Rock breaking cartridge

本発明は、岩石を破壊するのに用いる高圧ガスを発生させるために、推進薬すなわちエネルギー生成物を利用するタイプの岩石破壊用カートリッジに関する。

エネルギー生成物は、起爆の時点で、その化学組成と物理的特性を通じて、爆発する代わりに爆燃（急激に燃焼）する。 また、岩石を破壊する目的で圧力を上昇させるために、生じる圧力波を閉じ込めることが必要である。

エネルギー生成物がカートリッジのハウジングの内部に確実に閉じ込められた場合には、ハウジングの内部で高い圧力上昇が生じて、ハウジングを破裂させる。 このプロセスが組成物の偶発的な起爆によって発生した場合、状況によっては、操作者の負傷または装置の破損が生じる可能性がある。 もう１つの因子は、このタイプのカートリッジの保管と輸送には、厳格な規則が適用されるということである。

【０００４】
少なくとも上述の理由によって、岩石破壊カートリッジは、カートリッジが作動環境にある場合に限って、最大の圧力上昇を生じることが可能であることが望ましい。 それによって、カートリッジの安全性は本質的に高まり、輸送と保管の問題は著しく軽減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】 米国特許第３７６５３３１号明細書

本発明は、前述の要件に対応する岩石破壊カートリッジを提供することを目的としている。

本発明は、岩石破壊用のカートリッジを提供するもので、このカートリッジは、 第１の区画と、前記第１の区画の内部の第１のエネルギー生成物と、この第１のエネルギー生成物に露出した雷管と、管状体内部の第２の区画と、前記雷管に向かう爆発力下で可動である前記管状体内のプランジャと、第２のエネルギー生成物を起爆させるためのアクチュエータと導火線が形成された管状ハウジングを含む岩石破壊用カートリッジにおいて、 前記アクチュエータの面積は、前記プランジャの断面積より小さく、かつ前記アクチュエータは、前記プランジャが動くことにより、前記雷管方向に可動であり、かつ液体が、前記アクチュエータ及び雷管の表面により少なくとも部分的に囲まれた密閉室を充填したときにのみ、前記雷管が前記アクチュエータにより起爆されるようになっている。

アクチュエータは、第２の区画の一部を形成していることが好ましい。

封入された液体は、アクチュエータと雷管との表面によって、少なくとも部分的に制限された区画の中に閉じ込められていることが好ましい。

アクチュエータは、第２のエネルギー生成物が、第２の区画の内部で、所定の最小限度を超える圧力を生成した場合に限って、移動可能であってもよい。 この特性は、壊れやすい保持構造体または複数の壊れやすい保持構造体を用いて、所定の位置にアクチュエータを固定することによって達成してもよい。

第２のエネルギー生成物が起爆した時点で、第１のエネルギー生成物が点火された時に、少なくとも第１の区画の周りで閉じ込めメカニズムとして作用する圧力波が、液体の中で作り出されることが好ましい。

アクチュエータは、どのような適切な形態をしていてもよく、また、第２の区画から第１の区画へ向かって移動可能であるプランジャであるか、またはプランジャの一部を形成していることが好ましい。

アクチュエータは、雷管に力を移転し、そして力を及ぼすように作用する。 これは、アクチュエータと雷管との間で、ある容積で閉じ込められる液体、典型的には水の媒介により達成される。 水は圧縮できないため、アクチュエータから雷管への力の移転は、非常に効果的でありうる。 しかし、水がその容積から漏れることがあれば、水を適切に加圧することができないため、水がアクチュエータと雷管との間で効果的に閉じ込められることを保証することは重要である。 この目的を達成するため、アクチュエータは、雷管を覆うエンクロージャを形成すべきである。 アクチュエータは、水を含む閉じ込められた区画を定めるために、例えば、雷管の外面と直接接触していてもよい。 代替的手法では、アクチュエータは、雷管の周りの表面と係合する。 表面は、雷管の一部であるとは限らない。 しかし、いずれの場合にも、アクチュエータは、依然として、圧力を増加させるために雷管に向かって移動することができなければならず、それゆえ、雷管に及ぼされる力も、そのようでなければならない。 従って、アクチュエータと雷管との間で、或る程度の相対的移動が生じることは可能であるべきである。 例えば、雷管とアクチュエータとは、或る程度は相対的に移動可能であって、アクチュエータと雷管との間に液体を封入するような位置にある補完的構造を有していてもよい。 これらの構造体は、ピストンとシリンダの性質を持っていてもよい。

あるいは、アクチュエータの先端部が、雷管の周りの表面に衝突する時、またはそれが雷管に衝突する時に、アクチュエータと雷管との間に相対的移動が生じうるが、これらの構成要素間で液体が有意の漏れ方をしないように、変形するか、または屈曲することができるようになっていてもよい。 本発明の別の態様では、アクチュエータが衝突する表面は、アクチュエータの同様の属性に加えて、変形可能であるか、または壊れやすい。

第２のエネルギー生成物は、起爆した時、相当広い表面に作用し、次にアクチュエータに作用するのが良い。 アクチュエータは、前記表面と一体的に形成されているか、またはその他の方法で係合されていてもよい。 また、アクチュエータは、雷管に面する比較的小さい面積であってもよい。 アクチュエータにかかる圧力は、広い表面の面積と、アクチュエータの面積との比率に従って増加する。 この高圧により、雷管は確実に起爆する。

カートリッジは、第１および第２の区画がその中に形成される管状構造体またはハウジングを含んでいるのがよい。 雷管とアクチュエータとの間に、空洞を設けてあってもよく、また、カートリッジが液体に浸された時、空洞の内側と構造体を取り巻く液体とを連絡させるため、構造体の壁に、少なくとも１つの孔を設けてあってもよい。

第１のエネルギー生成物の量が、第２のエネルギー生成物の量よりも多くなるように、第１の区画は、第２の区画より大きいのがよい。

第１の区画の容積が、最大限となるように、管状構造体は、比較的薄い側壁を有しているのがよい。

岩石破壊カートリッジは、導火線に点火するための電子制御式のメカニズムを備えているのがよい。

カートリッジの構造および作動は、カートリッジが作動環境に位置している場合、例えば岩石の中の水で満たした穴の中に位置している場合には、第２のエネルギー生成物に点火すると、２つの結果、すなわち、第１のエネルギー生成物が起爆されるように、アクチュエータを雷管に向かって推進すること、並びに第１のエネルギー生成物が起爆される時に、第１の区画を取り巻いていて、少なくとも第１の区画を閉じ込める圧力波が生成されるように、管状体からキャップを水中に排出するようになっている。

カートリッジは、導火線を起爆させるために、電子制御式メカニズムに入力信号または電力を提供するためのアンテナを備えていてもよい。 アンテナは、１つ以上の巻線を有するコイルであってもよい。 巻線は、保護された場所に設けてもよく、またカートリッジの管状構造体またはその一部の周りに伸びていてもよい。

また本発明は、第１のエネルギー生成物を起爆させる方法を提供するもので、この方法は、
（ａ）第１のエネルギー生成物の或る量を、画室に閉じ込めるステップと、
（ｂ）雷管を第１のエネルギー生成物に露出させるステップと、
（ｃ）区画をボーリング穴に装着するステップと、
（ｄ）ボアホールの中のおける画室を水で満たすステップと、
（ｅ）水中で第２のエネルギー生成物に点火し、それによって、アクチュエータを雷管に向かって推進させるステップと、
（ｆ）アクチュエータと雷管との間に、少なくとも一部が存在する空間に、或る水量の水を閉じ込めるステップと、
（ｇ）閉じ込められた水を用いて、アクチュエータから雷管へ力を伝達し、それによって雷管に点火し、第１のエネルギー生成物を起爆させるステップとを含んでいる。

第１のエネルギー生成物が起爆された時に、第１のエネルギー生成物を閉じ込める水の中に圧力波を作り出すために、第２のエネルギー生成物を用いてもよい。

第２のエネルギー生成物の量は、第１のエネルギー生成物の量と比べて比較的少なく、その典型的な比率は、１：２０のオーダである。 これは、実際には、第２のエネルギー生成物が不注意で起爆された場合、エネルギーがわずかに放出することを意味する。 通常の条件下では、これは、必ずしも、著しく有害であったり、損害を与えたりはしない。 他方、第１のエネルギー生成物が起爆された場合、相当大量のエネルギーが放出される。 これは、カートリッジが液体に浸され、次いで、ボアホールが形成される岩石の効果的破壊が生じる時に限って発生しうる。

本発明を、添付の図面に示す実施例に基いて、さらに詳細に説明する。

本発明による岩石破壊用カートリッジの非作動モードにおける縦断の側面図である。

図１に示すカートリッジの一部を、図１の状態から角度を９０度回転させて、詳細に示す拡大図である。

図１に示すカートリッジの作動モードにおける図である。

図２に示すカートリッジの作動モードにおける図である。

カートリッジに組み込むのに好適な雷管／アクチュエータ装置を示す図である。

図１は、本発明によるカートリッジ１０を示している。 カートリッジ１０は、管状体すなわちハウジング１２を有し、その中には、第１の区画１６が形成されている。 メインチャージとも呼ばれる第１のエネルギー生成物１８が、第１の区画１６を満たしている。

第１の区画１６は、一体成型の側壁２０と端壁２２とを有する。 端壁２２と対向する、区画の内側への開口部２４は、管状体２８の一端における閉止体２６によって密閉されている。 閉止体２６の中央の貫孔２６Ａには、アンビル付きの銃用雷管の形状をしている雷管３０が嵌入されている。 雷管３０は、水密式に閉止体２６と係合し、かつ第１のエネルギー生成物１８に接触している。 雷管は、外向きフランジ３２Ｂを有するカバー３２Ａによって閉じられたケーシング３２と、アンビル３２Ｄに対向する中央カバー３２Ｃとを有する。 前記フランジ３２Ｂは、貫孔２６Ａの縁に当接している。

管状体２８のキャップ３４の外面には、管状体２８の内側面上のめねじ３８と係合するおねじ３６が切られている（図２も参照）。 キャップ３４の外面４２には、キャップ３４を管状体２８と係合させるための係止部４０が設けられている。

浅いソケット状のプランジャ４４が、管状体２８の中に設けられている。 このプランジャ４４の、雷管３０に対面する上記４６の、中央には、直立する環状壁４８が設けられている。 プランジャ４４のスカート５０は、管状体２８の内面と密接している。 図２に明確に示すように、スカート５０の下部は薄肉部５２となっており、その下端には、外向フランジ５４が設けられている。 このフランジ５４は、管状体２８の内側面に設けた小さなショルダー５６に密接して係合している。 キャップ３４の前記薄肉部５２の内側に重合する上端部には、段付き薄肉部５８が設けられ、この段付薄肉部５８は、プランジャ４４の下端の薄肉部５２の内面に重合している。

かなり大きい空洞６０が、閉止体２６と管状体２８との間に形成されている。 管状体２８の上端の、この空洞６０の開口縁６２および６４によって、空洞と周囲の環境との間の気体および液体のスムーズな流れが可能となっている。

コンポーネント同士を相互に相対的に回転させることによって行われる摩擦接合によって、閉止体２６の開口部２４は側壁２０と係合しており、その結果、水密式の密閉が行われている。

画室７０が、管状体２８とキャップ３４とプランジャ４４とから成るアセンブリの内部に形成されている。 電気回路７２が、第２の画室７８の内部に設けられ、適切な充填剤７４で囲まれている。 導火線ヘッド７６が、電気回路７２に接続され、充填剤から、本書では起爆チャージ８０とも呼ぶ第２のエネルギー生成物で満たされた第２の画室７８へ伸びている。

充填剤は、電気回路７２内の電子部品を保護している。 電気回路７２を操作するための制御技法は、どのようなものでも良いが、例えば、南アフリカ国特許願第２００７／０８０１２号の明細書に記述されている技法を用いることができ、その内容を、本明細書において援用する。 このタイプの電気回路は、内蔵電源を、例えばバッテリの形で有していない。 回路の操作に必要な電力と、その操作を制御するためのデータとは、誘導的技法を用いて回路に伝えられる。 本発明の特徴によれば、複数の巻線から成る誘導コイル８２が、おねじ３６に隣接した、キャップ３４の下端部の周りに巻かれている。 管状体２８は、薄下端壁８４を有し、その中にコイルが安全な保護された形で位置する空洞８６が形成されている。

カートリッジ１０は、上に言及した目的に従って、カートリッジが岩石本体の中の水を満たした穴の中に浸された場合に限って、メインチャージが発火した時点で、全圧を出すように設計されている。 しかし、カートリッジは、保管と輸送と取り扱いとの間では比較的安全な状態を保ち続ける。

メインチャージは、適切に起爆された場合、岩石を破壊することができる。 起爆チャージ８０は、２つの主な機能を有する。 第１は、後述するように、カートリッジが岩石本体の中の水を満たした穴の中に浸された時、起爆チャージ８０に点火すると、雷管を起爆させることができる圧力パルスが水中で作り出される。 第２に、起爆チャージ８０によって生成された圧力パルスが、メインチャージを水中に封入して、閉じ込められた環境が作り出され、その中で、メインチャージは適切かつ効果的に爆燃することができ、それによって、岩石破壊をもたらすのに必要なエネルギーパルス形とエネルギーレベルとが生成される。

起爆チャージ８０によって生成される圧力パルスは、雷管が確実かつタイムリーに起爆されるようにするため、雷管に焦点を合わせなければならない。 これは、起爆チャージによって生み出された力によって、プランジャ４４が雷管に向かって推進されるので、図３および図４に示すやり方で達成される。 プランジャは当初、起爆チャージのクロージャの一部として働く。 しかし、導火線ヘッド７６が回路７２によって点火される時、おおむね南アフリカ国特許願第２００７／０８０１２号の明細書に記述されている技法に従って、起爆チャージ８０は点火される。 圧力が第２の区画７８の内部で徐々に上昇し、この圧力の結果として生じる力が一定レベルを超えると、フランジ５４は、剪断作用により壊れる。 次いでプランジャ４４が、自由に動くようになり、雷管に向かって押し出される。 プランジャが雷管に到達すると、環状壁４８が、雷管のカバーセクション３２Ｃを取り囲み、環状壁４８の先端が、フランジ３２Ｂを支える。 或る量の水が、上面４６とカバーセクション３２Ｃの閉じ込める対面する表面の間の密閉室９４に封入される。 この水は、密閉室９４から容易に漏れることはできず、かつ、圧縮できず、プランジャが雷管に向かって移動を続けるにつれて、プランジャの中の運動エネルギーと、比較的大きい直径の第２の区画７０の中の圧力とが、機械力へ転換され、それは、密閉室９４の中の水によって、カバーセクション３２Ｃに及ぼされる。 このセクションは、変形するか、またはその他の要領でケーシング３２の内部へ滑り込み、この力によってアンビル３２Ｄに向かって押される。 別の手法においては、摩擦によってケーシング３２に接合しているカバー３２Ａは、摺動によってアンビル３２Ｄに接触する。 雷管の内側は加圧されており、そのため、アンビルとカバーセクションとの間の感応材料が、当技術分野では周知のプロセスに従って起爆される。

上記したところにより、プランジャの環状壁４８は、一般的な意味で、雷管のカバーセクション３２Ｃに向かって進むシリンダと同等とみなすことができ、雷管のカバーセクション３２Ｃは、やはり一般的な意味で、ピストンとみなすことができるということは明らかである。 従って、本発明の一形態では、環状壁４８は、カバーセクション３２Ｃをより多く、またはより少なく取り巻いてもよい。 しかし、別の装置においては、環状壁４８の先端が、変形するか、または崩れて、密閉室９４は閉じ込められる。 強い力によって効果的に密閉が行われ、水は、有意の程度には、密閉室から漏れることはできない。 例えば、環状壁４８の先端が、カバーセクション３２Ｃの表面またはその隣接面に衝突する場合には、密閉室９４からの水の有意な漏れを妨げるように、表面が変形するか、または屈曲することにより、同様の効果が発揮される。

図５は、図２と同様であって、アクチュエータ／雷管の好適な関係を示す図である。 フランジ３２Ｂは、ケーシング３２の一部であり、カバーセクション３２Ｃは、別個に形成され、ケーシングの内側のカップ状のピストンとなっている。 従って、アクチュエータの環状壁４８がフランジ３２Ｂに衝突すると、密閉壁９４の中で伝達される実質上すべての力が、カバーセクション３２Ｃへ移転され、それによってカバーセクション３２Ｃは、アンビル３２Ｄに向かって押される。

これらの各種の効果またはプロセスを、別の形で実現させるか、または適切に組み合わせて、雷管への力の移転が効果的に行われるようにすることができる。

雷管の内部に、より高い圧力を作り出させる別の因子、従って、雷管のチャージを効果的とし、かつ確実に起爆させるようにする別の因子は、プランジャ４４の直径が、環状壁４８の直径より有意に大きいという事実にある。 プランジャの内部で生成されるすべての力が、環状壁４８で利用可能であるが、環状壁４８によって囲まれる面積は、プランジャの断面積より著しく小さいため、アクチュエータと雷管との間に閉じ込められている水に加えられる圧力は、著しく増加することとなる。 雷管は、高感度物質を含有しており、高感度物質は、次いで、前進するプランジャによって伝達される力によって確実に起爆される。

プランジャと雷管との間の空洞６０は、カートリッジが水に浸されている時には、空気がまったくない。 開口部６２および６４は、空洞の中に当初閉じ込められていた可能性のある空気が、水を通して表面に容易に逃げ出させるようになっている。 空気は圧縮可能であるため、カートリッジが水中にある時に、空気が空洞の中に存在すると、最大力が雷管に伝達されないため、これは重要である。 しかし、カートリッジが空気中にある間に、導火線ヘッドが、偶然に、または意図的に点火された場合には、たとえプランジャが雷管に向かって推進されても、少量の空気が密閉室９４の中に閉じ込められてしまう。 しかし、空気は圧縮可能であるため、雷管に対して生成される力は、雷管の爆発を引き起こすのに十分ではないことがある。

起爆チャージは、比較的少量の発射火薬であり、岩石の中の穴の外側で発火しても、通常は、著しい身体的危害、または装置の破損をもたらすことはない。

側壁２０は、第１の区画の内部に保持することのできるメインチャージの量を最大とするために、薄くなっている。 従って側壁は、メインチャージを適切に爆燃させるためにメインチャージを起爆させた時、十分な圧力に耐えることはできない。 起爆チャージが発火した時点で、プランジャは雷管に向かって推進される。 プランジャは水を移動させ、それによって圧力波を生成し、圧力波は、開口部６２および６４を通して周囲の水に伝達され、周囲の水は、側壁２０の外面に作用する。 これによって、メインチャージの適切な爆燃と、それによるカートリッジ内の圧力の上昇とを可能にする閉じ込めメカニズムが確立される。

起爆チャージの発火と、メインチャージの起爆との間に起きる事象は、数ミリ秒で発生する。 起爆チャージによって生成される圧力波は、メインチャージが起爆された時、メインチャージを取り囲まなければならないため、メインチャージを適切に発火させる上で極めて重大である。 この点で、タイミングが悪いと、カートリッジの性能は低下させられることとなる。 しかし、タイミングの中に、カートリッジの中における構造的な態様とが正しいと、メインチャージを適切かつ効果的に爆燃させることとなる。 破裂する際のハウジング１２からのエネルギーの急激な放出により、穴の中の水に圧力波を生じさせ、この圧力波は、応力波の形で周囲の岩石に移転され、岩石の亀裂を引き起こさせる。