近距離採炭層群における下層巒道の囲岩破壊機構と強支護–強緩解の連携制御

なぜ安全な石炭巒道が重要か

深部では、作業者は狭い巒道を頼りに炭層へ到達する。巒道周辺の岩盤が突然変位・破壊すると、突発現象や崩落、操業停止といった危険や大きな損失を招く。本研究は、上下に近接する二つの炭層がある中国の鉱区での課題を扱う。下層の巒道は既採掘領域（ゴーフ）や残存する炭柱の下に位置することが多く、著者たちはなぜ巒道の片側が破壊されやすいのかを明らかにし、巒道を強固に支護すると同時に周囲応力を緩和する複合的対策を検証する。

旧採掘に由来する隠れた応力

焦坪（ジャオピン）鉱区では、上位の炭層が既に採掘され、ゴーフ（採掘空間）と屋根を支える剛性の高い炭柱が残っている。下位の炭層を下方から採掘する際、上覆岩や剛性の高い炭柱からの荷重は下層の巒道に均等にかからない。むしろ応力は炭柱の下側に集中し、反対側は部分的に解放された緩解帯下に位置する。旧ゴーフに浸入した水が炭や岩を軟化させることもあり、時間経過で地盤の床や側壁が弱化するリスクを高める。計算法と地質観測は、上位炭層の影響が下方へ約10〜15メートル到達しており、新規巒道の位置や配置に影響を与えることを示している。

より良い巒道配置の選定

岩盤力学に基づき、チームは上位炭層下の床が過去の採掘と残存炭柱の集中荷重によりどの程度破砕されているかを推定した。次に新しい下層巒道を旧採掘域に対してどのように配置するかを比較した。下層巒道が炭柱下の高応力帯と重なると強い不均等荷重を受ける。外側へ移した場合でもその帯内に入ることがある。最も有利なのは、下層巒道を内側（既採域寄り）にずらして配置することで、圧力が部分的に解放された領域に入る方法である。この内側への段差配置は最も荷重の大きい岩盤を避け、巒道の片側だけが大きく変形する自然傾向を抑える。

強支護と圧力緩和の組合せ

良好な巒道支護は依然不可欠だ。鉱山では密な鋼製ボルト、鋼帯、ワイヤーメッシュ、高張力ケーブルボルトを用いる「強支護」方式を採用した。このシステムは破砕した岩塊を締め付け、開口部周辺の浅部岩体が一体の荷重支持殻として機能することを可能にする。さらに研究者らは「強圧力緩和」措置を追加した：巒道から上覆炭層・岩体へ向けて長く傾斜したボーリング孔を穿ち、高圧水を注入して制御された亀裂を誘発する。流体圧が自然応力場とどのように相互作用するかの綿密な解析により、比較的低い注入圧で亀裂が発生・展開するよう孔の角度が選定され、応力とエネルギーが巒道から外へ再分配される経路を開くことが狙いである。

岩盤の応答を観測する

チームは数値シミュレーションと地下での計測を用いて、緩荷重時および小規模地震を模した衝撃時に岩盤がどのように反応するかを観察した。静的条件下では、補強された巒道の変形はわずかで安全限界を大きく下回ったが、応力とボルト力は明らかに炭柱側で高かった。モデルに衝撃荷重を加えると二つのパターンが現れた。屋根上方を主に直撃する衝撃は屋根中央の引張割れを誘発する傾向があり、屋根と側壁の隅近傍の衝撃は側壁の大きな側方締め付けと屋根全体の沈下を引き起こし、より深刻な損傷形態を示した。水圧破砕後の電気探査では、水で満たされた亀裂が形成された広い低抵抗帯が検出され、岩盤が弱化し応力が移動したことが確認された。現場の計測器はボルト・ケーブル力が安全範囲内に留まっていること、また「緩んだ」岩体帯は成長してはいるが支護システムによって制御されていることを記録した。

鉱山安全への示唆

検討した鉱区において、残存炭柱による不均等荷重が下層巒道の一側が破壊されやすい主因であることが示された。巒道を圧力が緩和された領域に配置し、近接する岩体を確実にアンカーし、深部応力を放出するための標的的な水圧破砕を併用することで、岩盤が小さな衝撃を受けても変形を安全な範囲に保てる。著者らは、強支護と強圧力緩和を組み合わせたこの対策が、積層した炭層や複雑な応力条件を持つ他の鉱山に対しても、監視を伴う実用的な安全・効率向上の道を提供すると論じている。

引用: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

キーワード: 石炭採掘, 巒道安定性, 岩盤突発, 水圧破砕, 数値シミュレーション