大型採掘高パネルのゴブ側導坑保持における沿道充填の屋根切断・圧力解放に関する周囲岩制御技術の研究

地下トンネルを開放・安全に保つ

深部の石炭鉱山は、人員、機械、石炭を運ぶために長いトンネルに依存しています。しかし石炭が採掘されると、上部の岩盤が変位してトンネルを圧迫し、安全上の重大なリスクや経済的損失を招くことがあります。本研究は中国の一鉱山を対象に、実践的な問いを追います：次の採掘に備えて主要なトンネルを放棄せずにそのまま維持できるよう、採掘空間と支保をどう設計すべきか、という点です。

導坑を残すことが重要な理由

現代の石炭鉱山では、高さのある採掘パネルを用いて一度に厚い炭層を除去することが多く、生産性は上がる一方で周囲岩盤への攪乱は大きくなります。従来は周辺の導坑を守るために未採掘の厚い煤柱を残していましたが、その煤柱は価値ある石炭を地中に残し、追加の掘削を必要とします。ゴブ側導坑保持という手法はより賢い選択肢を提供します：崩落した採掘空間（ゴブ）のすぐ脇に導坑を残し、煤柱の代わりにAlong the roadsideに構築した特別な壁で保護するのです。この導坑が安定して維持できれば、回収できる石炭が増え、開発費用が削減され、全体の効率が向上します。

岩盤と壁だけでは対応できない場合

著者らは沿道壁だけに頼った場合に何が問題化するかを解析します。高く幅の広いパネルでは、上部の岩層が長スパンでたわみ破壊し、強大で変動する荷重を生じます。狭い沿道壁はその荷重の大部分を受け止めなければなりません。壁が強く硬すぎると内部に過度の応力が蓄積して割れや破裂を生じさせ、弱ければ膨出や導坑断面の圧縮を招き、屋根や側壁が内側へ押し込まれます。別のケースでは、壁が比較的強く屋根が弱いと、導坑上部の岩が剪断して落下し局所的な天井崩落を引き起こします。要するに、厚い炭層を採掘した場合に生じる激しい岩盤挙動に対して、単に沿道壁を構築するだけでは不十分です。

荷重を抑えるための屋根切断

この問題に対処するため、研究者らは「強化支保＋屋根切断による圧力解放」という併用アプローチを提案します。考え方は、導坑のゴブ側上部に斜めの切れ目を事前に入れておくことで、導坑屋根と主要な岩層との連結を弱め、上部岩盤が道路上に梁のようにぶら下がるのではなく、採掘側へ秩序立って破壊・崩落するよう誘導するというものです。同時に導坑自体は、ロックボルト、鋼索、油圧支柱、コンクリート製の沿道壁を密なパターンで配置して補強し、荷重を支えつつも一定の制御された変位を許容します。

仮想試験で最適点を探る

2507作業面に合わせて較正した3次元数値シミュレーションを用い、研究チームは屋根切断高、切断角度、沿道壁幅の3つの設計パラメータを変化させて解析しました。岩盤の変形強度の指標である偏差応力を追跡し、どこで破壊が生じやすいかを評価しました。シミュレーションの結果、主要屋根層の約70％に達するおよそ15メートルの屋根切断が導坑周辺の応力を大幅に低下させることが示されました。切断角度は15度が固炭側と沿道壁の間で荷重をバランスよく分担させ、危険な懸垂ブロックではなく秩序ある崩壊を促進しました。沿道壁については幅0.5〜1.0メートルでは弱すぎて著しい変形を招き、約1.5メートルの幅が強度と適応性の最良の組み合わせを与えました。

現場観測による実証

最適化設計は実際の鉱山で試験されました。掘進が進行しゴブ側導坑が残る過程で、屋根の変位、アンカーケーブルの力、コンクリート壁への圧力が計測されました。屋根切断側のたわみはおよそ120ミリメートル以下に収まり、ケーブル荷重と壁圧はピーク後に設計限界を下回る水準で安定しました。この挙動は、屋根切断が導坑に直接かかる荷重を効果的に低減し、強化した支保が過負荷や突然の破綻を起こすことなく協調して機能していることを示しています。

より安全で合理的な採掘への示唆

専門外の方への要点は、導坑上部の硬い岩盤を事前に「破砕」し、それと同時に堅牢で柔軟性を持たせた支保を組み合わせることで、大規模に石炭を除去した場合でも重要な地下道を開放状態で維持できる可能性がある、ということです。適切な切断高さ、切断角度、壁幅を選ぶことで、岩盤の破壊挙動と荷重分担を制御できます。本事例では、15メートル高・15度の屋根切断と1.5メートルの沿道壁が、ゴブ脇に安定で再利用可能な導坑をもたらしました。結果として回収石炭量の増加、新規導坑掘削の削減、そして深部で作業する鉱夫の安全性向上が期待されます。

引用: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

キーワード: 石炭採掘, 岩盤支保, 屋根切断, ゴブ側導坑, 地下の安定性