深部複雑応力場における坑道の変形特性と支保技術に関する研究

深い鉱山トンネルが私たちにとって重要な理由

私たちが依存する電力や工業用燃料の多くは、地表下深くから採掘される石炭に由来しています。残存する煤層に到達するために鉱山がより深くなるにつれて、作業者や機材、石炭を運ぶ坑道は周囲の岩盤からの巨大な圧力に耐えなければなりません。岩盤が変形・崩壊すると、修復コストや生産損失、場合によっては致命的な事故につながります。本研究は、複雑な地下配置を持つ深部の坑道路がなぜ深刻に変形するのかを探り、こうした生命線を安定かつ安全に保つ新しい手法を提示します。

極端な圧力下の迷路のような坑道

研究対象は、主坑道が地表下800メートル以上に位置し、立体的な迷路を成す石炭鉱山です。軌道坑、ベルトコンベヤ坑、貯蔵ホッパー、連絡通路などが多様な角度とサイズで交差しています。特に“ブルノーズ”と呼ばれる大型交差部は、周囲岩盤の自然な応力を乱します。直線坑道に対する単純で均一な圧縮ではなく、交差部では複数方向からの押し・引きが重なり合い、応力の予測と制御を一層難しくします。

岩盤がどのように、どこで破壊を始めるか

この挙動を把握するために、チームは鉱山の坑道ネットワークと岩層を詳細に三次元でモデル化しました。各坑道を掘削する過程を数値的に再現し、岩盤の応答を観察しました。モデルは「塑性域」— 岩盤が強度を超えて永久変形し始める領域 — を明らかにしました。直線部では損傷域は数メートルの厚さでしたが、複雑な交差部では異なる坑道からの損傷域が重なり拡大し、岩盤内に最大6.6メートルに達する深さまで広がりました。この「重ね合わせ拡大」により、本来荷重を負担するはずの岩盤アーチがより厚く、緩く、制御しにくくなります。

坑道変形を駆動する応力パターン

損傷の分布を描くだけでなく、研究者らは坑道周辺で応力場の形状がどのように変化するかを解析しました。着目したのは偏差応力（deviatoric stress）と呼ばれる指標で、これは岩盤が単に圧縮されるだけでなく形状変形をどれだけ受けているかを示します。単純な直線坑道では、高い偏差応力が開口部の両側近傍に三日月状の二つの領域を形成しました。しかし交差部ではこれらの三日月が拡幅し、より深くへずれ、左右で強く不均一になりました。偏差応力がピークに達する場所では、塑性（損傷）域も増厚しました。研究はこの関係を定量化し、偏差応力が約12.6メガパスカルを超えると損傷域が最大の6.6メートルまで成長することを示しました。実務上、坑道が交差する箇所こそが岩盤が割れ、変形し、支保システムを脅かす可能性が最も高い場所です。

より安全な坑道のための三段階支保戦略

従来の単層支保ではこうした条件に対処できないことを踏まえ、著者らは深部かつ複雑な坑道網に適した新しい「協調型」支保システムを設計しました。まず、掘削直後の岩盤を速やかに吹付コンクリートで被覆し、浅層を短期ボルトで締結した後にさらにコンクリートを施します。次に、6.6メートルの損傷域を越えて安定した岩盤に届く長尺アンカーケーブルを段差状に配置し、重なり合う圧力アーチを形成して岩盤と支保が一体で荷重を負えるようにします。最後に高圧注入で亀裂にセメントスラリーを充填し、破砕された岩塊を結束させるとともに岩盤とアンカーの接触を改善します。この段階的かつ多層的なアプローチは、表面ひび割れから深部のせん断損傷へと進行する岩盤破壊の時系列に合わせて各層が次の層を補強するように設計されています。

稼働中の鉱山での実績

この新しいシステムは、ケーススタディで用いた同じ深部鉱山で試験されました。チームは主要坑道の天井、床、側壁の変位を数か月にわたり監視し、アンカーケーブルの荷重を測定しました。従来の支保設計と比べて、天井と床の合成変位は約半減し、側壁の収束も同程度に減少しました。坑道が安定形状に到達するまでの時間は約45日へ短縮され、ケーブルにかかる力は安全限界を大きく下回りました。一般読者にとっての結論は、精緻に設計された多層支保により、危険なほど不安定な深部坑道網を管理可能で長寿命な構造へと変えうる──鉱夫の安全性を高め、これら地下経路に依存するエネルギー供給の信頼性を向上させる、ということです。

引用: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

キーワード: 深部地下採掘, トンネル安定性, 岩盤支保システム, 石炭坑道工学, 地下応力場