シャフトの沈下
竪坑採掘または竪坑掘削は、坑道を上から下へ掘削する作業であり、当初は坑底にアクセスできない状態です。[ 1 ]浅い竪坑は、土木工事のために掘られるのが一般的ですが、深い竪坑は鉱業プロジェクトのために掘られるのが一般的ですが、その施工方法が大きく異なります。
立坑掘削は、鉱山開発方法の中でも最も難しい方法の一つです。限られたスペース、重力、地下水、特殊な手順などにより、作業は非常に困難です。[ 2 ]立坑掘削は、従来の掘削と発破、または機械化された手段によって行うことができます。
歴史的に、坑道掘削は鉱山作業の中でも最も危険な作業の一つであり、坑道掘削業者と呼ばれる鉱山請負業者の専有部分でした。[ 3 ]現在、坑道掘削業者はカナダ、ドイツ、中国、南アフリカに集中しています。
現代の立坑掘削業界は、徐々に機械化が進んでいます。近年の技術革新であるフルフェイス立坑掘削[ 4 ]（垂直トンネル掘削機に類似）は有望視されていますが、2019年現在、この工法は広く普及していません。[ 5 ]
坑道
坑道は、地下鉱山の開発中に、地下の鉱床にアクセスする手段として「掘られる」 垂直またはほぼ垂直のトンネルです。
坑道の形状（平面図）、寸法、深さは、坑道が位置する鉱山の特定の要件や坑道が掘られる地質に応じて大きく異なります。例えば、北米や南米では、小規模な坑道は平面図で長方形に設計され、木材の支柱が設置されます。一方、大規模な坑道は平面図で円形に設計され、コンクリートで覆工されます。[ 6 ]
坑道は、地下で緊急事態が発生した場合の脱出手段として、また以下の移動を可能にするなど、さまざまな目的に使用できます。
- 人々
- 材料
- 鉱山サービス（圧縮空気、水、埋め戻し、電力、通信、燃料など）
- 換気空気
- 破砕された岩石（採掘可能な鉱石、または採掘不可能な廃棄物の形態）
- または上記の組み合わせ
掘削孔の上部が地表にある場合は「シャフト」 、掘削孔の上部が地下にある場合は「ウィンズ」または「サブシャフト」と呼ばれます。既存の鉱山内では、下部へのアクセスが可能な限り、小規模なシャフトを上向きに掘削することもあります。その場合は「レイズ」と呼ばれます。
立坑は垂直または傾斜（水平に対して80～90度）のいずれかになりますが、現代の鉱山の立坑のほとんどは垂直です。計画されている立坑の底部にアクセスが可能で、地盤条件が許せば、レイズボーリングを用いて下から上に向かって掘削することができます。このような立坑はボアホール立坑と呼ばれます。
ハートリー炭鉱の坑道が閉塞した事故を受けて[ 7 ] 、イギリスは1862年に単坑道を違法とし、すべての地下鉱山には「第二の避難経路」を設けなければならないという慣行を確立しました。世界中の多くの鉱山管轄区域でもこの規則が採用されており、そのため坑道は2つに分かれて設置されることが多いです（ただし、第二の避難経路を設ける方法は複数存在します）。
現在、世界で最も深い連続単リフト坑道は、南アフリカのゴールドフィールズ社が所有するサウスディープ鉱山の主坑道で、その深さは2991メートルです。[ 8 ] 2つの換気坑道とともに、掘削と設置には10年を要しました。
坑道の一部
伝統的な方法で建設された坑道で最も目立つ特徴は、坑道上部に設置されたヘッドフレーム（または巻上げ塔、ポペットヘッド、ピットヘッド）です。使用されるホイスト（またはワインダー）の種類に応じて、ヘッドフレームの上部にはホイストモーターまたはシーブホイール（ホイストモーターは地上に設置）が収容されます。また、ヘッドフレームには通常、選鉱施設へ移送される鉱石を保管するためのビンも設置されます。
ヘッドフレームの下部および周囲の地上レベルには、シャフトカラー（バンクまたはデッキとも呼ばれる）があります。これは、ヘッドフレームの重量を支えるために必要な基礎となり、作業員、資材、設備がシャフトに出入りするための手段となります。カラーは通常、複数の階層を持つ巨大な鉄筋コンクリート構造です。シャフトが鉱山の換気に使用される場合は、鉱山への空気の流入と流出を適切に確保するために、カラーに プレナムスペースまたはケーシングが組み込まれます。
カラーの下で地面まで続くシャフトの部分はシャフトバレルと呼ばれます。
立坑のバレルが水平作業部と接合する場所には、立坑ステーション（またはインセット）が設置されており、作業員、資材、その他の作業員が立坑に出入りすることができます。ステーションからは、坑道、坑道、または坑道レベルが鉱体に向かって伸びており、その長さは数キロメートルに及ぶこともあります。最も低い立坑ステーションは、岩石が鉱山レベルから出て立坑に積み込まれる地点となることがほとんどです。その場合、この位置の立坑の片側に積み込みポケットが掘削され、積み込み設備を建設することができます。
最下層の竪坑の下には、竪坑がしばらく続いており、この部分は竪坑底と呼ばれます。通常、ランプと呼ばれるトンネルが竪坑底と鉱山の他の部分を繋いでいます。このランプには、鉱山の水処理施設であるサンプが設置されていることが多く、水は自然に鉱山の最下層へと流れていきます。
シャフトライニング
多くの（すべてではありませんが）立坑は、掘削と仮設地盤の設置後にライニングが施されます。立坑ライニングにはいくつかの機能があります。まず第一に、緩い岩石や不安定な岩石が立坑内に落下するのを防ぐ安全機能、次に立坑セットをボルトで固定する場所、そして最後に、換気のための空気抵抗を最小限に抑える滑らかな表面です。
立坑ライニングの最終的な選択は、立坑が通過する岩盤の地質に依存します。立坑によっては、必要に応じて複数のライニングセクションが設けられる場合もあります[ 9 ]。 立坑が非常に強固な岩盤に掘られている場合、ライニングは全く必要ないか、溶接金網とロックボルトの設置のみで済む場合もあります。立坑ライニングの材料として選択されるのはマスコンクリートであり、立坑が進むにつれて（深くなるにつれて）、立坑型枠の背後に6m間隔で 流し込まれます。
吹付コンクリート、ファイバークリート、レンガ、鋳鉄管、プレキャストコンクリートセグメントなどは、いずれも過去に使用されてきた。さらに、特定の状況では、ビチューメンやスカッシュボールなどの材料の使用も必要となる。極端な場合、特に岩塩層を貫通する場合には、2種類以上の材料からなる複合ライナーが必要となることもある。[ 10 ]
掘削中、立坑ライナーは立坑底まで到達せず、一定距離だけ遅れて設置されます。この距離は掘削方法と恒久ライナーの設計厚さによって決まります。立坑底で作業する作業員の安全を確保するため、通常は溶接金網とロックボルトで構成される仮設地盤支持材が設置されます。仮設地盤支持材の設置（ボルト打ち）は、空気圧式削岩機を用いてボルトを打ち込む必要があるため、立坑掘削サイクルの中で最も体力的に困難な作業の一つです。
このため、また坑道底部の作業員数を最小限に抑えるため、多くのプロジェクトでこの仮設ライニングを吹付コンクリートに切り替え、成功しています。この分野における研究開発は、ロボットによる吹付コンクリートの施工と、薄型スプレーポリマーライナーの実用化に重点を置いています。
シャフトコンパートメント
シャフトを昇降に使用する場合、シャフトセットによって複数の区画に分割されることが多く、シャフトセットは木材または鋼材で作られています。シャフトセットの垂直部材はガイドと呼ばれ、水平部材はバントンと呼ばれます。鋼鉄シャフトガイドの場合、主な選択肢は中空構造セクションとトップハットセクションの2つです。トップハットセクションは、中空構造セクションに比べて設置が簡単で、耐腐食性が高く、剛性が高いなど、多くの利点があります。鉱山車両は、鋼鉄製のジェットコースターがレールの上を走行するのと同じように、ガイドの上を走行します。どちらのガイドにも車輪があり、レールがしっかりと固定されています。
一部のシャフトでは、ガイド ビームは使用されず、代わりに、シャフトの底にあるチーズ ウェイト (トラックルまたはチーズの輪に似ているため) と呼ばれる大きな重りによって張力が維持されるスチール ワイヤーロープ(ガイドロープと呼ばれる) が使用されています。これは、保守と交換が容易なためです。
最も大きな区画は通常、鉱山ケージに使用されます。鉱山ケージは、作業員や物資を地表下で移動させるための輸送手段で、ホイストから鋼線ロープで吊り下げられています。エレベーターと同様の仕組みです。ケージは単層、二層、まれに三層構造で、予期せぬ故障に備えて複数の冗長安全装置が備えられています。
2つ目の区画は、鉱石を地表まで揚げるためのスキップ（1台または複数台）を収容するために使用されます。小規模な採掘作業では、別個の装置ではなく、ケージの下に設置されたスキップを使用しますが、大規模な鉱山の中には、ケージとスキップ用の別々のシャフトを備えているところもあります。3つ目の区画は緊急時の出口として使用され、補助ケージや梯子システムが設置されることもあります。さらに別の区画には、水、圧縮空気、ディーゼル燃料を輸送するための高圧ケーブルやパイプなどの鉱山設備が設置されています。
竪坑を分割する2つ目の理由は換気です。前述の区画のうち、1つまたは複数を吸気用に、他の区画を排気用に使用できます。この場合、 2つの区画の間には、空気の流れを分離するために、ブラティスと呼ばれる鋼鉄またはコンクリート製の壁が設置されます。多くの鉱山では、独立したヘッドギアとケージを備えた、 1つ以上の独立した補助竪坑が設置されています。
シャフト構造
坑道掘削における最も低い地点は「坑底」と呼ばれます。坑道掘削プロジェクトは、坑底で行われるすべての作業がプロジェクトスケジュールのクリティカルパスの一部となるという点で、他の鉱山開発とは異なります。坑道掘削に必要なインフラは「坑道掘削設備」と呼ばれます。
立坑プロジェクトの掘削段階（掘削、地盤支持、ライニング）における進捗（「掘削速度」）は、学習曲線を描くのが一般的です。これは、プロジェクトチームが「掘削サイクル」と呼ばれる一連の作業を何度も繰り返すことで、最終的にはその掘削条件における理論上の最大速度に近づくためです。この学習曲線の長さを短縮し、ひいてはプロジェクト期間を可能な限り短縮するためには、経験豊富な立坑掘削工の活用が不可欠です。
立坑掘削プロジェクトを成功させるための鍵は次のとおりです。
- 沈下セットアップのさまざまなコンポーネントを正しく設定し、適切なタイミングでインストールします。
- プロジェクトのできるだけ早い段階から経験豊富な人材を関与させること
- シャフト底部の利用可能な時間を最大限に活用します。
シャフトシンカーによるプロジェクトの沈下サイクルの進行速度にかなりの重点が置かれていますが、沈下は、新しいシャフトの従来の建設におけるいくつかの段階のうちの 1 つにすぎません。
- ボックスカット掘削。ボックスカットとは、通常、土木機械を用いて岩盤まで掘削する正方形または長方形の大規模な掘削で、その内部に立坑カラーが建設されます。カラー、ヘッドフレーム、およびホイストプラントによって発生する荷重を岩盤に伝達することは、予期せぬ地盤沈下を防ぐ上で不可欠です。岩盤の深さが深すぎてボックスカットが経済的に採算が取れない場合、または岩盤の強度が不十分な場合は、代わりに地中連続壁やコンクリート杭などの土木技術を用いて深基礎を構築することがあります。
- プレシンク。プレシンクとは、立坑胴部の最初の60～100メートルの掘削と支持作業であり、手持ち式の空気圧式掘削機（基礎工事や地盤支持のための穴あけ用）やミニショベル（土砂投入用）といった小型の掘削機器を用いて行われることが多い。プレシンク中は、通常、移動式クレーンによって地表で土砂や掘削機器の吊り上げが行われる。この部分を最初に掘削する必要があるのは、多段式作業台「ギャロウェイ」を立坑底から十分な垂直距離を置いて設置するためである。これにより、発破中に飛散する岩石によってギャロウェイが損傷を受けることはない。
- カラー構築。ボックスカットの底部から、計画された一連のコンクリート注入により、シャフトカラーを下から上へ構築します。
- ギャロウェイ（沈下ステージ）の建設と設置。ギャロウェイ（沈下ステージまたは足場とも呼ばれる）は、地上に設置されたウインチから竪坑内に吊り下げられた多段式の作業台です。ギャロウェイにより、沈下作業員は沈下サイクルの様々な作業に応じて、異なるレベルで効率的に作業を行うことができます。通常、ギャロウェイは竪坑の片側で建設され、可能な限り完成した状態でクレーンでプレシンクトに降ろされます。設置後、ギャロウェイは「チェア」（竪坑カラーから吊り下げられる）され、その上にヘッドフレームが構築されます。ヘッドフレームは隔壁で保護されることが多いです。
- ヘッドフレームとホイストハウスの建設。カラーが構築され、ギャロウェイが設置されると、ヘッドフレームとホイスト（またはワインダー）ハウスが構築され、ホイストロープとウインチロープが設置されます。ヘッドフレームは鋼鉄製またはコンクリート製で、その設計によって建設方法が決まります。ギャロウェイは、低速で大きな荷重に耐えられるウインチによってシャフト内を移動します。一方、沈下バケット（またはキブル）は、高速でウインチよりも低い荷重に耐えられる沈下ホイストによってシャフト内を移動します。ホイストとウインチ、そしてそれらの動作を制御するために使用される繊細な電子機器を保護するため、通常はホイスト（またはワインダー）ハウスと呼ばれる構造物内に設置されます。
- 沈下設備の試運転。すべての部品が計画通りに動作していることを確認するために、沈下設備の試運転を実施する必要があります。
- フルシンク。掘削サイクル（掘削、仮設地盤の設置、立坑ライニングの設置、立坑設備の延長）の作業はすべて、建設のこの段階で行われます。複数の作業レベルがある立坑では、立坑ステーションとステーションスタブ（ステーションから離れる水平トンネルの短い部分）が、シンカーによって下る途中で開発されます。これらのステーションを掘削する機械は、ギャロウェーの開口部を通過できるほど小さくなければならないため、ステーションスタブの開発の進行速度は通常、フルサイズの採掘機械で達成できる速度と比較して遅くなります。そのため、ステーションスタブは通常、可能な限り短く保たれます。
- 立坑の設備設置とヘッドフレームの交換。立坑が最終設計深度に達すると、仮設設備を撤去し、ギャロウェイを本設立坑の設置に合わせて切断または改造し、必要に応じて立坑セットを設置し、ヘッドフレーム／巻上機を改造して本設揚架に対応させます。本設揚架設備はすべてこの段階で設置します。
- 恒久的なセットアップの試運転。新しい所有者に引き渡す前に、すべての部品が計画どおりに動作していることを確認するために、恒久的なセットアップの試運転を行う必要があります。
立坑の深度や設計と同様に、この手順も地域の状況に応じて大きく異なる場合があります。例えば、カナダ楯状地の立坑では、岩盤が強固で地表に近いため、一般的に深く複雑な立坑カラーは必要ありません。これにより、立坑カラーの設置にかかる時間が短縮されます。
従来、掘削工事業者は掘削設備用の仮設ヘッドフレームを建設し、その後、恒久的なヘッドフレームを設置するために仮設ヘッドフレームを解体していました。しかし、掘削プロジェクトの複雑さと期間が長くなるにつれ、掘削段階に恒久的な掘削設備の設置を組み込むことが一般的になっています。これにより、例えば、掘削に使用したサービス配管を撤去して恒久的な配管を設置する必要がなくなるなど、プロジェクト全体の期間が短縮されます。
レイズボーリング技術の進歩により、新しい立坑の底部にアクセス可能な箇所で、立坑掘削のためのパイロット孔を掘削するためにレイズボーラーが使用されるようになりました。この場合、掘削段階はパイロット孔を最大直径まで拡大することに専念します（通常「スラッシング」と呼ばれるプロセス）。この工法は、掘削時に発生する泥（廃石）がパイロット孔を流れ落ち、既存の鉱山インフラを利用してクリティカルパス外で処理するため、全面掘削よりも大幅に高速化できます。
参照
参考文献
- ^ Puhakka, Tuula編 (1997). 『地下掘削・積載ハンドブック』 タンペレ（フィンランド）：Tamrock Corp. p. 173.
- ^ハートマン、ハワード・L. (2002). 『鉱山工学入門 第2版』 ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社 pp. 282, 284. ISBN 0-471-34851-1。
- ^ 「1800年代半ばに使用された鉱業用語集」GENUKI . 2017年4月10日閲覧。
- ^ Rennkamp, P (2019). 「ケーススタディ - BHP Jansenプロジェクトにおけるブラインドシャフト掘削」 SDC 2019 - Proceedings : 42.
- ^ Gleeson, D (2018年9月). 「あの沈むような感覚」. International Mining . p. 28.
- ^デ・ラ・ヴェルニュ、ジャック（2003年8月）『ハードロック鉱山労働者のハンドブック』第3版、テンピ/ノースベイ：マッキントッシュ・エンジニアリング、p.92、ISBN 0-9687006-1-6。
- ^ BBC (2004年2月)、「Work: The Hartley Mining Disaster」、Legacies – Tyne、BBC 、 2013年10月3日閲覧。
- ^ Douglas, A (2005). 「South Deep Shaftsの完成に関する掘削請負業者の最終プレゼンテーション」 .第3回南アフリカベースメタル会議議事録: 455 – Academia.eduより。
- ^ du Judeel, G; Keyter and Harte (2012年4月). 「深海岩塩層におけるカリシャフトのシャフトライニング設計」.シャフト設計・建設. 1 (1): 51– 54.
- ^サンダース, D. (2012年4月). 「垂直シャフト建設のための新しい防水技術」.シャフト設計・建設. 1 (1): 90– 92.
外部リンク
