下部孤立島採掘面における坑道の安定性解析と制御技術に関する研究

地下坑道が重要な理由

中国北部の深部では、炭鉱労働者は人員、空気、機材を移動させるために地下坑道に依存しています。これらのトンネルが変形したり崩壊したりすれば、鉱山は減速または停止を余儀なくされ、作業員の安全が脅かされるだけでなく重要なエネルギー供給源にも影響します。本稿は特にやっかいな状況、つまり上部にすでに採掘された空洞と残された炭柱に囲まれて“島”のように存在する採掘区画を扱います。著者らは旧作業から生じる応力が岩盤にどのように集中するかを示し、新しい坑道を安定かつ安全に保つ支保システムを設計しています。

古い作業と新しい作業の重なり

本研究は陝西省の陽火畔炭鉱を対象とし、長く狭い採掘区画である30,119採掘面が、すでに採掘された別の層の下に横たわっている状況に着目しています。その上部には採掘によって生じた空洞（ゴーフ）と、残された炭柱の固まりがあります。この配置は三方が採掘済み域に囲まれた「孤立島」状の採掘面を作り出します。対象となる換気戻り坑道は、応力の低いゴーフ領域と応力の高い残存炭柱の下の両方を通過しなければなりません。覆いと床の岩石は比較的強い砂岩や泥岩ですが、応力場が非常に不均一であるため、画一的な支保設計では安全性に欠け無駄が生じます。

残存炭柱が下位層に及ぼす力の伝わり方

研究者らはまず岩石力学の理論を用いて、上部炭柱からの力がどのように下方へ伝達されるかを解析します。炭柱を幅のある帯状の荷重として扱い、はるかに厚い地層に押し付けることで、この集中荷重が深さとともにどのように広がるかを計算しました。解析の結果、残存炭柱の直下では下位炭層の垂直応力が自然な背景レベルの約1.6倍に達し、その影響は下位炭層に沿って側方に60メートル以上に及ぶことが示されました。言い換えれば、上位層が既に採掘されていても、残された炭柱は下位の岩盤や坑道に重量を集中させ続け、応力上昇と応力緩和の明確な領域を生み出します。

応力・破壊・変位をシミュレーションする

これらの力が坑道周辺でどのように作用するかを把握するため、研究チームは数値シミュレーションソフトを用いて岩層と採掘順序の三次元モデルを構築しました。上位層を“採掘”してゴーフと炭柱を作り、次に下位の3–1炭層を掘削し、30,119採掘面の進行を段階的にシミュレートします。モデルは上部作業の下に五つの明確な領域を示しました：ゴーフの下の二つの低応力域、第一および第二残存炭柱の下の二つの応力集中域、そして未採掘炭の下の正常応力域です。下位面が進行するにつれて、面前の余分なピーク荷重は常に採掘面の約八メートル手前に現れますが、その大きさは位置によって大きく変動します：応力は第一残存炭柱の直下で最大となり、第二の直下ではやや小さくなります。

坑道が最も苦しむ場所

シミュレーションはまた、坑道周囲の岩石のどの程度が塑性化や破砕（「塑性域」）を起こすか、及び覆いと側壁の内向き変位がどれほどかを追跡します。坑道が応力緩和域の下にある場合、周囲の破壊帯は比較的浅く、変形も小さく抑えられます。しかし第一残存炭柱の直下では、集中荷重と進行する採掘面からの圧力が合わさり、覆いおよび側壁の破砕域が深くなり、覆いの沈下と壁の収束が大きくなります。第二炭柱の下では反応は依然として深刻ですが第一の下よりも軽度で、覆いの変位は第一の下の約半分、堅い炭側壁の変位は75%以上減少します。これらの差は、坑道挙動が岩質だけでなく過去の採掘が課した複雑な応力履歴によって支配されていることを裏付けます。

本当に必要な場所に支保を設計する

これらの知見に基づき、著者らは坑道を二種類の管理区域に分割します。ゴーフの下やほぼ正常な応力域にある区間では、ロックボルト、ケーブル、メッシュを用いた従来の支保パターンを採用します。残存炭柱の影響下にある高応力域では設計を強化し、屋根ボルトを密に打ち、補強パターンで配置した長いケーブルアンカー、さらに炭柱とリブを縫い合わせるような側壁ボルトを追加します。その後、採掘面進行に伴い複数の観測点で覆いの沈下、側壁の収束、およびボルト・ケーブルにかかる荷重を監測して地中で性能を検証します。測定された覆いの沈下は約1センチ以内、壁の閉塞は数ミリ以内に収まり、支保の荷重は容量を大きく下回っており、十分な安全率が確保されていることが示されました。

より安全な採掘への意味

実務的には、本研究は孤立島状の採掘面の下にあるトンネルは、まず旧炭柱やゴーフが応力場をどのように再形成しているかを明らかにし、そのうえで各ゾーンに応じた支保を設計すれば安定を保てることを示しています。全域で過剰に補強するのでも、隠れたホットスポットで破壊を招くリスクを冒すのでもなく、応力が最も高い場所に重点的に強い支保を配置し、応力が緩和されている場所では軽い支保を用いるという方針です。陽火畔での結果は、複雑な旧作業ネットワークの下で新しい炭層を掘る必要のある他の鉱山にとってのひとつの模範を提供します。

引用: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

キーワード: 炭鉱坑道の安定性, 孤立島採掘面, 残存炭柱応力, 数値採掘シミュレーション, 地下支保設計