破砕岩における注入材拡散機構に関する実験的研究

地下空間の安全を守る

坑内ポンプ室のような深部地下空間は、周囲の岩盤からの強い応力に耐えなければなりません。岩盤が割れたり変形したりすると、壁が数十センチも膨らみ、設備や作業員、さらにはプロジェクト全体が危険にさらされます。本研究は、セメント系グラウトを用いて破砕した岩盤をより効果的に「接着」し、長大な地下空間を長期にわたり安定かつ安全に保つ方法を明らかにすることを目的としています。

極度の応力下にあるポンプ室

研究対象は、中国の万福炭鉱にある深さ800メートル超の大型ポンプ室です。鋼ボルト、ケーブル、コンクリートライニングといった重い支保体系が敷かれていたにもかかわらず、室の壁や天井は変形し続けました。450日以上の観測で、右側壁は最大751ミリメートル内側に移動し—ほぼ住宅用ドアの幅に相当—床は30センチ超えで隆起しました。周辺岩盤に掘られたボーリング孔の結果、最大で7メートルに及ぶ「重度破壊帯」、その外側の移行帯、さらに健全な岩盤が確認されました。既設のボルトやケーブルは主に破砕領域に定着していたため、十分な支持力を発揮できていませんでした。

破砕岩内でのグラウト拡散の仕組み

このような損傷を受けた岩盤を再強化する方法を理解するため、研究チームは長さ1.2メートルの人工破砕岩ブロックを収納できる大型実験装置を構築しました。これらのブロックにセメント系グラウトを注入し、注入点からの距離ごとに切断して各部の強度を試験しました。日常的な変数として、岩片の粒径とグラウトの含水比（水セメント比）を変化させました。いずれの条件でも、圧縮強度—材料が耐えうる圧縮荷重—は注入点から離れるほど低下しました。

ボルト周囲に現れる三つの強度帯

強度試験により、注入領域の周囲には三つの明瞭な帯が存在することが示されました。注入点に近い約400ミリメートルまでの「初期急降下帯」では強度が高く、急速に低下します。およそ400〜1000ミリメートルの範囲には「緩徐降下帯」があり、強度の低下がより穏やかです。その外側には「端部帯」があり、品質と強度が再び低下します。このパターンはグラウトの流動と沈降を反映しています：注入口付近では密実に詰まりやすく、遠方では流速が落ち、重力でわずかに分離し、空隙が残って外縁が弱くなります。

岩片サイズは含水性よりも重要

破砕岩片のサイズを変えることが、グラウトの含水性を変えるよりも影響が大きいことがわかりました。大きな岩片は広い隙間を作り、グラウトがより遠くまで到達できるため、有効拡散距離は小さな粒径で約800ミリメートル、最大粒径で約1000ミリメートルに延びました。しかし、非常に大きな岩片は、亀裂が入りやすい弱い界面を増やすという欠点ももたらします。水セメント比の調整は到達距離に対する影響は比較的控えめで—拡散距離は概ね1メートル前後に留まった—ものの、全体の強度と均質性には強く影響しました。水セメント比0.5の中庸な配合は、気泡が少なく比較的均一で強い材料という点で良好なバランスを示しました。

室内試験から鉱山での安全性向上へ

これらの知見をもとに、技術者らはポンプ室の支保設計を改めました。ボルトを千鳥配置でグラウト定着させ、ボルトやケーブルの長さが重度破壊帯を少なくとも1メートル越えて健全岩盤に到達するようにしました。また、現場注入では水セメント比0.5を推奨配合として採用しました。新たな措置による6か月の観測では、右側壁の変位は750ミリメートル超から約40ミリメートル弱にまで低下し—約95パーセントの低減—ました。簡潔に言えば、計画的なグラウト注入により著しく変形していた地下室が安定化し、グラウトの拡散と岩盤破砕の理解が直接的に安全で信頼できる地下工学に結び付くことが示されました。

引用: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

キーワード: 地下岩盤支保, グラウト注入, 破砕岩, 炭鉱土木, 岩盤安定性