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浅炭層保水採掘岩層制御の研究(その1)

2018年 2月15日

黄 慶享: 西安科技大学教育部西部砿井開採・災害防治重点実験室

教授、博士課程指導教員、博士

概要:

 中国西部の浅炭層の保水採掘の核心理念は、生態系保全のための地下水位の保護にある。保水採掘における岩層制御の理論的な基礎は、不透水層の安定性である。陝北浅炭層における石炭と水の賦存条件に基づき、物理シミュレーションと地表亀裂の実測分析を通じて、浅炭層不透水複合岩体の「上方向亀裂」と「下方向亀裂」の進展法則を明らかにし、「上方向亀裂」と「下方向亀裂」の貫通性が不透水複合岩体の不透水性を決めていることを発見した。理論分析を通じて、「上方向亀裂帯」が進展する高さと「下方向亀裂帯」が進展する深さの計算公式を導き出し、不透水複合岩体の厚さと採掘の高さの比を指標とした不透水複合岩体不透水性判別法を構築した。これに基づき、保水採掘の分類方法を提起し、神府鉱区の条件に基づき、分類の指標範囲を検討した。

キーワード:浅炭層; 不透水複合岩体; 不透水性; 採掘亀裂; 保水採掘

 中国西部の毛烏素砂漠の縁にある神府炭田は、石炭埋蔵量が豊富で、陝西省内の埋蔵量だけでも2.4×1011tに達し、世界7大炭田の一つに名を連ねている[1-2]。神府鉱区の炭層の埋積深度は40~580mで、早期に開発された炭層の埋積深度は普通100~200m以内で、浅炭層に属する。黄慶享は1998年、埋積深度と上部岩層の崩落の特徴、基盤・積載比を指標とし、岩層制御の意味での浅炭層の概念を提起した[3]。2002年には、鍵岩層(採掘のカギとなる岩層)を指標として、浅炭層に対する科学的な定義が行われた[4](2003年には教本『鉱山圧力與岩層制御』に盛り込まれた[5])。①炭層の埋蔵深度が浅く、天盤に単一の鍵岩層があり、上部岩層の崩落が崩落帯と亀裂帯の「両帯」として現れ、天盤の破断によって「ステップ岩梁」構造を形成する炭層が、典型的な浅炭層と定義された[6]。②炭層の埋蔵深度が比較的浅く、天盤には二つの鍵岩層があり、単一または二重の鍵岩層の破断によって大小の周期的な圧力がかかる。大きな周期的圧力には、ステップ式の沈下という特性があり、上部岩層崩落は「三帯」の特徴を示す。このような炭層を近浅炭層と定義する[7]。浅炭層の採掘亀裂帯は、帯水層または地表の水を流れさせ、不透水層の不安定化を引き起こし、大量の地下水の流失をもたらし、生態を深刻に破壊する[8-10]。神府鉱区は現在、大規模に開発されており、2015年の査定生産能力は3.49×108t/aに達し、石炭採掘と保水の両立は浅炭層岩層制御の重要課題となっている。銭鳴高は2003年、緑色採掘技術という方向を打ち出し[11]、保水採掘はその重要な技術手段とされた。2007年にはさらに科学採鉱の思想を打ち出し[12]、採掘率の向上と環境保護は科学的採鉱の重要な指標となると指摘した。繆協興らは、鍵岩層理論を応用し、亀裂帯内の不透水鍵岩層構造の安定性の概念モデルを研究した[13]。楊沢元らの研究によると、地表の植生の生長は地下水位の深度と密切に関係し、地下水位の下降は地表の生態悪化の主要因となっている[14]。これに基づき、王双明らは、陝北神府炭田の保水採掘の重点は、地表生態水位を下降させないことにあり、そのカギは、採掘の過程で不透水層の不透水性が破壊されないようにすることだと論じた[15-16]

 神府炭田の石炭と水の地質学的な特徴は、「水が上にあり、石炭が下にある」ということである。炭層の上部岩層は、基盤岩と粘土層からなり、ともに不透水複合岩体をなしている[17]。採掘による天盤の亀裂の発生と成長の法則を把握し、不透水複合岩体の安定性を明らかにすることは、浅炭層保水採掘の岩層制御の核心となる。不透水複合岩体の安定性に基づいて保水採掘の分類制御を行うことは、神府炭田の持続可能な発展を実現する科学的手段となる。

 筆者は、神府鉱区の浅炭層地層条件をプロジェクトの背景として、応力-ひずみ全プロセスの相似と水理特性の相似の個体・液体カップリングシミュレーション技術を採用し[18-19]、浅炭層の採掘における上部岩層の亀裂の進展法則を明らかにし[20-22]、「上方向亀裂」と「下方向亀裂」の計算方法を確定した。さらに「下方向亀裂」と「上方向亀裂」を主要指標とした不透水層安定性の判別法を構築し、不透水複合岩体の厚さと採掘の高さの比を指標とした保水採掘分類方法を打ち出し、浅炭層保水採掘における岩層制御の基本理論を体系的に形成し、浅炭層保水採掘に科学的な根拠を提起した。

1 炭層上部岩層不透水(帯水)複合岩体の分類

 神府鉱区の可採炭層と局部可採炭層は12層で、全エリアで埋蔵量が最大の主要採掘炭層は2-2炭層で、石炭系の頂部に位置し、炭層の傾角は水平に近い。炭層上部岩層の組み合わせの形態から、次の3種に分類される。

(1)砂層-土層-風化層-基盤岩層類型。全エリアの約65%を占め、主に楡神鉱区に分布。

(2)砂層-風化層-基盤岩層類型。全エリアの20%を占め、主に神北鉱区に分布。

(3)土層-風化層-基盤岩層類型。全エリアの15%を占め、主に新民区に分布。

 このうち砂層は、風成砂と薩拉烏蘇複合岩体を含み、厚さは一般的に10m以内である。砂土層は自由地下水を含み、水位の深度は0.9~9.27mで、鉱区の主要な帯水層である。この帯水層の自由地下水は、地表の植生の生存を可能とし、人々の生活用水となる貴重な水源である。土層は、離石黄土と三趾馬赤土を指し、厚さは一般的に20~80mで、良好な不透水層である。風化層は、基盤岩の頂面の風化帯を指し、一般的に厚さは20~25mで、弱帯水層である。基盤岩層は、主要採掘炭層の上部の未風化基盤岩であり、主に砂岩によって構成され、厚さの変化は大きく、一般的に30~380mで、土層とともに不透水複合岩体を構成する。

2 採掘上部岩層の亀裂の進展法則と不透水性

2.1 不透水複合岩体の採掘導水亀裂の進展法則と不透水性

 粘土不透水層の応力-ひずみ全プロセスの相似と水理特性相似の条件を考慮し、楡神鉱区の楡樹湾炭鉱と海湾炭鉱三号井、大砭窯炭鉱をターゲットとして、不透水層安定性シミュレーション実験を行った。この研究では、上部岩層の土壌体の採掘導水亀裂は主に、「上方向亀裂」と「下方向亀裂」によって構成される。「上方向亀裂」は、採掘後の天盤の下から上への崩落と離層の沈下によって形成され、主に採掘の縁に集中して形成される亀裂であり、亀裂の進展の高さは比較的高く、「鞍型」に分布し、導水亀裂帯と呼ばれる。「下方向亀裂」は一方、不透水複合岩体の沈下作用によって産出されるもので、上から下に進展する張力亀裂である。最大の「下方向亀裂」も採掘の縁の上部で発生し、最大の上方向亀裂の位置と対応している。図1に示す通りである。

図1

図1 採掘上部岩層の「上方向亀裂帯」と「下方向亀裂帯」

Fig.1 Upward crack zone and downward crack zone of overburden strata induced by mining

 炭層の埋積深度が比較的大きい時には、「下方向亀裂」の作用は明らかでなく、不透水複合岩体は主に「上方向亀裂」の影響を受ける。浅炭層の場合、不透水複合岩体が比較的薄いことから、「下方向亀裂」の影響が比較的顕著で、不透水層安定性の分析の際にはこれを考慮する必要がある。

 「上方向亀裂帯」と「下方向亀裂帯」の不透水層内における接続は不透水複合岩体の不透水安定性(不透水性)に大きな影響を与える。もしも「上方向亀裂帯」と「下方向亀裂帯」が接続すれば、不透水複合岩体の不透水性は喪失し、上部の帯水層または地表の自由地下水は採掘空洞に進入し、採掘坑の水害または地表水の流失を招く。そうでなければ不透水性は安定している(図2)。合理的な採掘方法を採用し、「上方向亀裂帯」の進展の高さを制御するか、「下方向亀裂帯」の進展の深度を低下させ、不透水複合岩体に不透水性を維持することによって、保水採掘を実現することができる。

図2

図2 「上方向亀裂帯」と「下方向亀裂帯」

Fig.2 Upward crack zone and downward crack zone of overburden strata induced by mining

2.2 上方向亀裂帯の進展の高さ

(1)単一炭層採掘。上方向亀裂帯の進展の高さの確定には、導水亀裂帯の高さの計算方法を参考とすることができる。浅炭層不透水層安定性相似シミュレーション実験によれば、「上方向亀裂」の進展が最高の区域は、作業面の石炭採掘壁上方の不透水複合岩体の最大沈下区であり、同区域は最大の沈下勾配と曲率を有する。これは元ソ連の研究者Gvirtzman[23]による大量実測研究の結論と一致している。Gvirtzmanは、フルケービング法石炭採掘における導水亀裂帯頂部の岩層の限界曲率Ktと導水亀裂(上方向亀裂)帯の高さHsとの関係を次のように導き出した。

 このうちKtは導水亀裂帯頂部岩層の限界曲率、Hsは上方向亀裂帯の高さ(m)、q0は不透水複合岩体の最大沈下係数、Mは採掘の高さ(m)、δ0は岩層移動の限界角(°)、φ3は充分採掘角(°)である。実践経験によれば、q0とcotδ0+cotφ3の数値変化の幅は大きくなく、一般的には0.7と1.1を取ることができ、式(1)は次のように簡略化できる。

 このことから、導水亀裂帯の高さは採掘の高さとは正比例し、亀裂帯頂部不透水複合岩体の限界曲率とは反比例することがわかる。上方向亀裂帯頂部の不透水複合岩体の限界曲率が大きいほど、つまり不透水複合岩体の柔性が大きいほど、導水亀裂帯の進展は小さくなる。

 中国における亀裂帯高さの実測研究によれば、緩傾斜炭層における採掘導水亀裂帯の高さと採掘の高さの近似は正比例の関係を示し、軟弱天盤の場合は採掘の高さの8~12倍、中硬岩層の場合は採掘の高さの12~18倍、硬岩層の場合は採掘の高さの18~28倍となる[24]。実測とシミュレーションの研究によると、神府鉱区の一部の採掘坑の上部岩層「三帯」の高さは表1に示すとおりで、導水亀裂帯の進展高さは一般的に採掘の高さの18~28倍である。

表1 浅炭層上部岩層「三帯」の高さ
Table 1 Height of 「three zone」 in shallow seam overburden
採掘坑作業面 採掘の高さ/m 基盤岩厚さ/m 崩落帯/m 亀裂帯/m 湾曲沈下帯 亀裂帯高さ/採掘の高さ
大柳塔1203 4.0 42 9 >42 >10
大砭窯砿 3.0 38 5 >38 >12
活鶏兔21201 3.5 66 6 75 >21
海湾3号井 3.3 53 5 70 >21
楡樹湾 5.0 120 12 90 18

(2)分層採掘。柴里や梅河、淮南などの鉱区の実測によれば[24]、分層重復採掘の際には、導水亀裂帯の高さは採掘の高さの増加に従って小さくなる。同等の厚さの第2、第3、第4分層採掘の導水亀裂帯高さの増量はそれぞれ1/6、1/12、1/20だった。第1分層の採掘による導水亀裂帯の高さは最大である。このため厚炭層採掘においては、第1分層の採掘の高さが大きすぎてはならない。高さを制限した分層採掘を採用することにより、導水亀裂帯の総高度を引き下げ、不透水複合岩体の安定性と保水採掘の可能性を高めることができる。

2.3 下方向亀裂帯の進展の深度

(1)「下方向亀裂」の進展形態

 作業面における採掘の後、不透水複合岩体の湾曲沈下により地表(または不透水複合岩体の上部表面)に張力が発生し、下方向に進展する下方向亀裂が産出される(図3)。地表の最大の下方向亀裂は一般的に、採掘空洞の縁の内側に位置し、「O」型の環状を呈する。作業面の推進に伴い、環状の下方向亀裂は、一定の距離で周期的に出現し、新たな亀裂の出現に伴って再び閉合する。亀裂の幅と深さは、採掘深さや採掘の高さ、天盤管理方法、土層の性質、その厚さと関係する。採掘地表の下方向亀裂は一般的に楔形を呈し、上部の開口部が大きく、深くなるほど幅が小さくなり、表土層の一定の深さの場所で消滅する。

図3

図3 採掘地表亀裂

Fig.3 Surface crack induced by mining

(2)「下方向亀裂帯」の進展の深度

 神府鉱区について言えば、不透水複合岩体は、基盤岩層と風化層、粘土層からなり、「下方向亀裂帯」の進展の深度は、不透水複合岩体の厚さや性質、採掘の高さなどのパラメーターにかかわる。シミュレーション実験研究によって、トップコールケービングを採用するか、基盤岩が直接地表に露出しているかする時には、地表の下方向亀裂の深度は数十メートルに達することがわかっている。このため一回の採掘の高さを低めることは、不透水層の安定に益することとなる。

 楡樹湾炭鉱の厚炭層採掘(地層条件は表2参照)と海湾三号井の多炭層採掘の物理シミュレーションによると、採掘の高さが5mの時には、土層地表の下方向亀裂は20mに達する。地表の砂土層の厚さ10mを除くと、不透水複合岩体にまで入った亀裂の深さは10mに達し、採掘の高さの約2倍となった。楡樹湾炭鉱は、5.5mにおよぶ分層採掘の高さを採用し、一回の採掘の厚さを低下させ、不透水複合岩体の不透水性を保障し、安全で効率的な保水採掘を実現した。

表2 楡樹湾炭鉱の地層上部岩層の特徴
Table 2 Overburden properties of Yushuwan Coal Mine
岩層 平均厚さ/m 岩性
風成砂 10.0 シルト-細砂、シルト-中砂
黄土 25.0 亜粘土、砂質ローム 不透水
赤土 75.0 粘土、亜粘土 不透水
風化岩 20.0 砂岩・泥岩風化層 帯水
基盤岩 100.0 泥岩、中砂岩、シルト岩
炭層 11.6 2-2炭層,f=2.44

(3)「下方向亀裂」の制御パラメーター

 楡樹湾炭鉱の地表岩盤移動の実測から、作業面後方に主要沈下区が存在することがわかった。図4中の石炭採掘壁後方80m範囲内の区間である。同区間は、上部岩層の厚さの約1/2であり、同区間内の下方向亀裂は最も成長していた。檸条塔炭鉱の地表実測でもこの法則が示された。

図4

図4 実測作業面地表沈下曲線

Fig.4 Surface subsidence of mining face by site measurement

 沈下曲線中の単位幅当たりの沈下量を沈下勾配Tsとして、次の式が得られる。

 式中のwは最大沈下量(m)、rは曲率半径(m)である。

 天盤運動を制御し、沈下区の幅を増大することにより、沈下勾配を低下させ、導水亀裂の産出を緩和することができる。

(4)「下方向亀裂」の進展の深さ

 力学原理からわかるように、不透水岩梁の引張ひずみが限界引張ひずみεtを超えると、破壊が発生し、下に向かって発達していく。

 図5に示すように、亀裂頂部の縁に微分要素を取り、間隔をdxとした二つの切断面は変形後、中立軸をめぐって総体的にdθ回転する。ρは不透水複合岩体の中性層曲率半径で、bbひずみは次式によって表される。

図5

図5 下方向亀裂底部の微分要素分析

Fig.5 Element analysis of downward crack tip

 「下方向亀裂」深度をhx、天盤崩落後の不透水複合岩体の厚さをhg=H-hmとする。下方向亀裂の底の端y=(hg-hx)/2のひずみは最大で、式(4)と式(5)から次式が得られる。

に基づき、式(6)から、下方向亀裂帯の進展の深度は次式によって表される。

 実際の応用においては、下方向亀裂の計算式における多くのパラメーターは確定が難しいため、一般的には物理シミュレーションと数値計算による確定が用いられる。

(その2へつづく)

主要参考文献:

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※本稿は黄慶享「浅埋煤層保水開採岩層控制研究」(『煤炭学報』2017年第42巻第1期、pp.50-55)を『煤炭学報』編集部の許可を得て日本語訳/転載したものである。記事提供:同方知網(北京)技術有限公司


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