Invloed van defectvorm op kruipgedrag en schade-evolutie in steenkoolgesteente met een verbeterd model

Verborgen zwakke plekken in ondergronds gesteente

Diep onder de grond vervormt het gesteente rond tunnels en kolenmijnen langzaam onder enorme druk. Kleine onvolkomenheden zoals holten en scheuren lijken onbeduidend, maar kunnen in de loop der jaren groeien en ernstige instortingen of faalverschijnselen in toegangswegen veroorzaken. Deze studie onderzoekt hoe de eenvoudige vorm van een holte in steenkoolhoudend gesteente de manier kan veranderen waarop dat gesteente langzaam kruipt, scheurt en uiteindelijk faalt — een vraag die van belang is voor de langetermijnveiligheid van mijnen, bergingscavernes en andere ondergrondse constructies.

Waarom de vorm van een holte ertoe doet

Ingenieurs weten al lang dat defecten gesteente verzwakken, maar het merendeel van het onderzoek heeft gesteente behandeld als óf ongeschonden óf op een algemene manier beschadigd. In werkelijkheid bevat steenkool en het omringende gesteente diverse holten die ontstaan door natuurlijke processen of ontgraving, van scherphoekkige spleten tot gladde, afgeronde openingen. De auteurs realiseerden zich dat deze vormen spanning kunnen concentreren en scheurgroei over tijd heel verschillend kunnen sturen, vooral onder de langzame, constante belasting die bekendstaat als kruip. Om dit gedrag in detail vast te leggen, combineerden zij laboratoriumgegevens met geavanceerde computersimulaties die bijhouden hoe kleine verbindingen tussen gesteentekorrels breken en verschuiven terwijl het gesteente vervormt.

Een beter digitaal gesteente opbouwen

In plaats van het gesteente als een uniforme blok te modelleren, gaven de onderzoekers steenkoolgesteente weer als een samenstelling van kleine deeltjes die aan elkaar verbonden zijn. Ze gebruikten een "parallel bond"-kader om na te bootsen hoe korrels krachten delen en buiging weerstaan, en koppelden dit vervolgens aan een Kelvin–Voigt visco-elastisch model — in essentie veren en dempers die tijdsafhankelijke, kruipende vervorming representeren. Deze elementen werden bijgesteld door proef en fout totdat de gesimuleerde vervorming-tijd-curven overeenkwamen met echte biaxiale kruipproeven op steenkoolproeven. Eenmaal gekalibreerd, kon het model niet alleen reproduceren hoe het gesteente onder stapsgewijze belasting vervormde, maar ook waar en wanneer scheuren verschenen en hoe ze zich verbonden tot grote breuken.

Verschillende holten op de proef stellen

Met het digitale materiaal gereed maakte het team zes virtuele steenkoolmonsters: één intact en vijf met holten van bijna identieke oppervlakte maar met verschillende vormen — rechthoekig, trapeziumvormig, omgekeerd U‑vormig, vierkant en cirkelvormig. Elk proefstuk was 50 mm breed en 100 mm hoog, en werd in stappen belast tot 15 megapascal terwijl de simulaties spanning, rek en het aantal opkomende scheuren registreerden. Alle defecten verzwakten het gesteente vergeleken met het intacte geval, maar niet in gelijke mate. Rechthoekige openingen veroorzaakten de grootste daling in faalspanning, terwijl vierkante openingen leidden tot de grootste vermindering in hoeveel het gesteente kon rekken vóór falen. Omgekeerd U‑vormige holten verminderden het effectieve stijfheidsniveau bij falen het sterkst. Monsters met de breedste holten, zoals de rechthoekige en omgekeerd U‑vormige, bleken het meest samendrukbaar, wat benadrukt dat bij holten met dezelfde oppervlakte de breedte sterk bepaalt hoe gemakkelijk het gesteente wordt samengedrukt en beschadigd.

Spanningspatronen en scheurtrajecten

De simulaties toonden ook hoe spanningsvelden zich vormen en hoe scheuren zich voortplanten rond elk type holte. In monsters met rechthoekige, trapeziumvormige, omgekeerd U‑ en vierkante holten begonnen zones met hoge spanning niet bij de randen van de holte. In plaats daarvan verschenen ze eerst in het omringende gesteente en groeiden vervolgens terug naar de holte, uiteindelijk verbindend met die holte en complexe, laterale banden van hoge spanning vormend. Scheuren begonnen vaak in deze buitenzones, liepen naar de holte toe en strekten zich dan uit naar de randen van het monster en weer naar binnen, waardoor gemengde trek–schuif breuknetwerken ontstonden. Daarentegen produceerde de ronde holte een symmetrisch spanningspatroon, met hoge spanningszones die zich direct aan tegenovergestelde zijden van de opening ontwikkelden. Scheuren omwikkelden vervolgens de holte op een meer uniforme manier, wat leidde tot een globale schuifband die door het gehele monster sneed.

Wat dit betekent voor ondergrondse veiligheid

Voor niet‑specialisten is de belangrijkste boodschap dat niet alle holten in gesteente gelijk zijn. Zelfs als ze dezelfde grootte hebben, concentreren holten met scherpe hoeken en brede, platte zijden — zoals rechthoeken en omgekeerd U‑vormen — spanning op manieren die vroegtijdig, gelokaliseerd schuiffalen en hoge samendrukbaarheid bevorderen. Gladdere, ronde holten verdelen spanning meer gelijkmatig en neigen tot falen in een meer globale schuifmodus bij hogere belastingen. Door te tonen hoe defectgeometrie kruipsterkte, verlies van stijfheid en scheurevolutie bepaalt, biedt de studie praktische aanwijzingen voor het ontwerpen van veiligere kolompijlers, toegangswegen en andere diepe mijnondersteuningen: voorkom het creëren van brede, scherpgerande openingen en beschouw bestaande holten als risicovolle zones voor langdurige vervorming en falen.

Bronvermelding: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

Trefwoorden: kruip van steenkoolgesteente, defectgeometrie, ondergrondse stabiliteit, scheurontwikkeling, numerieke gesteentemodellering