JPS59130999A - 岩石の破砕方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の分明） こｒ７）発明は岩石１の破砕に関し、特にトンネルを掘
る際にヘッド壁（ｈｅａｄｗｅｌｌ）から岩石を破砕す
ること、更に詳しくは化学的なりゼにを用いずにヘッド
壁から岩石を破砕することに関する。

（従来技術の説明） 従来の採掘やトンネル押りｆ□；ｔ、一般に捷ずトンネ
ルを１屈るべき岩石の表面に多シ（の穴イｃあけること
によって達成されている。これらの穴は、所定の／ＩＰ
ターンに従ってあけられることもあれば、そうでないこ
ともある。次いで各穴の中に化学的な爆薬が入れられ、
目的に応じ一定の方法又はランダノ・な方法で爆発され
る。爆薬が爆発すると、岩石は破砕する。破砕した岩石
が敗り除かれ、以後この過程がル°イ・り返される。こ
の方法が安全性と汚染の点で不利なことは、すでに周知
である。

穴をあけ爆発させる方法が不利なことから、機械的な採
掘手段も提案されている。この種の機械は、シールＰ装
置ｆ４ｊと機械的な穴あけ装置から成る。

しかしこれまでのところ、このような］パ１７１’＜ｉ
ｄ高コストであるプζめ、多くの状況ｔでし」吐わＪｌ
でも成功していない。

さらに、岩石の表面に穴をあける別の方法も提案されで
いる。この方法では、穴に対してｉｒ：ｆ角又はわ１か
な角１１ｔ′をもたせて向けり矛１．介（俊オ戒的なカ
ッター又は高圧の水ノエツトを用い、穴に対して直交す
る一連のノツチがカットされる。このように形成された
スロットは、次にその片側にある岩石へ力が加えられグ
ヒとき、クラックの発生点として使われる。この方法の
変形として、スロットの片側で穴をシールし、スロット
のカットに１１１コわ？した水ジェツトのノズルを通じ
水を強制的に供給してスロットを加圧する方法も４）、
郵谷されている。しかしこれまでのところ、硬い岩石中
て１ｉＩイかれた（幾械的手段へ岩石を破砕するために
加えねしｌ：ならない力は非當に犬きく、又岩石の浸透
性及び前から存在°″４−るクラックのため加圧水が吸
収されてし神うという理由から、上記した方法（１い３
゛れも商ｇ（５的に広く利用されるに至っていない。

（発明の要旨） 本発明は、−人の作・〕１′穎員で岩石の株間にトンネ
ルを掘ｉする１洋済的で安全な方法を提供する。本発明
の方法では、ｌｖ発′吻や危険な化芋１〃Ｊ′１勾を使
用４しない。

本発明の方法は、捷す水ジェツト又は従来の任意な手段
で穴？、（ｆｓける段ＩＦＷを含む。次に、スロットが
穴の一部からカット形成される。スロットは岩石からは
ｙｙＪ′イスク状の部分を除去した形状を持つ。次いで
、加圧液体のＩＪテーパから爆発と似た方法で、スロッ
トが急、・拮に加圧さゴ′Ｌる。この結果、故万７」？
ンドのり（向きの力が岩石に加わる。こうして生じた力
は、岩石をその表面に寸で破砕するのに充分で？：”＋
”＋ｏ＋・１ヴ砕された白石片は、自ら落下するかある
いは容易にｊｌＶす１（１ｚける。

本発明の４ｉ、ｔｒｉ、（は、ドリル穴にスロットをあ
けるための工具を含むように改１めさね、た岩石穴あけ
４ξ置を有する。さらに、極めてＵ時間でスロット付の
ドリル穴を力１圧するだめの手段も水装置’ｌ＜に含−
まれる。又木１杉１１“′月−↓、作ヨヘ、○へ危害を
加える可能性を除くための安全手段も刊１１りている。

本発明の装置は、すでに明り出された岩石を分割するの
にも使對−る。この場合には、まず分ｖ；１］すべき岩
石に穴があけられる。次に、分割したい方向に沿って穴
からスロットがカット形成される。

その後、ドリル穴とスロットが面圧ｔ′代体によって急
激に加圧さ第１、スロットに２１）つてひび苗１れを発
生させる。この急激な加圧によって、岩石が分割される
。

（好適実施例の説明） 玖／図は、本発明の方法を示すブロック図である。神ず
ｌで、破６′１・すべき岩石（Ｃ穴があけらｈる。

この穴あけは、〒；イ、気的、’Ｂ５圧旧又は空気的に
１斤１）作される従来の岩石ドリルで実ｌ崩できるーあ
るいけ、水出１ｊ’＋１人の回時出鮪であるアメリカ特
許出願番号Ｒ，２ｇＯ，７９７号に紀１μＵさｈたよう
な水ジエツトドリルを用いて穴をあけてもよい。あける
冗の深づけ、用１ケ及び必聾なりラックｌ侍を土にイイ
＜存する。

典型的な穴の直径（ま、５ｚｇ〜１３，７．．インチで
ある。９〜ｌ１ｇインチの深さの穴を便って、成功が認
められた。次に２で、あけた穴の底部近くにディスク孔
がカット形成される。ディスク孔は穴に対し直角でもよ
いし、又は３０乃至／左、θ０の角度を成し前方又は後
方へ向かうディスク状の柴所としてもよい。このディス
ク孔は、回転高圧水ジェット又は水出ｇ！！′ｉ人の土
：弓出願に記載されたよう外水ジェットドリル等、その
目的用の工具でカットできる。杷械的カッターを使′つ
てディスク孔をカットしてもよい。ディスク孔の目的は
、応力上昇部又はノツチ状態を生成し、クラックの発生
を助けその初期方向をコントロールすることにある。

テーイスク孔の角１ら−を還択することで、ひび割れの
初期方向を匍制御できろ。ディスク孔がディスク面で側
ってドリル穴の深さのり倍以下の直径を持つ拘束さｔ）
でいない岩石中に形成されると、クラックはディスク孔
の而にＩ’０つて伝播し、穴の深さの約ｇ倍の「「１径
地点でディスク孔の面に直角な自由表面に丹する。穴が
大きな岩石中又は岩石の表面近くに形成されると、クラ
ックは捷ずドリル穴の深さにはソ揄しい半径方向Ｗ１門
ト寸でディスク孔の面に沿って伝播し、次いで自由表面
の方ヘカーブしていく。ディスク孔は、できるだけ穴の
畢に近づけてカントずべきである。ディスク孔が穴の、
ｌ、ｊｊｊ近くに形成されないと、初；、＋１クラツク
が穴の端か−ら生し始め、′イー・ましいクラック形状
になるの全妨ける。カットされるディスク孔、のｉｒｊ
ｔｆ’、げ、比佇的小さいイ直つ寸り３ｚフインチから
７−シインチ寸でり二化可ｉ１テである。大径のディス
ク（（、はカットに時間を要するが、応力の」」、さ中
間を犬きくさせる。

ドリル穴にディスク孔を設けた仏、８で加圧されクラッ
クを生せしめる。穴へに高１、仁で加圧するのが望ま［
−２いことが認めらｆ＋、ている。この加１１−は、水
等の／ｌＶ体をディスク孔へ高速注入することによって
行われる。ドリル孔と発生するクランクの両方を６２・
：すたど）、光分な１１り作が注入さｈ々けｉｔはなら
ない。液体が光分１）、速で注入さｈないと、初ＩＵｌ
の注入４で体が７ｊｈ岩舌多イ１．性屑石の孔中ＶＣ吸
ＩＩ＜さノ１てし甘う。液体が１１１４収さｉすると、
ひび割ねを発生するのに充分な力勾配がデ・イスク孔て
得られない。

従来の提案はこの点を畑イ見してよやり、ル”’＜Ｉｆ
！＜がｎ′４められない非多孔性の岩石でテストされて
きた。砂岩等の岩石を３５，０００ｐ、ｓ。１．の圧力
までゆっくり加圧しても、破砕は生じない。一方加圧を
充分高速で行えば、／００ｐ、ｓ、ｉ。という低い圧力
でも破砕が生じる。ディスク孔を充分満尺す液体ωユ入
の曜捷しい時間は、７秒の／１５θ以下である。又、ク
ラックが伝播するにつれ充分な液体を注入して、クラッ
クを満たさなければならない。

さもないと、ひび割れの進行が停止してし１う。

液体容量の典型的な条件は、少くとも／フォートである
。液圧式の増圧機で加圧され、水カツト用ジェットオリ
フィスを通じた加圧を採用した従来の提案では所望の流
量に達することができないので、別の加圧方法が用いら
れねばならない。簡単な１つの方法は、充分な液体容に
金持ち且つ窒素等の気体で満たされた液圧式アキュムレ
ータを加圧する方法である。これによって、充分なｇＭ
と流速を持つ重圧液体の発生源が得られる。そして、迅
速開弁バルブを介し、て管がアキュムレータに接続され
、さらに瞬間硬化セメントやグラウトによってドリル穴
中に１暦封さｔ］２る。ｊρが１１１１かれると、ドリ
ル穴のディスク孔部分では、黒巴火々・等Ｉ＃￥ｊ、ｌ
、、１桑の発火似た現象が生じる。このような、ｊｑ、
１発＆：ｊｇ、（ニトログリセリン等の高燥ミ贋でイ！
（らハるような）破砕で寿ぐクラックを発生させる。こ
れＣ」、−１，）速に、投入（ｈｅａｖｌｎｇ）作用と
呼ｄ：ハ５ている。’ｊＰｊｌ；ｌ−全Δらに注入ずれ
は、クラックが目出表（１１１匠：違し圧力損が生じる
寸でクラックの進行が継続する。グラウトがイＡ１化す
るのに必枝な時間を除く／Ｃめ、特グ］、の注入工具（
パッカー）を便って散体全７七人することもできる。、
ｆツカ−からのｊ］Ｅ人点はディスク孔にできるたけ近
つけ、ドリル穴からクラックが伝播する可能を最小限に
抑えなければならない。

クラックの伝播が終了すると、ｌ’−１（ｉ（Ｉ形の岩
石片がその表面から割れでイ（１られる。岩石片し」、
通常岩石の表面から洛ドしてこないが、小昭のノミをク
ラックへ挿入ずｉＬば「１１）単ＶＣ敗り除ける。この
結果、岩石片を４で容易に除去可能と々る。その後工程
Ｖｉ、トンネルｔｌａｉりへと続く。

上記２の代りに、５でドリル穴にスロット孔を設けても
よい。スロット八〇で佃１、ドリル穴に対してｉＦｉ角
−Ｃ且つ回−−′１７而内の、２１［・１・１のスロッ
ト孔を形成する。スロット孔の形５（ζは、ドリル穴の
中を、（５動する水ジエツトカッター又は機械的なスロ
ットオ］げ磯で実施できる。上述したように３でスロッ
ト孔が加圧されると、そのスロット孔の面内でひび割れ
が生じる。そしてこのクラックは、自由表向に、パへす
る寸で４・咀びる。こうし汁スＩＩット形成法は、分ｎ
１［シた丸石の破砕ｆＹ：町１１目とする。この方法に
よるひび割れは岩石の畳面にだけ用いてもよいが、ディ
スク孔（＝Ｊのドリル穴状と組合せれば、非常に大きな
ブロックのｏツ？、Ｉ’ｌ：ｆとトンネル周域の形成が
用１１ヒと、グツ“１８ 第２図は、本発明による装置の概略構成図である。液圧
式増圧（）苓の水：Ｉ？ンプ゛１】が、木Ｐｉ灯の動力
汎ｉとなる。ｙＪ９ンゾｌｌ＆：ｊ２、水ジェツト（り
断で一肖ｉにｆ史われるような」冒ＦＪ：ｉ、：”：で
４［・１わｉ「い。月９ンプ１１の出力＋１！ＩＩにｉ
＋：１、ＭｔＪ折！バルブ１２がヨ片続される。

水ジェット式ブ゛イスク孔あけ土よ−１−１３が、切換
バルブ１２σ）一方の出力端に播ｆ７１ｉ”；Ｊねる。

水ジエツト式ディスク孔あけ王、Ｆ］、］８ｉ：ｊ水出
Ｉ″′１１人の同時用ｔｏＮ−ｃンｈルーｒメリフ”ｌ
”ｌ’ｔ＋’！出、１自冗：号ｑｖｒフ’ｇｏ、７９７
刊に肖シ市（このものを使ってもよいし７、ディスク孔
の力・ント（り１月１に１没言トされプζ−］に−Ｆ１
、をイ患ってもよい。甲Ｊ換バルブ１２の−ｆｌｔｘ方
の出力端ｔ：１、気体／水アキュムレーク］４に’ｉ’
：’（ｒｊＦさ）する。アキュムレータ１／Ｉ・は、充
分な圧力と容−■能力を４゛Ｃつた°アキュＪ、レーク
疫らどんなものでもよ（、初期のテストで口。

３＋０００ｐ、ｓ、１．に充加さ’ｈｆｃ／Ｍａｙの容
；βライ１する袋型Ｎ２アキュムレータが用いられて。

アギュト１／−夕１４には、高速開弁バルブ川６の入口
側が接〔Ｉ〕さりする。初期のテストで柑１、ピエゾ電
気式のモニターｔ、−ｊ：能を（ｉｊｔｉえた１ＰＨｉ
速開弁ボール型）々ルブが使われグγ。バルブ１６のＩ
ｆｔ＋−］１［１１１Ｆ・１）やツカ−（？Ｅ入ｔ−：
’、）１７へ１う！冗さノ′１、ノやソカ−１７（弓、
プノツトディスク’ＪＬｌ＜１を含むドリル穴］８内に
挿入さね−る。

このよう斥装置＋’＋゛を動作させるに−１、まずポン
プ１１が始動さね、切換バルブＪ２が工１，１３へ高圧
水を与えるようにｒＬＷ’Ｉ台きノ１．ろ。１次いで、
岩石の表面２１に穴があけられた後、その穴が工具１３
でディスク加工され、ドリル穴１８の先端にディスク孔
］９が形成される。次に、切換バルブ１２がアキュムレ
ータ１４から汲み上げを行うように切り既えられる。パ
ッカー１７をドリル穴１８へ挿入した後、バルブ１６が
開かれ、パッカー１７をｔ’１４：Ｉじ高速度でｌＩＺ
体を流してディスク孔］９を加圧し、岩石表＋Ｇｉ”、
２１へと向かうクラック２２を発生させる。次いでノミ
がクラック２２中に挿入され、岩石２４の残部から円錐
状の岩２８を除去可能とする。

筆３図（は、ディスク孔付の穴へ挿入されたパッカーの
断面図である。供給管３１げ、高圧液１本の供給！（１
−への取付は用コネクタ８２を備オている。

又供給管８１は、コネクタ８２の対向位ｔｔ＆にテーノ
や一状端部８８を有する。コネクタ３２に近い側の供給
管３１の表面には、外ネジ山８４が形成される。内ネジ
山部８７を有する固定管８６が供給管８１ヘネジ込み後
枕される。２個の固定具８８．３９が、ネジ切部８７と
反対側の賀８６端部ヘピン４１で旋回自在に接４介され
る１、これら固定具３８．８９は、両者間に接続され７
ヒ、Ｊネ４．２によって所定位置に保持される。スロッ
ト４，８が固定管８６に設けられる。パッカーは、スロ
ット孔４６と段部４７を含むドリル穴４４・へ４１１１
人された状態で示しである。スロット孔４６と段ｆｉｔ
（４・７は、水ジェツト又は機械的なカッターでカット
形成烙れる。動作時には、パッカーがドリル穴４・４内
へ挿入され、固定管８６が供給管８１に対して回転され
る。これによって供ｆｉｉ’ｊ”ｆ８］の而敗り面３３
が固定具８８．３９と接触して押し広げるため、両固定
具８８．８９は段）ホ４・７に係合する。次いで、コネ
クタ８２を通じて供給ゞ１テ３］が加圧され、スロット
孔４６から岩石にクラックを発生させる。

固定管８６の直径は、ドリル穴４４の直径と充分近い値
とし、ドリル穴４４の比較的長い長さ及び管４６と穴４
４の間の密なりす゛アランスによって密封に近い状態が
生じるようにする。管８６と穴４４の間のクリアランス
の１ｌＪｒ！（ｉｉ積は、供給管８１の内部断面積より
小とし、ディスク孔４６が急ｘ４ｉ４に力１団゛され、
γ）：（、ｈが生じる前にひび割れが始するようｒしな
け）１け２ンら力い。１１；１定几ＲＲ１Ｒ９は、穴４
，４内が加圧さ牙１．るとき・やツカ−に外向きの力が
加わるたＭ）、パッカーが穴４４から吹き飛ばされるの
を防ぐ役割１を果−１″、、破砕後、固定管８６が供給
’Ｉａ’ｎ１に対して再び回転され、バネ４．２の作用
で固定よ１゜８Ｒ１Ｒ’ｌを１！１１じ、パッカーが容
易にドリル穴４，４．から引き出せるようにする。

ＰｒＬｌｌ、図は、別のパッカーを示す、断面図である
。

このパッカーは合金（１’（１１，（４の供給管５１を
イｎ：ｉｆｉ、’％供給管５１（ｄ一端に高圧液体の供
給洲へｔ＋Ｘ付けるためのコネクタ５２を右し、典つ：
：４にテーパー状のネジ山部５３をイＴする。テーノ９
−状のネジ山部５６を（ｆｆｌＩえ、３個の部片に分割
されたり、豆軸の合金侍製の管５４・が、供給管５１に
ネジ止めさね、る。従って、゛百５４・には３個のスロ
ット５７が形成され、又その外周面にはｆｆｌ１ｉ５８
が切らえしている。シール５０が供給管５１の先端にネ
ジ止めされ、管５４・に対しＩ′ｌｉｉ・Ｉ＋１４１在
に４にＫ・元される。そ（７て、供給管５１がドリル穴
の中へ挿入さ１１、管５４．に対して回転さＪする。こ
の結果、哲５４・の（＋１１１分とシール５９が外向き
に拡張し、ドリル穴σ）内周１■１１と１：？ＴＱ１！
する。これで、ツヤツカ−はコ２．クタ、５２をｉｌ’
ｉ！、じ加圧可能となる。

以上鰭、明した；！Ｆ−発明については上配り、外σ）
′、ｉ４栴例が考えられるため、本発明の屯゛Ｉ、間は
’ｌ”ＦＩｆ”７青求の範囲によってのみ限可され、上
献１σ）す４−１ｆ、Ｔ１例によっては限定されたい。

従って、本発明の完全な年へ１用を決定する際には、特
許Ｎｔｔ求の１１へ囲が勾照さね、るべきである。

ｊ図１面の簡ｊ、％’Ｈな醒明 第１図は本発明の方法を示すブロック図；第２図は本発
明の装面を示す１１ｒ（、略キ１１成１ン１：第３図は
木装Ｕへで用いる／ぐツカ−の断面図１；及び 第り図は木ゲ：’１ｉｊ（で用いる別の〕ぐツカ−の断
［酌図１である。

１］・・・水ポンプ（動力手段）、１８・・・ディスク
孔あけ工具（大変ｆし手段）、１４・・・アキュムレー
タ（加圧注入」・段）、】６・・・重速υ）１すｒノぐ
ルフ゛（放山手ＩＲ）、１７・・・パッカー（注入閉じ
込め手段）、Ｊ８．４・４．・・・ドリル穴、１９・・
・ディスク札、２１・・・岩石光ｉｒ＋ｉ、２’；！、
・・・クラック、２３・・・円り１（゛状破砕岩、２４
・・・岩石、８８．８９．５４・・・固定手段、４６・
・・スロット孔、５９・・・シール。

ＦＩＧ。２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）破砕すべき岩石中に穴を才）ける段１ｙ８：該ド
   リル穴を変形し、この変形点からひび割れが発生可゛能
   とする段階ニ トリル穴を液体で急速に加圧し、破砕すべき岩石から岩
   石片を破砕する段階；及び ひび割れた破砕片を岩石から取り除く段階から成る岩石
   の破砕方法。 （２）特ｉｒＲｒｉ求の範囲第ｆｉ１項に記載の岩石破
   砕方法において、上記加圧段階が： 上記変形孔中に液体を注入し、ひび割れを発生させる段
   階；及び クラックが岩石のＳＩＴＩＩに達する捷で、液体の注入
   を川ζＨｅする段１’）？＋を更に含む方法。 （３）特許請求の範囲第＋２１ｍに記載の岩石破砕方法
   においで、ひび割れの発生開始地点に対する上記？、Ｉ
   ｔ人が、７秒の／１５θ以下で達成される方υぐ。 （４；特許請求の範囲第ｆ１１項に記〒１・ｙの岩石破
   砕方法において、上記変形段階が： 上記ドリル穴から破砕すべき方向にスロット孔をカット
   形成する段階を含むガ法。 （５）特許請求の範囲第ｆｉ＋項に記載の岩石破砕方法
   において、上記変形段階が； 上記ドリル穴の破砕すべき地点にディスク孔をカット形
   成する段階を含む方法。 （６１特許請求の範囲第（５）項に記載の岩石破砕方法
   において、上記ディスク孔がドリル穴に対し７３θ０乃
   ４色／５００の角度でカット形成される方法。 （力装置に動力を与える」ｂ力手段： 該動力手段に接続され、破砕すべき岩石中に穴をあける
   ためのドリル手段； 該市ｊ１力手段に接続され、ドリル手段によってあけら
   れた穴を変形するためのドリル穴変形手段：及び 該動力手段に接続され、ドリル穴変形手段によって変形
   された穴を急速に加圧するための加圧手段；から成る岩
   石の破砕装置。 （８）特許請求の範囲第（７）項に記載の岩石破砕装置
   べにおいて、十紀ドリル手トケが水ジエツトドリルであ
   る装置。 （９）特ｎ′ｌ−請求（７）ｌ［’５．囲ｍ（７１項二
   記６（’ｌ］装置ｔＫ第１７−、テ、上記ドリル穴変形
   手段がドリル穴の端にディスク孔をカット形成するため
   の工具である装置。 ００特許請求の範囲第（７）項に記載の装置ｅ、°にお
   いて、上記加圧手段が： 上記動力手段に接続され、液体イｒ・ドリル穴へ注入す
   るための液体注入手段；及ｒノ・該液体注入手段に接続
   され、液体の注入時ドリル穴内へ液体を閉じ込めるため
   の閉じ込め手段；を更に含む装ｈ′イ。 ０１）特許′［請求の範囲ｔバ（１１１拍に記載の装置
   ｆ’＜において、上記注入手段が； 上記！動力手段に接続され、高圧液体流を与えるための
   アキュムレータ手段； 該アキュノ・レータ手段に接続され、アキュムレータ手
   段から液体を高速度で放出させるための放出手段；及び 該放出手段及び上記シール手段に接６）、さｆｌ、液体
   をドリル穴へ注入充填するための・や′ツカ一手段：を
   史に含む装置ｉｉ１．。 αａ特許請求の範囲第Ｕ■項に記載の装置４において、
   上記放出手段が高速動作・々ルブである装置ｈｅ。 （１３特許請求のｆｌｉα囲第α２項に記載の装置にお
   いて、上記／ぐツカ一手段が液体の注入時Ａツカ一手段
   をドリル穴内に固定するための手段を含む≠１１ｔ０