地下鉱山の通気

地下鉱山の通気とは

地下鉱山の通気、すなわち坑内通気とは、坑内の作業空間に空気を計画的に流し、適切な空気の質、温熱条件、作業環境を保つことです。新鮮な入気を人のいる区域や稼働中の切羽へ導き、汚染物質、余分な熱、湿気を含んだ空気は、所定の排気坑道などを通じて坑外へ排出します。^[2]

通気システムは、通常、次の要素で構成されます。

• 坑口、立坑、斜坑、切上り、水平坑道など、坑外と坑内を結ぶ開口部および通気経路

• 入気系統と排気系統

• 採掘区域や掘進区域へ風量を配分する分岐部

• 通気隔壁、風門、風量調整装置（調量設備）、密閉、気流を分離して交差させる通気施設など

• 行き止まりの坑道や局所的な作業箇所の通気に用いる風管

• 主要扇風機、使用が認められる場合の通気網増圧用扇風機、局部通気設備

• 風量、圧力、ガス濃度、温度、湿度、設備状態の計測・監視装置

これらは一つのシステムとして評価します。坑外で測定した風量だけでは、離れた切羽に届く風量は分かりません。枝路抵抗、漏風、風量調整装置、風管の状態を含めて確認する必要があります。日本の鉱山で計画・運用する場合は、鉱山保安関係法令、対象設備の技術基準、鉱山の保安規程などを確認し、通気計画と日常の測定・運転管理を整合させます。^[1]

図1. 吸出し式による坑内通気の模式図。新鮮な空気を坑内の各レベルへ配分し、排気経路を通して坑外の主要扇風機から排出する流れを示しています。実際の系統や設備配置は鉱山ごとに異なります。

坑内の通気系統はどのように機能するか

空気は、通気網の入気側と排気側の圧力差によって流れます。この圧力差は、立坑、斜坑、水平坑道、切上り、風管、曲がり、分岐・合流部、風量調整装置、坑外の接続部などで生じる圧力損失を克服できる必要があります。

基本的な空気の流れは、次の5段階で説明できます。

1. 坑内へ空気を取り入れる。新鮮な空気は、立坑、坑口、斜坑など、入気用に定めた開口部を通じて吸い込まれるか、押し込まれます。

2. 主要通気の風量を配分する。総風量を各レベル、採掘区域、機械整備場、通行坑道、ポンプ室などの必要量に応じて分けます。

3. 稼働中の作業箇所へ空気を届ける。入気と排気がつながる区域には、主要通気によって入気側から排気側へ通り抜ける気流を確保します。一方、行き止まりの坑道や掘進切羽には、通常、局部扇風機と風管による局部通気が必要です。^[3]

4. 汚染された空気を排気系統へ導く。できるだけ汚染の少ない区域から汚染物質の発生箇所へ空気を流し、その後は排気坑道へ導きます。適用される要件に従い、汚染された空気が別の有人作業区域を通過する配置を避けます。

5. 排気を坑外へ排出する。排気は、排気立坑、切上り、坑口、坑外の扇風機設備などへ流れ、最終的に坑外へ排出されます。

実際の通気網は一本の直線経路ではなく、直列・並列に接続された多数の枝路で構成されます。風門の開閉、風量調整装置の設定変更、新しい坑道の接続、旧採掘区域の密閉、漏風経路の変化によって流れが変わります。通気管理は、設備を一度設置して終わる仕事ではなく、操業に伴って継続する業務です。

主要通気・区域別の風量配分・局部通気・増圧用扇風機の関係

坑内通気は、鉱山全体の空気の流れ、区域ごとの風量配分、行き止まりの坑道の局部通気を組み合わせて成り立ちます。使用条件を満たす場合には、特定の通気経路に増圧用の扇風機を配置します。測定と監視によって実際の状態を把握し、各設備の運転が通気計画に合っているかを確認します。

主要通気

主要通気は、鉱山の主要な入気口と排気口の間に空気を流すものです。必要な風量と圧力は、採掘深度、採掘方法、坑道断面、稼働機器、汚染物質と熱の負荷、将来の坑内展開によって変わります。坑外接続部、立坑、主要坑道、漏風対策、排気経路がいずれも運転条件に影響するため、主要扇風機は通気網の検討に基づいて選定し、設置条件を含めて再確認します。^[2]

区域と枝路への風量配分

主要通気の風量を、採掘区域や付帯設備へ分配します。風量調整装置は、設置された枝路に抵抗を加えることで配分を変えますが、新たな風量を生み出す装置ではありません。過度の絞りは圧力損失を増やし、ほかの区域にも影響する場合があります。可能であれば、坑道断面の改善、漏風の補修、排気経路の短縮、並列経路の追加などを長期的な対策として比較します。

局部通気

行き止まりの坑道は、入気から排気までの貫通した経路を持たないため、一般に風管を用いた局部通気が必要です。主要通気から十分な新鮮な空気を確保し、押込式では切羽へ必要風量を届け、吸出し式では切羽付近の空気を吸い出し、汚染空気が再循環しないように排出します。方式ごとの違いは後述します。設備の比較については、鉱山用通気ファンのガイドを参照してください。

増圧用扇風機と通気網の相互作用

通気網の途中で圧力を補う扇風機を、ここでは増圧用扇風機、またはブースターファンと呼びます。風管で掘進切羽を通気する局部扇風機とは役割が異なります。使用の可否は適用法令と通気計画に照らして判断し、主要扇風機との協調、接続枝路の圧力変化、循環風の危険、必要に応じて設ける扇風機の迂回通気経路（バイパス）、停止時の対応、制御・監視を一体で検討します。通気網と切り離した単体設備として選定することはできません。

必要風量と必要圧力の決め方

通気の評価では、次の二つの問いを分けて考えます。

1. 各作業箇所と各操業状態で、どれだけの風量が必要か。

2. その風量を所定の経路に流すために、どれだけの圧力が必要か。

必要風量は、管理すべき危険と作業内容から求めます。作業人数、ディーゼル機器、ガス湧出、発破後ガス、粉じん、熱、湿気、蓄電池の充電箇所、整備場、工程由来の排出物などが対象です。法令や通気計画で最低風量・風速が定められる場合もあります。各区域の必要風量を決める条件と、同時に行われる可能性のある作業の組合せを確認し、主要扇風機の総風量だけから必要量を判断しないことが重要です。

以下の基本式は、風量と圧力のデータを整理するためのものです。現場測定と照合した通気網モデル、鉱山固有の危険の評価、適用要件に従って作成し、承認が求められる場合にはその手続を経た通気計画に代わるものではありません。

風量と風速

通気経路の断面が定まっている場合、基本関係は次のとおりです。

Q = A × v

• Q：風量、すなわち単位時間に流れる空気の体積。通常はm³/sで表します。

• A：空気が流れる有効断面積。単位はm²です。

• v：その断面における平均風速。単位はm/sです。

この関係は通気測定の基本です。断面積が正確でなければ、風速を測っても正しい風量は求められません。不規則な坑道断面では、一点の風速が平均風速を代表するとは限りません。測定方法、測定箇所、断面寸法、計器の状態・校正状況、必要な補正を測定手順と記録に明示します。

分岐・合流部の風量収支

定常状態で、比較する枝路の空気密度がほぼ等しければ、節点へ流入する体積流量の合計と、流出する体積流量の合計は一致します。把握した漏風は収支に含め、残る差を測定の不確かさと照らして評価します。

ΣQ_入 ≈ ΣQ_出

測定箇所によって空気密度が大きく異なる場合は、質量流量で収支を取るか、体積流量を共通の基準状態に換算します。式中の「入」「出」は、その節点に対する流れの向きを示します。

風量収支の確認は、各レベルの入口、区域への分岐、排気の合流部、局部通気の接続箇所などで役立ちます。説明できない大きな差がある場合は、漏風、図面にない連絡坑道、不適切な測定位置、異なる設備・風門状態で取得したデータの混在などを調べます。

通気網の抵抗と圧力損失

通気網の一つの枝路を簡略化すると、圧力損失は一般に次の二乗則で表せます。

ΔP = R × Q²

• ΔP：枝路の圧力損失。通常はPaで表します。

• R：枝路の等価通気抵抗。単位の例はPa/(m³/s)²、またはN·s²/m⁸です。

• Q：枝路を通過する風量。通常はm³/sで表します。

この二乗則は、坑道形状と空気密度を定めた乱流条件に対する近似です。断面、壁面粗さ、障害物、風量調整装置の設定、基準密度が変わる場合は、抵抗値を見直します。

この式のRは、対象とする枝路全体の通気抵抗を表し、鉱山通気の文献ではアトキンソン抵抗と呼ばれることもあります。数値は単位系と空気密度の扱いを併記して解釈します。本記事では、所定の状態における密度の影響をRに含めます。摩擦係数そのものや、式中で密度を別に掛ける定義の抵抗値と、そのまま置き換えることはできません。

等価通気抵抗には、坑道の長さ、周長、断面積、壁面粗さ、障害物、曲がり、接続部、風量調整装置などの影響が含まれます。断面の縮小や坑道の荒廃によって必要圧力は大きく増加し得るため、計画図の公称寸法だけでなく、実際の通気断面と状態を調べます。

抵抗が一定なら、風量を2倍にすると圧力損失はおよそ4倍になります。空気に与える理論動力Q × ΔPは、その条件ではおよそ8倍です。扇風機・電動機・駆動系の効率によって、実際の消費電力の倍率は異なります。したがって、圧力を増やし続けるより、支配的な狭窄部を解消したり、適切な並列経路を設けたりする方が有効な場合があります。

圧力の定義・風量の基準状態・空気密度

プロジェクトのデータには、静圧と全圧のどちらを扱うか、どこで測るかを明示します。差圧を示す場合は、二つの測定位置と、それぞれの圧力の定義が必要です。扇風機の入口と出口の間で測った圧力上昇を、一つの坑道枝路の圧力損失と比較する際は、圧力の定義、測点、密度条件が対応していなければなりません。

風量についても、坑内の実際の状態での体積流量か、基準状態に換算した値かを記録します。同じ回転数で対応する空力的な条件を比較する場合、扇風機の圧力上昇と空気動力は空気密度に依存します。現場測定、性能曲線、受入れ試験データを比較するときは、標高、温度、湿度、大気圧を含めて確認します。

比較前に基準を確認すべきデータ

• 扇風機を通過する風量と、送気用風管の吹出口で実際に供給される風量、または吸込用風管の吸込口で取り込む風量

• 静圧・全圧の測定値と、測定位置や圧力の定義が明らかでない差圧値

• 実際の状態における体積流量と、標準状態などの基準状態に換算した体積流量

• 通気網モデルの計算値と、別の通気系統や設備設定で取得した測定値

通気経路の直列接続と並列接続

直列接続では、途中に漏風がなく、空気密度が同程度なら、各区間に同じ風量が順に流れます。その場合、抵抗は加算できます。

R_合成 = R_1 + R_2 + R_3 + ...

並列接続では、複数の経路に風量が分かれます。同じ二つの節点を結び、枝路内に独立した圧力源がなく、各枝路が二乗則に従う場合、次の関係が成り立ちます。

1 / sqrt(R_合成) = 1 / sqrt(R_1) + 1 / sqrt(R_2) + 1 / sqrt(R_3) + ...

sqrt(R)は抵抗の平方根、R_合成は並列経路全体の合成抵抗を表します。

同じ抵抗を持つ二つの並列経路が、ともに開いて適切に接続されていれば、合成抵抗は一経路の抵抗の4分の1になります。適切な並列経路は必要圧力を下げ、運用の柔軟性を高めます。ただし、一方の狭窄や保守不良で効果が小さくなったり、汚染空気を別の作業区域へ流す配置では安全上採用できなくなったりします。

漏風と局部的な圧力損失

主要通気の空気が、すべて目的の作業箇所へ届くとは限りません。損傷した風門や隔壁、不完全な密閉、風管継手、意図しない開口などに空気が流出する場合があります。一方、絞り、急な断面変化、曲がり、分岐、金網、消音器、異径接続部などは圧力損失を生じます。漏風は風量の流れる先を変え、摩擦や局部抵抗はエネルギーを失わせる現象であり、両者は区別します。

システムの評価では、次の風量を分けて把握します。

• 坑内へ入る風量

• 各区域へ到達する風量

• 稼働中の各作業箇所へ到達する風量

• 送気用風管の吹出口で供給される風量、または吸込用風管の吸込口で取り込む風量

• 所定の排気系統を通って排出される風量

システム全体の初期検討で定めた必要風量、圧力、運転範囲、設置条件を整理したうえで、鉱山用ファンの選定ページで扇風機の形式、機種、性能曲線、電動機、制御方法を比較します。その後、選定機の特性と実際の設置条件を通気網の計算に反映し、必要に応じて前提を見直します。

入気・作業区域・排気の経路を計画する

汚染の少ない区域から発生源へ空気を流す

坑内配置が許す限り、新鮮な空気は人のいる区域や汚染の少ない区域を先に通り、その後でガス、粉じん、ディーゼル排気、発破後ガス、熱などが生じる場所へ流れるようにします。汚染された空気は排気系統へ導き、別の作業箇所の通気に再利用しないことが基本です。これにより二次的なばく露を抑え、異常な状態も発見しやすくなります。

有人作業箇所を直列に通気する配置は、当然に認められるものではありません。適用要件を満たし通気計画に含める場合でも、下流区域に伝わる汚染物質、熱、煙、非常時の影響を個別に評価します。上流で発生した火災やガス湧出が下流区域を危険にさらす可能性があります。直列抵抗を計算できることと、実際の操業でその配置を採用できることは別です。

短絡通気と循環風を防ぐ

短絡通気とは、入気が意図しない低抵抗の経路を通って排気側へ抜け、目的の作業区域を通らない状態です。循環風は、排気の一部が新鮮な入気や局部通気の吸込み側へ戻る再循環です。いずれも扇風機の総風量が大きいまま、切羽への新鮮な空気の供給が不足する原因になります。

代表的な原因は次のとおりです。

• 開放されたまま、または損傷した風門

• 通気隔壁や密閉箇所の周囲からの漏風

• 十分な新鮮な空気がない場所への局部通気設備の設置

• 汚染空気の排出箇所と局部通気の新鮮な空気取入口の不十分な分離

• 不適切な位置や設定の風量調整装置

• 入気坑道と排気坑道の間に新たにできた連絡経路

• 枝路の圧力関係を変える扇風機の運転変更

通気施設を計画に沿って運用・維持する

通気隔壁、風門、風量調整装置、上下に分離した交差通気施設、密閉、遮断壁などは、気流を導き、互いに分離します。設計だけでなく、実際の状態も重要です。隔壁の損傷や風門の開放は離れた場所の風量配分まで変えることがあるため、点検し、通気系統図で位置を特定できるようにして、変更管理の対象に含めます。

風量調整装置の操作には注意が必要です。枝路抵抗を増やすと、その枝路の風量を減らし、別の経路への配分を変えられます。ただし、結果は通気網全体と各扇風機の運転点によって決まり、総風量が新たに生じるわけではありません。大きな設定変更は通気網全体で評価し、測定で確認します。絞りを閉じれば目的区域の通気が必ず改善するとは限りません。

将来の坑内展開を織り込む

掘進の進行、採掘区域の開設・閉鎖、運搬経路の変更、排気経路の延伸によって通気網は変わります。現在の採掘段階では十分でも、新しいレベルの接続や風管の延長によって風量が不足する場合があります。

少なくとも、次の条件を通気計画で検討します。

• 現在の坑内配置と操業状態

• 次の開発・掘進・採掘段階

• 想定される最長の入気・排気経路

• 今後のディーゼル機器・電動機器の導入と配置

• 深部で予想される岩盤温度や湧水の条件

• 計画中の坑道閉鎖、密閉、通気経路の変更

• 通常操業、減産、発破、保守、非常時それぞれの状態

掘進切羽と行き止まりの坑道の局部通気

局部通気は、掘進の進行に合わせて見直す必要があります。風管を延長すると通気抵抗が増し、漏風が生じる可能性のある継手も増えます。ただし、圧力損失と漏風では、風量に影響する仕組みが異なります。ここでいう風管は坑道内に設置する通風用の管で、可とう性のあるものや剛性のあるものがあります。坑道そのものを指す言葉ではありません。

摩擦や狭窄部は、所定の風量を流すために必要な圧力を増加させます。回転数と羽根角度が一定であれば、抵抗の変化によって扇風機の性能曲線と通気網の抵抗曲線との交点、すなわち運転点が変わります。摩擦によって、漏風のない風管内の空気そのものが減るわけではありません。漏風がなければ質量流量は保存されますが、空気密度が変わる場合には、測定される体積流量は異なることがあります。

漏風は、扇風機を通過する風量と、切羽へ供給する風量または切羽付近から吸引する風量との関係を変えます。押込式では、空気の一部が風管末端に達する前に継手や損傷部から漏れ出ます。吸出し式では、坑道内の空気が漏れ箇所から風管に入り、扇風機を通過する風量が切羽で吸引する風量より多くなることがあります。循環風はこれとは別の問題で、扇風機の総風量が大きくても、切羽に届く新鮮な入気の量を減らすおそれがあります。

局部通気の点検では、次の項目を一体として確認します。

• 主要通気網から局部通気系統へ供給できる新鮮な入気の風量

• 入気経路・排気経路に対する扇風機と排気口の位置

• 風管の直径、長さ、材質、継手、曲がり、損傷の状態

• 送気用風管の吹出口または吸込用風管の吸込口から切羽までの距離

• 扇風機の銘板上の風量だけでなく、送気用風管の吹出口または吸込用風管の吸込口における実測風量

• 風管の外側を通り、局部通気の入気側と排気側をつなぐ坑道内の経路

• 粉じん、ガス、熱、発破後ガスの発生・滞留状況

• 機器の移動と風管延長が通気に与える影響

• 安全インターロック、警報、通気の停止・不足時の対応

押込式の風管内部は、一般に周囲の坑道内の空気に対して正圧になります。吸出し式では風管内部が周囲より低圧になるため、その差圧で風管がつぶれない構造が必要です。押込・吸出を組み合わせる方式が有効な場合もありますが、風量と風管位置を相互に調整しなければなりません。電動機の回転方向を逆にするだけで、押込式設備が適切な吸出し式設備になるわけではありません。扇風機の空力特性、風管構造、吸込・吹出側の接続、制御、排気経路のすべてが、予定する用途に適合している必要があります。

機器と風管の組合せについては、局部通気用扇風機（鉱山用補助送風機）のページで説明しています。切羽からの距離や設置条件は、鉱山の計画と適用される基準に基づいて定めます。

坑内通気で対処すべき主な課題

坑内ガスと発破後ガス

ガスの危険性は鉱床や採掘方法によって異なります。多くの炭鉱ではメタンが重要な管理対象ですが、金属・非金属鉱山でも発破後ガス、一酸化炭素、窒素酸化物、硫黄化合物、ラドン、工程から発生するガスなどが問題になる場合があります。通気計画では、想定される発生源と発生量、監視位置、警報設定、ガスの希釈・排出条件、作業区域への再立入りの手順を明確にします。

発破後に扇風機を再起動しただけでは、作業場所の安全は確認できません。必要な排煙・ガス排出時間は、発生量と発生位置、利用できる風量、排気経路までの距離、空気が滞留する部分、風管の状態によって変わります。再立入りと作業再開は、鉱山の手順と必要な坑内空気の測定結果に基づいて判断し、単に一定時間が経過したことや羽根が回っていることだけを根拠にしてはいけません。

ディーゼル排気粒子とガス状成分

ディーゼル機器の排気には、ディーゼル排気粒子（DPM）に加え、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素酸化物、硫黄化合物、炭化水素などが含まれます。使用が認められる鉱山では、発生源での排出低減と作業者のばく露低減を組み合わせて管理します。通気はその一部であり、発生源対策の代わりにはなりません。ばく露評価の一般的な考え方として、対象物質、作業内容・位置・時間、測定方法を対応させて検討します。JNIOSHの研究紹介は、この測定・評価の背景資料です。^[9]

DPM対策では、例えば次の措置を組み合わせます。

• 排気を希釈し、所定の排気経路へ運ぶための風量の確保

• 排出量の少ないディーゼルエンジンと、機器に適合する燃料の使用

• 計画的な整備と排出状態の点検・測定

• 用途に適合するディーゼル微粒子捕集フィルターなどの排気後処理

• 坑内交通の管理と不要なアイドリングの抑制

• 機器の使用計画と、同一区域で同時に稼働させる台数の管理

• 作業者のばく露測定と坑内空気の監視

風量を増やすと汚染物質の濃度が下がる場合がありますが、消費電力が増え、整備不良のエンジンによる過剰な排出は残ることがあります。通気と発生源対策は連携させて検討します。また、DPMの評価では、どの成分・指標を測定し、どの方法と基準で評価するのかを明示します。エンジン出力から必要風量を推定するだけでは、実際のばく露評価を代替できません。

粉じんの抑制と集じん

通気は浮遊粉じんの希釈と搬出に役立ちますが、発生源で自動的に捕集するものではありません。風速が過大になると、堆積した粉じんを再び舞い上げることがあります。切削、穿孔、破砕、積込み、積替え、吹付けコンクリートの施工などでは、全体の通気に加えて、散水、発生源の囲い込み、湿式集じん、局所排気などを検討します。

発生源で捕集・処理する場合は、吸引風量、フードの位置、配管抵抗、給排水やろ過設備、最終的な排気先を、一つの発生源対策システムとして設計します。関連機器は鉱山用集じん・粉じん排気設備の案内を参照してください。局所的な粉じん吸引と、掘進切羽全体の局部通気は同じ役割ではありません。日本の鉱山保安情報にも粉じん作業環境の改善事例がまとめられていますが、各事例の対策は発生源と作業条件に合わせて検討する必要があります。^[8]

深部鉱山の熱と湿度

坑内の熱負荷は、周囲の岩盤、高温の湧水、入気立坑を下降する空気の圧縮による昇温、ディーゼル機器、電動機、その他の電気設備、発破、人の活動などから生じます。通気は重要な対策ですが、冷却設備が必要になる場合もあります。1989年の菱刈鉱山に関する報告では、高温の岩盤や湧水に対し、通気の改善と冷水による局所冷却などを組み合わせています。これは当時の対策を示す事例であり、現在の設備構成や他鉱山の設計値を示すものではありません。^[6]

風量の増加だけで熱問題が解決するとは限りません。入気がすでに高温・多湿であれば、追加風量による冷却効果は限られます。また、風速が高すぎると粉じんの再飛散や通行・作業上の支障が生じることがあります。熱環境の評価では、必要に応じて次の項目を検討します。

• 乾球温度・湿球温度と、採用する暑熱評価指標に必要な測定項目

• 湿度と、入気経路への湧水・流入水

• 岩盤と湧水からの熱

• 機器と発破による発熱

• 通気経路の長さと、深さに伴う空気の圧縮・昇温

• 局所冷却または集中冷却による入気・坑内空気の冷却

• 作業と休憩の組合せ、暑熱ばく露を抑える作業管理

生産状況と必要風量の変化

必要風量は、機器や作業者の移動、採掘区域の変更、発破、掘進の進行に伴って変化します。固定した設定のままでは、休止区域に過剰な風量を送りながら、稼働中の切羽が通気不足になることがあります。一方、信頼できる情報なしに風量を下げると、必要な安全余裕を失うおそれがあります。

このため、通常時と異常時の運転状態、必要な最小風量、測定・監視項目、風門や調量設備の設定・扇風機運転を変更できる担当者と権限を明確にします。作業が行われていない区域であっても、直ちに通気が不要になるわけではありません。

エネルギー消費と通気システムの効率

坑内通気は、継続して電力を必要とする主要設備の一つです。ただし、鉱山全体に占める電力消費の割合は、深さ、通気網、気候、採掘方法、冷却設備、機器構成によって変わります。通気動力の削減は、扇風機の設定だけでなく、必要風量と通気抵抗の配分を含めて評価します。日本の通気網最適化研究でも、扇風機の特性と抵抗調節を組み合わせた検討が行われていますが、個別の計算結果を他鉱山の省エネ率として流用することはできません。^[4]

システム全体の効率は、扇風機単体の効率だけでは決まりません。余分なエネルギー消費につながる要因には、次のようなものがあります。

• 抵抗の大きい入気・排気経路

• 不要な絞りや狭窄部

• 風門、遮断壁、密閉部、風管からの漏風

• 地上の扇風機設備における不適切な吸込・吹出側の接続

• 必要量を超えて休止区域へ供給する風量

• 運転条件に合わない制御設定

• 必要な風量・圧力に適合しない扇風機の運転

通気測定と継続監視

設計や計算モデルは、坑内測定との照合を経るまでは予測です。通気測定では、特定の通気網構成における実際の風量配分と圧力関係を把握します。継続監視は、その測定と次の測定の間に生じる重要な状態変化を補足します。

何を測定するか

風速と坑道断面積。両者から枝路や作業場所の風量を求めます。風量配分の確認、不足箇所の把握、通気網モデルの更新に使用します。断面内の代表的な平均風速を得る方法も明確にします。

圧力。静圧か全圧かを記録し、差圧を測る場合は二つの測定位置と各位置での圧力の定義を示します。風量と整合の取れた圧力データは、運転点の確認や、狭窄、漏風、調量設定の変化を調べる手掛かりになります。

ガス・汚染物質の濃度。確認した危険性に適した測定器と試料採取方法を使用します。結果は坑内空気と作業者のばく露の評価、警報、機器の安全制御、作業区域への再立入り条件の判断に用います。

温度と湿度。熱環境と冷却効果を評価するために測定します。作業場所や運転状態を比較し、深さ、季節変動、冷却設備の性能変化による影響を区別します。

扇風機の運転状態。運転・停止、回転数、軸動力または入力電力、振動、軸受温度などを記録します。動力・電力の値には、扇風機の軸か電気系統の入力側かなど、測定位置を明示します。これらの情報を通気網の変化と対応させ、機器の劣化や故障との関係を確認します。

風門・調量設備などの状態。実際の開閉状態や設定が通気計画と一致するかを確認します。扇風機が同じ運転を続けていても、調量設備の変更が枝路風量の予想外の変化につながることがあります。

日本原子力研究開発機構の瑞浪超深地層研究所に関する技術資料では、地下施設の施工に伴う通気計画と、温度、湿度、気圧、酸素、メタンなどの監視が説明されています。これは地下研究施設の事例であり、操業鉱山の実績や標準的な測定頻度を示すものではありません。鉱山で使用する測定器、位置、警報設定、測定間隔は、当該鉱山の危険性と通気計画、適用される保安上の要求に基づいて決めます。^[7]

測定の信頼性を確保する

測定誤差の要因には、不適切な測定位置、不正確な断面積、曲がりや風門付近の乱れ、校正状態が確認できない測定器、断面内の測定点不足、通気網構成を記録しないままの測定などがあります。記録には、日時、位置、断面、測定方法、使用機器、運転状態、近傍の風門や障害物を含めます。測定器の校正と、実測に合わせて通気網モデルを調整する作業は別のものです。

通気網モデルと実際の坑内状態を照合する

実測風量と計算値が一致しないとき、扇風機の圧力を上げることが適切な対応とは限りません。例えば、次の原因を確認します。

• 坑道や枝路の抵抗の見積り誤り

• モデルで想定した状態と異なる風門の開閉や調量設定

• 遮断壁を通じた漏風、または旧坑への漏風

• 狭窄や損傷のある通気経路

• 風管の漏れや継手の損傷

• モデルにまだ反映していない新たな坑道接続

• 想定とは異なる扇風機や制御設備の運転状態

通気網モデルは実測に合わせて調整し、坑内の配置や接続が大きく変わった後には更新します。温度・湿度まで扱う場合は、空気密度や熱・水分の条件も整合させます。日本で報告された通気網解析にも、風量計算と温度・湿度予測を組み合わせる方法がありますが、他鉱山の入力値をそのまま使うことはできません。^[5]

異常の兆候と最初の確認項目

以下は原因を調べるための手掛かりであり、原因を断定するものではありません。点検は鉱山の手順に従い、通気網の構成を記録したうえで行います。圧力と風量を比較する際は、扇風機の設定、測定位置、空気密度の条件をそろえます。

扇風機は正常に見えるが、切羽の通気が悪化する。

風管の漏れ、継手の損傷、延長、つぶれ、狭窄、末端の位置不良などで、切羽へ供給する風量、または切羽付近から吸引する風量が減ることがあります。循環風があると、扇風機で測る風量が大きくても、新鮮な入気の供給が不足します。

同じ運転状態で、扇風機の風量と、送気用風管の吹出口または吸込用風管の吸込口の風量を比較します。風管を点検し、局部的な入気から排気までの経路を確認します。吸引される空気の全量を、新鮮な入気とみなしてはいけません。

扇風機の運転を変更していないのに、ある枝路の風量が減る。

風門や調量設備の状態変化、遮断壁の損傷、新たな坑道接続、通気経路の障害物などで、圧力と風量の配分が変わることがあります。原因があるのは当該作業場所ではなく、接続する別の枝路かもしれません。

風門・調量設備の状態と通気経路を確認し、風量と圧力を再測定します。実際の構成を、現時点で使用している通気計画図と照合します。

扇風機の圧力が上がり、風量が下がる。

扇風機の設定が変わらず、性能曲線上の安定した領域で運転している場合は、通気抵抗の増加が考えられます。風管のつぶれ、防護格子の詰まり、接続部の損傷、坑道断面の縮小などが候補になります。

扇風機の設定、圧力の定義、測定位置を確認します。経路に沿った圧力を比較し、損失が増えた部分を点検します。

扇風機の風量が予想外に増え、圧力が下がる。

比較可能な運転条件であれば、風門の開放、大きな漏風、新たな入気・排気間の短絡によって、系統の等価抵抗が低下した可能性があります。その場合、作業場所に届く有効な風量が増えているとは限りません。

風量収支を確認し、風門、遮断壁、密閉部、調量設備、新たな接続を点検します。増えた空気が実際にどの経路を流れているかを把握します。

採掘区域の移動後、ガス・DPM濃度や温度が上昇する。

作業箇所の移動に伴って区域ごとの必要風量が変わったのに、風量配分や制御設定が追随していない可能性があります。機器の稼働計画、枝路風量、測定の質、測定位置の変化も確認します。

作業と機器の実際の位置を確認し、測定器や試料採取結果を点検したうえで、影響を受けた区域の風量を測定します。

計算風量と実測風量の大きな差が続く。

坑道形状や抵抗の誤り、記録されていない風門状態や接続、漏風、不適切な測定位置、異なる運転状態のデータを比較していることなどが考えられます。

通気網の構成を記録して再測定し、計画図と実際の坑道を照合します。そのうえでモデルを再調整し、扇風機に求める運転条件や設定を変更すべきか判断します。

オンデマンド通気と適応制御

オンデマンド通気（VoD）は、制御できる設備を常に同じ設定で運転するのではなく、実際の作業と環境条件に応じて風量を調整する考え方です。入力情報には、生産計画、車両・作業者の位置、ガス濃度、温度、枝路風量、圧力、風門の状態、機器の運転情報などがあります。

導入は、例えば次のような段階に分けて検討できます。

1. 時間帯による制御：交替勤務、発破、保守、作業休止時間などに合わせた設定を使用します。

2. 作業・機器の移動に連動した制御：車両が区域に入ったときや作業を開始したときに、必要な風量へ調整します。

3. 測定値に基づくフィードバック制御：実測したガス濃度、温度、圧力、風量を使って設定を調整します。

4. 通気網全体での協調制御：扇風機、調量設備、風門、区域ごとの設定を相互に整合させます。

効果の検証では、制御指令を変更したことだけでなく、坑内で実際に必要風量が確保されたことと、電力使用量がどう変化したかを確認します。導入前後は、生産量、作業時間、稼働機器、気象・冷却条件などを考慮して比較します。計算上の削減量は、実測で確認された省エネ実績と同じではありません。効果は需要変動、通気網の制御性、センサー・通信の信頼性、試運転・調整、従来の運転方法によって異なります。

VoDは、区域が休止しているように見えるという理由だけで風量を下げたり、扇風機を停止したりする根拠にはなりません。ガス発生、熱、火災、再立入りなどに対して必要な条件を維持するため、次の事項が必要です。

• 最小風量と安全上の制約条件の明確化

• センサー位置の妥当性確認と測定器の校正

• センサーや通信が故障した場合に移行する安全な運転状態の設定

• インターロック、警報とその対応手順

• 接続する枝路への影響も扱う通気網モデル、または検証済みの制御ロジック

• 手動操作への切替え権限と手順

• 指令した風量変更が坑内で実際に生じたことの測定による確認

通気設備の停止・故障への備えと変更管理

扇風機の保護装置作動による停止、停電、火災、通気設備の損傷、調量設定の変更、新たな坑道の接続、局部通気用風管の破損などにより、坑内気流は短時間で変わることがあります。影響は、異常が発生した区域以外にも及びます。

鉱山ごとの対応計画では、少なくとも次の事項を検討します。

• 主要扇風機、増圧用扇風機、局部扇風機の停止

• 電源、制御、センサー、通信の機能喪失

• 圧力不足や風量不足の警報

• ガス、煙、温度、その他の汚染物質に関する警報

• 影響を受ける区域にいる作業者の退避と、手順に従った機器の停止・エネルギー源の遮断

• 機器の再起動に関する制限と確認条件

• 再立入り前の点検と坑内空気の測定

• 必要な確認・承認を経た仮設の通気設備と運用方法

• 変更内容の記録、原因調査、変更の承認手続

日本国内の鉱山では、鉱山保安法、その施行規則、鉱業上使用する工作物等の技術基準を定める省令などを、対象となる設備・作業と照合して確認します。通気の変更や運転・停止の手順は、当該鉱山の保安規程や管理体制との整合も必要です。個別設備に求められる届出・承認等は別途確認し、本記事の一般的なチェック項目だけで適法性を判断してはいけません。日本の法令を国外の鉱山へ自動的に適用することもできません。^[1]

坑内通気を評価する実務上の手順

1. 開発・採掘の段階と運転シナリオを整理する。現在の坑道、今後の掘進、採掘区域、機器の使用計画、発破周期、保守時の状態、将来の拡張を確認します。

2. 危険性と必要風量を決める条件を把握する。ガス、DPM、粉じん、発破後ガス、熱、湿度、火災、工程由来の排出を整理します。適用される最小風量・風速、ばく露評価の基準、鉱山固有の条件を確認します。

3. 通気網を図面と台帳にまとめる。入気・排気口、枝路間の接続、風門・調量設備、局部通気系統、密閉部、漏風経路、扇風機、測定点を記録します。

4. 現状を測定する。運転状態を把握したうえで、風量、圧力、坑内空気、温度・湿度を測定します。局部通気では、方式に応じて送気用風管の吹出口での供給風量、または吸込用風管の吸込口での吸引風量を確認します。

5. 通気網モデルを作成・更新する。実測した圧力と風量から枝路抵抗を推定し、測定値に合うようモデルを調整します。設計図面や仮定した粗さだけに依存しないことが重要です。

6. 改善案を比較する。坑道断面の改善、漏風対策、並列経路、調量設定、採掘順序、扇風機の設定、将来の開発段階を比較します。漏風、拡張、測定・予測の不確かさに対する余裕は、その根拠を記録し、理由のない割合を重ねて加算しないようにします。

7. 初期の運転範囲を定めて機器を比較する。必要風量が最小・通常・最大となる各状態について、対応する風量と圧力の組を示し、空気密度、設置、制御、停止・故障時の対応を整理します。扇風機候補の比較後、採用する性能曲線と設置条件を用いて通気網を再確認します。

8. 試運転と性能確認を行う。設置後の機能と性能を、現地測定、警報試験、制御確認で検証します。必要に応じて工場・現地の受入れ試験も行い、試験方法、許容差、適用する規格の版を契約・試験計画で明確にします。製造工程の関連情報については、鉱山用送風機の製造と品質管理のページをご覧ください。

9. 保守と見直しを継続する。通気網に重要な変更があれば計画図とモデルを更新し、測定値の推移を比較します。風門・調量設備・風管を点検し、説明できない差異の原因を調べます。

鉱種によって異なる通気計画の重点

坑内採掘の炭鉱。メタン、炭じん、自然発熱・自然発火、着火源の管理が大きな影響を持つ場合があります。気流の分離、監視、使用機器の適合性、扇風機の運転、循環風の防止は、当該鉱山に適用される要求に従って計画します。

坑内採掘の金属鉱山。ディーゼル排気、発破後ガス、シリカや鉱石を含む粉じん、深部の熱が主な課題となることがあります。長い斜坑・運搬経路や分散した採掘区域では、通気抵抗、機器の使用計画、掘進切羽の局部通気、次の採掘レベルの計画が重要です。

坑内採掘の非金属鉱山。ディーゼル排気、粉じん、発破後ガスへの対応は同様に重要です。大断面の地下空間や鉱柱を残す採掘方式では、作業区域への風量配分、短絡通気の防止、機器稼働に合う風量の確保、採掘区域の変化に応じた枝路測定を重視します。

これは一般的な比較です。最終的な通気計画は、地質、採掘方法、深さ、適用法令、現地で確認した危険性によって決まります。採掘する鉱物の名称だけで、可燃性ガスなどの危険がないと判断することはできません。

参考資料の役割も区別する必要があります。日本の法令案内は国内の保安上の確認に、用語資料は日本語の鉱業用語の理解に、鉱山・地下施設の報告はその条件下での技術検討に用います。例えば、浅部の地下採石空間で自然通気の季節変動を扱った研究は、大きな地下空間の通気を考える参考にはなりますが、炭鉱や深部金属鉱山の運転条件を一律に定めるものではありません。^[10]

通気システムの検討に必要なプロジェクト情報

初期検討を具体的に進めるため、次のうち把握できている情報をお知らせください。

• 採掘レベル、立坑、坑口、斜坑、通気用の切上り、主要坑道を含む現状図と将来計画図

• 入気・排気経路の位置と、予定する気流方向

• 通気経路の断面、長さ、状態、主要な狭窄部

• 現在および将来の操業で、必要風量が最小・通常・最大となる各状態に対応する風量・圧力の組合せ

• 主要測定点と稼働中の作業場所で測定した風量・圧力、その測定位置と運転状態

• 風量が実際の状態での値か基準状態に換算した値か、圧力が静圧か全圧か、差圧なら比較した二つの位置

• 計算、扇風機の性能曲線、受入れ試験で用いる空気密度または基準状態

• 鉱山の深さ、標高、温度、湿度、湧水の条件

• 採掘方法、掘進計画、将来の拡張段階

• ディーゼル機器の種類、出力、台数、配置、稼働時間

• ガス、粉じん、DPM、発破後ガス、熱、工程からの排出に関する危険性

• 局部通気用風管の直径、材質、長さ、曲がり、漏風状態、切羽の必要風量

• 既設扇風機の銘板データ、利用できる性能曲線、回転数・羽根角度、実測運転データ、制御方式、常用・予備機の構成

• 電源電圧・周波数、始動・回転数制御の方式、必要な制御インターフェース

• 風門、調量設備、遮断壁、密閉部、漏風経路などの通気設備

• 監視点、警報設定値、利用できる測定履歴

• 適用法令、鉱山の通気計画、機器・設備の受入れ基準

情報がそろっていなくても初回の技術相談は可能ですが、風量と圧力に関する提案の精度には限界があります。一般に、枝路ごとの実測値と最新の通気計画図は、電動機出力や扇風機直径だけの情報よりも有用です。

坑内通気に関するよくある質問

坑内通気システムと鉱山用扇風機は何が違いますか？

通気システムは、入気・排気経路、坑道、風門・調量設備、風管、測定・監視、運転手順、扇風機を含む全体です。扇風機は、この通気網に空気を流すための圧力差をつくる機器です。まずシステム側の必要条件を整理し、その後、選定した機器と設置条件が適合するかを確認します。

主要通気と局部通気は何が違いますか？

主要通気は、鉱山の主要な入気経路から排気経路へ空気を流します。局部通気は、行き止まりの坑道や入気側から排気側へ通り抜ける気流が十分に得られない区域を対象にし、主要通気網から新鮮な入気を受けて機能します。吸出し式の場合も、風管の外側を通る新鮮な空気が切羽に届く経路を確保しなければなりません。通気網内の圧力を補う増圧用扇風機とは、役割が異なります。

切羽の風量が扇風機の風量より少なくなるのはなぜですか？

押込式では漏風によって風管末端に届く風量が減ります。吸出し式では、風管の漏れ箇所から坑道内の空気が入り、扇風機の風量が切羽の吸引風量を上回ることがあります。摩擦や狭窄は運転点を変えますが、漏風のない風管から空気そのものが失われるわけではありません。循環風があると、総風量が減らなくても新鮮な入気が不足します。測定位置を明確にし、空気密度の条件をそろえて比較してください。

回転数を上げれば、風量不足は必ず解決しますか？

必ずしも解決しません。坑道の狭窄、通気設備の損傷、漏風、短絡通気、循環風、不適切な風量配分、風管の不具合が原因であれば、圧力を上げても必要な場所に十分な空気が届かず、動力や騒音だけが増える場合があります。先に不足の原因を確認することが重要です。

坑内の通気測定はどのくらいの頻度で行いますか？

頻度は、適用法令、鉱山の種類、危険性、通気計画、坑内条件の変化の速さによって決まります。定期測定に加え、大きな通気網変更、予想外の測定結果、扇風機や調量設定の変更、新たな接続、掘進の進行に応じて追加測定を検討します。他国や条件の異なる鉱山の間隔を、そのまま採用してはいけません。

深部鉱山の熱は、通気だけで管理できますか？

通気だけで十分な場合もありますが、岩盤・高温湧水・機器からの熱に、下降する空気の圧縮に伴う温度上昇が加わると、現在の通気だけでは必要な温熱条件を保てない場合があります。湿度も作業者の熱放散と熱環境に影響します。局所冷却、冷水、冷凍設備、排水の改善、集中冷却などを、暑熱対策と併せて検討します。

炭鉱と金属鉱山に同じ通気計画を使えますか？

すべての鉱山に共通して使える計画はありません。炭鉱ではメタン、炭じん、自然発熱・自然発火、使用機器の適合性が重点になる場合があります。金属・非金属鉱山では、DPM、発破後ガス、シリカや鉱石の粉じん、深部の熱、長く分散した坑道への通気が重要になります。実際の危険性と適用される要求に沿って設計する必要があります。

まとめ

有効な坑内通気は、扇風機の総風量ではなく、必要な空気が各作業区域に届いているかで評価します。必要風量を整理し、通気網を測定・モデル化し、避けられる抵抗や漏風を減らして、必要な風量・圧力の範囲を定めます。そのうえで機器を選定・調整し、選んだ扇風機と設置条件に照らして通気網を再確認します。通気網の設計と扇風機の選定は、関連するものの同一の作業ではありません。