JP2960550B2 - 硬岩を爆破する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、全般的に、硬岩を爆破する方法および装置
に関するものであり、一層詳しくは、密閉領域内におい
て穏やかな高エネルギ放電で非常に鈍感な燃料混合物に
点火して急速膨張ガスを発生させ、硬岩を爆破し、硬岩
の破砕、崩壊を生じさせる方法および装置に関する。

発明の背景 硬岩採鉱は、代表的に、ドリルその他の専用機械のよ
うな機械的な装置、TNTのような化学的火薬、スパーク
・ギャップを横切って高エネルギの放電を起こして電弧
からプラズマを生じさせる電気爆破法によって促進され
る。化学的、電気的爆破法は岩石に穿った孔の端におけ
る密閉領域内で急速膨張ガスを発生させ、岩石を崩壊さ
せる。実際のところ、電気爆破法は、TNTのような化学
火薬よりも安定しており、一般的に安全に使用できるた
めに、一般に好まれている。化学火薬物質は物理的な変
化によって意図しない異常爆発を生じやすいのに対し
て、電気装置は接続電気エネルギを介してのみ爆発を開
始するものであり、そうでなければ不活性である。機械
的装置の使用は硬岩採鉱で使用するには最も非効率的で
時間のかかる技術であり、爆破技術と組み合わせて用い
られることが多い。

起爆ワイヤ・スパーク・ギャップ・システムのような
電気爆破法は爆発あるいは推進ガスのガス抜きを生じさ
せるものとして知られている。起爆ワイヤ推進システム
が、1991年10月１日に発行された、Launching Projecti
les with Hydrogen Gas Generated from Aluminum Fuel
Powder/Water Reactions」という名称のLeeの米国特許
第5,052,272号に例示されている。このLee特許は、トリ
ガ・ワイヤあるいはトリガ・フォイルにパルス電力を印
加し、最終的にアルミニウム燃料粉末−酸化剤混合物に
パルス電力を印加することによって高いエネルギ効率で
もって水素ガスを発生させる方法を開示している。アル
ミニウム燃料粉末にとって好ましい酸化物は水である。
装置は誘導コイルに接続したコンデンサ・バンクを包含
する。金属ワイヤが誘導コイルと急速スイッチとに接続
している。スイッチが閉じられると、コンデンサ・バン
クからの電気エネルギがインダクタ、スイッチならびに
ワイヤを通って流れる。電気放電の全エネルギはアルミ
ニウム燃料１グラムあたり0.50〜15キロジュールである
と好ましい。放電は10〜1000マイクロ秒持続する。

別の関連した起爆ワイヤ爆破システムが、1991年６月
８日に出願された、「Apparatus For Facilitating The
Extraction of Minerals From The Ocean Floor」とい
う名称のPadberg,Jr.の米国特許第3,583,766号に開示さ
れている。特に、この米国特許第3,583,766号は、鉱床
の層に形成した孔に挿入され、堆積海底内に延びるドリ
ル・パイプを有する深海潜水調査艇を開示している。ド
リル・ヘッドがドリル・パイプの下端に設置してあり、
ドリル・ヘッド上方にプラズマ放電セクションが設けて
ある。付勢回路がプラズマ放電セクションを貫いて延び
る細いニッケル・ワイヤに電源からの電気エネルギを接
続する。スイッチが閉ざされると、大電流が細いニッケ
ル・ワイヤを急激に通過してそれを爆発させ、鋭い圧力
波を伴う大きなプラズマ放電を生じさせる。プラズマ放
電セクションにある開口により、圧力波が放出され、爆
発の衝撃波に類似する衝撃波を伴って急速膨張・崩壊気
泡を発生する。気泡の膨張、崩壊は鋭い圧力パルスの形
の音波を伝搬する。

また別の関連した起爆ワイヤ爆破システムがYutkinの
ソビエット連邦第SU357345Aに開示されている。これ
は、濡れた誘電性ばら材料（たとえば、砂）を充填した
岩石の孔に挿入することができる一対の電極および導電
性ワイヤ・ストリップを有し、付勢時に衝撃波を発生す
る岩石破壊装置を示している。ワイヤは電極に接続して
あり、誘電性プレートのまわりに引き回してある。この
誘電性プレートは破裂作用を行えるように岩石の孔内に
設置してある。

スパーク・ギャップ式あるいは非起爆式ワイヤ・シス
テムが、1972年７月25日に発行された、「Shock Plasma
Earth Drill」という名称のＯ′Hareの米国特許第3,67
9,007号によって例示されている。これは、水またはオ
イルを採取するために地中に深い孔を穿つためのスパー
ク・ギャップ・プローブを開示している。このプローブ
は外側電極から分離しており、それによって取り囲まれ
ている中心電極を有し、これらの電極が水中に浸漬され
る。コンデンサ・バンクが6000〜30000ボルト（土壌状
態に依存する）の電位まで充電され、この電位が電極に
電気エネルギを供給する。水の抵抗値に抗して電気エネ
ルギを急速解放して、大量の熱を発生させて爆発効果を
得る。水中で発生した爆発衝撃波が下向き外方へ移動
し、孔を作り、この孔にアース・ドリルが繰り返し落下
する。

1988年５月３日に発行された、「Focused Shock Spar
k Discharge Drill Using Multiple Electrodes」とい
う名称のMoney等の米国特許第4,741,405号が地中採鉱用
のスパーク・ギャップ放電ドリルを開示している。この
ドリルは、数キロジュールから100キロジュール以上の
エネルギ・パルスを毎秒１ないし10パルスあるいはそれ
以上の率で岩石面に伝える。泥や水のような穿孔流体が
岩石面へのスパーク・エネルギの伝搬を助ける。

1992年４月21日に発行された、「Plasma Blasting Me
thod」という名称のKitzinger等の米国特許第5,106,164
号が、硬質岩石採鉱の実施の際に岩石を破砕するプラズ
マ爆破方を開示しており、一層詳しくは、電解液内で電
極を横切る急速かつ非常に高いエネルギの放電を利用す
る方法を教示している。コンデンサ・バンクからの電気
エネルギが切り換えられて岩石面にある孔内に設置した
爆破電極に500キロアンペアを供給し、電解液（好まし
くは、硫酸銅を含有する）の誘電破壊を生じさせる。こ
の電解液はベントナイトまたはゼラチンでゲル化して充
分な粘性を与え、爆破前に密閉領域から漏出することが
ないようにしてもよい。爆破装置は電力損失を減らし、
岩石中へ急速なエネルギ放出を行えるように最小のイン
ダクタンス、レジスタンスを有する。

簡単な電気スパーク・ギャップおよび起動ワイヤを使
用する先に述べた電気爆破方法は数百キロアンペアの電
流を送るコンデンサ内に蓄えられた電荷から非常に大き
な放電を行うが、もっと低いエネルギ・レベルで作動す
る爆破方法を開発することが望ましいであろう。加え
て、従来の高電圧電気方法の大部分はコンデンサからの
エネルギを起動コンダクタあるいはスパーク・ギャップ
へ伝えるのが比較的非効率的である。エネルギの伝達が
非効率的である結果、関連技術のシステムは起動コンダ
クタあるいはスパーク・ギャップを駆動して所与量の爆
発エネルギを得るのに比較的大きなキャパシタンス・バ
ンクを必要とする。

あるいは、化学爆薬を利用する多くの爆破システムは
普通の爆薬材料が敏感であるために充分な安全対策が必
要である。多くの爆薬材料は物理的衝撃、漂遊電荷およ
びいくつかの環境条件（たとえば、高温）によって意図
しない異常爆発をしやすい。加えて、化学爆薬材料を利
用する多くの爆破技術は有害な副産物を生じる可能性が
あり、周囲の岩を微粉状にすることが多い。これは或る
種の用途では望ましくない。したがって、それほど敏感
でない無害な爆薬を利用し、電気爆破システムで使用す
ると同様に電気起爆あるいは点火を行うのに低いエネル
ギで済む岩石破壊方法を開発することが望ましいであろ
う。このような組合せは、起爆性の高い装薬で与えられ
るよりもいくぶん穏やかな破壊プロセスである安全、経
済的で効率の良い爆破技樹を与える。

また、比較的安全な化学爆破方法、電気爆破方法を機
械的なドリルと組合せ、穿孔／爆破プロセスをスピード
アップし、その自動化を容易にすることも望ましい。多
くの硬質岩石採鉱作業には、代表的には、穿孔作業と爆
破作業が伴う。組合せあるいは組み込みが適正であるな
らば、これらの作業は孔から機械的な機器を引き抜いて
から別体の爆破プローブあるいは装薬を挿入する必要性
をなくす。前述の関連技術のいくつかは穿孔プロセスと
爆破プロセスを単一の機器にまとめて試みを行ってい
る。たとえば、Ｏ′Hareの米国特許第3,679,007号、Mon
ey等の米国特許第4,741,405号およびPadberg Jr.の米国
特許第3,583,766号を参照されたい。主として多くの化
学爆破技樹の破壊性により、これらの関連技術システム
のいずれもが化学爆破技術を機械的ドリルと組み合わせ
るのに失敗している。

発明の概要 本発明は、あまり高くないエネルギの放電で起爆され
るかなり鈍感な燃料混合物を使用し、密閉領域内で急速
膨張ガスを発生させ、硬岩の破壊、崩壊を生じさせる硬
岩爆破方法および装置を提供することによって、上記お
よび他の必要性と有利に取り組んでいる。本発明は、燃
料混合物内に全体的に収容されて電気エネルギを燃料混
合物に伝える融解手段を使用する。この自蔵式融解手段
は、電気エネルギを燃料混合物に伝えるスイッチ手段と
しても、引き続いての発熱性化学反応の点火源としても
作用する。さらに、この爆破装置の設計によれば、再使
用可能であり、機械的穿孔機器との組合せが容易であ
る。

本発明の１つの特徴によれば、爆破装置は再使用可能
な爆破プローブを包含し、この爆破プローブは、絶縁チ
ューブによって互いに隔離された高電圧電極、大地帰路
電極を包含する同軸電極組立体の形をしている。同軸電
極組立体のこれらの電極は、金属粉末・酸化剤燃料混合
物のようなかなり鈍感でしかも可燃性の物質の連続体と
電気接触している。金属粉末・酸化剤燃料混合物は同軸
電極組立体に近い環状の空隙領域内に収容されていると
好ましい。高電圧電極は大電流スイッチを介してコンデ
ンサ・バンクに接続してある。

爆破プローブの形態は、電極の一方が爆破プローブの
後端付近で絶縁チューブの外面上に配置された導電性シ
ースからなるようなものである。第２の電極は絶縁チュ
ーブ内に配置してあり、絶縁チューブの末端で露出し、
金属粉末・酸化剤燃料混合物と連通する。金属粉末・酸
化剤燃料混合物内の金属粒子は、コンデンサ・バンクか
ら伝えられた電流を受ける、高電圧電極の大地帰路電極
の間に複数の可融性金属経路を形成する。これらの金属
経路は、コンデンサ・バンクからの電気エネルギを燃料
混合物に伝え、金属と酸化剤との発熱反応に開始させて
高圧ガスを発生させ、周囲の岩石を破砕する熱の消散量
を増大させる電気抵抗を与えるという点で融解要素とか
なり似た機能を有する。

本発明の別の特徴によれば、爆破装置は普通のロック
・ドリル（たとえば、回転ハンマ・ロック・ドリル）と
組み合わされる。この爆破装置は、再使用可能な爆破プ
ローブを包含し、この爆破プローブは、本質的に、絶縁
チューブまたは絶縁スリーブの外面の一部に配置する金
属シースを形成した同軸電極組立体である。金属シース
は大電流スイッチを介してコンデンサ・バンクに電気的
に接続している。絶縁チューブはドリル・スチール上を
摺動できるような寸法となっており、このドリル・スチ
ールは大地帰路電極として作用する。再使用可能な爆破
プローブは、特に、穿孔した孔内に挿入したときに所定
容積の環状空隙領域を創り出すような形態となってい
る。この環状空隙領域は適当な作動流体を所定量保持す
るようになっている。ここで繰り返すが、好ましい作動
流体は金属粉末・酸化剤燃料混合物であり、これを孔の
末端付近の環状空隙領域内でロック・ドリルのドリル・
ビットの直ぐ後に配置する。爆破プローブは、環状空隙
領域に燃料混合物または他の作動流体を満たし、金属シ
ースおよびドリル・スチールを燃料混合物との電気接触
状態に置いたときに作動可能となる。

適切に使用したとき、ロック・ドリルと組み合わせた
爆破装置は、孔から穿孔機器を引き抜いてから爆破プロ
ーブを挿入する必要性がないことによって、穿孔／爆破
作業をスピードアップするという利点がある。特に、絶
縁チューブは、穿孔作業中、ドリル・スチールの上方へ
引き込まれ、孔から引き抜かれる。穿孔作業が完了する
と、爆破プローブはドリル・スチールの軸の下方へ移動
させることによって孔内に挿入される。次に、爆破プロ
ーブを位置決めした後にドリル・スチールの導管を経由
して新しく穿孔した孔に金属粉末・酸化剤燃料混合物を
導入する。あるいは、別体のノズルから導入してから孔
内に爆破プローブを摺動移動させてもよい。高電圧パル
スがコンデンサ・バンクから爆破プローブ上の金属シー
スに印加される。上述したように、金属粉末・酸化剤燃
料混合物内の金属粒子は、金属シースあるいは高電圧電
極を経てコンデンサ・バンクから伝えられた電流を受け
たときに金属シースとドリル・スチールの間に複数の可
融性金属経路を形成する。これら複数の金属経路はヒュ
ーズとして作用し、コンデンサ・バンクからの電気エネ
ルギを燃料混合物に伝え、金属と酸化剤との発熱反応を
開始させて孔内に高圧ガスを発生させ、周囲の岩石を破
砕する熱の消散量を増大させる充分に高い電気抵抗値を
与えることができる。

本発明の重要な利点は、コンデンサ・バンクと高電圧
電極の間にインダクタを接続することによって実現され
る。コンデンサ・バンクからインダクタンスを通して電
荷を伝えることによって、金属粉末・酸化剤燃料混合物
へ高電圧電極を経て伝えられる電流の変化率を制御する
ことができる。

本発明はまた別の利点は、起爆ワイヤ、起爆可能コン
ダクタなどのような別体の融解要素をなくすことによっ
て実現される。金属粉末・酸化剤燃料混合物のための融
解手段は燃料混合物の金属粒子であり、燃料混合物内に
完全に含まれる。有利なことには、本発明の爆破装置
は、関連技術システムのいくつかにおけるようなエネル
ギ発生材料を起爆あるいは点火するための別体のヒュー
ズあるいは融解要素を必要としない。

本発明の特別な特徴は、金属粉末・酸化剤燃料混合物
を環状空隙領域に現場で充填することを可能とする爆破
装置に中央燃料充填ポートをオプションとして設けるこ
とにある。あるいは、同軸電極組立体付近の環状空隙領
域内に金属粉末・酸化剤燃料混合物を保持する非導電性
保持スリーブまたは他の適当な手段を用いることができ
る。この場合、爆破現場で爆破プローブを設置する前に
金属粉末・酸化剤燃料混合物を予め装填すると有利であ
る。

引き続いての爆破の良好な封じ込めを行う本発明の別
の特徴は、同軸電極組立体の寸法を選んで、金属シース
の外径が爆破孔の直径よりもほんの少し小さくなるよう
にする。爆風の封じ込めは、圧縮時に半径方向に膨張す
る変形可能あるいは膨張可能な要素を利用することによ
ってさらに改善される。この変形可能あるいは膨張可能
な要素はポリウレタンまたはシリコンゴムのようなエラ
ストマー材料で作ることができる。こうすることによっ
て、同軸電極組立体または爆破装置が爆破孔内に押し込
まれたときに、このエラストマー要素が岩石に対して半
径方向外方へ膨張し、高圧ガスが穿孔した孔を通して逃
げるのをかなり防ぐことができる。

本発明は、また、それほど高くないエネルギの放電で
点火するかなり鈍感な燃料混合物を用いる硬岩爆破方法
としても特徴づけられ得る。この方法は、（１）岩石地
質付近で所定量の金属粉末・酸化剤燃料混合物を一対の
電極と連通させ、この燃料混合物が充分に高い金属含有
率を有し、電極間に複数の可融性金属経路を形成するよ
うにした段階と、（２）燃料混合物にあまり高くない電
流パルスを付与する段階と、（３）複数の可融性金属経
路を融解させて燃料混合物内において電極間で抵抗性ア
ーク・チャネルを形成し、充分に高い電気抵抗値を生じ
させる段階と、（４）電気抵抗値で生じた充分な量の熱
を燃料混合物に放散させ、燃料混合物の発熱反応を開始
させ、密閉領域内に急速膨張ガスを発生させて硬岩の破
砕、崩壊を生じさせる段階とを包含する。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による電気ドライバ回路、導管手段
および爆破プローブを包含する爆破装置の概略図であ
る。

第２図は、第１図に示す電気爆破プローブおよび導管
手段の断面図である。

第３図は、第１、２図に示す爆破プローブをドリル孔
内に設置した状態で示す横断面図である。

第４図は、ドリル孔に設置した爆破プローブを別の実
施例を示す横断面図である。

第５図は、本発明によればロック・ドリルと組み合わ
せた爆破プローブの概略図である。

第６図は、ロック・ドリルと組み合わせた爆破装置の
部分図であり、爆破プローブを引っ込めた状態で示す図
である。

第７図は、ロック・ドリルと組み合わせた爆破装置の
部分図であり、爆破プローブをドリル孔に挿入した状態
で示す図である。

第８図は、第５、６、７図に示す爆破プローブの横断
面図である。

対応する参照符号は図面に示すいくつかの実施例を通
じて対応する構成要素を示す。

発明の詳細な説明 以下の説明は本発明を実施するための現在考えられる
最良の形態である。この説明は限定する意味で行うもの
ではなく、単に発明の全体的な原理を説明する目的で行
っているものである。発明の範囲は請求の範囲によって
のみ決めるべきである。

図面、特に第１図を参照して、ここには、本発明を具
体化している硬岩爆破装置が全体的に参照符号10で示し
てある。本装置10は、導管手段13内に収容した高電圧コ
ンダクタ44を経て爆破プローブ14にパルス状の大電流高
電圧エネルギを供給するドライバ回路12を包含する。爆
破プローブ14は爆破しようとしている岩石地層または他
の中実構造内に置くようになっている。ドライバ回路12
は電荷蓄積装置すなわちコンデンサ・バンク16と、高電
圧供給源18と、スイッチ手段20と、誘導性手段25との包
含する。

図示実施例では、コンデンサ・バンク16は839マイク
ロファラッドのキャパシタンスを有する50キロジュール
・コンデンサ30を１つだけ有する。しかしながら、並列
に接続した複数のコンデンサも使用できる。アース線32
がコンデンサ・バンク16のアース側を大地電位33に接続
している。コンデンサ・バンク16はリード線34を経て爆
破プローブ14に切り換え可能に接続したあまり高くない
電荷を蓄積する手段となる。

ドライバ回路12はコンデンサ・バンク16を充電する普
通の電源18も包含する。この電源はアース線22とリード
線24を経てコンデンサ・バンク16に接続してある。コン
デンサ・バンク16は、10キロボルトで作動して約40キロ
ジュールを蓄積すると好ましい。コンデンサ・バンク16
はスイッチ手段を介して爆破プローブ14に接続してあ
り、このスイッチ手段はあまり高くない電圧動作に適し
たトリガ真空ギャップ・スイッチ20からなると好まし
い。本実施例ではトリガ真空ギャップ・スイッチを用い
ているが、高クーロン・スパーク・ギャップ、イグナイ
トロンあるいはヘビーデューティな機械的閉鎖スイッチ
を含む任意他の高クーロン・スイッチも同様に作動する
であろう。

ドライバ回路12は誘導性手段も包含し、この誘導性手
段は、この実施例では、約５マイクロヘンリーの分布イ
ンダクタンスからなり、インダクタ25によって第１図に
描画してある。この分布インダクタンスは電流を受けた
ときに、爆破プローブ14に供給される電流の変化率を遅
くする。この分布インダクタンス（要素25として図示）
に加えて、ドライバ回路12は非常に小さい分布レジスタ
ンス（要素27として図示）と、約830マイクロファラッ
ドのトータル・キャパシタンスも有し、このトータル・
キャパシタンスは10キロボルトで作動し、約40キロジュ
ールを蓄積することができる。

第２、３図を参照して、ここには、導管手段13を備え
た再使用可能な爆破プローブ14の実施例が示してある。
この爆破プローブ14は導管手段13（好ましくは、導電性
導管50）の端に取り付けてあり、そこから軸線方向に延
びており、その結果、爆破プローブ14および導管50を岩
石面に穿った孔に挿入することができる。爆破プローブ
14は絶縁チューブ40を包含し、この絶縁チューブの末端
43には高電圧スチール電極42が設けてある。この高電圧
スチール電極42は内部配置の高電圧コンダクタ44によっ
てドライバ回路のコンデンサ・バンクに接続してあり、
この高電圧コンダクタは絶縁チューブ40を貫き、導管手
段13の全長にわたって延びている。高電圧コンダクタ44
は0.25インチ直径の、Kapton絶縁銅ロッドであると好ま
しい。絶縁チューブ40はＧ−10ファイバグラスの1.00直
径のチューブである。絶縁チューブ40にはスチール製の
アダプタ・プラグ46が螺合させてあり、これは大地帰路
電極として作用する。図示実施例において、スチール製
アダプタ・プラグ46は雌−雌螺合コネクタに似ており、
その一端48が絶縁チューブ40の基端47を螺合状態で受け
入れるような寸法となっており、反対端49は導電性導管
50を螺合状態で受け入れるような寸法となっている、高
電圧コンダクタ44はスチール・アダプタ・プラグ46を貫
いて軸線方向に延びており、それとは絶縁されている。

導管50は、一端で爆破プローブ14のアダプタ・プラグ
46と係合し、反対端52で大地帰路ケーブル54に接続する
スチール・チューブであると好ましい。大地帰路ケーブ
ル54は大地電位33に接続している。導管50は、いくつか
のねじ部分55を有する、効果クロム・モリブデン鋼で作
った1.25インチ外径、0.375インチ内径のチューブであ
ると好ましい。スチール・チューブ50のねじ部分55は、
特に、このスチール・チューブ50を爆破プローブ14また
はドライバ回路あるいはこれら両方に接続するようにな
っている。高電圧コンダクタ44はスチール・チューブ50
の内部を貫いて延びており、ドライバ回路12内のコンデ
ンサ・バンクに通じる高電圧ケーブル56に接続してい
る。

導管／爆破プローブ装置とドライバ回路12の間の接続
を容易にするのに用いられるハードウェアは、ケーブル
・ラグ57、58と、締め付けナット61、62と適当な絶縁プ
ロテクタ64とを包含する。しかしながら、本発明は、電
気接続部を作る方法に限られるものではなく、任意適当
な電気接続手段が考えられる。さらに、爆破プローブ14
および導管50の寸法はそれらが使用される特定の爆破作
業に適うように選ぶことができる。アダプタ・プラグ46
の外径が爆破孔の直径よりもほんの少し小さくなるよう
に爆破プローブ14の寸法を選ぶことによって、後の良好
な爆風封じ込めを達成することができる。加えて、爆破
プローブ14は全長、引き続く爆破で使用される燃料混合
物の量に基づいて選ぶと好ましい。

導管50は、半径方向膨張プラグ66の形をとる爆破プロ
ーブ14付近で爆風を封じ込める付加的な手段も包含す
る。特に、導管50の外面にエラストマー膨張プラグ66が
配置してある。このエラストマー膨張プラグ66の外径は
爆破孔の直径よりやや小さいと好ましい（たとえば、外
径1.75インチ）。エラストマー膨張プラグ66は軸線方向
に圧縮されたときにドリル孔の岩石面に対して半径方向
に膨張するようになっている。本実施例では、膨張プラ
グ66は、六角形プッシャ・ナット68を用いて膨張プラグ
66に向かって軸線方向に押される摺動プッシャ・スリー
ブ67で圧縮力を加えたときにアダプタ・プラグ46としっ
かりと衝合する。膨張プラグ66は、ポリウレタンまたは
高デュロメータ・ゴムのようなエラストマー材料で作る
と好ましく、したがって、六角形プッシャ・ナット68を
螺合させてプッシャ・スリーブ67を下方へ移動させたと
きに岩石面に対して半径方向外方へ膨張する。

第３図でより明瞭にわかるように、爆破プローブ14の
後端59は、絶縁チューブ40の外面に螺合したアダプタ・
プラグ46を有し、孔の直径よりもやや小さい外径有す
る。爆破プローブ14の前部60は絶縁チューブ40の外径に
等しい外径を有する。爆破プローブ14の直径が不均一で
あるため、環状空隙領域70が爆破プローブ14の前部60付
近に形成される。この環状空隙領域70は金属粉末・酸化
剤燃料混合物72であると好ましい爆破用流体のために設
けてある。金属粉末・酸化剤燃料混合物72がこの環状空
隙領域70内に存在するとき、爆破プローブ14の２つの電
極（末端にある高電圧電極42と後端にあるアダプタ・プ
ラグ46）は導電性燃料混合物72の連続体と電気的に接触
する。金属粉末・酸化剤燃料混合物内の金属粉末は、大
きなコンデンサ・バンクから導かれた電流を受けたとき
に高電圧電極42と大地帰路電極46との間に複数の可融性
金属経路を形成する。これらの複数の金属経路はヒュー
ズとして作用し、コンデンサ・バンクからの電気エネル
ギを金属粉末・酸化剤燃料混合物に伝えて金属粉末・酸
化剤燃料混合物の発熱反応を開始させ、周囲岩石を破砕
する高圧ガスを発生する熱の発散量を増大させることの
できる高い電気抵抗値を与える。

好ましい燃料混合物72は酸化剤と組み合わせた金属あ
るいは金属水素化物からなる。一層詳しく言えば、推薬
はゲル化剤を含んでいてアルミニウムが沈殿するのを防
ぐ水内に浮遊させた粒子形態のアルミニウムである。た
とえば、50％の水、約５ミクロンの平均粒径を有する50
％のアルミニウム粉末、少量（たとえば、１％）のKnox
ゼラチンのようなゲル化剤からなる混合物が本爆破装置
で用いるに適した燃料混合物である。あるいは、限定す
るつもりはないが、チタン、ジルコニウムあるいはマグ
ネシウム単独もしくはアルミニウムとの組合せを含む他
の金属粉末（水と発熱反応して急速膨張ガスを発生する
ものである）も本発明による許容燃料混合物となる。

好ましいアルミニウム粉末・酸化剤燃料混合物は約70
0℃から1200℃の範囲で点火される。これは燃料混合物
内で充分に高い電気抵抗値を発生させることによって達
成される。高い抵抗値は、充分に高い含有量の金属粒子
が存在し、燃料混合物の金属粒子が高電圧電極と大地帰
路電極との間に複数の金属チェインあるいは経路を形成
する場合には、外部ヒューズの必要なしに燃料混合物内
で創り出すことができる。次に燃料混合物にあまり高く
ない電流パルスが伝えられると、チェインあるいは経路
が融解して抵抗性アーク・チャネルを形成し、これが金
属と酸化物の発熱反応を開始させるに充分に熱の放散量
を増大させる。

有利なことには、本爆破装置は爆破を開始させるのに
あまり大きくない量の電気エネルギだけでよく、数ミリ
秒の期間にわたってそれでよい。したがって、金属粉末
・酸化剤燃料混合物の化学反応によるエネルギの解放
が、高エネルギ爆薬の異常燃焼というよりもむしろ推薬
の制御された燃焼プロセスにいくぶん類似する爆破を行
うことになる。前記のシーケンスを開始させるのに必要
な好ましい量の電気エネルギは、引き続いての金属・酸
化剤化学反応によって解放されるエネルギのほんの約５
％と15％の間であると好ましく、最も好ましくは、その
５％と10％の間である。たとえば、アルミニウム粉末と
酸化剤の燃料混合物を使用する場合、本爆破装置は、ア
ルミニウム粉末１グラムあたり約0.7〜2.1キロジュール
の電気エネルギが必要なだけである。環状空隙領域が長
さ10センチメートルで、約40立方センチメートルのアル
ミニウム粉末・水燃料混合物を入れている場合、約10キ
ロボルトで作動し、ほんの40キロジュールのコンデンサ
・エネルギによって燃料点火、岩石破壊に成功した。

次に第４図を参照して、ここいは、爆破プローブ14の
別の実施例が示してある。この再使用可能な爆破プロー
ブ14は、本質的に、同軸電極として作用し、絶縁チュー
ブ40内に配置した中央配置高電圧電極42を包含する。絶
縁チューブ40は開口した基端47と、爆破プローブ14の前
部60付近の開口末端43とを有する。この中央配置の高電
圧電極42は絶縁チューブ40の末端43を越えて延びてお
り、絶縁チューブ40が衝合するレッジまたは肩部75を提
供するフランジ端74を有する。好ましくは、このフラン
ジ端74の外径は爆破プローブ14を挿入する孔の直径より
もちょっと小さい。

大地帰路電極は金属シース46の形をとっており、これ
は爆破プローブ14の後部59付近で絶縁チューブの外面上
に配置してある。爆破プローブ14の後部59は、金属シー
ス46の外面と孔内の岩石面との間にほんの小さな間隙が
残る程度の寸法とする。爆破プローブの前部60は後部59
よりも小さい直径を有し、爆破を行うのに適した燃料混
合物72を保持するのに適した環状空隙領域70を形成す
る。爆破プローブ14の前部60は、孔の直径と中央配置の
電極42の外径との中間の直径を有すると好ましい。爆破
プローブ14の前部60は、この爆破プローブ14を穿孔した
孔に挿入したときに所定体積の環状空隙領域70を創り出
す所定の長さを有する。

大地帰路電極46、高電圧電極42は、共に、環状空隙領
域70と連通した状態に保持され、その結果、環状空隙領
域70に導電性燃料混合物72を充填したときに、回路が完
成する。この実施例では、中央配置の高電圧電極42のフ
ランジ端74は環状空隙領域70内に入れた導電性燃料混合
物72と連通した状態に留まる。図示実施例の付加的な特
徴は、爆破装置10の中央燃料充填ポート80により、環状
空隙領域70に金属粉末・酸化剤燃料混合物72を現場で充
填できるということである。中央燃料充填ポート80のた
めに、中央配置の電極42は、燃料混合物72を爆破部位に
移送することと、大電流パルスを与えて爆破動作を開始
させることの二重の機能を果たすに充分な直径でなけれ
ばならない。

環状空隙領域の現場充填が不可能な場合には、適当な
体積の燃料混合物を孔に挿入してから、本爆破装置を挿
入する。ここでも、爆破部位に爆破プローブを設置する
まえに金属粉末・酸化剤燃料混合物を予め充填するのが
有利である場合、爆破プローブ付近の環状空隙領域に金
属粉末・酸化剤燃料混合物を保持する非導電性保持スリ
ーブまたは他の適当な手段を当業者であれば設計するこ
とができると考える。

次に第５〜８図を参照して、ここには、普通のロック
・ドリルと爆破装置を組み合わせた本発明の実施例が示
してある。第５図でわかるように、爆破装置10はドライ
バ回路12と、回転ハンマ・ロック・ドリル15と組み合わ
せた再使用可能な爆破プローブ14とを包含する。この再
使用可能な爆破プローブ14は、本質的に、絶縁チューブ
40または絶縁スリーブの外面の一部に配置する金属シー
ス46を形成した同軸電極組立体である。金属シース46は
大電流スイッチ20を経てドライバ回路12のコンデンサ・
バンク16に電気的に接続してある。絶縁チューブ40は、
穿孔位置（第６図参照）と爆破位置（第７図）との間で
ドリル・スチール42上を摺動できる寸法となっており、
ドリル・スチール42は大地帰路電極として作用する。

先に述べた実施例と同様に、ドライバ回路12はコンデ
ンサ・バンク16を充電する普通の電源18を包含する。こ
のコンデンサ・バンクは、スイッチ手段を経て爆破プロ
ーブ14に接続したただ１つの50キロジュールのコンデン
サ30からなる。スイッチ手段は、コンデンサ・バンク16
から爆破プローブ14への電流を制御するトリガ真空ギャ
ップ・スイッチ20を包含すると好ましい。ドライバ回路
12は誘導性手段も包含し、この誘導性手段は分布インダ
クタンスからなり、第５図においてインダクタ25で表し
てある。この分布インダクタンスは電流を受け取ると、
爆破プローブ14に供給される電流の変化率を遅くする。
ドライバ回路の他の構成要素は先に説明したので、ここ
では繰り返さない。

第６図でわかるように、爆破プローブ14は、穿孔作業
中は、ドリル・スチール42の上方へ引っ込められ、孔か
ら引き抜かれている。穿孔作業が完了すると、爆破プロ
ーブ14が、第７図でわかるように、ドリル・スチール42
が軸に沿って下方へ摺動させることによって孔内に挿入
される。油圧シリンダまたは空気シリンダ19を用いて爆
破プローブ14を所定位置へ駆動することができる。次
に、爆破プローブ14を位置決めした後に、金属粉末・酸
化剤燃料混合物をドリル・スチール42の導管80を経て新
しく穿孔した孔に導入する。あるいは、燃料混合物を別
のノズルから導入してから爆破プローブを孔内へ摺動さ
せてもよい。

次に第８図を参照して、再使用可能な爆破プローブ14
の寸法、形態は、特に、穿孔した孔内に挿入したときに
所定体積の環状空隙領域70を創り出すようになってい
る。爆破プローブ14の後部59は絶縁チューブ40の外面に
設置する金属シース46を有し、したがって、孔の直径よ
りもやや小さいと好ましい外径を有する。爆破プローブ
14の前部60は後部59よりもいくぶん小さい外径を有し、
爆破プローブ14の前部60付近に環状空隙領域70を創り出
す。この環状空隙領域70は、適当な体積の適当な作動流
体（好ましくは、金属粉末・酸化剤燃料混合物72、最も
好ましくは、アルミニウム粉末と、アルミニウム粉末が
沈殿するのを防ぐゲル化剤を含んだ水との混合物）を保
持するようになっている。この燃料混合物72は、環状空
隙領域70内において、孔の底付近で、ロック・ドリルの
ドリル・ビットの直ぐ後に配置される。この環状空隙領
域70を燃料混合物72でほぼ満たし、金属シース46、ドリ
ル・スチール42を燃料混合物との接触状態に置いたとき
に爆破プローブ14は活性状態となる。

充分に前方へ押したとき、爆破プローブ14はロック・
ビットの背面を押圧することになる。引き続いての爆破
の良好な封じ込めを行うために、絶縁チューブ40または
少なくともその後部81を、ポリウレタンあるいはシリコ
ーンゴムのようなエラストマー材料で作ると好ましい。
この場合、孔内に押し込むか圧縮したときに、この材料
が穿孔した孔内の岩石面に向かって半径方向に変形ある
いは膨張またはこの両方を行ってシールする。加えて、
爆破プローブ14の後端59にある金属シース46が１つまた
はそれ以上の長手方向の切り込みを有し、半径方向膨張
に対応するようにしてもよい。

電流パルスをドライバ回路から爆破プローブの金属シ
ースに印加すると、金属粉末・酸化剤燃料混合物内の金
属粒子が融解して金属シースとドリル・スチールの間に
抵抗性アーク・チャネルを形成する。電極に伝えられる
電圧が上昇するにつれて、抵抗性アーク・チャネルは電
気抵抗値を増大し、熱の放散量を増大させ、これが究極
的に金属と酸化剤の発熱反応を開始させ、孔内に高圧ガ
スを発生させ、周囲の岩石を破砕する。次に、爆破プロ
ーブをドリル・スチール上方へ引っ込め、穿孔作業を再
開することができる。

したがって、明らかなように、本発明はあまり高くな
いエネルギの放電で点火するかなり鈍感な金属粉末・酸
化剤燃料混合物を用いる安全で安価な硬岩爆破方法およ
び装置を提供する。さらに、爆破技術とそれに組み合わ
せたハードウェアによって、容易に普通のロック・ドリ
ルと組み合わせることもできる。

本発明およびその利点は前記の説明から理解できたで
あろうし、発明の精神、範囲から逸脱することなく種々
の修正、変更をなし得、上記の材料上の利点および形態
のすべてがほんの例示であることは明らかであろう。た
とえば、普通のロック・ドリルと組み合わせた上記の爆
破装置は金属粉末・酸化剤燃料混合物と共に同軸電極組
立体を用いて爆破を実行すると好ましいが、不活性、揮
発性を問わず他の作動流体をほぼ上述したような摺動可
能な同軸電極組立体と一緒に使用することもできる。

そのため、発明の範囲を図示し、先に説明した特定の
具体例に限定するつもりはない。むしろ、本発明の範囲
は添付の請求の範囲およびその均等物によって決定され
ると考える。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) E21C 37/18 E21B 7/15

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気エネルギを蓄える容量性手段（16）を
   備えた固体を爆破するための爆破装置（10）であって 高電圧電極（42,44）及び大地帰路電極（46）を有する
   爆破プローブ（14）と、 この高電圧電極を上記容量性手段に瞬間的に接続するス
   イッチ手段と、 上記高電圧電極及び大地帰路電極に関係するように設け
   られた導電性金属粒子と酸化剤を含む燃料混合物（72）
   と、を有し、 上記燃料混合物内の上記粒子が高電圧電極（42）と大地
   帰路電極（46）の間に複数の可融性金属経路を形成し、
   これらの可融性金属経路が、高電圧電極を経て容量性手
   段（16）から伝えられる電流により、燃料混合物（72）
   の導電性金属粒子と酸化剤との発熱反応を開始させる電
   気抵抗による熱を生じさせるのに十分な電気抵抗値を有
   し、この電気抵抗による熱により、周囲の硬岩を破砕す
   るのに充分な制限された領域内で高圧ガスを発生させる
   ようにしたことを特徴とする爆破装置。
2. 【請求項２】さらに、上記容量性手段（16）に接続さ
   れ、この容量性手段から伝えられる電荷を受け取り且つ
   電極（42,44）を経て燃料混合物（72）に伝えられる電
   流の変化率を制御する誘導性手段（25）を有する請求項
   １記載の爆破装置。
3. 【請求項３】爆破プローブが、前端と後端を有し、さら
   に、絶縁チューブを有し、 爆破プローブの後端付近で絶縁チューブの外面上に配置
   された金属シースが、上記大地帰路電極（46）を形成
   し、 上記高電圧電極が、絶縁チューブ（40）内に配置された
   部分（44）と燃料混合物（72）と関係するように絶縁チ
   ューブの末端（43）を越えて延びている部分（42）を有
   する請求項１又は請求項２記載の爆破装置。
4. 【請求項４】絶縁チューブ（40）は、絶縁チューブの外
   面及び金属シースの末端に環状空隙領域を形成して所望
   の体積の燃料混合物（72）を受け入れるように、金属シ
   ース（46）の直径よりも充分に小さな直径を有する請求
   項３記載の爆破装置。
5. 【請求項５】上記高電圧電極は、導管手段（80）を有
   し、この導管手段（80）から燃料混合物を供給すること
   により、環状空隙領域に燃料混合物を現場で充填するよ
   うにした請求項４記載の爆破装置。
6. 【請求項６】さらに、環状空隙領域内に予め充填された
   体積の燃料混合物を保持するための非導電性スリーブを
   有する請求項４記載の爆破装置。
7. 【請求項７】高電圧電極（42）の一部分を形成するドリ
   ル・スチールの細長い部分を備えたロック・ドリル（1
   5）を有し、 絶縁チューブ（40）は、第１穿孔位置と第２爆破位置と
   の間で細長いドリル・スチールに沿って摺動するように
   設けられ、 第１穿孔位置と第２爆破位置との間で絶縁チューブ（4
   0）を選択的に移動させるための手段が設けられている
   請求項３乃至６の何れか１項記載の爆破装置。
8. 【請求項８】上記燃料混合物（72）は、ゲル化剤によっ
   て水中に浮遊させられた約５ミクロン以下の平均粒径の
   アルミニウム粒子を含む請求項１乃至７の何れか１項記
   載の爆破装置。
9. 【請求項９】上記燃料混合物が、約50％の水、約50％の
   アルミニウム粒子、及び、このアルミニウム粒子を浮遊
   させておくのに充分な少量のゲル化剤を含む請求項８記
   載の爆破装置。
10. 【請求項１０】さらに、高圧ガスがドリル孔の開口端部
    から逃げるのを実質的に防止して、これにより上記制限
    された領域又は環状空隙領域に爆風を封じ込めるため
    に、ドリル孔の基端領域から爆破プローブをシール隔離
    するように設けられたエラストマー膨張可能要素（66）
    を有する請求項１乃至９の何れか１項記載の爆破装置。
11. 【請求項１１】爆破装置を用いて硬岩を爆破する方法で
    あって、 （ａ）導電性金属粒子と酸化剤を含む所定体積の燃料混
    合物（72）を電極（42,46）に関係するように爆破すべ
    き岩石地層付近に設置する段階であって、この燃料混合
    物が電極間に複数の抵抗性可融性金属経路を形成する粒
    子含有量を有する上記段階と、 （ｂ）上記体積の燃料混合物にそれほど高くないエネル
    ギの放電を加える段階であって、上記体積の燃料混合物
    が電極間の燃料混合物内で上記経路に沿って電流を生じ
    させ、上記体積の燃料混合物の電気抵抗により、燃料混
    合物の成分の発熱反応を開始させるのに充分な量の熱の
    放散が生じ、これにより、硬岩の破砕、崩壊を生じさせ
    る膨張ガスを急速に発生させる上記段階と、 を有することを特徴とする方法。
12. 【請求項１２】上記体積の燃料混合物にそれほど高くな
    いエネルギの放電を加える段階において、引き続いての
    発熱反応によって放出されるエネルギの約５％から15％
    の間のエネルギに等しい電気エネルギが伝えられる請求
    項11記載の方法。
13. 【請求項１３】上記充分な量の熱は、引き続いての発熱
    反応によって放出されるエネルギの約10％以下であり、
    さらに、上記電気エネルギの放電が、電流の変化率を小
    さくするインダクタを介してコンデンサ・バンクを上記
    電極の１つに接続することにより、加えられる請求項12
    記載の方法。
14. 【請求項１４】燃料混合物が、酸化剤のゲル中に浮遊さ
    せられたアルミニウム粒子を含む請求項11乃至13の何れ
    か１項記載の方法。