CO2の相変化爆破の温度–圧力特性と破砕管の破壊機構

従来の爆薬を使わずに岩を壊す

採掘やトンネル工事では騒音や熱、安全リスクを伴う強力な爆薬に頼ることが少なくありません。本研究は別の手法を探ります：液体から気体へと急速に相変化する圧縮二酸化炭素（CO2）を用いて岩盤を破砕する方法です。CO2の加熱、膨張、管内からの放出を精密に制御することで、開火や化学爆発を伴わずに岩を割ることができます。このプロセスを理解することで、地下作業をより安全に、静かに、かつ精密に行える可能性があります。

CO2爆破の設置方法

CO2相変化爆破では、強固な鋼製管を岩や石炭に穿たれたボアホールに挿入します。管内に液体CO2を注入し、高密度かつ高圧の状態で冷却して保持します。後で電気信号で作動する内蔵の加熱素子が起動されます。加熱されると液体CO2は急速に高圧の気体様状態へ移行し、体積は数百倍に膨張しようとします。これにより管内圧力が急上昇し、設計された弱点が破断してCO2が噴出し、周辺の岩盤に衝撃を与えます。エネルギー源が化学的燃焼ではなく物理的相変化であるため、振動が小さく、火炎や有毒ガスを発生しません。

管内で何が起きるか

著者らは、充填、加熱、放出の三つの主要段階における管内の温度と圧力の変化を詳細に追跡しています。充填段階ではCO2が気液状態を行き来しながら圧力が着実に上昇し、管壁は永久的な損傷を受けることなく荷重を支えます。加熱段階では、特殊な化学ペレットがコンパクトな加熱源として作用し、CO2を数千分の数秒で超臨界状態へ押し上げます。圧力は急上昇しますが、管は端部を厚くした高強度合金鋼で製作されているため安全限界内にとどまります。研究は、管本体の最大応力が材料の破壊強度をはるかに下回ることを示しており、最弱部材が適切に管理されれば管本体は繰り返し使用できることを示唆しています。

爆発を制御する設計された弱点

システムの実際の「導火線」は破断させることを意図した部位、すなわち再使用可能管の底部にある薄い破裂ディスクか、使い捨て管の側面に設けた溝付きシームです。数値シミュレーションにより、底部ディスクは荷重がかかる中心部と挟持された縁部の接合リングに沿って剪断破壊することが主であると示されます。このディスクを破るのに必要な圧力は金属の強度と厚さにほぼ線形に増加し、荷重領域の大きさに対しては減少します。この単純な関係により、設計者は放出圧力、ひいては爆破エネルギーを設定するためのディスク材質と形状を選定できます。

一回限りの管と溝の役割

使い捨ての側方放出管では、弱点は管壁に加工された長いV字溝です。CO2圧力が上がるにつれ応力は溝部に集中し、やがて金属は溝に沿って引き裂かれて側方にガスを排出します。溝の形状が複雑であるため、破断圧は簡単な公式で表せません。代わりに研究チームは統計的設計手法を用いて溝の深さ、長さ、幅の多くの組合せを検討しました。解析により、溝の深さが破断時期に最も大きな影響を与え、次いで長さ、幅は最も影響が小さいことが明らかになりました。これらのパラメータを調整することで、管がどれほど容易に開くか、どれだけのエネルギーが岩に伝わるかを微調整できます。

ガスジェットからひび割れた岩へ

管が開くとCO2は高速ジェットとして噴出します。管とボアホール壁の狭い隙間を通って移動し、徐々に勢いを失いながらも鋭い衝撃で岩盤を打ちます。この衝撃は岩の中に応力波を発生させ、ボアホール周辺に小さな亀裂を生じさせます。残留する高圧ガスはこれらの亀裂に浸入してそれらを押し広げ、さらに亀裂を延長します。本研究は、ジェットが衝突したときに壁面圧力がどのように増幅され、その後より緩やかに作用する圧力場へと減衰していくかを記述しており、速い「打撃」と持続的な押圧の組合せが効果的に岩を破壊することを示しています。

なぜこれはより安全な岩盤破砕のために重要か

総じて本研究は、CO2相変化爆破が流体の精密に設計された変遷――気体から液体、密な超臨界状態、そして再び気体へ――によって駆動されることを示しています。管内の温度・圧力の変化と、破断を誘導する管の設計が岩に到達するエネルギー量と亀裂の成長を制御します。再使用管と使い捨て管の両方に対する公式、シミュレーション、設計指針を示すことで、この非爆薬法をより予測可能かつ効率的にするための道筋を提供します。鉱山やトンネル周辺で働く人々やコミュニティにとって、これは振動や騒音が少なく、従来の爆薬への依存を減らした、より安全な作業を意味する可能性があります。

引用: Chen, Z., Yuan, Y., Li, B. et al. Temperature–pressure characteristics of CO₂ phase-transition blasting and the failure mechanism of fracturing tubes. Sci Rep 16, 9526 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40279-y

キーワード: CO2爆破, 岩盤破砕, 非火薬による解体, ガスジェット, 鉱業の安全