JP4202331B2

JP4202331B2 - 横坑の掘削方法

Info

Publication number: JP4202331B2
Application number: JP2005048708A
Authority: JP
Inventors: 幸雄垣内; 成郎北原
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd; Fatech Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd; Fatech Co Ltd
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: JP2006233547A

Description

本発明は横坑の掘削を効率的に実現可能な横坑の掘削方法に関する。

岩石やコンクリート等の破壊対象物を破砕するために放電破砕装置を用いた放電破砕方法が知られている。例えば図３に示すように、破壊対象物６０に予め放電用孔６１を形成し、この放電用孔６１内に水などの電解液６３を注入してこの電解液６３中に放電破砕装置５０Ａの放電用電極７０を挿入し、放電用電極７０に８ｋＶ〜２０ｋＶの高電圧を印加して放電を行なわせる。この放電エネルギーにより衝撃波が発生し、この衝撃波で放電用孔６１の周囲を破砕することで、破壊対象物６０を破砕する。放電破砕装置５０Ａは、大容量（例えば約５００ｋＪ）のコンデンサ８２及びスイッチ８３，８４を備えた回路で構成されたパルスパワー源８０と、コンデンサ８２の一方の極８２ａに接続されるとともにコンデンサ８２の他方の極８２ｂにスイッチ８３を介して接続された発電機等の電源部８１と、コンデンサ８２の一方の極８２ａに接続された一方電極とコンデンサ８２の他方の極８２ｂにスイッチ８４を介して接続された他方電極とこれら一方電極と他方電極とを絶縁する絶縁体とで形成された放電用電極７０とを備える。図示しないが、パルスパワー源８０の回路は接地（アース）されている。放電用電極７０は、例えば、＋電極のような一方電極としての棒状の内部導体７３と、内部導体７３の外周囲を被覆する筒状の絶縁体７４と、絶縁体７４の外周囲に設けられた−電極のような他方電極としての外部導体７５とにより構成される。すなわち、放電用電極７０は、内部導体７３と絶縁体７４と外部導体７５とが同軸状に配置された構成の同軸電極である。外部導体７５は、内部導体７３の中心線に沿った方向に間隔を隔てて設けられた複数の浮遊電極７６；７６・・・を構成する。浮遊電極とは、電源側と電気的に絶縁された電極のことである。絶縁体７４の先端７４ｔより突出して露出する内部導体７３の先端部７３ｔとこの先端部７３ｔに最も近い浮遊電極７６の先端部７６ｔとで放電を生じさせる先端側放電ギャップ７７が形成され、互いに対向する浮遊電極７６同士の端部７６ｓと端部７６ｓとで放電を生じさせる中間側放電ギャップ７８が形成される。中間側放電ギャップ７８は複数形成される。先端側放電ギャップ７７と複数の中間側放電ギャップ７８とにより放電部７９が形成される。スイッチ８４及びスイッチ８３の非導通の状態で、破壊対象物６０の放電用孔６１内の電解液６３中に放電用電極７０を挿入した後に、スイッチ８３を導通してコンデンサ８２に電源部８１からの電荷を蓄積させる。そしてスイッチ８４を導通して、コンデンサ８２に蓄えられた電荷を放電用電極７０に印加すると、先端側放電ギャップ７７で放電を生じ、この放電エネルギーによって衝撃波を発生する。同様に、複数の中間側放電ギャップ７８で放電を生じ、この放電エネルギーによって衝撃波を発生する。これら衝撃波により破壊対象物６０が破砕する。
特開２００３−３１１１７５号公報特開２００３−３２０２６８号公報

上述した放電破砕方法を使用して横坑を掘削することが考えられる。しかしながら、地山における横坑の掘削対象部に掘削対象部の表面から横坑の掘削進行方向に延長する放電用孔を形成し、この放電用孔内に放電用電極を設けて放電用電極に高電圧を印加して放電用電極の放電部での放電により衝撃波を発生させ、その衝撃波で掘削対象部を破砕して横坑を掘削する場合、放電用孔を多く設ける必要があるとともにこの多くの放電用孔内に放電用電極を設けて放電する作業を行わなくてはならず当該放電作業の回数が多くなることから、横坑の掘削を効率的に行えないという課題があった。

本願発明は、横坑の掘削対象部に横坑の掘削進行方向と掘削進行方向と直交する方向とに延長する自由面を形成するとともに掘削進行方向に延長する放電用孔を形成し、放電用孔内に放電用電極を設け、この放電用電極の放電部での放電により衝撃波を発生させ、衝撃波で放電用孔と自由面との間の掘削対象部を破砕して横坑を掘削する横坑の掘削方法であって、掘削進行方向に延長する複数の孔を掘削進行方向と直交する方向に互いに連続させて形成した溝の内面により自由面を形成したことを特徴とする。自由面で挟まれた掘削対象部に複数の放電用孔を設け、これら複数の放電用孔を自由面に沿う方向において千鳥状となるよう配置したことや、自由面の掘削進行方向における先端と放電用孔の掘削進行方向における先端とを、掘削進行方向と直交する同一平面上に設定したことや、放電用電極の放電部を一の放電用孔内の任意の位置に設置して放電を行なった後に当該一の放電用孔内に設置する放電用電極の放電部の位置を変更して放電を行うことも特徴とする。

本発明の横坑の掘削方法によれば、横坑掘削対象部に、掘削進行方向に延長する複数の孔を掘削進行方向と直交する方向に互いに連続させて形成した溝の内面により自由面を形成したことで、放電用孔の数及び放電作業を少なくできて、横坑の掘削を効率的に行えるとともに、自由面を形成する溝を、小さな径の孔を複数個形成していくことで形成できるため、小さな径の孔を形成可能な小さな穿孔機のような機械で自由面を形成でき、自由面を形成する作業を簡単に行える。複数の放電用孔を自由面に対して千鳥状に配置したので、２つの溝間で挟まれた掘削対象部を、少ない数の放電用孔で破砕できる。自由面の先端と放電用孔の先端とを、掘削進行方向と直交する同一平面上に設定したことで、放電用孔の先端と自由面の先端との間において衝撃波の伝播が集中しやすくなり、横坑掘削対象部を効率的に破砕できるとともに、切羽面を掘削進行方向に対して直交する方向の面に揃えることができ、切羽面への放電用孔や孔の形成作業を容易にできる。一の放電用孔内において放電用電極の放電部の位置を２箇所以上に設定し、その設定した２箇所以上の位置で放電を行うようにすることで、１つの放電用孔と自由面との間での衝撃波の伝播を多くでき、地山の岩盤が硬い場合や、放電用孔の設置間隔ピッチを大きくしたような場合でも、掘削対象部を効率的に破砕でき、横坑の掘削を効率的に行える。

図１；図２は本発明の最良の形態を示し、図１は地山における横坑の掘削対象部に形成した放電用孔及び自由面の配置を掘削対象部の表面から見て示し、図２は図１のＡ−Ａ断面を示す。尚、図３と同一又は相当部分は同一符号を付して詳説を省略する。

図１；図２に示すように、まず、地山１における横坑の掘削対象部２に掘削対象部２の表面２Ａから横坑の掘削進行方向Ｘ及びこの掘削進行方向Ｘと直交する方向に延長する自由面３を形成するとともに掘削進行方向Ｘに延長する放電用孔４を形成する。掘削対象部２は図１において想像線（二点鎖線）Ｂで囲まれた地山１の内側領域であって、掘削対象部２の表面２Ａは、掘削開始の際には地山１の地肌面に設定される面であり、掘削進行後は切羽面である。切羽とは横坑掘削の最先端箇所である。

自由面３は、横坑掘削対象部２に表面２Ａから掘削進行方向Ｘに延長する複数の孔５を掘削進行方向Ｘと直交する方向に数珠繋ぎのように並べて互いに連続させた溝６、すなわち、連続削孔により形成される溝６の内面により形成される。孔５や放電用孔４は例えば断面円形状の孔である。

溝６による自由面３を形成する連続削孔は、例えば、本出願人により出願された特許出願である特願２００１−１３３０９７号（特開２００２−３２７５８９号公報）に記載された図外の切削機械としての穿孔機を用いて形成する。つまり、案内ロッドと先端に岩盤を削る穿孔ビット（切削刃）を有する穿孔ロッドとを備えた穿孔機を用いて連続削孔を形成する。まず、掘削対象部２における横坑断面の内側に対応する箇所の上方側から穿孔ビットで最初の孔５ａ（５）を形成した後、最初の孔５ａ内に案内ロッドを挿入して穿孔ビットで最初の孔５ａの下方（地面８側）に最初の孔５ａと連続する孔５ｂ（５）を形成する。つまり、穿孔ロッド及び穿孔ビットを駆動手段で回転及び前後駆動させることで穿孔ビットが回転と打撃とにより地山１の岩盤を削って孔５を形成する。穿孔機の穿孔ロッドと案内ロッドとの間には超硬チップが設けられており、上下に並ぶ孔５ａと孔５ｂとの間の地山１は超硬チップにより削られて、この削られた連結孔部分７により孔５ａと孔５ｂの内面同士が繋がる。以後、同様に、下方に向けて順番に孔５を形成していくことで、掘削対象部２の上下に位置する複数の孔５が連結孔部分７により数珠繋ぎのように互いに繋がれた連続削孔による溝６が形成される。この連続削孔による溝６の内面が自由面３として機能する。本形態では、自由面３を形成する連続削孔による複数の孔５を掘削対象部２の上方から下方に向けて順番に形成することにより、穿孔機による穿孔の際に供給される水が上から下に流れて穿孔中の孔内に常に水が満たされるので、穿孔ビットと岩盤との摩擦を低減できる。すなわち、複数の孔５を掘削対象部２の上方から下方に向けて順番に形成する方法は、穿孔機による岩盤切削において穿孔ビットと岩盤との摩擦低減対策として好ましい。

放電用孔４は、上述した穿孔機の案内ロッドを取り外して残った穿孔ロッドの先端の穿孔ビットを駆動して形成したり、専用の穿孔機を用いて形成する。掘削対象部２の表面２Ａの中心側に形成される複数の放電用孔４は任意の間隔を隔てて形成される。掘削対象部２の表面２Ａにおける周囲側、すなわち、横坑の周縁部（図１の想像線Ｂ及び地面８に近い部分）に対応する箇所に沿って形成される複数の放電用孔４は上述した任意の間隔より狭い所定の間隔を隔てて形成される。図示しないが、連続削孔による複数の孔５や放電用孔４の径Ｃや深さＤ、掘削対象部２において形成された互いに平行な連続削孔による溝６同士間の距離Ｈ、連続削孔による溝６の数Ｔ、放電用孔４の設置間隔ピッチＰなどは、横坑断面積、地山１の岩盤の硬さなどを考慮して設定すればよい。例えば、断面積が５．１７５ｍ^２の横坑の場合は、上述した径Ｃを８０ｍｍ程度、深さＤを１．１〜１．５ｍ程度、距離Ｈを６００ｍｍ程度、数Ｔを３個、ピッチＰを４５ｃｍに設定する。ピッチＰは、地山１の岩盤が柔らかければ大きくし、岩盤が硬ければ小さくする。

そして、放電用孔４内に水などの電解液６３及び放電用電極７０を設ける。即ち、放電用孔４内に電解液６３を注入した後に放電用電極７０の放電部７９を挿入して電解液６３中に放電部７９を浸した状態で、放電用電極７０にパルスパワー源８０からの８ｋＶ〜２０ｋＶの高電圧を印加する。放電用孔４内に放電用電極７０の放電部７９を挿入した後に放電用孔４内に電解液６３を注入して電解液６３で放電部７９が浸された状態で、放電用電極７０にパルスパワー源８０からの８ｋＶ〜２０ｋＶの高電圧を印加してもよい。これにより、放電用電極７０の放電部７９で放電を生じ、この放電エネルギーによって衝撃波を発生し、衝撃波で掘削対象部２を破壊する。本形態では、自由面３は連続削孔による溝６内の空間と接している溝６の内面により形成され、この自由面３を形成する溝６により掘削対象部２の岩盤が縁切りされる。よって、放電用孔４と自由面３との間の岩盤が岩盤によって拘束されていない溝６のある側に動きやすくなるので、衝撃波によって放電用孔４と自由面３との間の岩盤にひび割れ（亀裂）が生じやすくなり、さらには、衝撃波が自由面３で反射されて戻ることに伴う引張力によっても放電用孔４と自由面３との間の岩盤にひび割れが生じやすくなることから、放電用孔４と自由面３との間の岩盤がひび割れにより破砕したり、あるいは、ひび割れた部分を小型のブレーカなどの削岩機を用いて破砕することで、横坑を効率的に掘削できる。一方、自由面３を形成しない場合には、衝撃波は放電用孔４の周りから外側に広がって行く過程で徐々に減衰するので、衝撃波によって岩盤を効率的に破砕できない。

また、本形態では、掘削対象部２の表面２Ａの中心に近い部位に形成された放電用孔４から表面２Ａの中心より遠い位置の放電用孔４という順番で放電を行う。すなわち、まず、図１のように２つの溝６；６で挟まれた掘削対象部２の表面２Ａの中心に近い部位に形成された放電用孔４内で放電を行うことで発生させた衝撃波により放電用孔４と溝６の自由面３との間の岩盤を破砕する。これにより、２つの溝６；６で挟まれた掘削対象部２の中央部を破砕できる。この２つの溝６；６で挟まれた掘削対象部２の中央部が破砕されると、２つの溝６；６の間に図外の大きな孔が形成されて、溝６，６の内面が図外の大きな孔の内面の一部となり、この図外の孔の内面で大きな面積の自由面が形成されることになる。そして、当該図外の孔の周囲にある放電用孔４内で放電を行って当該放電用孔４と自由面となる中央の孔の内面との間の岩盤を破砕することにより掘削対象部２の中央の周囲を徐々に破砕していき、最後に、掘削対象部２における横坑の周縁部近傍に形成された放電用孔４内で放電を行って横坑の周縁部の岩盤を破砕することで、掘削対象部２を掘削できる。このように、掘削対象部２の表面２Ａの中心に近い部位に形成された放電用孔４から表面２Ａの中心より遠い位置の放電用孔４という順番で放電を行うようにすることで、横坑掘削対象部２の中央に図外の大きな孔の内面による自由面を形成でき、この自由面を利用して掘削対象部２における横坑の周縁部側を効率的に破砕できる。

以後、掘削進行後の掘削対象部２の表面２Ａとなる切羽面に上述と同様に自由面３及び放電用孔４を形成して衝撃波による破砕作業を行っていくことで、横坑の掘削を効率的に行える。

本形態によれば、横坑掘削対象部２に表面２Ａから掘削進行方向Ｘに延長する複数の孔５を掘削進行方向Ｘと直交する方向に数珠繋ぎのように並べて互いに連続させた溝６、すなわち、連続削孔により形成される溝６の内面により自由面３を形成したので、自由面３を設けない場合に比べて、放電用孔４の数を少なくできて、放電作業の回数を少なくできて、横坑掘削を効率的に行えるとともに、自由面３を構成する溝６を形成する連続削孔による複数の孔５を１つずつ形成していくので、自由面３を構成する連続削孔による溝６を穿孔機で容易にかつ確実に形成できる。また、小さな径の孔５を形成していくことで自由面３を形成できるため小さな径の孔５を形成可能な小さな穿孔機で自由面３を形成でき、自由面３を形成する作業を簡単に行える。また、放電用孔４内に電解液６３及び放電用電極７０を設置して放電を行うことで、電解液６３が一部気化することによる圧力によって破壊力が増し、さらに、電解液６３により掘削対象部２への衝撃波の伝播効率を高めることができる。

また、連続削孔による溝６同士間の距離Ｈを長く設定した場合や地山１の岩盤が硬い場合（圧縮強度が１０００〜４０００（ｋｇ／ｃｍ^２）の硬岩の場合）には、図１に示すように、２つの連続削孔による溝６，６で形成される自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２に設ける複数の放電用孔４を、想像線Ｗに示すように自由面３に沿う方向において千鳥状となるよう配置することで、少ない数の放電用孔４を使用した放電によって、２つの溝６，６で形成される自由面３；３間で衝撃波をむらなく伝播できることから、自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２のひび割れを多くでき、自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２を効率的に破砕できる。一方、２つの連続削孔による溝６，６で形成される自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２に設ける複数の放電用孔４を、自由面３；３のそれぞれの近くにおいて自由面３に平行に沿った方向に所定の間隔を隔てて一列状に形成した場合には、二列分の放電用孔４を設けなくてはならず、図１のように千鳥状に放電用孔４を設ける場合と比較して放電用孔４の数を多くしなければならない。また、自由面３；３間の中間の位置において自由面３に沿った方向に複数の放電用孔４を適宜間隔を隔てて一直線状に配置する場合は、必然的に放電用孔４と自由面３との間の距離が長くなるので、自由面３；３間で衝撃波をむらなく伝播させることが難しい。本形態において、特に、想像線Ｗで繋がれた隣同士の放電用孔４，４間の所定の距離Ｚ（図示せず）を、一方の放電用孔４での放電による衝撃波で他方の放電用孔４までひび割れが到達するような所定の距離Ｚに設定しておけば、自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２のひび割れをより多くでき、自由面３；３間で挟まれた掘削対象部２をより効率的に破砕できる。上述した所定の距離Ｚは実験などによる経験則により得れば良い。連続削孔による溝６，６間の距離Ｈが短い場合や地山１の岩盤が柔らかい場合には、溝６，６で挟まれた掘削対象部２の自由面３；３間の中間の位置において自由面３に沿った方向に複数の放電用孔４を適宜間隔を隔てて一直線状に配置すればよい。

また、図２に示すように、自由面３の掘削進行方向Ｘにおける先端３ｔ（溝６の底面）と放電用孔４の掘削進行方向Ｘにおける先端４ｔ（放電用孔４の底面）とを、掘削進行方向と直交する同一平面Ｊ上に設定する。言い換えれば、掘削進行方向において自由面３の掘削進行方向における先端３ｔと放電用孔４の掘削進行方向における先端４ｔとが横方向に並ぶ位置にくるようにする。実際には、例えば、掘削対象部２の表面２Ａが平坦な面だとすれば、この表面２Ａと直交する掘削進行方向Ｘに向けての孔の深さＤが同じ深さになるように放電用孔４と孔５とを形成すればよい。このようにすれば、放電用孔４の先端４ｔと自由面３の先端３ｔとの間において衝撃波の伝播が集中しやすくなり、掘削対象部２を効率的に破砕できるとともに、切羽面を掘削進行方向Ｘに対して直交する方向の面に揃えることができ、切羽面への放電用孔４や孔５の形成作業を容易にできる。

また、放電用電極７０の放電部７９を一の放電用孔４内の任意の位置に設置して放電を行なった後に当該一の放電用孔４内に設置する放電用電極７０の放電部７９の位置を変更して放電を行うようにすれば、１つの放電用孔４と自由面３との間での衝撃波の伝播を多くでき、掘削対象部２を効率的に破砕でき、効果的である。例えば図２の想像線で示すように、放電用電極７０の放電部７９を放電用孔４の入口（表面２Ａ）に近い位置に設定して１回目の放電を行う。この場合、表面２Ａも自由面となり、放電による衝撃波で放電部７９と自由面３及び表面２Ａとの間の岩盤にひび割れが生じ、放電部７９と自由面３及び表面２Ａとの間の岩盤が破砕する。そして、図２の実線で示すように放電用電極７０の放電部７９を放電用孔４の先端４ｔに近い位置まで移動して２回目の放電を行う。これにより、１回目の放電で破砕された後の表面２Ａ側の露出面も図外の自由面となり、２回目の放電による衝撃波で放電部７９と自由面３及び図外の自由面との間の岩盤にひび割れが生じ、放電部と自由面３及び図外の自由面との間の岩盤が破砕する。また、例えば１回目の放電は図２の実線で示すように放電用電極７０の放電部７９を放電用孔４の先端４ｔに近い位置まで挿入して行い、２回目の放電は図２の想像線で示すように放電用電極７０の放電部７９を放電用孔４の入口（表面２Ａ）の方向に移動させてから行うようにしても良い。すなわち、一の放電用孔４内において放電用電極７０の放電部７９の位置を２箇所以上に設定し、その設定した２箇所以上の位置で放電を行うようにすることで、１つの放電用孔４と自由面３との間での衝撃波の伝播を多くでき、地山１の岩盤が硬い場合や、放電用孔４の設置間隔ピッチＰを大きくしたような場合でも、掘削対象部２を効率的に破砕でき、横坑の掘削を効率的に行える。尚、一の放電用孔４内において放電用電極７０の放電部７９を同じ位置に設定したまま２回以上放電を行わせてもよい。

上記では横坑の掘削対象部２の表面２Ａにおいて上下に一直線状に延長するような連続削孔による溝６を形成したが、自由面３を形成する連続削孔による溝６は、掘削進行方向Ｘに延長する複数の孔５を掘削進行方向と直交する方向に互いに連続させて形成した溝であればよい。例えば、掘削対象部２の表面２Ａにおいて左右に一直線状に延長する連続削孔による溝６や、表面２Ａにおいて斜線状や曲線状に延長するような連続削孔による溝６でも良い。また、放電用電極は、放電部としての放電ギャップの形成された放電用電極であればよく、例えば、線（ワイヤ）を切断して放電用ギャップを形成した放電用電極、その他の形態の放電用電極を使用できる。また、放電用電極の放電部を取り囲むカートリッジを設け、カートリッジ内に電解液を充填して放電部を電解液中に浸した状態に封止できる構成の放電用電極を用いれば、放電用孔４からの電解液の漏れを防止できる。

横坑の掘削対象部に形成した放電用孔及び自由面の配置図（最良の形態）。図１のＡ−Ａ断面図（最良の形態）。従来の放電破砕装置及び放電用電極を示す図。

符号の説明

１地山、２横坑の掘削対象部、２Ａ掘削対象部の表面、
３自由面、４放電用孔、５孔、６溝、６３電解液、７０放電用電極、
７９放電部、Ｘ横坑の掘削進行方向。

Claims

横坑の掘削対象部に横坑の掘削進行方向と掘削進行方向と直交する方向とに延長する自由面を形成するとともに掘削進行方向に延長する放電用孔を形成し、放電用孔内に放電用電極を設け、この放電用電極の放電部での放電により衝撃波を発生させ、衝撃波で放電用孔と自由面との間の掘削対象部を破砕して横坑を掘削する横坑の掘削方法であって、掘削進行方向に延長する複数の孔を掘削進行方向と直交する方向に互いに連続させて形成した溝の内面により自由面を形成したことを特徴とする横坑の掘削方法。
自由面で挟まれた掘削対象部に複数の放電用孔を設け、これら複数の放電用孔を自由面に沿う方向において千鳥状となるよう配置したことを特徴とする請求項１に記載の横坑の掘削方法。
自由面の掘削進行方向における先端と放電用孔の掘削進行方向における先端とを、掘削進行方向と直交する同一平面上に設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の横坑の掘削方法。
放電用電極の放電部を一の放電用孔内の任意の位置に設置して放電を行なった後に当該一の放電用孔内に設置する放電用電極の放電部の位置を変更して放電を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の横坑の掘削方法。