シャフトの沈下

立坑採掘または立坑掘削は、坑道を上から下へ掘削する作業であり、当初は坑道底にアクセスできない状態です。^[1] 浅い立坑は、通常土木工事のために掘られますが、深い立坑は、通常鉱業プロジェクトのために掘られるものとは施工方法が大きく異なります。

立坑掘削は、鉱山開発方法の中でも最も難しい方法の一つです。限られたスペース、重力、地下水、特殊な手順により、作業は非常に困難です。^[2]立坑掘削は、従来の掘削と発破、または機械化された手段によって行うことができます。

歴史的に、坑道掘削は鉱山のあらゆる作業の中で最も危険な作業の一つであり、坑道掘削業者と呼ばれる鉱山請負業者の専有部分でした。^{[3]現在、坑道掘削業者は}カナダ、ドイツ、中国、南アフリカに集中しています。

現代の立坑掘削業界は、徐々に機械化が進んでいます。フルフェイス立坑掘削^{[4] （垂直}トンネル掘削機に類似）という最近の技術革新は有望ですが、この方法の使用は2019年時点では広く普及していません。^[5]

坑道は、地下鉱山の開発中に地下の鉱床にアクセスする手段として「掘られる」 垂直またはほぼ垂直のトンネルです。

坑道の形状（平面図）、寸法、深さは、坑道が位置する鉱山の特定のニーズや坑道が掘られる地質に応じて大きく異なります。例えば、北米や南米では、小さな坑道は平面図で長方形に設計され、木材の支柱が使われています。大きな坑道は平面図で円形に設計され、コンクリートで裏打ちされています。^[6]

坑道は、地下で緊急事態が発生した場合の脱出手段として、また以下の移動を可能にするなど、さまざまな目的に使用されます。

• 人々
• 材料
• 鉱山サービス（圧縮空気、水、埋め戻し、電力、通信、燃料など）
• 換気空気
• 破砕された岩石（採掘可能な鉱石、または採掘不可能な廃棄物の形態）
• または上記の組み合わせ

掘削の上部が地表である場合、それは立坑と呼ばれます。掘削の上部が地下にある場合、それは坑道またはサブ立坑と呼ばれます。小さな立坑は、底部にアクセスできる限り、既存の鉱山内から上向きに掘削される可能性があり、その場合はレイズと呼ばれます。

立坑は垂直または傾斜（水平に対して 80 ～ 90 度）のいずれかになりますが、現代の鉱山の立坑のほとんどは垂直です。計画されている立坑の底部にアクセスでき、地盤条件が許せば、昇降掘削を使用して下から上に向かって立坑を掘削することができます。このような立坑はボーリング シャフトと呼ばれます。

ハートリー炭鉱の事故で炭鉱の縦坑が塞がれた後、 ^[7]イギリスは1862年に縦坑を違法とし、すべての地下炭鉱には「第2の避難経路」が必要であるという慣例を確立した。世界中の他の多くの炭鉱管轄区域でもこの規則が採用されており、そのため縦坑は2つ1組になっていることが多い（ただし、第2の避難経路を提供する方法は複数ある）。

現在、世界で最も深い連続単リフト坑道は、南アフリカのゴールドフィールズ社が所有するサウスディープ鉱山の主坑道で、深さは2991メートルです。^[8] 2つの換気坑道とともに、掘削と装備には10年を要しました。

伝統的な方法で建設された坑道で最も目立つ特徴は、坑道の上に立つヘッドフレーム(または巻上げ塔、ポペット ヘッド、またはピット ヘッド) です。使用されるホイスト(または巻上げ機) の種類に応じて、ヘッドフレームの上部にはホイスト モーターまたはシーブホイール (ホイスト モーターは地上に取り付けられます) が収容されます。ヘッドフレームには通常、処理施設に輸送される鉱石を保管するための容器も含まれます。

ヘッドフレームの下および周囲の地上レベルには、シャフト カラー (バンクまたはデッキとも呼ばれる) があります。これは、ヘッドフレームの重量を支えるために必要な基礎を提供し、作業員、資材、およびサービスがシャフトに出入りする手段を提供します。カラーは通常、複数のレベルを持つ大規模な鉄筋コンクリート構造です。シャフトが鉱山の換気に使用される場合、プレナム スペースまたはケーシングがカラーに組み込まれ、鉱山への空気の流入と流出が適切に行われるようにします。

カラーの下で地面まで続くシャフトの部分はシャフトバレルと呼ばれます。^[要出典]

シャフトバレルが水平作業部と交わる場所には、シャフトステーション（またはインセット）があり、人員、資材、サービスがシャフトに出入りできます。ステーションからトンネル（坑道、ギャラリー、レベル）が鉱体に向かって伸びており、その長さは数キロメートルに及ぶこともあります。最も低いシャフトステーションは、岩石が鉱山レベルから出てシャフトに運ばれる地点であることが最も多く、その場合は、この場所でシャフトの片側に 積み込みポケットを掘削して、転送施設を建設できるようにします。

最も低い立坑駅の下では、立坑はある程度の距離にわたって続いています。このエリアは立坑底部と呼ばれます。通常、ランプと呼ばれるトンネルが立坑底部と鉱山の残りの部分を接続しています。このランプには、鉱山の水処理施設 (サンプと呼ばれる) が設置されていることが多く、水は鉱山の最も低い地点に自然に流れていきます。

多くの（すべてではありませんが）立坑は、掘削と一時的な地盤支持の設置の後にライニングされます。立坑ライニングにはいくつかの機能があります。まず第一に、緩い岩や不安定な岩が立坑に落ちるのを防ぐ安全機能であり、次に立坑セットをボルトで固定する場所であり、最後に換気のための空気の流れの抵抗を最小限に抑える滑らかな表面です。

立坑ライニングの最終的な選択は、立坑が通過する岩石の地質に依存し、立坑によっては必要に応じて複数のライナーセクションを持つものもあります。^[9] 立坑が非常に堅固な岩盤に埋設されている場合、ライニングはまったく必要ない場合もありますし、溶接メッシュとロックボルトの設置だけで済む場合もあります。立坑ライニングに選択される材料は、立坑が進むにつれて（深くなるにつれて）、立坑型の後ろに6mの高さで 注入されるマスコンクリートです。

ショットクリート、ファイバークリート、レンガ、鋳鉄管、プレキャストコンクリートセグメントは、いずれもこれまでに何度も使用されてきました。さらに、特定の状況では、ビチューメンやスカッシュボールなどの材料の使用も求められてきました。極端な場合、特に岩塩を貫通する場合は、2つ以上の材料からなる複合ライナーが必要になる場合があります。^[10]

掘削中、立坑ライナーは立坑底まで到達せず、一定の距離だけ遅れて到達します。この距離は掘削方法と永久ライナーの設計厚さによって決まります。立坑底で作業する人の安全を確保するため、通常は溶接金網とロックボルトで構成される一時的な地盤支持材が設置されます。一時的な地盤支持材の設置 (ボルト締めと呼ばれる) は、空気圧駆動の削岩機を使用してボルトを設置する必要があるため、立坑掘削サイクルの中で最も物理的に困難な作業の 1 つです。

このため、また、シャフト底部の作業員数を最小限に抑えるために、いくつかのプロジェクトでは、この一時的なライニングを吹付コンクリートに切り替えて成功しています。この分野の研究開発は、ロボットによる吹付コンクリートの適用と、薄いスプレーポリマーライナーの商品化に重点を置いています。

シャフトを巻き上げに使用する場合は、シャフト セットによって複数のコンパートメントに分割されることが多く、シャフト セットは木材または鋼鉄で作られています。シャフト セットの垂直メンバーはガイドと呼ばれ、水平メンバーはバントンと呼ばれます。鋼鉄シャフト ガイドの場合、主な 2 つのオプションは、中空構造セクションとトップ ハット セクションです。トップ ハット セクションは、中空構造セクションに比べて、設置が簡単、耐腐食性が向上し、剛性が増すなど、多くの利点があります。鉱山の輸送手段は、鋼鉄製ジェット コースターがレールの上を走るのと同じようにガイド上を走ります。どちらも車輪がレールをしっかりと固定します。

一部のシャフトでは、ガイドビームを使用せず、代わりに、シャフトの底部にあるチーズ ウェイト(トラックルまたはチーズの輪に似ているため)と呼ばれる大きな重りによって張力を保ったままの鋼線ロープ(ガイド ロープと呼ばれる) を使用します。これは、保守と交換が容易なためです。

最も大きな区画は、通常、鉱山ケージに使用されます。鉱山ケージは、地表下で作業員や物資を移動するための乗り物で、ホイストから鋼線ロープで吊り下げられています。エレベーターと同様の仕組みで機能します。ケージは、1 層、2 層、まれに 3 層構造で、予期しない故障に備えて常に複数の冗長安全システムを備えています。

2 番目の区画は、鉱石を地表まで持ち上げるために使用される1 台以上のスキップ用に使用されます。小規模の採掘作業では、別の装置ではなくケージの下に取り付けられたスキップを使用しますが、一部の大規模鉱山では、ケージとスキップ用に別のシャフトがあります。3 番目の区画は緊急出口として使用され、補助ケージまたは梯子のシステムを収容する場合があります。追加の区画には、水、圧縮空気、またはディーゼル燃料を移送するための高電圧ケーブルやパイプなどの鉱山設備が収容されます。

シャフトを分割する 2 つ目の理由は、換気のためです。前述のコンパートメントの 1 つ以上を空気取り入れ口として使用し、他のコンパートメントを排気口として使用できます。この場合、空気の流れを分離するために、2 つのコンパートメントの間にブラティスと呼ばれる鋼鉄またはコンクリートの壁が設置されます。多くの鉱山には、独立したヘッド ギアとケージを備えた 1 つ以上の完全に独立した補助シャフトがあります。

坑道の最も低い地点は「坑道底」と呼ばれます。坑道プロジェクトは、坑道底で行われるすべての活動がプロジェクト スケジュールの重要な経路の一部となるという点で、他の鉱山開発の形態とは異なります。坑道を掘るのに必要なインフラストラクチャは、「坑道掘削セットアップ」と呼ばれます。

シャフト プロジェクトの掘削段階 (つまり、掘削、地盤支持、ライニング) の進捗状況 (「掘削速度」) は、プロジェクト チームが「掘削サイクル」と呼ばれる一連の作業を何度も繰り返すにつれて学習曲線をたどり、最終的には時間の経過とともにその掘削セットアップの理論上の最大速度に近づくのが一般的です。この学習曲線の長さを短縮し、プロジェクトの期間を可能な限り短縮するには、経験豊富なシャフト掘削者を使用する必要があります。

立坑掘削プロジェクトを成功させる鍵は次のとおりです。

• 沈下セットアップのさまざまなコンポーネントを正しく設定し、適切なタイミングでインストールします。
• プロジェクトのできるだけ早い段階から経験豊富な人材を関与させること
• シャフト底部の利用可能な時間を可能な限り効率的に使用します。

立坑掘削作業員による掘削プロジェクトの掘削サイクルの進行速度は極めて重要視されますが、掘削は、新しい立坑を建設する従来の方法における数多くの段階のうちの 1 つにすぎません。

• ボックス カット掘削。ボックス カットは、通常、土木機械を使用して岩盤まで掘削する大きな正方形または長方形の掘削で、その中にシャフト カラーが構築されます。カラー、ヘッドフレーム、およびホイスト プラントによって課される負荷を硬い岩盤に伝達することは、予期しない地盤沈下を防ぐために必要です。岩盤の深さが深すぎてボックス カットが経済的に実行できない場合、または岩盤が十分に強くない場合は、代わりに地中連続壁やコンクリート杭などの土木技術を使用して深い基礎を作成することができます。
• プレシンク。プレシンクは、立坑バレルの最初の 60 ～ 100 メートルの掘削と支持であり、多くの場合、手持ち式の空気圧式掘削装置 (補強と地盤支持用の穴を掘る) や小型掘削機 (泥出し用の小型掘削機) などの小型機器で完了します。プレシンク中、泥出しと機器の吊り上げは通常、地上の移動式クレーンで行われます。最初にこの部分の立坑を掘削して、多段式作業プラットフォームであるギャロウェイを、発破中に飛散する岩石によって損傷を受けないように、立坑底から十分な垂直距離を置いて設置する必要があります。
• カラーの構築。ボックスカットの底から、計画された一連のコンクリート注入でシャフトカラーを下から上に向かって構築します。
• ギャロウェイ (沈下段階) の建設と設置。ギャロウェイ (沈下段階または足場とも呼ばれる) は、地上にあるウインチからシャフト内に吊り下げられた、複数レベルの作業プラットフォームです。ギャロウェイにより、沈下作業員は沈下サイクルのさまざまな作業に応じて、さまざまなレベルで効率的に作業できます。通常、ギャロウェイはシャフトの片側で構築され、可能な限り完全な状態でクレーンでプレシンクに降ろされます。配置されたら、ギャロウェイは「椅子」で固定され (シャフト カラーから吊り下げられる)、その上にヘッドフレームが構築され、多くの場合、隔壁で保護されます。
• ヘッドフレームとホイストハウスの建設。カラーが構築され、ギャロウェイが取り付けられると、ヘッドフレームとホイスト（またはワインダー）ハウスが構築され、ホイストとウインチロープが取り付けられます。ヘッドフレームはスチール製またはコンクリート製で、その設計によって構築方法が決まります。ギャロウェイは、ゆっくりと動き、大きな負荷に耐えられる定格のウインチによってシャフト内を移動します。一方、沈下バケット（またはキブル）は、動きが速く、ウインチよりも負荷が小さい定格の沈下ホイストによってシャフト内を移動します。ホイストとウインチ、およびそれらの動作を制御するために使用される繊細な電子機器を保護するために、通常はホイスト（またはワインダー）ハウスと呼ばれる構造物内に設置されます。
• 沈下セットアップの試運転。次に、沈下セットアップを試運転して、すべての部品が計画どおりに動作していることを確認する必要があります。
• フル シンク。掘削サイクルの作業 (掘削、一時的な地盤支持の設置、シャフト ライニングの配置、シャフト サービスの延長) はすべて、建設のこの段階で行われます。複数の作業レベルがあるシャフトでは、シャフト ステーションとステーション スタブ (ステーションから離れる水平トンネルの短い部分) が、シンカーによって下る途中で開発されます。これらのステーションを掘削する機器は、ギャロウェイの開口部を通過できるほど小さくなければならないため、ステーション スタブの開発の進行速度は、フルサイズの採掘機器で達成できる速度と比較して通常は遅く、そのため、ステーション スタブは通常、可能な限り短く保たれます。
• シャフトの装備とヘッドフレームの切り替え。シャフトが最終設計深度に達すると、シャフトから一時的な設備が取り外され、ギャロウェイが切断または修正されて恒久的なシャフト セットアップの設置に適合し、シャフト セット (必要な場合) が設置され、ヘッドフレーム / ワインダーが修正されて恒久的な巻き上げが可能になります。この段階で、恒久的な搬送装置が設置されます。
• 恒久的なセットアップの試運転。新しい所有者に引き渡す前に、すべての部品が計画どおりに動作していることを確認するために、恒久的なセットアップの試運転を行う必要があります。

立坑の深さや設計と同様に、この順序は地域の状況に応じて大きく異なる場合があります。たとえば、カナダ楯状地の立坑では、岩盤が強固で地表に近いため、一般的に深く複雑な立坑カラーは必要ありません。これにより、立坑カラーの設置に必要な時間が短縮されます。

従来、掘削請負業者は掘削セットアップ用の仮のヘッドフレームを構築し、その後、恒久的なヘッドフレームを設置するためにそれを解体していました。時間の経過とともに、シャフト掘削プロジェクトの複雑さと期間が増大するにつれて、恒久的なシャフト セットアップの多くを掘削フェーズに組み込むことが一般的になっています。これにより、たとえばシャフトを掘削するために使用されたサービス パイプを取り外して恒久的なパイプを設置する必要がない場合など、プロジェクト全体の期間が短縮されます。

レイズボーリング技術の進歩により、新しいシャフトの底部にアクセスできる場所では、レイズボーラーを使用してシャフト沈下のパイロット穴を作成するようになりました。この場合、沈下フェーズでは、このパイロット穴を最大直径まで拡大することに専念します (通常、「スラッシング」と呼ばれるプロセス)。この方法は、沈下による泥(廃石) がパイロット穴に落ち、クリティカル パス外の既存の鉱山インフラストラクチャを使用して処理されるため、全面沈下 よりも大幅に高速化できます。

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