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Rockburst proneness evaluation and borehole pressure relief technology for deep heterogeneous rock masses: A case study of Sanshandao Gold Mine

本研究は、理論的モデリング、室内実験、およびPFC2Dシミュレーションを統合することで、三沙島金鉱における深部不均質岩盤の岩盤爆発（ロックバースト）発生傾向を評価し、ボアホールによる圧力解放パラメータを最適化し、最終的に岩盤爆発の危険性を軽減するための最も効果的な解決策として直径0.10 mのボアホールを特定した。

原著者： Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

公開日 2026-10-22

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CC BY 4.0

原著者： Shang Hu, Qinzheng Wu, Yang Liu, Hanwen Jia, Yantian Yin, Anran Yin, Peng Chao

原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

地殻が凄まじい力で圧迫する地下深くでは、採掘作業は「ロックバースト」として知られる隠れた暴力的な脅威に直面している。これは緩やかな崩落ではなく、岩石に蓄えられたエネルギーの突然かつ爆発的な放出であり、トンネルを粉砕し、作業員を危険にさらす可能性がある。この危険は、上部の岩石の重みが極限の圧力を生み出す深部鉱山において最も大きくなる。さらに事態を複雑にしているのは、岩石そのものが決して均一ではないという事実である。岩石は異なる鉱物や亀裂が混ざり合った不均質な混合物であり、そのため強度は場所によって激しく変動する。この予測不可能性により、エンジニアは特定の岩石が崩壊するまでにどれほどの圧力に耐えられるのか、あるいは災害を引き起こすことなく蓄積されたエネルギーをどのように安全に放出すべきかを正確に知ることが困難になっている。この隠れた強度を正確に測定し、ストレスを管理する方法がなければ、深部の資源を採掘することは高いリスクを伴うギャンブルとなる。

中国の三山島金鉱の研究者たちは、岩石の強度を予測する新しい方法と、危険な圧力を緩和するための検証済みの手法を開発することで、この課題に取り組んだ。研究チームは、岩石サンプルの強さを推測する代わりに、まずその密度と音波が伝わる速度を測定した。彼らは、これら測定が容易な特性と、岩石の実際の圧縮強度との間に信頼できる数学的な関係があることを発見した。これにより、平均値（弱点に対しては高すぎたり、強点に対しては低すぎたりする可能性がある）に頼るのではなく、個々の岩石サンプルの正確な破壊点を算出することが可能となった。これらの精密な予測を用いて、チームは岩石に限界まで負荷をかけてから取り除くという、採掘中に発生する応力の変化を模した制御されたテストを安全に実施することができた。これらのテストにより、同鉱山の深部の岩石は中程度から強いロックバーストを起こしやすいことが判明し、惨事を防ぐための即座の行動が求められた。

このリスクを管理するために、チームは「ボアホール圧力緩和法」と呼ばれる技術を用いた。これは、ストレスが逃げるためのスペースを作るために岩石に穴を掘るものである。しかし、誤ったサイズの穴を掘ると、圧力を十分に逃がせないか、あるいは岩石を弱体化させすぎてトンネルを支えられなくなる可能性がある。研究者たちは、岩石の自然で不均一な強度を考慮した高度なコンピュータシミュレーションを用い、5センチメートルから20センチメートルの範囲の4種類の異なる穴径をテストした。その結果、最も小さな穴では圧力を十分に解放できず、一方で最も大きな穴では岩石を過度に損傷させ、トンネルを維持する能力を失わせることが分かった。「スイートスポット」は、直径10センチメートルの穴であった。この特定のサイズは、岩石の構造的完全性を損なうことなく、隣接する穴と完璧に連結するストレス緩和ゾーンを作り出し、エネルギーを放出する必要性とトンネルを安定させる必要性とを効果的に両立させた。

チームはこのコンピュータによって最適化された設計を実世界へと持ち込み、テスト用の坑道に1メートル間隔で10センチメートルの穴を掘った。その後、1週間にわたり、トンネルを固定している支持ボルトの張力を監視した。結果はシミュレーション通りであった。ボルトにかかる力が着実に、かつ一貫して減少しており、ストレスがトンネル壁面からうまく転換されていることが示された。ボルトは跳ね返ることなく、圧力緩和が永続的かつ効果的であることを示唆していた。本研究は、個々の岩石サンプルの固有の強度を理解し、緩和用の穴の正確なサイズを選択することによって、エンジニアが地球深部の激しいエネルギーを安全に管理できることを証明しており、深部採掘への明確で定量的な道筋を提示している。

技術要約：深部不均質岩盤における岩盤爆発性評価およびボアホール減圧技術

問題提起
深部採鉱作業は、高い原位置応力に起因する深刻な岩盤爆発（ロックバースト）の危険性に直面している。これらの危害を軽減するための重要な課題は、鉱物組成の変動や発達した節理を特徴とする、深部岩盤の顕著な不均質性である。この不均質性は同一採掘エリア内での岩石強度の著しい変動を引き起こし、ピーク荷重を正確に決定することが困難であるため、従来の載荷・除荷試験の校正を困難にしている。さらに、既存の岩盤爆発評価法は、単一の指標に依存しているか、あるいは岩石特性が均質であることを前提としていることが多く、深部の不均質岩盤に内在する不確実性や離散性を考慮できていない。その結果、強度の予測、包括的なリスク評価、および最適化された減圧技術を、深部の不均質条件に特化して扱う統合的なフレームワークが欠如している。

研究手法
本研究では、山東金鉱（Sanshandao Gold Mine）をケーススタディとして活用し、理論的導出、室内試験、数値シミュレーション、および現場モニタリングを組み合わせた多角的なアプローチを採用している。

強度予測モデル： 非破壊パラメータである密度（ $\rho$ ）とP波速度（ $v_p$ ）を用いて、一軸圧縮強度（ $S$ ）を予測する物理的制約付きべき乗則モデルを開発した。モデルは $S = A(\rho v_p^2)^b$ と表され、30個の不均質岩石試料に対して校正を行い、leave-one-out法および5分割交差検証を用いて検証された。このモデルは、平均強度設計に伴う誤差を回避するため、後続の載荷・除荷試験における個別化されたピーク荷重を決定するために使用された。
多パラメータ評価： 衝撃エネルギー指数（ $W_{cf}$ ）、脆性係数（ $B$ ）、弾性歪みエネルギー指数（ $W_{et}$ ）、変形脆性指数（ $K_u$ ）、地圧指数（ $S$ ）、および接線応力指数（ $T$ ）の6つの岩盤爆発指数を統合した。ゲーム理論を用いた結合重み付け法を用い、主観的な重み（階層分析法による）と、不均質性を考慮するための客観的な重み（エントロピーおよび変動係数から導出）を融合させた。これらの重み付けされた指数は、標準正規雲モデル（standard normal cloud model）を通じて処理され、岩盤爆発の等級に対する確信度を定量化するために、不確実性とランダム性を数値化した。
数値シミュレーション（PFC2D）： 山東金鉱の岩盤の不均質強度分布をシミュレートするために、ワイブル乱数場を用いた2次元粒子フローコード（PFC2D）モデルを構築した。4種類のボアホール径（0.05 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m）について、40 MPaの静水圧条件下でのシミュレーションを実施した。応力緩和（ $\eta_S$ ）と正規化損傷（ $D_n$ ）のバランスをとるための新しい指標として、圧力緩和および周囲岩盤安定性効率指数（PRSEI）を提案した。
現場検証： シミュレーション結果に基づき、坑道内において直径0.10 m、間隔1.0 mのボアホールを用いた工業試験を実施した。振動弦式応力計を用いて、樹脂アンカーボルトの軸力変化を7日間にわたり監視し、応力緩和の有効性を検証した。

主な結果

強度予測： べき乗則モデルは高い適合精度（ $R^2 = 0.958$ ）を達成し、個々の試料強度を正常に予測したことで、安全で信頼性の高い載荷・除荷試験の設計を可能にした。交差検証により、モデルの汎用性（ $R^2 = 0.951$ ）が確認された。
岩盤爆発評価： 雲モデルとゲーム理論による重み付けを用いた多指数評価により、山東金鉱エリアの深部岩盤は「中程度から強い」岩盤爆発の性状を有していることが示された。リージョナルリスクスコアは3.2と算出された。解析の結果、不均質性に起因する高い離散性のため、衝撃エネルギー指数（ $W_{cf}$ ）が最も高い結合重み（0.318）を持つことが明らかになった。
減圧の最適化： PFC2Dシミュレーションにより、ボアホール径とPRSEIの間に一峰性の関係があることが判明した。
- 0.05 mのボアホールは、緩和が不十分であった（PRSEI = 0.283）。
- 0.15 mおよび0.20 mのボアホールは、過剰な緩和と過度な損傷を引き起こし、安定性を低下させた（PRSEI = 0.173 および 0.000）。
- 0.10 mのボアホールが最大値である0.466のPRSEIを達成し、岩石の完全性を損なうことなく、臨界的に連結した塑性域（半径 = 0.50 m）を形成した。
現場検証： 現場モニタリングでは、アンカーボルトの軸力が7日間で単調に減少（初期値の83.23%～86.97%に減少）し、リバウンドは見られなかった。数値シミュレーションによる応力解放係数と比較して減少幅は小さかったが、これはシステム剛性と測定位置によるものであり、傾向としては、応力の転移と弾性歪みエネルギーの解放が成功したことを裏付けている。

意義および主張
本論文は、特に深部の不均質岩盤に特化した、岩盤爆発評価および減圧最適化のための定量的な根拠を提供することを主張している。主な貢献は以下の通りである：

個別化された試験： 不均質試料におけるピーク荷重決定の問題を解決する非破壊的強度予測モデルを確立し、載荷・除荷試験の信頼性を確保した。
不均質性を考慮した評価： 重み付けプロセス、雲パラメータ、および不確実性区間に岩盤の不均質性を明示的に組み込んだ岩盤爆発性評価フレームワークを開発し、従来の単一指数または標準的なファジィ法よりも信頼性の高い評価を提示した。
最適化された減圧： 応力緩和と岩盤安定性のトレードオフを定量化するPRSEIを提案し、検討対象の条件下において0.10 mを最適なボアホール径として特定した。
統合的フレームワーク： 強度予測、リスク評価、および工学的制御策を連結する完全な技術システムを検証し、山東金鉱における数値シミュレーションと現場適用を通じて検証した。

著者らは限界についても認めており、モデルが単一の採鉱エリアで校正されていること、および2Dシミュレーションが3D応力状態を簡略化していることを指摘している。他の深部鉱山への汎用性を高めるためにはさらなる検証が必要であり、長期的な減圧効果を完全に把握するためには長期的なモニタリングが必要であると示唆している。

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