厚い炭層における上部採炭道路の高リスク区間における支保構造再構築と支保制御の統合技術に関する研究

なぜ坑道の安全性が重要か

厚い炭層の深部では、作業員が長い地下坑道を移動し、石炭を搬出する。場所によっては、天井のたわみ、側壁の崩壊、突発的な石炭・岩塊の落下が発生し、坑夫の危険を招き生産を妨げる。本研究は、なぜ特定の高リスク区間でこれらの問題が深刻化するのかを明らかにし、坑道をより長期にわたって安全かつ安定に保つための新しい補強法を検証する。

問題が始まる場所

研究は、中国のある炭鉱の大断面坑道を対象とする。ここでは坑道が強固な岩盤ではなく石炭層を通過し、開口部の上部や側方の石炭が脆弱で破砕している。地質の断層や上部荷重が坑道周辺に応力を集中させ、天井の分離や落盤、側壁の膨出を引き起こし、継続的な補修を必要とする。従来の単純なグラウト注入やパイプシェッドといった支保法は、グラウトが締まった石炭に浸透せず強固な一体的支保を形成できないため、しばしば失敗した。

坑道の変形の挙動

この挙動を理解するために、研究チームは現地計測、室内試験、力学モデリングを組み合わせた。坑道上部の石炭を荷重を受ける梁として扱うと、坑幅の増大や石炭の弱化に伴い天井のたわみが急速に増加することが示された。また、天井と側壁は単独で変形するのではなく連動することが分かった。側方の石炭が軟化して内側へ押し込まれると開口幅が実質的に広がり、それが天井たわみを増大させる。逆に天井の追加的な変位が側壁をさらに押し込み、こうした連鎖的な上下側の連動が、局所的・個別的な支保が厚層石炭でしばしば機能しない理由を説明する。

仮想坑道での試験

三次元の数値シミュレーションを用いて、研究者は二つの主要因──坑道上部に残る石炭の厚さとその強度──を変化させた。上部石炭層を厚くすると天井たわみは増えたが、地盤の隆起（床の盛り上がり）は減少し、側壁の変動はほとんど変わらなかった。一方、上部石炭の強度を高めると、全体の応力分布はわずかにしか変わらないにもかかわらず、天井たわみと側壁の内側移動が著しく低下した。計算はまた、亀裂と塑性化領域がまず天井付近に発生し、そこから深部へ広がり、側壁近傍で“蝶形”に特徴的な損傷が現れることを示し、薄い殻状のみを補強するのではなく広範囲を強化する必要を示唆した。

弱部を補強する新手法

これらの知見に基づき、著者らは先行注入パイプとグラウト、およびボルト・ケーブルのネットワークを組み合わせた統合支保システムを設計した。危険区間へ掘進する前に、作業員は切羽前方の石炭へ鋼製パイプを列状に穿孔し、速硬化するグラウトを注入する。グラウトはパイプ内外で迅速に硬化し、亀裂をつなぎ破砕した石炭をより一体化したブロックへと変える。掘進が進むと、ボルトとケーブルが強化された天井と側壁を一体の支持フレームにつなぎ止める。さまざまな配置を模擬した計算では、中程度のパイプ間隔で非常に密な配置とほぼ同等の変位低減が得られ、コスト面で有利であることが示された。

実働する鉱山での実証

チームは選択した方式を実際の坑道に適用し、天井たわみ、側壁の収束、床盛り上がり、地層間の分離、ボルト・ケーブルの力などを監視した。新方式で掘削と支保を行ったところ、天井たわみは約110 mm、側壁変位は約80 mm、床の盛り上がりはごく小さかった。天井上の地層分離は警戒値をはるかに下回り、ボルト・ケーブルの荷重は安定して従来設計よりも低かった。グラウトが数分で強度を発現したため、作業班は以前よりも何倍も速く掘進でき、切羽と強化帯との安全な距離を保ちながら進められた。

坑夫にとっての意義

簡潔に言えば、本研究は坑道周囲の弱い石炭を一つのよく結ばれたアーチと側壁のように作用させることで、危険な落盤や崩壊を大幅に減らせることを示す。先行注入したグラウトパイプで石炭をあらかじめ補強し、その後ボルトとケーブルで天井と側面を結び付けることで、上部荷重をより小さな変位と低い支保力で負担させられる。著者らは、この統合的アプローチが類似の地質条件を持つ厚層炭層でのより安全かつ効率的な掘進の実践的な指針を提供し、地下炭鉱での安全リスクと維持管理負担の双方を軽減すると結論付けている。

引用: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

キーワード: 炭坑道の安定性, 支保（屋根支持）, グラウト補強, ロックボルトとケーブル, 地下採掘の安全性