JP4620740B2 - 破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造 - Google Patents

Description

本発明は、破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造に関するもので、より詳細には、ケースの中間に高電圧を印加するため、放電ワイヤーが形成され、放電ワイヤーに印加された大電流により発生したプラズマチャンネルが、ケースの下側に収容された金属膨張剤まで及ぼすことができるように、上記放電ワイヤーが装着される区間のケース内部に圧力管が形成された破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造に関する。

一般的に、トンネル掘削、都心地宅地開発、採石場発破、地下空洞、地下鉄工事時に作業の効率性を高めるため、岩盤や岩石に強い衝撃を加えて、破砕するようにするために爆発物が用いられている。

従来は岩盤破砕のための爆発物としては、殆んど火薬類又はダイナマイトなどが用いられた。ところが、火薬類やダイナマイトの爆発物の場合には、その保管過程や運搬過程において、管理の不注意や衝撃などによって爆発される危険性があるだけでなく、爆発過程で物凄い爆発音が発生されることで、周辺環境に悪影響を及ぼすという問題点があった。

最近、岩盤破砕のための爆発物として火薬類又はダイナマイトの代わりに、酸化反応を起こす金属酸化物に電流を急速に放電して、カートリッジ内に収容された電解質と金属酸化物とが酸化反応される過程で、媒質が膨張しそして発熱されるようにすることで、その周辺に衝撃を加えて、目的物が破壊されるようにするいわゆる「急膨張金属混合物」が開発されて使われている。上記した「急膨張金属混合物」に対する詳しい技術的内容は、既に公開された特許文献１および２に記載されている。

すなわち、これらの公知技術によれば酸化剤である金属塩と、金属塩によって酸化されながら発熱反応で体積が増加する金属粉末と、上記金属塩と金属粉末の酸化反応を促進させる反応促進剤などを混合して、急膨張金属混合物が製造される。

金属塩としては硝酸鉄{Ｆｅ（ＮＯ_３）_３}、硝酸銅{Ｃｕ（ＮＯ_３）_２}、硝酸バリウム{Ｂａ（ＮＯ_３）_４}、硝酸マンガン{Ｍｎ（ＮＯ_３）_４}、硝酸マグネシウム{Ｍｇ（ＮＯ_３）}、硝酸カリウム{ＫＮＯ_３}、硝酸ナトリウム{ＮａＮＯ_３}、硝酸カルシウム{Ｃａ（ＮＯ_３）_２}などの硝酸塩と、三酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、四酸化三鉄（Ｆｅ_２Ｏ_４）、酸化銅（ＣｕＯ）、二酸化マンガン（ＭｎＯ_２）、三酸化二ニッケル（Ｎｉ_２Ｏ_３）、酸化鉛（ＰｂＯ）等の金属酸化物が用いることができる。

一方、上記した金属粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、リチウム（Ｌｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、クロム（Ｃｒ）、ケイ素（Ｓｉ）等の還元剤が用いられる。

そして、酸化促進剤としては、硫酸ナトリウム（ＮａＳＯ_４）、硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）、硫酸鉄（ＦｅＳＯ_４）、硫酸マンガン（ＭｎＳＯ_４）、硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ_４）、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ_４）等が用いられる。

また、金属塩と金属粉末の酸化反応が促進されるようにするための電気スパーク誘導電解質としては、硼酸アンモニウム、硝酸塩、硫酸塩などをエチレングリコールなどのグリセリン類およびアルコール類に微量を溶かした液が用いられる。

すなわち、上記した物質等が適正量ずつ混合された「急膨張金属混合物」はビニール紙またはカートリッジに少量ずつ含まれて発破穴に位置させ、遠隔地で、スイッチ操作で急膨張金属混合物が収容された容器に大電流が印加されるように形成される。ところが、金属混合物をビニール紙に収容されて使う場合は、定形化および規格化ができないので、一般的に急膨張金属混合物をカートリッジに入れて使うようになる。

図４は、従来の破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造を示した図面であって、従来の破岩用金属膨張剤のカートリッジ１０は、金属酸化物が入れられる円筒形であって、ケース１１と、上記ケース１１の上下部を塞ぐ上部キャップ１２および下部キャップ１３と、上記したケース１１の内部に収容された媒質に大電流が印加されるようにするための両側端子１４と、上記した端子１４に電流が供給されるようにするための電源供給部１７および電線１６等で構成されている。上記した両側端子１４の間には、所定のキャップが形成され、上記端子１４の終端の間には、アルミニウム線などで構成した起爆ワイヤー１５が連結されている。

したがって、上記した電源供給部１７でスイッチングされて、上記した一対の端子１４の間に大電流が流れ、上記起爆ワイヤー１５では放電されてプラズマチャンネルが形成される。このようなプラズマチャンネルから発生される高熱と衝撃波エネルギーによって、金属膨張剤２０の炎酸化反応が発生される過程で、金属膨張剤２０の体積が膨張されて、発破穴を拡大させるようになる。
大韓民国登録特許公報第２１３５７７号 大韓民国公開特許公報２００３-０００６０８３号

ところが、従来の金属膨張剤が収容されたカートリッジの場合に、上記した起爆ワイヤーで高圧が発生される瞬間、起爆ワイヤーの周りの金属酸化物がまず酸化反応を起こすことで、円筒形で長さが長く形成されるケースの下部側に収容された金属酸化物が完全に反応する前に、ケースが破壊される。したがってカートリッジ内に収容された金属膨張剤の中、ケースの上部側に位置した金属膨張剤のみ反応することで、十分な膨張圧力が得られないという問題点があった。

そして、上記した起爆ワイヤーが円筒形のケースの直径方向に短く連結されているので、金属酸化物に伝達される放電効率が向上されない。また、従来の破岩用金属酸化物カートリッジの場合に、円筒形のケース内部に収容された金属酸化物が保管過程又は移動過程で時間が過ぎるほどケース下部に位置した酸化物間の隙間の間を微粒子の酸化物が埋めることで、円筒ケースの下部側の酸化物は固められて、ケースの上部側は空気層に残ることになり、起爆ワイヤーで放電されて酸化反応される過程で性能が低下するという問題点があった。

したがって、本発明は、上記のような問題点を解決するため案出されたものであって、ケースの中間に高電圧を印加するための放電ワイヤーが形成されて、放電ワイヤーに印加された大電流によって発生されたプラズマチャンネルがケースの下側に収容された金属膨張剤まで影響を及ぼすように、上記放電ワイヤーが装着される区間のケース内部に圧力管が形成された破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造を提供することが目的である。

本発明によれば、金属塩、金属粉末、金属酸化物などが混合された金属膨張剤がケースに収容され、上記ケース内部に収容された金属膨張剤に大電流が放電されるようにするため、起爆ワイヤーが形成され、上記起爆ワイヤーの両端に電源供給部から提供される大電流が電線を通じて入力されるように構成される破岩用金属膨張剤カートリッジ構造において、上記した起爆ワイヤー４４に大電流が印加された時、高熱と衝撃波エネルギーによって、上記起爆ワイヤー４４と隣接した区間のケース３１が先に破壊されるのを遅延させて、上記起爆ワイヤー４４で発生されたプラズマチャンネルがケース３１の下側に誘導できるように、上記した起爆ワイヤー４４が位置される区間のケース３１の内部壁には、圧力に耐える強度の強い材質からなる圧力管３５が追加形成されており、上記したケース３１の上部を塞ぐ上部キャップ３２の下側に、二つの固定端子４１、４２がケース３１内部に向かって突出形成されるが、一側の固定端子４２は長さが長く、他の一側固定端子４１は、相対的に長さが短く突出されて上記両側固定端子４１、４２に連結される起爆ワイヤー４４が、ケース３１の長さ方向に対して対角線方向に形成されている。

また本発明によれば、上記したケース３１の下側内部空間には、スプリング３７によって、弾力支持される円板３６が介在され、上記円板３６の上側から金属膨張剤６０が収容されるように構成されている。

さらに本発明によれば、上記した上部キャップ３２の上側には、固定子４１、４２の上段部が、電源供給部５０と連結された電線５１、５２が着脱できるようにするためのキャノンプラグタイプで突出形成されている。

以上のように構成される本発明は、破岩用金属混合物が充填されるカートリッジにおいて、起爆ワイヤーが位置するケース中間を圧力管で取り囲むことで、ケース内部に充填された大部分の金属膨張剤が反応して、より大きい膨張圧力を得ることができるだけでなく、起爆ワイヤーがケースの軸方向に比べて、対角線の方向に位置することで、起爆ワイヤーから初期に反応熱が伝えられる金属混合物の体積が増加されるという大きな長所がある。また、金属混合物が充填されたカートリッジの保管および移動過程で、スプリングによって、金属混合物の荷重が支持されることで、ケース上部側に空気層が形成されることが防止されるという長所がある。

以下、本発明による破岩用金属膨張剤カートリッジ構造の望ましい実施例を添付した図面で詳細に説明する。
図１は、本発明を実施した破岩用金属膨張剤カートリッジ構造の断面図であり、図２は、本発明を実施したカートリッジ構造の分解斜視図であり、図３は、本発明を実施した破岩用金属膨張剤カートリッジ構造が使用される状態図である。

図面に示される符号３０は、本発明を実施した破岩用金属膨張剤のカートリッジを示し、上記カートリッジ３０の本体は、軸線方向の長さが長い円筒形のケース３１と、上記ケース３１の開放された上部段を塞ぎそして、電流が入力されるための固定端子４１、４２が設けられた上部キャップ３２と、上記ケース３１の開放された下部段を塞ぐための下部キャップ３４とから構成されている。

上記した上部キャップ３２の下側には、図３に示すようにケース３１の内部に向かって電源供給部５０の（＋）電源および（−）電源が入力されるための一対の固定端子４１、４２が突出して形成されている。ここで、一側の固定端子４２は、他の一側の固定端子４１よりもっと長く突出されて、その両終端間を連結する放電ワイヤーすなわち起爆ワイヤー４４が上記ケース３１の長さ方向と対角線方向（傾斜方向）を成すように形成されている。特に、長く形成される固定端子４２の外周は、上記上部キャップ３２の下部側に上部キャップと同一体で延長形成されるガイド３３に挟まれて保護されている。すなわち、上記した上部キャップ３２の両側には上記固定端子４１、４２が互いに並んでインサートされるように射出され、上記固定端子中、長さの長いものが入力される側には、ガイドが下側に長く延長形成されている。

一方、上記した上部キャップ３２の上部側には、上記固定端子４１、４２の上段がキャノンプラグタイプ（Ｃａｎｎｏｎ ｐｌｕｇ ｔｙｐｅ）で所定区間が突出形成され、電源供給部５０（図３参照）に連結された電線の終端が連結されるように構成されている。図２に示すように、上記電線５１、５２の終端には、上記した固定端子４１、４２の上部終端に簡単に脱装着されるコネクター５３が形成されているが、上記コネクター５３は、キャノンプラグタイプで突出された固定端子４１、４２の上段を取り囲んで、上下にスライディングされて着脱できるように形成されている。そして、上記したコネクター５３を固定端子４１、４２の上段に連結した状態で、その接点が保護できるように筒形状のビニールキャップ５４が覆われている。

本発明による破岩用金属膨張剤カートリッジ３０は、上記したように、起爆ワイヤー４４が傾斜方向に位置されることで、上記したケース３１に起爆ワイヤー４４が位置される区間が従来技術の場合より大きく拡張され長くなる。

そして、上記した起爆ワイヤー４４が位置する区間のケース３１の内周縁には、圧力に耐える強度の強い材質で形成された円筒形状の圧力管３５が挿入されている。上記圧力管３５をケース３１の中間に位置させる理由は、上記した起爆ワイヤー４４に大電流が印加された時、上記ケース３１の内部に充填された金属膨張剤６０等の中で、上記起爆ワイヤー４４と隣接した金属膨張剤６０が、まず反応して上記ケース３１の下部側に位置した金属膨張剤６０まで反応熱が伝えられる前に、上記起爆ワイヤー４４が位置した区間のケース３１が破壊されることを防止するためである。上記圧力管３５は、耐腐食性の強いステンレス材質で形成されることが望ましい。

すなわち、上記した起爆ワイヤー４４が位置される区間のケース３１の部分が、上記圧力管４４で補強されて、起爆ワイヤー４４が位置される区間のケース３１の破壊が遅れることで、上記起爆ワイヤー４４で発生するプラズマチャンネルが上記ケース３１の下部に位置された金属膨張剤６０まで誘導されるように構成されている。

一方、上記したケース３１の下側内部には、下部キャップ３４の内部面とスプリング３７で弾力支持される円板３６が介在され、上記した円板３６の上部側に金属膨張剤６０が収容されるように構成されている。すなわち、上記した金属膨張剤６０の荷重を上記スプリング４７で弾力支持されている。スプリング３７を用いて、金属膨張剤６０の荷重を支持する理由は、上記したケース３１内部に金属膨張剤６０が充填されたカートリッジ３０を保管および移動する過程で、上記金属膨張剤６０の粒子等の間の隙間等を微細粒子の金属粒子が埋めることになり、ケース３１の上部側に空気層が形成されようとすると、上記したスプリング３７の弾力で、上記円板３６が上昇と共に媒質がケース３１内部で上昇されることで、ケース３１の上部に空気層が形成される現象が防止されるようにするためである。

そして、上記したケース３１の上下部に装着される上部キャップ３２と下部キャップ３４の結合面には、図面上には示されなかったが、水密維持のためのシーリング処理が行われる。

以上のように構成される破岩用金属混合物のカートリッジの使用方法および作用を説明すると、次の通りである。
上記したカートリッジ３０は、図３に示すように、発破が要求される位置に穿孔機などの装備を用いて形成された発破穴７０に配置され、上記したカートリッジ３０の上部キャップ３２に突出された固定端子４１、４２の上段部に電源供給部５０から連結された電線５１、５２のコネクター５３を連結する。

上記した電源供給部５０と、上記カートリッジ３０に大電流が印加されるように制御するためのスイッチには、上記したカートリッジ３０を遠隔地で爆発させることができるように電線５１、５２が配線されている。

安全を確認した爆発責任者が、スイッチをON作動させると、上記した電源供給部５０の電源が上記起爆ワイヤー４４に誘導されることで、上記した起爆ワイヤー４４には高圧の大電流が放出され、プラズマチャンネルが形成され、上記起爆ワイヤー４４の周りの金属膨張剤２０で高温高圧のエネルギーが伝達される。したがって、起爆ワイヤー４４を中心にケース３１内部に充填された金属膨張剤２０は、高温の反応熱によって反応して、酸化される過程で膨張しながら、高熱を放出するようになり、このエネルギーが発破穴を拡大させながら、爆発目的物を破砕させるようになる。

ところで、この過程で本発明によるカートリッジ３０には、上記した起爆ワイヤー４４が位置された区間のケース３１内壁には、上記ケース３１より強度が高い圧力管３５が介在されることで、従来の技術とは異なって、ケース３１の下部位置に充填された金属膨張剤２０まで正常に反応できるように上記した起爆ワイヤー４４が位置された区間のケース３１の破壊を遅延させ、プラズマチャンネルが、ケース３１の下側に誘導することになる。したがって、ケース３１内部に充填された金属膨張剤２０から得られる理論的な爆発圧力に近いエネルギーを得ることができるようになる。

上記した起爆ワイヤー４４が対角線方向に長く形成されることで、上記起爆ワイヤー４４から高温の反応熱を初期に受けられる金属膨張剤４４の表面的が広くなる。

そして、本発明による破岩用金属混合物カートリッジ３０の場合は、ケース３１の内部に充填される金属膨張剤２０の荷重が、スプリング３７によって、弾力支持されることで、金属膨張剤が充填された上記したカートリッジ３０の保管および移動過程で、ケース３１内部に収容された金属膨張剤の隙間の間に微細な金属粒子等が入力されるとしても、ケース３１の上部に空気層が形成されることが抑制される。

上記した爆発作業が行われる現場で、上記したカートリッジ３０の固定端子４１、４２に電線５１、５２のコネクター５３を連結する方法が簡単に行われることで、作業性が向上する。

本発明を実施した破岩用金属膨張剤カートリッジ構造の断面図。 本発明を実施したカートリッジ構造の分解斜視図。 本発明を実施した破岩用金属膨張剤カートリッジ構造の使用状態を示す説明図。 従来の技術を説明するための図面。

符号の説明

２０・・・金属膨張剤
３０・・・破岩用金属膨張剤のカートリッジ
３１・・・ケース
３２・・・上部キャップ
３３・・・ガイド
３４・・・下部キャップ
３５・・・圧力管
３６・・・円板
３７・・・スプリング
４１、４２・・・固定端子
４４・・・起爆ワイヤー
５０・・・電源供給部
５１、５２・・・電線
５３・・・コネクター

Claims (3)

1. 金属塩、金属粉末、金属酸化物などが混合された金属膨張剤がケースに収容され、上記ケース内部に収容された金属膨張剤に大電流が放電されるようにするため、起爆ワイヤーが形成され、上記起爆ワイヤーの両端に電源供給部から提供される大電流が電線を通じて入力されるように構成される破岩用金属膨張剤カートリッジ構造において、上記した起爆ワイヤー（４４）に大電流が印加された時、高熱と衝撃波エネルギーによって、上記起爆ワイヤー（４４）と隣接した区間のケース（３１）が先に破壊されるのを遅延させ、上記起爆ワイヤー（４４）で発生されたプラズマチャンネルがケース（３１）の下側に誘導できるように、上記した起爆ワイヤー（４４）が位置される区間のケース（３１）の内部壁には、圧力に耐える強度の強い材質からなる圧力管（３５）が追加形成されており、上記ケース（３１）の上部を塞ぐ上部キャップ（３２）の下側に、二つの固定端子（４１、４２）がケース（３１）内部に向かって突出形成されるが、一側の固定端子（４２）は長さが長く、他の一側固定端子（４１）は、相対的に長さが短く突出されて上記両側固定端子（４１、４２）に連結される起爆ワイヤー（４４）が、ケース（３１）の長さ方向に対して対角線方向に形成されることを特徴とする破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造。
2. 上記したケース（３１）の下側内部空間には、スプリング（３７）によって、弾力支持される円板（３６）が介在され、上記円板（３６）の上側から金属膨張剤（６０）が収容されるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造。
3. 上記した上部キャップ（３２）の上側には、固定子（４１、４２）の上段部が、電源供給部（５０）と連結された電線（５１、５２）が着脱できるようにするためのキャノンプラグタイプで突出形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の破岩用金属膨張剤のカートリッジ構造。

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