地下鉱山坑道掘削岩盤発破設計計画
はじめに 地下坑道掘削における岩盤発破設計は、採掘プロセスにおいて極めて重要な部分です。設計の妥当性は、掘削効率、コスト、安全性、そして周辺岩盤への影響に直接影響します。最適化された岩盤発破計画は、掘削速度の向上、発破振動の抑制、周辺岩盤の安定性確保、そしてその後の採掘作業にとって好ましい条件の創出を可能にします。本稿では、複数の文献に基づき、地下坑道掘削における岩盤発破設計の重要な要素と実践的な手法について概説します。
発破設計のための事前準備 地質条件分析：鉱山の地質、特に岩石の種類、硬度、節理や破砕帯の分布について詳細に把握します。例えば、節理や破砕帯は応力波の伝播や岩石の破砕に影響を与える可能性があります。正確な地質情報は、現地調査、ボーリングデータ、地球物理学的調査を通じて収集する必要があります。岩石の種類や硬度によって発破パラメータは異なり、硬い岩石の場合は通常、より高い発破量と適切な坑井レイアウトが必要となります。
エンジニアリング要件の定義：坑道の寸法、断面形状、掘削方向を明確にします。例えば、円形坑道と長方形坑道では異なる発破設計が必要であり、長方形坑道の角部では、プロファイルを制御するために特別な穴配置が必要になる場合があります。必要な掘削速度を考慮します。掘削速度を速くするには、より効率的な発破技術とパラメータの組み合わせが必要になる場合があります。
爆破穴レイアウト設計 スロットホール設計:
スロッティング工法の選択：一般的なスロッティング工法には、くさび形スロッティングと直孔スロッティングがあります。くさび形スロッティングは中軟岩から軟岩に適しています。斜めのスロット孔は、後続の発破のためのくさび形の自由面を形成します。直孔スロッティングは硬岩に使用され、平行な空孔が自由面と補償空間を形成し、周囲の装填孔が破砕を行います。キャビティスロッティングやフラグメント排出スロッティング発破（CCFT）などの革新的なスロッティング技術が研究・適用されています。例えば、デュアルスローホールを備えた平行スロッティング設計（P-DFH）は、底部装填を強化し、2段階のデトネーションを発生させることで、より完全なスロットキャビティを形成し、従来の高密度掘削の限界を克服します。
スロットホールパラメータの決定：スロットホールの深さ、間隔、角度を指定します。効果的なスロッティングを確保するため、スロットホールの深さは通常、他の発破孔よりも15～20%深く設定します。中硬岩の場合、くさび形のスロット角度は岩石の特性に応じて60～75°、間隔は0.5～1.0mです。直孔スロッティングの場合、空孔と充填孔の間隔は通常0.2～0.5mです。
補助（緩和）孔：スロット孔と周縁孔の間に配置され、スロット容積を拡大し、周縁部の爆薬を装填するための自由面を確保します。補助孔の間隔は通常、周縁孔の間隔よりもいくらか広く、爆薬の装填量も比較的多めにすることができます。中硬岩の場合、補助孔の間隔は0.6～0.8mで、装薬量は岩石の特性に合わせて調整します。
外周（コンター）孔：坑道のプロファイルを制御し、断面が設計寸法に適合していることを確認するために使用されます。プロファイル制御には、外周孔の間隔と装薬量が重要です。数値シミュレーションと現地試験の結果、特定の条件下（例えば、開陽リン鉱山の深部坑道）では、外周孔間隔S = 0.70 m、線装薬密度β = 0.9 kg/m、デカップリング係数ζ = 2.5の条件で、オーバーブレーク/アンダーブレークを最小限に抑えた良好なコンター発破結果が得られました。外周孔に砂タンピングを使用することで、周囲の岩石への損傷が軽減され、爆破エネルギーの利用率が向上します。
発破パラメータ設計 装薬量計算：装薬量は発破結果に影響を与える重要な要素であり、通常、岩石の特性、孔径、孔深、孔間隔によって決まります。一般的な経験式には、体積式と単位消費量式があります。例えば、体積式Q = qVで、Qは装薬量、qは岩石単位体積あたりの爆薬消費量、Vは発破対象となる岩石の体積です。単位消費量qは岩石の強度に依存し、通常は0.3～1.5 kg/m³の範囲です。
発破順序と遅延時間：合理的な発破順序と遅延時間の設定により、発破振動を抑制し、破砕性を向上させることができます。通常、最初にスロット孔、次に補助孔、最後に周縁孔の順に発破します。遅延時間は、岩石の破砕時間と飛散時間、そして振動低減を考慮する必要があります。例えば、スロット孔と補助孔間の遅延時間は25～50ミリ秒、補助孔と周縁孔間の遅延時間は50～100ミリ秒とすることができます。数値シミュレーションと現場試験により、遅延時間を最適化し、破砕性を向上させ、振動を低減することができます。
発破資材および機器の選定 爆薬の選定：鉱山の状況に適した爆薬の種類を選択してください。地下坑道掘削では、安全性が高く、威力も中程度の爆薬（例えば、エマルジョン爆薬）が一般的に使用されます。エマルジョン爆薬は耐水性に優れ、性能が安定しているため、ほとんどの地下発破作業に適しています。ガスが発生しやすい炭鉱では、安全規則に従い、鉱山用に承認された爆薬のみを使用する必要があります。
起爆装置と雷管の選択：一般的な起爆装置には、電気雷管と衝撃管雷管（非電気式）があります。電気雷管は操作が簡単で信頼性が高いですが、迷走電流が発生する環境では危険を伴う場合があります。衝撃管雷管は静電気と迷走電流に耐性があり、地下発破で広く使用されています。複雑な発破環境では、電子雷管が使用される場合があります。電子雷管は正確な発破タイミング制御を可能にし、発破効果と安全性を向上させます。
発破効果の予測と評価 数値シミュレーションによる予測：数値シミュレーションソフトウェア（アンシス/LS-DYNAなど）を用いて、坑道発破の数値モデルを構築します。岩石の力学的パラメータ、孔のレイアウト、発破パラメータを入力することで、発破中の岩石の破砕、飛散、振動をシミュレーションできます。例えば、シミュレーションによって、異なるスロッティング方法や発破パラメータが掘削結果に及ぼす影響を評価し、設計の最適化のための基礎を得ることができます。
現地試験評価：本格的な掘削工事の前に、小規模な現地試験を実施します。岩盤の破砕、坑道断面の形成、発破振動の測定などにより、発破効果を評価します。試験結果に基づいて設計を調整・最適化し、大規模工事においても十分な性能を確保します。
安全対策 安全距離の決定：爆発物の量と岩石の特性に基づいて発破安全距離を設定します。安全距離内に立入禁止区域を設定し、安全を確保することで、不正な立ち入りを防止します。地下坑道発破の場合、安全距離は通常100～300mですが、具体的な値はケースバイケースで算出されます。
換気と粉塵対策：ブラスト作業ではガスと粉塵が発生するため、速やかに除去する必要があります。空気の質が安全基準を満たすよう、局所的な換気ファン、ダクト、その他の換気設備を使用してください。さらに、作業員の粉塵曝露を軽減するため、散水やミスト散布を実施してください。
発破振動制御：発破パラメータ（装薬量の制御、適切な発破順序と遅延時間の設定など）を最適化することで、周囲の岩盤や構造物への発破振動の影響を軽減します。振動の影響を受けやすい地域では、プレスプリッティング、スムースブラスト、その他の制御技術によって振動をさらに抑制できます。
結論 地下鉱山の坑道掘削における岩盤発破計画の策定は、地質条件、工学的要件、発破材料、そして安全対策を考慮する必要がある複雑かつ体系的な作業です。合理的な坑道レイアウト、正確な発破パラメータ設計、適切な爆薬と起爆装置の選定、そして厳格な安全手順を踏むことで、効率的、安全、そして経済的な坑道掘削を実現できます。数値シミュレーションと現地試験は、発破性能を予測・評価し、様々な鉱山の固有の条件に合わせて設計を継続的に最適化し、採掘効率と経済的収益を向上させるために活用されるべきです。
