KR101448294B1 - 방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치. - Google Patents

Abstract

본 발명의 방향제어가 가능한 수평천공장치를 이용한 천공방법은 천공기의 차체에 설치된 리더를 따라 이동되는 헤드부의 구동축에 연결된 로드와 상기 로드에 설치되는 코어드릴을 이용하여 수평방향으로 천공하는 제1천공단계와, 상기 제 1천공단계에 의한 천공 시 샘플코어가 필요한 영역에서 샘플코어를 채취 작업을 수행하는 샘플링단계와, 상기 제 1천공단계에서 천공작업과 병행하여 샘플링코어 작업이 이루어진 후 방향 전환이 필요한 천공영역에 몰타르를 주입하여 그라우팅 하는 그라우팅 단계와, 상기 헤드부에 연결된 로드의 단부에 천공 시 진행방향을 변환시키는 머드모터를 장착하여 상기 제 1천공단계에 의해 천공된 천공방향에 대해 소정의 각도로 천공방향을 변환시키며 천공작업을 수행하는 천공방향 변환단계와, 상기 천공방향변환단계가 이루어진 후 천공작업을 위한 상기 로드의 단부로부터 머드모터를 분리하고 코어드릴를 장착하여 천공작업을 수행하는 제 2천공단계를 포함한다.

Description

방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치.{direction controllable boring method and apparatus for boring}

본 발명은 수평천공장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 지질조사, 터널공사의 시공을 위해 직선구간 및 곡선의 시추 및 시료를 샘플링 할 수 있는 방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 지층시료 채취방법으로서는 스핀들 타입의 볼링머신을 사용하여 단일코어튜브, 이중코어튜브 등의 와이어라인 코어바렐을 사용하여 지층이 코어샘플링을 하고 있다.

이러한 코어의 샘플링 방법은 수직천공의 경우, 천공작업을 위한 장비의 하중이 수직으로 작용하므로 샘플링 속도 및 직진성을 확보할 수 있다. 그러나 터널과 같은 공사 등을 위해 수평방향으로 코어샘풀을 채취하고자 하는 경우, 천공유닛 및 코어샘플을 위한 장비, 지반등의 영향으로 인하여 직진성의 확보가 용이하지 않다. 또한 지질조사에서는 지층의 경사와 그 방위를 측정할 필요가 있다.

용수, 일수, 붕락층 등의 국부적인 굴삭장해가 발생한 경우 시멘트를 주입하여 지반개량공사가 필요하다. 봉입물의 달라붙기나 붕괴 등의 구멍 내 사고가 발생할 때에는 구멍 아래에서 회복작업을 하지 않으면 안되는데, 이 경우 직진성을 가지는 천공장치로서의 샘플링 작업 및 천공작업이 상대적으로 어렵다.

한편, 대한민국 등록특허 0213859호에는 로우터리 파카숀 드릴을 이용한 수평굴삭에서 굴삭유체의 송입압력을 이용하여 와이어라인 샘플러의 삽입을 가능하게 한 와이어라인 샘플링장치가 게시되어 있다.

그리고 일본공개특허 평05-25998호(1993.02.02)에는 굴삭기의 방향제어방법 및 장치가 게시되어 있다. 게시된 방법 및 장치는 헤드부 및 후부에 굴곡 가능하게 연결된 테일부를 구비한 실드 본체를 이용한 것으로, 구축하여야 할 터미널의 계획선과 같은 기준선에 따라서 지향되는 광선을 이용하여 굴삭기의 전진방향을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

그러나 이러한 종래의 굴삭기의 방향제어방법은 기준선을 따라 지향되는 광선을 이용하여 방향제어가 가능하나 지반이 연약하여 무너지는 경우 굴삭작업을 원활하게 수행할 수 없다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 직선구간과, 이 직선구간으로부터 소정의 각도 방향으로의 천공작업과 샘플링 작업이 가능한 수평천공방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 연약지반에서 방향성 시추가 가능하며, 천공작업이 이루어지는 전 구간에서 샘플링 작업이 가능하고 방향제어가 가능하며, 천공홀의 확공을 통한 자유면 확보 시 발파로 터널 굴진속도를 향상시킬 수 있는 수평천공방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방향제어가 가능한 수평천공방법 은 천공기의 차체에 설치된 리더를 따라 이동되는 헤드부의 구동축에 연결된 로드와 상기 로드에 설치되는 코어드릴을 이용하여 수평방향으로 천공하는 제1천공단계와,

상기 제 1천공단계에 의한 천공 시 샘플코어가 필요한 영역에서 샘플코어를 채취 작업을 수행하는 샘플링단계와,

상기 제 1천공단계에서 천공작업과 병행하여 샘플링코어 작업이 이루어진 후 방향 전환이 필요한 위한 천공영역에 몰타르를 주입하여 그라우팅 하는 그라우팅 단계와,

상기 헤드부에 연결된 로드의 단부에 천공 시 진행방향을 변환시키는 머드모터를 장착하여 상기 제 1천공단계에 의해 천공된 천공방향에 대해 소정의 각도로 천공방향을 변환시키며 천공작업을 수행하는 천공방향 변환단계와,

상기 천공방향변환단계가 이루어진 후 천공작업을 위한 상기 로드의 단부부터 머드모터를 분리하고 코어드릴를 장착하여 천공작업을 수행하는 제 2천공단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

대안으로 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수평천공장치는 천공기 차체와, 상기 천공기차체에 샘플링 또는 작업공의 천공각도 변환가능하게 설치되는 리더와,

상기 리더를 따라 슬라이딩 가능하게 설치되며 유압모터에 의해 회전되는 구동축을 가지는 헤드부와, 상기 헤드부의 구동축과 결합되어 구동되며 상호 연결된 로드의 단부에 설치되는 코어드릴과,

상기 로드의 단부에 설치되며 코어드릴과 교체되어 천공방향을 변환시키면서 천공작업을 수행하는 머드모터를 구비한 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 머드모터(mud motor, down hole motor)는 천공중인 홀의 직진 방향에 대해 천공방향을 소정의 각도로 변환시키는 것으로, 메인하우징과 각도조절유닛에 의해 연결되는 베어링하우징을 구비하며, 상기 메인하우징에는 로드를 통하여 공급되는 수압에 의해 동력을 발생시키는 동력발생유닛과 상기 메인하우징에 설치되어 동력발생유닛에 의해 회전되는 비트유닛을 구비한다.

본 발명에 따른 수평천공방법 및 그 장치는 지질검사, 터널공사 등을 위한 수평방향 및 수평방향에 대해 소정의 각도방향( 또는 곡선방향)으로의 천공 및 샘풀코어채취가 가능하다. 이는 직선 및 곡선방향으로의 시추를 수행할 수 있으므로 공사를 위한 샘플코어채취에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 발파공, 심빼기공의 시공이 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 수평천공장치의 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 수평천공장치를 나타내 보인 평면도,
도 3은 도 2에 도시된 수평천공장치의 우측면도,
도 4는 머드모터를 발췌하여 도시한 단면도,
도 5는 머드모터의 단부에 드릴유닛이 설치된 상태를 나타내 보인 측면도,
도 6 내지 도 8은 수평천공장치를 이용하여 방향전환이 가능한 천공방법을 나타내 보인 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 방향제어가 가능한 수평천공방법을 나타내 보인 블록도.

본 발명은 방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치에 관한 것으로, 수평방향과 이 수평방향에 대해 임의각도방향으로 천공 및 샘플코어채취가 가능한 것으로, 그 일 실시예를 도 1 내지 도 5에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 방향제어가 가능한 수평천공장치(10)는 천공기의 본체(11)와 천공기의 본체(11)에 일측이 힌지연결되는 리더(12)와, 상기 리더(12)와 천공기의 본체(11)의 사이에 설치되어 상기 본체(11)에 대해 리더(12)의 각도를 조정하는 액튜에이터인 실린더(13)를 구비한다. 그리고 상기 리드(12)에는 이를 따라 슬라이딩되는 헤드부(20)가 설치된다.

상기 본체(11)는 유압모터를 구동시키기 위한 엔진, 유압펌프, 컨트롤 밸브 등이 설치될 수 있으며, 이동을 위한 별도의 구동수단이 설치될 수 있다. 그리고 상기 헤드부(20)는 유압모터에 의해 구동되는 구동축(21)을 구비하고, 리드(12)를 따라 이동유닛(30)에 의해 이동되면서 구동축(21)에 연결된 로드(100)를 회전 및 전, 후진 시키게 된다. 상기 헤드부(20)는 상기 리드(12)를 따라 승강되는 승강프레임(22)에 설치된다.

상기 이동유닛(30)은 리드(12)의 상하부에 설치된 제 1,2스프라켓(31)(32)들과 상기 제1,2스프라켓(31)(32)에 걸리며 상기 헤드부(20)의 승강프레임(22)이 설치되는 체인(33)과, 상기 리드(12)에 설치되어 상기 제 1,2스프로킷(31)(32)중 하나를 구동시키기 위한 유압모터(34)를 구비한다. 이송유닛은 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고 리드(12)에 설치되는 실린더 또는 윈치와 로프에 의해 이루어질 수도 있다.

상기 리드(12)의 단부측에 상기 헤드부(20)의 승강에 간섭되지 않도록 설치되는 크레인(40)을 더 구비한다. 상기 크레인(40)은 붐(41)의 단부에 로드 등을 파지하기 위한 클램핑부(42)를 구비한다.

한편, 상기 방향제어가 가능한 수평천공장치는 로드들의 단부에 설치되어 천공작업을 수행하는 코어드릴(50)과, 천공자업이 이루어지는 과정에서 상기 샘플코어 채취를 위한 코어바렐(미도시)를 구비한다. 상기 코어바렐은 대한민국 특허등록 제 0858564호(출원인 인석신(한진 디앤비대표))에 게시된 샘플링장치가 이용될 수 있다. 이 샘플링장치는 비트가 설치되는 로드에 삽입되는 것으로, 반입 및 반출을 위한 커플러를 구비하며 드릴외관과 결합 및 분리되는 래칫유니트와, 상기 래칫 유니트와 스핀들유니트에 의해 연결되며 샘플링 장치의 하강을 방지하는 스토핑수단과, 상기 스핀들 유니트에 대해 승강 및 회전가능하게 설치되는 홀더에 지지되는 내관과, 상기 내관의 단부에 설치되는 보조천공수단을 포함하는 통상적인 구조를 가질 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

그리고 구동축(21)과 연결된 로드의 단부에 설치되어 샘플코어의 채취를 위하여 천공한 홀의 천공방향에 대해 천공방향을 소정의 각도로 변화시키기 위한 머드모터(60)를 더 구비한다.

상기 머드모터(mud motor, down hole motor;60)는 천공중인 홀의 직진 방향에 대해 천공방향을 소정의 각도로 변환시키는 것으로, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 메인하우징(61)과 각도조절유닛(62)에 의해 연결되는 베어링하우징(63)을 구비하며, 상기 메인하우징(61)에는 로드를 통하여 공급되는 수압에 의해 동력을 발생시키는 동력발생유닛(65)이 설치된다. 이 동력 발생유닛(65)은 메인하우징(61)에 회전 가능하게 설치되는 회전축(65b)에 설치되어 로드를 통하여 공급되는 물에 의해 동력을 발생시키는 스크류부재(65a)를 구비한다. 그리고 상기 베어링 하우징(63)에는 비트유닛(68)이 결합되는 결합부재(66)가 베어링에 의해 회전가능하게 설치되고, 이 결합부재(66)와 상기 회전축(65b)는 유니버셜조인트(67)에 의해 연결된다.

상기 각도조절유닛(62)은 웨어페드(62a)를 회전시킴에 따라 메인하우징(61)에 대해 베어링하우징(63)의 각도(0 도 내지 3도)를 조절할 수 있다. 상기 일예로서 머드모터는 사양은 플로우 레인지(flow range)가 1.8 내지 4 L/sec, 스피드 레인지(speed range)가 250 내지 556rpm, 토크는 2.4Mpa인 것을 사용할 수 있다. 상기 머드모터는 5LZ54X7.0-3 또는 5LZ54X7.0-4의 모델을 사용할 수 있다.

상술한 바와 같은 천공장치의 작용과 방향제어가 가능한 수평천공방법을 도 6 내지 도 9을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수평천공장치를 이용한 천공방법은 천공작업을 수행하기 위한 수평천공장치의 본체(11)를 천공을 위한 위치로 이동시킨다. 그리고 리드(12)의 각도를 천공 및 샘풀코어채취 또는 발파를 위한 천공홀을 형성하기 위한 각도로 조정하고, 설치된 리드(12)를 따라 이동되는 헤드부(20)의 구동축(23)결합되는 로드 및 로드의 단부에 설치되는 코어드릴(50)을 이용하여 수평방향으로 천공하는 제 1천공단계(S1)를 구비한다.(도 6참조)

상기 제 1천공단계(S1)에 있어서, 헤드부(20)에 구동축(21)을 회전시킴과 아울러 구동축(21)에 형성된 중공부와 로드의 중공을 통하여 천공작업을 수행하는 코어드릴(50)측에 공압 또는 물을 공급할 수도 있다. 상기 코어드릴은 로드를 통하여 공급되는 고압 또는 수압에 의해 작동되는 에어햄머나 워터헴머로 대체될 수도 있다.

상기와 제1천공단계(S1)를 수행하는 과정에서, 샘플채취가 필요한 영역에서 샘플링채취작업을 수행하는 샘플링단계(S2)를 수행한다. 상기 샘플링단계(S2)에 있어서, 코어배럴과 로드는 샘플코어채취 시 마다 전체를 회수 및 시공할 수 있다. 상기 샘플링단계(S2)에 있어서는 상술한 대한민국 특허등록 제 0858564호(출원인 인석신)에 게시된 샘플링장치를 사용하여 채취한다.

상기와 같이 수평천공구간에서 천공 및 샘플코어채취가 완료되고, 이와 연속되는 곡선구간에서 샘플코어채취 또는 천공작업을 수행하기 위해서는 도 7에 도시된 바와 같이 수평천공구간의 단부측을 몰타를 주입하여 매우는 그라우팅단계(S3)를 수행한다.

상기 그라우팅단계(S3)는 구동축(21)과 로드(100)에 형성된 중공을 통하여 몰타르를 주입함으로써 이루어질 수 있다. 상기 그라우팅단계는 천공이 완료된 상태에서 그라우팅을 위해 중공을 가지며 몰타르를 이용시킬 수 있는 로드와, 상기 중공을 가진 구동축에 연결되어 연결된 구동축과 로드를 통하여 몰타르를 주입하기 위한 몰타르 펌프를 구비한다.

상기 수평천공구간의 단부측의 그라우팅이 완료되어 몰타르의 경화가 이루어지면, 헤드부(20)의 구동축(21)과 연결된 로드의 단부에 머드모터(60)를 정착하고, 천공작업을 수행하면서 천공방향을 변환시키는 천공방향 변환단계(S4)를 수행한다. 상기 로드(100)의 단부에 설치된 머드모터(60)의 비트의 회전에 의해 천공작업을 수행한다.

머드모터(60)에 의한 천공작업과 방향의 전환은 도 8에 도시된 바와 같이 로드와 연결된 메인하우징(61)의 각도조절유닛(62)을 조정하여 상기 메인하우징(61)에 대해 베어링하우징(63)의 각도를 조절한다. 그리고 이 상태에서 로드를 통하여 공급되는 물 또는 공압을 이용하여 스크류부재(65a)를 구동시켜 베어링하우징(63)에 설치되는 비트유닛(68)을 회전시켜 굴삭작업을 수행한다. 이러한 굴삭작업으로 방향전환이 이루어지면, 로드(100)의 단부에 설치된 머드모터(60)를 코어드릴(50)로 교체한 후 천공작업을 수행하는 제 2천공단계(S5)를 수행한다. 그리고, 상술한 제 1천공단계(S1)와 같이 천공작업을 수행하면서 샘플링단계(S2)를 수행한다.

상술한 바와 같이 방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치. 터널과 같은 토목공사의 시공영역, 지질조사 등 전 천공영역에서 샘플코어채취가 가능하며, 직선구간 및 곡선구간의 천공작업을 연속하여 시공할 수 있으므로 천공에 따른 작업성을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 따른 방향제어가 가능한 수평천공방법 및 그 장치는 지질조사, 토목공사, 발파를 위한 천공, 소일레일 설치를 위한 수평천공 등 다양한 천공작업에 널리 적용 가능하다.

Claims (3)

1. 천공기의 차체에 설치된 리드를 따라 이동되는 헤드부의 구동축에 연결된 로드와 상기 로드에 설치되는 코어드릴을 이용하여 수평방향으로 천공하는 제1천공단계와,
   상기 제 1천공단계에 의한 천공 시 샘플코어가 필요한 영역에서 샘플코어 채취 작업을 수행하는 샘플링단계와,
   상기 제 1천공단계에서 천공작업과 병행하여 샘플링코어 작업이 이루어진 후 방향 전환이 필요한 천공영역에 상기 헤드부의 구동축과 로드를 통하여 몰타르를 주입함으로써 그라우팅 하는 그라우팅 단계와,
   상기 헤드부에 연결된 로드의 단부에 천공 시 진행방향을 변환시키는 머드모터를 장착하여 상기 제 1천공단계에 의해 천공된 천공방향에 대해 소정의 각도로 천공방향을 변환시키며 천공작업을 수행하는 천공방향 변환단계와,
   상기 천공방향변환단계가 이루어진 후 상기 로드의 단부로부터 머드모터를 분리하고 코어드릴를 장착하여 천공작업을 수행하는 제 2천공단계를 포함한 것을 특징으로 하는 방향제어가 가능한 수평천공방법.
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