JP2008514832A - 岩石破壊方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、削岩で穿孔する岩石を破壊する方法である。この方法では、穿孔する岩石に工具を介して連続する応力パルスを当てる。この方法は、応力パルスを高い周波数で岩石に与えることと、周波数の値、および応力波長に基づいて算出される負荷比率を0.075にすることとを含む。

Description

発明の背景

本発明は、削岩において削岩する岩石を破壊する方法であり、削岩する岩石に工具を介して連続する応力波を当てて、工具から発せられる応力波のエネルギーによって岩石を破壊する方法に関するものである。

削岩などにおいて、岩石はドリルロッドもしくはドリルビットなどの工具の端部によってその岩石に応力波を伝えることで破壊される。今日では応力波は一般的に、圧力媒体によって削岩機または衝撃装置における衝撃ピストンを前後に動かして工具の端部を打ち当てることによって形成される。削岩では、応力波の供給と工具の回転とが同時に行われるが、実際には岩石材の破壊は工具からその岩石へ伝えられる応力波のエネルギーに基づいている。

一般的には、応力波のエネルギー量の約50%ないし80%が破壊する岩石に伝わる。岩石材に対して伝えられるエネルギーは、マクロクラック、岩石材の破壊、および弾性波をもたらす。この弾性波に凝集されたエネルギーは、岩石材を破壊することによって失われる。一方、破壊によりマクロクラックが発生し、これは岩石材の破壊よりも効率的である。マクロクラックによって大きな粒子が岩石材から剥がれるのに対し、破壊では岩石材は完全に細かく粉砕され、これは大きなエネルギー量を必要とする。したがって、岩石の破砕ではなく、できる限り多くのマクロクラックを生成することが望ましい。

現在の衝撃装置は、低周波数の応力波、一般的には20〜100Hzの応力波を形成する。この応力波の波長はかなり短く、約0.2〜1.6mである。一方で、応力波の振幅およびエネルギー量は大きい。振幅は最大で一般的に200〜300MPaである。応力波の振幅のため、使用する丸こまビットを高負荷に耐えるように設計する必要があった。したがって、丸こまビットには多数の破岩用丸こまを設けて、これらの丸こまを負荷のピークに耐えるよう設計する必要があり、これらの形状は破岩には不利になる。よって、丸こまビットに対する、丸こまビットによって岩石に及ぼされる力の比率を表す、いわゆる丸こまビットの貫通抵抗が大きくなる。

丸こまの不利な形状とともに高いエネルギー順位が、岩石の破壊および剥離における効率の低下をもたらす。同様に大きな応力波振幅値は、用いる削岩機器、すなわちドリルロッドおよび丸こまビットの耐用年数を短くする。マクロクラックの生成については、いわゆる攻撃的形状の丸こまを用いることが好ましいが、これは現在の応力波の振幅度では不可能である。このような丸こまを使用することが可能な場合、破岩の効率が現在の方式と比較してかなり上がると考えられる。

現在の方式の開発では、概ね、より大きな衝撃力を用いることに焦点が置かれ、よって以前よりも大きな応力波振幅が用いられることに焦点が置かれている。しかし意外にも現在の傾向とは反対に、現在よりかなり小さい応力波振幅を用いる本発明による方法で同じ結果を得られることが分かっている。

発明の簡単な説明

本発明は、岩石材破壊方法を提供することを目的とし、それによって現在よりも効率を良くするとともに、機器の耐久性および耐用年数を長くすることを目的とする。

本発明による方法は、高周波の応力パルスを岩石に与え、さらに応力波の振幅を小さくして、周波数の値および応力波の長さに基づいて算出される負荷比率を少なくとも0.075にすることを特徴とする。

本発明の根底をなす思想は、現行の周波数よりも実質的に高い応力波周波数と、これに応じて、応力波のサイクル時間で比較すると現行の応力波よりも実質的に長い応力波とを用いることにある。これによって破岩に用いる負荷の比率を現行の機器の負荷比率よりも実質的に大きくすることができる。

本発明の利点は、現行の応力振幅より小さい振幅であっても、高い負荷比率で十分に破岩を行えることである。さらに本発明の利点は、丸こまビットの丸こまを応力最高値の必要条件に従って形作る必要がないことであり、これらを低応力度にしてより積極的に形成し、岩石に対する破壊効果を現在の丸こまビットにおける効果よりも高くできることである。さらに、応力波振幅を用いることによって例えばドリルロッドや他の装置などの従来よりも軽い軽量工具が使用でき、またこれらの工具の耐用年数を延ばすことができる。

次に、本発明を添付の図面において詳細に説明する。

発明の詳細な説明

図１は、従来技術による衝撃装置が提供するそれぞれの応力パルスを概念的および時系列的に示す。縦軸は応力波の応力振幅σを示し、横軸は時間tを示す。図１からわかるように、応力波の長さt_pは２つの応力波間のサイクル時間Tに比べてかなり短い。これは、応力波がドリルロッドに対する衝撃ピストンのストロークによって発生されることに基づき、またドリルロッドの動作が衝撃ピストンの長さに比例するので、かなり短くなる。衝撃ピストンの往復運動により、衝撃周波数は今日では一般的に約20〜100Hzであり、これによってストロークにより生じる応力波の時間の長さは、連続するストローク間の時間に比べて非常に短い。同時に発生される応力波の振幅σは一般的には大きく、200〜300Mpaである。

図２に、本発明による方法によって形成される応力波を示す。本発明による方式において、応力波の振幅は図１の応力波と比較するととても小さい。本発明の方法では、応力波の周波数が公知の方式によるものよりも実質的に高いので、応力波間の時間Tで比較すると応力波の長さt_pは公知の方式におけるものよりも著しく長くなる。

破岩における用語「負荷比率α」は、破壊する岩石に対してどのように時系列的に負荷をかけるかを決めるものである。これは次の等式で表すことができる。

ここで、t_pは応力波の長さ、ｆは周波数、L_pは波長、cは工具での応力波の速度である。現在の衝撃装置による代表的な負荷比率は、
α=0.01〜0.025である。

例えば、ピストンの長さが0.5m、周波数が60Hzの衝撃装置を用いた場合では、0.012である。

本発明を用いた場合では、極めて高い負荷比率が得られ、
α=>0.075、望ましくは少なくとも0.1である。

理論的には、負荷比率の最大値は１であるが、実際においては１になることはない。応力波を生成する装置の時間の一部は、その応力波の実際の発生、および戻り時間の一部、すなわち応力波発生位置への移動に使われる。しかし実際では、戻り速度は１つの応力パルスの発生速度よりも速くはならないので、実際における最大負荷比率は約0.5になる。

エネルギーWおよび力Pは、衝撃装置から工具を介して破壊する岩石などの材料へ供給され、これらは方形応力パルスに関しては次の等式によって決めることができる。

ここで、A_kは使用する工具、すなわちドリルロッドの断面積、E_kは同じ工具の弾性係数である。

現在の装置の負荷比率よりも大きな負荷比率を用いる場合、現在の大きさの応力振幅は使用することができず、掘削機器の耐用年数を著しく短くすることになる。また攻撃的丸こまが設けられた丸こまビットは、本方法による能率的な利用には必要であるが、現在の負荷度には耐えない。さらに、衝撃装置に要求される衝撃力は現在のものの4〜10倍に増大すると考えられる。

負荷比率は、例えば応力波の周波数を上げることによって高くすることができる。この原理を適用することによって、応力波の振幅は衝撃力の均一性を利用して次の等式により表すことができる。

ここで、σ_refeは参照振幅、すなわち現時の衝撃装置による標準的な応力度であり、α_refeは対応する参照負荷比率である。現在使用されている高応力値、すなわち 300Mpaが参照振幅σ_refeとして選択され、さらに0.025が負荷比率α_refeとして選択された場合、最大振幅は、

本発明によれば、応力波の周波数は、現在の方式における周波数よりも実質的に大きく、少なくとも250Hz、望ましくは350Hzよりも大きい。例えば350〜1000Hzである。

上記の周波数において負荷比率が少なくとも0.075である場合では、本発明による方法では最大振幅として150Mpaを得ることによって効率の良い掘削結果が達成される。さらに低い振幅でも良好な結果を生むが、削岩する破岩には明らかにかなりの高振幅度がさらに必要になる。実際では、応力振幅が約25Mpaの場合、望ましくは応力振幅が約40Mpa以上の場合に、本発明による方法の利点が現れ始める。

衝撃ピストンを有する現在の装置において、応力波は理論的にはほぼ方形パルスの形をなし、その長さは衝撃ピストンの長さの２倍になるように決められている。応力波が衝撃ピストンで工具を打ち当てる以外の方法で生成される場合、その形は方形からかなり逸脱してもよく、例えば図３に示すようであってもよい。このような場合、応力波の振幅は図３に示すように振幅の最大値σ_maxで示し、その長さを実質的に図３に基づいて決めることができ、応力波の長さは、その応力波が上昇する時に応力が値0.1×σ_maxを越える点と、応力波が下がる時に値0.1×σ_maxより下になる点との間の時間になる。

応力波を生成する他の方法としては、例えば供給電流の長さもしくはパルス様電流のパルス長を基に応力波を生成する電気装置または電磁装置が挙げられる。また、応力波を生成する他の方法として、圧液の圧力によりエネルギーを充填することによって応力波を生成する方式が挙げられ、例えばエネルギーを応力装置へ充填し、これを圧縮エネルギーとして工具へ放出することによって応力波を生成する方式や、または圧液の圧力により生じる圧縮力を工具に直接当てることによって応力波を生成する方式がある。したがって一実施例では、応力パルスの形成期間に圧液の圧力を工具の端部に直接的にまたは間接的に作用させて、この圧力により生成される力で工具を圧縮することで圧縮力を形成している。上述のすべての例において、応力波を、衝撃ピストンのストロークによってではなく、定期的に圧縮力をドリルロッドなどの工具に当てることによって生成して、応力波の作用中にこの圧縮力が工具に応力波を生成することが好ましい。したがって、本方法を適用した場合、応力波の周波数および長さは、工具に作用する圧縮力の有効周波数および有効時間を調整することによって調節される。

一例として上記説明と図面によって本発明を説明したが、これらには決して限定されることはない。重要なことは、応力波の周波数が現在の衝撃周波数よりも著しく高いこと、応力波によりもたらされる負荷比率が現在の装置によりもたらされる負荷比率よりも著しく大きいこと、および応力の振幅が現在の応力波の振幅よりも著しく小さいことである。

現在の応力パルスを概念的および時系列的に示す図である。 図１と同様に、本発明の方法を用いた衝撃装置の応力パルスを示した図である。 応力波を概念的に示す図である。

Claims (9)

1. 連続する応力パルスを穿孔する岩石に工具を介して当てて、該工具から該岩石に伝達される応力波で前記岩石を破壊する、削岩で穿孔する岩石の破壊方法において、前記応力パルスを高い周波数で前記岩石に与え、前記応力波の周波数（f）および長さ（t_p）に基づいて算出される負荷比率（α）を少なくとも0.075にすることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、上記負荷比率（α）を少なくとも0.1にすることを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、上記応力波の周波数は少なくとも250Hz、望ましくは少なくとも350Hzであることを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、上記応力波の振幅は低く、実質的に150Mpaであることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、上記応力波の振幅は小さく、少なくとも25MPa、望ましくは40Mpaであることを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記応力波を、衝撃装置によるストロークではなく、ドリルロッドなどの前記工具に定期的に圧縮力を与え、該圧縮力が前記工具に応力波を生成することによって形成することを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記圧縮力を圧液の圧力を用いて生成することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記圧縮力を、前記圧液の圧力を応力パルス形成期間に前記工具の端部へ直接または間接的に作用させて該圧力により生じた力が該工具を圧縮することによって生成することを特徴とする方法。
9. 請求項６ないし８のいずれかに記載の方法において、前記応力波の周波数および長さを、前記工具に作用する圧縮力の有効周波数および有効時間を調整することによって調節することを特徴とする方法。

Images