(57)【要約】【課題】比較的簡易な装置を利用して、周辺環境への影響を最小限に抑えた状態で岩石や岩盤等を破砕することを可能とした破砕装置およびこれを利用した破砕方法を提案する。【解決手段】並設された一対の加熱手段２，２と、加熱手段２同士の間に配設された衝撃手段３と、加熱手段２，２の外側に配設された温度センサ４とを備える破砕装置１である。衝撃手段３は、破砕対象物Ｒに対して非接触で衝撃を加える。加熱手段２，２は、破砕対象物Ｒの衝撃が加えられる領域の外側を非接触で加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
破砕対象物に対して非接触で加熱する複数の加熱手段と、
前記破砕対象物の前記複数の加熱手段によって加熱される部分同士の内側の領域に対して衝撃を加える衝撃手段と、を備えることを特徴とする、破砕装置。
【請求項２】
並設された一対の前記加熱手段と、
前記加熱手段同士の間に配設された前記衝撃手段と、を備えることを特徴とする、請求項１に記載の破砕装置。
【請求項３】
三つ以上の前記加熱手段が等間隔で環状に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載の破砕装置。
【請求項４】
前記複数の加熱手段が、前記破砕対象物と交差する回転軸を中心に回転可能に設けられており、
各前記加熱手段と前記回転軸との距離が同一であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の破砕装置。
【請求項５】
前記衝撃手段が、圧縮空気吐出器またはパルスレーザ発振器であることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の破砕装置。
【請求項６】
温度センサを備えていることを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の破砕装置。
【請求項７】
破砕対象物を非接触で加熱して当該破砕対象物の内部に亀裂を生じさせる工程と、
内部に亀裂が生じた前記破砕対象物の表面に衝撃を加えることで、当該破砕対象物の表層部分を除去する工程と、を備えていることを特徴とする、破砕方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、岩石や岩盤等を破砕するための破砕装置および破砕方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
岩石や岩盤等（以下、「岩石等」という）を破砕する際には、例えば、削岩機、大型ブレーカ、トンネル掘削機等を利用した機械式工法や、爆薬を利用した発破工法等が採用されている。しかしながら、前記従来の破砕方法は、大きな騒音や振動を伴うため、周辺環境への影響が懸念されていた。また、削岩機や大型ブレーカ等を使用する機械式工法では、反力をとる必要があるため、装置が大規模になってしまう。
そのため、騒音や振動等が発生し難い方法として、例えば、特許文献１には、燃料と圧縮空気とを混合して燃焼させた火炎を用いて岩石等を加熱することで、岩石等に亀裂を生じさせるとともに劣化部分を吹き飛ばす方法が開示されている。また、特許文献２には、岩石等に照射したレーザービームで昇温させることにより、岩石等を破砕する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開昭６１−９７４９２号公報
【特許文献２】特開２００７−２１５１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の破砕方法は、火炎により限定された幅の溝を穿つことを目的としているため、一定の範囲に対して大きく岩石や岩盤等（以下、「岩石等」という）を破砕するものではない。
また、特許文献２の破砕方法は、レーザービームによって破砕対象となる岩石を昇温させるとともに冷却するものであるため、温度管理に手間がかかる。また、レーザービームを照射する範囲は限定されており、一定の範囲に対して大きく岩石等を破砕するものではない。
このように、特許文献１，２の破砕方法を利用して一定の範囲において大きく岩石等を破砕するためには、局所的な破砕を繰り返す必要があり、手間がかかるとともにエネルギー効率が悪い。
本発明は、前記の問題点を解決することを目的とするものであり、比較的簡易な装置を利用して、岩石等を簡易に破砕することを可能とした破砕装置およびこれを利用した破砕方法を提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決するために、本発明の破砕装置は、破砕対象物に対して非接触で加熱する複数の加熱手段と、前記破砕対象物の前記複数の加熱手段によって加熱される部分同士の内側の領域に対して衝撃を加える衝撃手段とを備えるものである。例えば、二つの加熱手段によって二か所を加熱する場合には、加熱される破砕対象物表面の二か所の被加熱部分に挟まれた領域に対して衝撃を加える。また、三つ以上の加熱手段によって三か所以上を加熱する場合には、破砕対象物表面の三か所以上の被加熱部分によって囲まれた領域に対して衝撃を加える。また、複数の加熱手段により筒状に加熱する場合には、破砕対象物表面の筒状の被加熱部分によって囲まれた領域に対して衝撃を加える。
このような破砕装置は、例えば、並設された一対の前記加熱手段と、前記加熱手段同士の間に配設された前記衝撃手段とを備えたものであればよい。また、破砕装置は、三つ以上の前記加熱手段が等間隔で環状（多角形状）に配設されたものであってもよい。また、破砕装置は、前記複数の加熱手段が前記破砕対象物と交差する回転軸を中心に回転可能に設けられており、各前記加熱手段と前記回転軸との距離が同一であるものであってもよい。さらに、前記衝撃手段には、圧縮空気吐出器（エアガン等）またはパルスレーザ発振器を使用すればよい。
また、前記破砕装置を利用した本発明の破砕方法は、破砕対象物を非接触で加熱して当該破砕対象物の内部に亀裂を生じさせる工程と、内部に亀裂が生じた前記破砕対象物の表面に衝撃を加えることで、当該破砕対象物の表層部分を除去する工程とを備えるものである。
【０００６】
かかる破砕装置および破砕方法によれば、岩石や岩盤等（以下、「岩石等」という）を加熱手段によって加熱することで部分的に膨張させ、この膨張部分に囲まれた領域あるいは挟まれた領域に亀裂を生じさせることができる。そして、この亀裂が生じた部分に対して、衝撃手段によって衝撃を加えることで当該部分を岩石等の表層部から剥離させる。岩石等には、加熱手段による加熱により予め亀裂が形成されているため、剥離しやすく、衝撃手段として大掛かりな装置を要しない。そのため、破砕装置の小型化を図ることができるとともに、破砕時に生じる騒音や振動を最小限に抑えることができ、周辺環境に対する影響が少ない。また、簡易に一定の範囲に対して岩石等を大きく破砕することができる。なお、衝撃手段として、非接触により衝撃を与える装置（エアガンやパルスレーザ発振器等）を使用すれば、大きな反力をとる必要がないため、破砕装置をより簡易な設備にすることができる。加熱手段による加熱は、対象領域が膨張する程度に加熱すればよいため、加熱した部分を冷却して劣化させる従来の破砕方法に比べて、温度を低めに設定することができ、同じ量の破砕を行う際に与える熱エネルギーを減ずることができる。なお、破砕装置に温度センサを装備して温度管理を行ってもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の破砕装置およびこれを利用する破砕方法によれば、周辺環境への影響を最小限に抑えた状態で岩石や岩盤等を破砕することできる。また、破砕装置が小型なため、取り扱いやすく、作業性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】（ａ）は第一実施形態に係る破砕装置を模式的に示す平面図、（ｂ）は同破砕装置による作用効果を示す模式図である。
【図２】（ａ）は第二実施形態に係る破砕装置を模式的に示す斜視図、（ｂ）は同破砕装置による作用効果を示す模式図である。
【図３】（ａ）は第二実施形態に係る破砕装置の他の形態を模式的に示す斜視図、（ｂ）は同破砕装置による作用効果を示す模式図である。
【図４】（ａ）は第三実施形態に係る破砕装置を模式的に示す斜視図、（ｂ）は同破砕装置による作用効果を示す模式図である。
【図５】破砕装置を利用した施工例を示す側面図である。
【図６】破砕装置を利用した他の施工例を示す断面図である。
【図７】破砕装置を利用した他の施工例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
＜第一実施形態＞
第一実施形態では、破砕装置１を利用して岩石や岩盤等を破砕する場合について説明する。破砕装置１は、図１（ａ）に示すように、加熱手段２と、衝撃手段３と、温度センサ４とを備えている。加熱手段２、衝撃手段３および温度センサ４は、棒状の取付手段５に固定されている。なお、取付手段５の形状は限定されるものではなく、例えば、枠状、環状またはコ字状であってもよい。また、取付手段５を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、形鋼や押出成形材を使用すればよい。
【００１０】
加熱手段２は、破砕対象物（岩石や岩盤等）Ｒを非接触で加熱する。本実施形態では、一対の加熱手段２，２が、間隔をあけて並設されている。各加熱手段２は、破砕対象物Ｒの表面の離れた位置をそれぞれ加熱する。加熱手段２は、ガス管６１を介してガス源（ガスボンベ、ガスタンク等）６に接続されているとともに、エア管７１を介してコンプレッサー７に接続されている。加熱手段２は、ガス源６から供給されたガスおよびコンプレッサー７から供給された酸素を燃焼してなる火焔により破砕対象物Ｒの表面を加熱する。
【００１１】
衝撃手段３は、いわゆるパルスレーザ発振器からなり、破砕対象物Ｒに対して非接触で衝撃を加える。衝撃手段３は、パルスレーザ発生装置８に接続されていて、パルスレーザ発生装置８から供給されたパルスレーザを破砕対象物Ｒの表面に照射する。なお、衝撃手段３は、パルスレーザ発信器に限定されるものではなく、例えばエアガン（圧縮空気吐出器）であってもよい。本実施形態の衝撃手段３は、加熱手段２同士の間（取付手段５の中間部）に配設されていて、一対の加熱手段２，２により加熱された部分（被加熱部分Ａ１）の間の領域（破砕領域Ａ２）に対して衝撃を加える。なお、加熱手段２同士の間には、複数の衝撃手段３が配設されていてもよい。また、衝撃手段３は、加熱手段２，２の外側に並設されていてもよい。また、衝撃手段３は、必ずしも加熱手段２の横に並設されている必要はなく、加熱手段２の上側または下側に並設されていてもよい。
【００１２】
温度センサ４は、破砕対象物Ｒの温度を測定する。本実施形態では、二つの温度センサ４，４が、それぞれ加熱手段２の外側に配置されている。すなわち、一対の温度センサ４，４の間に加熱手段２，２および衝撃手段３が並設されている。なお、温度センサ４の数及び配置は限定されるものではなく、例えば、一対の加熱手段２，２の間に配設されていてもよい。また、温度センサ４は、必ずしも加熱手段２，２および衝撃手段３の横に並設されている必要はなく、例えば、加熱手段２の上または下に並設されていてもよい。本実施形態では、加熱手段２により加熱された領域の温度を、温度センサ４により非接触で測定する。温度センサ４は、いわゆる赤外線温度計であって、非接触で破砕対象物Ｒの表面温度を測定する。なお、温度センサ４は、必ずしも赤外線温度計である必要はない。また、温度センサ４は、破砕対象物Ｒの表面温度とともに、内部の温度を測定してもよい。さらに、温度センサ４の測定範囲は、被加熱部分Ａ１および破砕領域Ａ２を含めた範囲であってもよい。
【００１３】
次に、破砕装置１を利用した岩石や岩盤等(以下、岩石等という)の破砕方法を説明する。この破砕方法では、まず、加熱手段２により破砕対象物Ｒを非接触で加熱して破砕対象物Ｒの内部に亀裂を生じさせる。加熱手段２により加熱すると、図１（ｂ）に示すように、加熱された被加熱部分Ａ１が膨張し、被加熱部分Ａ１，Ａ１に挟まれた破砕領域Ａ２に膨張圧が作用するため、破砕領域Ａ２に微細な亀裂が多数生じる。ここで、岩石等の熱伝導率は、金属等と比較して小さいため、岩石等の表面を加熱した場合には表面から浅い部分のみが昇温する。加熱された岩石等は熱膨張するため、被加熱部分Ａ１，Ａ１によって挟まれた領域には、前面側方向の引張力が作用して、内部に亀裂が生じる。
次に、内部に亀裂が生じた破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表面に対して、衝撃手段３によりパルスレーザを照射して衝撃を加える。パルスレーザの衝撃により、亀裂が生じた破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表層部分が剥落して、破砕対象物Ｒから除去される。なお、衝撃手段３による衝撃は、加熱手段２による加熱と同時に加えてもよい。
【００１４】
以上、本実施形態の破砕装置１および破砕装置１を利用した破砕方法によれば、非接触で岩石や岩盤等（以下、「岩石等」という）を破砕することができるため、破砕時に生じる騒音や振動を最小限に抑えることができ、周辺環境に対する影響が少ない。また、衝撃手段３は、非接触により衝撃を与えるため、大きな反力をとる必要がなく、破砕装置１の小型化を図ることができる。また、簡易に一定の範囲に対して岩石等を大きく破砕することができる。
破砕装置１の据付方法は限定されるものではなく、例えば、架台により支持してもよいし、建設機械に取り付けてもよい。
また、対象領域（被加熱部分Ａ１）が膨張する程度に加熱すればよいため、被加熱部分Ａ１を劣化させる従来の破砕方法に比べて、加熱温度を低めに設定することができる。そのため、従来の方法と比べて、同じ量の破砕を行う際に与える熱エネルギーの量を減ずることができる。また、温度センサ４を使用しているため、加熱時の温度管理をより確実に行うことができる。なお、破砕対象物Ｒが溶融すると、被加熱部分Ａ１の熱膨張による膨張圧が吸収されてしまうため、破砕対象物Ｒに亀裂が生じ難くなる。そのため、被加熱部分Ａ１の温度管理を行うことで、破砕作業を確実に実行することが可能となる。
【００１５】
＜第二実施形態＞
第二実施形態では、第一実施形態と同様に、破砕装置１を利用して岩石や岩盤等を破砕する場合について説明する。破砕装置１は、図２（ａ）に示すように、加熱手段２と、衝撃手段３とを備えている。本実施形態では、四つの加熱手段２，２，…が、枠状（正方形状）の取付手段５の各角部にそれぞれ固定されている。衝撃手段３は、取付手段５の中央部に保持材５１を介して固定されている。なお、加熱手段２の数および配置は限定されるものではないが、加熱手段２が等間隔（正多角形状の頂点）に配設されることが好ましい。また、取付手段５の形状等も限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示す破砕装置１のように、三つの加熱手段２，２，２が、環状（リング状）の取付手段５に等間隔に（正三角形の頂点に位置するように）配置されていてもよい。
この他の加熱手段２および衝撃手段３の詳細は、第一実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。
【００１６】
本実施形態の破砕装置１を利用した岩石や岩盤等の破砕方法では、まず、加熱手段２により破砕対象物Ｒを非接触で加熱して破砕対象物Ｒの内部に亀裂を生じさせる。加熱手段２により加熱すると、加熱された被加熱部分Ａ１が膨張するため、被加熱部分Ａ１，Ａ１，…に囲まれた破砕領域Ａ２には膨張圧によって微細な亀裂が多数生じる（図２（ｂ）参照）。
加熱手段２による加熱後、或いは加熱手段２による加熱と同時に、破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表面に対して、衝撃手段３によりパルスレーザを照射して衝撃を加える。パルスレーザの衝撃により、亀裂が生じた破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表層部分が剥落して、破砕対象物Ｒから除去される。
以上、本実施形態の破砕装置１および破砕装置１を利用した破砕方法によれば、破砕領域Ａ２を囲うように加熱することで、破砕領域Ａ２に対してより確実に亀裂を生じさせることができる。この他の第二実施形態の破砕装置１および破砕装置１を利用した破砕方法の作用効果は、第一実施形態と同様なため、詳細な説明は省略する。
【００１７】
＜第三実施形態＞
第三実施形態では、第一実施形態と同様に、破砕装置１を利用して岩石や岩盤等を破砕する場合について説明する。破砕装置１は、図４（ａ）に示すように、加熱手段２と、衝撃手段３とを備えている。
本実施形態では、一対の加熱手段２，２が、互いに間隔をあけた状態で取付手段５に固定されていて、取付手段５の中間部（加熱手段２同士の中間部）に衝撃手段３が固定されている。取付手段５は、中間部において回転可能に軸支されている。すなわち、各加熱手段２と取付手段５の回転軸ａ（取付手段５の中間部）との距離は同一である。
この他の加熱手段２および衝撃手段３の詳細は、第一実施形態で示した内容と同様なため、詳細な説明は省略する。
【００１８】
本実施形態の破砕装置１を利用した岩石や岩盤等の破砕方法では、まず、加熱手段２により破砕対象物Ｒを非接触で加熱して破砕対象物Ｒの内部に亀裂を生じさせる。加熱手段２による破砕対象物Ｒの加熱は、取付手段５を回転軸ａを中心に回転させながら行う。加熱手段２により加熱すると、リング状に加熱された被加熱部分Ａ１が膨張するため、被加熱部分Ａ１に囲まれた破砕領域Ａ２には膨張圧によって微細な亀裂が多数生じる（図４（ｂ）参照）。
加熱手段２による加熱後、或いは加熱手段２による加熱と同時に、破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表面に対して、衝撃手段３によりパルスレーザを照射して衝撃を加える。パルスレーザの衝撃により、亀裂が生じた破砕領域Ａ２（破砕対象物Ｒ）の表層部分が剥落して、破砕対象物Ｒから除去される。
以上、本実施形態の破砕装置１および破砕装置１を利用した破砕方法によれば、破砕領域Ａ２を囲うように加熱することで、破砕領域Ａ２に対してより確実に亀裂を生じさせることができる。この他の第三実施形態の破砕装置１および破砕装置１を利用した破砕方法の作用効果は、第一実施形態と同様なため、詳細な説明は省略する。
【００１９】
以上、本発明に係る実施形態について説明した。しかし、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
本実施形態の破砕装置１およびこれを利用した破砕方法の対象となる工事は限定されるものではない。例えば、岩石の大塊Ｒ１の小割（図５参照）、シールド機のカッタヘッドＣより前方の巨礫Ｒ２の割岩（図６参照）、山岳トンネルの切羽Ｋの掘削（図７参照）、または、法面の転石の割石等に適用可能である。
【００２０】
また、前記実施形態では、衝撃手段３として、非接触型のものを使用したが、衝撃手段３は、接触型（破砕対象物Ｒの表面を直接打撃する方式）であってもよい。
また、温度センサ４は必要に応じて設置すればよく、省略してもよい。
加熱手段２、衝撃手段３および温度センサ４が制御手段（図示せず）に接続されていて、それぞれ、制御手段により制御可能に構成されていれば、作業の自動化や無人化が可能となる。すなわち、温度センサ４によって測定された破砕対象物Ｒの表面温度に応じて加熱手段２および衝撃手段３を制御することで、作業を自動化することができる。
また、破砕装置１が距離センサを備えていれば、破砕装置１を簡易に適切な位置に据え付けることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１    破砕装置
２    加熱手段
３    衝撃手段
４    温度センサ
５    取付手段
６    ガス源
７    コンプレッサー
８    パルスレーザ発生装置
Ａ１  被加熱部分
Ａ２  破砕領域
ａ    回転軸
Ｒ    破砕対象物（岩石や岩盤等）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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