JP2008533341A - 削岩機および岩石破砕方法 - Google Patents

Abstract

本発明は岩石を破砕する方法である。この方法は、ドリルロッドを用いて岩石に孔を穿設する工程と、ドリルロッドを孔に残す工程と、水流を用いて推進薬をドリルロッド内の通路を介して孔へ導入する工程と、ドリルロッドの先端部で、少なくともドリルロッドおよび水を用いて、抑制作用を生じる孔および通路内で推進薬に点火する工程とを含む。
【選択図】なし

Description

発明の背景

本発明は、一般に岩石破砕に関するものである。さらに詳細には、本発明は、実質的に連続して行うことができる岩石破砕システムに関するものである。

発明の簡単な説明

本発明は、最初の一実施例において、岩石破砕方法を提供する。この方法は、岩石に孔を穿設する段階と、孔に推進薬を導入する段階と、孔に込め媒体を入れ込む段階と、推進薬に点火する段階とを含んでいる。

推進薬は管を介して孔に導入してよく、望ましくは、孔をドリルロッドで穿設し、推進薬をドリルロッドにおける通路を介して孔に導入する。

本方法は、ポンプで水を孔へ送り送り込む段階を含んでいてもよく、それを込め媒体としてもよい。この水は、推進薬導入の前後、または実質的に推進薬と同時に孔へ入れることができる。また、管およびドリルロッドを用いた場合であっても抑制効果がある。

推進薬は任意の適切な手段を用いて孔へ導入してよいが、水による加圧下で孔へ導入するのが望ましい。

任意の適切な手段を用いて推進薬を穴へ加速注入することによって推進薬に点火してもよいが、高水圧を利用して推進薬を穴へ加速注入することが望ましい。

孔もしくはドリルロッド内にある点火手段によって推進薬に点火してよく、点火手段は、ドリルロッド内にある、またはドリルロッドに取り付けられたドリルビット上にある点火装置によって構成されるのが望ましい。

推進薬がドリルロッドにある間に、その先端部で推進薬に点火して（刺激を与えて）もよいし、または推進薬がドリルロッドの外、例えば穿設された孔の盲端の反対面とドリルビットの先端の反対面との間に位置する際に点火してよい。後者の事例での点火は感圧式雷管を始動させることによって達成することができる。

他には、推進薬をドリルロッドから十分に高速で放出することによって推進薬に点火して、雷管と、雷管に連結された任意の小型衝撃伝達部材とを有する薬筒の先端部がドリルロッドの排出端部、すなわち孔の盲端に対向する岩石面を打撃してもよい。この構成ではドリルロッドの外で薬筒によって点火する。

しかしながら、実質的にドリルロッドとドリルビットとの接合点で推進薬に点火することが望ましい。

さらに本発明は、岩石破砕方法を提供する。この方法は、下記の工程、すなわち、
a） ドリルロッドを用いて岩石に孔を穿設する工程と、
b） ドリルロッドを穴に残す工程と、
c） ドリルロッドにある通路から水流を用いて孔へ推進薬を送る工程と、
d） ドリルロッドの先端で、抑制作用を生む孔および通路の中で、少なくともドリルロッドと水を用いて推進薬に点火する工程とを含む。

本発明はさらに、削岩機を提供する。これはドリルロッドと、ドリルロッドに取り付けられたドリルビットと、ドリルロッドを介してドリルビットへ延在する通路に連結された薬筒供給ラインと、供給ラインへ推進薬を送る薬筒庫と、薬筒を通路に沿って案内する加圧水供給源とを含む。

削岩機は、推進薬を点火する火工品をドリルビットにおいて、またはドリルビットの近くに含んでいてもよい。

薬筒は、火工品と接触することによって推進薬に点火する点火雷管を含んでいてもよい。

ドリルビットは、通路からドリルビットの側部へ伸びる少なくとも１つの流路を含んでいてもよい。これは、推進薬に点火することにより生成される圧力波をドリルビットで穿設された孔の盲端へ向けて送ることによって、岩石の破壊を開始する。

加圧水は、通路から薬筒を十分な高速で推進させて、薬筒に孔の壁を打撃させ、打撃後に起爆させるようにしてもよい。

また本発明は、岩石破砕用薬筒を提供する。これは、壊れやすい材料で作られた筐体、筐体内にある推進薬、筐体の先端部にある点火雷管、および筐体の末端部にあるシールを含んでいる。

シールを、ポリスチレン、気泡ゴム、または同種のものなどの柔軟性のある適切な材料で作られたシール部材を用いて、または筐体の終端部にある柔軟性のある拡大した裾部もしくは縁部を用いて、または他の適切な方法で提供してよい。

筐体は、上述のように壊れやすい材料で作られる。材料は、かなり脆く、また推進薬起爆後に砕けて多数の小片になる種類のものである必要がある。この特性によって推進薬点火後にもし破片が残った場合には、これらをドリルロッドもしくはドリルビットの通路を介して洗い流すことが可能になる。

次に、添付の図面を参照して、一例をもって本発明をさらに説明する。

好ましい実施例の説明

添付図面の図１は地下掘削孔12における掘削機10を示している。適切な実装組立台16上にある削岩機14は、掘削機10に取り付けられている。構成要素10、14および16は実質的に従来のものであるため、以降詳細には説明しない。

ドリルロッド18は削岩機に取り付けられ、その先端部にドリルビット20を有している。

装置は岩石面22に孔を穿設するのに用いられる。図１に、１つの孔24を示す。

掘削機はキャビンまたは操作者用プラットホーム28を有している。プラットホームの適切な位置から、爆薬筒供給ライン30が爆薬筒庫32へ伸び、この爆薬筒庫は削岩機14に取り付けられている。

図２に、本発明の岩石破砕方法で用いられる爆薬筒36の一形態の構造を断面で示す。爆薬筒は筐体38を有し、これは脆く壊れやすい材料、例えば硬質プラスチック材料で作られ、推進薬40を含んでいる。推進薬は技術的に公知のエネルギー物質であり、これは起爆させると爆発作用なしに高エネルギーガスおよび蒸気を生成する。

筐体38は先端部42を有し、この端部の中央に点火雷管44が配置されている。末端部46ではカバー48が筐体と係合し、これによって筐体内に推進薬を防水しながら保持している。本発明のこの例では、末端部46は放射状に外に向かって張り出し、これによってシール50を形成している。このシールは筐体38と一体化となって、後述するように周囲表面に作用する。シール50の代わりとして、またはこれに加えて、気泡ゴム、またはポリスチレン、またはこれの同等物などの適切な弾性材料で作られた円盤を末端部でカバー48と係合させることによって、これが後述のように供給ラインの中を通るので、爆薬筒用シールを形成することができる。

図３に火薬庫32を断面で示す。火薬庫は覆い60を含み、これを通って穴62が延び、その中に、公知の方法で削岩機14と係合可能な従来のスプライン構造66を備えたドリルシャンク64が配置されている。ドリルシャンク64は軸受け68で支持され、シール70によって保護されている。

シャンク64の一方の側には開口72が形成され、これは中央に配置された通路74へ通じている。また開口72と対抗する側の外側には浅い溝または平面構造76が形成されている。

供給ライン30は覆い60に連結し、大通路78、および２つの枝通路80、82にそれぞれ連絡している。ピストン84が孔86内で往復運動するように取り付けられている。多いとピストンとの間でバネ88が作用する。ピストンは２つのバネ式逆止め弁90、92をそれぞれ有している。

覆い60へは補助給水ライン94が連結されて、実質的に孔86と対向する孔98にあるピストン96の作動を制御する。ピストン96と覆いとの間でバネ100が働く。

掘削機10のプラットホーム28において、供給ライン30は供給ボックス102内で終端となり（図４に示す）、供給ボックスは、高圧大流量水ライン104、定圧定流量水ライン106、および施錠装置108と連結されている。

ライン104、106には、制御弁110、112がそれぞれ設けられて、ラインを通って供給ボックスにある中央穴114へ向かう水流を制御する。弁110、112は掘削機のキャビン内であって、操作者が容易に近づける位置に配置されている。

図５に、ドリルロッド18の先端部に取り付けられたドリルビット20を拡大して示す。通路116がドリルロッドの中を中心に延び、ドリルビット内の通路118と連通している。ドリルビットの通路は２つもしくは３つの傾斜流路120に分岐し、これらは通路118から、実質的にドリルビットの先端124とその側部126との境界であるドリルビットの先端122に向けて放射状に広がっている。

本発明の方法を実行する場合、操作者は掘削機を制御する際に岩石面に孔24を穿設する。孔は適切な深さ、例えば1200mmから1500mmの範囲で穿設することができ、適した直径は例えば約100mmである。ドリルロッド18は孔内に残され、ドリルビット20は図５に示すように孔の盲端130の近傍に置かれる。

次に操作者は図２に示す様式の推進薬筒36を取り、爆薬筒を供給ライン30の中に装填する。これは施錠装置108を供給ボックスから外し、爆薬筒を中央穴114にセットすることによって行われる。爆薬筒は、弾力性のあるプッシュロッドによって、または単に施錠装置を閉鎖し、弁112の制御下でライン106を介して流れる低圧の一定量の水の流れによって、供給ライン30に沿って爆薬筒庫を通って供給される。しかし、この工程を自動化することができる。

図３に示すドリルシャンク64は緩やかに回転してスロット76とピストン96とを正確な位置関係にする。この時点で、水が管94を介して孔98へ注入され、ピストン96が動いてドリルシャンクのスロット76と接触する。バネ100は、作動中の水圧が解放された後、ピストンを引き戻すのに用いられる。

爆薬筒36は供給ライン30の排出端部から通路78を介して孔86の中へ水圧によって移動する。爆薬筒は、最初は通路78から穴への水の流れを阻止または大きく制限する。しかし、枝通路80、82が開き、少量の水がこれらの通路を通って流れる。バネ88は、ピストン84を最初は図３に示す位置に保つ。

次に、操作者は水量を増大させる。通路82は小さく、限定された水量しか流すことができない。しかし水圧が枝通路80からピストン84の上端部に対して加えられるので、その後ピストンが孔86をドリルシャンク64へ向けて移動し、ピストンによって爆薬筒は開口部72に向けて動かされる。

ピストンが通路78の排出端部を通過すると、主水流が増す。２つのバネ式逆止め弁90、92は水をドリルシャンク内へ流入させ、その後、現在通路74にある爆薬筒がドリルロッド18に沿って推進される。

逆止め弁90、92は逆方向への水流を防止する。バネ86は、（後述するように）爆薬筒が爆発し水流が止められた後、ピストンを引き戻す。

ドリルロッド18を流れる水量はかなり大きく、推進薬の爆薬筒は通路116に沿って少なくとも3m/sで加速される。図５に示すように、爆薬筒36は最終的には、起爆または点火装置、もしくはその構造物134により構成されているドリルビット20内の地点に到達する。この位置が合わされているため、爆薬筒が構造物134に到達した時、爆薬筒の先端部42にある点火雷管44が構造物とちょうど接触する。構造物134を、例えば流路120の合流点で形成してよい。

雷管が点火ピンを打撃するので、筐体38内の推進薬40が点火される。通路116および、ドリルロッドの半対面と孔24との間にある水が、爆薬筒に対する良好な込め物となる。

爆薬筒を加速して通路を降下させるのに必要な高圧水はいずれかの適した方法で提供されるが、アキュムレータから得るのが望ましい。アキュムレータの大きさにもよるが、推進薬用爆薬筒の後ろの圧力を10mPaの範囲にしてよい。爆発圧は約10ms程度で400mPaまで増加する。事実上、高速の液相スラグがドリルロッドの通路116を流通する。この水は、圧力が最大爆発ピークにまで増大しているので、停止することはなく、かつ逆方向には流れない。爆発する爆薬筒からの急激で極端に高圧のパルスが水中へ送られ、これは全方向に作用する。高圧パルスはドリルビットを介してドリルビットの前部へ、ドリルビットの周囲へ、およびドリルロッドの外面に沿って伝播される。爆薬筒の爆発は反動衝撃と反動力とを生じる。打撃衝撃は推進薬の燃焼速度に関係し、他方、反動力は爆薬筒内の推進薬の量と岩質とに関係する。

図６に、本発明のわずかに違う一例を示す。ドリルビット20Aは通路118Aにより形成され、この通路はドリルビットを通ってこの先端部124Aへ伸びている。爆薬筒36は通路116を通じて加速されるため、ドリルビットを出て、先端部124Aと孔の盲端130との間のボリューム部136へ入ることができる。爆薬筒36を、例えば高圧水パルスを用いて点火して、岩石を破壊する大きなエネルギー物質を生成することができる。孔24にある水と、ドリルロッドの周囲および内部の水とが、前述したのと同様に、効果的な込め物の作用を形成して、点火された推進薬の効果を最適化するのに役立つ。

ドリルビットの質量、ドリルロッドの質量、ドリルシャンクの質量、削岩機の質量、ドリル送りの質量、および穿孔用ブーム構造物の質量は反動力を和らげる。

この種の用途に適している代表的な削岩機は、液圧で作動されるものである。往復ピストンは穿孔中にドリル鋼を打撃するのに利用される。ドリルの油圧ラインは窒素充填アキュムレータへ連結され、往復運動によって生じる圧力のピークを和らげる。この打撃運動は削岩機に配された弁装置によって制御される。

ピストンと、アキュムレータとを反動力に対する追加的緩和手段として用いることができる。制御弁を開けたままにして、油圧ラインの圧力でピストンをドリルシャンクに対して押し付けることができる。その後、反動力でピストンが逆行し、オイルはピストンの後ろから油圧ラインおよびアキュムレータへ流れる。

推進薬用爆薬筒36は、標準寸法に作られるのが望ましいが、必要に応じてさまざまな量の推進薬を装填できる。例えば、非常に激しい爆破に対しては100gの推進薬で足りると考えられ、小規模の爆破に対しては少量、例えば50gまたは75gで足りると考えられる。

前述したように、爆薬筒の筐体の材料は脆くして、爆破時に材料が砕けて小片になる必要がある。爆破後、別の孔を穿設する場合、水によってその孔から岩屑を流し出す。

点火雷管を上述の方式で、すなわち爆薬筒がドリルビットへ到達した時の物理的な動作によって点火することができる。代わりに、点火雷管を感圧式装置にすることができ、これを給水時に生じる高圧パルスによって起動させることができる。

爆薬筒を直線の通路116から自動的に直接取り出して、雷管を有する爆薬筒の先端部で穴24の壁を打撃することができる。この力は雷管を起動するのに十分に大きく、したがって、爆薬筒の点火にも十分である。

本発明のこの例の場合、小型の衝撃転送装置を爆薬筒の先端部へ任意に取り付けてもよい。この装置は孔の壁を打撃し、打撃力を雷管へ伝え、これによって雷管が起動して爆薬筒内のエネルギー物質に点火する。

他の可能性として、雷管を起動するドリルビットの部分に雷管が接触するので、雷管を爆薬筒に、例えば爆薬筒の覆いの側部または後部に、爆薬筒がドリルビットから突出するように取り付けてもよい。

すでに明らかであるが、爆薬筒全体がドリルロッド/ドリルビットにある際、爆薬筒全体がドリルロッド/ドリルビットの外側にある際、または爆薬筒の一部がドリルロッド/ドリルビットの内側および外側にある際に、爆薬筒に点火することができる。

本発明の方法では、水は、推進薬用爆薬筒を穴へ供給するために用いられ、また非常に効果的な込め物を提供するのに用いられる。高圧水を用い、破砕工程を迅速に行うことによって、岩石のひび割れが爆破前に埋められる。したがって、爆破から出る高圧のガスが噴出すことはなく、最大爆破圧がそのひび割れの中へ伝達されて岩石破砕効果を高める。

爆破の際の水は安全上の問題にはならない。爆破中に孔にある水の量は非常に少なく、爆破後、爆発から圧力が約400mPaから常圧へ落ちると、水は実質的に瞬間的に蒸発する。

爆発を水およびドリルロッドを用いて、削岩機でバックアップし、穴の中で抑制する場合、爆薬筒の岩石破砕力を非常に効率的に利用できることは明らかである。ドリルロッドを上述のように使用することが望ましいが、ドリルロッドを孔24から取り出し、次いで特別に形成した管（図示せず）を用いて孔の中へ爆薬筒を装填することによって、実質的に上述と同様の効果を達成することができる。しかし、この手法はより面倒で、時間が掛かる。

岩石破砕は孔24が穿設された直後に行われる。したがって、穿孔および破砕はすべて実用目的の連続工程である。

岩石破砕システムは推進薬に関しては安全で環境にやさしく、有毒ガスを発生せず、特別な換気設備を必要としない。この工程で使用される水は爆発して蒸気になり、粉塵を抑制するのに役立つ。

地下掘削孔における本発明の方法を利用する掘削機を示す図である。 本発明の方法で用いられる爆薬筒の一候補の構造形態を示す図である。 本発明で用いられるシャンクロックおよび爆薬筒庫の構造を示す拡大断面図である。 爆薬筒供給ライン設備の構造を示した断面図である。 および 本発明で使用されるドリルビット装置の種類を示す図である。

Claims (22)

1. 岩石に孔を穿設する工程と、推進薬を該孔の中へ導入する工程と、込め媒体を前記孔の中へ入れる工程と、前記推進薬に点火する工程とを含むことを特徴とする岩石破砕方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記推進薬は前記孔の中へ管を介して導入されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記推進薬に点火する際、前記管を前記孔に残すことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記孔をドリルロッドによって穿設し、前記推進薬を該ドリルロッド内の通路を介して孔の中へ導入することを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記推進薬に点火する際、前記穴に前記ドリルロッドを残すことを特徴とする方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記孔の中へ水を注入することによって前記込め媒体を提供する工程を含むことを特徴とする方法。
7. 請求項１に記載の方法において、水を利用して前記推進薬を前記孔の中へ導入することを特徴とする方法。
8. 請求項１に記載の方法において、込め媒体は水であり、これを孔の中へ入れ、同時に該水を用いて前記推進薬を孔の中へ導入することを特徴とする方法。
9. 請求項１に記載の方法において、高圧水を用いて前記推進薬を前記孔へ加速することによって推進薬に点火することを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法において、前記孔内の点火手段によって前記推進薬に点火することを特徴とする方法。
11. 請求項９に記載の方法において、前記推進薬を前記孔の壁に打撃させることによって該推進薬に点火することを特徴とする方法。
12. 請求項４に記載の方法において、前記通路を通る水流を用いて該通路を介して前記推進薬を導くことを特徴とする方法。
13. 請求項４に記載の方法において、前記推進薬が前記通路にあるときに該推進薬に点火することを特徴とする方法。
14. 請求項４に記載の方法において、前記推進薬の一部が通路内に、および該推進薬の一部が通路外にあるときに該推進薬に点火することを特徴とする方法。
15. 請求項４に記載の方法において、前記通路の外側で前記推進薬に点火することを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記推進薬で孔の壁を打撃することによって該推進薬に点火することを特徴とする方法。
17. 岩石破砕方法において、該方法は、
    a） ドリルロッドを用いて岩石に孔を穿設する工程と、
    b） 該ドリルロッドを該孔に残す工程と、
    c） 水流を用いて推進薬を前記ドリルロッド内の通路を介して前記孔の中へ導入する工程と、
    d） 前記ドリルロッドの先端部で、少なくとも該ドリルロッドおよび水によって前記推進薬を、抑制作用を生成する前記孔および通路内で点火する工程とを含むことを特徴とする方法。
18. ドリルロッドと、該ドリルロッドへ取り付けられたドリルビットと、前記ドリルロッドから該ドリルビットへ延在する通路に連結された爆薬筒供給ラインと、該供給ラインに推進薬筒を装填する薬筒庫と、該薬筒を前記供給ラインから該通路に沿って導く加圧水の供給源とを含むことを特徴とする削岩機。
19. 請求項１８に記載の削岩機において、前記ドリルビットに、もしくはその付近に、前記推進薬に点火する起動手段を含むことを特徴とする削岩機。
20. 請求項１８に記載の削岩機において、前記薬筒は点火雷管を有し、該点火雷管は前記起動手段と接触することによって前記推進薬に点火することを特徴とする削岩機。
21. 請求項２０に記載の削岩機において、前記ドリルビットは少なくとも１つの流路を有し、該流路は前記通路から前記ドリルビットの側面へ向けて延びていることを特徴とする削岩機。
22. 壊れやすい材料で作られた筐体と、該筐体内にある推進薬と、前記筐体の先端部にある点火雷管と、前記筐体の末端部にあるシールとを有することを特徴とする岩石破砕用薬筒。

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