JP2008267089A - 地中ガス検知装置及び地中ガスの検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスの種類に関わらず簡単な構成で地中のガスを検知可能な地中ガス検知装置を提供する。
【解決手段】岩盤Ｇに削孔された孔７内の孔軸方向の地下水やガスの流れを遮断するためのパッカー２と、そのパッカー２，２間を孔壁に沿って接続するストレーナ管３と、そのストレーナ管内に配置されて孔軸方向の複数個所の圧力を測定する圧力センサ４１，・・・と、パッカーを遠隔から拡張させるための送水管５とを備えている。
ここで、圧力センサ４１は、連続する一本の光ファイバ４に孔軸方向に間隔を置いて複数個所に設ける構成とすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、岩盤などの地中における地下水などにガスが含まれている場合があり、そのようなガスの有無を検知する地中ガス検知装置及び地中ガスの検知方法に関するものである。

岩盤又は地盤で形成された地中を流れる地下水中には、メタンなどの天然ガスが存在していることがあり、地中を掘削する工事中に、この天然ガスが坑内に大量に湧出すると発火や中毒の原因となり、危険である。

また、従来、岩盤に空洞を掘削して、その地下空洞を液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）の備蓄に利用することが知られている（特許文献１など参照）。

この特許文献１には、パッカーによって隔離された孔内において、地下水の特性を、水圧センサ、ｐＨセンサ、温度センサなどによって測定し、水質の変化をモニタリングする地下水モニタリングシステムが開示されている。
特開２００７−１６５８７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された地下水モニタリングシステムでは、水圧センサは、地下水の経時的な変化を監視するモニタリングに使用されるものであり、パッカーによって区切られて閉鎖された区間毎に一つずつ配置されるだけである。

また、地下水位の水質を分析するためのセンサは、検知可能な物質を特定したうえで選択しなければならず、想定外の種類のガスが含まれていた場合は検知できない。

さらに、配置するセンサの種類が増えると、コストが増加するだけでなく、狭いボーリング孔内に同時に多くのセンサを配置する作業は難易度が高い。

そこで、本発明は、ガスの種類に関わらず簡単な構成で地中のガスを検知可能な地中ガス検知装置、及び地中ガスの検知方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の地中ガス検知装置は、地中に削孔された孔内の孔軸方向の流体の流れを遮断するためのパッカーと、そのパッカー間又はパッカーと孔底間を孔壁に沿って接続するストレーナ管と、そのストレーナ管内に配置されて前記孔軸方向の複数個所の圧力を測定する圧力センサと、前記パッカーを遠隔から拡張させる拡張手段とを備えたことを特徴とする。

ここで、前記圧力センサは、連続する一本の光ファイバに前記孔軸方向に間隔を置いて複数個所に設ける構成とすることができる。

また、前記パッカーは、前記圧力センサに繋がる通信線を挿通させる中空部と、その外周を覆う外周部とを備え、遠隔からその外周部の内圧を上昇させると、その外周側の周面は孔壁方向に拡張し、内周側の周面は前記通信線方向に拡張する構成とすることができる。

さらに、本発明の地中ガスの検知方法は、地中に削孔された孔内の孔軸方向の流れを遮断するパッカーを配置する工程と、前記パッカーによって区切られた測定区間の孔軸方向の複数個所の圧力を測定する工程と、前記測定区間の前記孔軸方向の圧力分布を作成する工程とを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の地中ガス検知装置は、パッカーで区切られた孔内の圧力を複数個所で測定する。そして、その測定値に基づいてパッカーで区切られた区間の圧力分布が作成でき、そこからガスの有無を判定することができる。

このため、ガスの種類を特定しなくても地中にガスが存在するか否かを知ることができる。

また、センサとしては圧力センサを配置するだけでよいので、簡単な構成とすることができるうえに、同時に地下水圧を測定することができる。

さらに、一本の光ファイバに間隔を置いて複数の圧力センサを設ける構成であれば、複数の圧力センサを設置するために孔内に挿入する通信線も一本の光ファイバで済むことになるので、狭い孔内で複数のケーブルが錯綜せず、より簡単な構成とすることができる。

また、パッカーの拡張する面を、孔壁方向と通信線方向の両方にすることで、孔壁とパッカー外周面との間を通過する地下水を遮断できるだけでなく、通信線周囲の隙間から漏れ出す水をも遮断することができる。

また、本発明の地中ガスの検知方法では、パッカーで区切られた測定区間の圧力分布を測定するだけで、地中にガスが存在するか否かを容易に知ることができる。

以下、本発明の最良の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、一対のパッカー２，２で区切られた地中ガス検知装置１の構成を説明する説明図であって、図２は、複数の測定区間で地中ガスの検知をおこなう地中ガス検知システム１０の全体構成を説明する断面図である。

まず、地中ガス検知装置１の構成について説明すると、図１に示すように、この地中ガス検知装置１は、地中である岩盤Ｇを切削して形成した孔７の孔軸方向に間隔を置いて配置したパッカー２，２と、そのパッカー２，２間を孔壁に沿って接続する筒状のストレーナ管３と、そのストレーナ管３の略中央に管軸に沿って配置される圧力センサ４１，・・・を備えた光ファイバ４と、パッカー２を拡張させる拡張手段としての送水管５とから主に構成される。

パッカー２の詳細構造については後述するが、パッカー２は、孔軸方向に孔内を流れる地下水やガスなどの流体の流れを遮断するために配置するもので、パッカー２，２で区切られた測定区間は、上下の区間から隔離された領域になる。

また、ストレーナ管３は、地盤Ｇからの砂や異物などの侵入を遮り、地下水やガスだけを管内に導くために、周面が網材によって形成された管材である。

また、光ファイバ４には、軸方向に間隔を置いて複数の圧力センサ４１（ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）型センサ）を設けることができる。

この光ファイバ４は、円柱状のコア部とそれを覆う鞘状のクラッド部との二重構造になっており、コア部の屈折率をクラッド部より高めることで光を伝播させることができる。

そして、光ファイバ４の途中の特定部分のコア部に、グレーティングと呼ばれる屈折率が異なる部分を所定の間隔で格子状に並べてＦＢＧ部を設けると、光ファイバ４に入射された入射光のうちブラッグ波長と呼ばれる波長成分がこのＦＢＧ部で反射されることになる。このブラッグ波長のシフト量分は、圧力に依存して変化するので、このＦＢＧ部を圧力センサ４１として利用することができる。

この圧力センサ４１は、光ファイバ４の軸方向に例えば10cm程度の間隔で複数個所に設ける。

また、図２に示す地中ガス検知システム１０は、複数の地中ガス検知装置１，１Ａ，・・・と、光ファイバ４の上端を接続して圧力センサ４１，・・・からの測定値を取り込むデータロガーなどの測定器４２と、孔７内に溜まったメタンなどの天然ガスを採取するガス吸引管６とから主に構成される。

ここで、岩盤Ｇを削孔した孔７の上部には、坑口を保護するためのケーシング管７１が挿し込まれ、その周囲にはセメントミルクなどが注入されて充填部７３が形成されている。

また、ケーシング管７１の上端にはフランジ部７２が設けられ、そのフランジ部７２に光ファイバ４やガス吸引管６の地表に突出した部分を固定する。

さらに、パッカー２は、孔底７ａから例えば5 m間隔で配置され、このパッカー２，２で区切られた測定区間は、一本の孔７に例えば１０箇所以上設けられる。

そして、これらの地中ガス検知装置１Ａ，１，・・・には、連続した一本の光ファイバ４が配置され、その上端が測定器４２に接続される。すなわち、光ファイバ４は、複数の圧力センサ４１，・・を備えるとともに、その圧力センサ４１，・・・からの測定値を測定器４２に送る通信線としての機能も備えている。

また、ガス吸引管６は、開口した先端を上下させることで所定の測定区間に配置される。図２では、ガス吸引管６の先端は、孔底７ａと最下段のパッカー２との間に設けた地中ガス検知装置１Ａの測定区間に配置されている。

続いてパッカー２の詳細構成について、図３を参照しながら説明する。

このパッカー２は、光ファイバ４を挿通させる中空部２ａと、その外周を覆う外周部２ｂとを備えている。

このパッカー２には、上下方向（孔７内では孔軸方向）に間隔を置いて円盤状の上蓋部２３と下蓋部２４とがそれぞれ配置され、上蓋部２３の上方と下蓋部２４の下方にはジョイント部２３ｂ，２４ｂがそれぞれ取り付けられる。このパッカー２には、ジョイント部２３ｂ，２４ｂを介してストレーナ管３，３がそれぞれ接続される。

また、上蓋部２３と下蓋部２４には、略中央に円筒状のガイド部２３ｃ，２４ｃがそれぞれ突設され、その中央には上蓋部２３と下蓋部２４とをそれぞれ貫通する穴が設けられて光ファイバ４が挿入される。

さらに、このガイド部２３ｃ，２４ｃ間には、円筒状の内側ゴムチューブ２２の上端と下端がそれぞれ嵌め込まれ、その外側に配置した固定リング２２ａ，２２ａをかしめることによって、内側ゴムチューブ２２は上蓋部２３と下蓋部２４に固定される。そして、この光ファイバ４が挿通されている部分が中空部２ａとなる。

また、上蓋部２３の外周面と下蓋部２４の外周面との間は、円筒状の管材部２５で接続される。この管材部２５の周壁には、中空部２ａ側と孔壁側とを貫通させる連通孔２５ａが設けられている。

また、この管材部２５の外周面は、円筒状の外側ゴムチューブ２１で覆われる。この外側ゴムチューブ２１の上端と下端には、固定リング２１ａ，２１ａがそれぞれ配置され、それらをかしめることによって外側ゴムチューブ２１は管材部２５に固定される。

さらに、管材部２５の上部はジョイント部２３ｂの下部に覆われ、管材部２５の下部はジョイント部２４ｂの上部に覆われ、管材部２５とジョイント部２３ｂ，２４ｂとの間にはＯリング２５ｂ，２５ｂがそれぞれ配置されて止水処理が施されている。

そして、外周側の周面が外側ゴムチューブ２１で形成され、内周側の周面が内側ゴムチューブ２２で形成された外周部２ｂには、送水管５を通じて水が充填される空間が形成されている。

すなわち、上蓋部２３及び下蓋部２４には、上下方向に貫通する送水穴２３ａ，２４ａがそれぞれ設けられていて、その送水穴２３ａ，２４ａには送水管５，５がそれぞれ接続される。

そして、送水管５から水が外周部２ｂに送り込まれると、外周部２ｂの内圧が上昇して内側ゴムチューブ２２が光ファイバ４に密着することになる。ここで、この内側ゴムチューブ２２の変形は収縮であるが、内側ゴムチューブ２２を外周部２ｂの内周側の周面と見るとこの変形は拡張である。

さらに、外周部２ｂに充填された水は、連通穴２５ａから漏れ出して管材部２５と外側ゴムチューブ２１との間に充填されて、外側ゴムチューブ２１を孔壁方向に拡張させる。

このように光ファイバ４の外周に内側ゴムチューブ２２を密着させ、孔壁に外側ゴムチューブ２１を密着させることで、孔７内の孔軸方向の流体の流れが遮断される。

また、下蓋部２４の送水穴２４ａに送水管５を接続しておくことで、下方のパッカー２にも水を送ることができる。

次に、本実施の形態の地中ガスの検知方法と、地中ガス検知装置１及び地中ガスの検知方法の作用について説明する。

まず、図２に示すように、岩盤Ｇを掘削して孔７を構築する。この孔７は、例えば直径が50 mm〜200 mm、長さが数m〜数1000 mになる。

また、この作業と並行して、孔７の長さより長い光ファイバ４に、拡張させる前の状態のパッカー２，・・・を取り付け、図１，３に示すように送水管５でパッカー２，２間を接続しておき、最上段のパッカー２には地表に突出する長さの送水管５を接続しておく。また、ガス吸引管６の先端は、図２に示すように最下段のパッカー２の下方に突出させておく。

さらに、パッカー２，２間は、測定区間においてはストレーナ管３で接続し、それ以外の個所は、図示していないが、ロッドやワイヤーなどで連結する。

そして、図２に示すようにパッカー２，・・・などが取り付けられた光ファイバ４を孔７内に挿入し、光ファイバ４の下端が孔底７ａに接しない位置で孔７から地表に突出した部分をフランジ部７２に固定し、上端を測定器４２に接続する。

続いて、地表に突出した送水管５の上端から水を注入すると、パッカー２，・・・が下方から順次膨張し、孔壁に押し付けられて孔７内に固定される。

そして、図１に示すように、圧力センサ４１，・・・が検出した測定値を測定器４２に取り込み、その測定値に基づいて測定区間の孔軸方向の圧力分布図を作成する。

例えば、地中ガス検知装置１の測定区間の岩盤Ｇに亀裂Ｇ１が存在し、その亀裂Ｇ１から天然ガスなどのガスが測定区間に侵入すると、水よりも比重の軽いガスは上方に集まることになる。

すなわち、地下水中にガスが含まれている場合、測定区間の上部にガスが、下部に地下水が溜まることになる。そして、測定区間の複数個所で圧力センサ４１，・・・によって圧力を測定し、圧力分布図を作成すると、ガスと水との境界（水面Ｗ）で圧力勾配が変化する変化点が現れ、測定区間にガスが存在すると判定できる。

なお、このガスは、毛管圧力との関係で、一度、測定区間に取り込まれると、再び亀裂Ｇ１に漏れ出すことは少ない。

また、測定区間の上部に溜まったガスは、ガス吸引管６によって地表から採取して、その成分を分析することができる。すなわち、ガス吸引管６を引き上げて、その先端を、ガスが存在すると判定された測定区間の上部に移動させることで、上部に溜まったガスを採取することができる。

このように構成された本実施の形態の地中ガス検知装置１は、パッカー２で区切られた孔７内の圧力を複数個所で測定する。そして、パッカー２で区切られた測定区間の圧力分布から、ガスの有無を判定することができる。

このため、ガスの種類を特定しなくても地中にガスが存在するか否かを知ることができる。また、同時に地下水の圧力を測定できるので、その地下水が被圧地下水か否かなどを知ることもできる。

また、センサとしては圧力センサ４１を配置するだけでよいので、狭い孔７内に複数種類のセンサを配置しなければならない場合に比べて簡単な構成とすることができる。

さらに、一本の光ファイバ４に間隔を置いて複数の圧力センサ４１，・・・を設ける構成であれば、複数の圧力センサ４１，・・・を設置するために孔７内に挿入する通信線も一本の光ファイバ４で済むことになるので、狭い孔７内で複数のケーブルが錯綜せず、より簡単な構成とすることができる。

また、パッカー２の拡張する面を、孔壁方向と光ファイバ４方向の両方にすることで、孔壁とパッカー２外周面との間を通過する地下水やガスを遮断できるだけでなく、光ファイバ４周囲の隙間から漏れ出す水やガスをも遮断することができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態では、地中に鉛直下方に孔７を削孔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、水平方向を除けば、斜孔や上方に向けて削孔した孔でも本発明を適用することができる。

また、前記実施の形態では、パッカー２の拡張手段として送水管５を使用して水を注入したが、これに限定されるものではなく、ガスや空気などの気体やその他の流体を注入したり、遠隔操作で爆発する火薬によって拡張させたりしてもよい。

さらに、前記実施の形態では、一本の光ファイバ４によって複数の圧力センサ及び通信線を構成したが、これに限定されるものではなく、汎用の圧力センサや信号ケーブルを使用してもよい。

本発明の最良の実施の形態の地中ガス検知装置及び地中ガスの検知方法を説明する説明図である。 地中ガス検知システムの構成を説明する断面図である。 パッカーの詳細構成を説明する断面図である。

符号の説明

１ 地中ガス検知装置
２ パッカー
２ａ 中空部
２ｂ 外周部
２１ 外側ゴムチューブ（外周部の外周側の周面）
２２ 内側ゴムチューブ（外周部の内周側の周面）
４ 光ファイバ（通信線、圧力センサ）
４１ 圧力センサ
４２ 測定器
７ 孔
７ａ 孔底
Ｇ 岩盤（地中）

Claims (4)

1. 地中に削孔された孔内の孔軸方向の流体の流れを遮断するためのパッカーと、そのパッカー間又はパッカーと孔底間を孔壁に沿って接続するストレーナ管と、そのストレーナ管内に配置されて前記孔軸方向の複数個所の圧力を測定する圧力センサと、前記パッカーを遠隔から拡張させる拡張手段とを備えたことを特徴とする地中ガス検知装置。
2. 前記圧力センサは、連続する一本の光ファイバに前記孔軸方向に間隔を置いて複数個所に設けられることを特徴とする請求項１に記載の地中ガス検知装置。
3. 前記パッカーは、前記圧力センサに繋がる通信線を挿通させる中空部と、その外周を覆う外周部とを備え、遠隔からその外周部の内圧を上昇させると、その外周側の周面は孔壁方向に拡張し、内周側の周面は前記通信線方向に拡張することを特徴とする請求項１又は２に記載の地中ガス検知装置。
4. 地中に削孔された孔内の孔軸方向の流れを遮断するパッカーを配置する工程と、
   前記パッカーによって区切られた測定区間の孔軸方向の複数個所の圧力を測定する工程と、
   前記測定区間の前記孔軸方向の圧力分布を作成する工程とを備えたことを特徴とする地中ガスの検知方法。
   

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