傾斜した特大厚み炭層における小規模石炭支柱採掘過程での覆い岩割れ伝播則に関する研究

鉱山上部の割れ目が重要な理由

現代の石炭採掘は単に石炭を取り除くだけでなく、その上部の岩盤構造や地下ガスの挙動を再形成します。中国西部の新疆地区では、炭層が非常に厚くかつ急傾斜であるうえに、採掘では屋根を支えるために狭い石炭支柱を残すことが多くあります。本研究は実務上かつ安全性に直結する問いを扱います。すなわち、これらの採掘作業の上方で岩盤の割れはどのように発生・展開するのか、そしてその知見をどのようにしてガス管理と安全な採掘に役立てられるのか、という点です。

急傾斜で特大厚みの炭層がもたらす課題

従来の覆い岩破砕に関する研究の多くはほぼ水平な炭層を対象にしてきました。しかし新疆では主たる炭層が厚くかつ顕著に傾斜しています。採掘により石炭を取り除き小さな支柱を残すと、上部岩盤は複雑に攪乱されます。割れ目は時間とともに開閉を繰り返し、ガスが抜けるあるいは滞留する曲がりくねった経路を形成します。技術者が高透過性域の位置を予測できなければ、ガス抽出用の掘削孔が目標を外し、作業中の隙間に危険なガスが残されるおそれがあります。

実験室と計算機上で鉱山を再現する

研究者らは、縮尺物理モデルと高度な計算機シミュレーションを組み合わせて、実際の採掘パネル（Tengda炭鉱の11,002作業面）を模擬しました。実験室では、傾斜炭層とその上部岩層の2次元模型を1:200の縮尺で作成し、一側から順に段階的に採掘しました。地下で使われる支柱の動きを模すために木片を追加・撤去しながら進めました。同時に、3DECソフトを用いた3次元数値シミュレーションも実行し、これは岩体を多数の相互作用するブロックとして扱い、採掘進行に伴う応力や割れの発展を追跡できます。

屋根岩が崩壊・破砕する様相

両手法は、屋根が一度に単純に崩落するわけではないことを示しました。代わりに覆い岩は三段階のパターンをたどります：微小な亀裂の発生、層間の剥離の開始、そして最終的に大規模な可視化された破砕の形成です。採掘が進むにつれて、最下部の岩層は瓦礫で満たされた崩落帯に崩れ落ち、高位の層は破砕帯として高くなるが完全には落下しないブロック群を形成します。Tengdaの事例では、崩落帯は炭層上方約25メートルで安定し、破砕帯はおよそ80メートルに達しました。炭層が傾斜しているため、破砕ブロックは下方へ滑動する傾向があり、崩落パターンは明瞭に非対称になります：パネルの下側はより密に詰まり、一方で小さな石炭支柱の上方にはくさび状の比較的無傷の領域が残ります。

異なる見立ての計測と統合

崩落帯と破砕帯の高さをより確実に特定するため、チームは三種類の推定方法を比較しました：簡易な工学式、物理模型、そして数値シミュレーションです。各方法はわずかに異なる値を示したため、著者らは結果全体の誤差が小さい手法により大きな影響を与える加重平均方式を採用しました。物理模型が実際の採掘過程を最も忠実に再現したため、最も高い重みが与えられました。最終的な統合結果は、崩落帯の高さを約24.98メートル、破砕帯の高さを81.67メートルとしました。また応力が小規模支柱周辺に強く集中すること、岩盤の移動や割れの発生速度は炭層から上方へ離れるほど低下することも示されました。

割れ目の知見をガス管理の安全策へつなげる

採掘済み領域上方のどこに破砕・高透過性の岩体が存在するかを明確にしたうえで、チームは11,002作業面向けに標的を絞ったガス排抜システムを設計しました。高位のボアホールと排抜路を配置して、予測された高透過性破砕領域を横断するように設定しました。数か月にわたる現場データは、ガスが効率的に排抜され、主要な通気路のガス濃度が1%の安全限度を大きく下回って維持されたことを示しました（数十万トンの石炭生産があっても同様でした）。要するに、本研究は、傾斜した特大厚み炭層で小さな石炭支柱を残す場合の屋根破砕の分布を丁寧に把握することで、ガス排抜設備を最も効果的に配置でき、事故リスクを低減し安全で効率的な採掘を支援できることを示しています。

引用: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

キーワード: 石炭採掘, 岩体破砕, ガス排抜, 数値シミュレーション, 鉱山安全