍｍ、総重量は、例えば、３５トンである。

【0023】

リーミングビット３のボトムセグメント３ａの上面には、ベースヘッド３ｂが着脱可能な状態で設置されている。このベースヘッド３ｂの上面（地盤Ｇに対向する面、掘削面）には、例えば、チップインサート型の複数のローラカッタ３ｅが回転可能な状態で設置されている。また、ベースヘッド３ｂの上面中心位置には、支持部材４を構成するメインステム４ｍがベースヘッド３ｂの上面から上方に向かって突出した状態で固定されている。特に限定されるものではないが、メインステム４ｍの直径は、例えば、３６０ｍｍ、メインステム４ｍの突出長さは、例えば、２８００ｍｍ、メインステム４ｍの雄ねじ部４ｍｎの直径は、例えば、３００ｍｍである。

【0024】

また、ボトムセグメント３ａの側面には、複数個のサイドセグメント３ｃが着脱可能な状態で設置されている。各サイドセグメント３ｃは、図４に示すように、ベースヘッド３ｂの外周から外方に向かって突出した状態で設置されており、各サイドセグメント３ｃの隣接間に設置されたサポート部材３ｄによって補強されている。この各サイドセグメント３ｃの上面（地盤Ｇに対向する面、掘削面）にも、複数のローラカッタ３ｅが回転可能な状態で設置されている。さらに、サイドセグメント３ｃの先端側面には、補強板３ｆが設置されている。この補強板３ｆを設けることにより、ローラカッタ３ｅと坑壁との接触抵抗を低減することができる。

【0025】

リーミングマシン１の支持部材４は、ドリルユニット２とリーミングビット３とを接続しリーミングビット３を回転可能な状態で支持する部材であり、図１に示すように、ドリルユニット２から下方に向かって順に、複数のドリルロッド４ｒと、複数のスタビライザ４ｓと、メインステム４ｍとを備えている。

【0026】

ドリルロッド４ｒは、例えば、円筒形状の特殊鋼材により形成されている。各ドリルロッド４ｒは、下側のドリルロッド４ｒの上端一部が、上側のドリルロッド４ｒの下端面の凹部に嵌め込まれた状態で互いに機械的に直列に接続されている。特に限定されるものではないが、ドリルロッド４ｒの直径は、例えば、３５０ｍｍ、長さは、例えば、１５００ｍｍ、重さは、例えば、６３５ｋｇである。

【0027】

スタビライザ４ｓは、例えば、掘削時の孔の直進性を向上させる（孔曲がりを抑制または防止する）とともに、泥水の循環を促進させる部材であり、例えば、円筒形状の特殊鋼材により形成されている。スタビライザ４ｓとしては、例えば、スパイラルスタビライザが使用されている。すなわち、スタビライザ４ｓの外周にはその周方向に沿って所定の間隔毎に、スタビライザ４ｓの長手方向に向かって若干傾斜した状態で延びる最小限の溝が彫り込まれている。なお、スパイラルスタビライザに代えてストレートスタビライザ（すなわち、スタビライザ４ｓの外周に沿って所定間隔毎にスタビライザ４ｓの長手方向に直線上に延びる複数の凸部を持つスタビライザ）を使用しても良い。

【0028】

各スタビライザ４ｓは、下側のスタビライザ４ｓの上端一部が、上側のスタビライザ４ｓの下端面の凹部に嵌め込まれた状態で互いに機械的に直列に接続されている。また、スタビライザ４ｓとドリルロッド４ｒとの接続構成やスタビライザ４ｓとメインステム４ｍｓとの接続構成は、ドリルロッド４ｒ同士の接続構成と同じである。特に限定されるものではないが、スタビライザ４ｓの個数は、例えば、１０本、直径は、ドリルロッド４ｒより大きく、例えば、４００ｍｍ、長さは、例えば、１５００ｍｍ、重さは、ドリルロッド４ｒよりも重い。

【0029】

ところで、リーミング坑の掘削中にリーミングビット３が左右に振動して不安定な挙動をすると、それに応じてリーミングビット３に近い支持部材４（ドリルロッド４ｒ、スタビライザ４ｓ、メインステム４ｍ）のひずみも変動する。そこで、本実施の形態においては、そのひずみに基づいてリーミングビット３の挙動を監視し、掘削中のリーミングマシン１の運転管理に反映させるようにした。

【0030】

以下、上記ひずみの監視およびリーミングマシン１の運転管理に関する構成について図５〜図７を参照して説明する。なお、図５（ａ）はひずみゲージの配置位置の一例を示したリーミングビットおよび支持部材の側面図、図５（ｂ）はひずみゲージの設置位置の一例を透過して示した支持部材の拡大斜視図、図６はひずみゲージの電気的な接続関係の一例の構成図、図７はひずみ計測システムの一例の構成図である。

【0031】

本実施の形態のリーミングマシン１においては、図５（ａ）に示すように、例えば、リーミングビット３に接続されたメインステム４ｍの雄ねじ部４ｍｎの中空内壁面に、図５（ｂ）に示すように、複数個のひずみゲージＳＧが設置されている。各ひずみゲージＳＧは、リーミング坑の掘削中にメインステム４ｍで発生したひずみを検出（すなわち、ひずみゲージＳＧの変形による電気抵抗の変化をひずみ量として検出）するセンサであり、例えば、メインステム４ｍの雄ねじ部４ｍｎの上面から軸方向に長さＤ１（１００ｍｍ）だけ離れた位置であって、雄ねじ部４ｍｎの内周に沿って９０度ずつずれた位置に左右対称に配置されている。なお、ひずみゲージＳＧの配置数や配置位置は、上記したものに限定されるものではなく種々変更可能であり、例えば、ひずみゲージＳＧの配置数は、１個でも良いし、５個以上でも良い。

【0032】

各ひずみゲージＳＧは、図６に示すように、計測ケーブルＬＡを通じてリーミングビット３の収納ボックス（図示せず）内に収容された計測機器１０と電気的に接続されている。すなわち、ひずみゲージＳＧで検出された検出信号（電気信号）は、矢印Ａ２で示すように計測ケーブルＬＡを通じてリーミングビット３に設置された計測機器１０に伝送されるようになっている。

【0033】

計測機器１０は、ひずみゲージＳＧで検出された微弱な検出信号（電気信号）をアンプで増幅したのち、通信プロトコルにより地表に伝送する機器であり、伝送ケーブルＬＢを通じて地表の電気回路と電気的に接続されている。すなわち、計測機器１０は、伝送ケーブルＬＢ中の信号伝送用ケーブルを通じて地表の情報処理回路１１（図７参照）と電気的に接続されている。また、計測機器１０は、伝送ケーブルＬＢ中の電源供給用ケーブルを通じて地表の電源回路１２（図７参照）と電気的に接続されている。なお、図６の矢印Ａ３は検出信号（電気信号）の伝送方向、矢印Ａ４は電源の供給方向を示している。

【0034】

このような計測機器１０は、図７に示すように、例えば、増幅回路１０ａ（アンプ）と、入力装置１０ｂと、ＡＣ／ＤＣ電源回路１０ｃと、加速度センサＡＭとを備えている。ひずみゲージＳＧで検出された検出信号（電気信号）は、計測ケーブルＬＡを通じて増幅回路１０ａに伝送され、ここで増幅されてから入力装置１０ｂに入力される。加速度センサＡＭは、リーミング坑の掘削時にリーミングビット３の振動を計測するセンサであり、リーミングビット３の底部側に設置されている。加速度センサＡＭで検出された検出信号（電気信号）は、入力装置１０ｂに入力される。

【0035】

入力装置１０ｂは、入力された検出信号を通信プロトコルにより地表の情報処理回路（判断手段）１１に伝送する装置であり、入力装置１０ｂの出力端子は、伝送ケーブルＬＢ中の信号伝達用ケーブルおよび地表のスリップリングＳＲを順に介して地表の情報処理回路１１のＰＬＣ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）インターフェイス回路１１ＰＡに電気的に接続されている。

【0036】

ＰＬＣインターフェイス回路１１ＰＡの出力端子は、ＰＬＣ回路１１ＣＡの入力端子に電気的に接続されている。また、ＰＬＣ回路１１ＣＡの出力端子は、計測用パーソナルコンピュータ（以下、単に計測用パソコンという）１１ＰＣの入力端子に電気的に接続されている。そして、ＰＬＣインターフェイス回路１１ＰＡに伝送されたひずみの検出信号は、ＰＬＣ回路１１ＣＡに伝送され、ここで演算処理がなされた後、計測用パソコン１１ＰＣに伝送される。これにより、リーミングビット３のメインステム４ｍで発生したひずみをリアルタイム（例えば、サンプリング周波数を５０Ｈｚ）で計測することが可能になっている。ひずみの計測データは、計測用パソコン１１ＰＣに電気的に接続されたメモリ１１Ｍに記録される他、計測用パソコン１１ＰＣに電気的に接続されたディスプレイ１１Ｄに、数値、グラフまたは画像等として表示される。

【0037】

そして、情報処理回路１１は、ひずみゲージＳＧにより得られたひずみ値と、予め決められたひずみの標準の管理値との関係に基づいて、リーミング坑Ｈの掘削中に支持部材４が損傷すると判断した場合（すなわち、ひずみゲージＳＧにより得られたひずみ値が、ひずみの標準の管理値よりも大きい場合）は、それを地上の作業者に知らせるように警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等のような警告手段に指示するようになっている。そこで、警報および警告画像を確認した作業者は、そのひずみ値が標準の管理値以下になるように、リーミングビット３の掘削条件であるスラスト、トルクまたはその両方をリーミングマシン１の操作で制御する。これにより、リーミング坑Ｈの掘削中にリーミングビット３を支持する支持部材４が損傷するのを防止することができる。特に、本実施の形態においては、損傷が生じ易い支持部材４にひずみゲージＳＧを配置し、そのひずみゲージＳＧから得られた情報に基づいてリーミングビット３の掘削条件を制御するので、支持部材４の損傷を防止する上で、より的確な制御を実施することができる。したがって、リーミングマシン１において安定した掘削性能を発揮させることができる。なお、ひずみの標準の管理値は、情報処理回路１１のメモリ１１Ｍに予め記録されている。

【0038】

また、ドリルユニット２には、各種のセンサ（図示せず）が設置されている。この各種のセンサには、例えば、スラストシリンダ２ｂ（図２参照）のスラスト圧力（押し込み圧力および引き抜き圧力）を検出するセンサ、ドリルヘッド２ｄ（図２参照）の変位を検出するセンサ、ドリルロッド４ｒの回転数（すなわち、リーミングビット３の回転数）を検出するセンサ、油圧モータ２ｅ（図２参照）の圧力（正転および逆転の圧力）を検出するセンサ等がある。この各種のセンサで検出された検出信号（電気信号）は、情報処理回路１１のＰＬＣインターフェイス回路１１ＰＢを介してＰＬＣ回路１１ＣＢに伝送され、演算処理がなされた後、共通の計測用パソコン１１ＰＣに伝送される。これにより、リーミングビット３の回転速度、回転数、トルク、スラスト、掘削深度、掘削速度およびビット荷重等のような各種の掘削データをリアルタイムで計測することが可能になっている。これらの掘削データも、計測用パソコン１１ＰＣを通じて上記メモリ１１Ｍに記録される他、上記ディスプレイ１１Ｄに、数値、グラフまたは画像等として表示される。

【0039】

一方、地表の電源回路１２は、例えば、交流の１００Ｖの電源電圧を供給する回路であり、スリップリングＳＲおよび伝送ケーブルＬＢ中の電源供給用ケーブルを順に介して、地中のリーミングビット３の計測機器１０のＡＣ／ＤＣ電源回路１０ｃに電気的に接続されている。ＡＣ／ＤＣ電源回路１０ｃは、地表から供給された交流電源を直流電源（例えば、２４Ｖ）に変換して、増幅回路１０ａ、入力装置１０ｂおよび加速度センサＡＭに供給する電源回路である。

【0040】

なお、スリップリングＳＲは、回転体と静止体との間で電力や電気信号を伝送可能とする伝送経路形成用の回転電極である。また、信号伝送用および電源供給用の伝送ケーブルＬＢは、支持部材４の接続箇所（ドリルロッド４ｒ同士の接続箇所、ドリルロッド４ｒとスタビライザ４ｓとの接続箇所、スタビライザ４ｓ同士の接続箇所、スタビライザ４ｓとメインステム４ｍとの接続箇所）毎にコネクタＣによって電気的に接続されている。

【0041】

次に、本実施の形態のリーミング掘削方法の一例について図８のフロー図に沿って図９〜図１２のリーミング掘削工程中のリーミングマシンを側面から見た説明図を参照して説明する。なお、実際の掘削作業は、例えば、石灰岩の採掘のために傾斜角７５°の斜坑を掘削したが、図９〜図１２では説明を簡単にするため立坑を例示している。また、掘削工法としては、無人化や遠隔操作が可能で安全性が高い上、他の掘削工法と比べて高速処理が可能であること等からリーミング掘削工法を代表するレイズボーリング工法を採用した。また、掘削距離が、例えば、４７０ｍと長距離であることから、リーミングマシン１としては、例えば、多くの実績があり、最大トルク５３８ｋＮ−ｍ、最大スラスト５３５０ｋＮの性能を持つＢＭ−６００（鉱研工業）を基本として用いた。

【0042】

まず、掘削位置から数ｍ離れた位置において抗と平行にボーリング調査を行った（図８の工程１００）後、坑口に防護材を注入して地表部の改良を図る（図８の工程１０１）。続いて、地表Ｓにピットを掘削し（図８の工程１０２）、ピットコンクリート打設を行った（図８の工程１０３）後、その上に、図９（ａ）に示すように、ドリルユニット２を設置する（図８の工程１０４）。

【0043】

次いで、図９（ｂ）に示すように、先端にパイロットビット１５を取り付けたドリルロッド４ｒを回転させながら地表Ｓのドリルユニット２から下部横坑道ＬＨに向かって（矢印Ａ５の方向に）移動することでパイロット孔１６ａを掘削する（図８の工程１０５）。ドリルロッド４ｒおよびパイロット孔１６ａの直径は、例えば、３５０ｍｍである。

【0044】

続いて、図１０（ａ）に示すように、パイロットビット１５が下部横坑道ＬＨに達したらドリルロッド４ｒの回転を止めて、パイロットビット１５を取り外し、代わりに図１０（ｂ）に示すように、下部横坑道ＬＨ内においてスタビライザ４ｓの先端にパイロットビット１５よりも大径の拡径ビット１７を取り付ける。その後、ドリルロッド４ｒを回転させながら地表Ｓに向かって引き上げることでパイロット孔１６ａよりも大径の拡径孔１６ｂを形成する（図８の工程１０６）。拡径ビット１７および拡径孔１６ｂの直径は、例えば、４００ｍｍである。

【0045】

次いで、図１１（ａ）に示すように、拡径孔１６ｂの形成後、ドリルロッド４ｒの先端にそれよりも大径のスタビライザ４ｓを接続し、下部横坑道ＬＨまで挿入する（図８の工程１０７）。このスタビライザ４ｓは、リーミング坑の掘削中に支持部材４が損傷するのを防止する観点からパイロット孔１６ａの形成時に用いたスタビライザ４ｓよりも大径のものを使用しており、その直径は、例えば、４００ｍｍである。続いて、図１１（ｂ）に示すように、下部横坑道ＬＨ内において、リーミングビット３を組み立ててスタビライザ４ｓの先端に接続する（図８の工程１０８）。

【0046】

続いて、図１２（ａ）に示すように。リーミングビット３を回転させながら矢印Ａ１に示すように地表Ｓに向かって引き上げることにより、図１２（ｂ）に示すように、拡径孔１６ｂよりも大径のリーミング坑Ｈを形成する（図８の工程１０９）。リーミングビット３およびリーミング坑Ｈの直径は、例えば、４７５０ｍｍである。

【0047】

その後、ドリルユニット２を解体して搬出した（図８の工程１１０）後、地表Ｓに門型クレーン（図示せず）等を組み立てて（図８の工程１１１）、その門型クレーンによりリーミングビット３をリーミング坑Ｈから取り出し（図８の工程１１２）、リーミングビット３を解体して搬出する（図８の工程１１３）。

【0048】

次に、図１２（ａ），（ｂ）に示したリーミング坑掘削時におけるリーミングビットの動作制御の一例について図１３のリーミング坑の掘削工法のフロー図に沿って説明する。

【0049】

まず、リーミング坑Ｈの掘削を開始する（図１３のステップ１０９ａ）。なお、掘削開始時においては、リーミングビット３の回転速度、回転数、トルク、スラスト、掘削深度、掘削速度およびビット荷重等の掘削条件をそれぞれの標準の管理値に設定する。なお、この各種の掘削条件の標準の管理値は、情報処理回路１１のメモリ１１Ｍ（図７参照）に予め記録されている。

【0050】

続いて、ステップ１０９ｂでは、リーミング坑Ｈの掘削が終了か否かを判断する。終了の場合は、リーミングビット３を解体して搬出する（図１３の工程１１３）。一方、終了でない場合は、ステップ１０９ｃに進む。

【0051】

ステップ１０９ｃにおいては、リーミング坑Ｈの掘削中のリーミングビット３のメインステム４ｍに設置された複数のひずみゲージＳＧから伝送されたひずみ値が、ひずみの標準の管理値より大きいか否かを判断する。

【0052】

ここで、複数のひずみゲージＳＧのうちの１つでも管理値より大きい場合は、リーミングビット３の支持部材４（特に、メインステム４ｍの雄ねじ部４ｍｎ）で損傷が発生する虞があるので、それを警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等によって地上の作業者に知らせる。そこで、作業者はリーミングマシン１の操作によりリーミングビット３に対するスラストを下げる（図１３のステップ１０９ｄ）。これにより、リーミング坑Ｈの掘削中にリーミングビット３を支持する支持部材４が損傷するのを防止することができる。特に、本実施の形態においては、損傷が生じ易い支持部材４にひずみゲージＳＧを配置し、そのひずみゲージＳＧから得られた情報に基づいてリーミングビット３の掘削条件を制御するので、支持部材４の損傷を防止する上で、より的確な制御を実施することができる。したがって、リーミングマシン１において安定した掘削性能を発揮させることができる。特に限定されるものではないが、ひずみの標準の管理値は、例えば、１００μである。

【0053】

一方、ステップ１０９ｃにおいて、複数のひずみゲージＳＧのいずれで検出されたひずみ値も標準の管理値以下である場合は、現状においてはリーミングビット３の支持部材４（特に、メインステム４ｍの雄ねじ部４ｍｎ）で損傷が発生しないと判断されるので、ステップ１０９ｅに進む。

【0054】

ステップ１０９ｅにおいては、ドリルユニット２のセンサで検出されたトルクの情報に基づいて、リーミング坑Ｈの掘削中におけるリーミングビット３のトルク値が、例えば、１００ｋＮ・ｍより小さいか、１００〜２００ｋＮ・ｍの範囲か、または、２００ｋＮ・ｍより大きいかを判断する。

【0055】

ここで、トルク値が、１００ｋＮ・ｍより小さい場合は、トルクが小さ過ぎて充分な掘削ができないと判断されるので、それを警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等によって地上の作業者に知らせる。そこで、作業者はリーミングマシン１の操作によりリーミングビット３に対するスラストを上げる（図１３のステップ１０９ｆ）。

【0056】

また、トルク値が、１００〜２００ｋＮ・ｍの場合は、特に問題がないので、リーミングビット３に対するスラストを維持する（図１３のステップ１０９ｇ）。この場合は、ディスプレイ１１Ｄ等に問題ない旨を表示しても良いし、しなくても良い。

【0057】

さらに、トルク値が、２００ｋＮ・ｍより大きい場合は、トルクが大き過ぎて油圧モータ２ｅ（図２参照）が故障する虞があるので、それを警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等によって地上の作業者に知らせる。そこで、作業者はリーミングマシン１の操作によりリーミングビット３に対するスラストを下げる（図１３のステップ１０９ｄ）。これにより、油圧モータ２ｅの故障を防止することができる。

【0058】

続いて、ステップ１０９ｈにおいては、ドリルユニット２のセンサで検出されたスラスト値が１０００ｋＮより小さく、かつ、ドリルユニット２のセンサで検出されたトルク値が２００ｋＮ・ｍより大きいか否かを判断する。

【0059】

ここで、ステップ１０９ｆを経た場合は、トルクが２００を越えないようにスラストを上げるので、リーミング坑の掘削のステップ１０９ａに戻る。また、ステップ１０９ｇを経た場合も、スラストが維持され、トルクも２００ｋＮ・ｍを越えないように制御されるので、リーミング坑Ｈの掘削のステップ１０９ａに戻る。これらの場合は、ディスプレイ１１Ｄ等に問題ない旨を表示しても良いし、しなくても良い。

【0060】

一方、ステップ１０９ｄを経た場合も、ステップ１０９ｈにおいて、スラスト値が１０００ｋＮより小さく、かつ、トルク値が２００ｋＮ・ｍより大きくならない場合は、リーミング坑Ｈの掘削のステップ１０９ａに戻る。上記と同様に、その場合はディスプレイ１１Ｄ等に問題ない旨を表示しても良いし、しなくても良い。

【0061】

しかし、ステップ１０９ｄを経た場合で、ステップ１０９ｈに示した条件に合う場合は、トルクが大きすぎて油圧モータ２ｅ（図２参照）が故障する虞があるので、それを警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等によって知らせる。そこで、作業者はリーミングマシン１の操作によりリーミングビット３の回転数を下げる（ステップ１０９ｉ）。これにより、油圧モータ２ｅの故障を防止することができる。

【0062】

その後、ステップ１０９ｊにおいては、ドリルユニット２のセンサで検出されたリーミングビット３の回転数が１．５ｒｐｍよりも小さいか否かを判断する。ここで、リーミングビット３の回転数が１．５ｒｍｐ以上の場合は、リーミング坑の掘削のステップ１０９ａに戻る。上記と同様に、その場合はディスプレイ１１Ｄ等に問題ない旨を表示しても良いし、しなくても良い。

【0063】

一方、ステップ１０９ｊにおいて、リーミングビット３の回転数が１．５ｒｍｐより小さい場合は、回転数が遅すぎるので、それを警報器１１Ｓおよびディスプレイ１１Ｄ等によって地上の作業者に知らせる。この場合、作業者はリーミングマシン１の操作により、リーミング坑Ｈの掘削作業を中断する（図１３のステップ１０９ｋ）。

【0064】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって、開示された技術に限定されるものではない。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈されるべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲の要旨を逸脱しない限りにおけるすべての変更が含まれる。

【0065】

例えば、前記実施の形態においては、ひずみゲージを通じて得られたひずみ値が管理値よりも大きい場合に、リーミングビットの掘削条件（スラスト、トルクまたはその両方）を手動で制御する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ひずみゲージを通じて得られたひずみ値が管理値よりも大きい場合に、情報処理回路１１によってリーミングビットの掘削条件を自動で制御することもできる。また、リーミングビット３のトルクが大きすぎる場合や小さすぎる場合も、それらを回避するように情報処理回路１１によってリーミングビット３の掘削条件を自動で制御することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0066】

前記実施の形態においては、リーミング掘削技術を石灰岩の採掘用の斜坑における掘削工事に適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく種々適用可能であり、例えば、導水路用の斜坑やトンネルの換気立坑等、様々な立坑や斜坑を形成するための掘削工事に適用可能である。

【符号の説明】

【0067】

１ リーミングマシン
２ ドリルユニット
２ａ ベース
２ｂ スラストシリンダ
２ｃ ピストンロッド
２ｄ ドリルヘッド
２ｅ 油圧モータ
２ｆ スピンドル
３ リーミングビット
３ａ ボトムセグメント
３ｂ ベースヘッド
３ｃ サイドセグメント
３ｄ サポート部材
３ｅ ローラカッタ
３ｆ 補強板
４ 支持部材
４ｒ ドリルロッド
４ｓ スタビライザ
４ｍ メインステム
４ｍｎ 雄ねじ部
１０ 計測機器
１０ａ 増幅回路
１０ｂ 入力装置
１０ｃ ＡＣ／ＤＣ電源回路
１１ 情報処理回路
１１ＰＡ，１１ＰＢ ＰＬＣインターフェイス回路
１１ＣＡ，１１ＣＢ ＰＬＣ回路
１１ＰＣ 計測用パーソナルコンピュータ
１２ 電源回路
１５ パイロットビット
１６ａ パイロット孔
１６ｂ 拡径孔
Ｈ リーミング坑
Ｇ 地盤
Ｓ 地表
ＬＨ 下部横坑道
ＳＧ ひずみゲージ
ＬＡ 計測ケーブル
ＬＢ 伝送ケーブル
ＡＭ 加速度センサ
Ｃ コネクタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】