Study on Prevention and Control of Instability Disasters at Mining Faces with Hard Roof and High-gas Soft Coal Seams

地中深く、岩層の下に石炭層が隠れている場所では、炭鉱労働者たちは地質学的な力との絶え間なく静かな闘いに直面している。特に、二つの特定の条件がこの地下作業を極めて危険なものにしている。一つは、容易には壊れない非常に硬い岩石で構成された天井であり、もう一つは、高圧ガスを抱えながらも簡単に崩れてしまうほど柔らかい石炭である。天井が硬い場合、それは広範囲にわたって架橋し、最終的に破断するまで頑丈で屈強な梁のように機能する。天井が破断する際、それは巨大で突然の衝撃波を放出し、その下の石炭壁を押しつぶす。同時に、柔らかい石炭の中に閉じ込められたガスは、目に見えない圧力鍋のように作用し、石炭の内部構造を弱め、ストレスに対して破断する可能性をはるかに高める。これら二つの力、すなわち天井による重く突然の衝撃と、ガスによる弱体化が同時に発生すると、「リブ・スポーリング（壁崩落）」と呼ばれる激しい壁の崩落を引き起こし、作業員を危険にさらし、生産を停止させる。

中国の重慶研究院の研究者たちは、陝西省のある炭鉱におけるこの特定の問題を解決するために着手した。彼らは、石炭が極めて柔らかく、天井が厚い砂岩の層である採掘面に着目した。フィールド観測、コンピュータ・シシミュレーション、および実験室でのテストを組み合わせることで、これら二つの危険がどのように連動して災害を引き起こすのかを解明した。彼らの調査により、壁の崩落の頻度はランダムではなく、硬い天井が自然なサイクルの中で破断するたびに劇的に急増することが明らかになった。また、ガス圧力が高い領域では、その危険性はさらに増大していた。研究によれば、ガス圧単独でも石炭の強度をほぼ半分に低下させることが示されており、これは、乾燥した条件下では対処可能であったはずの天井崩落が、高圧ガスで飽和した状態では壊滅的な事態になることを意味している。

これらの理論を検証するため、チームはまず、硬い天井の挙動に着目した。岩石の破断をシミュレートするコンピュータモデルを用い、介入を行わない場合、天井は最初に破断するまでに60メートル以上の距離を架橋し、その後は約26メートルごとに再び破断することを確認した。これらの広い間隔は、天井がついに崩れる際、凄まじい力をもって崩落し、広大で不安定な領域を作り出すことを意味していた。また、研究者らは実験室において、石炭サンプルに異なるレベルのガス圧をかける物理的テストを実施した。その結果、ガス圧が増加するにつれて石炭は著しく弱く脆くなり、耐荷重能力がほぼ半分に失われることが判明した。これにより、ガスは単なる別個の脅威ではなく、天井に対抗する石炭の支持力を低下させる決定的な要因であることが裏付けられた。

こうした理解に基づき、チームはこれらの崩落を防ぐための二段構ルの戦略を開発した。第一に、硬い天井に対処するため、「深孔先行割裂爆破（ディープホール・プリスプリッティング・ブラスティング）」と呼ばれる技術を導入した。天井が広範囲にわたって自然に破断するのを待つのではなく、天井の岩石に深い穴を掘り、制御された爆発を用いて意図的に一連の小さな亀裂を作り出した。この介入により、天井が破断する時期を大幅に早めることに成功し、天井が架橋できる距離を60メートル超からわずか20メートルへと短縮し、通常の破断サイクルを26メートルから約13メートルへと減少させた。天井をより管理しやすい小さな破片に分割することで、通常激しい崩落につながる巨大なエネルギーの蓄積を防いだのである。

第二に、石炭とガスの問題に対処するため、石炭層の下のトンネル内で「水圧リーミング（ハイドロリック・リーミング）」と呼ばれる手法を用いた。このプロセスは、穴を掘った後に高圧の水を用いて周囲の柔らかい石炭を粉砕し、大きな空洞を作るものである。この作用により、石炭の浸透率が劇的に向上し、閉じ込められていたガスがより容易かつ迅速に流出できるようになった。その結果、石炭内に残るガス圧は大幅に低下し、安全な低レベルまで抑えられた。これは、ガスによる爆発のリスクを軽減するだけでなく、石炭本来の強度をある程度回復させ、天井からの圧力に耐えうる状態にした。

チームが新しい採掘面においてこれら両方の手法を併用したところ、驚くべき結果が得られた。天井の影響力を弱め、ガス圧を取り除くことで石炭を強化するという組み合わせにより、壁の崩落回数は劇的に減少した。処理されたエリアでは、通常の採掘期間中の不安定事象の頻度はほぼゼロになり、天井が破断している最中でさえ極めて低いレベルに留まった。天井を支える油圧支持装置（支保工）にかかる圧力も以前より大幅に低下しており、危険なエネルギーが正常に消散されたことを示していた。本研究は、天井とガスの両方に同時に取り組むことで、極めて不安定で危険な採掘環境を安全で管理可能なものに変えることが可能であり、同様の地質学的課題に直面している他の炭鉱に対する信頼できる解決策を提供できると結論づけている。