粒度分布を持つ破砕岩塊の圧密変形進展とエネルギー散逸特性に関する実験的研究

地下で破砕岩が重要な理由

深部の炭鉱では、採掘で生じた破砕岩がトンネルや空洞に部分的に堆積して残されることが多い。こうした瓦礫がどれだけ密に締まるか、そして移動や破砕の際にどのようにエネルギーを放出するかは、ガスが安全に逃げるか危険な蓄積を起こすかに影響する。本研究は、大きさの異なる岩片の混合比がどのように圧縮されるか、粒間の空隙がどう変化するか、圧縮に伴ってどれだけの潜在エネルギーが解放されるかを調べ、鉱山の安全性と効率性向上に役立つ知見を提供する。

岩石の圧縮と“音”の記録方法

研究者は中国の炭鉱から細粒の砂岩を採取し、数ミリから25ミリまでの5つの粒径範囲に破砕した。粒度指標という数理的指標を用いて、細粒優勢から粗粒優勢まで5種類の混合物を作製した。各試料2.4キログラムを強固な鋼製円筒に充填し、側面を拘束して上から圧縮した。これは採掘空洞内で覆われる岩石の荷重により破砕岩が押される状況に類似している。同時に、敏感なアコースティックセンサーで粒子のすべり、摩擦、破砕に伴う微小な弾性波を「聞き取り」、これらの信号をイベント数やエネルギー値に変換して、内部の岩骨格がどのように再配列したかを追跡した。

圧縮の三段階

応力―ひずみを追跡した結果、全ての混合比で明瞭な三つの圧密段階を経ることが分かった。まず初期段階では、緩く配置された粒子がすべりや回転を伴って新しい位置に落ち着き、比較的低応力下で急速な短縮が起こる。次に線形成長段階があり、構造が安定化して追加荷重に対して応力と変形がほぼ直線的な関係を示す。この段階では粒子の破砕と粒間の表面接触の増大が支配的である。最後に塑性圧密段階が現れ、岩塊は剛性を増してそれ以上の短縮に抵抗する：追加応力はわずかな余剰変形しか引き起こさないが、局所的な激しい破砕を伴う。細粒が多い混合物は後半の段階に早く達し、最終的な剛性相に長くとどまる一方、粗粒優勢の混合物は同じ短縮を達成するためにより高い応力を必要とした。

空隙と粒径の変化

粒子間の空隙率は、変形段階を反映した三段階のパターンで減少した：急速な低下、緩やかな減少、そして材料が最密状態に近づくとほぼプラトーに達する。粗粒が多い試料は初期により大きな空隙を持ち、全体として失う空隙量も多かったが、低応力域では空隙率の低下が速かった。圧縮後のふるい分けでは、全ての混合物で2.5ミリ未満の新しい微粒片が多数生成され、最大粒径の割合は急激に低下した。粒度複雑性を示すフラクタル指標は全試料で増加し、最終値は狭い範囲に集約した。つまり圧密は初期の混合差をならす方向に働く。ただし粗粒優勢の混合物は、細粒優勢に比べて最終的な粒度分布がわずかに単純（破砕が少ない）なままであった。

瓦礫内のエネルギーの囁きと破裂

アコースティック計測はエネルギー放出パターンも三段階に従うことを示した。初期段階では信号は頻繁だが弱く、粒子間の摩擦や小さな再配列を反映する。線形成長段階ではイベント数と総エネルギーが大きく増加し、大きな粒子の破壊と内部構造の再編成が進行する。最終段階ではイベント数は減少するが、個々のエネルギーバーストは著しく強くなり、既に剛性が高まった骨格内で残存する大片のたまの破壊に対応していた。細粒が多い混合物は低エネルギーのイベントを多数発生させ、対照的に粗粒優勢の混合物はイベント数は少ないがはるかに高エネルギーの破裂を起こし、粒子組成の変化により「多数の小さな囁き」から「まれだが大きな破裂」への転換が見られた。

鉱山の安全への示唆

総じて、本研究は破砕岩の粒度配分（細粒と粗粒の割合）が、圧密挙動、空隙閉塞、側圧の発達、蓄積エネルギーの放出様式を強く支配することを示す。時間経過で異なる初期混合は同様に密で細かく破砕された状態へと収束する傾向があるが、そこに至る機械的・エネルギー的経路は大きく異なる。鉱山技術者にとって、これらの経路を把握することはゴーフ域の締まり方やガス流路の開閉、危険な応力・エネルギー集中が生じる時期を予測するうえで重要であり、より効果的なガス排出計画や深部炭鉱における岩石・ガス災害の制御に科学的根拠を与える。

引用: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

キーワード: 破砕岩の圧密, 炭鉱ゴーフ, 顆粒状材料, アコースティック・エミッション, ガス災害防止