Method and apparatus for controlled ShoSoyaku blasting of hard rock and concrete by the explosive pressure of the bottom of the drill hole

【発明の詳細な説明】 ドリル穴の底面の爆発性加圧による硬岩及びコンクリートの 制御された少装薬発破のための方法及び装置 本出願は、本明細書にその全体が参考として内含されている１９９５年８月４ 日に出願された「ドリル穴の底面の爆発性加圧による硬岩及びコンクリートの制御された少装薬発破のための方法及び装置」という表題の同時係属米国仮出願第６０／００１，９２９号からの優先権を主張するものである。 発明の分野 本発明は一般に、岩その他の材料を掘削するための少装薬発破技術に関し、具体的には塊状の硬岩及びその他の硬質材料を掘削するための少装薬発破技術における爆薬の使用に関する。 発明の背景 岩石掘削は、採鉱、採石及び土木建築業界における基本的な活動である。 岩石及びその他の硬質材料の掘削に関して、これらの業界にはまだ満たされていないいくつかの必要性が存在している。 それらの必要性としては以下のものがある。 岩石の掘削の費用低減 掘削速度の増大 安全性の改善及び安全費用の低減 掘削プロセスの精度に対するより優れた制御 都市及び環境に敏感な地域における費用有効性の高い受容可能な掘削方法。 穿孔発破方法は、最も広く利用され、最も一般的に応用可能な岩石掘削手段である。 これらの方法は、規則上の制約条件のため、数多くの都市環境には適していない。 生産採鉱においては、穿孔発破方法は根本的に生産速度が制限されるが、鉱山開発及び公共トンネル掘削においては、穿孔発破方法は、大規模な穿孔発破プロセスの周期的性質のため、根本的に制限される。 円形断面を伴う長く比較的真直ぐなトンネルを必要とする掘削のためには、トンネルボーリング機が使用される。 これらの機械は、採鉱作業ではめったに使用されない。 採鉱及び建設の利用分野では、ロードヘッダ機が用いられるが、これは中程度の硬さの非摩耗性岩石層に限られている。 機械式衝撃破砕機が現在、特大の岩石、コンクリート及び鉄筋コンクリート構造を破砕する手段として使用されている。 一般的掘削工具として、機械式衝撃破砕機は、高度の破壊度をもつ比較的弱い岩石層に制限される。 より硬い岩石層( 約１２０ＭＰａを超える一軸圧縮強度)においては、機械式衝撃破砕機の掘削有効性は、急速に降下し、工具ビットの摩耗は急速に増大する。 機械式衝撃破砕機はそれ自体では、塊状の硬岩層の中の地下切羽を掘削できない。 少装薬発破技術は、塊状硬岩層を含むすべての岩石層内で使用することができる。 少装薬発破は、多数の穴パターンを穿孔し、穴に爆発性装薬を装てんし、個々の穴各々の発破をミリ秒のタイミングで実施することが関与し数十キログラムから数千キログラムもの発破薬が使用される従来の一時的な穿孔発破作業とは異なり、任意の一回に少量の発破薬(標準的には２キログラム以下)が消費される方法を内含している。 少装薬発破には、個々に穴をシューチングすること又は同時に複数の穴をシューチングすることが関与し得る。 少装薬発破の地震サインは、 任意の１回に用いられる発破薬の量が少ないことから、比較的低い。 少装薬発破方法の一例は、「硬く、ち密な岩石及びコンクリート材料を破砕するための制御された破壊方法及び装置」という表題の米国特許第５，０９８，１ ６３号によって示される。 この特許は、燃焼室内で推進薬を燃焼させるために大砲様の装置又はガスインジェクタを用いることによって、貫入型コーン破壊(Ｐ ＣＦ)と呼ばれる特徴的な種類の破壊を誘発することにより岩石を破砕することに関するものである。 このとき、燃焼中の及び燃焼済みの推進薬は短かいバレルを下へ、そして穴の底面内へと膨張し、ここで穴の底面を加圧して破壊を誘発する。 このプロセスをここではインジェクタ方法と呼ぶ。 インジェクタ方法は、ガスインジェクタの砲口を損傷しうる水が満たされた穴において問題を呈する。 インジェクタ方法がもつもう１つの欠点は、インジェクタの内部体積を加圧するためインジェクタ内で付加的な推進薬を燃焼させる必要があるという点にある。 この付加的な推進薬は、燃焼させられた時点で、究極的に、すべて岩石破砕プロセスにおいては望まれない副産物である衝風、地盤振動及びフライロックエネルギーに対して影響を及ぼす。 以下では、穿孔、ズリ出し、運搬及び地盤支持機器が岩石破砕作業中に作用切羽にとどまることができるように、効果的にかつ速度の低いフライロックを伴って岩石を破砕するための少装薬発破の方法及び手段について記述する。 発明の概要 本発明の目的は、比較的低コストで、高い掘削速度を提供し、作業員にとって安全で、掘削プロセス中に高度の制御及び精度を提供し、都市部及び環境的に敏感な地域においても受容可能である掘削技術を提供することにある。 これらの及びその他の目的は、 （ｉ）カートリッジ及び（ii）材料中の穴の中にカートリッジを保持するための詰込め手段 を含む、塊状岩石又はコンクリートのような硬質材料を破壊するための装置である本発明により実現される。 詰込め手段の端部に隣接して位置するカートリッジは、以下のものを含む： （ｉ）詰込め手段の端部に隣接して位置づけされたカートリッジベース；及び（ii）カートリッジベースに取りつけられた外部カートリッジハウジング。 この外部カートリッジハウジングの第１の部分は爆薬を収納し、第２の部分は、穴の中のガス圧を制御するための空間を収納している。 爆薬は、爆燃中に生成される爆燃衝撃波を散逸するためカートリッジベースから一定の距離のところに位置づけられている。 標準的には、カートリッジベースは犠牲にされ、再利用不能である。 カートリッジベースから爆薬までの空間及び使い捨てカートリッジベースの使用により、詰込め手段の再利用が可能になる。 この装置は、材料破壊をひき起こすのに比較的低重量の装薬が用いられるような少装薬発破の応用分野において特に有用である。 穴の中のガス圧を制御するための空間は、穴底面内のガスの過剰加圧を防ぐ。 空間の体積は好ましくは、爆薬の体積の約２００〜約５００％の範囲内にある。 使い捨てカートリッジベースは、詰込め手段の前に減衰された爆燃衝撃波に応えて可塑変形を受けるように設計されている。 このようにして、詰込め手段への損害は阻止され、詰込め手段は再利用可能となっている。 詰込め手段よりも優先的なカートリッジベースの可塑変形は、カートリッジベースが詰込め手段よりも低い降伏強度を有することの結果である。 好ましくは、カートリッジベースの降伏強度は、詰込め手段の降伏強度の約７５％以下である。 カートリッジベースは好ましくは、約１２．５〜５０．８ｍｍ(約０.５〜約２インチ)の厚み、約５０ 〜約２５０ｍｍの直径、そして約０.１５〜約０.６０の範囲内の長さ−直径比をもつ。 材料の破壊を実質的に最適化するため、爆薬は、穴の底面に近接している。 好ましくは、穴の底面から爆薬への距離は約１５ｍｍ以下である。 外部カートリッジハウジングに高度の断片化を受けさせるため、外部カートリッジハウジングの壁厚は比較的薄い。 好ましくは、カートリッジベースから反対側の外部カートリッジハウジング端部に位置するこのハウジングの鼻部は、約０ .７５〜約４ｍｍの範囲内の厚みをもつ。 カートリッジは、好ましくは約１〜約４の範囲内の長さ対直径比を有する。 詰込め手段及びカートリッジベースは、詰込め手段の端部との関係においてカートリッジベースを心合せするための案内手段を含むことができる。 １つの実施形態においては、案内手段は、詰込め手段の地中端部及びカートリッジベースの上端部にある整合するかみ合い表面の使用によって提供される。 図面の簡単な説明 図１は、硬質の節理のない岩石層に典型的である貫入コーン型の破壊を作り出した状態で示されている、重量のある込め棒によりドリル穴の底面内に保持された爆薬入りのカートリッジを爆燃させた後の当該ＳＣＢ−ＥＸ制御式の破壊プロセスの側面断面図である。 図２は、底面近くの穴を二分する単数又は複数の既存の破壊を駆動した状態で示されている、重量のある込め棒によりドリル穴の底面内に保持された爆薬入りのカートリッジを爆燃させた後の当該ＳＣＢ−ＥＸ制御式の破壊プロセスの側面断面図である。 これは、節理のある又は破面のある岩石層に典型的なものである。 図３は、爆薬を起爆させる前のドリル穴内の込め棒及びカートリッジを示す当該ＳＣＢ−ＥＸプロセスの断面図である。 図４は、穴の底面と密に結合させるための爆薬装薬構成及びカートリッジの反動ベースプラグ設計を示す、ＳＣＢ−ＥＸカートリッジ及び込め棒手段の拡大側面断面図である。 図５は、穴底面から圧力スパイクを結合させないための爆薬装薬構成及びカートリッジの反動ベースプラグ設計を示す、ＳＣＢ−ＥＸカートリッジ及び込め棒手段の拡大側面断面図である。 図６は、爆薬装薬が穴の底面に結合しておらず、込め棒をあらゆる衝撃過渡現象から隔離するようにベースプラグ内に取りつけられている、代替的なカートリッジ構成を示す断面図である。 図７は、ドリル穴の中のテーパ付き遷移部分と整合するようテーパ付きの遷移部分を示す代替的な込め棒構成の断面図である。 図８は、カートリッジの壁が込め棒の端部近くで破断しない場合のＳＣＢ−Ｅ Ｘカートリッジの反動ベースプラグによる密封作用を示す、爆薬が爆燃させられた後の当該ＳＣＢ−ＥＸプロセスの断面図である。 図９は、カートリッジ壁が込め棒の端部近くでまさに破断したときの、バックアップシールリングによる密封作用を示す、爆薬が起爆された後の当該ＳＣＢ− ＥＸプロセスの断面図である。 図１０は、爆薬装薬が当初穴の底面に結合していない状態で、ＳＣＢ−ＥＸ方法に典型的である、岩石が破砕しない場合についての穴底面における計算された圧力ヒストリーを例示している。 図１１は、爆薬装薬が当初穴の底面に結合していない状態で、ＳＣＢ−ＥＸ方法に典型的である、岩石が破断する場合についての穴底面における計算された圧力ヒストリーを例示している。 図１２は、破壊体積が上へ開放する一方で込め棒のまわりに漏れが発生している所で岩石が破砕する場合についてのＳＣＢ−ＥＸシステム内の計算されたガス分布を例示している。 図１３は、爆薬装薬が微小破壊を増強させるために当初穴底面に接触した状態で、ＳＣＢ−ＥＸ方法に典型的である岩石が破砕しない場合についての穴底面における計算された圧力ヒストリーを例示している。 図１４は、推進薬ベースの穴中装薬方法の典型である、岩石が破砕しない場合についての穴底面における計算された圧力ヒストリーを例示している。 図１５は、推進薬ベースのガスインジェクタ方法の典型である、岩石が破砕しない場合についての穴底面における計算された圧力ヒストリーを例示している。 図１６は、破壊体積が上に開放している一方でバレルの先端を通過してガス漏れが発生する、岩石が破砕する場合についての推進薬ベースのガスインジェクタシステム内の計算されたガス分布を例示している。 図１７は、少装薬発破装置のためのブームを有する標準的なキャリヤと共に使用中の本発明を示している。 少装薬発破装置には、岩石中に短かい穴を穿孔し； 位置合せし；穴の中にＳＣＢ−ＥＸカートリッジを挿入し、ショット点火するための手段が含まれている。 図１８は、（１）ヒンジ留めブームアセンブリの端部上に順番に取りつけられている位置合せ機構上に取りつけられた少装薬発破装置の側面断面図及び(２)岩石ドリル及び少装薬発破装置を示す位置合せ機構の正面図である。 図１９は、本発明に従った装置のもう１つの実施形態を示している。 好ましい実施形態の詳細な説明 本発明には、短かい穴を穿孔すること、ドリル穴の中に爆薬装薬の入ったカートリッジを置くこと、カートリッジと接触した状態でドリル穴の中に重量のある込め棒を位置づけすること、そして爆薬を爆燃させることによって、岩石又はコンクリートのようなその他の硬質材料を破砕することが関与している。 この方法は、岩石を破砕する機械的方法又は多重穴パターン穿孔発破型の方法と異なり、少装薬発破プロセスである。 少装薬発破方法は、多重穴パターンを穿孔すること、穴に爆薬装薬を装てんすること、各々の個々の穴の発破を時間的に調節することにより爆破すること、通気及びズリ出しサイクルが関与する従来の一時的な穿孔発破作業とは異なり、岩石が小さな量(標準的には一ショットあたり約２／２〜３立方メートル)に破砕されることを意味する。 少装薬発破には、任意の一回で少量の発破薬(標準的には数キログラム以下)が消費されるすべての方法が含まれる。 少装薬発破には通常、個別に穴をシューチングすることが関与し、同時に複数の穴をシューチングすることを含むこともできる。 少装薬発破方法の地震サインは、任意の一回で使用される発破薬の量が少ないことから、比較的低い。 地下の少装薬発破には標準的に、使用される方法に応じて約０.１５〜約０.５、より好ましくは約０.１５〜約０.３、最も好ましくは約０.１５〜約０.２キログラムの発破薬を用いて、１ショットあたり約０.３ 〜約１０、より好ましくは約１〜約１０、最も好ましくは約３〜約１０の立坑口立方米の除去が関与する。 地上の少装薬発破は、標準的に使用される方法に応じて約１〜約３、より好ましくは約１〜約２.５、最も好ましくは約１〜約２キログラムの発破薬を用いて、１ショットあたり約１０〜約１００、より好ましくは約１５〜約１００、そして最も好ましくは約２０〜約１００立坑口立方米の岩石という範囲内の量の材料を除去する。 立坑口立方米というのは、現場内岩石の立方米であり、岩石切羽から移動させられたゆるんだ岩石の立方米ではない。 ショットあたりの少装薬発破薬の量は好ましくは、約０.１キログラム〜約２キログラム、より好ましくは約０.１キログラム〜１キログラム、そして最も好ましくは約０ .１キログラム〜約０.４キログラムの範囲内にある。 本発明において、ガス圧を穴底面に封じ込める主要な方法は、岩石破砕プロセス中カートリッジの反動を慣性的に制御し、最小限におさえることによって穴底面内に圧力を拘束する重量のある再利用可能な込め棒によるものである。 爆燃装薬の幾何形状を制御することにより、軟質の破面のある岩石から硬質の塊に至るまでの岩石層の中での効率のよい破砕に最も適した方法で、ドリル穴の底面に加圧することができる。 この少装薬制御式発破方法はここでは少装薬発破−爆薬(S mall-Charge Blasting-Explosive)又はＳＣＢ−ＥＸ方法と呼ぶ。 この方法は、 現行の穿孔発破方法又は機械的岩石掘削方法に比べてはるかにエネルギー効率のよい岩石の制御式破壊を誘発する。 本発明は、貫入コーン破壊(ＰＣＦ)型の岩石破壊のような穴底面の制御された破壊を誘発するための著しく異なる手段を表わす。 これは、爆燃装薬が衝撃式に穿孔された穴の底面内に直接置かれるという点で、インジェクタ方法と異なる。 これはまた、(１)非爆燃性推進薬ではなく、むしろ爆燃性爆薬が用いられる；( ２)爆薬は穴底面における微細破壊を増強するように構成され得る；(３)穴底面の圧力載荷がはるかに急速である；及び(４)カートリッジは発破薬の燃焼における役割を果たしていない、という点で、穴内装薬方法(すなわち本明細書に参考として内含されている米国特許第５，３０８，１４９号に記述されているもの) とは異なっている。 しかしながら、これは、岩石が効率よく破砕され、結果として得られるフライロックはきわめて温和であることから岩石破砕中に作用切羽に機器が残り得るという点で、インジェクタ及び穴中装薬方法の利点を保持するか又はそれを改善する。 破砕のメカニズム岩石が広範な節理をもたない高強度で塊状のものである場合、この制御された破壊は、貫入コーン破壊(ＰＣＦ)と呼ばれる岩石内の一種の一次的破壊という形で現われる可能性がある。 ＳＣＢ−ＥＸ方法によるＰＣＦ岩石破壊の基本的特徴が図１に例示されている。 ＰＣＦ破砕は、短かく急速に加圧されたドリル穴の底面の角部からの軸対称破壊の開始及び伝播に基づいている。 このような破壊は当初、岩石内へ下向きに伝播し、次に表面効果が重大になるにつれて自由表面の方に方向転換し、その結果大量の岩石が除去される。 岩石内への破壊の初期進入により岩石切羽上に残された残留コーンが、この種の破壊に対して与えられた名前(貫入コーン破壊又はＰＣＦ)の基になっている。 岩石が、図２に示されているように、加圧された穴底面を２分する節理又はその他の既存の破壊を含む場合、制御された破壊は一次破壊としてのこれらの開放及び拡張によって現われる。 いずれの場合でも、岩石破壊は、ドリル穴の底面のみを適切に加圧することによってひき起こされる制御された破壊をその特徴としている。 ドリル穴 ＳＣＢ−ＥＸ方法は、一定の直径のドリル穴又は段付きドリル穴のいずれかで使用できる。 段付きドリル穴の場合、穴底面は、穴の上部よりもわずかに小さな直径で穿孔される。 これは、パイロットビットと次に続くリーマビットによって達成できる。 より小さい直径のパイロット穴の長さは、ＳＣＢ−ＥＸカートリッジよりもわずかに長い。 段付き穴の主たる目的は、込め棒でカートリッジを挿入するのをより容易にするために込め棒とドリル穴の壁の間に付加的なすき間を提供することにある。 同様に、段付き穴によって、ドリル穴と込め棒の心合せがさほど重要でないことから、定直径のドリル穴の場合よりも密な許容誤差でのはめ合いでカートリッジを挿入することが可能になる。 ドリル穴の底面の質は、特により硬質でより塊状の岩石層においては、ＳＣＢ −ＥＸプロセスの重要な特長である。 穴底面についての必要条件は、鋭い角部と数多くの微細破面である。 これは、鋭い角部をもつドリルビットにより穴を衝撃式に穿孔することによって最もうまく達成できる。 穴の底面における角部は、既存の破壊がない状態で一次破壊が開始されることになる場所である。 穴がひとたび加圧されると、穴のまわりの岩石の中で応力の場が発達し、最大張力ラインは、穴の底面の角部から下向き４５度の方向に走行する。 角部が鋭くなればなるほど応力集中度は高くなり、一次破壊が穴底面の角部で開始され易くなる。 穴底面での微細破壊はまた、一次破壊が開始されることになる場所のまわりの岩石を脆弱化させることにより既存の破壊がない場合に一次破壊の開始を促進する。 微細破壊は、穴の底面の角部を切り欠きするのとほぼ同じ位有効であることがわかっている。 衝撃式ドリルで穴を穿孔することにより、少なくとも軟質から中程度に硬質の岩石層の中で、穴底面における充分に高度の微細破壊をひき起こし、微細破壊は、穴穿孔サイクルの完了近くで岩石ドリルのブローエネルギーを増大させることによって増強されるように思われる、ということが観察されてきた。 ＳＣＢ−ＥＸ方法のための(穴底面における直径としてとられた)ドリル穴の直径は、好ましくは約５０ｍｍ〜２５０ｍｍ、より好ましくは約５０ｍｍ〜１２５ ｍｍ、そして最も好ましくは約７５ｍｍ〜１００ｍｍの範囲内にある。 ＳＣＢ−ＥＸ方法のためのドリル穴の長さ−直径比(直径は穴底面における直径としてとられる)は、好ましくは約４〜２０、より好ましくは約５〜１５、最も好ましくは約５〜１２の範囲内にある。 ドリル穴が段付きである場合、大きいリーマ仕上げ穴対小さいパイロット穴の直径比は、約１.１〜１.５、より好ましくは約１.１５〜１.４、最も好ましくは約１.１５〜１.２５の範囲内にある。 爆薬装薬の構成 ＳＣＢ−ＥＸシステムの基本的構成は、図３に示されており、ここには、短かいドリル穴、穴の底面内の爆薬装薬の入ったカートリッジ、及び岩石が断片化されるまで爆薬を爆燃させることによって生成される高圧ガスを封じ込めるための込め棒、が例示されている。 図３のような爆薬装薬は、地中体積内に望ましい平均圧力を結果としてもたらすようなエネルギー放出を与えるように設計されている。 この平均的又は平衡圧力は、以下の式から計算できる： Ｐ＝（γ−１）ρｅ｛１＋ρη｝ 式中、Ｐ＝平均ガス圧 γ＝爆発生成ガスの比熱比 ρ＝平均ガス密度 ｅ＝単位質量あたりのガスエネルギー π＝爆発生成ガスのための共通体積係数。 ＳＣＢ−ＥＸ方法のための爆発性装薬質量は、利用分野に応じて変動する。 地下掘削においては、爆薬装薬質量は、好ましくは約０.１５〜約０.５、より好ましくは約０.１５〜約０.３、最も好ましくは約０.１５〜約０.２キログラムの発破薬の範囲内にある。 地上掘削においては、爆薬装薬質量は好ましくは、約１〜 約３、より好ましくは約１〜約２.５、そして最も好ましくは約１〜約２キログラムの発破薬の範囲内にある。 密結合型又は非結合型のいずれのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成についても、等式 Ｐ ＝（γ−１）ρｅ（１＋ρη）に基づいて込め棒反動、ガス漏れ又は破壊発生がない状態で穴底面内で利用可能な体積内で発達した平均又は平衡圧力は、好ましくは、約１００ＭＰａ〜１２００ＭＰａ、より好ましくは約２００ＭＰａ〜１０ ００ＭＰａ、そして最も好ましくは約２００ＭＰａ〜７５０ＭＰａの範囲内にある。 当該方法においては、爆薬装薬は、図４に示されているように強衝撃スパイクを穴底面に向けるように構成することができる。 強衝撃スパイクは、強い衝撃とその直後に続く地震波がスパイクの影響を受けた岩石の体積を横断するのに必要とされる時間に比べて短かい時間中に圧力の上昇降下が発生するような鋭い疎密波で構成されている。 強衝撃スパイクは、強い衝撃とその直後に続く地震波がスパイクの影響を受けた岩石の体積を横断するのに必要とされる時間に比べて短かい時間中に圧力の危険及び降下が発生するような鋭い疎密波で構成されている。 爆薬装薬が穴底面に密結合されている場合、強衝撃スパイクは穴底面において岩石内に打ち込まれ、岩石の圧縮強度を実質的に超過するにつれて付加的な微細破壊が誘発される。 微細破壊の増大は、一次破壊システムのより容易な開始を促進する。 この能力は、ドリルのブローエネルギーが制限されている非常に硬質の塊状岩石層においては決定的なものであることを立証する可能性がある。 爆薬装薬は、主破壊を開始させることが望まれる穴底面の角部近くでのみ微細破壊を作り出すため、穴底面の角部の領域のまわりでのみ直接結合するように構成されることができる。 穴底面に対する爆薬装薬の密結合のためのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成においては、 穴底面において測定される衝撃スパイクの振幅は、好ましくは約１５００ＭＰａ 〜５０００ＭＰａ、より好ましくは約２０００ＭＰａ〜４５００ＭＰａ、そして最も好ましくは約２５００ＭＰａ〜３５００ＭＰａの範囲内にある。 強衝撃スパイスは、図５に示されているように爆薬装薬の端部と穴底面の間に空隙を導入することによって減少させるか又は削除することができる。 これは、 強衝撃成分を全く伴わないガスの生成のみが望まれる、より軟質で高度に破壊された岩石層の中では望ましい可能性がある。 ドリル穴の底面を衝撃する衝撃スパイクの強度は、爆薬装薬の端部と穴底面の間の空隙サイズによって制御できる。 穴底面に結合されていない爆薬装薬のためのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成においては、穴の底面から爆薬装薬の底面を分離する空隙の長さは、好ましくは約１９ｍｍ 〜６０ｍｍ、より好ましくは約１０ｍｍ〜５０ｍｍ、最も好ましくは約４０ｍｍ 以下の範囲内にある。 穴底面に結合されていない爆薬装薬のためのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成においては、穴底面において測定された衝撃スパイクの振幅は、約６００ＭＰａ〜２０００ ＭＰａ、より好ましくは約６００ＭＰａ〜１５００ＭＰａ、最も好ましくは約６ ００ＭＰａ〜１０００ＭＰａの範囲内にある。 硬岩又はそれに匹敵する材料の制御された破壊を適切に実施するために必要とされる１００ＭＰａ〜１０００ＭＰａの範囲の高い圧力のため、いくつかの革新的な設計及び応用概念を実現する必要があったのであり、それが本発明の主題となっている。 ＳＣＢ−ＥＸ爆薬カートリッジ内で発生し、穴底面に加えられる圧力は、爆薬装薬が実質的にドリル穴を満たし、ドリル穴の壁と接触し、ドリル穴に隣接して爆薬の最大爆燃圧力に岩石を露呈する従来の穿孔発破において生成される圧力よりも小さい。 制御された破壊の発生には充分であるが、カートリッジを破断させる圧力よりは低いガス圧を、このようにして制御された方法で達成できる。 したがって、発生した圧力は、込め棒の端部を変形又は損傷する可能性のある圧力よりも低く、しかも穴のまわりの岩石を圧砕する可能性のある圧力よりも低く維持される。 ただし、ＳＣＢ−ＥＸプロセスの中で生成される圧力は制御されており、穴底面近くの岩石壁は、高性能ガンの砲尾で発生するものに匹敵する圧力にさらされる。 ＳＣＢ−ＥＸ カートリッジカートリッジの主要な機能は、（１）ドリル穴への挿入中に爆薬装薬を保護すること；（２）穴底面に発生した圧力を制御するため必要な内部体積を提供すること；（３）湿潤ドリル穴の中の水から爆薬装薬を保護すること；及び(４)爆薬装薬からのあらゆる強衝撃過渡現象からの隔離を込め棒に提供すること、にある。ベースプラグに隣接するカートリッジの壁は、破断なくドリル穴壁まで膨張し、このようにして高圧の爆発生成ガスが穴の壁上又は穴の壁に沿ったあらゆる破面(自然の又は誘発された)の中で直接作用するのを防ぐように設計されていてよい。爆発生成ガスのこの封じ込めは、穴の底面に発生した応力集中に由来する貫入コーン破壊のような望ましい制御式破壊を形成し、加圧するために優先的にガスが作用するように、ガス圧を維持する。高温ガスが鋼製棒のまわりで穴を上昇して漏出しないようにすることが重要である。このようなガスの漏出は、望ましいＳＣＢ−ＥＸ制御式破壊に利用可能なガスの圧力及び体積の両方を少量だけ低減させる可能性がある。また、漏出するガスは、対流式熱伝達壊食プロセスにより、込め棒を損傷する可能性がある。上述のとおり、再利用可能な込め棒を通過してのガスの漏出は、棒と穴の壁の間に小さなすき間をもたせることによって減少させることができる。有限差分コードを用いた計算によると、直径７６ｍｍ のドリル穴の中の０.３８ｍｍ未満の環状のすき間が、高圧ガスの漏出を適切に最小限にする。図４及び５に示されているように、カートリッジ内に滑動する円錐形ベースプラグを含むことにより、付加的なカートリッジの無欠性が得られる。これらの実施形態では、カートリッジは、円筒形の外部と円錐形の内部を伴うテーパがかった壁区分及びカートリッジの円錐形内壁の内側を移動できる、かみ合う円錐形状の基底密封プラグを含む。込め棒がガスの圧力により穴から外に反動するにつれて、基底プラグは追従し、このようにして制御された穴底面破壊プロセスを完了するのに充分に長い時間、爆発生成ガスに対するシールを維持することができる。穴底面内に圧力が発生し、岩石の断片化が完全である時間中に発生する反動量は、好ましくは約５ｍｍ〜５０ｍｍ、より好ましくは約１０ｍｍ〜４０ｍｍ、そして最も好ましくは約１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲である。反動量は、主として込め棒システムの慣性質量及び穴底面内で発生した圧力ヒストリーにより制御される。密結合又は非結合のいずれのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成についても、反動の間にベースが中で移動し得るカートリッジ本体の壁とカートリッジベースの間の角度は、好ましくは約１度〜１０度、より好ましくは約２度〜８度、そして最も好ましくは約３度から約６度の範囲である。カートリッジの壁は、穴底面又はその近くにおいて薄い。これは、ドリル穴の中にカートリッジを挿入するプロセスに耐えるのに充分な厚みを有していなくてはならない。しかしながら、これは、穴底面の角部で開始した破壊をふさぐほどに大きい断片を残すように爆薬装薬が爆燃された時点で断片化するよう充分薄いものでなくてはならない。密結合又は非結合型のいずれのＳＣＢ−ＥＸ装薬構成についても、穴底面に隣接する外部カートリッジハウジング壁の厚みは、好ましくは約０.７５ｍｍ〜５ｍｍ、より好ましくは約０.７５ｍｍ〜４ｍｍそして最も好ましくは約０.７５ｍｍ〜３ｍｍの範囲である。カートリッジの底面内に、爆薬が爆燃したときにそれが確実に断片化するように切欠きを設計することが望ましいかもしれない。図４及び第５に示されているような爆薬装薬は、カートリッジの壁の影響が感じられる前に爆燃され消費される。したがって、カートリッジの設計は、その他の要因によって決定されるが、爆薬装薬の爆発的燃焼の何らかの考慮によって決定されるものではない。これは、非爆燃性推進薬が用いられる方法と対比される。これらの方法の中のカートリッジは、望まれる圧力まで推進薬が適切に燃焼できるようにするため幾分かの初期封じ込めを提供するように設計されなくてはならず、このようにしてカートリッジに対する付加的な設計必要条件が加えられる。図４は、込め棒の地中端部；カートリッジの壁の中を滑動できるテーパ付きベースプラグ；穴底面に密結合された爆薬装薬；爆発生成物の長期平均圧力を制御するための内部リリーフ体積；及びカートリッジ壁がベースプラグ近くで破断した場合のバックアップ金属シールリングを含むＳＣＢ−ＥＸカートリッジの幾何形状を示す。図５は、込め棒の地中端部、カートリッジの壁の中を滑動できるテーパ付きベースプラグ；穴底面に結合されていない爆薬装薬；爆発生成物の長期平均圧力を制御するための内部リリーフ体積；及びカートリッジ壁がベースプラグ近くで破断した場合のバックアップ金属シールリングを含むＳＣＢ−ＥＸカートリッジの幾何形状を示す。図６は、込め棒の地中端部；カートリッジの壁の中を滑動できるテーパ付きベースプラグ；穴底面に密結合されているが込め棒を強衝撃過渡現象から隔離するためベースプラグに結合されていない爆薬装薬；爆発生成物の長期平均圧力を制御するための内部リリーフ体積；及びカートリッジ壁がベースプラグ近くで破断した場合のバックアップ金属シールリングを含むＳＣＢ−ＥＸカートリッジの幾何形状を示す。 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、１回のショットで破壊され得る。込め棒の端部は、推進薬に駆動されたガンの内部で生成されるものに類似した制御された圧力パルスにさらされ、例えば使い捨てのテーパーのついたベースプラグ及びカートリッジベースの下端部と爆薬の上端部の間の空隙の衝撃隔離などによって保護されている場合、多数の点火にわたって損傷を受ける確率が低い。時としてカートリッジに隣接する込め棒の端部が損傷を受ける場合でさえ、損傷を受ける端部を交換又は修理するのは比較的簡単でかつ低コストの作業である。カートリッジは、数多くの方法で穴の中に挿入され得る。カートリッジは、長いロッド又は棒により機械式にか、又は可とう管を挿入しカートリッジを約１／ １０バールの差圧で圧縮空気システムにより穴の底面に吹き込むことによって空気圧式に挿入できる。また、カートリッジは、込め棒自体にカートリッジを取りつけることによって直接挿入することもできる。 詰込めと密封ガス圧を、制御された破壊の開放によって放出されるまで穴底面に封じ込めておく主な方法は、込め棒とドリル穴壁の間の小さな漏れ通路を除いてドリル穴を上昇するガスの流れを遮断する重量のある慣性込め棒によるものである。これは、込め棒の２つの変形形態を示す図６及び図７に例示されている。点火位置にあるドリル穴の壁から込め棒の地中端部を分離している環状空隙の幅は、好ましくは約０.１ｍｍ〜０.５ｍｍ、より好ましくは約０.１ｍｍ〜０.３ ｍｍ、最も好ましくは約０.１ｍｍ〜０.２ｍｍの範囲である。この小さな漏洩はさらに、爆薬封じ込めカートリッジ及び込め棒の設計特性によって減少させることができる。カートリッジは、込め棒に近づくほど厚くなるテーパ付きの壁及び、込め棒が反動するにつれてカートリッジ壁内で滑動し得る同様にテーパーが付いたベースプラグを伴って設計されていてもよい。この種の密封メカニズムは、早すぎるカートリッジ破断及び爆発により生成されたガスの漏出の可能性を減少させることができる。込め棒上の密封メカニズムは同様に、 穴底面の近くにより優れた又は完全な密封を得るためにも使用することができる。穴底面への高圧ガスの封じ込めは、カートリッジの反動による移動を最小限にする込め棒の慣性、破断なしのドリル穴の壁に対するカートリッジの膨張、及び制御された破壊を開始し、伝播させ完了させるのにかかる短い時間中に棒を通っての高圧ガスの漏出をほぼなくする込め棒の端部と穴の壁の間の小さなすき間の適切な相互作用によって実現される。図６に例示されている込め棒の先端部(図４及び５にも示されているものと同じ)は、ＳＣＢ−ＥＸカートリッジの圧壊を避けるため段付きドリル穴の急な段上に位置するように設計されている。図７に例示されている込め棒の先端部は、 ドリル穴のより大きい直径の上部部分とドリル穴のより小さな直径の下部部分の間の平滑な遷移区分上に位置するように設計されている。この種類のドリル穴は、特殊なドリルビットアセンブリによって形成され得る。込め棒は、ドリル穴の中に挿入され、テーパ付きの区分はドリル穴のテーパ付き区分上に収まって、穴底面内に生成されることになる高圧ガスのための当初密であるシールを形成する。高圧ガスは、込め棒を反動させ、したがって、込め棒のテーパ付き区分とドリル穴のテーパ付き区分の間の空隙を上に開放する。ドリル穴のテーパ付き区分は、図４、５及び６に示されているような鋭く段のついたドリル穴に比べ、岩石内のチッピング及び欠陥に対してそれほど敏感でなく、したがって、空隙の発生及び高圧ガスの漏出をよりよく制御することができる。込め棒の地中端部はドリル穴の断面の大部分を満たすことから、これは、推進薬装薬により生成されるガス圧の適切な密封を提供する。推進薬が適切に起爆され、そのピーク設計圧力まで急速に燃焼した時点で、推進薬ガスのわずかな分画のみが込め棒とドリル穴壁の間の空隙を上へと漏出する。この残留ガス漏れは、 穴底面内の圧力を重大に劣化させることはないが、多数のショットを経て、込め棒に損傷をひきおこす可能性がある。カートリッジベース又は込め棒の地中端部内への高圧ガスの密封機構の設計は、爆発生成ガスの残留漏れを低減又は削除することができる。上述のように、装薬カートリッジにより提供される密封及びガス封じ込めに加えて又はこれに対する代替案として、密封は、込め棒のカートリッジ端部で提供することができる。 Ｖシール、Ｏリング、無補強部域シール、くさびシールなどのようないくつかの密封技術のいずれでも利用することができる。シールは、カートリッジが点火される毎に交換することもできるし、あるいはまた、好ましくはシールを再利用可能にすることもできる。込め棒のみによって一次的密封機構が提供される場合、カートリッジの設計を著しく単純にすることもできる。例えば図５に示されているように、より大きい直径の上部部分区分を持つ段付きドリル穴を穿孔することにより、このような小さいすき間を伴って穴の中にＳ ＣＢ−ＥＸカートリッジ及び込め棒を容易に挿入することができる。カートリッジ内の推進薬を発火させる直前に穴底面に向かって込め棒を加速することにより、穴の密封を補助し、装置の重量を減少させることができる。込め棒は、ＳＣＢ−ＥＸ装置のためのブーム又はキャリヤを移動させるために用いられる油圧式又は空気圧式動力源によってか、又は利用可能なその他のあらゆる手段によって加速され得る。込め棒は、推進薬を燃焼させることにより誘発される逆方向の反動速度に匹敵する穴底面に向かう速度まで加速される。これらの速度は１秒あたり約１．５２４〜１５．２４ｍ(約５〜５０フィート)である。点火前加速は、穴直径のおよそ３分の１の短かい距離(７．５ｃｍ(３インチ)の直径の穴の中で２．５４ｃｍ(１インチ)以下)以内で望ましい速度を達成するのに充分なものでなくてはならない。この技術は、「バッテリ外点火」と呼ばれ、時には大型ガンの作動において反動力を低減させるために利用される。 ＳＣＢ−ＥＸ装置の反動速度は穴密封プロセスにおいて重要な役割を果たすことから、反動速度を最小限にすることが望ましい。バッテリ外点火技術は、これを達成できる。あるいはまた、反動速度が許容可能なものである場合、この技術は反動質量を低減させるために利用できる。 ＳＣＢ−ＥＸ方法においては、ＳＣ Ｂ−ＥＸ装置は、反動質量の大部分として役立ち、したがって装置の重量を低減させることが可能である。キャリヤ及びブームは、ドリル及びＳＣＢ−ＥＸ装置に付随するより小さな重量でより効率よく作動できることから、重量の低減は重要な最終目的である。バッテリ外点火技術は、密封が爆薬カートリッジにより提供されるとき、密封作業を補助するためにも使用可能である。カートリッジにより提供されるシールは通常、込め棒が穴から外へ反動するにつれてカートリッジのベースが破断しカートリッジ本体から分離した時点で破砕される。 （カートリッジの本体は、高圧爆発生成ガスによってドリル穴の壁に保持され、穴との関係において移動できない）。バッテリ外点火により、込め棒の反動速度を低下させることができ、また、込め棒の穴外移動を遅延させることができ、このように、穴底面に作用し、望ましい制御型破壊を完了するまで駆動するためはるかに多くの時間が高圧爆発生成物に与えられることになる。 その他の少装薬方法との性能比較図３、８及び９はＳＣＢ−ＥＸプロセスを例示している。図３は、爆薬で爆燃させる前のシステムを示している。カートリッジの後部の挙動について２つの可能性が想定される。図８に示された第１の場合においては、テーパ付きのベースプラグが込め棒と共に反動し、カートリッジの壁はガス圧によりドリル穴の壁に対して保持される。この場合、カートリッジの後部からの爆発生成ガスの漏出は全くない。カートリッジの前方端部は断片化され、穴底面は最高ガス圧にさらされる。図９に示されている第２の場合では、ベースプラグ近くのカートリッジの壁は破断された。高圧ガスは、壁材料及び鋼製バックアップリングの一部を込め棒とドリル穴の壁の間の空隙の中に押し込み、込め棒を通してのさらなるガス漏れをことごとく密封している。この場合、穴底面近くのドリル穴の壁は、高圧ガスにさらされており、このことは、数多くの既存の破面を持つ岩石層においては有利であり得る。そうでなければ、システムの作動は図８と同じである。図１０は、有限差分コンピュータコードを用いて計算された穴底面内の圧力ヒストリーを例示している。このコードは、カートリッジ内の爆燃用爆薬、込め棒の反動、込め棒を通過してのガス漏洩及び標準的破壊体積の推移をモデリングしている。図１０は、穴が深く穿孔されすぎた場合に起こるように、岩石が破壊しない場合についての穴底面圧力を示す。計算には、込め棒の反動、及び込め棒を通過しての幾分かのガス漏洩が含まれている。計算は、直径８９ｍｍのドリル穴の底面から当初結合されていない２００グラムのＴＮＴ爆薬について行なわれた。穴底面から装薬を分離する初期の３０ｍｍ の空隙を横断して急速に膨張する爆発生成物により穴底面内に駆動される中程度の衝撃スパイクが存在する。穴底面における圧力はＴＮＴの起爆から２５ミリ秒以内に始まり、利用可能な小さな体積の中で急速に振動する。込め棒の反動及びガス漏出は、平均圧力を経時的に減衰させる。図１１は、岩石が破壊するときの、結合されていない装薬の場合についての穴底面圧力を示す。計算には、込め棒の反動、込め棒を通過しての幾分かのガス漏洩及び穴底面での破壊体積の上方開放が含まれる。図１０の圧力ヒストリーと比べると、穴底面内の圧力は、高圧ガスが流れ込む進展する破壊体積のため、圧力ヒストリーの後の部分でさらに急速に減衰する。図１２は、岩石が破砕する場合についてのガス分布ヒストリーを示す。分布は、カートリッジ体積内に残っているガス、（密封作用が不完全であると仮定して）カートリッジのベースから漏洩したガス、そして穴底面及び岩石破面の中に射出されたガスを追跡している。この計算においては、カートリッジのベースは、 ２.５ｍｍの反動の後破断したと仮定され、ガスは、込め棒とドリル穴の壁の間の空隙から漏れ出す。 ４ミリ秒の後、もとのカートリッジ体積内には４５グラムのガスが残り、１８グラムが込め棒を通って漏洩し、１３７グラムが穴底面及び発達する破面の中に射出された。 ４ミリ秒後、１メートルにわたり破壊が伝播し、岩石は有効に掘削された。ガス漏洩の観点からみると、これは、込め棒とドリル穴の壁の間の空隙が広く開いていて何らかのカートリッジ材料又はバックアップ金属シールリングによって遮断されていないと仮定されていることから、最悪な場合の状況である。図１３は、岩石が破砕したときの、結合された装薬の場合についての、穴底面圧力を示している。これは、穴底面内に打ち込まれたはるかに強い衝撃スパイクを例示している。このパルスに付随するエネルギーはほとんどないが、その効果は、穴底面に微小破面を作り出すことにある。この場合の初期衝撃スパイクは、 図１１に描かれている場合に比べはるがに多い微小破壊を作り出すと予想される。図１４は、「硬質の、ち密な岩石及びコンクリートの制御された断片化のための非爆発性ドリル穴加圧方法及び装置」という表題の米国特許第５，３０８，１ ４９号において実施されているような推進薬ベースの穴中装薬システムの場合についての穴底面圧力ヒストリーを示す。計算は、前述のＳＣＢ−ＥＸ計算のために使用されているものと同じ穴体積内の２５０グラムの高速燃焼推進薬について行なわれた。この圧力ヒストリーは、岩石が破砕せず、棒の反動及びガス漏洩が平均圧力を経時的に減衰させる図１０に示されるＳＣＢ−ＥＸ圧力ヒストリーと直接比較することができる。主要な差異は、圧力が強まる速度が比較的緩慢である点及び推進薬の例の中に強衝撃スパイクが全く存在しない点にある。推進薬の場合では、破壊が開始するしきい値まで圧力が強まる前に込め棒の実質的により多くの反動が存在する。図１５は、「硬質の、ち密な岩石及びコンクリート材料を破砕するための制御型破壊方法及び装置」という表題の米国特許第５，０９８，１６３号において実施されているような推進薬ベースのインジェクタシステムの場合についての穴底面圧力ヒストリーを示す。計算は、ガスインジェクタの燃焼室内の３８０グラムの高速燃焼推進薬について行なわれた。前述のＳＣＢ−ＥＸ計算について使用されたものと同じ底面穴体積が使用される。この圧力ヒストリーは、岩石が破砕せず、棒の反動及びガス漏洩が平均圧力を経時的に減衰させる図１０に示されるＳ ＣＢ−ＥＸ圧力ヒストリーと直接比較できる。主な差異は、穴底面内に射出されたガスがガスインジェクターのバレルを後ろ上方へブローし、岩石が破砕しない場合でさえ穴底面において急速な圧力損失をひき起こすという点にある。インジェクタ方法においては、燃焼室内に発達した推進薬ガスは、インジェクタバレルを下向きに膨張してドリル穴の底面に到達しなければならない。高速ガスが穴の底面に遭遇した時点で運動エネルギーは急激に内部エネルギー変換し戻され、ガス圧力は急激に上昇する。圧力波は、実際に、穴底面内の圧力維持に対する「主要な漏れ」を表わすインジェクタ内へ反射する。推進薬の例には、強衝撃スパイクも全く欠如している。図１６は、岩石が破砕するインジェクタの場合についてのガス分布ヒストリーを示す。分布は、ガスインジェクタ体積内に残っているガス、バレルの砲口でシールを通って穴底面から漏れるガス、及び穴底面及び岩石破面内に射出されたガスを追跡する。穴底面上で４ミリ秒の圧力の後、ガスインジェクタ体積内に１４ ５グラムのガスが残り、６１グラムが穴体積から外に漏れ出し、１７４グラムが穴底面及び発達する破面内に射出された。この時点までに、破壊は地表まで伝播し、岩石は有効に断片化されていた。主たる観察事実は、最初の３８０グラムの推進薬ガスのうち１４５グラムが、岩石断片化の完了後にガスインジェクタ内に残っているということである。このガスは次にガスインジェクタから完全に排出されなくてはならず、雑音及びフライロック付勢の主たる源泉である。岩石が破壊しない場合におけるドリル穴の底面での統合された圧力ヒストリー（インパルス）を評価することによって、インジェクタ、ＣＩＨ及びＳＣＢ−Ｈ Ｅ方法の優れた比較を行なうことができる。この比較には、込め棒(質量７７２ キログラム)の反動及びガス漏洩が含まれるが、破壊体積の評価は全く許容されていない。インパルスは、同じ時間(約４ミリ秒)、穴底面上に作用する圧力について計算されている。 結果は表１に示されている。 ＣＩＨ及びＳＣＢ−ＨＥ方法がほぼ同じインパルスを穴底面に送り出し、比較できる量のガスを漏洩させるということがわかる。 ＳＣＢ−ＨＥプロセスは、まず最初に推進薬生成物(γ＝１. ２２)と比較した爆薬生成物(γ＝１.３)の比熱の比率がさらに高いことの結果として、５０グラム少ない装薬でこれを達成する。インジェクタ方法は、実質的により大きな装薬質量で著しく少ないインパルスを送り出す。今回は岩石が破壊し破壊体積を発展させるのを許容して、計算をくり返し行なった。結果は表２に示されている。ここで使用されている破壊体積モデルは、破壊開始しきい値をひとたび超えた時点で破壊が定速度(３５０ｍ／秒)で伝播するという仮定を行なっている。したがって、破壊は、圧力が加えられてから４ミリ秒で約１.２５メートル伝播し、これは岩石断片化プロセスを完了するのに充分であるとみなされている。岩石破壊に対しＳＣＢ−ＨＥ方法で生成される衝撃スパイクが及ぼす効果は、 計算に含まれていない。しかしながら、ＨＥ結合された場合におけるこの衝撃スパイクのピーク振幅及び短かい持続時間は、穴底面のすぐ下の領域内で実質的な微小破壊を誘発するのに適切な範囲内にある。 特長 ＳＣＢ−ＥＸ方法の主たる特長は以下のようなものである： １．硬岩を破砕するのに充分高い圧力で穴底面のみを加圧すること。 ２．エネルギー源としての爆燃性爆薬の制御された使用。 ３．岩石が破砕するまでの穴底面の動的密封手段。 ４．穴底面のみで微小破壊を作り出す手段。少装薬制御式破壊方法の主要な特長は、穿孔、ズリ出し、地盤支持及び運搬機器が岩石破砕作業中に作用切羽にとどまることができるほどフライロックの性質が穏やかなことにある。この方法及び装置の第２の主たる特長は、乾燥穴又は水が満たされた穴のいずれでもこれらを使用できるという点にある。 ＳＣＢ−ＥＸプロセスの重要な特長は、主な粉塵発生源である圧砕された岩石の除去にある。余分な粉塵はその制御に付加的な機器と時間を必要とし、ある種の掘削作業においては、安全性を脅すものである二次的爆発を導く。図３に示されている構成においては、直接的爆燃圧力にさらされるドリル穴の唯一の部分は、穴の全表面積のうちの小さい部分を占めているにすぎない穴の底面自体である。 システムの構成要素 ＳＣＢ−ＥＸシステムの基本的構成要素は以下のとおりである。 ■ ブームアセンブリ及びキャリヤ■ ブームアセンブリ上に取りつけられたドリル■ カートリッジマガジン及び装てん用機構■ 込め棒及び爆薬発火機構■ カートリッジ及び雷管■ 主要爆薬装薬 ＳＣＢ−ＥＸ掘削システムの基本的構成要素は、図１７に概略的に示されている。以下の段階では、さまざまな構成要素の構想上の特徴について記述する。 ブームアセンブリとアンダキャリヤキャリヤは、単数又は複数のブームアセンブリを取りつけるためのあらゆる標準的な採鉱又は建設用キャリヤ又は特殊設計のキャリヤであってよい。立坑掘下げ、採掘場採鉱、狭幅鉱脈採鉱及び塹壕掘削、戦闘位置建設及び取壊し装薬設置といったような軍事作業のための特殊なキャリヤを構築することも可能である。ブームアセンブリは、あらゆる標準的採鉱又は建設用ヒンジ留め式ブーム又は改良型又は特別注文のブームで構成されていてよい。ブームアセンブリの機能は、ドリル及びＳＣＢ−ＥＸ装置を望ましい場所に方向づけし位置設定することにある。ブームアセンブリは、インデクサアセンブリを取付けるためにも使用できる。インデクサは、削岩機及びＳＣＢ−ＥＸ込め棒アセンブリの両方を保持し、 削岩機及びＳＣＢ−ＥＸ詰込めアセンブリの両方と心合せされた１本の軸を中心にして回転する。削岩機が、岩石切羽内に短かい穴を穿孔した後、インデクサは、ドリル穴の中に直ちに挿入できるよう込め棒アセンブリを心合せするために回転させられる。インデクサアセンブリは、削岩機及び込め棒アセンブリのための別々のブームの必要性を取り除く。ブーム及びインデクサの質量は同様に、ドリル及びＳＣＢ−ＥＸ装置のための反動質量及び安定性を提供するのにも役立つ。削岩機 ドリルは、ドリルモータ、ドリル鋼及びドリルビットで構成され、ドリルモータは空気圧又は油圧式に動力供給されていてよい。好ましいドリルタイプは、衝撃式ドリルであるが、これは衝撃式ドリルがドリル穴の底面で、貫入コーン破壊の開始点として作用する微小破壊を作り出すからである。回転式のダイヤモンド又はその他の機械的ドリルも同様に使用可能である。これらの場合では、穴の底面は、ＰＣＦタイプの破壊を促進するため特別に条件を設ける必要があるかもしれない。標準的ドリル鋼を使用することができ、ＳＣＢ−ＥＸ方法の短かい穴の必要条件を満たすために、これらを短縮することが可能である。穴を穿孔するには、標準的な採鉱又は建設用ドリルビットを用いることができる。微小破壊を増強する衝撃式ドリルビットを開発することが可能である。ドリル穴のサイズは、直径が２．５４ｃｍ(１インチ)から５０．８ｃｍ(２０インチ) までの範囲であってよく、深さは標準的には穴の直径の３〜１５倍である。込め棒アセンブリをより容易に挿入するように段付き穴を形成するためのドリルビットは、削岩機ビットのメーカーが提供する標準的ビット構成である、わずかに大きい直径をもつリーマビットを伴うパイロットビットで構成されていてよい。込め棒アセンブリをより容易に挿入するためテーパ付きの遷移部分穴を形成するためのドリルビットは、わずかに大きい直径のリーマビットを伴うパイロットビットで構成されていてよい。リーマとパイロットは、より大きなリーマ仕上げ穴からより小さなパイロット穴までのテーパのついた遷移部分を提供するように特別設計されていてもよい。リーマ仕上げ穴からパイロット穴までの遷移部分にテーパが付いている込め棒構成については、込め棒のテーパ付き区分の角度は、好ましくは約１０〜４５度、より好ましくは約１５〜４０度、そして最も好ましくは約１５〜３０度の範囲である。 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジマガジン及び装てん用機構 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、自動装てん式ガンのための弾薬マガジンの方法でマガジン内に保管される。装てん用機構は、カートリッジをマガジンから引出しドリル穴の中にそれを挿入する標準的な機械式装置である。以下で記述する込め棒は、ドリル穴の中にカートリッジを挿入するための装てん用機構のサブコンポーネントとして使用できる。装てん用機構は、１０秒以上、より標準的には３０秒以上の時間でマガジンからドリル穴までカートリッジを循環させる必要がある。これは、近代的な高点火速度のガン自動装てん装置に比べて低速であり、したがって、ＳＣＢ−ＥＸ爆薬カートリッジ上の高加速度負荷はこれに関与しない。軍事用自動装てん技術又は産業用ボトル容器取扱いシステムの変形形態も使用可能である。逐次的な少装薬発破ショットの間の平均的時間は、好ましくは約０.５分〜１ ０分、より好ましくは約１分〜６分、そして最も好ましくは約１分〜３分の範囲である。上述のショット循環時間より短かい時間でマガジンからカートリッジを移動させドリル穴の中に挿入するためには、装てん用機構が必要とされる。 １つの変形形態は、約１／１０バールの差圧により剛性管又は可とう管を通してカートリッジが推進される空気圧式搬送システムである。 込め棒及び点火用機構これは本発明の主要な構成要素である。それは、高圧爆発生成ガスのための慣性封じ込めを提供し、穴の断面積の大部分を遮断することにより穴の底面内のガスの一次的密封を提供する再利用可能な構成要素である。込め棒は、優れた破壊靭性を備えた高力鋼で作ることができる。これは同様に、慣性のための高密度及び質量、変形なしで圧力負荷に耐えるための強度、そして耐久性のための靭性を組合わせたその他の材料で作られていてもよい。あるいはまた、非金属製端部区分をもつ高力鋼製の込め棒を利用することができる。この端部区分は、場合によって発生する高圧過負荷から主要込め棒を隔離する助けとなるようウレタンのような高衝撃材料で作られていてもよい。込め棒は、図１７に例示されているように、主要位置合せブーム機構に取りつけられている。標準的には、込め棒は、ドリル穴の中に充分に延びている。込め棒は、電気式雷管又はその他の爆薬起爆方法のための密な近接性を提供し、爆薬が爆燃されるにつれてドリル穴の底面でカートリッジを封じ込めるために、爆薬封じ込めカートリッジとしっかり接触する。込め棒の直径は、穴の中で棒のためにすき間を提供するのに充分なように、ドリル穴の直径よりわずかに小さくなっている。込め棒は、爆薬カートリッジのための点火用機構を収納している。この点火用機構は電気又は光学的に機能するものであってよい。込め棒のカートリッジ端部には、爆発生成ガスの漏出に対する付加的な密封を具備することができる。 Ｖシール、Ｏリング、支持なしエリアシールなどのような複数の従来の密封技術のいずれかを利用することができる。付加的な密封は、 カートリッジ及び穴底面からの爆発生成ガスの望ましくない漏出をさらに制限するために役立つであろう。爆発生成ガスの付加的な密封は、穴の中への込め棒の慣性が、穴から外へのカートリッジの移動及びその結果としてのカートリッジの破断そして高圧爆発生成ガスの損失に対抗する付加的な力を提供するように、爆薬装薬の発火の直前に穴の中に込め棒を加速させることによっても達成可能である。 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジ及び起爆剤 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、本発明の主要な構成要素である。その機能は、 次のことにある： ■ 固体又は液体の爆薬のための貯蔵容器として作用する。 ■ 貯蔵用マガジンから掘削現場に爆薬を輸送する手段として役立つ。 ■ ドリル穴内への挿入中の爆薬装薬を保護する。 ■ 爆薬のための燃焼室として役立つ。 ■ 穴底面内に発生した圧力を制御するため内部体積を提供する。 ■ 湿潤ドリル穴の中の水から爆薬装薬を保護する。 ■ 爆薬装薬からのあらゆる強衝撃過渡現象からの隔離を込め棒に提供する。 ■ 爆薬がドリル穴の中で爆燃するにつれて爆発生成ガスのためのバックアップ密封機構を提供する。爆薬装薬を封じ込めることに加えて、図４、５及び６に例示されているようなＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、全カートリッジ体積が固体又は液体の爆薬で満たされたとした場合よりもはるかに低いものでありうる望ましいレベルにカートリッジ内の平均圧力を制御するため、余分の内部体積を封じ込めている。カートリッジのための主要な設計基準の１つは、制御された条件下で爆燃又は爆発生成ガスのためにドリル穴の中で適切な密封を提供することにある。カートリッジは、ドリル穴壁のまわりで、込め棒に隣接して密封するように設計されていてもよい。こうして、込め棒とドリル穴の壁の間に高圧ガスが漏洩することが防止され、ドリル穴の底面内には高圧爆発生成ガスがよりよく封じ込められることになる。適切なドリル穴の密封及び爆発生成ガスの封じ込めを確保するための特長を伴う単純なカートリッジ設計が、図４に示されている。 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、早期カートリッジ破断を防ぐため適切な材料特性及び適切な幾何形状の組合せを有していなければならず、その結果推進薬ガス圧の早期損失をもたらし、次に、望ましい穴底面制御式破壊プロセスの有効性を低減させる。図４に例示されているカートリッジの設計は、共にカートリッジベース近くのカートリッジの早期故障を防ぐ傾向をもつテーパ付き壁と同様にテーパの付いたベースプラグを組合わせることによって、一般必要条件を満たしている。 １〜１０度の範囲の壁のテーパが満足のいくものであり、３〜５度のテーパが好ましい。カートリッジは、大部分のプラスチック、金属及び適切に構成された複合材料を含む、靭性及びたわみ性をもつあらゆる材料で作ることができる。カートリッジは、急速なドリル穴加圧及び制御された破壊プロセスの間にドリル穴の壁の膨張及び込め棒の反動の両方をカートリッジの封じ込めが追従できるように、破断の前に充分変形する弾性的及び／又は可塑的に変形可能な材料で作られていなければならない。カートリッジは同様に、大砲の弾薬の中で場合により使用される可燃性カートリッジの中で用いられるもののような燃焼性又は消耗性材料で作られていてもよい。好ましい材料は、必要な密封を提供し、かつ一個あたり最も低コストで作ることのできる材料である。図４に示されている設計においては、第１のカートリッジ設計の幾何形状及び材料特性上の必要条件のいくつかを低減させるために、機械的作用が用いられる。このＳＣＢ−ＥＸカートリッジは、可とう性スリーブ及び基底密封用プラグで構成されている。可とう性スリーブは、ベース近くのカートリッジの早期破断に対するより大きな強度を提供するテーパがつけられ、基底密封用プラグを伴う介入シールを提供するが、これもテーパ付きである。基底密封用プラグは、プラスチック、金属又は複合材料のようなあらゆる固体材料で作ることができる。好ましい材料は、１個あたり最低のコストで作ることのできるものである。基底密封用プラグは、爆薬装薬を爆燃させるために必要な雷管又はその他の起爆剤を含む。雷管は、込め棒に隣接する端部でカートリッジ内に位置づけられている。その機能は、オペレータからの指令によって起動された時点で主要爆薬装薬内で爆燃を起爆させることにある。標準的な又は新規の爆薬起爆技術を利用することが可能である。これらには、直接的電流パルス又は誘導的に誘発された電流パルスにより発火される瞬間的電気雷管；非電気式雷管；サーマライト；レーザーパルスが感光性雷管付薬包装薬を起爆させる高エネルギー雷管付薬包又は光学雷管が含まれる。代替的なカートリッジ設計が図６に示されている。このカートリッジ設計は構造上、図４に示されたカートリッジ設計に類似している。この代替的設計は、爆発性ガス生成物の作用下で込め棒と岩石の間の空隙内に打ち込まれるベースを提供することによって、一般的密封必要条件を満たしている。ベースは同様に、爆燃用爆薬からの衝撃過渡現象から込め棒の端部を保護するための衝撃隔離手段も含む。その他のＳＣＢ−ＥＸカートリッジ設計の場合と同様に、爆薬を起爆するための手段はカートリッジのベース内に封じ込められている。爆薬装薬は、爆薬装薬に剛性を与え、それをカートリッジ内に位置づけて爆薬をドリル穴の壁に結合しないためカートリッジの内部にとりつけられるプラスチック、金属又は重量紙でできたコンテナの中に装てんされる。 爆薬本発明では推進薬ではなく、むしろ爆薬を使っている。推進薬は音速以下で爆燃させるか燃焼させ、圧力の蓄積を推進薬の形状；推進薬の化学；推進薬の装填密度；カートリッジ内のヘッドスペースつまり充填空積；および掘削孔壁と込め棒間のカートリッジ／推進薬装置の閉じ込め状態により制御される。この制御方式では、ドリル孔の底部に圧力を掛け、孔底の周長にかかる最大応力集中線に沿って、進入コーンの破断またはその他の制御破断を引き起こすことができる。推進薬ガスはこの時点で破断(部)内で膨張し、破断(部)は岩石内に深く伝達および／または自由表面近くにまで伸長する。これに対し、爆薬装填物は超音速タイプの爆轟を示し，これにより強力な衝撃波を生ずる。この衝撃波は制御でき、調整手段を講ずればドリル孔の底部では、 ドリル孔周囲の岩石は、過度に破断したり粉砕することは無い筈である。爆薬量を制限することにより、底孔の圧力を希望する平均圧力を持たせることもできる。爆薬装填物を形状合わせすることにより、強い衝撃波が孔底の壁面に及ぶことを防ぎ、または孔底に達しても微細な破断に止め、この破断で主破断の開始位置の役割を持たせることができる。本発明に採用される爆薬は、固形状、液状またはスラリー状何れであっても良い。固形爆薬の例として挙げられるのは ■ダイナマイト ■硝酸アンモニウム ■ＴＮＴ ■配合物３ ■配合物４ ■オクトールであり、 液状爆薬の例は ■ニトロメタン ■ヒドラジンであり， スラリー状爆薬の例は ■硝酸アンモニウム／燃料油 ■水ゲル ■エマルション ■スラリー ■硝酸アンモニウムとニトロメタンとの混合物である。爆薬は感度を高め，輸送時または使用直前に増感剤を爆薬に挿入することにより“雷管感度を高める”(８号工業雷管から使用可)ようにする。爆薬は助剤を添加して、燃焼中に生じる有毒な副成物の量を低めることもできる。 使途軟質、中質及び硬質の岩石の他コンクリートを破砕する方法は、鉱山、建設および採石業並びに軍用に多くの使途を有している。この中には ■トンネル掘削 ■洞穴掘削 ■シャフト埋込 ■鉱山における横坑道及び漂積物造成 ■長壁採鉱 ■鉱室および鉱柱建設 ■仕切り壁(収縮，カット−詰め込みおよび狭い鉱脈) ■選鉱 ■縦クレーター後退(ＶＣＲ)採鉱用のアンダーカット開発研究 ■洞窟探検および収縮仕切り壁目的のドローポイントの開発研究 ■二次破断および網上の減少 ■溝堀り ■坑道の掘削 ■石切り ■精密発破 ■爆破 ■露天掘り階段の清掃 ■露天掘り階段の発破 ■巨礫の破壊および採石場の段切り工事 ■進路開拓位置および岩内での避難所の開設 ■軍移動に対する天然および人工障害物の除去等が含まれる。短長のドリル孔底部に爆薬装填物充填のカートリッジを慣性的に備え使用する、込め棒を使った小型の装填物発破用のＰＣＦ（通常の進入コーン破面）の破壊機構を図１に概略示す。カートリッジ１を，岩面３内に開けた短長のドリル孔２ の底部に挿入する。慣性込め棒４を孔中に据え、カートリッジ１内にある小型爆薬装填物から高圧ガスを生成発生させる。このガスは容積部分５を満たし、ＰＣ Ｆタイプの破面６が岩石７中に形成されるまで、孔２の底部を加圧する。破面６ は岩面３に対し上方に屈曲し、破面６と岩面３とが交叉する際、破面６と岩面３ とに結合している岩石は効果的に破壊される。短長ドリル孔の底部にある爆薬装填物を備えたカートリッジを慣性的に備えた、込め棒を使った小型の装填物発破方法の別途破壊機構を、図式的に示したのが第１図(図２が正しい)である。カートリッジ８を岩面１０中に開けた小ドリル孔９の底部に差し込む。慣性込め棒１１は孔内に据え、カートリッジ８中の小爆薬装填物から生じた高圧ガスを含ませる。ガスは容積部分１２を満たし、既存の破面１３が更に岩面１４内に拡がるまで、孔９の底部を加圧する。破面１３は岩面１０に対し上方に屈曲し、破面１３と岩面１０とが交叉する場合，破面１３と岩面１０とに結合した岩石は効果的に破壊される。図３は点火に先立ちドリル孔に据えたＳＣＢ−ＥＸ（小型装填物発破）の爆破装置を示す。小孔１５を岩面１６中に開け、カートリッジ１７は孔１５の底部に差し込む。カートリッジ１７は込め棒１８の端部に取り付け挿入しても良く、込め棒はドリル孔１５の底部近くに設けたステップ１９の個所で停止させ、カートリッジ１７の破損を防いでいる。カートリッジ基板２０は込め棒１８の端部に連結し、爆薬装填物２１で生じた高圧ガスの作用で、込め棒１８と反跳させても良い。爆薬起動装置２２を込め棒と同軸に取り付け、カートリッジ１７の基板２０ 内に据えた工業雷管２３の起動に使用する。チューブ２４には、カートリッジ１ ７内で爆薬装填物２１を取り付ける。カートリッジ１７には余剰の容積スペース２５を設けるため、ＳＣＢ−ＥＸ方法をガス充填または水充填孔の何れかに用いることができる。水を満たした孔の場合、カートリッジ１７は孔１５の底部から、大半の水を移動できる筈である。この配列では、爆薬装填物２１は直接カートリッジ１７の底部に連結され、孔１５の底部にある岩石２６中に強力な衝撃歪を起させ、孔１５の底部で微細破断を促す。最良の結果を得るには、孔の底部に触れる外側のカートリッジケースの鼻(ノーズ)面積部分の、少なくとも約５０％を爆薬に接触させる。好ましい接触面積は鼻部分の外側環に当り、孔底部の隅部周りの環状域の孔底部に微細破断が最良に発現されるようにする。図４は掘削孔２８の底部に設けた、込め棒２９で保持したＳＣＢ−ＥＸカートリッジ２７を示す。込め棒２９はドリル孔内のステップ３０により、カートリッジ２７の破壊から守られている。カートリッジ２７は本体３１およびテーパー基板プラグ３２および支持金属製封止リング３３から構成されている。カートリッジ２７の基板３２には凹面の後面３４を設け、略中心整合を保持する如く込め棒２９の座りを助ける。爆薬装填物３５はカートリッジ２７の基板３２内の中央部に取り付ける。爆薬装填物３５は完全にはカートリッジ２７を満たしていない。カートリッジ２７はまた、内方容積スペース３６を備えこれにより、爆発燃焼生成物は膨張が可能で、カートリッジ２７中の平均圧力を調整できる。爆薬装填物３５はまた、スキンまたはコンテナー３７を備え、爆薬装填物３５の構造の保持に役立っている。爆薬装填物３５はカートリッジ本体３１の底部に連結密着しており、ドリル孔３８の底部に強力な衝撃歪が加わるようにしている。基板３２には電気コイルを取り付け，このコイルを爆薬装填物３５の起動に使用する工業雷管４０に連結する。第二の電気コイル４１を込め棒２９内に取り付け、外部点火回路(図示せず)に連結する。コイル４１には電流パルスが発生し、コイル３９には電流が誘導され，この電流で工業雷管４０を十分起動させることができる。この結果込め棒２９とカートリッジ基板３２とは密着させる必要は無い。図５はカートリッジ本体４５の底部には緊締していないが、ギャップ４６で仕切られる爆薬装填物４４を含むＳＣＢ−ＥＸカートリッジ４３を示す。ギャップ４６は孔底部４７に形成された衝撃歪のピーク圧を実質的に低めている。それ以外では、カートリッジ４３は実質的に図４に示すカートリッジと変わらない。込め棒４８をステップ４９とともに示すが、ステップの役は込め棒４８をカートリッジ４３の損壊から守ることにある。込め棒４８の端部は凸面５０を形成しており、カートリッジの凹面基板５１との整合をこの凸面で助けている。爆薬装填材料４４で生ずるガスの一次封止手段は端部込め棒４８であり、このものでドリル孔５２の底部断面の大部を満たし、高圧ガス散逸用の隙間ギャップ５３のみを備える。なおこの高圧ガスの封止は，金属製シールリング５４およびカートリッジ本体４５およびカートリッジ基板５５で完全に行われ、これらの部分は何れも高圧ガスにより、ギャップ５３中に押し出される。図６はＳＣＢ−ＥＸカートリッジ５６の代替変形を示し、これには衝撃緩和機構５７が組み込まれ、爆薬装填物５８で生ずる過渡的衝撃を、カートリッジ５６ の基板プラグ５９から除去できる設計となっている。それ以外ではカートリッジ５６は実質的に図４と５で示すカートリッジと変わりは無い。図７は込め棒の下降孔端の代替変形例を示す。ただしカートリッジは示されていない。込め棒６０にはテーパー部分６２を備えた拡張チップ６１を設ける。ドリル孔は比較的大径の上部分６３を備え、このものはテーパー部分６５により比較的小径の下方部分６４に移行する。このタイプのドリル孔は特殊のドリルビット工具をを使って形成させることができる。込め棒６０をドリル孔に差し込み、 テーパー部分６２はドリル孔のテーパー部６５に着座し、当初孔底部で生ずる筈の高圧ガス用のタイトシールが構成される。高圧ガスで込め棒６０は反跳して、 込め棒６０のテーパー部分６２とドリル孔のテーパー部６５との間のギャップを開き切る。ドリル孔のテーパー部６５は、図４，５，および６で示す急角ステップのドリル孔よりも岩石内のはつりと欠陥に対しては感度が鈍く、この結果ギャップの発現および高圧ガスの漏洩の制御は一層良く行われる。この込め棒の形状は、図４，５，および６に示す何の形状のカートリッジにも共用できる。図１９は本発明によるＳＣＢ−ＥＸカートリッジ２００の別実施例を示す。カートリッジ２００には、犠牲カートリッジ基板２０４，外側カートリッジケース２０８，内側カートリッジケース２１２，爆薬２１６，および爆轟集成装置２２ ０とが含まれる。爆轟アセンブリ２２０には爆轟スターター２２４，二次誘導コイル２２８，二次誘導コイル２２８連結用の導体２３２および爆轟スターター２ ２４が内蔵される。込め棒２３６には、孔２４０内のカートリッジ２００の封止用装置(すなわち込め棒と孔側面間の狭小ギャップ)および爆薬の爆轟を開始させる二次誘導コイル２２８と電気的接触状態の一次誘導コイル２４４を取り付ける。カートリッジ２００には外側カートリッジケース２０８構成の自由容積２４８ ，カートリッジ基板２０４，および内側カートリッジケース２１２とを備えている。更に内側カートリッジケース２１２は爆薬２１６とカートリッジ基板２０４ 間に位置する自由容積２５２との構成とする。自由容積２５２により、爆轟爆薬の圧力はカートリッジ基板２０４を過負荷状態とすること無く、かつ過剰の衝撃エネルギーを込め棒２３６に伝える状態まで、膨張により減衰させることができる。自由容積２４８と２５２とは孔２４０の底部における全自由容積の大部を構成している。好ましくは、自由容積２５２は爆薬２１６容積の約２０から約１０ ０％の範囲とする。自由容積２５２と自由容積２４８の合計は、爆薬２１６の容積の合計の約２から約５倍の範囲とする。自由容積２５２は好ましくは内側カートリッジケース２１２の全容積の約１７から約５０％の範囲を表わすものとする。自由容積２５２，自由容積２４８，爆薬２１６の計は，爆薬２１６を使いきることで得られるガスに利用できる全容積に等しい。予期されるように、外側カートリッジケース２０８と孔部分２４０の面間の空間を組み込んだ自由容積は、孔底部の総体自由容積になお少量の追加容積をプラスしたものである。カートリッジ基板２０４は，再使用できる込め棒の下降孔端部２５６を爆薬の爆轟時に、永久損傷から守ってくれ、スターター装置の部分を含めると共に、孔部の断面積の大部分を占めることにより、孔底部の封止の助けとなっている。このカートリッジ基板は好ましいことに，込め棒の降伏強さより低めの耐力を備えており、これによりカートリッジ基板は込め棒の前部で、爆薬の爆轟に応えて可塑性変形を受ける。好ましくは、カートリッジ基板の降伏強さは、込め棒の降伏強さの約７５％より大きくはならない。カートリッジ基板は各種の安価な材料、 例えば鋼，アルミニウム，プラスチック，複合材料等製とすることができる。カートリッジ基板の厚み“ｔ”はできれば約０．５インチから約２インチの間とする。カートリッジ基板の径は、約５０ｍｍから約２５０ｍｍとし、長さ／径の比率は約０．１５から約０．６０とする。カートリッジ基板２０４の形状は多数の目的に供せられる。一例としてカートリッジ基板の外側端２６０は，込め棒２３６の端部２５６と同一形状を示し、そのため込め棒２３６はカートリッジ２００と整合させ、一次誘導コイル２４４は第二の誘導コイル２２８を電気的に連結させることができる。示されるように， カートリッジ基板の外側端２６０と込め棒の端部２５６の好ましい形状は、屈曲していると言う。カートリッジ基板は円錐形状をなし、ここでカートリッジ基板は外側カートリッジケース２０８に連結されている。従ってカートリッジ基板の円錐形状部分に接した、外側カートリッジケース２０８の部分は、カートリッジ基板の円錐形状部分のテーパーと同一角度でテーパー状態を示している。爆薬の爆轟時にカートリッジ基板の円錐形状部分は孔２４０の側面に対して外側のカートリッジケースを押しつけ、これにより孔底部内にカートリッジ２００の封止が行われる。外側カートリッジケース２０８は円筒式であり、カートリッジ２００の内側を孔２４０内の水分からまたは他の液から封止している。前記の如く、外側カートリッジケースは、孔底内に生ずる平均ピーク圧力の制御に要する自由エネルギーを有しており、これによりドリル孔の底部２２３の過度の重圧が避けられる。良い結果を得るには、外側カートリッジケースは爆薬が爆轟して、ハウジングの大部分を孔底中に開けられた破面に、ガス流の停止または妨害を抑制する場合、当然破壊を受けることになろう。外側カートリッジケースは，鋼，アルミニウム， またはプラスチック等の各種材料で構成されている。カートリッジの大きさは特殊用途により変わって来る。外側カートリッジケースの壁厚は、好ましくは地下掘削用途の場合、好ましくは約０．７５ｍｍから約５ｍｍの範囲とし、表面掘削の場合は約０．７５ｍｍから約５ｍｍとする。できれば，カートリッジ基板から外側のカートリッジケースの対向端に至る位置にある、外側カートリッジケースのノーズ部分２２１の厚みは、地下掘削の場合約０ ． ０１インチから約０．０３インチの範囲とし、表面掘削の使用の場合も、約０ ． ０１から約０．０３インチとする。カートリッジ２００は地下掘削用途の場合、その最大直径寸法は約５０から約２５０ｍｍとし、表面掘削の場合約５０から約２５０ｍｍとする。カートリッジの望ましい長さ／直径の比は約１から約４の範囲とする。内側カートリッジケース２１２は爆薬を含めており、爆薬は孔２４０内に設ける。言い替えれば、内側カートリッジケースは爆薬の位置を（ｉ）ドリル孔２４０の側面から離す，（ｉｉ）カートリッジ基板２０４から離す，（ｉｉｉ）爆薬と孔底間とに希望の間隙を保持する。外側カートリッジケースの場合の如く、大切なことは爆薬が爆轟して、孔底に空いた破面中へのガス流を閉じ込めまたは妨げる場合、内側のカートリッジケースが粉々に破砕することである。内側カートリッジケースは、鋼，アルミニウム，またはプラスチックを含む多種の材料であっても良く、かつ好ましい壁厚は約０．２ｍｍから約１ｍｍ を示す。爆薬は前記に掲げた何の様な爆薬材料であっても構わない。液状爆薬の場合、 内側カートリッジケースの底部分に爆薬を保持するため、爆薬の頂部２６１に分離壁または分離膜が必要となる。爆薬２１６の量は地下掘削の場合、できれば約０．１５から約０．５ｋｇ，地表掘削の場合の量は約１から約５ｋｇの範囲とする。爆轟アセンブリ２２０には上記の各種のサブ成分を備えている。イニシエーター２２４はできれば６個または８個の工業雷管、または別種の爆轟スタート方式の６または８個の工業雷管を備える。二次誘導コイルは好ましくは十分なワイヤー径を備え、約１から約５ａｍｐの電流を流すことができる。一次誘導コイル２ ４４は，望ましくは約２０から約２００ａｍｐｓ範囲の電流パルスを流すに足る十分な径のワイヤーを持つものとする。最良の結果を得る一次と二次誘導コイル間の最大距離“ｄ”は、好ましくは約３ｍｍを越さぬものとする。燃焼室では二次誘導コイル２２８に電流を誘発させる電流量で、一次誘導コイル２４４に通電する。カートリッジ２００内の多くの成分の空間位置は、カートリッジの性能を最適に保つに重要な要因である。内側カートリッジケース２１２の底部と外側カートリッジケース２０８の底部間距離“ｄ１”は、カートリッジにより誘発される岩の破砕の大きさを決定する。距離“ｄ１”が実質上０であり、外側カートリッジケースと孔２４０の底部とが接触する時が、最大破砕効果が得られる。望ましくは“ｄ１”は約１５ｍｍ以下とする。外側カートリッジケースの底部から孔２４ ０の底までの距離“ｄ２”は，できれば外側カートリッジケースが孔内にカートリッジを挿入する力により、孔底に押し込まれずに極力低く保持する。想定される様に、外側のカートリッジケースは挿入時には、破裂を含めて可成の損傷に耐えることができる。望ましくは、距離“ｄ２”は約１５ｍｍ以下とする。距離“ ｄ３”は外側カートリッジケースとドリル孔２４０の側壁間の距離である。 “ｄ ３”距離はできればカートリッジが十分容易に、上記の目だった損傷を受けることなく孔底に挿入できる距離とする。勿論この距離は，ドリルビット工具の損傷度および異なる岩種の壊れ過ぎ状態によって変わってくる筈である。好ましくは距離“ｄ３”は約０．２から約３ｍｍの範囲とする。込め棒２３６は爆薬２１６の爆轟による、カートリッジ基板２０４の可成りの反跳部分に耐える重量を持つ。好ましくはこの込め棒の重量は約２５から約１， ０００ｋｇの範囲とする。込め棒の径は込め棒２３６の側面と孔２４０の側面との間にシール(封止)効果を与える十分な大きさとし、爆薬２１６の爆轟により孔底からガスの逸出を防ぐものとする。できれば込め棒２３６の径は、地下掘削の場合約５０から約２５０ｍｍの範囲とし、地表掘削の場合約５０から約２５０の範囲とする。通常込め棒は孔の断面の少なくとも約９５％の断面積を有している。爆薬２１６の爆轟によるカートリッジ基板２０４の反跳で起きる、込め棒２３ ６の端部２５６を保護するため、爆薬２１６はカートリッジ基板から“ｄ４”の距離に据置き、爆轟の衝撃波を散逸させる。最良結果を得るため、距離“ｄ４” は望ましくは約０．５から約３インチの範囲とする。図２０は本発明によるＳＣＢ−ＥＸカートリッジ３００の別実施態様を示す。前実施例のカートリッジ２００と異なり、カートリッジ３００には内側カートリッジケースを備えていない。逆に、爆薬３０４は外側カートリッジケース３１２ のノーズ部分３０８に置いている。上記に準じ，仕切り壁３１６を使って爆薬、 特に液状爆薬をカートリッジの自由容積３２０と分離させている。好ましくはこの自由容積３２０は，外側カートリッジケース全容積の約５０から約７５％を表わすものとする。爆薬は外側カートリッジケースの残全容積を占める。図８は，カートリッジ壁６６が込め棒６７の端部付近では破壊しない状態で点火した後の，ＳＣＢ−ＥＸ装置を示している。爆薬を点火させた後、発生圧力により、込め棒６７とカートリッジベースプラグ６８とは反跳し、他方でカートリッジ壁面６６はドリル孔６９壁に対し膨張を示す。カートリッジの前部は破砕を呈しており、孔には爆薬生成ガスが充満し、ドリル孔７１底部またはその付近で制御された破面７０が形成され始めている。反跳中、カートリッジ壁７２のテーパーに対し基板プラグ６８のテーパー部が圧力を及ぼし、動的シールが為されると共に一方で岩の破壊作用が起る。図９は込め棒７５の端部付近で、カートリッジ壁７３が破断７４する状態での、点火後のＳＣＢ−ＥＸ装置を示す。基板プラグ７６近辺のカートリッジ壁７３ は破断された７４と見做され、高圧の爆薬生成ガスがこの時点で、金属製のバックアップリング７７を込め棒７５の端部とドリル孔７９壁との間のギャップ(空隙部)７８に押し込み、孔底からガスが漏洩せぬよう装置をシールする。切り離された緩和爆薬装填物のためのＳＣＢ−ＥＸ方法の性能状態を図１０で示すが、これにはドリル孔底の計算による圧力履歴を使っている。計算は岩が破砕されない場合について為されている。時間８２を関数として圧力８０が示されている。圧力歪８２は，ギャップを通じて爆薬生成物の膨張結果として、すぐ発現してくる(図５参照)。爆薬生成物で生じたガスが利用可能の容積内で前後に揺れ動くにつれ，圧力も揺動８３する。込め棒が反跳するにつれ(利用可能容積の増)またガスが込め棒から漏れるにつれ、圧力は時間と共に減退８４する。圧力は約４ミリ秒間孔底に示される。切り離された緩和爆薬装填物のためのＳＣＢ−ＥＸ方法の性能状態が、ドリル孔底上の計算による圧力履歴をもとに、図１１で示されている。計算は岩が破壊される場合のものである。時間８６を関数として圧力８５が示されている。圧力歪８７は、ギャップを介して爆薬生成物の膨張結果として、直ちに発現される( 図５参照)。爆薬生成物で生じたガスが、利用可能の容積内で前後に揺れ動くにつれ圧力も揺動８８する。込め棒が反跳するにつれ(利用可能容積の増)，またガスが込め棒から漏れ出すにつれ，更にガスが開発途上の破断装置に流入するにつれ、圧力は時間と共に減退８９してくる。圧力は約４ミリ秒間孔底に示される。 ＳＣＢ−ＥＸカートリッジおよび孔底内の計算によるガスの分布を図１２に示す。計算は岩石が破砕し、図１１に示す圧力履歴に見合う場合について行う。カートリッジ容積９０内に残留するガス量，装置９１からの漏洩ガス量および孔底と破断装置９２に注入されるガス量を、時間９３を関数として示す。点火後、爆薬生成ガスは膨張して、全カートリッジと孔底容積を満たすようになる。圧力が臨界閾値(岩石の非拘束圧縮強さの３０％程度値)に達すると、破断が開始される。ガスはカートリッジから膨張性破断装置内に引き続き流入する。その結果、この計算によれば、カートリッジベースプラグ付近のカートリッジ壁は、２．５ｍ ｍの反跳が起った後破断と判定され、この時点でガスは込め棒とドリル孔壁間のギャップから漏れ出す。ガスの流過速度で音速絞り条件での漏れが判定され、この条件はギャップの断面積および局部ガスの音速と密度とにより指示される。 ４ ミリ秒後に、破面は岩面の表面に達した筈と思つて良く、岩の破砕程度は完璧と認められる。既に説明済みのガスの小留分は装置系から漏洩済みである(当初２ ００ｇの内の１８ｇ相当)。大部分のガス(当初２００ｇの内の１３７ｇ)は孔底と破断装置内に注入されている。密に充填された爆薬装填物についてのＳＣＢ−ＥＸ方法の性能状態は、ドリル孔底上の計算による圧力履歴により、図１３に示されている。計算は岩の破断の場合に対し為されている。圧力９４は時間９５を関数として示されている。カートリッジの底部と触れる爆薬による爆轟波の反射の結果、強度の圧力歪９６が即座に観測される(図４参照)。爆薬生成物で得られるガスが利用可能の容積内で前後に揺れ動くにつれ、圧力も揺動する９７。込め棒の反跳につれ(利用可能容積の増)，ガスが込め棒から漏れ出すにつれ，およびガスが開発中の破断装置中に流入するにつれ、圧力は時間と共に減退９８してくる。圧力は約４ミリ秒間孔底に示される。非爆薬性の推進薬を用いた装填方式の性能状態を，ドリル孔底上の計算による圧力履歴を用いて、図１４に示す。計算は岩の破砕が無く、図１０のＳＣＢ−Ｅ Ｘ例と比較し得る場合について為されている。圧力９９は時間１００を関数として示されている。この場合は圧力歪は全く見られず、圧力はＳＣＢ−ＥＸ方法に比べ比較的緩慢に増大している。込め棒が反跳するにつれ(利用可能の容積の増) および込め棒からガスの漏れが見られるにつれ、圧力は時間と共に減退１０１する。圧力は約４ミリ秒間孔底に示される。推進薬を利用するガス注入装置の性能評価を、ドリル孔底上の計算による圧力履歴をもとに図１５に示す。計算は，岩が壊れずまた図１０のＳＣＢ−ＥＸ例および図１４の孔内装填込め例と比較し得る場合について為されている。圧力１０ ２は時間１０３を関数として示されている。圧力の歪は全く見られず、またＳＣ Ｂ−ＥＸ方法に比し圧力は比較的緩慢に増大している。込め棒の反跳に応じ(利用可能の容積の増)，込め棒に沿ってのガスの漏洩に応じ、およびガス注入装置のバレル部をガスが逆流するに応じて、圧力は時間と共に減退１０４する。圧力は薬４秒間孔底上に示される。ガス注入装置と孔底内の計算によるガス分布を図１６に示す。計算は、岩が破壊される場合について為される。ガス注入装置容積１０５のガス量，装置１０６ からの漏洩ガス量および孔底部と破断装置１０７中に注入されるガス量については、時間１０８を関数として示される。孔底に圧力が薬４ミリ秒付加され終わった後、破面は岩面の表面に達している筈であり、岩の粉砕は完全と認められる。周知の如く、目だったガス留分は既に装置から漏洩している(当初の３８０ｇの内６１ｇ分相当)。大部分のガス(当初３８０ｇの内１４５ｇ分)はガス注入装置内に残留している。岩の破砕完了後のガス注入装置に残留するガスは、大部分空気ブラストおよびこの方式で屡々見受ける高エネルギー性のフライロック(飛散石)発生の基と考えられる。 ＳＣＢ−ＥＸ装置の使用の見込まれる岩石掘削装置を、図１７に示す。可動式車台１１０に取り付けた二基の関節ブーム組立て装置１０８と１０９が見られる。 １０８のブーム組立て装置では、その上に取り付けたＳＣＢ−ＥＸの小型装填発破装置１１１を備えている。ブーム組立て装置１０９には破砕岩石を作業面からコンベアー装置１１４に移動させるための，オプション機械式衝撃破砕機１１ ２とバックホー付属装置１１３を取り付け、このコンベアー装置で破砕岩石を掘削機を経て運搬装置(図示せず)に送り込む。小型装填発破装置用の代表タイプの割り送り機構を、図１８に示す。この割り送り機構１１５で、ＳＣＢ−ＥＸ小型装填の発破装置１１６を関節ブーム１１７ に連結する。削岩機１１８とＳＣＢ−ＥＸ挿入機構１１９とを割り送り装置１１ ５に取り付ける。ブーム１１７で割り送り装置組立て体を岩面上に据え、削岩機１１８で短長孔(図示せず)を岩面(同じく図示せず)に開けることができる。削岩機１１８を孔部分から引っ込めると、割り送り装置１１５が油圧機構１２１を使って装置の軸１２０周りを回転し、ＳＣＢ−ＥＸ挿入機構１１９とドリル孔の軸とを整合するように働く。ここでＳＣＢ−ＥＸ挿入機構１１９をドリル孔に差し込み、小型装填物は点火準備を完了する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年１２月１０日【補正内容】 請求の範囲 １． カートリッジおよび 材料中の孔内にカートリッジを保持するための詰込め手段から成り， 詰込め手段は第一の降伏強さを有し、カートリッジは詰込め手段の端部に接して据付け，更にカートリッジには 詰込め手段の端部に接して据えた，第一の降伏強さより低い第二の降伏強さを有するカートリッジベース，および カートリッジベースに取り付けた外側カートリッジケース，爆薬を込めた外側カートリッジケースの第一部分および孔内のガス圧を調整するためのスペースである第二の部分を設け、 この場合、爆薬はカートリッジベースから少し離して取り付け、爆轟の衝撃波から詰込め手段を保護するため、爆薬爆轟時に生ずる爆轟衝撃波を散逸させる，堅い材料の破砕装置。 ２． カートリッジベースが約５０から約２５０ｍｍ範囲の厚みを有する、請求項１に記載の装置。 ３． 詰込め手段が第一降伏強さを有し、カートリッジベースが第二の降伏強さを持ち、第二の降伏強さが第一降伏強さの約７５％以下である，請求項１に記載の装置。 ４． 詰込め手段が第一降伏強さを有し、カートリッジベースが第二の降伏強さを持ち，第二の降伏強さが第一降伏強さ未満であり，カートリッジベースを詰込め手段に対して爆轟衝撃波に応じて塑性的に変形させる、請求項１に記載の装置。 ５． カートリッジベースを円錐形状とし、カートリッジベースに隣接する外側カートリッジケースの部分をテーパー状とし、カートリッジベースが爆轟衝撃波により反跳する際、カートリッジを孔内に封止する、請求項１に記載の装置。 ６． カートリッジベースから見て外側カートリッジケースの対向端に位置する，外側カートリッジケースのノーズ部分我、約０．７５から約５ｍｍ範囲の厚みを有する、請求項１に記載の装置。 ７． 爆薬を硝酸アンモニウムとニトロメタンとの混合物、ダイナマイト、配合物３，配合物４，オクトール，エマルション爆薬，水ゲル爆薬およびゲリグナイト構成の部類中から選定する、請求項１に記載の装置。 ８． スペースが空間容積を、爆薬が爆破容積を有し、空間容積が爆破容積の約２００から約５００％の範囲を占める、請求項１に記載の装置、 ９． 爆薬が孔底から約１５ｍｍ以下の距離だけ離隔する，請求項１に記載の装置。 １０． 距離が約０．５から約３．０インチの範囲にある、請求項１に記載の装置。 １１． 詰込め手段およびカートリッジベースの少なくとも一つが、詰込め手段の端部に対しカートリッジベースを整合させる誘導装置を備える、請求項１に記載の装置。 １２． 詰込め手段に一次誘導コイルを、さらにカートリッジに二次誘導コイルを取り付け、一次と二次誘導コイルを電気的に相互速結して爆薬を爆轟させる、 請求項１１に記載の装置。 １３． カートリッジが約１から約４までの範囲の長さ／直径比を有する、請求項１に記載の装置。 １４． 更に孔の底部にカートリッジ封止用のシール装置を設け、孔底を加圧して孔底の隅部から破断を行う、請求項１に記載の装置。 １５． カートリッジベースが約０．１５から約０．６０の範囲の長さ／直径比を有する、請求項１に記載の装置。 １６． スペースが空間容積を有し、空間容積が外側カートリッジケース全容積の約５０から約７５％までの範囲を占める，請求項１に記載の装置。 １７． 爆破装置が カートリッジベースと カートリッジベースとノーズ部分に連結した基板部分を備えた外側カートリッジケースと，の構成であり、基板とノーズ部分とが外側カートリッジケースの対向端部に位置し、外側カートリッジケースにノーズ部分に接触する爆薬と、孔中のガス圧調整用の開放空間とを設け、ここで装置を孔内に据え、ノーズ部分を孔底に接触させる，堅い材料内の孔中に据えた硬質材料破砕用の爆破装置。 １８． 孔底に接触するノーズ部分面積の少なくとも約５０％が爆薬に接する、 請求項１７に記載の爆破装置。 １９． 爆破装置が 孔外の一個所から孔中に伸長する込め棒と、 孔内に占める込め棒の自由端部と接触するカートリッジベースと、 爆轟衝撃波から込め棒を保護するため、カートリッジベースから離隔させた爆薬を保持して、爆薬の爆轟時に生じる爆轟衝撃波を散逸させるごとくした、外側カートリッジケースと、 孔内のガス圧調整用のスペースと、から構成され、堅い材料内の孔中に据えた硬質材料破砕用の爆破装置。 ２０． カートリッジベースが約０．１５から約０．６０ｍｍ(ｍｍは不要)の長さ／直径比を持つ、請求項１９二記載の爆破装置。 ２１． 爆薬とカートリッジベースとの間の距離が約０．５から約２．５インチである、請求項１９に記載の爆破装置。 ２２． 外側カートリッジケースが約０．７５から約５ｍｍ範囲の孔底に接する厚みを備える、請求項１９に記載の爆破装置。 ２３． 更に、外側カートリッジベース内に取り付け、カートリッジベースに接する内側カートリッジケースを含み、かつこのケースに爆薬と爆薬−カートリッジ間に自由スペースを設ける、請求項１９に記載の爆破装置。 ２４． 内側カートリッジケースが約０．２から約１ｍｍ範囲の壁厚を有する、 請求項２３に記載の爆破装置。 ２５． 孔底に爆破装置を封止するシール装置を設け、孔の底部コーナー部分から破砕を形成する，請求項１９に記載の爆破装置。 ２６． 内側カートリッジケースが容積部分を有し、自由空間の容積が内側カートリッジ容積の約１７から約５０％の範囲を占める請求項２３に記載の爆破装置。

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