JP2016108804A - 水圧破砕試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】注水量を微細に制御することができ、よって再開口時および閉口時の圧力の測定精度を高めて岩盤における最大主応力および最小主応力を正確に評価することができる水圧破砕試験装置を提供する。【解決手段】一対のパッカー２間に注入孔３が形成された遮蔽手段１と、パッカー２に加圧流体を供給してパッカー間に試験区画を形成させる加圧手段５と、注入孔から試験区間に加圧水を供給する加圧試験水の供給手段６とを備え、加圧試験水の供給手段６は、ステッピングモータ１１と、ステッピングモータ１１の回転を直線運動に変換する直線駆動機構１４、１７と、この直線駆動機構によって駆動されるピストン２１によって内部に供給された水を加圧する水圧シリンダ１３と、水圧シリンダの加圧水の吐出口７ａに接続されるとともに遮蔽手段１に接続されて注入孔に連通するステンレス管８とを備えてなる。【選択図】図１

Description

本発明は、岩盤に自然状態において作用する応力を測定するための水圧破砕試験装置に関するものである。

大規模地下空洞等の設計時に、その安全性を担保させるためには、予め対象となる深部において、岩盤に自然な状態で作用している応力を測定しておくことが重要である。このため、例えば下記特許文献１、２に見られるように、上記岩盤に所定の深度までボーリング孔を穿設し、このボーリング孔を利用して、水圧破砕試験装置を用いて上記地盤の応力を評価する方法が採用されている。

図７は、下記非特許文献１において示されている従来のこの種の水圧破砕試験装置を示すもので、図中符号３０がドリルロッド３１の下端部に取り付けられてボーリング孔Ｈ内に挿入される遮蔽装置である。この遮蔽装置３０は、所定の間隔をおいて配置された一対のゴム製の袋体からなるパッカー３２を備えたもので、これらパッカー３２間には、ドリルロッド３１の内管に連通する注水孔３３が穿設されている。

そして、これらパッカー３２には、手動の水圧ポンプ３４の吐出口に接続された高圧ホース３５の他端部が接続されている。また、注入孔３３と連通するドリルロッド３１の上端部にコネクタ３６が取り付けられ、このコネクタ３６に鋼製ロッド３７の一端部が接続されるとともに、当該鋼製ロッド３７の他端部が水圧ポンプ３８の吐出口に接続されている。

ちなみに、上記水圧ポンプ３８としては、一般に汎用のプランジャーポンプ等が用いられている。
なお、図中符号３９は、水圧ポンプ３８の吐出圧をデータロガー４０に送信するための圧力変換器であり、符号４１は、水圧ポンプ３８からの流量を検出する流量計である。

上記構成からなる水圧破砕試験装置によって岩盤に自然状態で作用する応力を評価するには、先ず手動の水圧ポンプ３４によって加圧した水をパッカー３２に供給し、これらパッカー３２を膨張させてボーリング孔Ｈの内壁に密着させることにより、パッカー３２間に試験区画を形成する。

次いで、水圧ポンプ３８を作動させて、注水孔３３から上記試験区画内に加圧水を供給し、加圧によって内壁に引張き裂を生じさせた後に、加圧を停止して圧力を解放し、次いで再加圧および圧力解放を順次繰り返して、上記引張き裂の方向から最大主応力方向を求めるとともに、き裂の再開口時と閉口時の圧力から最大主応力と最小主応力を求めている。

特開２０１０−１７４５５９号公報 特開２００７−９６４５号公報 ＡＳＴＭ Ｄ４６４５−０８ Standard Test Method for Determination of In-Situ Stress in Rock Using Hydraulic Fracturing Method

ところで、上記従来の水圧破砕試験装置にあっては、一般的に水圧ポンプ３８としてプランジャーポンプを用いていることに加えて、水圧ポンプ３８とドリルロッド３１上端部のコネクタ３６とを、可撓性を有する汎用の高圧ホース３７で接続している。このため、プランジャーの往復動により送水系統における注水流量の変動が大きく、この結果加圧水の注水圧力に変動を来たすとともに、小さな送水量の制御が困難であることから、再開口時および閉口時の圧力を正確に把握することが難しいという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、注水量を微細に制御することができ、よって再開口時および閉口時の圧力の測定精度を高めて岩盤における最大主応力および最小主応力を正確に評価することができる水圧破砕試験装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、一対のパッカーが設けられ、測定対象となる岩盤に穿設されたボーリング孔内に挿入されるとともに上記パッカー間に加圧水の注入孔が形成された遮蔽手段と、上記パッカーに加圧流体を供給して当該パッカーを膨張させることにより上記パッカー間に試験区画を形成させる加圧手段と、上記注入孔から上記試験区間に試験用の加圧水を供給する加圧試験水の供給手段とを備えた水圧破砕試験装置において、上記加圧試験水の供給手段は、ステッピングモータと、このステッピングモータの回転を直線運動に変換する直線駆動機構と、この直線駆動機構によって駆動されるピストンによって内部に供給された水を加圧する水圧シリンダと、一端部が上記水圧シリンダの加圧水の吐出口に接続されるとともに他端部が上記遮蔽手段に接続されて上記注入孔に連通するステンレス管とを備えてなることを特徴とするものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、直線駆動機構が、上記ステッピングモータの出力軸と一体化されて回転駆動されるネジ軸と、このネジ軸に螺合されるとともに回転止め機構が設けられることにより上記ネジ軸の軸線方向に移動自在に設けられたナット部材とを有し、上記ナット部材に上記ピストンの基端部が固定されていることを特徴とするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、上記加圧試験水の供給手段は、その剛性を示すコンプライアンスが３〜５ｍｌ／ＭＰａであることを特徴とするものである。なお、コンプライアンスとは、閉鎖系の単位圧力を上昇させるために必要な水の注入量であり、岩盤の剛性に依存する。このコンプライアンスは、その値が小さいほど、加圧水を送水するポンプおよび配管の剛性が高く、よって少量の水を注入することによって鋭敏に試験区間（閉鎖系）の圧力を上げることができる。

請求項１〜３のいずれかに記載の発明によれば、ステッピングモータをパルス信号によって微細駆動し、その回転を直線駆動機構によって直線運動に変換して水圧シリンダのピストンを駆動することにより水を加圧とともに、さらに水圧シリンダと遮蔽手段との間をステンレス管によって接続しているために、送水系の剛性（コンプライアンス）を、例えば請求項３に記載の発明のように、３〜５ｍｌ／ＭＰａの範囲に容易に設定することができる。

この結果、従来の水圧破砕試験装置と比較して、１０〜１００倍程度の高い剛性を得ることができ、しかもステッピングモータによって注水量を微細に制御することができるために、再開口時の圧力の測定精度を高めて岩盤における最大主応力を正確に評価することができる。

加えて、請求項２に記載の発明によれば、ネジ軸をステッピングモータの出力軸に一体化し、このネジ軸の回転を、ナット部材を介してピストンの直線運動に変換しているために、直線駆動機構における機械的なガタやアソビを最小限にして、ステッピングモータの細かな回転を直接的にピストンの微小変位に変換することができ、よって一段と再開口時の圧力の測定精度を高めることが可能になる。

本発明の水圧破砕試験装置の一実施形態を示す全体の概略構成図である。 図１のシリンジポンプを示す斜視図である。 図２のシリンジポンプの本体を示す斜視図である。 図３の縦断面図である。 図４の左側面図である。 図１の水圧破砕試験装置で得られた測定データを示すグラフである。 従来の水圧破砕試験装置を示す概略構成図である。 図７の水圧破砕試験装置で得られた測定データを示すグラフである。

図１〜図５は、本発明に係る水圧破砕試験装置の一実施形態を示すものである。
図１に示すように、この水圧破砕試験装置は、一対のゴム製袋体からなるパッカー２が設けられて、アーマードケーブル４を介して測定対象となる岩盤に穿設されたボーリング孔Ｈ内に挿入されるとともにパッカー２間に加圧水の注入孔３が形成された遮蔽装置（遮蔽手段）１と、パッカー２に高圧ホース５ａを介して加圧流体を供給してパッカー２を膨張させることによりパッカー２間に試験区画を形成させる手動の水圧ポンプ（加圧手段）５と、注入孔３から上記試験区間に試験用の加圧水を供給する加圧試験水の供給手段６とから概略構成されたものでる。

ここで、加圧試験水の供給手段６は、シリンジポンプ７と、一端部がシリンジポンプ７の吐出口７ａに接続されるとともに、他端部が遮蔽装置１に接続されたステンレス管８とを備えている。

図２〜図５は、上記シリンジポンプ７を示すもので、対向配置された一対の耐圧板９ａ、９ｂが４本の支柱１０によって一体化されることにより、このシリンジポンプ７の構造枠体が構成されている。
そして、一方の耐圧板９ａに、ステッピングモータ１１が取り付けられた基台１２がボルト１２ａによって固定されるとともに、他方の耐圧板９ｂに水圧シリンダ１３が固定されている。

ステッピングモータ１１は、その出力軸１１ａを他方の耐圧板９ｂ側に向けて配置されており、この出力軸１１ａに、リードスクリューのネジ軸１４の一端部にキー１４ａを介して一体化された連結板１５が互いの軸線を一致させてボルト１１ｂにより固定されている。そして、このネジ軸１４は、耐圧板９ａの貫通部分において軸受け１６により回転自在に支持されている。他方、ネジ軸１４の外周には、ナット（ナット部材）１７が螺合されている。

このナット１７は、外周に円筒状の保護管１８が一体化されており、図３に示すように、この保護管１８の外周に一対のブラケット１９が径方向の反対側に突設されるとともに、これらブラケット１９の先端に固定された円筒部材２０に、各々支柱１０が挿入されている。これにより、保護管１８、ブラケット１９、円筒部材２０および支柱１０によって、ナット１７の回転止め機構が構成されており、ネジ軸１４が回転すると、ナット１７がネジ軸１４の軸線方向に直線運動するようになっている。

そして、この保護管１８の先端部に、ピストン２１の基端部が固定されている。このピストン２１は、先端部側が水圧シリンダ１３内に挿入されているとともに、内部が中空構造とされて上記ネジ軸１４の先端部側が相対移動自在に挿入されている。なお、図中符号７ｂは、水圧シリンダ１３の吸込み口である。

さらに、このシリンジポンプ７においては、耐圧板９ａ、９ｂ間の外周が、保護プレート２２によって覆われるとともに、耐圧板９ａ、９ｂには、それぞれ耐衝撃ダンパー２３が取り付けられている。この耐衝撃ダンパー２３は、耐圧板９ａ、９ｂの端面四隅から外方に突出する緩衝板２３ａと、これら緩衝板２３ａの先端に固定された方形の枠体２３ｂとから構成されたものである。

上記構成からなるシリンジポンプ７とステンレス管８とからなる上記加圧試験水の供給手段は、その剛性を示すコンプライアンスが３〜５ｍｌ／ＭＰａの範囲となるように設計されている。

また、遮蔽装置１には、上記試験区画に供給される加圧水の圧力および流量を測定するセンサーが取り付けられており、当該センサーの信号ワイヤ２４がアーマードケーブル４内を通して回転ドラム２５の中心軸から引き出され、コントローラ２６に接続されている。このコントローラ２６は、データロガー２７が接続されるとともに、シリンジポンプ７のステッピングモータ１１を制御するための信号ワイヤ２８が接続されている。

以上の構成を備えた水圧破砕試験装置においては、ステッピングモータ１１をコントローラ２６からパルス信号によって回転駆動し、出力軸１１ａと一体化されたネジ軸１４を回転させて、当該ネジ軸１４と螺合するナットを図 中左方へと移動させ、これと一体化されたピストンによって水圧シリンダ１３内の水を加圧し、吐出口７ａからステンレス管８を介して遮蔽装置１へと供給する。

そして、遮蔽装置１に供給された加圧水は、注入孔３からパッカー２間に形成された試験区画内を加圧し、ボーリング孔Ｈの内壁に引張き裂を生じさせた後に、加圧を停止して圧力を解放し、次いで再加圧および圧力解放を順次繰り返して、得られたデータをコントローラ２６からデータロガー２７に送るとともに、き裂の再開口時と閉口時の圧力から最大主応力と最小主応力を求める。

この際に、ステッピングモータ１１の回転を、直接ネジ軸１４およびナット１７からなるリードスクリューによって直線運動に変換して水圧シリンダ１３のピストン２１を駆動することにより水を加圧とともに、さらに水圧シリンダ１３と遮蔽装置１との間をステンレス管８によって接続することにより、送水系の剛性（コンプライアンス）を３〜５ｍｌ／ＭＰａの範囲に設定しているために、従来の水圧破砕試験装置と比較して、１０〜１００倍程度の高い剛性を得ることができる。

しかも、コントローラ２６からのステップ信号によってステッピングモータ１１を微小回転させることにより、注水量を微細に制御することができるために、再開口時の圧力の測定精度を高めて岩盤における最大主応力を正確に評価することができる。

加えて、リードスクリューのネジ軸１４をステッピングモータ１１の出力軸１１ａに一体化的に連結し、このネジ軸１４の回転を、ナット１７を介してピストン２１の直線運動に変換しているために、直線駆動機構における機械的なガタやアソビを最小限にして、ステッピングモータ１１の細かな回転を直接的にピストン２１の微小変位に変換することができ、よって一段と再開口時の圧力の測定精度を高めることができる。

さらに、シリンジポンプ７の外周を、保護プレート２２によって覆うとともに、耐圧板９ａ、９ｂは、緩衝板２３ａおよび枠体２３ｂを有する耐衝撃ダンパー２３を設けているために、外部からの機械的な衝撃に耐えることができ、かつ枠体２３ｂを運搬用ハンドルとして兼用することができる。このため、一般的な使用形態である室内での使用に限らず、屋外においても使用することが可能である。

なお、上記実施形態においては、直線駆動機構を、ネジ軸１４とナット１７とからなるリードスクリューによって構成した場合に付いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではく、例えばネジ軸とボールナット（ナット部材）からなる外部式、内部循環式あるいはエンドキャップ式等の各種ボールネジを用いても、同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る水圧破砕試験装置の効果を検証するために、上記実施形態に示した水圧破砕試験装置を用いて実際のボーリンク孔において水圧破砕試験を行った。使用したシリンジポンプ７の容量は300ml、流量制御範囲は、0.001~400ml/min、最大吐出圧力は30MPaである。また、比較例として、上記シリンジポンプ７に代えてプランジャーポンプを用いるとともに、ステンレス管８に代えて鋼製ロッドを用いた図７に示す従来の水圧破砕試験装置によって同様の水圧破砕試験を行った。

図６は、上記実施形態の水圧破砕試験装置を用いた場合の測定データを示すものであり、図８は、上記比較例の水圧破砕試験装置を用いた場合の測定データを示すものである。

図６に見られるように、本発明に係る水圧破砕試験装置においては、小さな送水量の制御が極めて正確であり、時間送水量の設定あるいは送水開始と停止が瞬時に制御されているとともに、送水量の微細な制御が可能になっていることにより、送水圧力の立ち上がり立ち下がりの変化が、送水の開始停止に伴い瞬時に変化している。

これに対して、図８に見られるように、プランジャーポンプを用いた従来の水圧破砕試験装置においては、小さな送水量の制御が困難であり、しかも一定の送水量の維持もできない。このため、送水圧力の時間変化の安定性が悪く、き裂の再開口圧を精度良く読み取ることができないことが判る。

また、両者を比較すると、図８に示す従来の水圧破砕試験装置よりも図６に示す本発明の水圧破砕試験装置の方が、送水に関してはフローレートが安定しており、注水量に関しては１桁以上小さくなっている。これは、送水系のコンプライアンス（剛性）の相違に基づくものである。本発明に係る水圧破砕試験装置によれば、上記コンプライアンスが極めて小さい（剛性が高い）結果、水圧破砕測定で最も重要な「き裂の再開口圧」を精度良く読み取ることが出来る。

１ 遮蔽装置（遮蔽手段）
２ パッカー
３ 注入孔
５ 水圧ポンプ（加圧手段）
６ 加圧試験水の供給手段
７ シリンジポンプ
７ａ 吐出口
８ ステンレス管
１０ 支柱
１１ ステッピングモータ
１１ａ 出力軸
１３ 水圧シリンダ
１４ ネジ軸
１７ ナット部材
１９ ブラケット
２０ 円筒部材
２１ ピストン
Ｈ ボーリング孔

Claims (3)

1. 一対のパッカーが設けられ、測定対象となる岩盤に穿設されたボーリング孔内に挿入されるとともに上記パッカー間に加圧水の注入孔が形成された遮蔽手段と、上記パッカーに加圧流体を供給して当該パッカーを膨張させることにより上記パッカー間に試験区画を形成させる加圧手段と、上記注入孔から上記試験区間に試験用の加圧水を供給する加圧試験水の供給手段とを備えた水圧破砕試験装置において、
   上記加圧試験水の供給手段は、ステッピングモータと、このステッピングモータの回転を直線運動に変換する直線駆動機構と、この直線駆動機構によって駆動されるピストンによって内部に供給された水を加圧する水圧シリンダと、一端部が上記水圧シリンダの加圧水の吐出口に接続されるとともに他端部が上記遮蔽手段に接続されて上記注入孔に連通するステンレス管とを備えてなることを特徴とする水圧破砕試験装置。
2. 直線駆動機構は、上記ステッピングモータの出力軸と一体化されて回転駆動されるネジ軸と、このネジ軸に螺合されるとともに回転止め機構が設けられることにより上記ネジ軸の軸線方向に移動自在に設けられたナット部材とを有し、上記ナット部材に上記ピストンの基端部が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の水圧破砕試験装置。
3. 上記加圧試験水の供給手段は、その剛性を示すコンプライアンスが３〜５ｍｌ／ＭＰａであることを特徴とする請求項１または２に記載の水圧破砕試験装置。

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