Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

石炭が採掘される地下深くでは、岩盤が絶え間ない闘いに直面している。石炭の層が取り除かれると、かつてその上に乗っていた重い岩層は、新たな沈み方を見つけなければならない。多くの鉱山では、これらの上層は厚く硬い岩石でできており、容易に砕け散ることを拒む。空洞となった場所に崩れ落ちる代わりに、この硬い屋根は、まるで落下を拒む重い天井のように吊り下がったままとなる。時間の経過とともに、この吊り下がった岩の重みが、機器や人々を運ぶための狭いトンネルを押しつぶそうとする。この圧力によって、トンネルの壁は内側に押し込まれ、床面は上方へと隆起し、通路を押し潰して操業を停止させる脅威となる。技術者たちは、トンネルを補強するか、あるいは危険になる前に岩を破壊しようとすることで、この圧力を管理する方法を長年模索してきた。課題は、どの岩層が最も問題を引き起こしているのかを正確に把握し、どこに力を加えて安全に破壊させるかを知ることにある。

中国のリミン炭鉱において、研究者たちはこの問題の複雑なバージョンに直面した。その鉱山では、すでに採掘が終わった領域の隣で、新しい区画の石炭を採掘していた。これにより、活動中のトンネルと空洞になった空間との間に、細い石炭の帯が柱として残された。これは「ゴブサイド・エントリ（採掘跡側進入路）」として知られる構成である。このトンネルの上部の岩層は均一ではなく、厚いものも薄いものもすべて重なり合った複数の硬い地層で構成されていた。技術者たちは、どの層が最も重さを支え、トンネルの変形を引き起こしているのかを特定する必要があった。また、岩を突然の危険な崩落を引き起こすことなく弱めるために、正確にどこに穴を掘るべきかも判断しなければならなかった。これを解決するため、遼寧技術大学のチームは、水圧を用いて岩を制御された段階的な方法で破砕する計画を設計し、その理論を現場でテストして、地圧を鎮めることができるかどうかを確認した。

研究者たちはまず、鉱山の上部の岩層を、重量を分散させる単一の厚い梁として分析することから始めた。彼らは異なる層の間でどのように荷重が分担されているかを計算し、最も重要な3つの層を特定した。彼らの分析によ次に、石炭のすぐ上の粗粒砂岩の層、その少し上のシルト岩の層、そしてさらに高い位置にある別の厚い砂岩の層が指摘された。これら3つの層が、山の上部の重量を支える主要な原因であった。しかし、チームはこれらの層がすべて同じ場所に圧力をかけているわけではないことに気づいた。下の層はトンネルのすぐ横に重量を集中させていたが、3つのうち最も高い層は、その重量を少し離れた、古い鉱山の空洞側へと押し出していた。この違いは、単一のアプローチでは機能しないことを意味した。つまり、異なる高さと異なる水平位置を同時に標的にできる戦略が必要であった。

このアイデアをテストするため、チームは鉱山とその周囲の岩石の詳細なコンピュータ・シミュレーションを作成した。彼らは石炭の採掘と岩層の動きをモデル化し、異なる領域でどのようにストレスが蓄積するかを確認した。シミュレーションは彼らの疑念を裏付けた。すなわち、下層のストレスのピークは確かにトンネルのすぐ隣にあり、最高標的層のピークは古い鉱場側へとずれていたのである。この洞察により、彼らは特定の掘削パターンを設計することができた。彼らはトンネルの両側に2種類の穴を掘ることにした。下の岩層を狙う短い穴と、高い層まで到達する長い穴である。これらの穴を交互に配置し、セクションごとに処理することで、精密かつ段階的な手順で岩を弱めることができた。計画では、固い岩壁と狭い石炭柱に穴を掘り、高圧の水を使用して、穴の下部から上部に向かって、隔離されたセグメントごとに岩を破砕することとした。

チームはこの計画をトンネルの100メートル区間に適用し、合計36個の穴を掘った。彼らは特殊な道具を使用して各穴の小さなセクションを封鎖し、高圧の水を注入して岩に亀裂を入れた。このプロセスは、穴のすべてのセクションに対して繰り返され、穴の全長にわたって岩が弱められることを確実にした。作業中、彼らは何が起きているかを監視するためにセンサーネットワークを設置した。トンネルの壁がどれほど動いたかを測定する計器を配置し、屋根を支える油圧支持体の圧力を監視し、地下深くで岩が破砕される微かな音を聴取した。彼らは、この処理された区間を、以前に採掘された未処理の区間と比較することで、水による破砕がどのような違いをもたらしたかを確認した。

結果は驚くべきものであった。未処理の区間では、採掘面が接近するにつれてトンネルの壁と床が著しく動き、屋根と床は約225ミリメートル押しつぶされた。トンネルの石炭柱側の側面は180ミリメートル、固い岩の側は125ミリメートル移動した。水による破砕を行った区間では、動きが劇的に減少した。屋根と床の移動は約22ミリメートルであり、石炭柱側は18ミリメートル、固い岩の側はわずか12ミリメートルであった。屋根の重さを支える油圧支持体についても、明確な改善が見られた。未処理のエリアでは、支持体にかかる平均荷重は9,725キロニュートンであったが、処理された区間では平均8,943キロニュートンに減少し、約8パーセントの減少となった。

チームは岩そのものの声にも耳を傾けた。未処理の区間では、センサーがいくつかの高エネルギー事象を記録しており、これは岩に大きく突然の破壊が起きていることを示しており、危険な状態であった。一方、処理された区間では、活動は非常に静かであった。センサーは低エネルギー事象、つまり小さく頻繁な亀裂のみを検出し、エネルギーが緩やかに放出されていた。大きな高エネルギーの破壊は一度も記録されなかった。研究者たちは処理後の穴の内部も観察し、意図した通りに岩が破砕されている明確な証拠を確認した。データは、水による破砕が変形と荷重を減少させることに成功したことを示したが、2つの区間が異なる時期に、かつわずかに異なる条件下で採掘されたため、比較は完璧ではないとチームは指摘した。破砕の効果を他のすべての変数から完全に分離することはできなかったが、全体的な傾向は明白であった。現場の反応は設計目標と一致していた。すなわち、岩の動きが少なくなり、支持体が支える荷重が減り、危険な高エネルギーの破壊が排除されたのである。

この研究は、岩層の特定の層を理解し、それらをカスタマイズされた掘削戦略で標的にすることで、エンジニアが地下トンネルの安全性と安定性を大幅に向上させられることを示している。異なる岩層に対して異なる位置から長穴と短穴を用いるアプローチは、地圧を鎮めるのに効果的であることが証明された。研究者たちは、処理の効果を他の要因から完全に分離するにはさらなるデータが必要であることを認めているが、動きと荷重の減少は相当なものであった。この研究は、硬く吊り下がった屋根という同様の課題に直面している他の鉱山にとって、実用的なリファレンスを提供しており、入念な計画と精密な実行によって、危険な地質学的状況を管理可能なものに変えられることを示している。