風成砂を用いた充填帯の塑性域幅および安定性に影響する要因の解析

地中に潜む鉱区の上の土地を守る

多くの炭鉱は村落、道路、農地の直接下に位置しています。石炭が採掘されると、上部の岩層がたわみ地表が沈下し、建物に亀裂が入ったり生態系が乱れたりします。本研究は、こうした地下の空隙を風成砂を主成分とする特別な充填材で支える方法を検討し、採炭を行いながらも地表や構造物の安全と安定をできるだけ維持することを目指しています。

砂漠の砂を地下の支持材に変える

研究者はまず、風によって堆積した細粒の風成砂を主成分とする新しい充填材料を開発しました。中国西部ではこの砂が豊富で回収が容易かつ安価です。これに消石灰や石膏で化学的に活性化した石炭灰（フライアッシュ）を混合し、硬化して塊状になるようにしました。試験の結果、得られたスラリーは配管で送りやすく、注入後に十分な強度を持つ岩状体に固まるため、採掘空間への注入に実用的であることが示されました。

加圧下での風成砂充填材の挙動

地下深部での性能を把握するため、研究チームは円柱試料を作成し、強力な試験機で全周から圧縮しました。周囲圧力を変えることで鉱床の異なる深さを模擬できます。周囲圧が大きくなるほど充填材は強くなり、破壊に至る前の変形は小さくなりました。これらの実験から、材料が抵抗できるせん断応力度など、設計に必要な主要な強度特性が算出されました。得られた値は、上部に何百メートルもの岩石が載る状況で充填帯がどれほどの支持力を示すかの推定に用いられました。

充填帯の周囲にできる「軟化域」をマッピングする

区画式充填採炭では、作業面を長い帯状に採掘し、交互に残した堅い帯が屋根を支える地下の梁のように機能します。この方法では、それらの帯の一部を石炭のまま残すのではなく、風成砂を用いた充填材で構築します。陝西省の実際の鉱山をモデルにした数値解析により、屋根が沈下する際に充填帯内部で何が起きるかを調べました。その結果、各帯は強い中心核を持ち、その両側に材料が降伏し強度を大きく失った「塑性（軟化）域」が発達することが分かりました。これらの軟化域の幅は採掘高さや深さが増すにつれて拡大しますが、採掘空間の充填率が高いほど縮小します。

採掘条件と帯の安全性を結ぶ単純な法則

軟化域幅は複数の要因に同時に依存していたため、研究者らは統計的フィッティングを用いてそれを採掘深度、採掘高さ、充填率に結び付ける式を構築しました。これにより、塑性域幅を強い中心核と弱い側部を持つ帯として扱う既存理論に代入し、充填域と非充填域の間で上載荷重がどのように分担されるかを記述する別の理論を適用できました。これらを組み合わせることで、与えられた採掘条件下で風成砂充填帯がどれほど安定するかを示す明確な数式が初めて得られました。

実際の鉱山での方法の実証

新しい設計手法は、散在する住宅の真下約300メートルに位置する稼働中の採炭面で適用されました。地表変位の許容限界に基づき、非充填空間と充填帯の幅を算定しました。結果、46メートルの採掘空間と56メートルの充填帯を交互に配置し、充填材の据え付けと硬化後の支持を行うモジュール式支保工を導入しました。約3年近い監測の間、最大の地表沈下と地盤ひずみはいずれも厳しい目標値内に収まり、地上の建物に被害は発生しませんでした。

より環境配慮した採炭への意味

本研究は、微細な砂（風成砂）と工業副産物のフライアッシュを組み合わせることで、地下空洞を支持する信頼できる構造材料が得られることを示しています。採掘深度、採層高さ、充填率を軟化域幅および帯全体の強度に慎重に関連づけることで、全面的な充填よりも少ない材料で上部荷重を安全に負担できる充填帯を設計できます。実務的には、この方法は砂地帯における炭鉱業者に対し、資源回収の効率化、地上コミュニティの保護、廃棄物の再利用を同時に達成する手段を提供し、地下採炭をより“グリーン”な操業に近づけます。

引用: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

キーワード: 充填採炭, 風成砂, 地盤沈下, 炭鉱の安定性, ペースト充填