超厚層におけるゴブ側道路掘進前の厚質屋根の事前破砕に関する合理的な穿孔角度と技術適用

深部石炭採掘の安全性向上

中国の大規模な炭鉱の一部では、炭層が採掘された後に残る大きな空洞に隣接して地下坑道を開放したままにする必要があります。これらはゴブ側道と呼ばれ、換気や輸送に不可欠です。しかし、非常に厚く硬い岩質の「屋根」がこれらの空間を覆うと、屋根が突然崩落して支保工を押し潰し、坑道を変形させる危険があります。本研究は、慎重に角度を選んだ穿孔と二酸化炭素を用いた破砕によって、その硬い屋根を事前に弱化させ、坑道上部で激しく崩れるのではなく、制御された形でゴブ側へ崩落させる方法を検討します。

厚い屋根が潜む脅威の正体

厚さ20メートルを超える超厚層では、採掘によって大きな空洞が残ります。その上位には薄く弱い層があり、そのさらに上に非常に強固で厚い岩屋根が載っています。採掘済み空間（ゴブ）の破砕岩が空隙を完全に埋めないため、厚い屋根が長い剛体の張り出しを形成し、坑道を支える残留炭層まで達することがあります。この張り出し部が破断・回転すると、坑道の側壁や底盤に追加荷重を急激にかけ、鋼材のたわみ、アンカー索の切断、炭柱の圧潰を引き起こし、時には坑道をほぼ閉塞させます。馬道頭（Madaotou）鉱山での現地観測では、事前の屋根処理が行われなかった場合に極端な屋根沈下、側壁の剥落、底盤の隆起が記録されました。

被害が最小になる場所で屋根を壊す

著者らは問題を逆手に取ることを提案します。屋根が破断した後に対応するのではなく、新たなゴブ側道を掘進する前に厚く硬い屋根を意図的に事前破砕するのです。隣接する坑道から選定した角度で長孔を穿ち、これらの孔に沿って岩体を破砕することで、主要な岩塊が新しい坑道の上方で破断するのではなく、既に採掘されたゴブ側へと崩落するよう誘導できます。上部岩体を梁の積層として扱う構造モデルを用いると、事前割れ目の角度が屋根の破断位置、たわみの様態、そして荷重の側方伝達を制御することが示されます。破砕方向が岩塊をゴブ側へ導くと、坑道にかかる荷重は直接上方の剛性ある片持ち梁によるものではなく、より遠方で穏やかにたわむ岩により主に負担されます。

最適な穿孔角度の検討

概念から設計規則へ移すため、チームはさまざまな割れ角度で屋根塊がどのようにたわみ、炭層側壁に押し付けるかを詳細に表す数理モデルを構築しました。続いて数値シミュレーション（FLAC3D）を用いて、穿孔角度が無破砕から60°、70°、80°、90°、およびそれを超える場合に坑道周辺の応力と損傷分布がどのように変化するかを検証しました。注目した指標は二つ、炭層および屋根の塑性（永久変形）ゾーンの大きさと、蓄積ひずみエネルギーの指標であるJ2です。事前破砕角度が60°から90°へ大きくなるにつれ、炭層側壁に作用するピークの側圧は約18%低下し、塑性破壊域はおよそ32 mから20 mへ縮小し、炭層と屋根双方のJ2は著しく低下しました。しかし角度が90°を超えると、破砕された塊が再び坑道側へ直接押し付ける傾向が強まり、損傷域が拡大して炭層が著しく圧潰し、安全に荷重を負担できなくなることが分かりました。

超臨界CO2による屋根破砕

これらの計算に基づき、研究者らは主要な屋根層（採掘面上約45 m）に達する破砕高さと、ほぼ鉛直の90°穿孔角度を最適として選定しました。馬道頭鉱山の2209仕事帯では、ゴブ側に近い側沿いに複数の深穴を連続して穿ち、超臨界二酸化炭素を用いて屋根を破砕しました。CO2は封入カートリッジ内で高密度流体として保持され、起爆時に急速に気化して岩の割れ目をゆっくりと開くため、爆薬より衝撃が少なく制御された破砕が可能です。ボアホールの現地点検と注水試験により、孔間での破砕連通が良好で、坑道上方に連続した弱化帯が形成され、採掘進行に伴い屋根塊がゴブ側へ崩落しやすくなっていることが確認されました。

激しい崩落から制御された挙動へ

事前破砕を行わなかった同等の坑道と、CO2を用いた処理を施した坑道を比較すると差は明白でした。事前破砕がない場合、掘削中の屋根沈下はほぼ半メートル、採掘中には1メートル以上に達し、側壁や底盤も数百ミリ動き、繰り返し補修が必要でした。90°での事前破砕を行うと、掘削中の屋根変位は数センチに低減し、採掘中の屋根・炭柱・堅石・底盤の変形は75～82%低下しました。坑道の側壁は比較的滑らかに保たれ、屋根は保持され、支保の破損は稀でした。専門外の読者への結論は簡潔です：適切な穿孔角を選び硬い屋根を事前に破砕することで、技術者は岩がどこで破断するかを「指示」できる──坑道上方ではなく坑道から離れた場所へと導き、危険な突然の崩落をより安全で制御された地盤の沈下に変えることが可能です。

引用: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

キーワード: 炭鉱坑道の安定性, 屋根の事前破砕, ゴブ側通路, CO2による岩石破砕, 超厚層石炭層