ブロックケービングでの掘削前方における鉛直応力に影響を与える要因の調査

深く掘ることが危険になり得る理由

現代の銅鉱山はしばしば地表から大きく深く入り込み、低品位鉱石を低コストで取り出すために巨大な地下空間を掘削します。ブロックケービングと呼ばれる手法は重力を活用するもので、技術者は巨大な鉱体の下面を切り欠いて崩落させ、下方のトンネルに落とします。しかし岩盤が除去されると山体内の力の分布が変化します。これらの力が不適切な場所に集中すると、トンネルに亀裂が入ったり、崩落が起きたり、最悪の場合は崩壊して作業員や設備に危険が及びます。本研究は、そうした危険な応力蓄積を制御する要因を詳しく調べ、深部鉱山を数十年にわたって安全に設計するための知見を提供します。

亀裂、崩落、そして応力を受けた山体

本研究は中国のプーラン銅山を中心に行われました。ここでは既に地下で重大な損傷が観察されています。採掘前線、すなわち岩盤が積極的に除去される「アンダーカット線」の前方では、トンネルの屋根崩落、側壁の破断、コンクリート支柱の亀裂などが発生しました。これらの問題により新たな道路の建設が必要になり、生産が妨げられました。こうした観測から、掘削の先端前方で岩石圧が蓄積していることは明らかでしたが、なぜそうなるのか、その応力集中域がどれほど広がるのか、どの設計選択が状況を改善あるいは悪化させるのかは明確ではありませんでした。

見えない力を単純化して描く

原因を理解するために、著者らは岩盤工学の古典的な考えに立ち戻りました。地下に空間を作ると、残存する岩体は上部の荷重を負担する天然のアーチのような形を取りやすくなります。そのアーチの周辺では、一部がより圧縮され、他の部分は解放されます。基本的な力学を用いて、チームはアンダーカット領域を矩形の開口として扱い、その周辺で鉛直応力がどのように増大するかを理論的に導き出しました。解析の結果、最も重要なのは三つの要素であることが示されました：アンダーカットの張出幅（スパン）、地表からの深さ、および岩盤塊の強度と摩擦性です。張出が広く深いほど採掘前方に強い応力のホットスポットができやすく、弱く滑りやすい岩盤ほど損傷域が大きくなると予測されました。

仮想ラボで山を試験する

方程式だけでは実際の鉱体の複雑さを完全には再現できないため、研究者たちはプーラン鉱山の詳細な三次元数値モデルを構築しました。アンダーカットと生産レベルの配置、計測された岩石特性、ならびに横方向の強い構造的圧縮による現地応力場を再現しました。次に段階的にアンダーカットをシミュレートし、岩盤中の鉛直応力がどう変化するかを追跡しました。仮想鉱山では、アンダーカット線の前方数メートルに明瞭な応力ピークが形成され、その位置と高さはアンダーカットの進行や掘削深度の変化に伴って変動することが示されました。

どこで岩石が破壊するかを支配するもの

シミュレーションは、危険な応力蓄積を左右する主な要因がアンダーカットのスパンと深さであることを裏付けました。スパンが増すと、最初は採掘前方の鉛直応力のピークが上昇しますが、やがて頭打ちになり、上載岩が新たな安定したアーチを形成してそれ以上荷重を伝達しにくくなることが示されました。一方、深さの増加は一貫してより高いピーク応力と、掘削前方に伸びるより長い損傷・降伏帯域を生み出しました。内部摩擦角（岩片が互いに滑りやすいかを示す指標）を変化させたところ、摩擦が低い岩石はより長い破壊域を発達させ、摩擦が高い岩石は損傷をより短い領域に抑える傾向があることが分かりました。最大応力自体の変化は比較的穏やかでしたが、損傷域の広がりは摩擦に敏感でした。

数値から安全な設計へ

プーランでの現地観測（地盤変位や観察された亀裂など）は、モデルの予測とよく一致しました。鉱山のより深い区間ほどトンネルの変形が大きく、アンダーカットレベルから生産レベルへの強い応力伝達が見られました。理論、シミュレーション、現地データを総合すると、アンダーカット線前方の鉛直応力集中とそれによって生じる損傷域の大きさは、主にアンダーカットの深さ、スパン、岩盤の摩擦特性によって支配されると結論づけられます。鉱山計画者にとっては、アンダーカットの深さや幅を慎重に選定し、現地の岩質に応じた支保工を設計することで、突然の破壊のリスクを大幅に低減でき、大規模なブロックケービング鉱山を生産的かつ安全に維持する助けになるという示唆を与えます。

引用: Cao, Y., Hua, X., Zhai, S. et al. Investigating the factors influencing vertical stress ahead of the undercutting line in block caving. Sci Rep 16, 11505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39231-x

キーワード: ブロックケービング, 地下採掘, 岩石応力, 鉱山の安定性, 数値モデリング