Studie over het mechanisme en preventietechnieken van dynamische rampen in bijna verticale extreem dikke steenkoollagen

Waarom diep steenkoolmijnen plots gevaarlijk kunnen worden

Nu de wereld nog steeds op steenkool vertrouwt voor energie en industrie, moeten mijnbedrijven steeds dieper graven in moeilijker wordende geologie. In delen van West-China staan sommige van de dikste steenkoollagen vrijwel rechtop, als boeken op een plank. Het delven van deze bijna verticale lagen heeft geleid tot gewelddadige ondergrondse “dynamische rampen” — plotselinge rotsinstortingen en rotsuitbarstingen die apparatuur beschadigen en het leven van mijnwerkers in gevaar brengen. Deze studie onderzoekt een dergelijke mijn, de Wudong-mijn in Xinjiang, om te begrijpen waarom deze rampen optreden en hoe ze kunnen worden voorkomen.

Steenkoollagen die op hun kant staan

In de meeste gedachten liggen kolenlagen min of meer vlak ondergronds. In Wudong daarentegen zijn de hoofdlagen 28 en 40 meter dik en hellen ze ongeveer 85–87 graden, bijna verticaal. Tussen hen in bevindt zich een massieve rotswand, een zogenaamde rotszuil. Terwijl mijnwerkers horizontale plakken steenkool winnen op verschillende niveaus, blijven grote lege ruimtes (gaten) achter. In zulke steile lagen werkt de zwaartekracht zijwaarts en omlaag, wat ongebruikelijke spanningen op het dak, de vloer en de centrale rotszuil veroorzaakt. Eerdere ongevallen in dit gebied — meerdere energievolle rotsuitbarstingen gerelateerd aan de zuil en het dak — toonden aan dat deze structuren enorme hoeveelheden energie kunnen opslaan en plotseling kunnen vrijgeven.

Hoe rotszuilen en daken verborgen energie opslaan

De onderzoekers combineerden wiskundige modellering, laboratoriumtesten op rotsmonsters, ondergrondse metingen en schaalmodellen om te volgen hoe het gesteente vervormt naarmate de winning vordert. Ze vonden dat zodra de steenkool rondom de zuil is verwijderd, deze zich gedraagt als een gigantische konsolenbalk, die langzaam naar een van de uitgegraven holten buigt. Dit buigen en roteren knijpt en wringt in de achtergebleven steenkool, waardoor vervormingsenergie wordt opgebouwd in zowel de zuil als de kolen. Berekeningen lieten zien dat de eerste scheurvorming in de zuil begint wanneer ongeveer 150 meter wordt blootgelegd, en dat grootschalig falen optreedt wanneer de niet-ondersteunde hoogte rond de 350 meter bereikt. Micro-seismische monitoring — in feite ondergronds "luisteren" naar kleine rotsbevingen — bevestigde intense schade en energievolle gebeurtenissen in de zuil op deze dieptes.

Omvallende daken, schuivende vloeren en gewelddadige instorting

De overliggende gesteentelagen boven de steenkool gedragen zich net zo kritiek. Omdat de lagen bijna verticaal zijn, wordt het dak niet op de gebruikelijke wijze recht naar beneden gedrukt; in plaats daarvan heeft het de neiging naar de lege ruimten te kantelen. De modellen van het team en een grote laboratoriumsimulatie toonden aan dat het onmiddellijke dak meer dan 40 meter onondersteund kan hangen voordat het bezwijkt. Wanneer het faalt, kantelen de bovenste lagen voornamelijk — als rijen boeken die omvallen — terwijl lagere lagen ook kunnen doorzakken of schuiven. Gebroken blokken tuimelen en draaien vervolgens in de goaf en vormen soms tijdelijke driehoekige steunen die later weer instorten. De vloer onder de lagere laag wordt eveneens belast en vervolgens plotseling ontlast naarmate de winning vordert, waardoor deze gevoelig is voor afschuiving en slip. Samen creëren buigende zuilen, overhangende daken en verzwakte vloeren sterke statische spanningen en wanneer die uiteindelijk breken, krachtige dynamische effecten die rotsuitbarstingen kunnen ontketenen.

Van het begrijpen van het gevaar naar het veranderen van het gesteente

Wetende dat rampen voortkomen uit een combinatie van hoge statische spanning en plotselinge dynamische verstoring, richtten de auteurs zich op manieren om energie af te voeren voordat die schade kan aanrichten. Hun oplossing is om geselecteerde rotszones doelbewust te verzwakken door sprengingen. Ze boren twee reeksen boorgaten — ondiep en diep — in zowel dak als vloer vóór het front, en laten gecontroleerde explosieve ladingen afgaan. Dit creëert een driedimensionale "bufferzone" van gebarsten gesteente die de horizontale spanningen afkomstig van de zuil en omliggende lagen omleidt en verzacht. Computersimulaties toonden aan dat deze maatregelen, vergeleken met geen sprenging, de horizontale spanning voor de steenkoolwand met tot ongeveer een vijfde kunnen verminderen, waarbij alleen ondiepe gaten in hun scenario’s het beste presteerden.

Meten of de bescherming echt werkt

Om de techniek ondergronds te testen, gebruikte het team twee soorten monitoring. Ten eerste volgden ze elektromagnetische straling die natuurlijk wordt uitgezonden wanneer kolen en gesteente barsten. Na de sprengingen daalden de stralingsniveaus in de behandelde zone met bijna 30 procent in het gesteente en ongeveer 13 procent in de steenkool, wat aangeeft dat de spanningen waren verminderd. Ten tweede onderzochten ze micro-seismische gegevens van een maand voor en na de sprengingen. Direct na de explosies nam het aantal en de energie van micro-seismische gebeurtenissen toe terwijl scheuren openden en opgeslagen spanning vrijkwam. In de loop van de tijd daalden zowel frequentie als energie opnieuw, wat suggereert dat de gesteentemassa stabieler was geworden en minder waarschijnlijk gewelddadig zou falen.

Diep en steil steenkooldelven veiliger maken

Voor niet-specialisten is de belangrijkste boodschap dat de gevaarlijkste krachten in steile, extreem dikke steenkoollagen grotendeels onzichtbaar zijn: langzaam buigen en hangen van massieve rotsplaten die stilletjes energie opslaan totdat er iets bezwijkt. Deze studie laat zien dat door te begrijpen waar en hoe die energie zich ophoopt — vooral in de centrale rotszuil en overhangende daken — ingenieurs vroegtijdig kunnen ingrijpen en het gesteente in geselecteerde zones gecontroleerd kunnen verzwakken. Correct uitgevoerd biedt deze gecontroleerde beschadiging een drukventiel: ze verlaagt de spanning, vermindert de omvang van plotselinge vrijgaven en maakt rotsuitbarstingen minder waarschijnlijk. De aanpak biedt een praktische weg naar veiliger delven in enkele van ’s werelds meest uitdagende steenkoolvoorraden.

Bronvermelding: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

Trefwoorden: rotsuitbarsting, steenkoolmijnveiligheid, steile steenkoollagen, spanningsontlastingssprenging, falen van rotszuil