JP2007120048A

JP2007120048A - 岩石掘削方法

Info

Publication number: JP2007120048A
Application number: JP2005310727A
Authority: JP
Inventors: Sadao Nakai; 貞雄中井; Masanori Yamanaka; 正宣山中; Manabu Butani; 学部谷; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK; Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK; Graduate School for the Creation of New Photonics Industries
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】掘削部分の大きさを制御することが可能なレーザ光を用いた岩石掘削方法を提供する。
【解決手段】岩石の表面に小孔を開ける工程、及び、前記小孔の周囲にレーザ光を照射する工程を有するようにした。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光照射の熱応力による制御された岩石掘削方法に関するものである。

レーザ光を用いた岩石掘削方法としては、従来特許文献１に記載の方法が知られているが、この方法では、まず岩石をレーザ光により加熱し、次いで冷却剤によって岩石を冷却することを繰り返すことにより、レーザ熱応力により岩石を破壊する。

すなわち、図３（ａ）に示すように、まずレーザ照射手段２から射出したレーザ光１１を、レンズ４でデフォーカスした状態で、岩石１０表面に照射し、岩石１０表面を加熱する。次いで、図３（ｂ）に示すように、冷却剤噴射手段５から岩石１０の加熱部分２０に冷却剤２１を拡散状態で噴射して、岩石１０にクラック１６を生じさせる。
特開平５−１３３１８０号公報

しかしながら、このような方法によっては、急速加熱と急速冷却を繰り返して行うことにより、膨張と収縮を交互に起こし、岩石１０を熱応力により破壊するので、クラック１６の入る状態をコントロールすることはできず、掘削部分の大きさを制御することは不可能である。

そこで本発明は、掘削部分の大きさを制御することが可能なレーザ光を用いた岩石掘削方法を提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る岩石掘削方法は、岩石の表面に小孔を開ける工程、及び、前記小孔の周囲にレーザ光を照射する工程を有することを特徴とする。

このような本発明に係る岩石掘削方法によれば、初期条件として、まず岩石の表面に最適な配置で小孔を先導的に開け、この小孔に人工的な傷としての働きを担わせる。次にこの小孔を中心としてその周囲にレーザ光を照射することにより岩石を加熱し、岩石の表面部分にこの加熱による引張応力を発生させることにより、先に開けた小孔から岩石の深さ方向にクラックが生じる。一方、岩石の深部は冷たく圧縮応力が生じていることより、小孔から発生したクラックはある程度の深さで進行方向を変え、小孔の軸に対して垂直方向（横方向）に延長し、岩石を破砕する。

また、複数の小孔を設けて、その周囲にもレーザ光を照射して岩石の深さ方向に複数のクラックを生じさせることにより、これらのクラックが先に岩石内部に形成された小孔の軸に対して垂直方向のクラックと合流して、岩石表面の一部が岩石から切り離される。この結果、岩石表面の一部を剥離することも可能となる。

岩石の表面に小孔を開ける方法としては特に限定されず、いかなる方法によってもよいが、レーザ光を岩石の表面に照射することによって、断面形状が円形又は楕円の小孔を開けることができる。また、例えば削孔機やドリル等を用いて小孔を開けてもよい。

岩石の表面に開ける小孔の、配置、個数、大きさ（断面積、深さ）、形等は、岩石の掘削予定箇所の大きさにより適宜設定すればよい。

岩石に照射するレーザ光としては特に限定されないが、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、液体レーザ、自由電子レーザ等のレーザ光を用いることができる。なかでもＹＡＧレーザ、半導体レーザ等の高出力レーザのレーザ光を照射するのが好ましい。

効率良く、かつ、目的の掘削範囲を高い精度で破壊するためには、レーザ光を岩石の表面に照射する際には、レーザ光をレンズで絞込み、レーザ光を集光してから照射するのが好ましい。

このような岩石掘削方法に使用する掘削機としては特に限定されないが、例えば、レーザ照射部と、前記レーザ照射部から射出された光を集光する集光レンズを備えているレーザ岩石掘削機を用いることができる。このようなレーザ岩石掘削機も本発明の１つである。

このように本発明によれば、岩石に予め小孔を開け、レーザ光を照射して岩石を加熱することにより、岩石表面近傍には引張応力が生じて小孔から岩石内部にクラックが延長し、また、岩石内部の相対的に温度の低い部分では圧縮応力が生じているので、深さ方向に延長してきたクラックが小孔の軸に対して垂直方向に曲がり、岩石の予定した範囲を制御して掘削することができる。更に、小孔を複数設けることにより、岩石表面の一部を剥離するようにクラックを形成することも可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本実施形態に用いるレーザ岩石掘削機１は、図１に示すように、レーザ照射部２と集光レンズ３を有しており、レーザ照射部２から射出されたレーザ光１１は集光レンズ３により集光され、岩石１０の表面に照射される。

レーザ照射部２は、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、液体レーザ、自由電子レーザ等からなり、特に高出力のＹＡＧレーザや半導体レーザであるのが好ましい。

集光レンズ３は、レーザ照射部２から射出されたレーザ光１１を岩石１０の目標箇所に集光する。レーザ照射部２と集光レンズ３との距離又は集光レンズ３と岩石１０との距離を変化させることにより、岩石１０表面の照射面積を変えることができる。

レーザ岩石掘削機１を用いて岩石１０を掘削するには、まず初期条件として、レーザ光１１を集光レンズ３で絞込み、岩石１０の表面に照射し、最適な配置で岩石１０表面に単数又は複数の小孔１３ａ、ｂ、ｃを先導的に開け、この小孔１３ａ、ｂ、ｃに人工的な傷としての働きを担わせる。次いで小孔１３ａを中心とするその周囲に、ある程度絞り込んだレーザ光１１を照射して加熱し、岩石１０の表面近傍に加熱による引張応力１５を発生させ、この引張応力１５により小孔１３ａから深さ方向へクラック１６ａを生じさせる。

一方、岩石１０の深さ方向は、相対的に温度が低く圧縮応力１７が生じているので、小孔１３から発生したクラック１６ａは途中で方向を変えて小孔１３ａの軸に対して垂直方向に延長する（１６ｂ）。

更に、小孔１３ｂ、ｃの周囲にも小孔１３ａと同様にレーザ光１１を照射して、小孔１３ｂ、ｃから深さ方向へクラック１６ｃ、ｄを生じさせると、岩石１０の深さ方向に進行するクラック１６ｃ、ｄは、やがて先に形成されたクラック１６ｂに到達し、岩石１０表面の一部が岩石１０から切り離されるようにクラック１６ａ、ｂ、ｃ、ｄが形成される。この結果、岩石１０表面の特定の箇所を剥離することも可能となる。

本実施形態において、小孔１３ａ、ｂ、ｃの配置、個数、大きさ（断面積、深さ）、形状や、レーザ光の照射強度、照射タイミング等を適宜設定することにより、掘削部の大きさ（面積、深さ）を制御することが可能となる。

以下に岩石（石灰岩）のレーザ破砕実施例を示す。実験目的は、図１に示した、レーザ照射によって小孔（１３ａ）とそれに続くクラック（１６ａ）の発生・成長を実証することである。使用レーザはＣＷ半導体レーザで、レーザ波長は８０８ｎｍ、入射パワーは５０、１００、１５０Ｗであった。図２に示すように、レーザ照射はスキャン照射を行ない、計８つの照射スポットを得た。１スポットごとの照射時間を３、６、９、１２秒と変化させた。岩石サンプルは石灰岩であり、縦４ｃｍ、横４ｃｍ、高さ１．５ｃｍであった。

実験結果の一例として、入射パワー１５０Ｗ、照射時間１２秒の実験結果を図２に示す。このときの総投入エネルギーは１４．４ｋＪ（＝１５０×１２×８）となる。図２（ｂ）に示すように、レーザ照射領域が白色化しており、白色化領域の底部から縦方向へクラックが発生している。このクラックはスキャン方向につながっており、岩石は２つに割れている。総投入エネルギーが７ｋＪを超えた場合、同様の結果となった。また、上方から見ると、８つの照射痕があり、その中央に小孔を確認できる。

図２の実験結果を図１と照合すると、白色領域が小孔１３ａ、縦クラックがクラック１６ａに対応すると考えられる。観測結果について考察すると、小孔・白色化領域はレーザの直接照射効果であるアブレーション又は化学変化によって引き起こされる。図１でも述べたように、縦クラックは熱応力によって発生・成長したと考えられる。この縦クラックはレーザの照射領域よりも大きな空間領域にまで成長するため、岩石破砕の高速度化にとって有効である。

本実施例では、縦クラック発生・成長までを実証した。それに続く横クラック（１６ｂ、図１参照）の発生についてはレーザ光軸方向の温度勾配を形成すればよい（縦クラック発生は光軸方向と垂直な方向に温度勾配を形成させた）。このためには、レーザの集光位置を岩石内部に配置させる、イン・フォーカスの光学配置を用いればよい。

以上のように、レーザ誘起クラックによる、新たな岩石破砕は実現可能であり、本発明の有効性及び実現可能性を明らかにした。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、小孔１３ａ、ｂ、ｃは削孔機やドリル等を用いて開けてもよい。また、集光レンズ３はフレネルレンズ等であってもよい。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明によって、不要な箇所まで掘削することなく掘削する箇所を選択し制御することが可能である。また、騒音が発生せず、静かに高効率で岩石を掘削することができる。本発明はトンネル掘削や油井掘削等に利用できる。

本発明の一実施形態に係る岩石掘削方法を示す模式図。本発明の岩石掘削方法の実施結果を示す写真。従来の岩石掘削方法を示す模式図。

符号の説明

１・・・レーザ岩石掘削機
２・・・レーザ照射部
３・・・集光レンズ
１０・・・岩石
１１・・・レーザ光
１３・・・小孔

Claims

岩石の表面に小孔を開ける工程、及び、
前記小孔の周囲にレーザ光を照射する工程を有することを特徴とする岩石掘削方法。
岩石の表面に小孔を開ける工程は、レーザ光を岩石の表面に照射することによる請求項１記載の岩石掘削方法。
レーザ光を岩石の表面に照射する際には、レーザ光を集光してから照射する請求項１及び２記載の岩石掘削方法。
レーザ照射部と、前記レーザ照射部から射出された光を集光する集光レンズを備えていることを特徴とするレーザ岩石掘削機。