繰り返し爆破で攪乱される深部入口ライニング構造の損傷メカニズムに関する研究

なぜ鉱山トンネルは追加の保護を要するのか

石炭鉱山が地下深部に達するにつれて、垂直立坑と水平坑道を結ぶトンネルは、空気や人員、機材の生命線として重要性を増します。こうした接続部は入口（イングエート）と呼ばれ、周囲の岩盤を押さえるために厚いコンクリートで覆われます。しかし、周辺トンネルを掘削する際に用いる爆破そのものが、このライニングを徐々に弱らせ、ひび割れや長期的な不安定化のリスクを高めます。本研究は、繰り返しの爆破が深部のイングエートライニングに与える影響と、より強靭なコンクリートを用いることでこれら地下の“のど”を時間経過でどう守れるかを検討します。

危険にさらされる地下の十字路

研究チームは中国東部の深部石炭鉱山に着目しました。そこでは新しい送気立坑が大きく複雑なイングエートを介して水平坑道と接続しています。その規模、曲面形状、交差開口の多さから、この接合部は応力を集中させて支保が難しい箇所になっています。トンネルボーリングマシンの使用が実用的でないため、周辺坑道の掘削には掘削・爆破工法が用いられます。築造後は、イングエートのコンクリートライニングが深部の一定した岩圧と、近接爆破からの繰り返される衝撃波の両方に耐えなければなりません。どこでどのように損傷が始まるかを理解することは、より安全な掘削計画と材料選定に不可欠です。

岩盤を壊す代わりに爆破をシミュレートする

危険な実地での実大試験を行う代わりに、研究チームはイングエート、周囲の泥岩、そして爆薬を詳細に再現した三次元計算モデルを構築しました。LS‑DYNAシミュレーションソフトを用いて、深部岩盤からの静的な圧力と、立坑両側の水平坑道で繰り返される爆破による動的荷重の両方を再現しました。比較対象としたライニング材料は、従来の高強度コンクリートと、短い金属繊維を含みひび割れのブリッジや抑制に効果を持つ鋼繊維補強コンクリートです。異なる拘束圧や炸薬量を適用して、応力、振動速度、そしてライニングに蓄積される損傷の進展を追跡しました。

応力が集中しひび割れが始まる場所

シミュレーション結果は、静的な岩盤圧のみの条件ではライニングの最も弱い箇所は最大圧縮を受ける場所ではなく、引張で引き裂かれる箇所、特に水平坑道の下隅や側壁であることを示しました。拘束圧が増すと全体の圧縮応力はコンクリートの圧壊限界を十分に下回る一方で、引張応力はその許容範囲のかなりの割合に達します。爆破を加えると、立坑と坑道が接するアーチクラウン（拱頂）で損傷が現れ始める明確な最小炸薬量、すなわち閾値が存在することが分かりました。この閾値は周囲岩盤圧が上がるほど低下し、常に鋼繊維補強コンクリートの方がプレーンな高強度コンクリートより高く、繊維が爆破衝撃に対する感受性を低くすることを示しています。

繰り返し爆破がライニングをすり減らす過程

トンネルの切羽が段階的に進む状況で循環的な爆破をモデル化することで、振動と損傷が時間とともにどう進展するかを追跡しました。最大の粒子速度は水平坑道のアーチ領域で発生し、最初の約4回の爆破が最も強い揺れをもたらしました。最初にひび割れた要素は後に最も多くの損傷を蓄積し、特に初期の強い爆破に面したイングエート側で顕著でした。一方側で「まず強い爆、次に弱い爆」の順序は、反対側での「まず弱い、次に強い」順序より累積損傷を大きくしました。これは初期のひび割れが後の衝撃で損傷を広げやすくするためです。シミュレーションはまた安全距離を示しました：切羽が十分に遠ざかると追加の爆破で損傷は増加しなくなります。プレーンコンクリートライニングでは約26メートル、鋼繊維補強ライニングでは約18.2メートルでした。

より強靭なコンクリートと慎重な爆破が重要な理由

総じて、本研究は鋼繊維補強コンクリートのライニングが従来の高強度コンクリートに比べ長期的損傷がはるかに少ないことを示しました。二つの完全な爆破サイクルの後、鋼繊維補強ライニングの総損傷はプレーンライニングの約15分の1にすぎませんでした。鉱山設計者や安全技術者にとって、これは二つの示唆を与えます。第一に、特に引張性能の高い、ひび割れ進展に強い材料を選ぶことで深部イングエートの寿命と信頼性を大幅に延ばせること。第二に、これら構造物近傍での最初の爆破に特別な注意を払い、炸薬量を制限することで掘削の進行に伴って蓄積される累積損傷を大幅に抑えられることです。より優れた材料と慎重な爆破戦略を組み合わせることで、深部採掘インフラの安全性を高める現実的な道筋が得られます。

引用: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

キーワード: 深部鉱山トンネル, 爆破振動, コンクリートライニング損傷, 鋼繊維補強コンクリート, 地下掘削の安全性