Koci drill for drilling in ice, sand and rock: drill requirements, design, performance, difficulties



Yüklə 142,56 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix02.10.2018
ölçüsü142,56 Kb.
#71731


Koci drill for drilling in ice, sand and rock: drill requirements,

design, performance, difficulties

J. GREEN, B. KOCI,

{

J. KYNE


Ice Coring and Drilling Services, Space Science and Engineering Center, University of Wisconsin–Madison,

1225 West Dayton Street, Madison, WI 53706-1612, USA

E-mail: jimg@ssec.wisc.edu

ABSTRACT. A new man-portable drill designed to perform in ice with entrained sand and rock has been

built. Designated the ‘Koci drill’, it was first used on rock-covered glaciers in the McMurdo Dry Valleys,

Antarctica, during the 2006/07 field season. This drill is designed to be disassembled into component

parts no heavier than 30 kg (not including the generator). For stability, the drill platform weight can be

augmented with available rock. The field performance of the drill was generally good and both ice and

rock were successfully penetrated and acceptable-quality ice cores up to 1 m long were collected during

the 2007/08 season. The maximum depth achieved was 10.25 m. Given a concentrated effort at one or

two sites per season, a depth of 40 m is achievable. Problems encountered in the field will be addressed

in the next-generation design.

INTRODUCTION

In the 2003/04 austral summer season a standard PICO

(Polar Ice Coring Office) hand auger (Koci, 1984), a Kovacs

Mark II drill (Kovacs Enterprises, Inc.) and a drill modified by

one of us (J.K.) were used by the first author and others to

drill in rock-covered glaciers in the McMurdo Dry Valleys,

Antarctica. These drills proved unable to take acceptable-

quality core samples to the required depths in these glaciers.

However, we were able to test many different cutter geom-

etries by drilling with re-sharpened, damaged cutters. This

evolutionary process provided insight for the best cutter

geometry. A new drilling system, now called the ‘Koci drill’,

was designed using the knowledge gained from the 2003/04

drilling season. The Koci drill was used for the first time on

rock-covered glaciers in Mullins and Beacon Valleys in the

austral summer of 2006/07. It performed successfully in ice

with entrained rock and sand as well as solid rock. The drill’s

characteristics, limitations and problems are described in

this paper.

ENVIRONMENTAL AND LOGISTICAL

CONSTRAINTS

To be used in the Dry Valleys, an Antarctic Specially Man-

aged Area (ASMA) under the Antarctic Treaty, the drilling

operation was required to meet very stringent environmental

requirements:

The drill had to be set up on a small footprint to min-

imize the environmental impact of its use.

No drilling fluids could be used in the drilling operation.

The drill could not leak lubricants or fuel, or leave

significant consumable debris in or around the borehole.

Generators could be used, but sound environmental

practice had to be followed. Fuel and oil spills had to be

minimized; if any did occur they had to be cleaned up

and reported to the logistical support contractor’s

environmental services department.

The glaciers in Mullins and parts of Beacon Valley and sub-

valleys are rock sublimation glaciers that range in altitude

from 300 to 500 m. The ambient temperature during the

drilling season ranged from –25 to –10

8C. Most of the time

the sky was clear, but there was occasional snowfall and

frequent katabatic winds.

The debris covering is made up of a base of mixed sand

and larger rocks. The surface is mostly covered by larger,

0.03–0.5 m

3

, rocks and occasional boulders up to 25 m



3

.

Seasonal snowmelt causes up to 6 cm of ice cement to form



on the surface of the glacier at the base of the till. The total

thickness of rock-surface covering observed ranged from

10 cm to 1.5 m. The top 5 m of glacial ice has sand and

rock in it. The rock and sand are mostly dolerite with an

occasional sedimentary rock. Ages of undisturbed surface

ash-fall deposits suggest the valleys may contain buried ice

ranging in age from modern in the accumulation zone to as

old as 8


 10

6

years in central Beacon Valley (Sugden and



others, 1995; Marchant and others, 2002; Kowalewski and

others, 2006).

The rocky till surface prevents the use of sleds to transport

the drilling equipment. The use of wheeled and tracked

vehicles in Mullins and Beacon Valleys is prohibited by the

Management Plan of the ASMA, so the drill equipment had

to be transported by helicopter (maximum load 700 kg) or

man-packed (maximum load 45 kg) between drill locations.



DRILL DESCRIPTION

The basic design requirements of the drill were that it should

produce 80 mm diameter cores of good quality in lengths no

less than 0.2 m and that it should be able to reach a minimum

depth of 10 m. Based on those requirements and past ex-

perience, the new drill (Fig. 1) was built, with the following

characteristics (Table 1).

Barrel and drill head

The core barrel stock is 6061-T6 aluminum. The flighting is

milled out of the core-barrel tube stock. The drill head is

made of 304 stainless steel and is connected to the core

barrel using flat-head stainless-steel rivets. The drill head has

Annals of Glaciology 47 2007

{

Deceased.



105


three cutters (Fig. 2) because we believe a three-cutter drill

runs more smoothly and is more stable in the hole than a

two-cutter drill. We have also found it easier to start a new

hole with a three-cutter drill. The drill cuts a thin kerf in

order to minimize the force required to penetrate rock when

using the rock-coring bits.



Cutters with inserts

When drilling in ice with sand and rock, cutters wear out

rapidly and they are expensive to replace. For this reason,

the cutters in the Koci drill have inserted cutting edges.

Inserts can be made in large quantities for much less cost

than the entire cutters. Also, we could then use two different

types of inserts:

Type 1: 10 V tool steel, made by Crucible Materials

Corporation. The rake angle is 45

8, and the relief angle is

15

8 (see Fig. 3 for definition of angles). The 10 V tool steel



cutters were hardened to Rockwell 60 hardness scale C.

Type 2: VM-15m+ tungsten carbide, made by Vista

Metals. The rake angle is 30

8 and the relief angle is

10

8. These angles were reduced from those for 10 V tool



steel because tungsten carbide is more brittle and less

impact-resistant.

Both types of inserts have rounded corners, a relief angle of

15

8 on the core side of the cutter and no relief on the bore



wall side. They are held in place by a countersunk socket-

head Torx

TM

drive set screw. The cutting pitch is controlled



using penetration shoes. These penetration shoes were pre-

machined for a 0.8

8 pitch.

Core dogs

Three PICO-style straight-edge core dogs were used to catch

ice core. The core dogs were electrical-discharge machined

from 440C stainless steel and hardened to Rockwell 60

hardness scale C. The core dogs pivot on a dowel pin. A

torsion spring is used to assist engagement.



Rock-coring bits

For drilling rocks, the drill employs a second core barrel that

accepts rock-coring bits. No core catchers are used with the

rock-coring bits. Once a rock is penetrated the ice-core

barrel is used to catch the core. Three different rock-coring

bits were used:

Crushed carbide (Fig. 4)

Temperature-stabilized diamond (Fig. 5)

Medium-grained surface-bonded diamond abrasive

Table 2 shows the ice conditions under which the different

cutters and rock-coring bits were used.

Drilling rig

The rock-coring bits require a substantial force to cut

through a hard rock like dolerite. To provide the necessary

force, a Husqvarna DS 800 drill stand with a 2 m column

and a Husqvarna Cardi D3-250S drill motor are used as the

main platform. The speed of the motor is controlled by a

30 A variable transformer. Power for the drill motor was

supplied by a 5 kW generator. An I-beam support system is

mounted to the top of the post of the drill press and centers

the reaction force over the drill spindle. Hand-operated

cable winches are attached to the ends of the I-beam and

fastened either to ice screws or to rock bags. Each rock bag is

designed to hold 450 kg. As the drill itself weighs about

90 kg, a total force of nearly 1 t can be applied to the rock

drill bit. The drill rig can drill ice from the surface to 40 m

Fig. 1. Koci drill rig in Beacon Valley.

Table 1. Koci drill characteristics and specifications

Core diameter

80 mm

Maximum core length



1.07 m

Borehole diameter

102 mm

Drill speed



0–600 rpm

Power requirements

25 A, 120 V a.c. 60 Hz

Weight


550 kg (includes packaging, tools,

accessories and spare parts)



Fig. 2. Koci drill 3 cutter core head.

Fig. 3. Koci drill cutter assembly showing rake and relief angles.

Green and others: Koci drill for drilling in ice, sand and rock

106



depth. The first meter of ice core is drilled by attaching the

core barrel directly to the drill motor. Deeper drilling is

accomplished by using PICO drill rods made of fiberglass-

reinforced epoxy tubing in 1.2 and 2.2 m lengths.



DRILL PERFORMANCE

The drill produced acceptable-quality ice cores in unbroken

lengths up to 1 m long. The surface of a core typically had a

slightly rough texture. The surface texture did not have

features that would initiate cracks; ‘poker chips’ did not form.

The drill equipped with tungsten carbide inserts (even

chipped and dull) was able to drill through small (<10 mm)

to medium-sized (<50 mm) rocks and continue producing

good-quality core. When ice-drilling through larger rocks

(>100 mm), some water from melted ice would collect in the

bottom of the hole. This water acted like a cutting fluid. The

friction from rock drilling produced enough heat to prevent

the water from freezing as long as drilling continued.

PROBLEMS ENCOUNTERED

Vibration

The vibration of rock drilling caused everything to loosen

up. It was necessary to bring the drill up every 5 min to

tighten the cutter and insert screws.



Chip transport

Chip transport was not a problem as long as the core barrel

was shiny and new. After a few holes were drilled, the flights

on the core barrel were no longer smooth enough for

efficient chip transportation.

Diameter

We chose to make the rock-drilling bits a little larger than

the ice-coring head with inserts, assuming the rock-coring

bits would be able to ream out the hole left by the ice-core

drill. This assumption turned out to be incorrect. The rock-

coring bits heated up and started to freeze into the hole.



Inserts

The 10 V tool steel inserts did not perform as well as

expected. They were easily damaged and wore out quickly.

As previously noted, they were hardened to Rockwell 60

hardness scale C. They could have been hardened to

Rockwell 64 hardness scale C, but this probably would

have made little difference.

Core dogs

Drilling in dirty ice quickly wears the edge off the core dogs.

We found it best to drill with a core barrel with no core

dogs, then pull the drill out of the hole and collect the core

with a second core barrel with core dogs.

Penetration rate

When drilling through ice, better core quality can be

achieved if the drill penetrates quickly (Table 3). Penetrating

too slowly produces fine chips that pack inside the core

barrel. The core then sticks inside the barrel and snaps off.

But when drilling in rocky ice, too fast a penetration rate will

likely result in broken inserts.

Heat

Care should be taken to minimize the heat generated in the

hole since this can cause the drill to freeze into the hole.

Fig. 4. Crushed carbide rock-coring bit.

Fig. 5. Temperature-stabilized diamond rock-coring bit.

Table 2. Cutters used in different kinds of ice, sand and rock

Type of ice

Expected cutter/bit

to be used

Cutter/bit used

Clean ice

Crucible V 10 steel

or tungsten carbide

Crucible V 10 steel

or tungsten carbide

Ice with sand

Tungsten carbide

Tungsten carbide

Ice cement

Tungsten carbide

Tungsten carbide

Ice with small rocks

Crucible V 10 steel

Tungsten carbide

Rock


Rock core bits

Rock core bits and

tungsten carbide

Table 3. Feed rates used in different kinds of ice

Material


Drill speed

Penetration

rate

Weight on bit



rpm

mm min


–1

kg

Ice



50–80

100–120


10–20

Ice cement

50–80

50–80


10–25

Rock or ice and rock

25–35

1–10


10–500

Green and others: Koci drill for drilling in ice, sand and rock

107



If the drill starts to freeze, the drill motor requires more

power. If the drill stops turning, it will freeze instantly. When

drilling through large rocks (any rock that covers >120

8 of


the cutting circle) the heat generated will melt the ice. We

used a shop vacuum cleaner to remove the water and chips

from the hole each time we pulled the drill out of the hole.

Once through the rock, we let the hole cool overnight to

refreeze the meltwater before continuing to drill the ice

below the rock.

These problems will all be addressed in designing and

constructing the next-generation Koci drill.



ACKNOWLEDGEMENTS

The Koci drill was developed with funds from the US

National Science Foundation. We thank D. Marchant,

J. Head, L. Robinson, M. Bender and their team of graduate

students for all their assistance in testing the Koci drill

in Beacon and Mullins Valleys. We thank L. Augustin,

C. Bentley and D. Lebar for support and help in writing

this paper.



A special note of recognition

In response to a suggestion by D. Marchant, Ice Coring and

Drilling Services named the drill in honor of Bruce Koci who

passed away in November 2006. Bruce was heavily involved

in its development, and much of the success of this drill can

be attributed to his advice and support.



REFERENCES

Koci, B.R. 1984. A lightweight handcoring auger. CRREL Spec. Rep.

84-34, 55–59.

Kowalewski, D.E., D.R. Marchant, J.S. Levy and J.W. Head. 2006.

Quantifying low rates of summertime sublimation for buried

glacier ice in Beacon Valley, Antarctica. Antarct. Sci., 18(3),

421–428.

Marchant, D.R. and 8 others. 2002. Formation of patterned ground

and sublimation till over Miocene glacier ice in Beacon Valley,

southern Victoria Land, Antarctica. Geol. Soc. Am. Bull., 114(6),

718–730.

Sugden, D.E. and 6 others. 1995. Preservation of Miocene glacier



ice in East Antarctica. Nature, 376(6539), 412–414.

Green and others: Koci drill for drilling in ice, sand and rock

108

Yüklə 142,56 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©www.genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə