風成砂充填物の質量濃度と養生期間が力学特性と損傷進展に及ぼす影響

地中の空洞を埋めて鉱山の安全を守る

一部の露天炭鉱の深部には、過去の採掘で残された古い坑道や空洞（ゴーフ）が横たわっています。こうした目に見えない空洞が適切に支持されていないと、地盤沈下や崩壊を引き起こし、作業者や機器、周辺地域の安全を脅かします。本研究は、風によって運ばれた砂（風成砂）を強く信頼できる充填材に改質し、これらの古い空洞を安全に支持するとともに、現地の廃材を再利用し、希少な河砂の使用を減らす方法を探ります。

風成砂を支持材に変える

研究者らは、中国北西部に多く見られる細粒の風成砂を鉱山充填材の主要原料として検討しました。風成砂と黄土（シルトを多く含む土）をセメントとフライアッシュからなるバインダーと混合し、水を加えて送泥可能なスラリーを作成します。この混合物を地下の空洞に注入すると、硬化して「人工岩石」となることで上部の地山を支持します。性能を評価するために、チームは質量濃度（混合物中の固形分の割合）を74%から80%まで変え、養生期間を3日から28日まで変えた規格試料（円筒）を作成しました。

強度、剛性、破壊特性の試験

硬化した試料は圧縮試験機で破壊するまで押しつぶされ、同時に試料内で発生する微小な割れ音をセンサーで計測しました。これらの試験により、試料が負荷できる荷重（強度）と荷重下での変形の小ささ（剛性）は、混合物の密度が高くなるに従って着実に増加することが示されました。質量濃度80%・養生28日では、最も高い強度と剛性を示しました。時間の影響も大きく、強度は直線的には成長せず、最初の2週間で急速に増加し、その後はセメントとフライアッシュの水和反応が続くことでより緩やかに増加しました。

割れの音を聞き、エネルギーを追跡する

材料の破壊挙動をより詳細に理解するため、チームはアコースティック・エミッション（AE）モニタリング、つまり微細割れ活動を“聞く”手法を用い、荷重中に機械的エネルギーがどのように蓄積・放出されるかを解析しました。濃度が低い場合、割れは早期に発生して試料全体に徐々に広がり、多数の小さな信号が観測され、より穏やかで延性のある破壊となりました。濃度が高い場合は内部構造が均一で強固に結合しているため、ばねのようにより多くの弾性エネルギーを蓄えることができます。破壊直前にこの蓄えられたエネルギーが一気に放出され、強いAE信号の急増と鋭い脆性破壊を引き起こしました。濃度が上がるにつれて、入力エネルギーに対する弾性エネルギーの比率が増え、永久損傷や摩擦に消費されるエネルギーの比率は減少し、より強いが突発的に壊れる傾向に変化することが明らかになりました。

内部構造の観察

研究者らは強力な顕微鏡で材料の内部構造も観察しました。固形分が少ない混合物では、バインダーが砂粒や土粒子の間の隙間を完全に満たせず、緩く多孔質な構造になり、割れの進展路が多く形成されました。質量濃度が増すと、生成する反応生成物がこれらの空隙を埋め、粒子を結び付けてより密で均一なネットワークを形成しました。最高濃度では、充填材は緻密で良好に接着しており、孔隙が大幅に減少していました。この微視的な像は力学試験の結果と一致し、より密で結合の良い構造は強度と剛性を高める一方、過負荷時には急激で脆い破壊を引き起こしやすいことを示しています。

より安全で環境負荷の小さい採鉱のために

専門外の方に向けた要点は明快です。混合物中の固形分量と十分な養生時間を適切に調整することで、豊富にある砂を強く予測可能な地下支持材に変えることができます。高い濃度と適切な養生は、より密で均一な「人工岩石」をつくり、より大きな荷重を支持し信頼性の高い支持を提供しますが、限界を超えると破壊はより突然に起こりやすくなります。これらの知見は、露天炭鉱における安全性、材料使用、環境影響のバランスをとるための配合設計と養生時間の選定に実用的な指針を与えます。

引用: Zhao, G., Zhang, Y., Zhang, G. et al. Effects of mass concentration and curing age on the mechanical properties and damage evolution of aeolian sand backfill. Sci Rep 16, 6321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37254-y

キーワード: 鉱山充填, 風成砂, 地下空洞の安定性, 固結充填材の強度, 露天炭鉱