粘土質セメント化路盤における逆くさび形孔底の拡孔によるボルト定着のメカニズムと応用

脆弱な坑道を支える

深部では、多くの石炭鉱山トンネルが膨潤・クリープ・崩壊しやすい粘土を多く含む軟岩を通ります。従来の鋼製支保や現代的なロックボルトでさえ、この弱い地山が変形すると保持力を失い、落盤や高額な補修のリスクが高まります。本研究は、ボルト孔の末端形状を意図的に変えることで、樹脂と地山がくさびのように噛み合い、より確実にボルトを定着させる新たな方法を検証しています。これによりトンネルの安全性と安定性が長期にわたり向上します。

なぜ軟岩トンネルは保持が難しいのか

中国の多くの石炭道路は、濡れると弱くなる鉱物を含む粘土質・セメント化した岩盤を掘削して形成されています。これらの岩は結合が弱く強度が低く、水と接すると膨潤して泥状になりやすい性質を持ちます。採掘圧力の持続的な作用下で、トンネルの側壁や天井はクリープして変形します。当初は効果的に見える鋼製フレームも、地盤が隆起すると床を押し上げ、天井がたわんで亀裂が入ることがあります。現在主流の支保手段であるロックボルトは弱い層をつなぐことが目的ですが、ここではボルトを孔壁に接着するための樹脂が振動や湿潤で岩から剥離しやすく、定着力が急速に低下してしまいます。

孔底をくさび状に整形する

研究チームは単純だが効果的な発想に着目しました。ボルト孔の底部を筒状のままにせず、専用の拡孔工具で逆くさび形に拡大するのです。ボルトはその拡張された空洞に樹脂で定着され、滑らかな孔壁に沿って接着剤にのみ頼るのではなく、より広い岩体ポケットに機械的に噛み合うようになります。研究ではボルトを全長に沿って三つの領域（坑口側の自由区間、通常の定着区間、そして孔底の拡孔定着区間）に分ける力学モデルを構築しました。岩盤力学の方程式を用いることで、くさび形ポケットが樹脂と岩の界面におけるせん断および把持力を大幅に増加させ、他の箇所で一部滑りが生じてもボルトの軸方向抵抗を高めることを示しました。

方程式から模型試験、引抜試験へ

概念を検証するため、チームは弱く低強度の軟岩を再現する材料を用いて縮尺の壁模型を作成しました。PVC管内にボルト孔を穿設し、手作業で孔底を拡孔して異なる長さ・直径・角度の逆くさび形を形成しました。一般的な鉱山用樹脂（K2335）を用いて、これらの拡張空洞で樹脂がどのように混合・硬化するかをまず確認しました。くさびが大きすぎたり長すぎたりすると、樹脂の一部が十分に混ざらず硬化不良を起こしました。そこで「固化率」という指標を定義し、樹脂がどれだけ完全に硬化したかを定量化しました。最適な組合せは拡孔長100 mm、最大直径58 mm、くさび角9°で、固化率は92.9%に達し、空洞が密にかつ均一に充填されることが分かりました。

破壊前後での強力な把持

次に実験室で引抜試験を行い、同じ全定着長のもとで通常孔と逆くさび孔のボルトを比較しました。どちらの場合も引抜力は変位とともに増加してピークに達し、その後樹脂と岩の間の滑りが始まると低下しました。通常孔では力の低下が急峻で、残存力は低く主に弱い摩擦力によるものでした。対照的に逆くさび孔のボルトは滑りが始まっても残留力が高く保たれました。拡孔形状が機械的に完全な引抜を阻止するためです。数値シミュレーションもこれを裏付け、同じ160 kNの荷重下で拡孔設計は定着ゾーン全体の平均せん断応力を約47%増加させ、応力は孔底のみで集中するのではなく拡孔部付近に有利に分布しました。

実際の石炭鉱山での実証

チームはこの手法を山西省の軟岩路盤の坑道で現地試験しました。自設計の片翼式工具で孔底を拡孔し、拡孔ポケットに樹脂カートリッジを押し込み、ボルトとともに混合して樹脂が破砕岩と健全岩の両方を充填・把持するようにしました。三本の支保ボルトの軸力を監視したところ、周囲の地山が変形すると軸力は上昇し、その後急速に低下することなく高い水準で安定しました。従来の定着でよく見られる急激な支持力低下は観測されませんでした。天井沈下の計測でも、逆くさび拡孔ボルトで支保した路盤は標準ボルトより沈下が小さく、安全で安定した通路を示しました。

鉱山安全への示唆

一般読者向けの要点は、ボルト孔の見えない末端形状をわずかに変えるだけでトンネルの安全性が大きく改善されるということです。岩に小さなくさび状のポケットを加工し、樹脂と鋼で満たすことで、より引き抜きにくく時間経過で弱くなりにくい地下アンカーヘッドが形成されます。本研究は、適切な寸法を選べば初期の保持力を高めるだけでなく、滑りが生じた後でもその多くを保持することを示しています。水に敏感で脆弱な地山を掘る石炭鉱山にとって、この改良された定着法は落盤の減少、維持コストの低減、地下作業の安全性向上につながる可能性があります。

引用: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

キーワード: 軟岩道路, ロックボルト定着, 石炭鉱山トンネル, 拡孔ボルト孔, 地盤支保