盛り土モルタル充填が露天高壁採掘における石炭柱の力学特性と安定性に与える影響

鉱山廃棄物を支保構造に変える

露天炭鉱では、最終的な斜面の下に大量の価値ある石炭が残されることが多い。掘り尽くすと地盤が弱まり地すべりを誘発するためだ。本研究は、主に鉱山廃石から作られる特別に設計された「セメント系ペースト充填材」を用いて、斜面を安全に支持しつつ、はるかに多くの石炭を回収できるかを探る。資源利用の効率化、安全な採鉱、産業廃棄物の創造的再利用に関心がある読者にとって、本研究は工学が負債を構造的資産に変える具体例を示している。

安全のために石炭柱が重要な理由

ハイウォール採掘では、掘削機が露出した炭層に沿って水平トンネルを掘り、上部の岩盤を支えるために石炭の柱（柱状残存体）を残す。これらの柱は斜面の変形や崩壊を防ぐ上で重要だが、柱を残すと多くの石炭が回収不能になる。中国のある露天鉱山では、充填なしで初期のハイウォール採掘を行った結果、ベンチや運搬道路で地盤沈下が発生し、長期的な安定性に懸念が生じた。研究者たちが問いかけたのは、掘り残し空洞に制御されたセメント系ペーストを充填して、石炭柱の役割を部分的に代替できれば、より多くの石炭を安全に取り出せるか、ということだった。

ミニチュア柱の作製と破壊試験

これに取り組むため、研究チームは実際の鉱山から採取した立方体状の石炭試料を用いて、実験室で石炭と充填材の系を再現した。破砕岩石廃石、フライアッシュ、セメント、水からなるセメント系ペーストを石炭の両側に鋳込み、「充填–石炭柱–充填」のサンドイッチを形成した。充填の高さが石炭柱に対してどの程度か（充填比率）と、ペースト自体の強度という二つの主要因を変えることで、充填材がどれだけ支持を提供するかを評価した。これらの試料は、実際の高壁での強い拘束を模した鋼製容器内で圧縮され、荷重増加に伴う石炭と充填材の応答を計測器で記録した。

充填が石炭の破壊様式をどう変えるか

材料が荷重を担う様子を示す応力–ひずみ曲線からは、五つの段階が読み取れた：空隙の圧密、石炭の弾性荷重担持、ひび割れの発生と連結、石炭の主要破壊、そして場合によっては拘束する充填によって石炭が引き続き荷重を負担する段階である。低い充填比率かつ低強度のペーストでは、充填が柱を十分に拘束せず、逆に破壊が上部の支持の弱い領域にシフトして激しく破砕するため、充填のない場合より挙動が悪化した。充填を高くし強度を高めるにつれて、破壊様式は変化した。ひび割れは柱全体により均等に広がり、大きな側方膨出が抑制され、充填比率95%かつ強いペーストでは表面の小さなひび割れのみで石炭はほぼ無傷のままだった。

受動的な埋め戻しから能動的なパートナーへ

重要な発見は、充填材は単に空間を占めるだけではないという点だ。天井岩盤に届かないほど短い場合、石炭が既に外方に膨出してから初めて受動的に押し返すだけで、保護効果は限定的である。しかし充填が天井に接触するほど十分に高ければ—実質的に100%の充填比率—それは能動的な構造的パートナーになる。充填は鉛直荷重の一部を分担し、圧縮下で側方に膨張して石炭柱に押し付け、主要なひび割れ発生前に石炭をより有利な三次元応力状態に置く。試験では、石炭柱の破壊強さは充填比率と強度の増加とともに着実に上昇し、天井接触が達成されると急上昇し、初期破壊後もある程度の耐力を保持した。全斜面の数値シミュレーションは、高さ一杯で強い充填が柱の変形を大幅に減少させ、斜面内の損傷域を縮小し、開口部間のすべての石炭を安全に回収可能にすることを確認した。

より安全でクリーンな採掘への示唆

専門でない読者向けの主なメッセージは、掘削後の空間をどう再充填するかが安全性と資源効率を決定的に左右するということだ。本研究は、特に天井に届き確実に接触するように設計されたセメント系ペースト充填が、単なる廃棄物処分から設計された支保システムへと変わり得ることを示している。それにより露天鉱山は斜面下の石炭をほぼ全量回収しつつ、地盤変動を小さく抑え斜面破壊のリスクを低減できる。実務上は、収縮や天井との小さな隙間といった技術的課題を添加剤や二次注入で克服する必要があると著者らは述べている。しかし基礎的な結論は明白だ：賢明な充填の利用は、鉱山がより多くの資源を回収し、斜面を安定させ、大量の廃棄岩を同時にリサイクルするのに役立つ。

引用: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

キーワード: ハイウォール採掘, セメント系ペースト充填, 石炭柱の安定性, 斜面変形, 鉱山廃棄物のリサイクル