支保工における大規模すべり型石炭バンプに基づく実験研究と工学的適用

地下を支える

深部の地下では、炭鉱は静かで安定した場所ではありません。地層が圧縮されてずれ、トンネル脇の石炭壁が突然内側に向かって危険な衝撃を伴って急進する「石炭バンプ」と呼ばれる現象が起きます。本研究は、天井や床がほとんど変形しないまま大きな石炭片がトンネル内に滑り込むという特定の事象を扱います。著者らは、石炭壁に設置する金属ボルトの取り付け方、特に角度や太さが暴発的な崩壊と安定した巷道の違いを生むことを示し、実際の鉱山で新しい支保設計を試験しています。

敷物のように滑る石炭

ここで検討されるタイプの事故では、トンネル側の石炭壁全体が突如前方に押し出され、天井や床を押し潰すことなく通路をふさぐことがあります。設置されていたボルトやメッシュは一見大きな損傷を受けていないように見えることさえあります。問題は石炭と周囲の岩の隠れた接触面にあり、応力が蓄積されて突然解放されると、滑らかな面に沿って石炭が滑動し、磨かれた床の上で敷物が滑るような挙動を示します。作業者の安全を守るには、支保システムがこの接触面を補強し、単に石炭を固定するのではなく解放されるエネルギーを吸収する必要があります。

ボルトの実験室試験

滑りに対するボルト設計の有効性を理解するため、研究者らは石炭–岩盤界面を模した隙間を持つ二つの岩塊を模擬する鋼製金型を製作しました。ボルトを代表する金属棒は二種類の合金で、三つの異なる太さを用意し、制御された引張試験を行いました。棒は滑り方向に対して30°、45°、60°、および90°の四つの角度で取り付けられました。試験機で金型の両半分を引き離すことで、棒の破壊挙動を観察し、各配置が破断に至るまで耐えた力と吸収したエネルギーを計測できました。

角度と太さが重要な理由

実験は明確な傾向を示しました。棒が滑り方向に対して30°または45°に設定されると、ワイヤーが引き伸ばされて最後に切れるように、引張で延伸して破断する傾向がありました。この場合、棒はより高い荷重を負荷し、破断前により多くのエネルギーを吸収しました。より垂直に近い60°や90°では、滑動によって棒が横方向に切られるようなせん断破壊が主で、必要な力は小さく蓄えられるエネルギーも少なくなりました。すべての角度において、太い棒は常に細い棒より高い荷重に耐え、より多くのエネルギーを吸収しました。試験した構成の中では、約45°で配置した棒が、好ましい破壊モードと高い強度・エネルギー吸収を組み合わせ、最も優れた全体性能を示しました。

模型から鉱山へ

研究チームはこれらの知見を、中国の孔庄炭鉱の7305作業面に適用しました。ここは強い地圧が働き石炭バンプのリスクが知られている深部操業区です。戻り風道（換気と出入りの重要な通路）は当初、標準的なパターンの屋根ボルト、側面ボルト、ケーブル、鋼製メッシュで支保されていました。試験結果を踏まえ、技術者らは多くのボルトが石炭–岩盤接触面と45°以内の角度で交差し、アンカー部が堅固な天井岩盤や床岩盤に達するように配置を再設計しました。これにより石炭壁の周りに三次元の籠が形成され、滑動面での摩擦が増し、集中応力が拡散され、衝撃時にボルトが伸びてエネルギーを吸収する仕組みが組み込まれ、脆性的に断裂するのを防ぎます。

地下のより安全な通路

この新しい支保方式を現場で採用した結果、大規模な石炭滑落は著しく減少し、巷道の安定性が改善されました。特別な装置や大幅なコスト増を伴うことなく実現されました。非専門家に向けた主要なメッセージは明快です：ボルトの太さと、とりわけ滑りうる面を横切る角度を慎重に選ぶことで、破壊しやすい剛直な支保システムを、衝撃を吸収するように挙動するシステムに変えられるということです。この手法は他のタイプの石炭バンプについても検証が必要ですが、深部炭鉱の地下巷道をより安全で信頼できるものにする実用的な道筋を提供します。

引用: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

キーワード: 石炭バンプ, ロックボルト, 地下巌道支保, 鉱山安全, エネルギー吸収型支保