ツースビットによる掘削実験から得られたビット荷重、トルクおよび掘進率を基に、刃先摩耗状態によらない、岩石強度を表す情報を検討した。その結果、掘削方向と回転方向のエネルギーに関する情報が、刃先摩耗状態の影響の小さい、岩石強度を強く反映した情報であることが見出された。この結果に基づいて、ビットで岩石を掘削するときの岩石の強度特性を、岩石の掘削強度と表した。a_Fはビット荷重の第1次作用線の傾き、a_Tはトルクの第1次作用線の傾き、Nはビット回転数、T_eは有効トルク、F_eは有効荷重、uは掘進率、dはビット直径である。刃先摩耗状態は、D_sとI_s、D_sとS_e、D_sとF_c/d、D_sと8T_c/d²との関係から推定できることが見出された。 は岩石の貫入強度、は回転方向の有効エネルギーより求めた比エネルギー、F_c/dは単位ビット径当たりのしきい荷重、8T_c/d²は単位ビット断面積当たり・ビット1回転当たりのしきいエネルギーである。

　次に、ツースビットで開発した推定方法がインサートビットにも適用できるかどうかを検討したところ、上記2つの推定方法はインサートビットにも適用できることが確認された。さらに、刃先摩耗状態については上記方法と異なる推定方法を検討したところ、無次元有効トルク を把握することにより、刃先摩耗状態をより簡便に推定できることが示された。a_FTはビット荷重・トルクの第1次作用線の傾きである。

　この研究では先ず、硬岩用PDCビットの設計データを得るための切削実験、掘削実験および耐久試験を行った。これらの実験では、レーキ角が-10°〜-40°の範囲ではレーキ角-10°で切削抵抗がほぼ最小になること、バックレーキ角とサイドレーキ角が-10°〜20°の範囲では掘進率および刃先強度に関して-10°あるいは-15°が優れていること、-5°のバックレーキ角およびサイドレーキ角は-10°に比べて所定の掘進率を得るのに要するビット荷重やトルクが大きいことが示された。また、外径98mm、内径66mm程度のコアビットの場合、直径が13.3mmの刃先8個でも花崗岩のような硬岩の掘削において十分な性能が得られることを見出した。

　次いで、室内実験結果に基づいて製作した小口径PDCコアビットを用いて花崗岩採石場において掘削実験を行い、PDCビットのフィールドにおける硬岩掘削への適用性を検討した。この試験により、開発したPDCコアビットは、従来から硬岩の掘削に用いられてきているダイヤモンドコアビットに比べて2倍以上の掘削長を示し、耐久性能に関して優れていることを見出した。また、PDCおよびダイヤモンドビットの掘削コストを試算し、PDCビットの経済性や今後の開発課題を示した。

　さらに、山形県肘折の高温岩体実験場において掘削実験を実施し、大口径PDCコアビットの掘削性能を評価した。本実験場に掘削された2つの坑井において実験を行ったところ、開発したPDCビットは深度約1600〜1900m、地層温度約250℃に達する基盤の花崗閃緑岩の掘削に適用できることが確認された。また、PDCコアビットの掘削成績は、ダイヤモンドコアビットのそれに比べても優れていることが見出された。

　最後に、PDCビットを用いた室内および現場掘削実験の総括として、刃先数、レーキ角、刃先配列、ビット本体形状などに関して硬岩用PDCビットの設計指針の試案を提案した。

　本研究では、深部地殻掘削の能率向上に寄与するために、坑底状況推定技術と、硬岩用PDCビットの開発を行った。坑底状況推定技術の研究では、室内における基礎実験を通じて、坑底における岩石強度とビットの刃先摩耗状態を推定する方法を提案した。今後、これらの方法が現場に適用できるかどうかの確認を行い、坑井掘削の能率や安全性の向上に役立てたい。また、硬岩用PDCビットについては、室内や現場における実験を継続し、硬岩掘削における実用化を目指したい。深部地殻の掘削能率の向上を図るには今後解決しなければならない課題が残されている。これらの課題解決に可能なかぎり取り組んでいきたい。

　ツースビットによる掘削実験から得られたビット荷重、トルクおよび掘進率を基に、刃先摩耗状態によらない、岩石強度を表す情報を検討した。その結果、掘削方向と回転方向のエネルギーに関する情報が、刃先摩耗状態の影響の小さい、岩石強度を強く反映した情報であることが見出された。この結果に基づいて、ビットで岩石を掘削するときの岩石の強度特性を、岩石の掘削強度$214049f05.gif$と表した。a_Fはビット荷重の第1次作用線の傾き、a_Tはトルクの第1次作用線の傾き、Nはビット回転数、T_eは有効トルク、F_eは有効荷重、uは掘進率、dはビット直径である。刃先摩耗状態は、D_sとI_s、D_sとS_e、D_sとF_c/d、D_sと8T_c/d²との関係から推定できることが見出された。$214049f06.gif$は岩石の貫入強度、$214049f07.gif$は回転方向の有効エネルギーより求めた比エネルギー、F_c/dは単位ビット径当たりのしきい荷重、8T_c/d²は単位ビット断面積当たり・ビット1回転当たりのしきいエネルギーである。

　次に、ツースビットで開発した推定方法がインサートビットにも適用できるかどうかを検討したところ、上記2つの推定方法はインサートビットにも適用できることが確認された。さらに、刃先摩耗状態については上記方法と異なる推定方法を検討したところ、無次元有効トルク$214049f08.gif$を把握することにより、刃先摩耗状態をより簡便に推定できることが示された。a_FTはビット荷重・トルクの第1次作用線の傾きである。

　この研究では先ず、硬岩用PDCビットの設計データを得るための切削実験、掘削実験および耐久試験を行った。これらの実験では、レーキ角が-10°〜-40°の範囲ではレーキ角-10°で切削抵抗がほぼ最小になること、バックレーキ角とサイドレーキ角が-10°〜-20°の範囲では掘進率および刃先強度に関して-10°あるいは-15°が優れていること、-5°のバックレーキ角およびサイドレーキ角は-10°に比べて所定の掘進率を得るのに要するビット荷重やトルクが大きいことが示された。また、外径98mm、内径66mm程度のコアビットの場合、直径が13.3mmの刃先8個でも花崗岩のような硬岩の掘削において十分な性能が得られることを見出した。

　次いで、室内実験結果に基づいて製作した小口径PDCコアビットを用いて花崗岩採石場において掘削実験を行い、PDCビットのフィールドにおける硬岩掘削への適用性を検討した。この試験により、開発したPDCコアビットは、従来から硬岩の掘削に用いられてきているダイヤモンドコアビットに比べて2倍以上の掘削長を示し、耐久性能に関して優れていることを見出した。また、PDCおよびダイヤモンドビットの掘削コストを試算し、PDCビットの経済性や今後の開発課題を示した。

　さらに、山形県肘折の高温岩体実験場において掘削実験を実施し、大口径PDCコアビットの掘削性能を評価した。本実験場に掘削された2つの坑井において実験を行ったところ、開発したPDCビットは深度約1600〜1900m、地層温度約250℃に達する基盤の花崗閃緑岩の掘削に適用できることが確認された。また、PDCコアビットの掘削成績は、ダイヤモンドコアビットのそれに比べても優れていることが見出された。

　最後に、PDCビットを用いた室内および現場掘削実験の総括として、刃先数、レーキ角、刃先配列、ビット本体形状などに関して硬岩用PDCビットの設計指針の試案を提案した。

　深部地殻掘削技術全体における開発課題を体系的に整理して、坑底状況推定技術と硬岩用PDCビットの開発の2つの研究課題に取り組んでいる。2つの課題の重要な部分で新たな知見を得ており、また、深部地殻掘削技術全体の進展に寄与している。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。