含水性軟岩坑道の床大変形と破壊機構に関する研究

なぜ坑道の床が突然持ち上がるのか

炭鉱の深部にある坑道は、作業員の安全と装置の運行を維持するために安定していなければなりません。ある鉱山では、坑道の床が徐々に盛り上がり、レールが歪み、支保枠が割れるといった現象が起きます。本研究は、中国のある炭鉱で発生したこの問題を取り上げており、当該坑道は弱く水に浸された岩層を通って走っています。研究者らは、床が数メートル持ち上がった原因を解明し、再発を防ぐ新しい支保法が有効かどうかを検証しました。

地下深部で問題を抱えた坑道

研究チームは、山東省紅旗炭鉱の北翼主坑道に着目しました。この運搬坑道は幅約4メートル、高さ約4メートルで、軟質の泥岩層を切り抜いており、その下には加圧された地下水を含む石灰岩層が存在します。現地調査では、坑道接合部での大量の湧水が確認され、湧水源に近い坑道床は最大で2.5メートルも隆起していました。スチールレールはS字に曲がり、コンクリート裏込めはひび割れ、壁面のボルトは切断されており、坑道周辺の岩体がもはや形を保てないことを示していました。

水に触れると崩れる軟岩

床が脆弱であった理由を探るため、研究者らは坑道床から採取した泥岩試料を調べました。試料には大量の粘土鉱物が含まれており、水を引き寄せて膨潤し、湿潤時に強度を低下させる性質がありました。顕微鏡観察では、岩石は多孔で粒子が緩く結び付いており、間のセメントも弱いことが分かりました。単純な浸水試験では、泥岩片は水中に入れてから1分程度で崩れ始め、さらに水を吸うとどんどん崩壊していきました。これらの結果は、この岩石が単に軟らかいだけでなく水により容易に損傷しやすく、膨潤と強度低下を招きやすいことを示しています。

水圧が床を押し上げる数値モデル

次に、チームは坑道と周囲岩層の三次元数値モデルを構築しました。床下の深い石灰岩層における異なる地下水圧（乾燥状態から実測高水圧まで）を模擬しました。モデルは坑道天井と床の変位量、およびそれら周辺の岩体が強度限界を超えて破壊した範囲を追跡しました。乾燥条件では床の隆起はわずかで損傷も浅かったのに対し、地下の実際の水圧に上げると、シミュレーション上の床隆起は約2.5メートルに達し、床下の損傷帯は6メートル超に深くなり、天井の変位はほとんど見られませんでした。これは、既に脆弱な泥岩に下方から作用する地下水圧が床の破壊の主要因であることを示しています。

床破壊の単純なイメージ

土圧理論の考え方を用いて、研究者らは床がどのように動くかの力学的な図を描きました。床は浸透により弱化した浅層と、加圧帯水層の影響を強く受ける深層に分けられます。この図では、坑道床の両側にある軟化した岩塊が、上載荷重と下からの水圧の合力により内側かつ上方へ押し込まれると説明されます。計算では、臨界的な破壊深さが約4.5メートルに達すると推定されました。平たく言えば、坑道底部の下にある厚い軟化帯が上方かつ内側に押し上げられ、床が坑道空間に向かって膨出しているのです。

水の影響を遮る多層支保システム

この理解に基づき、研究チームは二つの深度帯に合わせた新たな支保システムを設計しました。浅層には短いグラウトボルトを打設して緩んだ岩塊を締結し、亀裂を封止します。深層には長いグラウトケーブルボルトを設け、より強い基盤岩にアンカーし、水圧が最も大きい箇所の変位を抑制します。坑道床には逆アーチ状のコンクリートを築き、壁面のU字鋼と接合して裏込め体全体を閉環化し、下方からの押圧に対して抵抗力を高めます。この設計は、地下水と最も脆弱な泥岩との直接接触を断ち、荷重をより均等に分散させることを目的としています。

隆起から制御された変位へ

新しい支保スキームは、同様の岩相と湧水条件を持つ近接する連絡坑道で実施されました。2か月の監視期間において、天井の下沈や側壁の変位は小さく抑えられ、床の隆起は安定するまでにわずか33ミリメートルにとどまり、以前のような数メートルの隆起は発生しませんでした。専門外の読者への要点は、地下水が岩石をどのように弱め、加圧された水が坑道床にどのように働きかけるかを理解することで、層を分けた的確な支保が深部鉱山における危険な地盤変動を大幅に減らせるということです。

引用: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

キーワード: 床隆起, 軟岩, 地下水, 坑道支保, 炭鉱