Long-Distance Impact Detonation of Energy-concentrating Interval Charges and Its Application in Tunnel Blasting

岩盤を貫くトンネルが掘り進められる地球の深部では、掘削作業は力と精密さの繊細なバランスに依存しています。岩石を粉砕する際にトンネルの壁を破壊したりエネルギーを無駄にしたりしないために、エンジニアはしばしば「エアデック・チャージング」と呼ばれる技術を用います。爆薬をドリル穴の中に完全に詰め込むのではなく、爆薬の区間の間に小さな空気の隙間を残す手法です。この配置により、爆発エネルギーがより均一に広がり、岩石が崩れてしまうのではなく、きれいに破砕される可能性が高まります。数十年にわたり、これら分離された爆薬を起動させる標準的な方法は、穴の長さに沿って配置された、高爆薬を充填した細く柔軟なコードでした。この方法は効果的ではあるものの、設置が複雑であり、重大な安全上のリスクを伴います。近年、エンジニアたちは、長い脆弱なコードを必要とせずに、単一の地点から複数の爆薬セクションを起動できる、より安全で信頼性の高い代替手段を模索してきました。

山東科技大学の研究チームと複数の鉄道建設グループは、従来のコードに代わり、集中した金属の噴流（ジェット）を用いる新しいアプローチを検討しました。彼らの研究は、作動すると高速の金属ジェットを生成し、それがトンネルの穴を通って次の爆薬セクションを直撃する装置に焦点を当てています。課題は距離にあります。金属ジェットが移動するにつれて、ホースから出る水が離れるにつれて圧力が低下するように、速度が落ち、拡散していきます。研究者たちは、この金属ジェットが次の爆発を引き起こすのに十分な強さを保てるのは、具体的にどの程度の距離までなのか、そして実際のトンネル環境において一連の爆薬を確実に起動させることができるのかを知りたいと考えました。

これらの疑問に答えるため、チームは高度なコンピュータ・モデリングと物理的なフィールドテストを組み合わせました。まず、ドリルによる爆破穴の条件を模した鋼鉄製のパイプ内を、金属ジェットが形成され移動する様子をシミュレーションすることから始めました。強力なソフトウェアを使用して、ジェットの速度と、それが衝突する爆薬材料に及ぼす圧力を追跡しました。シミュレーションの結果、金属ジェットは最初の爆発による衝撃波よりも速く移動し、次のチャージに先に到達することが明らかになりました。ジェットが爆薬に衝突すると、「ホットスポット」として知られる、極めて小さく強烈な熱と圧力の地点が生成され、材料に点火します。コンピュータ・モデルによに拠れば、このプロセスは理論上、最大2.49メートルの距離まで確実に機能しますが、研究者たちは実世界の条件下ではこれがわずかに減少する可能性があると指摘しています。

チームは次に、コンピュータから現場へと移り、これらの知見を現実の世界で検証しました。彼らは、トンネルの爆破穴の厳しい制約をシミュレートするために、継ぎ目のない鋼鉄パイプを用いたセットアップを構築しました。そこに、採鉱で一般的に使用されるエマルション爆薬のセクションを特定の感覚で配置しました。一つのセクションには、爆発を金属ジェットとして集中させるように設計された特殊な円錐形のライナーが装備されており、後続のセクションは起動を待つ状態にあります。最初のテストセットでは、爆薬を2.35メートル間隔で配置しました。結果は成功でした。金属ジェットは全距離を移動して第2のチャージに衝突し、失敗することなく爆発を引き起こしました。第二のテストセットでは、4つの爆薬セクションを1メートルの間隔で配置しました。金属ジェットは最初の3つのセクションを正常に起動させ、ジェットが分解し始めていたとしても、爆発するセクションからの衝撃波が最後のチャージを起動させるのに十分な強さを持っていました。

これらの実験により、金属ジェットが従来の短距離テストの能力を大きく上回る長距離においても、爆薬を確実に起爆できることが確認されました。研究者たちは、距離が増すにつれてジェットの速度が低下し、その結果、爆発が始まるまでの時間が増加することを発見しました。しかし、テストされた最大距離である2.35メートルにおいても、ジェットは爆発を引き起こすのに十分なエネルギーを保持していました。この発見は、この手法が多くのトンネリングのシナリオにおいて、従来の雷管コードを置き換えるのに十分な堅牢性を備えていることを示唆しています。

この知見の実用的な影響は、実際のトンネルプロジェクトにおいて実証されました。建設チームは、標準的な雷管コードをこれらのエネルギー集中型デバイスに置き換え、10回の爆破サイクルを実施しました。結果は即座に、かつ測定可能な形で現れました。新しい手法は爆破の安定性を向上させ、つまり、岩石を砕くために穴がより効果的に使用されるようになりました。具体的には、「ハーフホール（爆破後に壁面に残る、精密な爆破を示すきれいな目印）」の割合が、従来の方法と比較して、ほぼ5パーセント増加しました。さらに、この新技術は、高価な雷管コードを排除し、設置時間を短縮したことにより、1サイクルあたり約3,000元（元）の消耗品コストを削減しました。本研究は、この長距離衝撃起爆法が、より安全で効率的、かつ経済的なトンネル爆破の方法を提供し、将来のエンジニアによる深部掘削へのアプローチを変える可能性があると結論付けています。