ダウンザホールドリル

ダウンザホールドリルは、専門家のほとんどが通常DTHと呼んでいますが、基本的にはドリルストリングの底部にねじ込まれた削岩機です。高速ハンマーの動作により、硬い岩が小さな切削片と粉塵に砕かれ、流体 (空気、水、掘削泥) によって排出されます。DTH ハンマーは、硬い岩を掘削する最も速い方法の 1 つです。このシステムは、 1950 年代半ばに ベルギーの Stenuick Frèresと米国のIngersoll Randによって独立して発明されたと考えられています。

DTH は「ダウンザホール」の略です。DTH 法はもともと、表面掘削アプリケーションで大口径の穴を下向きに掘削するために開発されたため、その名前は、打撃機構がビットを追って穴に降りていくという事実に由来しています。その後、DTH 法は、掘削方向が一般的に下向きではなく上向きである地下での用途が見つかりました。

DTH掘削では、打撃機構 (一般にハンマーと呼ばれる) がドリル ビットの真上に配置されます。ドリル パイプは、ハンマーを作動させて掘削片を洗い流すために使用される流体 (空気、水、掘削泥) とともに、必要な送り力と回転をハンマーとビットに伝達します。ドリル パイプは、穴が深くなるにつれて、ハンマーの後ろのドリ​​ル ストリングに順次追加されます。

ハンマーは完全に流体作動式です。 ハンマーは、流れを制御するバルブと、ビットに直接リンクされた衝撃面を打つピストンの 2 つの可動部品で構成されています。 ハンマー本体は、ドリル ビットをまっすぐかつ安定して誘導します。

作動流体に応じて、ハンマーには 3 つのタイプがあります。

• エアハンマーはもともと硬い岩石を掘削するために開発されましたが、浅い穴（200m未満）に限られていました。
• ウォーターハンマーは、スウェーデンの会社であるワサラ社によって開発されました。^[1]ハンマーを作動させるには、水の流れ（ハンマーのサイズに応じて55〜744 L/分）が必要です。これにより、性能（掘削孔の制御）が向上し、エアハンマーよりも深く掘削できます。
• 掘削泥で操作するハンマーは現在、フランスのDrillstar Industries社によって開発されている。^[2]このハンマーは、従来の泥の組成を使用して既存のあらゆる掘削リグで掘削できるという利点がある。深く掘削できるため、深部地熱プロジェクトで遭遇する硬い岩を掘削するのに適した技術である。欧州連合（EU）のHorizo​​n 2020プログラムの下で資金提供を受けているORCHYD ^[3]と呼ばれる進行中の研究プロジェクトでは、DTH泥ハンマーと、打撃動作とともに岩に溝を切る高圧水ジェットシステム^[4]を組み合わせた、完全に流体駆動の新しい掘削技術を開発する予定である。これにより、より深い場所で岩を効率的かつ安全に切削できるようになり、地熱探査の作業時間が短縮され、地熱エネルギーを利用するための総コストが削減される。

空気圧工具が岩盤掘削に初めて使用されたのは 1844 年だと考えられています。多くの採石場では、掘削者が採石場の面からロープを垂らして、必要な位置に掘削穴を開ける手持ち式の工具が使用されていました。このシステムでは、直径の小さい穴が使用され、非常に非効率なだけでなく、掘削したボーリング穴の精度が悪く、岩が飛び散るため非常に危険でした。

一部の採石場では、マストに削岩機を搭載した原始的なトップハンマー機を使用していました。比較的直径の大きいドリルビットで動作するドリルロッドの細さにより、掘削孔がずれ、掘削孔が隣の掘削孔に危険なほど接近したり、意図していたよりも採石場の表面に接近したりすることがありました。いずれにしても、正しく位置合わせされていない掘削孔に高性能爆薬を装填すると、岩が意図した場所を超えて飛び出すという極めて危険な事態を招く可能性があります。

大規模な採石場では、トライコーンビットを岩石を砕くのに十分な強さで駆動するために、大きなダウンスラストと高速回転を必要とする大型の回転機械が使用されていました。このシステムは、6インチ（150mm）未満の穴にはうまく使用できず、機械の購入と稼働に非常に高価でした。使用されていた別のシステムは、非常に原始的なケーブルツールマシン（掘削者の間ではバッシュアンドスプラッシュと呼ばれていました）で、重いバーとノミを持ち上げて岩の上に落とし、水を注入してスラリーを作成し、その過程で穴を掘削するものでした。このシステムでは、完成した穴のサイズを保証することはできず、基本的に重力に依存していたため、完全に垂直な穴しか掘削できませんでした。穴からの破片は、クラックバルブ付きの梱包チューブを使用して梱包され、定期的にウインチで落とされてスラリーが捕捉され、穴の上部に運ばれて排出されました。

DTH システムが登場して初めて、他のシステムに関連する多くの問題が克服されました。DTH システムでは、エネルギー源は常にドリル ビットの後ろにあり、ドリル チューブ (またはドリル ストリング) はドリル ビットよりわずかに小さい直径で剛性があり、大量の空気をドリル ストリングに通して DTH ハンマーを作動させ、その後、このハンマーを使用してボーリング ホールを効率的に洗浄します。DTH では、強い下向きの推力や高速回転は不要で、そのため軽量で安価な機械を使用して掘削プロセスを実行できます。また、他のシステムでは 2 人の作業員が必要でしたが、DTH は 1 人の作業員で操作できます。DTH が業界にもたらしたメリットは莫大です。DTH によって、真に整列した真っ直ぐで正確に配置されたクリーンなボーリング ホールが得られ、爆薬を簡単に充填して発破プロセスをうまく制御できるため、岩石をより安全かつ適切に破砕できるため、初めて必要な場所に掘削ホールを配置できるようになりました。エネルギー源が常にドリルビットの真後ろにあるため、性能を落とさずに穴を深く掘ることができました。このシステムは、他のシステムでは不可能だったほぼすべての岩石条件で掘削できました。採石場の面はより安全になり、形状も良くなり、採石場の床は水平になり、積載機器の操作や移動が容易になりました。DTH ハンマーを使用することで、はるかに高い貫通率を達成でき、より小さな穴径での 1 メートルあたりの掘削コストを削減できました。

DTH システムは、多くの採石場が積極的に採用したことで、発破穴業界に完全な革命をもたらしました。やがて、より大規模な DTH システムは、井戸掘りや建設作業などの他の用途にも導入されるようになりました。

DTHシステムは、採石業界に最初にもたらした利点と同じ利点をオペレーターに提供しますが、現在では金の探査、地盤固め、地熱掘削、浅い石油・ガス井、方向性掘削、杭打ちなど、さまざまな用途に使用されています。ドリルビット用のタングステンカーバイドの登場（最初のビットはすべてスチール製でした）とボタンドリルビットの開発、高空気圧（25バール以上）の導入により、DTHシステムは他の掘削システムと容易に効率的に競合できるようになりました。^[5]

DTH ツールは、チリで閉じ込められた鉱夫たちの居場所を特定するために使用され、彼らに食料、水、医薬品を渡し、通信システムを構築して、最終的に彼らの安全な救出につなげることができました。

DTH 製品は次のアプリケーションで使用できます。

• 採鉱 - 露天掘りでの掘削と発破。掘削作業員が複数の穴を掘削し、爆薬を充填して爆発させ、岩を持ち上げて鉱床にアクセスできるようにします。

• RC - 鉱物探査および坑道品位管理（特殊な逆循環ハンマーが必要）
• RAB - 回転式エアブラスト - 従来の DTH ハンマーを使用した鉱物探査

• GW - 地熱ボーリングホールと水井戸

• 石油とガス - 深井戸の掘削孔: 切削揚程と掘削孔の安定性が確保されている限り、エアハンマーを使用できます。より深い井戸の場合、ウォーターハンマーやマッドハンマーなどの新しい DTH 技術を使用して、硬岩の掘削速度を向上させることができます。

• 建設業 -杭打ち、基礎、土留め

• 製造業における深穴掘削