サイクル荷重下の深部花崗岩におけるエネルギー進化機構と災害防止：三山島金鉱の事例研究

地下深部の岩石が安全に与える影響

容易に採掘できる金鉱床が枯渇するにつれて、企業は地表から何キロも下の鉱床へと追いかける必要があります。そこでは岩盤は巨大な力で圧縮され、極端な条件下でトンネルが突然破裂したり、岩塊が剥落したり、激しく破砕することがあり、作業者に重大な危険をもたらします。本研究は、深部の硬い花崗岩が掘削の進行に伴ってどのようにエネルギーを蓄積し放出するか、そしてエネルギーを吸収する賢い支保が潜在的に暴発的な破壊を管理可能な制御変形へと変える方法を探ります。

深部金鉱に潜む力

研究対象は中国の三山島金鉱で、トンネルは地表から1キロメートルを超える深さにあります。著者らはまずボーリングを行い、現場の応力を慎重に解放して周囲岩盤の自然応力を測定しました。その結果、岩盤は上からの荷重よりも側面からの押し付けを強く受けており、水平方向の応力が鉛直方向の重力負荷よりはるかに大きいことがわかりました。これらの応力は深さとほぼ線形に増加し、水平方向が支配的な応力場を作り出して、採掘の進行に伴うトンネルの変形や破壊の様相を規定します。

実験室で深部の条件を再現する

この応力を受けた岩盤が繰り返し荷重・解放を受けたときにどう振る舞うかを理解するため、チームは鉱山から花崗岩ブロックを切り出し、三軸独立制御可能な専用試験装置で試験しました。この装置は三方向の圧力を独立に制御でき、簡略化された状態ではなく実際の地下応力状態を模擬します。彼らは深度500〜2000メートルに相当する条件を再現し、他の二方向を一定に保ちながら一方向に沿ってサンプルを繰り返し圧縮・解放し、花崗岩が各サイクルでどのようにひずみ、割れ、最終的に破壊に至るかを追跡しました。

岩石がエネルギーを蓄え、消耗する仕組み

実験は、繰り返し荷重を受ける花崗岩が単純に弾性的に元に戻るだけではないことを示します。むしろ永久変形は主に最大圧縮・伸長方向に沿って蓄積し、各サイクルごとにほぼ指数関数的に増大する一方で、中間方向の変化はより緩やかです。エネルギーの観点では、岩石に加えられた仕事の一部は回復可能な弾性エネルギーとして蓄えられ、残りは微細破砕や粒子間の摩擦など不可逆的な過程により失われます。荷重の初期段階ではエネルギーは主に弾性的に蓄えられますが、応力が降伏点に近づくにつれて入力エネルギーのより多くが損傷へと振り向けられ、ひび割れが形成・連結していきます。最大強度付近およびそれを超えると、追加のエネルギーの大部分は急激に放出されるのではなくさらなる損傷に消費されることが多く、これは“損傷誘起エネルギー変換”という機構を示しています。この機構は、岩盤の支保方法次第で破壊を減衰させることも促進することもあり得ます。

エネルギー知見を支保設計に生かす

これらの知見を基に、著者らは強度だけでなくエネルギーを中心に据えたトンネル支保の設計を提案します。彼らは、深部応力下でトンネルを掘削した際にトンネル周囲の損傷帯に蓄積される余剰エネルギー量を見積もります。支保システム、特にロックボルトは、その総エネルギー吸収能力がこの値を安全余裕をもって上回るように選定されます。三山島では、摩擦式の“スプリットセット”ボルトをサイズや長さを調整し、管内に注入される水反応性の化学グラウトが膨張・硬化してボルトを岩盤により強く押し付けるよう改良しました。現地での引抜き試験は、これら改良ボルトが従来型よりも破断前にはるかに多くのエネルギーを吸収できることを示しました。

エネルギー制御でより安全な深部トンネルへ

改良されたエネルギー吸収型支保システムを地表下1050メートルの運搬通路に設置したところ、12日間のモニタリングでボルト荷重と振動レベルの両方が低下して安定し、壁面の剥落や局所的崩壊といった問題が著しく減少しました。簡単に言えば、深い応力下でもトンネル周囲の花崗岩はエネルギーを蓄え続けますが、強化され延性を持たせた支保が制御された降伏を通じてその大部分を吸収・散逸するため、急激で暴発的な岩盤破壊を許さなくなります。このエネルギー基準の設計手法は、硬く高応力の岩盤に開口部を設ける必要があるあらゆる場所で、より安全で信頼できる深部採掘への実践的な道を提供します。

引用: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

キーワード: 深部採掘, 岩盤爆発防止, 花崗岩トンネル掘削, エネルギー吸収型支保, 繰り返し荷重