Study on the deformation and damage characteristics of the surrounding rock and support countermeasures for the dynamic pressure roadway in deep back mining

あなたは、地表から遠く離れた、空気が涼しく岩盤が穏やかな深い地下で、トンネルを掘っているところを想像してみてください。次に、同じトンネルを掘るのですが、今度は深さ850メートルの場所です。そこでは、地球が山のような重みであなたを押しつぶし、熱気はサウナのようで、岩石は硬い石というよりもむしろ柔らかい粘土のように振る舞っています。これが、曲江炭鉱の研究者たちが直面している「三高一擾動（さんこういちじょうどう）」の世界です。

この論文は、頭上の採掘作業によって上から押しつぶされている特定のトンネル（－850m roadway）について調査しています。研究チームは、このトンネルの損傷が単一の形ではなく、2つの非常に異なる「近隣領域（ゾーン）」に分かれて発生しており、それぞれのゾーンには異なる対策が必要であることを発見しました。

破砕された岩石の2つの領域

研究者たちは、採掘面の位置関係に基づいて、トンネルの損傷が2つの明確なゾーンに分かれることを発見しました。

1. 「先行型」ゾーン（前方擾動）
採掘機がまさにその上を通過しようとしている瞬間に、巨大で見えない手がトンネルを押し下げている様子を想像してください。これが前方擾動（動圧）変形ゾーンです。

• 何が起きているか： トンネルの天端（天井）が押し下げられ、トランプの束がテーブルから押し出されるように横方向に滑ります。トンネルの側面は、内側に押しつぶされ、折りたたまれるように変形します。泥岩でできた床面は、あまりに強く圧迫されるため、パンが膨らむように（凸状に）トンネル内に盛り上がり、わずか3ヶ月間で60〜70cmも膨張することがあります。
• 解決策： 硬い壁で岩をただ支えようとしても、壁が折れてしまうだけです。そのため、論文では「抵抗と降伏（レジスタンス・アンド・イールディング）」戦略を提案しています。これは車のショックアブソーバーのようなものです。まず、岩が少し動いて圧力を逃がせるような柔軟な支保（アンカーとネット）を使用します。その後、岩が落ち着いたところで、剛性の高い「U型鋼製シェッド（鋼製支保）」で補強し、隅の部分にグラウト（注入材）を注入してすべてを固定します。この組み合わせにより、岩がしっかりと固定される前に、少し「呼吸」することを許容できるのです。

2. 「後続型」ゾーン（後方持続）
今度は、採掘機は通り過ぎましたが、残された炭柱からの圧力が依然として上からトンネルを押しつぶしている状況を想像してください。これが後方持続（高圧）変形ゾーンです。

• 何 何が起きているか： 天端は単に滑るだけでなく、剥離して内側に崩落し始め、著者らが「尖塔型（スパイア型）」または「ピロン型」の損傷と呼ぶ、壊れた塔のような形状を作ります。床面の膨張は継続し、一部の区間では70〜120cmに達することもあります。岩石があまりに細かく砕けているため、形を維持できず、トンネルの側面は内側に折れ曲がります。
• 解決策： ここでは、柔軟性だけでは不十分です。岩はすでに崩壊しすぎています。論文では、「三種アンカー」というスーパーチームを提案しています。これは、標準的なボルト、長い鋼製ケーブル、そして砕けた破片を接着剤のように固めるための特殊な「グラウトアンカー」という3種類のアンカーを連携させるものです。これにより、深く崩れた岩石を一体化して保持する、高剛性の「支持リング」が形成されます。

これが真実であると、どのようにして分かったのか

研究者たちは単に推測したのではなく、実際のトンネルを観察し、その後にコンピュータ上でアイデアを検証しました。

• 実地調査： ボルトやケーブルにセンサーを取り付けて力を測定し、トンネルの壁面や床面の移動量を測定しました。その結果、損傷パターンが彼らの「2つのゾーン理論」と完璧に一致することを確認しました。
• コンピュータ・シミュレーション： 彼らはFLAC3Dというソフトウェアを使用して、大規模な3Dモデルを構築しました。モデルのサイズは長さ280m、幅240m、高さ100mです。彼らは採掘プロセスと岩石の挙動をシミュレートしました。
• 結果： コンピュータ上で新しい「三種アンカー」および「抵抗・降伏」計画を適用したところ、結果は実世界の測定値と一致しました。シミュレーションでは、塑性域（岩が壊れている領域）が巨大でつながった「蝶のような形」から、小さく孤立した島のような形へと縮小していく様子が示されました。また、トンネル壁面の変位（動き）も、成長が止まり安定し始めました。

何が通用しないのか

この論文は、何が「通用しないか」についても非常に明確に述べています。彼らは、単一の標準的な支保方法（例えば、単にボルトを増やすだけ、あるいは単に鋼製フレームを使うだけ）では不十分であると主張しています。この鉱山のような深部・高応力の環境では、岩石の構造が複雑すぎるため、単一の支持方式は失敗します。従来の、単に「コンクリートを吹き付ける」だけ、あるいは特定のゾーニング戦略なしに標準的な柔軟支持を用いるだけの方法は、ボルトの破断や鋼製フレームの曲がりを招きます。論文は、前方のゾーンにおいて剛い壁で全ての圧力に「抵抗」しようとすること、また後方のゾーンにおいて補強なしに岩を単に「動かす」ままにしておくことは、どちらも適切ではないと明言しています。

結論

本研究は、深部の採掘トンネルの安全を確保するためには、「前方」と「後方」の採掘エリアを別々の問題として扱う必要があると結論付けています。

• 前方では、鋼製シェッドでロックダウンする前に、圧力を逃がす柔軟なアプローチを採用すること。
• 後方では、バラバラになった岩を接着するための強力な「三種アンカー」チームを使用すること。

著者らは、この「ゾーニング（区分け）」によるアプローチこそが、トンネルの崩壊を止める鍵であると示唆しており、コンピュータモデルもこの戦略が有効であることを裏付けています。これは世界中のあらゆる鉱山に効く魔法の治療薬ではありませんが、この特定の深部・高圧環境においては、岩石がトンネルを瓦礫の山に変えてしまうのを防ぐための正しいレシピであるようです。