岩盤ボルト穴：ボルトの保持力を左右する掘削方法
ロックボルトの性能は、それが打ち込まれる穴の状態に左右されます。最高級の鋼材、最高の樹脂カートリッジを使用し、規定トルクで完璧に締め付けたとしても、穴の角度が間違っていたり、破断面を貫通していたり、直径が間違っていたりすれば、ボルトは破損してしまいます。ボルトの性能は穴の状態に依存し、そして穴の状態は、それを作るドリルビットとドリルロッドの性能に依存するのです。
屋根ボルトは、地下鉱山やトンネル工事で最も一般的な地盤支持方法であり、それには正当な理由があります。迅速で柔軟性があり、鋼製セットや吹付けコンクリートライニングのコストのほんの一部で済むからです。しかし、スピードと低コストは、ボルトが正しく行われた場合にのみ有効です。ボルトが挿入される前の、掘削の観点から見た「正しく行われる」とはどういうことか、以下に説明します。
穴の角度：すべてを決定づける幾何学
ロックボルトは、破砕帯や降伏帯の先の堅固な岩盤に固定し、張力を加えることで、緩んだ岩盤を背後の安定した岩盤に押し付けることで機能します。そのためには、ボルトが岩盤層を適切な角度で貫通する必要があります。
基本的なルールは、ボルトは可能な限り岩盤面に対して垂直に取り付けることです。岩盤面に対して斜めに取り付けられたボルトは、非対称な応力分布を生み出します。つまり、ボルトの一方の側に他方よりも大きな荷重がかかり、支圧板が平らに密着せず、ボルトの有効な締め付け力が低下します。
層状岩盤や積層岩盤では、理想的なボルトの角度は、掘削面に垂直である必要はなく、層理面に垂直であるべきです。層理面に平行なボルトはほとんど効果がありません。それは、本の背表紙からページを釘で打ち込もうとするようなものです。釘が滑り方向と平行になっているため、ページは滑り合う可能性があります。
狭い地下坑道で、手持ちドリルを使って正確な角度で穴を掘るのは、想像以上に難しい。ドリルビットは岩盤に接触した瞬間からずれようとする。作業者はドリルの重さと格闘しなければならない。ドリルの始点を示すマークの位置は、地面が不均一な場合もある。そして、穴の最初の数センチがずれていると、残りの部分もずれてしまう。テーパー状のドリルロッドは、一度岩盤に刺さってしまうと、方向を変えることができないのだ。
解決策はセットアップにあります。穴の位置を明確にマークし、ドリルビットが岩盤に接触する前にロッドが目標の角度になるようにドリルを配置し、ビットがきれいなカラーを形成するまで、軽い送り圧力と低速回転で穴を開け始めます。最初の数秒間の掘削が、その穴に挿入されるボルトが本来の役割を果たすかどうかを左右します。
穴の深さ：破断点で止めないでください
ボルト穴が浅すぎる場合、つまり、固い岩盤に届かず、亀裂や風化層で止まってしまう場合、ボルトは支えきれない地盤に固定されていることになります。地盤が少しでも動くと、固定点も一緒に移動し、ボルトの張力が失われてしまいます。
必要な穴の深さはボルトの長さによって決まり、ボルトの長さは地質によって決まります。ボルトは、推定される破砕帯から少なくとも0.3～0.5メートル、堅固な岩盤まで伸びている必要があります。破砕帯の厚さが2メートルであれば、少なくとも2.5メートルのボルトが必要となり、穴はボルトの全長と樹脂カートリッジを収容できる十分な深さが必要です。
これは当然のことのように聞こえるかもしれません。しかし、穴の深さの要件がドリルビットとドリルロッドの選定に影響を与えることは、それほど明白ではありません。3メートル以上の深いボルト穴（大規模な鉱山ではよくあることです）を掘るには、途中で延長部を追加することなくその深さまで到達できる十分な長さのドリルロッドが必要です。また、その深さでまっすぐに掘削でき、ふらつかないドリルビットも必要です。さらに、作業員の身長よりも長い穴から切削屑を排出できるほど強力な水流も必要です。
断裂帯：目に見えない穴
最悪のボルト穴は、亀裂面にまっすぐ穴を開け、反対側の緩い地盤に突き出ている穴だ。ボルトは挿入され、樹脂が固まり、すべて順調に見える。しかし、地盤に最初の荷重がかかると、ボルトはしっかりと固定されていないブロックに固定されていたため、抜け落ちてしまう。
掘削作業員の責任は、ドリルが発する音に注意を払うことです。ビットが亀裂帯に到達すると、掘削速度が変化します。通常、ビットが地盤の割れ目や亀裂を貫通するにつれて速度が上がります。ドリルの音も変化し、衝撃音が鋭さを失い、空洞のような音になります。洗浄水や空気が穴から上向きに戻ってくるのではなく、亀裂に漏れ込むため、洗浄水の戻り量が減少する可能性があります。
これらの兆候のいずれかが見られた場合、掘削孔が重大な亀裂に遭遇したことを意味します。目標深度付近で発生した場合は、ボルトはまだ使用できる可能性があります。亀裂がアンカーゾーンより上にある可能性があるためです。しかし、それより早い段階で発生した場合は、掘削孔を放棄し、別の場所または角度で再掘削する必要があります。亀裂帯に掘削を続け、そこにボルトを設置することは、既に破損しているボルトを設置することになります。
樹脂ボルト締め：きれいな穴を必要とする化学反応
樹脂アンカーボルトは、現代の鉱山で最も一般的なタイプであり、ボルトの前に穴に挿入される2液性樹脂カートリッジに依存している。ボルトを穴に回転させると、カートリッジが破裂し、樹脂と硬化剤が混合され、その混合物がボルトの周囲で固まって化学アンカーを形成する。
樹脂が適切に接着するためには、孔壁が清潔である必要があります。掘削時に孔内に残った岩粉、切削屑、泥などは、樹脂が岩石と十分に接触するのを妨げ、接着強度を低下させます。切削屑で満たされた孔では、樹脂がボルトと孔壁の間の環状空間に流れ込むこともできず、樹脂は隙間に流れ込むのではなく、孔の外に押し出されてしまいます。
解決策は、掘削中に十分なフラッシングを行い、穴が所定の深さに達した後に最終的なパージを行うことです。ドリルビットの進行が停止した後、フラッシング水または空気をさらに数秒間流し、穴に残っている切削屑を取り除きます。これは数秒で済み、樹脂結合の信頼性を大幅に向上させます。
ドリルボルト接続
岩盤ボルト締めと岩盤掘削は通常、異なる作業班によって行われます。掘削班が穴を開け、ボルト締め班がボルトを設置します。しかし、ボルト締めの品質は掘削段階で決まります。角度や深さが間違っていたり、穴の壁が汚れていたりといった、掘削不良の穴に設置されたボルトは、どれほど丁寧に設置しても失敗に終わります。
掘削作業員にとって、これはボルト穴が単なる穴ではないことを理解することを意味します。それらは地盤支持システムの基盤であり、それらを開けたドリルビットとドリルロッドは安全チェーンの最初のリンクなのです。
