(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切羽面に装填された無線起爆雷管が、遠隔位置に配置される操作機により発せられる制御信号により予定された順次動作を開始し、且つ前記操作機よりの制御信号に応じた内容の返信信号を発し、前記操作機が前記返信信号を受信して該受信内容を解釈して次の動作を順次行い、前記無線起爆雷管を起爆させるようにした遠隔無線起爆システムにおいて、
洞床、洞側壁又は洞天井の地盤に固定して設置され、
前記操作機から前記無線起爆雷管に対して送付される制御信号を送信し、かつ、
前記無線起爆雷管から前記操作機に対して送付される返信信号を受信する、
ことを特徴とする遠隔無線起爆システム用アンテナ。
【請求項２】
地盤に固定して設置された部材に固定したことを特徴とする請求項１記載の遠隔無線起爆システム用アンテナ。
【請求項３】
地盤に固定して電気的に接地することを特徴とする請求項１に記載の遠隔無線起爆システム用アンテナ。
【請求項４】
切羽面から０ｍ〜３０ｍ以下に近接設置したことを特徴とする請求項１に記載の遠隔無線起爆システム用アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トンネル掘削などにおける発破工法に利用される遠隔無線起爆システム用アンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のトンネル掘削などにおける発破掘削工法は、発破作業として、掘削切羽面の至る所に適正数量削孔された発破孔に、爆薬と起爆のための雷管を装填し、多くは結線作業を行った後、最終的に発破を行うものであった。発破作業の一行程である結線作業については、柔軟な脚線や導火管を接続するために自動化が困難であり、現在においても作業者が人手で行わざるを得ない。結線作業を行う現場の切羽近くは、岩盤崩落や落石等による人身事故の危険性をはらんでおり、安全上の問題が残されている。
【０００３】
特に、露出岩石等による不安定な足場、湧水や崩落土砂による脚線・導火管の埋没や手もとの照度不足などの厳しい作業環境において、数10ないし100個以上の雷管を確実に結線するには、多くの労力と時間を要しており、発破作業の合理化が切望されてきた。このようにトンネルや地下空間等の発破作業における切羽近傍への立ち入りは、上記の通り岩盤の崩落や落石等の危険性が高いため出来る限り短時間で完了するか、立ち入りを避けるため一次復工としてロックボルト、支保鋼及び吹付コンクリート等が施された、切羽面から少なくとも２ｍ以上離れた場所から遠隔で装薬や結線作業を行うことが望ましいとされた。
【０００４】
そこで、このような要望に応えるものとして、特公昭５０―２８６２１に開示されるように電磁誘導の応用により送信コイルと雷管に内蔵された受信コイルと間の電磁誘導で起爆エネルギーを伝送し、送信コイルの発生磁界を消滅させることを起爆指令とした結線作業が不要な無線起爆システムが提案されてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記特公昭５０―２８６２１に開示された遠隔起爆技術においては、無線起爆雷管の点火エネルギー蓄積状況を遠隔的に確認して制御する手段がなく、また従来の電気雷管での装薬後の導通チェックに相当する起爆装置の異常検知手段がないなど、単に送信コイルと受信コイルとの電磁誘導で点火エネルギーを伝送する技術だけでは、起爆の信頼性と安全性を確保することができないという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、切羽全面に装填された個々の無線起爆雷管の全てと操作機側からの制御信号や無線起爆雷管からの返信信号を送受信する十分な信頼性を有する通信ができ、起爆の信頼性と安全性の向上を図ることができる遠隔無線起爆システム用アンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る遠隔無線起爆システム用アンテナは、遠隔操作により切羽面に装填された無線起爆雷管を起爆させるようにした遠隔無線起爆システムにおいて、該無線起爆雷管に対して送信または受信するためのアンテナを洞床、洞側壁、洞天井等の地盤に固定して設置したことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る遠隔無線起爆システム用アンテナは、請求項１において、地盤に固定して設置された部材に固定したことを特徴とする。地盤に固定して設置された部材とは、地下掘削の支保材として用いられる洞壁に設置されたロックボルトや支保鋼をいう。
請求項３に係る遠隔無線起爆システム用アンテナは、請求項１又は２において、地盤に固定して電気的に接地することを特徴とする。洞壁等の大地に接地することで、岩盤大地を無限に広がる導体板、無限地板として１／４波長モノポールアンテナは、半波長ダイポールアンテナと等価な特性を持つようになる。
【０００９】
請求項４に係る遠隔無線起爆システム用アンテナは、請求項１又は２又は３において、切羽近傍に近接設置したことを特徴とする。切羽近傍とは、切羽面から３０ｍ以下の近さのことをいい、望ましくは１０ｍ以下、更に望ましくは６ｍ以下の近さのことをいう。アンテナの設置作業は、雷管の結線と比較するとはるかに安全且つ容易であり、従って、アンテナの設置位置として０ｍの位置もあり得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナをトンネル発破において、切羽面に装填された無線起爆雷管からの返信信号を操作機が受信する手段として用いた実施の形態の一例を図を参照して説明する。図１に本発明の実施の形態の一例である遠隔無線起爆システム用アンテナを用いた遠隔無線起爆システムを示す。
図１において、符号１は操作コンソール、送信回路、電力アンプ及び受信回路等（共に図示せず。）の主要回路からなる操作機１であり、この操作機１は、飛石等による破損の心配のない例えば切羽面１４から１００〜２００ｍ程離れ、安全対策が施された点火所等に設置される。電力アンプには電力ケーブル２が接続され、電力ケーブル２の他端は切羽面１４の近傍に設置されたループ状の送信コイル３に接続され、操作機１の送信回路からの電流は電力ケーブル２を通じて送信コイル３に供給、切羽面に所定の交流磁界エネルギーを発生する。
【００１１】
発破手順に沿った操作指示は、操作機１の送信回路に制御信号として伝達される。送信回路は、制御信号の入力がないときは、一定振幅、一定周波数の交流正弦波信号を発生し、制御信号が入力されたときは、出力する交流正弦波信号の周波位相又は振幅を制御信号に応じて変化させ、送信コイル３が発生する交流磁界が制御信号により変調され、切羽面の全面に装填された無線起爆雷管１０の全てに送信される。
【００１２】
後述の無線起爆雷管１０は、制御信号に応じた返信信号を変調し高周波電流として脚線状アンテナ２９から電波を輻射する。その電波は、切羽近傍に設置された本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４から信号ケーブル５を介して復調回路ボックス６内の復調回路で受信され、復調回路の出力は操作機１内の受信回路へ伝達される。操作機１は、この受信内容を解釈し、次の動作に移る。
尚操作機１からの制御信号を電波を用いて送信する場合にも、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４を利用することが可能である。
【００１３】
図２に無線起爆雷管１０を装薬孔９内に装填した状態を、図３には無線起爆雷管１０の回路ブロック図をそれぞれ示す。
無線起爆雷管１０は、図２に示すように、岩盤状態によって異なる削孔長数１０ｃｍ〜３ｍの最奥位置に装薬設置され、無線起爆雷管１０と爆薬１１は、従来のトンネル発破掘削工法と同様に、掘削切羽断面の至る所に適正数量削孔された多数の装薬孔９に装填され、各装薬孔９には込物１２も同様に装填される。図３に示すように、無線起爆雷管１０の受信コイル１９と同コイルに挿入される高透磁率物質からなるコア１８は、送信コイル３から送信された交流磁界エネルギーを受け、受信コイル１９に起電力を発生する。
【００１４】
受信コイル１９にはコンデンサを含む共振回路２０が接続され、受信コイル１９に生じる起電力は効率的に電力として取り出される。共振回路２０に生じた交流電流は、整流充電回路２１中のダイオードにより直流に整流され、同回路内のコンデンサに充電される。このコンデンサに蓄えられた電気工ネルギーによって、全体制御CPU２４、復調回路２７、変調回路２８が駆動される。
【００１５】
復調回路２７には変調交流信号が入力され、復調回路２７は変調交流信号を制御信号に復調して全体制御CPU２４に出力する。全体制御CPU２４は復調回路２７から出力された制御信号を解釈し、点火起爆全体の制御を行い、起爆用充電回路２３の電気エネルギーで最終的に電気雷管部２６を起爆する。
復調回路２７から全体制御CPU２４に出力された制御信号が、無線起爆雷管１０から所定の信号の返信を要求する内容であった場合、全体制御CPU２４は、制御信号に応じた返信内容を変調回路２８に出力する。変調回路２８は、返信内容によって変調された高周波電流を脚線状アンテナ２９に出力し、脚線状アンテナ２９から電波を輻射する。
【００１６】
無線起爆雷管１０から操作機1への送受信手段として、利用する電波は、微弱電波や特定小電力無線局等の電波法施行規則に定められる空中線電力規制値以下に抑え、免許を要しない範囲内で利用することが望ましい。また、切羽全面に装填された無線起爆雷管１０のうち特に最下列付近に装填されたものは崩落土砂による埋設や、切羽面からの湧水等で水没した厳しい環境状態において、制御信号や返信信号を無線で送受信するためには、電波の周波数は低く出来る限り波長の長い電波の方が、岩盤による吸収損失は小さくできるが、あまり周波数が小さすぎると、扱いやすい3m程度の長さの無線起爆雷管１０の脚線状アンテナ２９では電波輻射効率が低下し、かえって好ましくない。周波数帯の選定によっては、操作機1側の半波長ダイポールアンテナでは、数ｍ規模の比較的大規模のアンテナが必要となる。さらに、無線起爆雷管１０の受信コイルに生じる電子回路駆動用や電気雷管起爆エネルギー以外の限られた起電力を使って無線電波で通信するためには、高出力の電波も使えない。以上岩盤による吸収損失と脚線状アンテナ２９の輻射効率、アンテナ規模及び消費電力を勘案すると、微弱電波での通信が好ましい。電波の周波数は10MHz〜60MHzが好ましく、さらに40MHz〜30MHzがより好ましい。
【００１７】
ここで、微弱電波を用いて通信する場合、上記のような厳しい環境とノイズ等の影響を受けやすいため、アンテナは出来る限り切羽面に近接して設置することが必要で、発破の飛石によるアンテナ破損は免れず、半波長ダイポールアンテナやループアンテナ、八木アンテナのようにエレメントの多いものを使い捨てのように利用することは経済的でない。
図６に本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４の電流分布と指向性を記号的に書いた模式図を示す。
【００１８】
半波長ダイポールアンテナのように，高周波源の両端子をアンテナ導体に接続するアンテナは、非接地アンテナと呼ばれているのに対し、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４は、フィーダーの先端の片側を洞壁に設置された部材、例えばロックボルト７や支保工１３を通して大地に接続するため、接地アンテナと言える。
フィーダーの先端を高周波源におきかえ，記号的に書くと図６のようになり，高周波電力は大地とアンテナ導体との間に加えられ、１／４波長モノポールアンテナが、半波長ダイポールアンテナと等価な特性を持つようにすることが可能である。
【００１９】
以上より微弱電波による通信においても、切羽全面に装填された無線起爆雷管１０の全てと十分な信頼性を有する通信ができ、しかも、脚線状の比較的安価な１／４波長モノポールアンテナでよいため、切羽面に近接して設置することで飛石等によってアンテナが損傷しても、経済的に問題とならない遠隔無線起爆システム用アンテナ４を提供することが可能である。
次に、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４の設置方法について、実際の使用例を通してさらに詳述する。
【００２０】
トンネル掘削工法として多く用いられるＮＡＴＭ工法において、図５に示すロックボルト７は、吹付コンクリート１７施工後にトンネル掘削断面から放射状にトンネル洞壁面の全周にわたり一定間隔で、モルタルや樹脂等の固着材とベヤリングプレート１６とナット１５でトンネル内壁に固着される。また、アーチ状の支保工１３は、吹付コンクリート１７とロックボルト７等とともにトンネルの安定を保つ支保部材の一つであり、想定される作用荷重に耐えるよう建て込みの間隔が決められて施工される。
【００２１】
ロックボルト７への本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４の設置方法は、例えば、図４及び図５に示すように、ロックボルト７のねじ山に合ったナットを有するアンテナ・送信コイル固定用ナット８を頂上付近のロックボルト７にねじ込みぶら下げるように固定する。アンテナは１本のみでなくトンネル両端上方適所に２本以上ぶら下げるように、もしくは横断するように両端上方を渡して横方向に、またはトンネル進行長方向に張ることも可能である。ぶら下げるように固定したアンテナを張るために、単に錘をつり下げる他アンテナの頂部にコイルやコンデンサを挿入したローディングの役割をもつものを錘として利用することも可能である。
【００２２】
又ロックボルト７とアンテナ・送信コイル固定用ナット８の電気的接続が不良な場合は、導電性成分を含むグリスや締結剤を塗布する。さらに図４に示すとおり、ケーブル固定用フックを取り付けておけば送信コイル３、及び信号ケーブル５を同時に切羽面１４に近接設置することができ、より設置作業効率を向上させることが可能である。
アンテナ４の材質は、アルミニウム、銅、鉄、ニクロム等の金属導体で、電線、より線等のように高周波電流が通電可能なアンテナ４に適した材料で電気雷管の脚線のような比較的安価な電線でもよい。
【００２３】
アンテナ４と信号ケーブル５は、信号ケーブル接続端子３０で接続され、同軸ケーブル、平行２線式フィーダー、比較的安価なテレビ受信用フィーダー等特性インピーダンスマッチングが可能な材料を用いる。信号ケーブル５は、トンネル洞壁面に近接して固定された送信コイル３の固定フックに沿わせて固定する事で発破の飛石等による破損を良好に防止する効果が得られる。
又遠隔無線起爆システム用アンテナ４と信号ケーブル５のインピーダンスマッチングを必要とする場合は、アンテナ・送信コイル固定用ナット８に調整ボックスを設けて、コイルやコンデンサ等の必要電子部品を内蔵することも可能である。
【００２４】
一方支保工１３に設置する場合は、良好な電気的接続が確保できるようあらかじめ接続端子を敷設しておくのが望ましい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明では、遠隔無線起爆システム用アンテナ４を地盤に固定して設置することで、発破の飛石等に対する保護手段を容易に設けることができるので、アンテナや信号ケーブルの損傷を良好に防止することができるという効果が得られる。
また、ロックボルト７や支保工１３など、洞壁に通常設けられていることの多い部材を用いて遠隔無線起爆システム用アンテナ４を洞壁面に固定することにより、アンテナ４の地盤への固定敷設作業を容易且つ確実に行うことができるという効果が得られる。
【００２６】
更に、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４を前記ロックボルト７や支保工１３などを通して洞壁の大地に接地することで、岩盤大地を無限に広がる導体板、無限地板として１／４波長モノポールアンテナが、半波長ダイポールアンテナと等価な特性を持ち、電波法の規制に抵触しない微弱電波による通信においても、切羽全面に装填された無線起爆雷管１０の全てと十分な信頼性を有する通信ができ、起爆の信頼性及び安全性の向上を図ることができるという効果が得られる。
【００２７】
更に、本発明の遠隔無線起爆システム用アンテナ４を切羽面１４に近接設置する事によって、微弱電波による通信の信頼性をさらに向上する効果が得られ、更に脚線状の比較的安価な１／４波長モノポールアンテナで良いため発破の飛石等によってアンテナ４が損傷しても経済的に問題とならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である遠隔無線起爆システム用アンテナ４を用いた遠隔無線起爆システムを説明するための説明図であり、トンネル内壁を斜線部分でカットした概略斜視図である。
【図２】切羽面１４に削孔された装薬孔９に無線起爆雷管１０と爆薬１１を装填した状態を示す断面図である。
【図３】無線起爆雷管１０の回路ブロック図である。
【図４】アンテナ・送信コイル固定用ナットの平面図である。
【図５】トンネル内壁に施工されたロックボルト７へアンテナ・送信コイル固定用ナットを取り付けた状態を示す断面図である。
【図６】接地アンテナの電流分布と指向性を記号的に書いた模式図である。
【符号の説明】
１…操作機
２…電力ケーブル
３…送信コイル
４…アンテナ
５…信号ケーブル
６…復調回路ボックス
７…ロックボルト
８…アンテナ・送信コイル固定用ナット
９…装薬孔
１０…無線起爆雷管
１１…爆薬
１２…込物
１３…支保工
１４…切羽面
１５…ナット
１６…ベヤリングプレート
１７…吹付コンクリート
１８…コア
１９…受信コイル
２０…共振回路
２１…整流充電回路
２２…定電圧回路
２３…起爆用充電回路
２４…全体制御ＣＰＵ
２５…スイッチ回路
２６…電気雷管部
２７…復調回路
２８…変調回路
２９…脚線状アンテナ
３０…信号ケーブル接続端子
【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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