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第 2‑ 1 6図 ビ ッ ト 半 頂 角

B

と 理 論 破 砕 効 率 K

お よ び V/Wの 関 係 (安山岩)

下 限 K 値 は 本 理 論 モ デ ル の そ れ よ り 2，.̲，  3倍 程 度 も 大 き く 、 三 種 の 岩 石 す べ て に 対 し て 実 験 値 V/Wと 大 き く 異 な っ て い る。 こ の 原 因 は 本 項 (1 )  で 述 べ た よ う に 、 Lundbergの 理 論 で は ビ γ ト 直 下 の 圧 砕 領 域 を 考 慮 し て お らず、 ビ ッ ト か ら 岩 石 に 与 え ら れ た エ ネ ル ギ ー が 本 理 誇 モ デ ル よ リ 多 く 破 砕 に 費 や さ れ て い る と す る た め で あ る が 、 前 項 (1 ~ で述べたように実際

に は ビ ッ ト 先 端 付 近 に 圧 砕 領 域 が 形 成 さ れ て い るc

次 に 、 本 理 論 モ デ ル に よ り 得 ら れ る 破 砕 効 率 に つ い て 検 討 す るc こ れ ら の図よリ、 日と V/Wの 関 係 に つ い て み れ ば 、 砂 岩 、 花 商 岩 に お い て は 、

B

の 増 大 と と も に V/Wは 減 少 、 す な わ ち 破 砕 効 率 は 伝 下 す る こ と が 分 か る。ま ず 、 花 商 岩 で は 頂 角 が 小 さ い 場 合 、 下 限 K 曲 線 よ リ 若 干小さ く な っ て い る が 、 全 体 的 に 下 限 κ曲 線 よ り V/Wの 方 が 大 き く 、 定 量 的 に も こ の 理 論 モ デ ル を 適 用 で き る と 考 え ら れ る 。砂 岩 に つ い て も、] 頁 角 が 大 き く な る と 下 限 K曲線、 V/Wと も 減 少 し て お リ 、 理 論 モ デ ル と 定 量 的 に ほ ぼ 一 致 し て い る。 し か し 、 安 山 岩 に お い て は 、 頂 角 が 変 化 し で も V/Wは ほ と ん ど 一 定 で あ り 、 他 の 岩 種 と は 全 く 異 な っ た 傾 向 を 示 し て い る。 と く に 頂

1 

司ペ

U

角 が 小 さ い 場 合 、 V / W値 は 下 限 κ値 と 大 き く 異 な っ て い る 。 こ れ に つ い て は 以 下 の 理 由 が 考 え ら れ る 。 安 山 岩 で は 、 圧 入 に 要 し た 仕 事 量Wの あ る 割 合 は チ ッ ピ ン グ を 発 生 さ せ る た め の エ ネ ル ギ ー と し て 費 や さ れ ず 、 ビッ ト 直 下 の 圧 砕 や チ ッ ピ ン グ の 発 生 に 影 響 し な い 亀 裂 の 進 展 等 に 費 や さ れ た こ と が 考 え ら れ る 。 ま た 、 一 軸 圧 縮 強 度 の 大 き な 花 商 岩 と そ れ の 小 さ な 安 山 岩 の V / Wを 比 較 す る と 、 安 山 岩 の 方 が 小 さ い 。 こ れ は 、 安 山 岩 に は 切 商JIエ ネ ル ギ ー が 効 果 的 に 作 用 し な か っ た こ と を 示 し て お り 、 大 き な 圧 砕 領 域 を 生 じ た 実 験 結 果 を 裏 付 け て い る 。 し た が っ て 、 安 山 岩 の よ う に 圧 砕 領 域 が か な り 大 き く 発 達 す る よ う な 岩 種 に 対 し て は こ の 乏 論 モ デ ル で も 説 明 が 困 難 に な る こ と に 注 意 す る 必 要 が あ る 。 こ の 問 題 の 解 明 の た め に は 、 圧 入 ビ ッ ト 先 端 で の 岩 種 に よ る 破 砕 様 式 の 差 異 を 明 ら か に す る 必 要 が あ る と 考 え ら れ 、 顕 微 鏡 を 用 い た 観 察 、 検 討 を 行 っ た 。 こ の 詳 細 に つ い て は 、 後 の 2. 2.  4項 で 述 べ る 。

以上、 こ れ ら の 結 果 に よ れ ば 、 花 商 岩 は こ の 理 論 モ デ ル に よ り ビ ッ ト の 圧 入 に 対 す る 岩 石 の 挙 動 を 定 量 的 に 評 価 で き 、 ま た 砂 岩 に 対 し て も ビ ッ ト 半 頂 角

B

が

6 0 .

程 度 以 下 の 実 用 上 の 範 囲 内 で は 定 量 的 な 評 価 は 可 能 で あ るc

し た が っ て 、 本 理 論 モ デ ル は 、 既 存 の 圧 入 理 論 よ り も 岩 石 の 被 砕 挙 動 へ の 適 用 に お い て 優 れ る と 考 え ら れ る。

( 4 )  理 論 モ デ ル に よ る 含 水 ・ 異 方 性 の 影 響 の 評 価 に つ い て の 検 討 前 項 で 述 べ た 圧 入 破 砕 に 影 響 を 及 ぼ す 岩 石 の 含 7K. 票 方 性 の 問 題 に 対 し て の 評 価 に こ の 理 論 モ デ ル を 適 用 す る。

ま す‑、 含 7Kに よ り 強 度 劣 化 し た 岩 石 へ の 圧 入 で は 、 前 項 (3 )に 一 軸 圧 縮 強 度 の 低 下 と と も に 破 砕 効 率 が 向 上 す る こ と を 示 し たご こ の 逗 論 モ デ ル で は 、 理 論 破 砕 効 率 K値 は (2‑26)式 で 表 さ れ る よ う に 、 一 軸 圧 縮 強 度

s

^c 

の 関 数 で あ る た め 、 含 水 に よ り 強 度 劣 化 し た 岩 石 で は 、 乾 燥 し た 岩 石 よ り

K値 が 大 き く な る。 し た が っ て 、 岩 石 へ の 圧 入 挙 動 の 含 水 に よ る 変 化 は こ の 理 論 モ デ ル に よ っ て 説 明 で き る 。

; 欠 に 、 異 方 ↑ 生 を 有 す る 岩 石 へ の 圧 入 で は 、 前 項 (2 ;で 述 べ た よ う に 、 層 理 面 に 垂 直 に 圧 入 し た 場 合 の 破 砕 効 率 の 方 が 、 層 理 面 に 平 行 に 圧 入 し た 場 合 よ リ 大 き い 。 そ こ で 、 前 述 し た よ う に 層 理 面 に 垂 直 方 向 へ の 圧 入 に は

門/﹄

内4U

国4

・ ・

^h

平 行 方 向 の 一 軸 圧 縮 強 度 を 、 層 理 面 に 平 行 方 向 へ の 圧 入 に は 垂 直 方 向 の 一 軸 圧 縮 強 度 を

( 2 ‑ 2 6 )

式 に 代 入 す る こ と に よ り 、 層 理 面 に 垂 直 方 向 と 平 行 方 向 に 対 す る 圧 入 挙 動 の 変 化 は こ の 理 論 モ デ ル に よ っ て 説 明 で き る 。

2. 2.  4  圧 入 ビ ッ ト 下 に お け る 亀 裂 進 展 の 観 察

2 . 2 . 2(1 )

項 お よ び 前 項 (3 ) で 述 べ た 問 題 の 解 明 の た め に 、 円 錐 形 ビ ッ ト を 静 的 に 圧 入 す る 際 に 生 じ る ビ ッ ト 先 端 部 付 近 の 供 試 体 の 亀 裂 や 圧 砕 領 域 を 観 察 し 、 圧 入 ビ ッ ト 先 端 で の 岩 種 に よ る 政 砕 様 式 の 差 異 に つ

い て 検 討 し た 。

( 1 )  試 験 方 法 お よ び 供 試 岩 石

実 験 に 用 い た 岩 石 は 、 花 商 岩 、 安 山 岩 お よ び 砂 岩 の 3岩 種 で あ り 、 そ の 物 理 的 、 力 学 的 性 質 を 第 2 ‑3表 に 示 す 。

圧 入 用 の 岩 石 供 試 体 は 、 砂 岩 は

1 2 0 x  1  2 0  x  1 2 0   m m

、 花 商 岩 お よ び 安 山 岩 は

1 5 0 x150x 1 5 0 m m

の 整 形 角 柱 で あ る。使 用 し た ビ ッ ト は 、 円 錐 形 ビ ッ ト 圧 入 試 験 で 用 い た も の と 同 じ ロ ー ド ヘ ッ ダ に 取 り 付 け ら れ る 硬 岩 掘 削 用 ビ

ッ ト で あ る。 ま た 載 荷 速 度 は 、

0 . 1 m m /

^{分 と し た。}

圧 入 ビ ッ ト 先 端 部 付 近 の 供 試 体 の 亀 裂 進 展 様 式 の 観 察 に は 以 下 の 方 法 を 用 い た。 ま ず 、 供 試 岩 石 が 破 断 し な い よ う に 、 砂 岩 は

15 0 0 k g f

、 花 商 岩 お よ び 安 山 岩 は

4.000kgf

ま で 圧 入 し 、 降 、 荷 し た。 次 に 、 巨 人 点 付 近 を 載 荷 方 向 に 霊 直 に コ ア 抜 き し た 後 、 ビ ッ ト の 圧 入 に よ っ て 生 じ た 亀 裂 を そ の ま ま

第 2‑3表 各 試 料 の 物 理 的 、 力 学 的 性 質

岩 石 名 産 地 S r  St 

E 

^5 0 

H . 

V p 

( k g f / c m ' )  ( k g f / c m

²⁾ 

( k g f / c m

^ご) fー)

( m / s e c ) 

...... ・.............. 

イ ヒ 岡 石 徳 島

唐 津 相;甫

1 4 .  8  x  1 0 ζ 8 3   8 . 8  7 8   6 .   5  4 4  

1 4 . 4  x 1 0

^J 

8 0   5 3 2 0   1 0 . 1  5 1   4 5 9 0   5 .  5  4 0   2 4 2 0  

山 右 山 石

山

{ 女 砂

内.

4U

門4U

‑

‑

司 圃 . ̲

充 填 斉IJと し て メ チ ル メ タ 充 填 斉JIを 用 い て 固 化 し た 。

の 状 態 に 保 つ た め に 、

西 山 ら の 方 法 5 2  を 充填斉JIに よ る 固 化 は 、

なお、

レ ー ト を 用 い た 。 ア ク リ

ト 直 下 7図 に 示 す 圧 入 ビ ッ

勺〆

﹄

第こ の よ う に 作 製 し た 試 料 は 、 用いた。

偏 光 顕 ト の 側 面(

c 

^)の 3部 分 に 分 け 、

圧 入 ビ ッ コ ア の 中 央 部 (B 、)

( A )、

d p N m  

付回日 刊 巴

微 鏡 を 用 い て 約

6 0

倍 で 写 真 撮 影 を 行 っ た 。

︼ 問

︒

︒

﹃

} 向

rock sallple  ︒

写 真 撮 影 箇 所

内 7図

〆﹄

第

観 察 結 果 お よ び 考 察 ( 2 ) 

砂 岩 お よ び

‑

・・b・w，回 W‑J 

J乙 岡 石 、

は、 (写 真 ) 第

2‑ 2 0

図

(写 真 ) 8図

第 2 ‑

7図 の 3部分 に 分 け て 撮 影 し た も の で あ るc

安 山 岩 に つ い て 第 2‑

ト 周 辺 の 亀 裂 の 状 態 を 示 は 花筒岩 の 圧 入 ビ ッ

(写 真) 8図 (a ) 

行ノ﹄第

ト 直 下 か ら 進 展 し た 亀 裂が多 数 存 在 し て い る こ 圧 入 ビ ッ

し た も の で あ り 、

こ れ ら の 亀 裂 は 載 荷 方 向に 対 し て 呈 直 方 向 に 進 展 し て また、

と が 分 か る。

荷 重 が こ れ ら の 亀 裂 が 岩 石 表 面 に 還 し た と き チ ッ ピ ン ク が 発 生 し 、

おり、

ト 直 下 か か ら ビ ッ

(写 真 1

8図(b) 

勺〆

第 ﹄

また、

低 下 す る と 思 わ れ る 。

こ の 亀 裂 が さ ら に 進 展 す る こ と に ら 進 展 し た 長 い 亀 裂 が 観 察 さ れ る た め 、

よ っ て 岩 石 供 試 体 の 破 断 に 至 る と 考 え ら れ る。

ト周 辺部 の 亀 裂 の 状態 を は 安 山 岩 の 圧 入 ビ γ

(写 真 ) 9図(c ) 

第 2

花 商 岩 の よ う な 亀 裂 の 進 展 が 見 ら れ す 、 こ れ を 見 る と 、

示 し た も の で あ る。

卜 周 辺 の 空 隙 や 結 品 粒 子 が 載 荷 方 向 に 対 し て 霊 直 方 向 に 押 し 漬 さ 圧 入 ビ ン

卜 先 端 に 近 く な る ほ ど こ の 傾 向 が 圧 入 ビ ッ

れ て い る こ と が 分 か る。 また、

卜 の 圧 入 に そ の 結 果 生 じ る 圧 砕 安 山 岩 で は ビ γ

ト 周 辺 部 の 空 隙 や 結 品 粒 子 が 押 し;貴され、

こ の こ と カ1ら、 顕 著 で あ る こ と が 観 察 さ れ た。

よ っ て ビ ッ

34 

圃 圃 A .

ー~

FhJV 

門4・u

第 2 ‑ 1 8図(a ) 

花 崩 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2 ‑ 1 7図 の A部 )

第 2‑ 1 8図(b) 

花 崩 岩 の 圧 入 ビ γ ト 周 辺 状 態 (第 2 ‑ 1 7図 の B部 )

戸h u

﹁ぺ 叫

第 2‑ 1 8図(c) 

花 崩 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状態 (第 2‑ 1 7図 の C部 )

第 2‑ 1 9図(a 

安 山 岩 の圧入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2‑ 1 7図 の A部 )

第 2‑ 1 9図(b )安 山 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2 ‑ 1 7図 の B部 )

第 2‑ 1 9図(c )安 山 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2‑ 1 7図 の C部 )

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第 2‑ 2 0図(a ) 砂 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2‑ 1 7図 の A図)

第 2‑ 2 0図(b )  砂 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2‑ 1 7図 の B図)

38 

. . .    

第 2‑ 2 0図 (c ) 

砂 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 状 態 (第 2‑ 1 7図 の C部 )

領 域 が 増 加 し 、 圧 砕 領 域 の 周 辺 部 を 押 し 出 す よ う に チ ンピ ン グ が 生 じ る と 考 え ら れ 、 花 商 岩 の チ ッ ピ ン グ と は 発 生 メ カ ニ ズ ム が 異 な る と 思 わ れ る。 第 2‑2 0図Ca ) (写 真)は 砂 岩 の 圧 入 ビ ッ ト 周 辺 部 の 亀 裂 の 状 態 を 示 し た も の で あ り 、 砂 岩 も 安 山 岩 と 同 榛 な 形 態 を 示 し て い る D

Lawnら53 は、 ビ ッ ト の 岩 石 へ の 圧 入 過 程 を 以 下 の よ う に 要 約 し て い るO

L 

圧 入 ビ γ 卜 先 端 に 非 線 形 な 変 形 領 域 が 生 じ る=

2 

ビ ッ ト 先 端 の 変 形 領 域 か ら 中 央 亀 裂 Cmedianveηい と し て 進 展 す る0

~ 圧 入 荷 重 の 増 大 に よ り 、 中 央 亀 裂 が さ ら に 成 長 す るc

会 圧 入 荷 重 が 減 少 す る に つ れ て 、 中 央 亀 裂 が 閉 口 し 、 横 方 向 に 偶JI方 亀 裂 (Iateral vent)が 進 展 し 始 め る。

三 荷 重 を 完 全 に 除 荷 し 終 え る ま で に 偲JI方 亀 裂 が 岩 石 表 面 に 向 か つ て 進 展 し 続 け チ γ ピ ン グ が 生 じ る 。

本 庄 入 試 験 で は 、 花 商 岩 に お い て 中 央 亀 裂 お よ び 側 方 亀 裂 が 観 察 さ れ た こ と か ら 、 花 商 岩 に お け る ビ γトの圧入は、 Lawnら の ビ ッ ト の 圧 入 過 程 で 十 分 説 明 で き る と 思 わ れ る 。 し か し 、 安 山 岩 や 砂 岩 に お け る ビ ッ ト の 圧 入

n叶JV

門4U

. .  

は、 ビ ッ ト 直 下 か ら 進 展 す る 亀 裂 で は な く 、 ビ ッ ト 直下の 圧 砕 領 域 が チ ッ ピ ン グ に か な り 影 響 を 与 え て お り 、 こ れ ら の 破 壊 現 象 の 詳細 に つ い て は 彼 ら の 説 で は 説 明 で き な い こ と に 注 意 す る 必 要 が あ る。

次 に こ れ ら の 結 果 を も と に 前 項 (

， 

⁾で 示 し た 理 論 モ デ ル の 適 用 性 に つ い て の 検 討 を 行 っ た 。 理 論 モ デ ル は 前 掲 第 2‑ 8図 に 示 し た よ う に 、 ビッ ト の 形 状 に 拘 ら ず‑、 ビ ッ ト の 鼓 荷 方 向 直 下 に 破 砕 さ れ た 岩 石 が 押 し 固 め ら れ て ク ラ ッ シ ン グ ・ コ ー ン が 形 成 さ れ 、 円 錐 形 状 の チ ッ ピ ン ク"が 生 じ る と い う も の で あ る。 したがって、 Lawnら の 説 に よ る 側 方 亀 裂 が 進 展 し て チ ッ ピ ン グ が 形 成 す る と 考 え ら れ る。 そ こ で 、 前 項 (3 )で述べ た 理 論 モ デ ル の 適 用 範 囲 に つ い て 、 亀 裂 進 展 の 観 察 か ら 検 討 す る と 、花 嵐 岩 で は 第 2‑

1 4図 よ り 、 こ の 理 論 モ デ ル の 適 用 が 可 能 で あ る。 こ の こ と は、上 述 し た よ う に 側 方 亀 裂 の 進 展 に よ り チ ッ ピ ン グ が 生 じ て い る こ と が 観 察 さ れ た こ と か ら も 理 解 で き る。 ま た 、 砂 岩 に お い て は 花 商 岩 と チ γ ピ ン グ の 発 生 メ カ ニ ズ ム が 異 な っ て い る も の の 、 第 2‑ 1 5図 よ り 定 量的 に(ま ぽ 一 致 し て い る と い え る。一 方、安山 岩 に お い て は 第 2‑ 1 6図よ リ 理 論 モ デ ル と 一 致 し て い な い。 こ の 理 由 と し て は 次の こ と が 考 え ら れ る=す な わ ち 圧 入 に 要 し た 仕 事 量 は 、 主 に 、

主 ビγ ト 直 下 の 非 線 形 領 域 の形成

z 

^{チ y} ピ ン グ を 生 じ さ せ る た め の 側 方 亀 裂 の 進 展 J  中 央 亀 裂 の 進 展

に 費 や さ れ る と 考 え ら れ る が 、 安山岩 で は 花 商 岩 の よ う な側方 亀 裂 や 中 央 亀 裂 が 観 察 さ れ な か っ た こ と や 、 圧 入 ビ ッ ト 直 下 の 百 三粒子 や 空 隙が 鼓 荷 方 向 に 対 し て 霊 直 方 向 に 押 し 漬 さ れ て い た こ と 等 か ら 判 断す る と、安山岩 では、 圧入 に 要 し た 仕 事 量 の あ る 割 合 が 理 論 モ デ ル で 考慮 し て い な い エ ネ ル ギ ー に 費 や さ れ た と 考 え る こ と が で き る 。

以 よ 要 す る に 、 岩 石 へ の ピ ン ト の 圧 入 に伴う 破 砕形 ちは 複 雑 で あ り 、 岩 石 の 種 類 に よ っ て 、 そ れ ぞ れ の 特 徴 的 な 破 砕 特 性 を 示す=そ の た め 、 岩 石 を 取 り ぬ う 場 合 、 こ の 点 を十分 考 慮 す る 必 要 が あ る。 今 回 提 案 し た ク ラ ッ シ ン グ ・ コ ー ン を 考 慮 に 入 れ た 理 論 モ デ ル に よ る と 、 こ れ ら の 特 徴 的 な 破 壊 現 象 を 既 存 の 圧 入 理 論 よ り も 説 明 で き る こ と が 分 か った。

40 

ドキュメント内 島田, 英樹 (ページ 41-54)