ベンチブラストにおける岩塊発生量の削減：爆薬量を増やすことが解決策にならない理由
地表発破の仕事を少しでも経験したことがある人なら、その気持ちはよくわかるでしょう。発破後、土砂の山に近づくと、そこには小型車ほどの大きさの岩が6個ほど、かつて最前列にあった場所に鎮座しているのです。掘削機のオペレーターは、あの表情を浮かべます。プロジェクトマネージャーは、頭の中で二次的な破損コストを計算し始めます。そして、必ず誰かが、聞きたくないことを口にするのです。「次のラウンドでは、もっと火薬を追加した方がいいかもしれませんね。」
小さな採石場が経営できるほどのANFOを消費した後、私が身をもって学んだ教訓はこうだ。岩石破砕の問題は、ほとんどの場合、爆薬不足が原因ではない。エネルギーが間違った場所に伝わっていることが原因なのだ。漏れを塞げば、破砕は自然に解決する。
ステップ1：パラメータに触れる前に岩石を調査する
穴の間隔を変える前、火薬量を調整する前、数値をいじる前に、まずはベンチの表面を歩いて確認しましょう。実際に目で見て確かめてください。
最前列の穴とベンチの上部は、巨岩が出てくる場所であり、それには理由があります。最前列の穴は、前回の爆破、数ヶ月にわたる風化、自由面の緩和によって既に損傷を受けた岩盤に打ち込まれるからです。上部のベンチはどうでしょうか？上から下まで同じことが言えます。これらのゾーンは、20メートル離れたところからは見えないものの、爆薬のエネルギーを確実に奪ってしまうような、開いた節理や微細な亀裂が網の目のように張り巡らされています。
爆轟波が開いた亀裂に当たると、亀裂をきれいに通過するわけではありません。応力波は反射、散乱し、圧力を失います。それに続くガス（適切に設計された爆破では実際に岩石を破壊する主な原因となる物質）は、掘削孔の壁を加圧するのではなく、亀裂の中に直接噴出します。結果として、爆薬は爆発し、地面は揺れましたが、亀裂間の岩石は破壊するのに十分な持続的な圧力を受けることはありませんでした。
地質境界でも同じことが起こります。粘土層、せん断帯、風化した岩脈にぶつかると、応力波はぴたりと止まります。境界の向こう側の岩はそのまま押し出され、岩塊となって土砂の山に落ち、二次破砕班はその後3日間、その岩塊を呪うことになるでしょう。
まず第一歩は、何も調整することではありません。ベンチの上を歩き回り、スプレーペイントで描いたスケッチに問題箇所をマークしていくことです。例えば、前列の岩盤が割れている箇所、粘土層が露出している箇所、上部の岩盤が風化している箇所などです。エネルギーがどこから漏れているのかが分からなければ、穴を塞ぐことはできません。
ステップ2：実際に結果に影響を与える2つのパラメータ
どのゾーンで戦闘になるかが分かれば、闇雲に行動するのではなく、賢明に戦略を調整できる。
まず最初に注目すべきパラメータは、穴の配置パターンです。驚くべきことに、いまだに多くの採石場では、いわゆる「伝統的な」配置、つまり穴の間隔が狭く、比較的大きな負荷をかけるという方式が採用されています。間隔の狭い穴の方が破砕効果が高いと考えられているからです。しかし、実際はその逆です。間隔が狭く負荷が大きいと、ベンチの先端にエネルギーギャップが生じ、そのギャップから誰もが嫌う巨礫やベンチ先端の残骸が生まれてしまうのです。
やり方を変えてみましょう。間隔を広げれば、負担は軽減されます。穴と穴の間隔を広げつつ、列を自由面に近づけるのです。こうすることで、2つのメリットが得られます。まず、負担が軽減されるため、最前列の穴は先端が残ることなく、きれいに底まで割れます。次に、間隔を広げることで（隣接する穴同士のエネルギーの重なりが最大限になるように計算すれば）、密集したパターンで無駄な重なりが生じることなく、岩盤全体をカバーできます。破砕はより均一になり、1立方メートルあたりの穴の数も減ります。つまり、コスト削減にもつながるのです。
2つ目のパラメータは火薬量で、重要なのはこれをショット全体に対する一つの数値として扱わないことです。破砕された最前列には、基準値よりも1立方メートルあたり10～20%多くの爆薬を投入します。これは単に威力を上げるためではなく、既存の亀裂からのエネルギー漏れを補うためです。最前列の後ろにある無傷の岩盤は基準値のままです。そして、最後の斜面壁付近では、火薬量を実際に減らします。斜面の安定性は安全性の問題であり、生産性の指標ではないため、周辺部で過剰に発破すると、6か月後に現れる楔形崩壊を引き起こすことになります。
少しずつ調整してテストしてください。問題のある箇所に10%追加して発破し、掘削して、掘削土砂の山を確認します。まだ岩塊が残っている場合は、15%に増やしてください。焦って25%にいきなり増やさないでください。過剰発破は費用を無駄にするだけでなく、飛散岩、過剰な振動、そして次の掘削を困難にするギザギザの背面壁を生み出します。
ステップ3：緩衝材として泥を少し残しておく
クリーンフェイス発破（前回の発破で発生した土砂を全て取り除いてから次の発破を行う方法）は、見た目がすっきりするため、多くの採掘現場で標準的に採用されています。また、これは巨石の採掘量が多い大きな要因の一つでもあります。その理由を以下に説明します。
最前列の岩が空に向かって発射されると、岩の動きに抵抗するものは岩自身の慣性以外には何もありません。爆発エネルギーは大きく2つの部分に分かれます。1つは岩をその場で破壊する応力波、もう1つは砕けた岩を前方に押し出すガスの膨張です。ベンチの前に何もないため、ガスの膨張段階はそのエネルギーのほとんどを飛翔に費やします。つまり、岩を抵抗を受けることなく、岩面から外側に向かって加速させるのです。破片は飛び、着地し、衝突も粒子間の粉砕も起こらず、大きな破片を小さな破片に変えるものもないため、そのままの塊としてそこに留まります。
緩衝発破（掘削面に沿って幅2～4メートルの土砂堆積物を残す方法）は、物理法則を完全に変えます。最前列の発破機は、開けた空間ではなく、この土砂堆積物に向かって発破します。岩石の破片は残された堆積物に激突し、互いに衝突します。飛散によって無駄になるはずだった運動エネルギーは、衝撃と粉砕による二次的な破壊に変換されます。その結果、破片は小さくなり、飛散岩石は減り、より密度の高い土砂堆積物が形成され、掘削が容易になります。
この方法がうまくいくためには、いくつかの条件を満たす必要があります。まず、残留する堆積物は十分な密度があり、しっかりとした抵抗力を発揮する必要があります。ゆるくふわふわした堆積物では不十分です。次に、粉体係数を10～20%上げる必要があります。これは、抵抗に逆らって破砕するには、自由空間に破砕するよりも多くのエネルギーが必要となるためです。さらに、各列の破片が次の列に到達する前に緩衝材に衝突して粉砕する時間を確保するため、列間の遅延時間は、クリーンフェイスブラストよりもわずかに長くする必要があります。
ステップ4：トップで何が起こっているかを忘れない
充填ゾーン（爆薬ではなく不活性物質で満たされた掘削孔の上部）は、飛散岩の制御のために設けられており、安全上の観点からは必須です。しかし、これには問題があります。爆薬の充填位置が掘削孔の下部から始まるため、ベンチの最上部には直接的な爆薬エネルギーがあまり伝わらないのです。さて、次に岩塊がどこから飛来してくるかは想像に難くありません。
この問題を解決するためにステミングを短くすることはできません。そうすると、フェイスバーストやフライロック事故が発生します。しかし、効果的な現場のコツがあります。ステミングの柱の中に小さなブースターチャージを置き、ステミングを吹き飛ばさずにカラーゾーンを破砕するのに十分なエネルギーを与えるように配置します。フルチャージではなく、上部の岩にひびが入るのに十分な量で、ガス膨張で固いスラブのままではなく、ラウンドの他の部分と一緒に砕けるようにします。このテクニックで、カラーゾーンのボルダリングが慢性的な問題だったベンチで、トップボルダリングの数が半分以下に減ったのを見たことがあります。
ついでに、新しい穴のパターンに合わせて開始シーケンスを同期させましょう。間隔が広く負荷が小さい場合は、行ごとの電子遅延が最適です。各行がバッファに確実にアクセスでき、破片が衝突し、次の行が堆積物が沈降して抵抗を失う前に到着します。
これがO2ロックブレイクとどう関係するのか
今説明したことはすべて、標準的なベンチブラスト装置で従来型の爆薬を使用することを前提としています。しかし、制御されたエネルギー放出、亀裂からの漏洩の最小化、自由飛翔ではなく拘束された膨張の使用といった原理は、まさに非爆薬式岩盤破砕システムを効果的にするものです。
O2岩石発破システムは、化学爆発ではなく液体酸素の相変化膨張という、根本的に異なるメカニズムで動作します。しかし、効果的な岩石破砕の物理原理は同じです。抵抗に抗して制御された膨張を行うことで、制約のない飛散よりも優れた破砕効果が得られます。ANFOを使用する場合でもLOXを使用する場合でも、既存の亀裂はエネルギーを奪います。そして、発破を設計する前に岩盤の状態を理解することが、穴に何を入れるかに関わらず、きれいな土砂の山になるか、岩塊だらけになるかの分かれ目となります。
飛散岩、振動、許可取得が大きな制約となる、インフラ設備に近接する採石場において、O2システムは緩衝発破や慎重な火薬量管理では部分的にしか解決できない問題を解決します。飛散岩がゼロであれば、装薬の妥協は不要です。エネルギー放出が制御されているため、亀裂からのガス放出もありません。また、安全距離が数百メートルから100メートルに短縮されます。道路や建物に囲まれた採石場では、この距離の短縮が操業の可否を左右する可能性もあります。
