ほぼ鉛直な極厚炭層における動的災害の発生メカニズムと防止技術に関する研究

なぜ深部の採炭は突然危険になるのか

世界がエネルギーと産業用に石炭に依存し続ける中で、鉱業者はより深部でより複雑な地質を掘削せざるを得なくなっています。中国西部の一部では、非常に厚い炭層が本棚の本のようにほとんど直立しています。これらのほぼ鉛直な炭層の採掘は、設備を損傷し作業者の生命を脅かす急激な岩盤破壊やロックバーストといった激しい地下の「動的災害」を引き起こしてきました。本研究は、新疆の武東炭鉱（Wudong Coal Mine）という現場を詳細に調べ、なぜこうした災害が起きるのか、そしてどのように防げるのかを明らかにします。

端立ちする炭層

多くの人のイメージでは炭層は地下でほぼ水平に横たわっています。しかし武東では主要な炭層がそれぞれ厚さ28メートルと40メートルで、傾斜は約85〜87度とほぼ垂直です。その間には大規模な岩壁、いわゆる岩柱（ロックピラー）が存在します。採掘により異なるレベルで水平に炭鉱が切り取られると、大きな空洞（ゴーフ）が残されます。こうした急傾斜の炭層では、重力が横方向にも働き、天井や床、中央の岩柱に通常とは異なる応力を与えます。この地域で過去に発生した高エネルギーのロックバーストは岩柱や天井に起因しており、これらの構造が大量のエネルギーを蓄積し突発的に放出し得ることを示しました。

岩柱と天井が内包する隠れたエネルギーの蓄積

研究チームは数学的モデル、岩石試料の室内試験、地下での計測、縮尺物理模型を組み合わせて、採掘の進行に伴う岩盤群の変形を追跡しました。その結果、炭が岩柱周辺から取り除かれると、岩柱は巨大な片持ち梁のように振る舞い、採掘で空いた空間のほうへゆっくりとたわみます。このたわみと回転が左右の残存炭層を圧迫・こじ開け、岩柱と炭層内部にひずみエネルギーを蓄積します。計算では、岩柱の初期亀裂は約150メートルが露出した時点で始まり、支持されない高さが約350メートルに達すると大規模な破壊に発展することが示されました。マイクロ地震観測（地下での小規模な地震を“聴く”手法）は、これらの深さで岩柱に強い損傷と高エネルギー事象が集中していることを裏付けました。

天井の転倒、床の滑り、そして激しい崩壊

炭層上の被覆岩も同様に危険な挙動を示します。炭層がほぼ鉛直であるため、天井は通常のように真下方向に押されるのではなく、空洞側へ傾きやすくなります。チームのモデルと大規模な実験模型は、即時天井が40メートル以上支持なしに宙にぶら下がることがあり得ることを示しました。崩壊が起きると、上位層は本が並んで倒れるように主に転倒し、下位層は沈下や滑りを起こすことがあります。破砕した岩塊はゴーフ内へ転倒・回転し、一時的に三角状の支持を形成することがありますが、それも後に崩壊します。下位炭層の下の床盤は採掘進行に伴い荷重がかかり、突然荷重が解放されるためせん断や滑動を起こしやすくなります。こうして、たわむ岩柱、張り出した天井、弱化した床盤が強力な静的応力を生み、それらが破壊したときに強い動的衝撃を発生させ、ロックバーストを誘発します。

危険の理解から岩盤を変える実践へ

研究者らは、災害が高い静的応力と突発的な動的擾乱の組み合わせから生じることを踏まえ、被害が出る前にエネルギーを抜く方法に着目しました。提案された解決策は、選択した岩体ゾーンを意図的に弱体化する爆破です。彼らは採掘面の前方に向け、天井と床に浅孔・深孔の二種類の穿孔を行い、制御された爆薬を装填して起爆します。これにより三次元的な亀裂帯（バッファゾーン）が形成され、岩柱や周囲地層から来る水平応力を逸らし緩和します。数値シミュレーションでは、爆破を行わない場合と比べて採掘面前方の水平応力を最大で約5分の1程度削減でき、彼らの条件下では浅孔爆破単独が最も良好に機能することが示されました。

保護が本当に効いているかを測る

現場で方法を検証するため、チームは二種類のモニタリングを用いました。まず、炭や岩が破壊されるときに自然に放出される電磁放射を追跡しました。爆破後、処置されたゾーンの岩石での放射レベルは約30％低下し、炭では約13％低下し、応力が低減したことを示しました。次に、爆破の前後1か月分のマイクロ地震データを解析しました。爆破直後は亀裂の開放と蓄積応力の解放に伴いイベント数とエネルギーが増加しましたが、時間とともに頻度とエネルギーは低下し、岩盤群がより安定化し暴発しにくくなったことが示唆されました。

深部・急傾斜の炭鉱をより安全にするために

非専門家向けの主なメッセージは、急傾斜で極厚の炭層における最も危険な力は多くの場合目に見えないということです。巨大な岩盤スラブのゆっくりとしたたわみや宙吊りが静かにエネルギーを蓄え、ある時点で破綻が起きます。本研究は、そのエネルギーが主に中央の岩柱や張り出した天井に蓄積することを明らかにし、エンジニアが早期に介入して選定したゾーンを注意深く弱体化することで対処できることを示しています。適切に行えば、この制御された損傷は安全弁として機能し、応力を低下させ、突発的な放出の規模を小さくし、ロックバーストの発生を減らすことができます。この手法は、世界で最も困難な石炭鉱床のいくつかにおけるより安全な採掘への実践的な道筋を示しています。

引用: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

キーワード: 岩盤爆発（ロックバースト）, 石炭採掘の安全, 急傾斜炭層, 応力緩和爆破, 岩柱の破壊