WO2014109249A1

WO2014109249A1 - 無線起爆システム、無線起爆方法と、これに用いる雷管及び爆薬ユニット

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Publication number: WO2014109249A1
Application number: PCT/JP2013/084923
Authority: WO
Inventors: 智彦根; 陽治田崎
Original assignee: 日油株式会社
Priority date: 2013-01-08
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2014-07-17
Also published as: CL2015001934A1; US9709373B2; KR20150104134A; BR112015016467A2; AU2013373154A1; AU2013373154B2; JP5849972B2; KR102038179B1; MX2015008839A; JP2014134298A; EP2944916A4; US20160003599A1; CN104919270A; CA2897582A1; CN104919270B; CA2897582C; EP2944916B1; EP2944916A1; MX360009B

Abstract

　起爆部（１０Ａ）と、起爆部に接続されて起爆部に点火する制御部（１０Ｂ）と、起爆部と制御部とが収容される管体（１０Ｘ）と、制御部が無線通信にて使用するアンテナであって送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に有することなく送受信に使用可能な起爆側アンテナ（３０）と、を備えている無線起爆雷管（１０）であって、起爆側アンテナは、軟磁性体コイルアンテナであり、制御部（１０Ｂ）は、起爆側アンテナ（３０）を介して１００ＫＨｚ以上５００ＫＨｚ以下の周波数である操作周波数の送信信号を受信する。

Description

無線起爆システム、無線起爆方法と、これに用いる雷管及び爆薬ユニット

　本発明は、トンネルの掘削等のための無線起爆システム、無線起爆方法と、これに使用する雷管及び爆薬ユニットに関する。

　従来、トンネルの掘削現場等における爆破作業では、掘削面である切羽面において掘削方向に向けて、例えば径が数ｃｍ、深さが数ｍ程度の装薬孔を複数削孔し、各装薬孔に無線で起爆させることができる爆薬を装填し、切羽面から離れた遠隔位置から起爆信号を無線で送信して爆破する発破工法が用いられている。

　例えば、特開２００１－１２７５１１号公報（文献１）に記載された遠隔無線起爆システム用送信アンテナでは、磁界エネルギーが小さくても、切羽面の装薬孔に装填された無線起爆雷管の全てが安定したエネルギーを受信することが可能となるように、起爆信号の送信機のループアンテナを、全周にわたって洞壁面に近接配置している。

　また、特開２００１－１５３５９８号公報（文献２）に記載された遠隔無線起爆装置では、送信機から個々の無線雷管に対して電気エネルギーの蓄積状態を示す返信信号を要求する制御信号を送信し、全ての無線雷管の充電完了を確認した後、個々の無線雷管に対して起爆準備指令信号を送信し、全ての無線雷管から起爆準備完了信号を受信した後、個々の無線雷管に起爆信号を送信している。

　また、特開２００１－３３０４００号公報（文献３）には、トンネル内の地盤に固定して設置された遠隔無線起爆システム用アンテナに関する従来技術が開示されている。

　また、特開平８－２１９７００号公報（文献４）に記載された無線雷管では、周波数が１０ｋＨｚ以下で、コイルの巻数が１００～１０００００回であり、直径φ３５ｍｍ～φ４７ｍｍ、長さ５～３００ｍｍの受信コイルを用いている。

　文献１に記載された従来技術では、送信アンテナを洞壁面の全周にわたってコイル状に複数回巻いており、送信機から送信される周波数が１０ｋＨｚ以下であるため、５０巻き以下、好ましくは３０巻き以下としている。全周にわたって洞壁面に近接配置するループアンテナを３０回も巻いて張る作業は非常に手間がかかるとともに、送信アンテナの設置のために切羽面の近傍での作業時間が長くなり、切羽面近傍の落石や崩落等に遭遇する可能性が高まるので、好ましくない。また、無線起爆雷管のアンテナとなる受信コイルも、１０ｋＨｚ以下の周波数の信号を受信してより大きなエネルギーを取り出すために、後述するように、高透磁率かつ大きなフェライトコアに導線を多数回巻いた複雑なものが必要となる。文献４には具体例として、コイルの巻数が１００～１０００００回であり、直径φ３５ｍｍ～φ４７ｍｍ、長さ５～３００ｍｍの受信コイルが示されている。

　また文献２に記載された従来技術も、送信機からの送信の周波数は、１０ｋＨｚ未満の周波数を使用しているため、文献１と同様の送信アンテナを必要とすると推定される。従って、文献１と同様、送信アンテナの設置のために切羽面の近傍での作業時間が長くなると推定されるので、好ましくない。

　また、文献１～４に記載された従来技術から想定される操作機と無線起爆雷管では、以下の課題が残る。

　操作機から無線で送信される送信信号を無線起爆雷管で受信して、無線起爆雷管にてより大きなエネルギーを取り出すには、操作機からの送信信号のエネルギーをより大きくすることと、無線起爆雷管で送信信号を受信する際、より効率的に受信することが必要である。

　操作機からの送信信号をより大きなエネルギーで出力する方法としては、操作機の側のアンテナへの電流をより大きくすることと、当該アンテナの巻回数をより多くすること、が挙げられる。しかし、電流を大きくしていくとジュール熱による損失が増加し、最悪の場合は焼損してしまう。また、アンテナ線をより抵抗値の小さな、より太い線にする必要があり、実際には数Ａ程度までしか電流を大きくすることができない。また、トンネルの内壁に沿って巻回する巻回数は、せいぜい４０回～５００回程度が現実的である。これにより、文献１に記載されているように、４０～５００ＡＴ［アンペアターン］が実用的な値である。

　また受信側でより効率的に受信する方法としては、送信信号の波長λに対してλ／２の長さにより近いアンテナで受信すること、及びアンテナを多数巻きにして取り出したエネルギーを増幅すること、高透磁率コアを用いて送信信号を集約すること、が挙げられる。文献１～４に記載された従来技術では、送信信号の周波数が１０ｋＨｚであるので、λ＝ｖ／ｆ＝（３０＊１０⁷）ｍ／（１０＊１０³）＝３０ｋｍであり、λ／２＝１５ｋｍとなり、この長さのアンテナを無線起爆雷管に取り付けるのは現実的でない。そこで、実際には５０ｍｍ径程度の高透磁率コアに導線を数１００～１０００００巻回し、円筒状の爆薬の径とほぼ同径のコイルコアをアンテナとして用いている。この場合、コイルコアが野球のボール程度の大きさとなり、重量も数１００ｇであり、導電線で装薬孔の外に垂らすと導電線が切れる可能性があり、コイルコアを装薬孔の外に垂らすことは好ましくない。従って、文献１及び４のコア及び受信コイルに記載されているように、無線起爆雷管の先頭部に配置することが好ましい。しかし、その場合、受信アンテナであるコイルコアが装薬孔の最も奥に配置されることになるので、送信信号が届きにくく、１０ｋＨｚ程度の低周波の場合、受信効率を向上させることが困難である。

　このように、文献１～４から想定される操作機と無線起爆雷管では、操作機の側から送信信号を送信するためのアンテナを４０～５００回程度に巻回する必要があり、無線起爆雷管の側にて送信信号を受信するためのアンテナであるコイルコアを装薬孔の奥に配置し、導線を数１００～１０００００回、巻回する必要がある。

　また文献１～３に記載された従来技術では、無線起爆雷管から操作機へ無線で送信する応答信号の周波数は１０ＭＨｚ～６０ＭＨｚとしている。ここで応答信号の周波数を１０ＭＨｚとした場合、操作機の側で受信するアンテナにおいて最も効率良く受信できる長さはλ／２＝［（３０＊１０⁷）／（１０＊１０⁶）］／２＝１５ｍである。なお、λよりも長いアンテナを用いると定在波が発生しやすいので好ましくない。ところが、操作機から送信信号を送信するアンテナは、上述したように、トンネル内壁に沿って４０～５００巻回しているので、λ（この場合、３０ｍ）を軽くオーバーしてしまっている。よって、操作機にて応答信号を受信するためのアンテナは、文献３に記載されているように、受信専用の半波長ダイポールアンテナが必要となる。また、無線起爆雷管から応答信号を送信する際、上記のコイルコアを用いると、装薬孔の一番奥から応答信号を発信することになり、操作機に届くエネルギーが非常に小さくなってしまう。そこで文献３に記載されているように、無線起爆雷管は、応答信号の送信専用の線状アンテナを装薬孔の外に垂らしている。

　このように、文献１～４に記載された従来技術から想定される操作機と無線起爆雷管では、無線起爆雷管については、受信専用のアンテナとして大型のコイルコアが必要であり、送信専用のアンテナとして線状アンテナが必要である。また操作機については、送信専用のアンテナとしてトンネル内壁に沿って４０～５００巻回したアンテナが必要であり、受信専用のダイポールアンテナが必要である。従って、操作機に必要なアンテナを設置する時間がかかり、切羽面近傍における作業時間が長くなるので好ましくない。

　本発明からはひとつの側面として無線起爆雷管が得られ、この雷管は、起爆部と、前記起爆部に接続されて前記起爆部に点火する制御部と、前記起爆部と前記制御部とが収容される管体と、前記制御部が無線通信にて使用するアンテナであって送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に有することなく送受信に使用可能な起爆側アンテナとを備える。前記起爆側アンテナは、軟磁性体コイルアンテナであり、前記制御部は、前記起爆側アンテナを介して１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数である操作周波数の送信信号を受信する。

　これによれば、無線起爆雷管が無線通信にて受信する周波数を１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数とすることで、起爆側アンテナを軟磁性体に導線を数回～数十回、巻回した軟磁性体コイルアンテナとすることができる。

　これにより、非常に簡素で小型の軟磁性体コイルアンテナを用いることが可能となり、前記起爆側アンテナの直径を、爆薬を装填する装薬孔の内径よりも小さくすることが可能となり、無線起爆雷管に起爆側アンテナを接続した状態で装薬孔に装填できるので、切羽面の装薬孔への無線起爆雷管の装填時間をより短くすることができる。従って、切羽面近傍における作業時間を、より短くすることができる。

　なお前記軟磁性体とは、磁性体の中でも比較的容易に磁極が消失したり反転したりする高透磁率の材料であって、例えば鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、フェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金などが含まれるが、通常はフェライトが使用される。

　さらに前記起爆側アンテナを軟磁性体コイルアンテナにしたことにより、前記起爆側アンテナの向きを、装薬孔の軸方向に沿う方向へと容易に設定することができる。これにより、個々のアンテナの向きを調整する必要が無くなり、切羽面近傍における作業時間をよりいっそう短縮することができる。

　上記無線起爆雷管において、前記起爆側アンテナは、前記管体に接触して前記管体の軸上に、もしくは前記管体に接触して前記管体の周囲に設置されているのが好ましい。起爆側アンテナの設置位置を適切な位置とすることが可能である。また、管体と起爆側アンテナが一体化しているので、切羽面の装薬孔への無線起爆雷管の装填時間をより短くすることができる。

　上記無線起爆雷管において、前記起爆側アンテナは、導電線を介して前記管体と接触せずに所定の方向に向けられて配置されているのが好ましい。起爆側アンテナの設置の自由度を増すことができる。例えば装薬孔の奥に無線起爆雷管を設置した場合であっても、装薬孔の入口部に起爆側アンテナを設置することができるので便利である。この場合、前記起爆側アンテナは、無線による給電および通信を必要十分に行うことができる方向（所定の方向）へ向けるよう調整が可能である。

　上記無線起爆雷管において、前記無線起爆雷管には、当該無線起爆雷管を識別可能な個体情報が表示された表示装置が、当該無線起爆雷管に直接、またはケーブルを介して取り付けられているのが好ましい。無線起爆雷管の個体情報が表示装置により確認可能となる。これにより、何らかの異常を発生させた無線起爆雷管を特定することが可能となる。

　本発明からは別の側面として上記無線起爆雷管と爆薬からなる親ダイとを含む爆薬ユニットが得られ、この爆薬ユニットは、前記無線起爆雷管は前記親ダイに取り付けられており、前記ケーブルを介して前記表示装置が取り付けられている場合、前記ケーブルの長さは、前記爆薬ユニットが被爆破個所に削孔された装薬孔に装填された際に、前記表示装置が前記装薬孔の外に達することが可能な長さに設定されている。これによれば、適切な爆薬ユニットを構成することができる。

　また、前記ケーブルを介して前記表示装置が取り付けられている場合、個体情報が表示された表示装置が装薬孔の外に出ているので、装薬後に無線起爆雷管に異常が発生した際、作業者は、異常が発生した無線起爆雷管を、装薬孔から取り出すことなく容易に特定することができる。

　本発明からはまた別の側面として無線起爆システムが得られ、このシステムは、上記の爆薬ユニットと、前記装薬孔から離れた遠隔位置に配置されて前記無線起爆雷管に前記送信信号を無線で送信し前記無線起爆雷管からの応答信号を無線で受信する起爆操作機と、前記起爆操作機が無線通信にて使用するアンテナであって送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に有することなく送受信に使用可能な操作側アンテナとで構成される。

　そして、前記操作側アンテナは略ループ形状であり、前記制御部は、前記起爆操作機から前記送信信号を受信すると、受信した前記送信信号に対応する応答信号を作成し、作成した前記応答信号を、前記操作周波数よりも高い周波数である応答周波数にて、前記起爆側アンテナを介して送信し、前記応答周波数は、前記操作側アンテナのループ長さよりも長い波長となる周波数に設定されている。

　これによれば、起爆操作機から無線起爆雷管に送信する信号の周波数を１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下とすることで、１０ｋＨｚの場合と比較して、操作側アンテナの巻き数を１／１０あるいはそれ以下まで少なくすることができる。これにより、切羽面近傍における操作側アンテナを張る作業時間をより短くすることができる。従って、切羽面近傍における作業時間を、より短くすることができる。また、無線起爆雷管からの応答周波数を、操作側アンテナの長さよりも長い波長の周波数とすることで、定在波の発生を防止し、送受信の信頼性を高めることができる。ここで、操作側アンテナのループ長さとは、略ループ形状に巻かれた操作側アンテナの総延長長さをいう。

　上記無線起爆システムにおいて、前記応答周波数は、前記操作周波数を超え、かつ１０ＭＨｚ以下であるのが好ましい。これによれば、定在波の発生を防止する応答周波数を、適切な周波数とすることが可能であり、送受信の信頼性を高めることができる。

　本発明からはまた別の側面として、上記の爆薬ユニットと、無線起爆雷管に送信信号を無線で送信し前記無線起爆雷管からの応答信号を無線で受信する起爆操作機とを用いて被爆破個所を爆破する無線起爆方法が得られる。この方法は、前記被爆破個所に装薬孔を削孔する装薬孔削孔ステップと、前記爆薬ユニットを前記装薬孔に装填する装填ステップと、前記起爆操作機が無線通信にて使用するアンテナであって前記応答信号の周波数である応答周波数に対応する波長よりも短い長さに設定した操作側アンテナを、前記被爆破個所から所定距離だけ離れた位置に略ループ形状に張る操作側アンテナ張りステップと、前記操作側アンテナを介して前記起爆操作機から１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下の周波数である操作周波数にて前記無線起爆雷管に起爆準備を開始させる送信信号である準備開始信号を送信する準備開始送信ステップと、前記起爆側アンテナを介して前記準備開始信号を受信した際に制御部にて起爆準備を開始するステップと、準備が完了した際に準備完了を示す応答信号である準備完了信号を、前記操作側アンテナの長さよりも長い波長となる前記操作周波数を超えかつ１０ＭＨｚ以下の前記応答周波数にて、前記起爆側アンテナを介して前記制御部から前記起爆操作機に送信する準備完了応答ステップと、前記操作側アンテナを介して前記準備完了信号を受信した際に前記起爆操作機から起爆の実行を指示する送信信号である起爆実行信号を送信する起爆実行送信ステップと、前記起爆側アンテナを介して前記起爆実行信号を受信した際に制御部にて前記起爆部に点火して前記起爆部及び前記親ダイを起爆する起爆ステップと、を有する。

　これによれば、起爆操作機から無線起爆雷管に送信する操作周波数を１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下とするとともに、起爆側アンテナとして軟磁性体コイルアンテナを用いることで、起爆側アンテナの指向性の調整と、装填ステップと、操作側アンテナ張りステップにかかる時間、すなわち切羽面近傍における作業時間を、より短くすることができる無線起爆方法を実現することができる。

　上記無線起爆方法において、前記無線起爆雷管に、前記表示装置が前記装薬孔の外に達することが可能な長さの前記ケーブルを介して前記表示装置が取り付けられている場合、前記装填ステップで前記表示装置が前記装薬孔の外に達するように前記装薬孔に前記爆薬ユニットを装填するのが好ましい。これによれば、無線起爆雷管に異常が発生した際、例えば作業者は、起爆操作機に表示された個体情報（例えば起爆遅延時間や識別番号等）と、装薬孔の外の表示装置に表示されている個体情報とを比較することにより、異常が発生している無線起爆雷管を、容易に特定することができる。これにより、装薬孔に装薬した後に、切羽面近傍における作業時間をより短くすることができる。

トンネル掘削現場における切羽面４１を爆破するための無線起爆システム１を説明する図である。図１のＩＩ部分に示す切羽面４１に削孔した装薬孔４０に爆薬ユニット２０を装填した状態を説明する図である。爆薬ユニット２０の構造の実施例を説明する図である。図３のＩＶ部分に示す無線起爆雷管１０の構造の実施例を説明する図である。図４のＶ部分に示す制御部１０Ｂの構造の実施例を説明する図である。無線起爆方法の処理手順を説明するフローチャートである。起爆部及び制御部が収容されている管体に対する起爆側アンテナの配置例を説明する図である。起爆側アンテナの別の配置例を説明する図である。起爆側アンテナのさらに別の配置例を説明する図である。

　以下に、トンネルの掘削現場における本発明の各種実施例を、図面を用いて説明する。

［無線起爆システムの全体構成（図１）と装薬孔への爆薬ユニットの装填状態（図２）］
　無線起爆システム１は、切羽面４１に削孔された装薬孔４０に装填される爆薬ユニット２０と、装薬孔４０から離れた遠隔位置に配置されて爆薬ユニット２０に対して無線で送受信を行う起爆操作機５０と、切羽面４１の近傍に張られた操作側アンテナ６０と、にて構成されている。

　装薬孔４０は、例えば径Ｄ１が５ｃｍ程度、深さＤ２が２ｍ程度に削孔された孔であるが、この数値に限定されるものではない。

　無線起爆雷管１０は、図３，４に示すように、起爆部１０Ａと、制御部１０Ｂと、起爆部１０Ａと制御部１０Ｂとを収容する管体１０Ｘと、アンテナ部１０Ｃにて構成され、アンテナ部１０Ｃは、略ループ形状の起爆側アンテナ３０と、一方端が制御部１０Ｂに接続されて他方端が起爆側アンテナ３０に接続された導電線３１と、にて構成されている。そして無線起爆雷管１０は、装薬孔４０に装填される際の先頭となる爆薬１３であって無線起爆雷管１０が差し込まれている爆薬１３である親ダイ１３Ａと、親ダイ１３Ａに対して適宜増減される爆薬１３である増しダイ１３Ｂとともに、装薬孔４０に装填される。

　図３に示すように、爆薬ユニット２０は、爆薬１３と、無線起爆雷管１０とで構成されており、爆薬ユニット２０は、親ダイ１３Ａのみ、あるいは親ダイ１３Ａに増しダイ１３Ｂが追加された状態のものである。また、図２に示すように、爆薬ユニット２０の先端には、ゴム等の弾性体で形成された保護キャップ２１が嵌め込まれて装薬孔４０に装填され、爆薬ユニット２０の後端には、粘土等の込め物２２にて蓋がされる。そして、導電線３１の長さは、爆薬ユニット２０を装薬孔４０に装填した際に起爆側アンテナ３０が装薬孔４０の外に達することができる長さに設定されていてもよいし、図２に示すように起爆側アンテナ３０を装薬孔４０内に配置できる長さであってもよい。もしくは、図７，８に示すように導電線３１が無く、起爆側アンテナ３０が管体１０Ｘに接触して管体１０Ｘの軸上、もしくは管体１０Ｘに接触して管体１０Ｘの周囲にあってもよい。なお、保護キャップ２１は、導電線３１を保護するとともに装填時のショックを和らげるものであるが、省略しても良い。

　また表示装置７２は、作業者が無線起爆雷管１０を識別可能な個体情報（例えば起爆遅延時間や識別番号）が表示されたものであり、ケーブル７１を介して無線起爆雷管１０に取り付けられている。そしてケーブル７１の長さは、親ダイ１３Ａが装薬孔４０に装填された際に、表示装置７２が装薬孔４０の外に達することが可能な長さに設定されている。従って図２に示すように、表示装置７２は、親ダイ１３Ａが装薬孔４０に装填された場合、装薬孔４０の外に配置される。なお、ケーブル７１と表示装置７２は省略してもよい。

　起爆操作機５０には、発破母線６２と補助母線６１を介して操作側アンテナ６０が接続されている。なお、操作側アンテナ６０と補助母線６１は、爆破する毎に新たに張られる。操作側アンテナ６０は、切羽面４１から例えば１ｍ程度の距離Ｌ１だけ離れた位置に、洞床４２、洞側壁４３、洞天井４４に沿って張られている。発破母線６２の先端から切羽面４１までの距離Ｌ２は、例えば３０ｍ程度である。発破母線６２の先端から起爆操作機５０までの距離Ｌ３は、例えば７０ｍ程度である。

　起爆操作機５０は、発破母線６２と補助母線６１と操作側アンテナ６０を介して無線通信にて送信信号を送信し、送信の周波数である操作周波数は、１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下としている。なお、操作周波数を５００ｋＨｚより高くすると、トンネル内で定在波が発生しやすいので、あまり好ましくない。

　また起爆操作機５０は、無線起爆雷管１０の制御部１０Ｂからの応答信号を、操作側アンテナ６０と補助母線６１と発破母線６２を介して受信する。なお、無線起爆雷管１０からの応答信号の周波数である応答周波数は、前記操作周波数を超え、かつ１０ＭＨｚとしている。

　ひとつの実施例として、操作周波数を１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下とすることで、操作側アンテナ６０の巻き回数を、１回あるいは数回程度とすることができる。また、当該操作周波数の送信信号にて無線起爆雷管１０の制御部１０Ｂに給電するとともに点火用のエネルギーを蓄電させる。制御部１０Ｂの給電及び蓄電のための送信時の電力は、数１０Ｗ～数１００Ｗ程度の比較的小電力で行うことができる。また、起爆側アンテナ３０は、送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に用意する必要がなく、送受信用の１個の軟磁性体コイルアンテナにて起爆側アンテナ３０を構成することができる。また、起爆側アンテナ３０の径は、装薬孔の直径以下とすることが可能である。

　例えば操作周波数が２００ｋＨｚの場合、無線起爆雷管にて最も効率良く受信できるアンテナの長さであるλ／２は、λ／２＝［ｖ／ｆ］／２＝［（３０＊１０⁷）／（２００＊１０³）］／２＝７５０ｍであるが、軟磁性体に導線を数十回程度、巻回した非常に軽量で小型の軟磁性体コイルアンテナであっても、充分なエネルギーを取り出すことができる。なお軟磁性体とは、磁性体の中でも比較的容易に磁極が消失したり反転したりする高透磁率の材料であって、例えば鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、センダスト、パーメンジュール、フェライト、アモルファス磁性合金、ナノクリスタル磁性合金などであって、通常はフェライトが使用される。

　また、起爆側アンテナ３０のひとつの実施例である軟磁性体コイルアンテナは、従来と比較して、非常に効率良くエネルギーを取り出すことができる。また操作周波数が高いので従来と比較して波長λが短く、エネルギーを取り出しやすい。そして無線起爆雷管の側の受信効率が良いので、送信信号の出力エネルギーも、従来ほどのエネルギーを必要とせず、１～数回程度の巻回の操作側アンテナでよい。

　また、無線起爆雷管から起爆操作機へ送信する応答信号の送信用アンテナは、装薬孔の軟磁性体コイルアンテナを兼用することができる。そして応答周波数を１０ＭＨｚとした場合、起爆操作機の受信用のアンテナの長さは、応答周波数の波長λ（この場合、３０ｍ）を超えない長さとすることが好ましく、１～数回巻きの操作側アンテナを兼用することができる。

　操作周波数が１０ｋＨｚ以下の従来の方法では、既に説明したように、送信信号を送信するための操作側アンテナの巻き数が４０～５００回程度必要であり、無線起爆雷管からの応答信号を受信するためのダイポールアンテナが必要であり、切羽面近傍において非常に長い作業時間が必要であった。本発明の実施例によると、操作側アンテナ６０の巻き数が１回～数回程度で良く、且つ受信専用のダイポールアンテナも不要であるので、切羽面近傍における操作側アンテナ６０を張る作業を、従来と比較して非常に短時間で終わらせることができる。

　また、操作周波数が１０ｋＨｚ以下の従来の方法では、既に説明したように、５０ｍｍ径程度のフェライトコアに導線を多数回巻いた複雑、且つ重量が大きなものを装薬孔の一番奥に配置し、更に線状アンテナを装薬孔の外に垂らす必要があった。本発明の実施例によれば、軟磁性体コイルアンテナとして、フェライトバーに導線を数十回程度、巻回した非常に軽量で小型のフェライトバーアンテナが取り付けられた無線起爆雷管を爆薬に挿入し、親ダイとなった爆薬を装薬孔に挿入するだけで良い。さらに実施例では、起爆側アンテナ３０の径を装薬孔の直径以下にすることが可能であるため、起爆側アンテナが邪魔にならず、起爆側アンテナを取り付けた状態で無線起爆雷管１０を装填装置にセットすることができる。そして、装薬孔４０への無線起爆雷管１０の装填作業を、より短時間で終わらせることができる。

［無線起爆雷管の構造（図３～５）と無線起爆方法の処理手順（図６）］
　次に図３～５を用いて、無線起爆雷管１０の詳細な構造について説明する。装薬孔４０に装填される際の先頭となる爆薬１３は、無線起爆雷管１０が差し込まれ、無線起爆雷管１０にて直接爆破する親ダイ１３Ａとなる。装薬孔４０に装填される際に親ダイ１３Ａの後方に配置される爆薬１３は、親ダイ１３Ａの爆破に連動して爆破する増しダイ１３Ｂとなる。増しダイ１３Ｂの数は、所望する爆破エネルギーに応じて適宜増減される。

　図４に示す無線起爆雷管１０は断面図を示しており、無線起爆雷管１０は、管体１０Ｘ内に起爆部１０Ａと制御部１０Ｂが収容されて閉塞栓１０Ｚにて密封されている。また起爆部１０Ａは、絶縁スリーブ１１Ａ、点火玉１１Ｂ、内管１１Ｃ、起爆薬１１Ｄ、添装薬１１Ｅ等を有している。また制御部１０Ｂは、送受信手段１２Ｂ、ＣＰＵ１２Ａ、蓄電手段１２Ｃ、蓄電状態検出手段１２Ｄ、スイッチ手段１２Ｅ、点火手段１２Ｆ、ＩＤ記憶手段１２Ｇ等を有している。

　以下、図６に示すフローチャートを用いながら、制御部１０Ｂの各構成要素の動作について説明する。なお、以下の説明では、起爆操作機５０からの送信信号の周波数である操作周波数を２００ｋＨｚに設定し、無線起爆雷管１０からの応答信号の周波数である応答周波数を１０ＭＨｚに設定した実施例で説明する。

　図６に示すように、作業者は、ステップＳ１０の装薬孔削孔ステップにて、削孔機等を用いて切羽面４１に複数の装薬孔４０を削孔し、ステップＳ２０に進む。

　ステップＳ２０の装填ステップにて、作業者は装填装置等を用いて、削孔した装薬孔４０のそれぞれに、起爆側アンテナ３０が効率良く送受信できる方向に向いて装薬孔４０の入口部に位置するように爆薬ユニット２０を装填し、ステップＳ３０に進む。なお以上で説明したでは、起爆側アンテナを装薬孔の入口部に配置した実施例を説明したが、起爆側アンテナは、装薬孔の入口部に限定されず、装薬孔内の任意の位置に配置することができる。

　また、ケーブル７１及び表示装置７２が有る場合、上記の装填ステップにおいて、表示装置７２が装薬孔４０の外に達するように、装薬孔４０に親ダイを含む爆薬ユニット２０を装填し、ステップＳ３０に進む。この場合、ケーブル７１の長さは、親ダイを含む爆薬ユニットが装薬孔に装填された際に、表示装置が装薬孔の外に達することが可能な長さに設定されている。

　ステップＳ３０の操作側アンテナ張りステップにて、作業者は切羽面４１から距離Ｌ１だけ離れた位置の洞床、洞側壁、洞天井に、操作側アンテナ６０を張り、操作側アンテナ６０と補助母線６１と発破母線６２と起爆操作機５０を接続し、ステップＳ４０に進む。なお、操作側アンテナ６０の長さは、無線起爆雷管１０の応答周波数に対応する波長よりも短い長さに設定する。つまり、応答周波数は、操作側アンテナのループ長さよりも長い波長となる周波数に設定されている。なお、操作側アンテナのループ長さとは、略ループ形状に巻かれた操作側アンテナの総延長長さをいう。

　例えば応答周波数が１０ＭＨｚである場合、λ＝ｖ／ｆより、波長＝光速／応答周波数＝３００，０００（ｋｍ／ｓ）／１０＊１０⁶（１／ｓ）＝３０ｍである。従って、応答周波数が１０ＭＨｚである場合は、３０ｍよりも短い長さに設定した操作側アンテナ６０を略ループ状に張る。これにより、定在波の発生を抑制し、無線通信の信頼性をより向上させることができる。また、この長さであれば、１回あるいは数回巻くだけで、トンネルの洞床、洞側壁、洞天井と全周にわたって操作側アンテナ６０を張ることができるので、非常に短時間に操作側アンテナ張り作業を完了させることができる。なお、応答周波数を決めてから操作側アンテナ６０の長さを決めるのではなく、操作側アンテナ６０の長さを決めてから応答周波数を決めても良い。

　そしてステップＳ４０にて、作業者は起爆操作機５０の操作を開始する。以下、ステップＳ４０の作業者の操作による起爆操作機５０の動作と、無線起爆雷管１０の制御部１０Ｂの動作について説明する。

　起爆操作機５０は、ステップＳ１１０にて、作業者から、全ての無線起爆雷管１０に対して起爆準備を開始させる準備開始信号の送信の指示が入力されたか否かを判定する。作業者から指示が入力された場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１２０に進み、指示が入力されていない場合（Ｎｏ）はステップＳ１１０に戻り、入力を待つ。

　ステップＳ１２０に進んだ場合、起爆操作機５０は、発破母線６２と補助母線６１と操作側アンテナ６０を介して、操作周波数（この場合、２００ｋＨｚ）の準備開始信号を無線にて送信し、ステップＳ１３０に進む。

　準備開始送信ステップには、以上のステップＳ１１０とステップＳ１２０を含めることができる。

　無線起爆雷管１０の制御部１０ＢのＣＰＵ１２Ａは、ステップＳ２１０にて、起爆操作機５０からの準備開始信号を受信したか否かを判定する。準備開始信号を受信した場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２２０に進み、受信していない場合（Ｎｏ）はステップＳ２１０に戻り、入力を待つ。この場合、図５に示す送受信手段１２Ｂは、起爆側アンテナ３０から直接、もしくは起爆側アンテナ３０と導電線３１を介して入力された起爆操作機５０からの送信信号（この場合、準備開始信号）を検出してＣＰＵ１２Ａに出力する。また送受信手段１２Ｂは、受信した操作周波数（この場合、２００ｋＨｚ）の信号を電力に変換して制御部１０Ｂ内にて使用する電力と、蓄電手段１２Ｃに蓄電する電力を供給する。

　ステップＳ２２０に進んだ場合、ＣＰＵ１２Ａは、受信した準備開始信号に基づいて、起爆のための準備である蓄電手段１２Ｃへの蓄電を開始してステップＳ２３０に進む。蓄電手段１２Ｃはコンデンサ等であり、ＣＰＵ１２Ａからの制御信号に基づいて電荷を蓄えることができる。また、ＣＰＵ１２Ａは、蓄電状態検出手段１２Ｄを介して蓄電手段１２Ｃの蓄電状態を検出することができる。

　ステップＳ２３０にて、ＣＰＵ１２Ａは、蓄電状態検出手段１２Ｄからの検出信号に基づいて、蓄電手段１２Ｃの蓄電量が、予め設定された蓄電量に達したか否かを判定する。設定された蓄電量に達している場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２４０に進み、達していない場合（Ｎｏ）はステップＳ２２０に戻る。

　ステップＳ２４０に進んだ場合、ＣＰＵ１２Ａは、準備（蓄電）完了を示す情報を含む応答信号である準備完了信号を送受信手段１２Ｂに出力し、ステップＳ２５０に進む。なお準備完了信号には、ＩＤ記憶手段１２Ｇから読み出したＩＤ情報も含まれている。このＩＤ情報（予め各制御部１０Ｂに固有に割り付けられたＩＤ）を用いることで、起爆操作機５０は、どの無線起爆雷管の準備（蓄電）が完了したか、適切に認識することができる。また送受信手段１２Ｂは、ＣＰＵ１２Ａからの応答信号を応答周波数（この場合、１０ＭＨｚ）にて、導電線３１と起爆側アンテナ３０を介して起爆操作機５０に向けて出力する。

　準備完了応答ステップには、以上のステップＳ２１０～ステップＳ２４０を含めることができる。

　起爆操作機５０は、ステップＳ１３０にて、無線起爆雷管１０からの準備完了信号を受信したか否かを判定する。複数の無線起爆雷管１０のそれぞれには、固有のＩＤが予め割り付けられており、準備完了信号にはＩＤ情報が含まれている。起爆操作機５０は、全ての無線起爆雷管からの準備完了信号を受信したか否かを判定する。全ての無線起爆雷管１０からの準備完了信号を受信した場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１４０に進み、そうでない場合（Ｎｏ）はステップＳ１３０に戻り、全ての無線起爆雷管１０から準備完了信号を受信するまで待つ。なお、所定時間経過しても全ての無線起爆雷管からの準備完了信号を受信できない場合は、作業者の操作によって、図示しない中断等の処置が施される。

　ステップＳ１４０に進んだ場合、起爆操作機５０は、作業者からの起爆の実行の指示の入力がされたか否かを判定する。作業者からの起爆実行の指示入力がある場合（Ｙｅｓ）はステップＳ１５０に進み、指示入力がされていない場合（Ｎｏ）はステップＳ１４０に戻り、入力を待つ。

　ステップＳ１５０に進んだ場合、起爆操作機５０は、起爆の実行を指示する送信信号である起爆実行信号を、発破母線６２と補助母線６１と操作側アンテナ６０を介して、操作周波数にて送信する。

　起爆実行送信ステップには、以上のステップＳ１３０～ステップＳ１５０を含めることができる。

　それぞれの無線起爆雷管１０のＣＰＵ１２Ａは、ステップＳ２５０にて、起爆実行信号を受信したか否かを判定する。この場合、送受信手段１２Ｂが起爆側アンテナ３０から直接、もしくは起爆側アンテナ３０と導電線３１を介して入力された起爆操作機５０からの送信信号（この場合、起爆実行信号）を検出してＣＰＵ１２Ａに出力し、ＣＰＵ１２Ａは送受信手段から受け取った信号が起爆実行信号であるか否かを判定する。起爆実行信号を受信した場合（Ｙｅｓ）はステップＳ２６０に進み、受信していない場合（Ｎｏ）はステップＳ２５０に戻り、起爆実行信号が送信されるのを待つ。なお、所定時間経過しても起爆実行信号が送信されてこない場合は、タイムアウトと判定して蓄電手段１２Ｃに蓄電したエネルギーを破棄して終了する。

　ステップＳ２６０に進んだ場合、ＣＰＵ１２Ａは、起爆部１０Ａに点火して無線起爆雷管１０を起爆する。この場合、ＣＰＵ１２Ａは、スイッチ手段１２Ｅを操作して蓄電手段１２Ｃに蓄えたエネルギーを点火手段１２Ｆに供給して起爆部１０Ａを起爆させ、親ダイ１３Ａ及び増しダイ１３Ｂを起爆する。

　以上、図１～５を用いて説明した無線起爆システムの実施例では、起爆操作機５０から送信する信号の周波数を１００ｋＨｚ以上５００ｋＨｚ以下としているので、起爆側アンテナ３０の構造を、軟磁性体を用いた軽量で小型の軟磁性体コイルアンテナとすることが可能であり、装薬孔の直径以下にすることができる。これにより、装薬孔内の任意の位置に起爆側アンテナを設置、もしくは装薬孔の外に垂らすことができる。なお図７～９に示すように、無線起爆雷管１０が爆薬１３に取り付けられて装薬孔に装填される際、起爆側アンテナ３０は、無線起爆雷管１０を構成している起爆部１０Ａ及び制御部１０Ｂを収容している管体１０Ｘに接触して管体１０Ｘの軸上（図７参照）、もしくは管体１０Ｘに接触して管体１０Ｘの周囲（図８参照）、もしくは導電線を介して管体１０Ｘと接触しない離れた位置であって装薬孔内に、所定の方向（効率良く送受信を行うことができる方向であり、無線による給電および通信を必要十分に行うことができる方向）に向けられて設置されている。

　これにより、起爆側アンテナ３０の向きを、装薬孔の軸方向に沿う方向へと容易に設定することができるので、装薬孔の外にアンテナを垂らす場合と比較して、起爆側アンテナの向きを個々に調整する必要が無い。従って、切羽面近傍における作業時間をより短縮することができる。なお、起爆側アンテナ３０を装薬孔の外に垂らしてもよい。

　また、当該軟磁性体コイルアンテナにて送信信号の受信と応答信号の送信を兼用させることが可能であり、従来のように送信信号の受信専用アンテナ及び応答信号の送信専用アンテナを必要としない。これにより、無線起爆雷管１０を備えた親ダイ１３Ａを、装薬孔４０に装填する作業時間を、より短くすることができる。

　また、無線起爆雷管１０からの応答する信号の周波数を１ＭＨｚ以上１０ＭＨｚ以下に設定し、操作側アンテナ６０の長さも、洞床、洞側、洞天井に沿って１回あるいは数回巻く程度の長さで良い。また、操作側アンテナ６０にて、送信信号の送信と応答信号の受信を兼用させることが可能であり、従来のように送信信号の送信専用アンテナ及び応答信号の受信専用のダイポールアンテナを必要としない。これにより、操作側アンテナを張る作業時間も、より短くすることができる。

　なお、操作側アンテナ６０は、発破によって眼に見えない損傷が内部に発生する可能性があるので、安全のために発破毎に張り直している。そのため、本願のように１回～数回巻きの簡素な操作側アンテナ６０は、従来の４０～５００回巻きのアンテナ＋ダイポールアンテナと比較して、アンテナを張る作業時間を非常に短時間にすることが可能であり、発破作業の安全性をより向上させることができる。

　また図６を用いて説明した無線起爆方法の実施例によれば、切羽面近傍における作業時間をより短くすることが可能であり、より安全に切羽面を爆破することができる。

　また、無線起爆雷管に表示装置を取り付け、装薬孔の外に表示装置を出すことにより、作業者は、装薬孔に装填後、無線起爆雷管に異常が発生した際、起爆操作機に表示された（異常が発生した無線起爆雷管の）個体情報と、装薬孔の外に垂れ下がっている表示装置に表示されている個体情報と、を比較することにより、異常が発生している無線起爆雷管を容易に特定することができるので、作業時間をより短くすることが可能である。

　本発明の各種実施例を具体的な形態に触れつつ説明したが、当業者であれば本発明の無線起爆システム、無線起爆方法と、これに用いる無線起爆雷管、爆薬ユニットがここで説明した外観、構造、構成、処理等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能であることは明らかであろう。

　また以上で説明した無線起爆システムと無線起爆方法は、トンネルの掘削現場に限定されず、種々の現場の爆破に適用することが可能である。

　また以上の説明では、無線起爆雷管１０にケーブル７１を介して表示装置７２を取り付けた実施例を説明したが、表示装置７２を無線起爆雷管１０に直接取り付けてもよい。表示装置を無線起爆雷管に直接取り付けた場合、作業者は、装薬孔に装填した後に表示装置を確認することはできないが、装薬孔に装填する際に表示装置を確認しながら装填することができる。

Claims

　起爆部と、
　前記起爆部に接続されて前記起爆部に点火する制御部と、
　前記起爆部と前記制御部とが収容される管体と、
　前記制御部が無線通信にて使用するアンテナであって送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に有することなく送受信に使用可能な起爆側アンテナと、
を備えている無線起爆雷管であって、
　前記起爆側アンテナは、軟磁性体コイルアンテナであり、
　前記制御部は、前記起爆側アンテナを介して１００ＫＨｚ以上５００ＫＨｚ以下の周波数である操作周波数の送信信号を受信する、無線起爆雷管。
　請求項１に記載の無線起爆雷管であって、
　前記起爆側アンテナは、前記管体に接触して前記管体の軸上に、もしくは前記管体に接触して前記管体の周囲に設置されている、無線起爆雷管。
　請求項１に記載の無線起爆雷管であって、
　前記起爆側アンテナは、導電線を介して前記管体と接触せずに所定の方向に向けられて配置されている、無線起爆雷管。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の無線起爆雷管であって、
　前記無線起爆雷管には、当該無線起爆雷管を識別可能な個体情報が表示された表示装置が、当該無線起爆雷管に直接、またはケーブルを介して取り付けられている、無線起爆雷管。
　請求項１～４のいずれか一項に記載の無線起爆雷管と爆薬からなる親ダイとを含む爆薬ユニットであって、
　前記無線起爆雷管は前記親ダイに取り付けられており、
　前記ケーブルを介して前記表示装置が取り付けられている場合、前記ケーブルの長さは、前記爆薬ユニットが被爆破個所に削孔された装薬孔に装填された際に、前記表示装置が前記装薬孔の外に達することが可能な長さに設定されている、爆薬ユニット。
　請求項５に記載の爆薬ユニットと、
　前記装薬孔から離れた遠隔位置に配置されて前記無線起爆雷管に前記送信信号を無線で送信し、前記無線起爆雷管からの応答信号を無線で受信する起爆操作機と、
　前記起爆操作機が無線通信にて使用するアンテナであって送信専用アンテナ及び受信専用アンテナを別々に有することなく送受信に使用可能な操作側アンテナと、にて構成された無線起爆システムであって、
　前記操作側アンテナは略ループ形状であり、
　前記制御部は、前記起爆操作機から前記送信信号を受信すると、受信した前記送信信号に対応する応答信号を作成し、作成した前記応答信号を、前記操作周波数よりも高い周波数である応答周波数にて、前記起爆側アンテナを介して送信し、
　前記応答周波数は、前記操作側アンテナのループ長さよりも長い波長となる周波数に設定されている、無線起爆システム。
　請求項６に記載の無線起爆システムであって、
　前記応答周波数は、前記操作周波数を超え、かつ１０ＭＨｚ以下である、無線起爆システム。
　請求項５に記載の爆薬ユニットと、
　前記無線起爆雷管に送信信号を無線で送信し、前記無線起爆雷管からの応答信号を無線で受信する起爆操作機と、を用いて被爆破個所を爆破する無線起爆方法において、
　前記被爆破個所に装薬孔を削孔するステップと、
　前記爆薬ユニットを前記装薬孔に装填するステップと、
　前記起爆操作機が無線通信にて使用するアンテナであって前記応答信号の周波数である応答周波数に対応する波長よりも短い長さに設定した操作側アンテナを、前記被爆破個所から所定距離だけ離れた位置に略ループ形状に張るステップと、
　前記操作側アンテナを介して前記起爆操作機から１００ＫＨｚ以上５００ＫＨｚ以下の周波数である操作周波数にて前記無線起爆雷管に起爆準備を開始させる送信信号である準備開始信号を送信するステップと、
　前記起爆側アンテナを介して前記準備開始信号を受信した際に制御部にて起爆準備を開始するステップと、
　準備が完了した際に準備完了を示す応答信号である準備完了信号を、前記操作側アンテナの長さよりも長い波長となる前記操作周波数を超え、かつ１０ＭＨｚ以下の前記応答周波数にて前記起爆側アンテナを介して前記制御部から前記起爆操作機に送信するステップと、
　前記操作側アンテナを介して前記準備完了信号を受信した際に前記起爆操作機から起爆の実行を指示する送信信号である起爆実行信号を送信するステップと、
　前記起爆側アンテナを介して前記起爆実行信号を受信した際に制御部にて前記起爆部に点火して前記起爆部及び前記親ダイを起爆するステップとを有する、無線起爆方法。
　請求項８に記載の無線起爆方法であって、
　前記無線起爆雷管に、前記表示装置が前記装薬孔の外に達することが可能な長さの前記ケーブルを介して前記表示装置が取り付けられている場合、前記表示装置が前記装薬孔の外に達するように前記装薬孔に前記親ダイを装填する、無線起爆方法。