博士（工学）楊 其鑾 学位論文題名
AE 法による石炭のガス透過性に関する研究
学位論文内容の要旨
近 年，炭 鉱にお けるメ タン ガスの 湧出間 題は， 坑内保 安や 大気保 全の両 面から 解決を迫られて きて いる 。従来 ，この 防止対 策とし て炭 層ガス 抜きが 実施さ れて いるが ，まだ 的確な技術は確立 され てい ない。 炭層ガ ス抜き の成否 は石 炭のガ ス透過 性にか かっ ており ，この 解明が強く望まれ てい る。 一般に ，石炭 には層 理，節 理な ど無数 のき裂 があり ，ガ スはこ れらの 中の抵抗の少ない き裂 を選 択的に 透過す る。従 って， 石炭 のガス 透過性 は，透 過き 裂の開 閉や進 展に左右され，応 カや 間隙 圧の変 化に応 じて可 逆的に も不 可逆的 にも変 化する 。本 論文は ，この ような石炭におけ る ガ ス 透過 性 の 可 逆 変化 や 不 可 逆 変 化をAE法 を応 用 し て 実 験 的に 解 明 し た もの で，研 究の成 果と して 炭層ガ ス抜き の可能 性の判 定指 標を見 出して いる。
本 論文は7章 で構成 してい る。以 下， 各章の 概要を 述べる 。
第1章 は 序論 で，石 炭の ガス透 過則に 関する 既往の 研究 をし， 本論文 の目的 と立 場にっ いて述 べて いる 。
第2章 で は， 本研究 のた めに特 別に試 作した 実験装 置を 説明し ，石炭 の単軸 圧縮 試験， 封圧圧 縮 試 験 およ び 疲 労 試 験に お け るStress Passにっ い て 検 討して いる。 また， ガス 透過試 験での 応 力 ， ひず み ， 透 過 圧， 透 過 量 およ びAE等の 計測法 を検 討し， 信号検 出に当 って 工夫し ナご点 を 明 ら かに して いる。 なお ，供試 炭は中 国産の6炭 種で， これ らの物 性にっ いても 説明を して い る。
第3章 で は， まず， 各種 石炭の ガス透 過試験 結果か ら， ガス透 過量と 透過圧 の関 係を検 討し，
AEの 振幅 分 布 が 単 一の 直 線 分 布 の場合 ガス透 過性に 可逆 変化が 成立す ること を確 かめて いる。
また ，ガ ス透過 量は透 過圧の 増加に 応じ て非直 線的に 増大し なが ら，直 線的傾 向へ変わることを 確認 して いる。 次いで ，直線 関係の 開口 状態を 基準に 非直線 関係 の開口 率を定 義した上で，透過 き裂 の開 口率を 求める ととも に，こ れを 考慮したガス透過式を提案している。こられの検討結果，
石炭 の透 過き裂 は間隙 ガス圧 の増加 に応 じて開閉し，一定値に収束することを明らかにしている。
また ，こ の収束 方向は 炭層や ガス分 子量 によっ て異な ること を確 め，透 過き裂 の開閉挙動は非透
393
過 き裂へ のガス 浸透性 に依 存して 起こる ことを 明ら かにし ている 。
第4章 で は ， 石 炭 の 封圧 圧 縮 破 壊 過程 に お い て ガス 透 過 性 とAEの 発 生 頻 度を 調 べ ， 間 隙ガ ス 圧 と 圧 縮応 カ に よ る き裂 の 開 閉 挙 動 を検 討 し て い る。 こ ら れ の 結果 と し て ，Compaction， Pre―failure，Post―failure過程へ とき 裂が発 達する にっれ ガスの 浸透 性が増 大し， 透過き 裂 の 開口率 は収束 し易く なる ことを 確認し ている 。ま た，ガ ス透過 式ヘ導 入した パラ メータの中で 収 束 係 数 は無 限大 ヘ発散 し， 最小透 過圧お よび閉 塞損 失係数 は0ヘ収束 するた め，ガ ス透過 式は Darcy則 ヘ 接 近 す るこ と を 明 ら かに し て い る 。 な お ，Compactionか らPre−failureへ の 移 行 過 程 でAEの 振 幅 分 布 はTypaAの 単 一 直 線 分 布 か らTypeCの2点 屈 折 分 布 に 変 る 。 ま た ， こ の変化 に応じ て開口 率の 収束方 向が増 加傾向 から 減少傾 向ヘ反 転し， ガス透 過性 に不可逆変化 が 起 こ る 。こ れ ら の 事 象か ら ，AE分布の パター ンがき 裂進 展規模 の判定 指標に なる ことを 見出 し た。
第5章 で は ， 石 炭 の 高圧 ガ ス 透 過 試験 に お い て ガス 透 過 性 とAE振 幅 分 布 の変 化 を 調 べ ，間 隙 ガス圧 による 透過き 裂の 開口変 化を検 討して いる 。これ らの試 験で特 に注目 され た事象は，石 炭 内部の 間隙圧 による 破壊 は，外 部から の圧縮 応カ による 破壊と 異なっ て，き 裂の 閉塞箇所に選 択 的に集 中して 起こり ，透 過き裂 の開閉 性は一 回の 破壊で 消失し たこと である 。こ のため，透過 き 裂の開 口量は ，間隙 圧の 増加過 程では 不可逆的に増大し，減圧過程では一定不変となる。なお，
こ の 不 可 逆 的 閉 口 は ，AEの 振 幅 分 布 がTypeAか らCヘ 変 わ る と き 起 こ る こ と を 確 認 し て い る 。
第6章 で は ， 石 炭 の 疲労 試 験 に お いて ガ ス 透 過 性とAE振 幅 分布 の 変 化 を 調べ ， 非 閉 塞 性き 裂 のガス 透過則 にっい て検 討して いる。 これら の試 験で特 に注目 された 事象は ，最 終段階で載荷 過 程 と 同 様 除荷 過 程 で もAEが 頻 発 し ，TypeCの 屈 折 し たAE振 幅 分 布 が出 現 し た こ とで あ る 。 こ の事象 は，開 口き裂 に破 片が挾 まり， 非閉塞 性き 裂の発 生を示 唆して いる。 事実 ，非閉塞性き 裂 が出現 すると ，石炭 のガ ス透過 性は応 カの影 響を 受けな くなる 。炭層 ガス抜 きに とって非閉塞 性 き 裂 の 発 生は 成 否 の か ぎに な る 事 象 で あり ，TypeCのAE分 布 は こ の 発 生指 標 に な る こと を 確 認して いる。
第7章 は，結 論で， 本研 究の成 果を総 括した 上で， これ らの成 果がガス抜きボーリングの設計，
計 画に役 立っこ とを指 摘し ている 。
394
学位論文審査の要旨
近 年，炭 層ガ ス抜き に対し て技術 革新が 強く 要求さ れてい る。ガ ス抜 き率を向上させるために は 石炭に おける ガスの 透過 機構を 解明す る必要 があ る。
石 炭には 層理 ，節理 など無 数のき 裂があ り， ガスは これら の中の 抵抗 の少ないき裂を選択的に 透 過する 。従っ て，石 炭の ガス透 過性は ，透過 き裂 の開閉 や進展 に左右 され，応カや間隙圧の変 化 に応じ て可逆 的にも 不可 逆的に も変化 する。 本論 文は， このよ うな石 炭におけるガス透過性の 可 逆 変 化 や 不 可 逆 変 化 をAE法 を 応 用 し て 実 験 的 に 解 明 した も の で ，7章 で 構 成 し てい る 。 第1章 は序論 で，石 炭の ガス透 過則に 関する 既往の 研究 を批判 し，本 論文の 目的 と立場 にっい て 述べて いる。
第2章 でtま，本 研究の ために 特別 に試作 した実 験装置 を説明 し， 石炭の封圧圧縮試験とガス透 過 試 験 で の応 力 ， ひ ず み， 透 過 圧 ， 透 過量 お よ びAE等 の 計 測 等 を検 討し， 信号 検出に 当って 工 夫した 点を明 らかに して いる。
第3章 では， まず， 各種 石炭の ガス透 過試験 結果か ら， ガス透 過量の 透過圧 の関 係を検 討し，
AEの 振 幅分 布 が 単 一 の直 線分布 の場合 ガス透 過性に 可逆 変化が 成立す ること を確 かめて いる。
ま た，ガ ス透過 量は透 過圧 の増加 に応じ て非直 線的 に増大 しなが ら，直 線的傾向へ変ることを確 認 してい る。次 いで， 直線 関係の 開口状 態を記 述に 非直線 関係の 開口率 を定義した上で，透過き 裂 の開口 率を求 めると とも に，こ れを考 慮した ガス 透過式 を提案 してい る。これらの検討結果，
石 炭の透 過き裂 は間隙 ガス 圧の増加に応じて開閉し，一定値に収束することを明らかにしている。
ま た，こ の収束 方向は 炭質 やガス 分子量 によっ て異 なるこ とを確 かめ， 透過き裂の開閉挙動は非 透 過き裂 へのガ ス浸透 性に 依存し て起こ ること を明 らかに してい る。
第4章 で は ， 石 炭 の封 圧 圧 縮 破 壊過 程 に お い てガ ス 透 過 性 とAEの 発 生 頻度 を 調 べ ， 間隙 ガ ス 圧 と 圧 縮応 カ に よ る き裂 の 開 閉 挙 動 を検 討 し て い る。 こ れ ら の 結果と して，Compaction Preーfailure，Postーfailure過程 へと き裂が 発達す るにっ れガス の浸 透性が 増大し ，透過 き裂 の 開 口 率 は収 束 し 易 く なる こ と を 確 認 して い る 。 な お，CompactionからPre―failureへ の移 行 過 程 でAEの 振 幅 分 布tまTypeAの 単 一 直 線 分 布 か らTypeCの2点 屈 折 分 布 に変 る 。 ま た ，
395
巌 志
郎
一
澄 尚
島 口
迫
中 樋
福
授 授
授
教 教
教
査 査
査
主 副
副
こ の変化 に応じ て開 口率の 収束方 向が増 加傾向 から 減少傾 向ヘ反 転し， ガス 透過性に不可逆変化 が 起 こ る 。こ れ ら の 事 象 から ，AE分 布のパ 夕―ン がき裂 進展 規模の 判定指 標にな ること を明 ら か にして いる。
第5章 で は ， 石炭 の 高 圧 ガ ス透 過 試 験 に お いて ガ ス 透 過 性とAE振 幅 分布 の 変 化 を 調ベ ， 間 隙 ガス圧 による 透過 き裂の 開口変 化を検 討して いる 。これ らの試 験で， 石炭 内部からの間隙圧に よ る破壊 は，外 部か らの圧 縮応カ による 破壊と 異な って， き裂の 閉塞箇 所に 選択的に集中して起 こ り，透 過き裂 の開 閉性は 一回の 破壊で消失する．ことを確認し，透過き裂が間隙圧の増加過程で は 不 可 逆 的 に 開 口 し ， 滅 圧 過 程 で は 閉 塞 し な い こ と を 明 ら か に し て い る 。 第6章 で は ， 石炭 の 疲 労 試 験に お い て ガ ス 透過 性 とAE振 幅 分 布 の 変 化を 調 べ ， 非 閉塞 性 き 裂 のガス 透過則 にっ いて検 討して いる。 これら の試 験の最 終段階 で載荷 過程 と同様除荷過程でも AEが 頻 発 し ，TypeCの 屈折 し たAE振幅 分 布 が 出 現し た こ と か ら ，閉 口 き 裂 に 破片 が 挟 ま り ， 非 閉塞性 き裂の 発生 を実証 してい る。ま た，非 閉塞 性き裂 により ，石炭 のガ ス透過性は応カの影 響 を受け ナょく なる ことを 明らか にしている。炭層ガス層にとって非閉塞性き裂の発生は成否のか ぎ に な る 事 象 で あ り ，TypeCのAE分 布 は こ の 発 生 指 標 に な る こ と を 実 証 し て い る 。 第7章 は，結 論で， 本研 究の成 果を総 括した 上で ，これ らの成果がガス抜きボーリングの設計，
計 画に役 立っこ とを 指摘し ている 。
こ れ を要 す る に ， 著者 はAE法 によ り 石 炭 に おけ る ガ ス の 透過 機 構 を 解明 し，AE振幅分 布特 性 が炭層 ガス抜 きの 可能性 の判定 指標に なるこ とを 実証し ている 。この 成果 は，採炭学および試 錐 工学の 発展に 寄与 すると ころ大 である 。よっ て， 著者は 博士（ 工学） の学 位を授与される資格 あ るもの と認め る。
396
