JP5775079B2 - 擬似鉱石及びこれを利用した解析システム - Google Patents

Description

本発明は、鉱床崩落時や液状化現象発生時の岩石の挙動を解析するための擬似岩石、及びこれを利用した解析システムに関する。

従来、鉱床の下部を広く切り出し、地表に及ぶまで鉱床全体を崩落させ、下部より鉱石を抜き出す方法（ブロックケービング法）が、鉱床の深部化に伴う経済性の観点から注目されている。

従来、地下坑道、鉱床あるいは地層内の異常を検出・解析するため、さまざまな装置や手法が提案されており、下記特許文献１には、地下掘削ボーリング孔に形成した人工亀裂に設置される圧力測定プローブを設け、地下坑道の変位を監視する技術が、下記特許文献２には、岩石塊の表面の変位を測定する技術が、そして、下記特許文献３には、調査坑に注入した高速磁性流体に磁場を印加して、地下のフラクチャ構造を解析する技術がそれぞれ開示されている。

日本国特開２００５−３７３１３号公報 日本国特表平１１−５０６５４０号公報 日本国特開平６−６６９５０号公報

上記先行技術文献によれば、坑道の解析や岩石塊の表面の変位等を計測することが可能になるが、ブロックケービング法においては、鉱床内の岩石に、どのような応力が負荷されたとき、どのような挙動を取りながら崩落するのかが、崩落開始のタイミングや崩落の規模をシミュレーションする際、きわめて重要なパラメータとなる。
一方、大震災の発生時に、埋め立て地等において、いわゆる液状化現象の発生が懸念されているが、このような液状化現象の発生メカニズムを解析する上でも、地盤を構成する岩石の挙動を解析することが、効果的な防災対策を講じる上での基礎データとなる。

そこで、上記の課題を解決するため、本発明においては、鉱床内あるいは地盤内に、これを構成する平均的な形状、大きさ（鉱床では採掘時の平均的な形状，大きさ）を有する擬似岩石を配置し、崩落時あるいは液状化現象発生時に、岩石に作用する応力、それに伴う岩石の挙動を計測し、これを収集して解析することにより、崩落開始のタイミング、崩落の規模、液状化現象の発生メカニズムをシミュレーションするための正確な基礎データを得ることを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の鉱床内あるいは地盤内に埋設される擬似岩石においては、次のような技術的手段を講じた。
すなわち、
（１）前記鉱床内あるいは地盤内に存在する岩石の平均的な形状及び大きさを有する筐体と、該筐体の中心を原点とする３次元座標（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に対し、各軸の正負の方向に作用する応力を検出する歪みセンサと、前記３次元座標の各軸方向に作用する加速度を検出する三軸加速度センサと、前記３次元座標に対し、特定の方向の振動を与える加振器と、前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサそれぞれの検出値を特定パターンの振動パルスに変換し、前記加振器に出力する制御装置とを具備した。

（２）前記擬似岩石は個別にＩＤ振動パルスが割り振られ、前記制御装置は、前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの検出値に対応した特定パターンの振動パルスを前記加振器に出力する際、前記ＩＤ振動パルスを合わせて出力するようにした。

（３）前記制御装置は、前記三軸加速度センサまたは個別に設けた振動センサが前記ＩＤ振動パルスの振動を検出した際、自らの電源をオンにする電源制御手段を備えるようにした。

（４）三軸地磁気センサをさらに備えるようにした。

また、本発明の上記擬似岩石を地上で管制する地上管制装置は、
（５）前記擬似岩石に対し該擬似岩石のＩＤ振動パルスを送信し、該擬似岩石のトリガーを行う送信用バイブレータと、前記擬似岩石の加振器からの振動を検出する受信センサとを具備する。

（６）前記受信センサが、前記擬似岩石から当該擬似岩石のＩＤ振動パルスに対応する振動とともに、前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの検出値に対応する振動パルスを検知し、該擬似岩石のＩＤ振動パルスと合わせて当該擬似岩石の前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの各検出値を解析するデータ解析装置をさらに備えるようにした。

（７）前記受信センサは、前記鉱床あるいは地盤の外周の少なくとも３箇所に配置され、前記擬似岩石の加振器から信号の到達時間の相違に基づいて、当該擬似岩石の鉱床内あるいは地盤内における３次元位置を解析する位置解析装置をさらに備えるようにした。

（８）前記擬似岩石の各歪みセンサの検出値あるいは前記三軸地磁気センサの検出値に基づいて、当該擬似岩石の３次元座標（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の鉛直方向に対する傾斜角あるいは水平方向の傾斜角を解析する３次元座標解析装置をさらに備えるようにした。

さらに本発明の鉱床内あるいは地盤内の岩石挙動解析システムは、上記（１）〜（４）の擬似岩石と、上記（５）〜（８）の地上管制装置を組み合わせることにより構成した。

本発明の擬似岩石によれば、鉱床内あるいは地盤内に存在する岩石の代表的な形状及び大きさを有する筐体により、鉱床内あるいは地盤内に存在する岩石が他の岩石等から受ける応力や圧力の平均値を、歪みセンサ等で正確に測定することができ、しかも、３次元座標の各軸方向に作用する加速度を検出する三軸加速度センサと、特定の方向の振動を与える加振器により、振動により地上側と通信を確立でき、応力や圧力の方向を特定しながら、崩落開始のタイミング、崩落の規模、液状化現象の発生メカニズムをシミュレーションするための正確な基礎データを得ることができる。

また、本発明の地上管制装置によれば、上記の擬似岩石のトリガーを行う送信用バイブレータと、擬似岩石の加振器からの振動を検出する受信センサを備えることにより、擬似岩石と振動による通信を可能として、擬似岩石の起動や、得られた検出データを地上において正確に受信することが可能となる。

さらに本発明の岩石挙動解析システムによれば、上述の擬似岩石と地上管制装置を組み合わせることにより、鉱床あるいは地盤の所定箇所に、岩石挙動を正確に計測する計測システムを構築することができる。

図１は本発明に係る擬似岩石の構造を示す図である。 図２は三軸加速度センサにより擬似岩石の鉛直方向の傾斜角を測定するための原理を示す図である。 図３は三軸地磁気センサにより擬似岩石の水平方向の傾斜角を測定するための原理を示す図である。 図４は擬似岩石内部の回路接続構成を示すブロック図である。 図５は歪みゲージの応力と検出値との関係を示す図である。 図６は地上管制装置の基本構成の平面図である。 図７は地上管制装置の基本構成の縦断面図である。 図８（Ａ）は地上管制装置の送信用バイブレータが送出する４つの振動パルスを示し、図８（Ｂ）は４個の擬似岩石が備えているそれぞれ別個のＩＤを示す振動パルスを示している。 図９（Ａ）は地上管制装置における送信用バイブレータが送出する４つの振動パルスを示し、図９（Ｂ）は複数の擬似岩石のうち送信用バイブレータが送出した４つの振動パルスで特定される擬似岩石が自己の三軸加速度センサにより検知する振動パルを示し、図９（Ｃ）は前記特定された擬似岩石が自己の加振器により地上管制装置に対して順次送信する自分のＩＤの振動パルスと、これに続く三軸加速度センサ、三軸地磁気センサ、温度センサ、各歪みゲージの検出値に対応する振動パルスを示している。 図１０（Ａ）は擬似岩石が加振器により地上管制装置にＩＤ振動パルス、各センサの検出値を送信する際のデータストリームを示し、図１０（Ｂ）は本発明で使用する振動による１ビットを示し、図１０（Ｃ）は振動による１ビットの構成を示している。 図１１は複数の擬似岩石と地上管制装置との振動によるデータ通信を示す図である。 図１２は長期にわたり計測する際のトリガー例を示す図である。

以下、本発明を鉱床崩落時の岩石挙動の解析に適用した際の実施例を図面とともに説明する。

本実施例は、鉱床崩落時の岩石挙動の解析システムであることから、使用する擬似岩石は、鉱床から取り出される際の平均的な大きさ、形状に設定し、特に、設置位置、向き等は意識せず、崩落時における鉱床内の岩石の挙動を測定するのに適した状態で設置されるものである。

図１に本実施例に係る擬似岩石の構造を示す。
図１において、１００が本実施例に係る擬似岩石である。擬似岩石１００の筐体は、外殻球（圧力外壁）１と内殻球２の二重構造となっており、外殻球（圧力外壁）１は、鉄あるいはステンレスなどから成型され、鉱床内において岩石から受ける圧力に耐え得るような強度を有している。内殻球２の内部には、三軸加速度センサ３、三軸地磁気センサ４、加振器（バイブレータ）５、温度センサ６及び電気制御ユニット（エレクトリック・コントロール・ユニット。以下、ＥＣＵという）７が収容されている。
外殻球１と内殻球２は、擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の正負両方向に延びる６本の柱状部材８により連結されており、この柱状部材８には、それぞれ、歪みセンサである歪みゲージ９が２個取り付けられ、外殻球１と内殻球２の間のスペース１１を利用して、二次電池などの電池スペースとしている。
なお、三軸地磁気センサ４は、後述するように、擬似岩石１００の水平面におけるＮ軸に対する傾斜角を測定する際に使用するものであり、鉛直方向（重力作用方向）に対する傾斜角のみを測定する際は不要である。また、三軸地磁気センサ４を使用する場合は、擬似岩石１００の内部で地磁気を正確に測定できるよう、外殻球１はステンレス等、地磁気を透過する素材とする必要がある。

なお、この実施例では、擬似岩石１００の筐体を外殻球１と内殻球２からなる二重構造の球体としたが、立方体、直方体あるいは平行に対向面を有する立体形状であればよく、鉱床内に分布する岩石の平均的な形状等に応じて適宜定めればよい。

歪みゲージ９は、崩落開始前後、鉱床内の他の岩石との接触や衝突などにより、外殻球１に作用する圧力や衝撃を、これに伴い発生する各柱状部材８の歪みにより計測するもので、こうした圧力や衝撃を、擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の正負両方向の６軸方向に高精度に検出することができる。
なお、この擬似岩石１００は、鉱床内あるいは地盤内の適当な箇所に少なくとも１箇所設置されるが、複数個配置した方が、崩落現象を解析する上でより高精度のデータを収集することが可能になる。

加振器５は、例えば、携帯電話に使用されているような、偏心ウエイトをモータで高速回転することにより、所定方向に振動を与えるもので、この振動は、三軸加速度センサ３により検出され、擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の振動が検出される。なお、加振器５は、このようなタイプのものに限られることなく、コイルを用いたものなど、電動型加振器であればいずれを採用してもよい。

ところで、擬似岩石１００（図１）は鉱床内において、適当な向きで初期値に設置、埋設されるものであり、しかも、鉱床内においても、周辺の岩石から受ける圧力により様々な方向に回転することになる。したがって、擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、地表面における東西方向、南北方向、鉛直方向（重力作用方向）のグローバル座標に対し、さまざまな方向を傾斜することになる。
崩落を解析する際、特に、擬似岩石１００に対しグローバル座標の鉛直方向からみてどのような方向に圧力や衝撃が発生したかを判定することが必要である。

ここで、図２に示されるように、擬似岩石１００（図１）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が鉛直方向に対し、それぞれθｘ、θｙ、θｚで傾斜しているものとする。
三軸加速度センサ３のＸ軸センサ出力（Ｖｘ）、Ｙ軸センサ出力（Ｖｙ）、Ｚ軸センサ出力（Ｖｚ）に基づいて求めた加速度ベクトルを（Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚ）、加振器５による振動の擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸における単位ベクトルを（ａ、ｂ、ｃ）とすると、この加速度ベクトルには、水平面に対し鉛直方向に重力加速度ＶＧが作用しているので、オイラー角と方向余弦行列の関係から、
Ｘ軸 （ａ．ｂ．ｃ）（１．０．０）＝ｃｏｓθｘ＝Ｖｘ／ＶＧ
Ｙ軸 （ａ．ｂ．ｃ）（０．１．０）＝ｃｏｓθｙ＝Ｖｙ／ＶＧ
Ｘ軸 （ａ．ｂ．ｃ）（０．０．１）＝ｃｏｓθｚ＝Ｖｚ／ＶＧ
と表すことができる。
したがって、この関係式を利用することにより、Ｘ軸センサ出力（Ｖｘ）、Ｙ軸センサ出力（Ｖｙ）、Ｚ軸センサ出力（Ｖｚ）に基づいて、θｘ、θｙ、θｚを位相解析により求めることができる。
これにより、各歪みゲージ９により検出した、外殻球１に作用する、鉱床内の岩石からの圧力や衝突などが、グローバル座標の鉛直方向に対しどの方向に作用したかを正確に解析することができる。

グローバル座標の鉛直方向のみならず水平方向の傾斜角を特定する場合は、三軸地磁気センサ４を使用する。
この三軸地磁気センサ４は、図３に示されるように、擬似岩石１００（図１）のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対し、水平面におけるＮ−Ｓ方向に作用する地磁気の方向成分を検出するもので、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向の地磁気センサ出力をそれぞれＶＨＸ、ＶＨＹ、ＶＨＺとし、Ｎ極方向に設置された際の地軸センサ出力をＶＨ、地磁気の単位方向ベクトルを（Ａ、Ｂ、Ｃ）とすると、鉛直方向の特定と同様に、
Ｘ軸 （Ａ．Ｂ．Ｃ）（１．０．０）＝ｃｏｓθＨＸ＝ＶＨＸ／ＶＨ
Ｙ軸 （Ａ．Ｂ．Ｃ）（０．１．０）＝ｃｏｓθＨＹ＝ＶＨＹ／ＶＨ
Ｚ軸 （Ａ．Ｂ．Ｃ）（０．０．１）＝ｃｏｓθＨＺ＝ＶＨＺ／ＶＨ
と表すことができる。
したがって、擬似岩石１００のＮ−Ｓ方向に対する傾斜角を特定する必要がある場合、この関係式を利用することにより、ＶＨ及びＶＨＸ、ＶＨＹ、ＶＨＺに基づいて、θＨＸ、θＨＹ、θＨＺを位相解析により求めることができる。
これにより、各歪みゲージ９により検出した、外殻球１に作用する、鉱床内の岩石からの圧力や衝突などが、ＮＳ方向に対しどの方向に作用したか解析することができる。

図１に戻って、擬似岩石１００の内殻球２の内部に格納されたＥＣＵ７には、電池スペース１１に収容されたバッテリ４４（図４）から電力が供給されており、三軸加速度センサ３、三軸地磁気センサ４、温度センサ６、各歪みゲージ９が入出力インターフェース（図示なし）を介してＥＣＵ７のＣＰＵ４３に接続されている。加振器５を構成するモータはＣＰＵ４３がトランジスタ４８のベース４８Ｂの電圧をオンオフ制御することで回転する。
ＥＣＵ７は、後述する地上管制側２００（図７）に設置された送信用バイブレータ１０から起動振動を受信したとき、それに応答して、各加速度センサ３の各検出値を対応する周波数に変換して、加振器５を作動させて地上管制装置２００に発信したり、あるいは、各加速度センサ３の検出値を検出時間とともに時系列データとしてメモリ４２（図４）に記憶させるものである。

図４に擬似岩石１００内のブロック図を示す。
上段のＲ１とＲ２が、Ｘ軸正方向に延びる柱状部材に取り付けられた歪みゲージ９の抵抗値を示し、Ｒ３とＲ４が、Ｘ軸負方向に延びる柱状部材に取り付けられた歪みゲージの抵抗値を示している。抵抗値Ｒ１とＲ２の直列回路とＲ３とＲ４の直列回路とでブリッジを組み、抵抗値Ｒ１とＲ２の接続点Ｂ１にバッテリ４４の正電圧を印加し、抵抗値Ｒ３とＲ４の接続点Ｂ２に接地電位を印加し、抵抗値Ｒ１とＲ３の接続点Ｂ３を差動アンプＵ１の第１入力端子（マイナス端子）に接続し、抵抗値Ｒ４とＲ２の接続点Ｂ４を差動アンプＵ１の第２入力端子（プラス端子）に接続することで、歪みに伴う各抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の変化が、差動アンプＵ１の出力端子（ＯＵＴ端子）から出力される。この検出値はアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４１を介してＣＰＵ（中央演算装置）４３に入力され、Ｘ軸正方向（引っ張り方向）あるいは負方向（圧縮方向）にどのような応力が発生したかを検出することができる。ＳＷ１〜ＳＷ３はＣＰＵ４３によって制御されるスイッチで、ＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２とＳＷ３をＯＦＦにすれば、差動アンプＵ１の出力が選択されてＡ／Ｄ変換器４１に読み込まれる。同様の操作で差動アンプＵ１〜Ｕ３までの３チャンネルを１チャンネルのＡ／Ｄ入力で読み込める。Ａ／Ｄの半導体は通常８チャンネル入力が一般的なのでこのようにして３チャンネルを１チャンネルのＡ／Ｄ入力で読み込んでいる。
ＣＰＵ４３にはメモリ４２が接続されている。Ａ／Ｄ変換器４１とメモリ４２とＣＰＵ４３は１つの基板上に取り付けられてＥＣＵ７（図１）を構成している。
Ｒ５〜Ｒ８、Ｒ９〜Ｒ１２についても同様である。すなわち、Ｒ５〜Ｒ８はＹ軸正方向（Ｒ５とＲ６）および負方向（Ｒ７とＲ８）に延びる柱状部材８（図１）に取り付けられた歪みゲージ９の抵抗値を示し、また、Ｒ９〜Ｒ１２はＺ軸正方向（Ｒ９とＲ１０）および負方向（Ｒ１１とＲ１２）に延びる柱状部材８に取り付けられた歪みゲージ９の抵抗値を示しており、それぞれ、Ｙ軸の正方向あるいは負方向に、Ｚ軸の正方向あるいは負方向に、どのような応力が発生したかをＣＰＵ４３によって検出される。

加速度センサ３Ｘ、３Ｙ、３Ｚは三軸加速度センサ３を示している。そして地磁気センサ４Ｘ、４Ｙ、４Ｚが三軸地磁気センサ４を示している。三軸加速度センサ３と三軸地磁気センサ４は温度センサ６とともに、Ａ／Ｄ変換器４１を介してこれらの検出値がＥＣＵ７を構成するＣＰＵ４３に入力される。そして、ＣＰＵ４３はトランジスタ４８のベース電圧４８Ｂを制御することにより加振器５のモータをオンオフ制御する。４４は電池である。４６は各センサに供給するための電源をＯＮ／ＯＦＦするスイッチであり、ＥＣＵ７（ＣＰＵ４３）によって制御される。このスイッチ４６は待機時はＯＦＦされており、システムの消費電力を低減して、内蔵バッテリーの寿命を延ばしている。また、上述したように、地上管制装置２００からのＩＤ振動パルスを受信した際にＥＣＵ７（ＣＰＵ４３）によりＯＮされて、各センサが起動して計測を開始する。

図５は歪みゲージ９（図１）の応力（横軸）と検出値（縦軸）との関係を示す図で、歪みゲージ９にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の圧縮応力（正方向）または引っ張り応力（負方向）が加わると、作動アンプＵ１（図４）の検出値（電圧）はそれに比例して出力されることが判る。

図６は地上管制装置の基本構成を示す平面図で、図７はその縦断面図である。図６および図７において、地上管制装置２００には、各擬似岩石１００（図７の１０１〜１０４）の制御を行うための送信用バイブレータ１０と、加速度センサあるいは振動センサからなる受信センサ５０とが複数個（図６の５１〜５９）、鉱床３００を囲んで設置されている。
パソコンＰＣは受信センサ５０（図６の５１〜５９）と送信用バイブレータ１０を制御するもので、パソコンＰＣの中に制御用のプログラムがあり、このプログラムによって送信用バイブレータ１０を制御して擬似鉱石１０１〜１０４（図７）へ信号を送り、擬似鉱石１０１〜１０４からの信号を受信センサ５０で受信して、この受信信号の内容の解析と、各受信センサ５１〜５９（図６）の信号の到達時間の差から、擬似鉱石１０１〜１０４の位置を特定するなどの動作をする。
擬似岩石１００（図７では１０１〜１０４の４個）は鉱床３００の内部の計測地点に設置・埋設されるものであり、鉱床内の岩石密度あるいは成分によっては、地上と無線交信することは困難である。そこで、擬似岩石１００（図１）の中にある内殻球２（図１）に収容している各歪みゲージ９と加振器５を使用して、地上管制装置２００と振動伝搬による通信を利用する。
すなわち、各擬似岩石１００の加振器５が地上管制装置２００への送信器の役割を果たし、三軸加速度センサ３が地上管制装置２００から送られて来る振動を受け取る受信器の役割を兼用している。
なお、本実施例では、三軸加速度センサ３を地上管制装置からの送信振動を受信する受信器として兼用しているが、専用の加速度センサを設置してもよい。

一方、図６および図７に示されるように、地上管制装置２００には、各擬似岩石１００（１０１〜１０４）の制御を行うための送信用バイブレータ１０と、受信センサ５０（図６では、５１〜５９）が設置されている。この受信センサ５０は、鉱床の周囲に複数個（図示例は、４５°間隔に８個の受信センサ５１〜５８を）配置し、感度向上の観点から鉱床の中央部にも１個の受信センサ５９を配置するのが好ましい。

各擬似岩石１００は、それぞれ別個のＩＤを備えており、図８（Ａ）および図８（Ｂ）において、例えば図８（Ｂ）に示すように４個の擬似岩石１０１〜１０４を使用する場合、地上管制装置２００の送信用バイブレータ１０（図７）は、図８（Ａ）に示すようにスタートとエンドの振動パルスと、その間に２つの振動パルスを有する４つの振動パルス分の時間（ＴＶ）の期間に、各疑似岩石のトリガーを行う。
すなわち、ＩＤ０の擬似岩石１０１には、スタートとエンドの間に振動パルスがなく、（１、０、０、１）の振動パターンのＩＤが割り当てられ、同様にＩＤ１〜ＩＤ３の擬似岩石１０２〜１０４には、それぞれ、（１、０、１、１）、（１、１、０、１）、（１、１、１、１）のＩＤが割り当てられている。
これにより、各擬似岩石１０１〜１０４は、地上管制装置２００の送信用バイブレータ１０から送信される後述のＴＶ期間の振動パルスのパターンにより、自己のＩＤ振動パルスを識別し、個別に各ＥＣＵ７（図４）を待機状態からの起動を行ったり、三軸加速度センサ３、三軸地磁気センサ４、温度センサ６、各歪みゲージ９の検出値などを、加振器５を介して各自のＩＤ振動パルスととともに地上管制装置２００に送信し、振動伝搬によるデータ通信の確立が行われる。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、地上管制装置２００において、受信センサ５０の第１受信センサ５１（図６）と同じ箇所に設置された送信用バイブレータ１０｛図８（Ａ）｝の作動と、ＩＤ３の擬似岩石１０４｛（図８（Ｂ）｝との間で振動による通信が確立される様子を示しており、ＴＶの期間、地上管制装置２００は図９（Ａ）に示す（１、１、１、１）のＩＤ振動パルス９１を送信用バイブレータ１０により送信すると、図９（Ｂ）に示すように、Δｔ１後に、ＩＤ３の擬似岩石１０４｛図８（Ｂ）｝はその内部に収容している三軸加速度センサ３（図１）により、自分のＩＤ振動パルス９２を検知する。
自分のＩＤ振動パルスであるＩＤ３を受信した擬似岩石１０４は、ＥＣＵ７が備えている電源制御手段により電源オンにして、図９（Ｃ）に示すように、内部に収容している加振器５（図１）により自分のＩＤであるＩＤ３の振動パルス９３を地上管制装置２００に返した上で、次のパルス列９４から、三軸加速度センサ３、三軸地磁気センサ４、温度センサ６、各歪みゲージ９等の検出値を、対応する振動パルスに変換して、加振器５により地上管制装置２００に順次送信する。なお、ここで使用する振動による１ビットは５秒である（後述）。

図１０（Ａ）は、擬似岩石１００が加振器５により地上管制装置２００にＩＤ振動パルス、各センサの検出値を送信する際のデータストリームを示している。送信データ８０は、図８（Ｂ）で説明したように、スタート時に１ビット、複数個の擬似岩石の中から特定の擬似岩石を選ぶＩＤ認識用に２ビット、スタート用に１ビット、次いで各種のセンサ出力用として、まず、図２で説明した擬似岩石１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が鉛直方向に対してそれぞれ傾斜している傾斜角θｘ、θｙ、θｚ用にそれぞれ４ビット、図３で説明した擬似岩石１００のＮ−Ｓ方向に対する傾斜角θＨＸ、θＨＹ用にそれぞれ４ビット、Ｘ軸・Ｙ軸・Ｚ軸の３方向用の各歪みゲージ９の応力ＰＸ、ＰＹ、ＰＺ用にそれぞれ４ビット、温度センサ６のセンサ出力用に４ビット、そしてエンド用に２ビットが割り振られている。なお、傾斜角θＨＺは後で計算から求めることができるので、傾斜角θＨＺ用のビットは用意していない。
ここで使用する振動による１ビットは、図１０（Ｂ）の１ビットの構成を拡大図１０（Ｃ）で示すように、偏心モータの振動により作られるもので、６０ヘルツ程度の正弦波の５秒程度の集合体で構成されている。

図１１は、ＩＤ０〜ＩＤ３の４個の擬似岩石１０１〜１０４が、地上管制装置２００の送信用バイブレータ１０から送信されるスタートＩＤ加振により区間（ｉ）にてトリガーされ、それぞれΔｔ１〜Δｔ４後に、４個の擬似岩石１０１〜１０４のそれぞれの三軸加速度センサ３（図１）が（ii）の区間で受信し、さらにそれぞれΔｔ１〜Δｔ４後の区間（iii）において、各自のＩＤ振動パルスとセンサ検出値を加振器５（図１）により発信し、これを地上管制装置２００の送信用バイブレータ１０と同位置に設けた受信センサ５１（図６）が検出する様子を示している。
なお、鉱床３００（図７）の内部においては、崩落などに伴いさまざまな周波数、波形の振動がランダムに発生しているが、上述のような地上管制装置２００と個別の擬似岩石１０１〜１０４との通信に使用する規則的な周波数を有する振動とは明確に識別できるので、鉱床内で発生する振動がノイズとなることは原理的にない。
仮に他の振動源等によりノイズの影響が予想される場合には、地上管制装置からのＩＤ振動パルスの発生と、対応する擬似岩石からのＩＤ振動パルスの応答を複数回繰り返せば、ノイズによる誤動作をさらに確実に防止することができる。

振動によるデータ通信が確立した後は、擬似岩石の鉱床内における３次元座標を特定する必要がある。前述のように、地上管制装置２００には複数の受信センサ５１〜５９（図６）が設置されており、特定の擬似岩石の鉱床内における３次元座標に対応して、この擬似岩石と受信センサとの直線距離が異なる。
一般に特定の鉱床内においては、振動は一定の速度で伝搬するから、図１１に示されているように、地上管制装置２００の送信用バイブレータ１０からのＩＤ振動パルスに応答して、各擬似岩石１０１〜１０４が自分のＩＤ振動パルスを受信するまでの時間（Δｔ１）、そして、各擬似岩石１０１〜１０４の加振器５がこれに受信を完了するまでの時間（Ｔｖ）を経た後、自分のＩＤ信号パルスと各センサの検出値を送信し、地上管制装置２００の受信センサ５１がこれを受信するまでの時間は、それぞれΔｔ１〜Δｔ４を要することになる。
したがって、地上管制装置の送信用バイブレータ１０がＩＤ振動パルスの発振を開始した瞬間から、地上管制装置の各受信センサ５１〜５９が該当する擬似岩石の加振器５による振動を受信するまでの時間から、Δｔ１とΔＴｖを減算した値は、各受信センサ５１〜５８と後の擬似岩石の距離に比例することになる。
したがって、ＧＰＳと同様の原理で、地上管制装置は、少なくとも３個の受信センサの受信タイミングを解析することにより、擬似岩石の鉱床内における３次元位置を正確に特定することができる。

なお、以上の実施例では、擬似岩石と地上管制装置との間での振動による通信を確立し、擬似岩石に作用する圧力、応力、衝撃力の大きさや方向を地上管制装置でリアルタイムに解析するようにしているが、擬似岩石内のＥＣＵ７（図４）のメモリ４２（図４）に各センサの検出値を，計測時間とともに格納し、擬似岩石を取り出した後にこのメモリ４２に記録されたデータを共通の時間軸で解析することも可能である。

また、非常にゆっくりとした長期にわたる崩落を計測する場合は、図１２に示されるように、地上管制装置２００から例えば２４時間毎に１回、区間（ｔ１）で実施する。すなわち、各擬似岩石へ起動信号を送信し、各センサの検出値を取得する。その後の区間（ｔ２）は各擬似岩石の電源をオフするような信号を送信するようにしてもよい。各擬似岩石は２４時間に３０分程度起動するようにタイマー制御するようにしている。地上管制装置２００は常時待機状態とし、各擬似岩石はタイマー制御で２４時間に３０分程度起動し、実施する。このように、擬似岩石はタイマー回路のみ動作させ、必要時にメイン基板に電源を供給することにより、低消費電源回路を構成することができる。

本出願は、２０１０年８月５日出願の日本特許出願２０１０−１７６６７７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

以上説明したとおり、本発明によれば、鉱床内あるいは地盤内に、これを構成する平均的な形状、大きさを有する擬似岩石を配置し、この擬似岩石と地上管制装置との間で、振動伝搬による通信を確立することにより、無線等を利用した通信の確立が困難な鉱床内あるいは地盤内に埋め込まれた擬似岩石から、崩落開始前後あるいは液状化現象発生前後に他の岩石等から受ける応力や、それに伴う挙動を正確に測定することが可能になる。
この測定値を利用することにより、ブロックケービング法を採用した採掘時の崩落開始のタイミング、崩落の規模、あるいは液状化現象発生時における、液状化現象の発生メカニズムを、高精度にシミュレーションすることができ、採掘現場の安全対策、防災対策等に広く利用されることが期待される。

１ 外殻球（圧力外壁）
２ 内殻球
３ 三軸加速度センサ
４ 三軸地磁気センサ
５ 加振器（バイブレータ）
６ 温度センサ
７ 電気制御ユニット（ＥＣＵ）
８ 柱状部材
９ 歪みゲージ
１０ 送信用バイブレータ
１１ 電池スペース
４１ アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器
４２ メモリ
４３ ＣＰＵ
４４ バッテリ
４８ トランジスタ
４８Ｂ ベース
５０、５１〜５９ 受信センサ
１００、１０１〜１０４ 本実施例に係る擬似岩石
２００ 地上管制装置
３００ 鉱床

Claims (9)

1. 鉱床内あるいは地盤内に埋設される擬似岩石であって、
   前記鉱床内あるいは地盤内に存在する岩石の平均的な形状及び大きさを有する筐体と、
   該筐体の中心を原点とする３次元座標（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に対し、各軸の正負の方向に作用する応力を検出する歪みセンサと、
   前記３次元座標の各軸方向に作用する加速度を検出する三軸加速度センサと、
   前記３次元座標に対し、特定の方向の振動を与える加振器と、
   前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサそれぞれの検出値を特定パターンの振動パルスに変換し、前記加振器に出力する制御装置と、
   を備えたことを特徴とする擬似岩石。
2. 前記擬似岩石は個別にＩＤ振動パルスが割り振られ、前記制御装置は、前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの検出値に対応した特定パターンの振動パルスを前記加振器に出力する際、前記ＩＤ振動パルスを合わせて出力することを特徴とする請求項１記載の擬似岩石。
3. 前記制御装置は、前記三軸加速度センサまたは個別に設けた振動センサが前記ＩＤ振動パルスの振動を検出した際、自らの電源をオンにする電源制御手段を備えていることを特徴とする請求項２記載の擬似岩石。
4. 三軸地磁気センサをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の擬似岩石。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の擬似岩石を地上で管制する地上管制装置であって、
   前記擬似岩石に対し該擬似岩石のＩＤ振動パルスを送信し、該擬似岩石のトリガーを行う送信用バイブレータと、
   前記擬似岩石の加振器からの振動を検出する受信センサと、
   を備えたことを特徴とする地上管制装置。
6. 前記受信センサが、前記擬似岩石から当該擬似岩石のＩＤ振動パルスに対応する振動とともに、前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの検出値に対応する振動パルスを検知し、該擬似岩石のＩＤ振動パルスと合わせて当該擬似岩石の前記歪みセンサ及び前記三軸加速度センサの各検出値を解析するデータ解析装置をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載の地上管制装置。
7. 前記受信センサは、前記鉱床あるいは地盤の外周の少なくとも３箇所に配置され、前記擬似岩石の加振器から信号の到達時間の相違に基づいて、当該擬似岩石の鉱床内あるいは地盤内における３次元位置を解析する位置解析装置をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６記載の地上管制装置。
8. 前記擬似岩石の各歪みセンサの検出値あるいは前記三軸地磁気センサの検出値に基づいて、当該擬似岩石の３次元座標（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の鉛直方向に対する傾斜角あるいは水平方向の傾斜角を解析する３次元座標解析装置をさらに備えるようにしたことを特徴とする請求項６または７記載の地上管制装置。
9. 請求項１〜４のいずれか１項記載の擬似岩石と、請求項５〜８のいずれか１項記載の地上管制装置を組み合わせたことを特徴とする鉱床内あるいは地盤内の岩石挙動解析システム。

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