近接する複数採炭層における残存炭柱と周辺ゴーフの重ね合わせ下での坑道位置と断面の最適化

地下道が日常生活に果たす重要性

家庭や工場、都市に電力を供給する電気の多くはいまだに地下深くから採掘される石炭に依存しています。これらの炭層に安全に到達するため、技術者は岩盤内に長いトンネル（坑道）を掘削します。坑道が誤った場所に設けられたり、不適切な形状にされると、周囲の岩が崩壊し、作業員の安全が脅かされ、貴重な資源へのアクセスが遮断される恐れがあります。本研究は、中国の炭鉱を事例に、複数の炭層が近接し上位層が部分的に採掘済みの場合に、坑道の最も安全な位置と断面形状をどう選ぶかを検討したものです。

層状岩盤と残置炭

多くの炭田では、石炭は一枚の厚層ではなく層をなして堆積しています。梅花井炭鉱では、主たる炭層である2号層と3号層の間隔はわずか12メートルです。上位の2号層は既に二つの大区画で採掘されましたが、その間に幅60メートルの未採掘の炭塊が支持用の炭柱として残されています。炭柱の両側にはゴーフと呼ばれる採掘空洞があり、崩落して破砕岩で満たされています。これらの堅い柱と柔らかいゴーフの組み合わせは、上載荷重が下位の3号層へどのように伝わるかを変化させ、そこに新しい坑道を計画する際の力学環境に影響を与えます。

時間経過に伴う岩盤挙動の測定

研究者らはまず、上部の炭柱が想定どおり機能しているかを確認しました。2号層の既設坑道を、採掘停止後およそ2年間にわたり観測し、屋根のはく離量や側壁・底盤の収束量を計測しました。観測結果は小さな変位にとどまり、屋根のはく離は最大で1〜2センチ、側壁や底盤の収束は通常5〜10センチ程度でした。周辺で新たな採掘が行われていなかったため、これらの緩やかで小さな変形は静的荷重下での長期安定状態を反映していると判断されます。これは、幅60メートルの炭柱が上載を支持し上部構造を概ね保っていることを示唆します。

岩盤内の力の伝播を追う

次に、研究チームは古典的な岩盤力学理論を用い、炭層下の岩盤を弾性半空間（連続した深部媒体）と見なして上部からの荷重を深部の応力に換算しました。炭柱と隣接するゴーフは、柱下での応力集中と崩落域での応力緩和を反映する複数の単純化した荷重区間として表現しました。数式と計算ツールを用いて、下方の岩盤における鉛直応力・水平応力・剪断応力をマッピングしたところ、明確なパターンが得られました。堅い炭柱直下では応力が集中し、ゴーフ直下では応力が低下して応力減少帯が形成されます。3号層では、鉛直応力は炭柱直下で最大になり、柱端から約13メートル離れたゴーフに対応する領域で最小となりました。水平応力は変化が小さいものの、柱から離れるほど穏やかな環境を示し、剪断応力は柱端付近で最も強くなっていました。

新坑道の位置選定

実務上、技術者は岩盤応力が比較的低くバランスの取れた場所に坑道を配置したいと考えます。そうすれば押し潰しや破断が起きにくくなります。計算された応力曲線に基づき、著者らは新設する3号層坑道の理想帯は鉛直応力減少帯内、すなわち炭柱直下よりもわずかにゴーフの下に位置するべきだと結論付けました。鉛直応力の絶対最小は柱端から約13メートルの位置に現れますが、その位置ではより多くの石炭が未採掘のまま残されます。安全性と資源回収のバランスを考え、彼らは柱端から10メートルの位置を推奨します。これは低応力域内にありつつ残存炭に近く、資源の浪費を抑えながら有利な応力環境を保てます。

坑道断面が岩盤安定性を変える理由

位置は重要ですが、坑口の形状も岩盤応答を左右します。研究者らは三次元数値モデル（FLAC3D）を用いて、二つの炭層、炭柱、崩落したゴーフ、および推奨位置の下位坑道を含む鉱区の仮想断面を作成しました。幅と高さは同一に保ちつつ、四種類の断面形状を試しました：直壁半円アーチ、三心アーチ（三つの曲線からなる複合アーチ）、台形、そして直方体状の矩形です。各坑道を掘削した後の周囲応力の再分布と塑性化（破壊）域の浸透深さを検討したところ、いずれの場合も坑口の上下の屋根・底部では応力緩和が生じ、側壁ではある程度の応力再蓄積が見られました。

最も安全で簡便な設計の発見

比較の結果、アーチ形状が直線天井の形状より荷重をよく分散することがわかりました。直壁半円アーチは最も荷重のかかる側での応力集中が最小であり、屋根・底盤・側壁の破壊深さも最浅でした。三心アーチは安定性ではほぼ同等の性能を示しましたが、台形や特に矩形はピーク応力が高く破壊域が深くなり、周囲岩の損壊と弱化がより大きくなりました。三心アーチは幾何学的に切削・支保が複雑で、複数の半径や接続点の厳密な管理を要するため、日常的な施工にはやや不向きと評価されました。したがって著者らは、複合影響下での高い安定性と現場での施工・支保の容易さを両立する直壁半円アーチ断面を推奨します。

より安全で効率的な採炭への示唆

一般読者にとっての要点は、地下ではごく小さな設計上の選択──坑道をどこに置くか、どのような輪郭にするか──が安全性と効率に大きな影響を与えるということです。本鉱区の事例では、上部層に頑丈な炭柱を残し、下位坑道を炭柱直下ではなくやや崩落域の下に配置することで、より穏やかな応力環境が得られることが示されました。坑道をアーチ形状にすることで周囲岩が開口部の周りを滑らかに流れるようになり、損傷が抑制されます。具体的な距離や寸法は現場ごとに異なりますが、層間の応力移行を可視化して坑道形状を比較するという総合的な手法は、作業員の安全性を高めつつ炭資源を節約するための有力な設計指針となります。

引用: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

キーワード: 炭鉱坑道設計, 残存炭柱, 地下トンネルの安定性, 数値岩盤力学, 多層採炭