至近距離の採炭によるゴーフと本道路掘削攪乱の周囲岩体への応力緩和影響に関する研究

地下応力が重要な理由

近年の鉱山は残存する石炭資源に到達するためにますます深部へ掘り進められており、そこでの岩盤は複雑で時に予測しにくい挙動を示します。旧来の採炭層の下方に大規模なトンネルを切り取ると、地層を通る応力の変化次第で周囲の岩が崩壊することも安定を保つこともあります。本研究は中国東部の実プロジェクトを対象に、以前の採掘で生じた空洞・崩落域（ゴーフ）が、下方の新しい幅広坑道をどのように保護するか、そして作業者のために坑道天井を安全に保つための支保がどのように機能するかを明らかにすることを目的としています。

幅広坑道上の岩層構成

研究チームは、一般的な坑道のほぼ2倍の幅を持つ「開放掘り（open‑off cut）」と呼ばれる大規模坑道に着目し、これは旧採炭層の下方12〜18メートルに位置します。石炭層の間には砂岩、泥岩、シルト岩など強度の異なる地層が挟まれており、ボーリングコアを採取して品質評価を行ったところ、天井岩の一部は中程度の強度を示す一方で、旧採炭層床付近では非常に脆弱で破砕の激しい層も確認されました。どの層が強く、どの層が脆弱かを把握することは、これらの層が新しい開口部を跨ぐ岩梁を形成するため極めて重要です。

旧採炭層が荷重をどう変えるか

数値解析を用いて、上位の石炭層の採掘とそれに続く下位坑道の掘削という工程を再現しました。上位層の採掘によりゴーフ（部分的に崩落した天井岩で満たされた空隙）が残りましたが、このゴーフは下位坑道に対する荷重を増大させるのではなく、むしろ応力緩和帯として作用しました。ゴーフ床と新坑道天井の間の岩体は通常ほんの数メガパスカル程度と非常に低い応力を受け、両側の高負荷帯とは対照的でした。両開口部の間には厚さ約3メートルの未破砕帯が残存し、坑道上部に係留された長尺ロングケーブルは圧縮された安定した岩体内に留まり、短いボルトは開口部近傍の引張帯で機能していました。

模型坑道とゆっくり進行する天井崩壊

これらの考察を物理的に検証するため、研究チームは砂を主材としたメートルスケールの縮尺模型を作成し、地層と石炭層を再現しました。模型ではまず上位層を採掘し、その後上方からの荷重を徐々に増加させて深埋を模擬しました。荷重が増すにつれて、上位層の天井は固定梁からヒンジ化したブロックへ、さらに倒壊した岩による石積み状アーチへと段階的に破壊が進行しました。ある閾値を超えると上部天井は完全に崩壊し、側面が約60〜65度で傾斜する安定した堆積体を形成しました。将来の坑道位置近傍に埋め込まれたセンサーは、ゴーフ下の床に生じる応力が圧縮から引張へと変化し、その後安定値に落ち着くことを示し、旧採炭域が荷重を大部分放棄したことを裏付けました。

坑道掘進に伴う応力の蓄積を観察する

続いて、実際の掘削手順を模した段階的な幅広坑道の掘削を模型で再現しました。模型天井の応力計は、坑道を拡幅する各段階で新たな攪乱の波が発生し、圧縮応力と引張応力が交互に現れて徐々に安定することを示しました。坑道直上の天井中央部は最も高い引張応力を担い、上方から追加荷重が加わるとこれらの応力はさらに増大しました。しかしこの高引張帯は主として短尺ボルトの作用範囲内にあり、長尺ケーブルは圧縮されたより深い岩体に係留されることで確固たる背骨として機能しました。実鉱山でのボアホールカメラ観察もこの状況を支持しており、天井には円形の割れがわずかに見られる程度で、開口周辺の大部分の岩は健全に保たれていました。

深部採掘の安全性に向けた示唆

専門外の方向けに要点を整理すると、上位に存在する旧採炭層が必ずしも新坑道への脅威ではないということです。適切に理解すれば、それは下方の開口部の応力を緩和し保護に寄与します。本事例では、幅広坑道の上のゴーフが低応力の緩衝帯を形成し、ボルトとケーブルの設計を適切に行うことで、坑道近傍の弱く破砕した層を上部の強固な岩に連結しました。ボーリングコア調査、数値モデル、縮尺実験、現場でのカメラ確認を組み合わせることで、岩層と応力経路を詳細に把握し、実際の応力帯に合わせた支保を行えば、非常に幅の広い地下坑道でも深部条件下で安定を保てることが示されました。

引用: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

キーワード: 地下炭鉱採掘, 岩盤安定性, 坑道支保, ゴーフ応力緩和, 深部トンネル