ゴブ側沿い盲路保持における偏差応力の第二不変量の分布法則と制御

なぜこの地下の話が重要か

地表からはるか地下で、現代の石炭鉱山は近接する採炭に伴っても安全に保てるトンネルを掘らねばなりません。ゴブ側沿い盲路保持と呼ばれる手法は、未採掘の炭壁を残して新しいトンネルを放棄する代わりに既存の坑道を再利用できるため、資源の節約につながります。しかしその分、覆工が崩れた際に残された坑道は圧潰や崩壊の危険にさらされます。本研究は中国の深部炭鉱を対象に、岩盤応力を新しい指標で追跡することで、どこで破壊が起きやすいかを予測し、より賢い支保で採掘の開始から終了まで坑道を安定化できることを示しています。

崩落した空隙に隣接する坑道を生かす

ゴブ側沿い盲路保持では、長壁式採炭で炭層を掘削しながら、採炭でできた空隙（ゴブ）のすぐ隣に坑道を残します。厚い炭柱を残す代わりに、坑道とゴブの間に路側充填体と呼ばれる人工の壁を構築します。充填体は、覆工が崩れたときに荷重を素早く負担し、大きな圧縮に耐え、ガスや崩落破片から坑道を密封するなど、複数の役割を同時に果たす必要があります。本チームは新庄炭鉱の深さ690メートルの区間を解析しました。そこでは長方形断面の坑道がゴブに沿って保持され、幅1メートルのセメント系充填体と周囲岩盤のロックボルトやケーブルで支保されていました。

岩盤応力がどのように蓄積・移動するかを観察する

単純な圧力レベルだけを見るのではなく、著者らは荷重下で岩盤がどのように変形するかに着目し、偏差応力の第二不変量という量を用いました。本研究ではこれを岩盤がどれだけ歪み、破壊に向かって押されているかを示す総合的な指標として扱います。詳細な数値モデルにより、坑道の全寿命をシミュレーションしました：掘削初期、鉛面付近での激しい採掘期、そしてゴブが大きく圧密した後期までです。応力指標が坑道周囲にリング状の領域を形成する様子、鉛面の進行に伴ってピークが屋根側や炭壁深部へ移動する様子、そして塑性（永久変形）領域が拡大して安定化する経過を追跡しました。

坑道周辺の危険は三段階で現れる

初期段階では、鉛面が坑道に到達するずっと前に、坑口周辺に不均一なリング状の応力分布が現れ、屋根と良質炭側の双方に約2.5メートル程度の浅いピークが見られました。表層近くの応力は比較的低く、掘削によって既に緩和された領域と一致していました。鉛面が接近・通過する中間段階では、岩盤に大きな攪乱が生じ、ピークは増大して深部へ移動し、屋根で約4.5メートル、炭壁で約3.5メートルに達し、炭側の屋根隅に狭い高応力帯が形成されました。後期では、鉛面が数十メートル先へ移動しゴブ内の崩壊岩が圧密するにつれて、ゴブ側浅層の応力は緩和しましたが、炭側屋根隅の深部ピーク帯は拡大・強化を続け、やがて安定しました。

人工の壁が荷重をどう分担するか

充填体は天然岩盤とは異なる挙動を示しました。充填体内の応力はゴブ側から坑道側へほぼ線形に上昇し、取り除かれた炭層の代わりに徐々に荷重を引き受ける様子が反映されていました。鉛面からの距離が増してゴブが圧密すると、充填体内に応力が集中する傾向は弱まり、周囲の破砕岩が覆工の支持に寄与し始めます。力学計算では、岩盤特性と屋根挙動を踏まえると、幅1メートル、強度約20メガパスカルの充填体があれば、長大で重い懸垂板を形成するのではなく、屋根を制御破壊させるのに十分な抵抗を供給できることが示されました。

隠れたホットスポットに届く支保設計

応力ピークの出現位置とその移動をマッピングすることで、研究者らは坑道壁の数メートル先に存在する、制御が必要な屋根と良質炭側のゾーンを特定しました。従来の短いボルトは浅い既に破砕された層を主に補強するだけで、これら深部の危険域にはほとんど効果がありません。そこでチームは複合支保システムを設計しました：浅層屋根とリブには密なロックボルトとメッシュを配置し、充填体を剛性化するために柔軟なセメントスラブ壁と内部ボルトを設け、長いアンカーケーブルは応力不変量が示す高応力帯を直接貫通する角度で配置します。現場観測では、実際の採掘条件下で坑道変形は約30センチ未満、充填体の圧縮は10センチ未満に抑えられ、採掘サイクルを通じて坑道が使用可能な状態に保たれることが確認されました。

より安全で効率的な採掘への示唆

本研究は、岩盤がどのようにせん断され歪むかを観察することで、再利用される坑道周辺で深部から始まる破壊がどこに起きやすいかを特定できることを示しています。長尺アンカーをこれらの隠れた応力ピークに合わせ、路側壁に適切な幅と強度を持たせることで、厚い炭柱を無駄に残すことなく坑道を開放しておけます。実務的には、これにより資源回収率の向上、新たな掘削の削減、より安全な作業環境が実現し、採掘の進行に伴う地下岩盤の応答をより精緻に理解することが設計の指針となります。

引用: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

キーワード: ゴブ側沿い盲路保持, 炭鉱坑道の安定性, 岩石応力と破壊, 路側充填支保, 鉱山における数値シミュレーション