破砕した岩盤を伴う巷道周辺岩盤の安定性：配置最適化のメカニズムと影響

深部地下でなぜ割れた岩が重要なのか

地表から遠く離れた地下では、石炭鉱山は堅い岩盤に掘られた長いトンネル（巷道）に依存しています。これらの通路は作業者の安全な移動と機械の運転のために安定を保たねばなりません。しかし岩盤はしばしば完璧ではなく、天然の亀裂や節理によって切られており、応力下でこれらが拡大して連結することで崩壊を引き起こすことがあります。本研究は実務的かつ生命に関わる問いを扱います：鉱山がより深くなるにつれてこれらの隠れた亀裂はどのように振る舞い、巷道の配置をどのように最適化すれば周辺岩盤の破壊を防げるのか？

研究者はどのように破砕岩を再現したか

この問題を制御された条件で調べるため、研究者たちはまず実験室で岩に似た試料を作成しました。天然岩石は正確に亀裂を作ることが難しいため、代わりに単一の人工亀裂を異なる角度（水平から垂直まで）で入れたコンクリートブロックを作成しました。各試料の品質は超音波で確認し、中央領域のみが明瞭な亀裂を含み、残りは均質であることを確かめました。これらの試料は試験機で圧縮され、新しい亀裂がどこで始まりどのように成長し、最終的にどのように破壊するかを観察しました。

卓上試料から計算機上の岩まで

実験室試験だけでは実際の鉱山の複雑さを完全には再現できないため、チームは離散要素法と呼ばれる手法を用いて破砕試料の詳細な計算モデルを構築しました。この仮想岩盤では、材料が多くの小さな多角形ブロックに分割され、これらが滑動・分離・粉砕し合うことができます—実際の岩粒に似た挙動です。モデルの強度と破壊パターンが物理試験に一致するように慎重に調整することで、研究者たちはより多くのシナリオ、例えば深さに伴う周辺圧の違いが亀裂成長に与える影響などを実験室より多く探索できると信頼できるようになりました。

圧力下で亀裂に何が起きるか

シミュレーションと実験の両方から、元の亀裂の角度が損傷の広がりを強く支配することが明らかになりました。特に亀裂が約30度から60度に傾く範囲では、新しい亀裂は既存の亀裂の近傍で発生し、次第にそれと整列する方向へ成長する傾向がありました。外部圧が増す（より深部に相当）と、亀裂化は岩全体に広がるのではなく既存亀裂の局所近傍により限定されるようになります。試料の全体的な強度は亀裂角度に対して明瞭なV字型の傾向を示し、亀裂がほぼ水平または垂直のときは比較的強い一方、中間角度では亀裂が結びつきやすく著しく弱くなります。

より安全な巷道配置の設計

この小規模での理解を得て、チームは複数の近接巷道を持つ実際の鉱山配置に転用しました。検証済みのモデルを使って、覆い岩の重量や石炭採掘による応力が各巷道の周囲に塑性化域（岩が降伏し亀裂化した領域）をどのように形成するかをシミュレートしました。その結果、全体の応力レベルが上がると変形は急速に大きくなり、塑性化域は深くなることがわかりました。二つの巷道が近接しすぎると、これらの損傷域が連結して大きな弱化領域を作り、両方のトンネルを危険にさらすことが確認されました。現場のボーリング孔観察画像はモデルの結果を支持しており、近接した巷道の浅い屋根部は激しく破砕されている一方、深部側は比較的無傷であることが示されました。

石炭鉱山の安全性にとっての意義

本研究は実務的な経験則を示しています：主要な巷道間隔を巷道半径の約5倍より大きく（同研究例ではおおよそ15メートル以上）保つことが、亀裂化域の重なりを防ぎ長期安定性を改善するのに有効だという点です。また、高い自然地圧と採掘が生み出す追加応力が亀裂成長と損傷の深化の主な駆動因子であることを強調しています。日常的な観点では、本研究は実験と現実的なシミュレーションに基づく慎重なトンネル配置の計画が、岩盤崩壊のリスクを大幅に減らし、作業者の安全を守り、深い石炭鉱山や類似の地下プロジェクトにおける維持管理費を削減する方法を示しています。

引用: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

キーワード: 石炭鉱山の巷道, 破砕岩, 地下の安定性, 巷道間隔, 離散要素モデリング