Onderzoek naar controletechnologie van omringend gesteente bij dakdoorsnijding en ontlasting voor zijdelingse opvulling in gob-side entry retaining van panelen met grote mijnbouwhoogte

Ondergrondse tunnels open en veilig houden

Diepe ondergrondse kolenmijnen zijn afhankelijk van lange tunnels om mensen, machines en kolen te verplaatsen. Maar zodra de kool is verwijderd, kan het gesteente erboven verschuiven en deze tunnels samenknijpen, wat grote veiligheidsrisico’s en economische verliezen oplevert. Deze studie richt zich op een Chinese kolenmijn en stelt een praktische vraag: hoe kunnen ingenieurs het uitgehaalde gebied en de ondersteuningen ontwerpen zodat een belangrijke tunnel veilig open kan blijven voor de volgende mijnbouwronde, in plaats van te worden verlaten en volledig opnieuw te moeten bouwen?

Waarom het behouden van één tunnel ertoe doet

Moderne kolenmijnen gebruiken vaak zeer hoge mijnpanelen die dikke lagen kool in één keer verwijderen, wat de productie verhoogt maar ook het omliggende gesteente sterk verstoort. Traditioneel laten mijnwerkers een dikke blok onaangetaste kool achter als pilaar om nabijgelegen tunnels te beschermen. Die pilaar houdt echter waardevolle kool ondergronds vast en vereist extra tunnelen. Een techniek die gob-side entry retaining wordt genoemd, biedt een slimmer alternatief: houd een tunnel direct naast de ingestorte uitgehaalde zone (de “gob”) en vervang de koolpilaar door een speciaal gebouwde zijmuur. Als deze tunnel stabiel kan blijven, wint de mijn meer kool terug, vermindert ontwikkelingskosten en verbetert de algehele efficiëntie.

Wanneer het gesteente en de muur het niet aankunnen

De auteurs analyseren wat er misgaat wanneer ingenieurs alleen op de zijmuur vertrouwen. In hoge, brede panelen buigen en breken de bovenliggende gesteentelagen over een groter bereik, wat krachtige, verschuivende drukken genereert. De smalle muur moet een groot deel van deze belasting opnemen. Als de muur sterk maar te stijf is, kan extreme spanning erin opbouwen, wat scheuren of splijten veroorzaakt. Als hij zwakker is, kan hij uitpuilen en de tunnelruimte samendrukken, waardoor dak en wanden naar binnen worden gedrukt. In andere gevallen veroorzaakt een sterke muur in combinatie met een zwak dak dat het gesteente boven de tunnel afschuift en naar beneden valt, wat lokale dakinstortingen tot gevolg heeft. Kortom, alleen een muur naast de gob bouwen is niet genoeg om de gewelddadige beweging van het gesteente boven een dik ontgonnen seam op te vangen.

Het dak doorsnijden om de belasting te temmen

Om dit probleem aan te pakken promoten de onderzoekers een gecombineerde aanpak die zij noemen “verbeterde ondersteuning plus dakdoorsnijding voor drukontlasting.” Het idee is proactief een schuine spleet door het harde gesteente boven de tunnel te snijden, aan de gob-zijde. Deze snede verzwakt de verbinding tussen het tunnelgewelf en belangrijke gesteentelagen, en stuurt het bovenliggende gesteente ertoe te breken en in de richting van de uitgehaalde zijde te instorten in plaats van als een enorm stijf balk boven de weg te blijven hangen. Tegelijkertijd wordt de tunnel zelf versterkt met een dicht patroon van ankers, stalen kabels, hydraulische steun en een betonnen zijmuur die belasting kan dragen maar enige gecontroleerde beweging toelaat.

Het optimale vinden met virtuele tests

Met driedimensionale computersimulaties, gekalibreerd op de echte mijn (de 2507-werkingswand), varieerde het team drie ontwerpparameters: hoe hoog de dakdoorsnijding reikt, de hoek van de snede en de breedte van de zijmuur. Ze volgden een grootheid die deviatorische spanning wordt genoemd — een gecombineerde maat voor hoe intens het gesteente vervormd wordt — om te zien waar het gesteente het meest waarschijnlijk bezwijkt. De simulaties toonden aan dat een dakdoorsnijding van ongeveer 15 meter, die ruwweg 70 procent van de hoofddaklaag bereikt, de spanningen rond de tunnel aanzienlijk verminderde. Een snijhoek van 15 graden zorgde voor een evenwichtige verdeling van de belasting tussen de solide koolzijde en de zijmuur, wat ordelijk instorten van gesteente in de gob bevorderde in plaats van gevaarlijk hangende blokken. Voor de muur bleken breedtes van 0,5 tot 1,0 meter te zwak en veroorzaakten ernstige vervorming, terwijl een breedte van ongeveer 1,5 meter de beste mix van sterkte en aanpassingsvermogen gaf.

Bewijs uit monitoring in de praktijk

Het geoptimaliseerde ontwerp werd vervolgens in de mijn getest. Instrumenten maten dakverplaatsing, krachten in de ankerkabels en druk op de betonnen muur terwijl het ontginningsfront opschoof en de gob-side tunnel werd achtergelaten. Het doorzakken van het dak aan de zijde van de dakdoorsnijding bleef onder ongeveer 120 millimeter, en kabelbelastingen en muurdedrukken stegen naar pieken en vlakten daarna af onder hun ontwerpgrenzen. Dit gedrag toonde aan dat de dakdoorsnijding de belasting die direct door de tunnel werd gedragen succesvol verminderde en dat de versterkte ondersteuningen samenwerkten in plaats van overbelast te raken of plotseling te falen.

Wat dit betekent voor veiliger, slimmer mijnbouwen

Voor niet-specialisten is de belangrijkste les dat zorgvuldige “voorafbreking” van hard gesteente boven een tunnel, gecombineerd met robuuste maar flexibele ondersteuning, essentiële ondergrondse weggetjes open kan houden, zelfs wanneer enorme schijven kool in de buurt worden verwijderd. Door de juiste snijhoogte, snijhoek en muurbreedte te kiezen, kunnen ingenieurs sturen hoe het gesteente breekt en hoe de belasting wordt verdeeld. In dit geval creëerden een 15 meter hoge, 15 graden dakdoorsnijding en een 1,5 meter brede zijmuur een stabiele, herbruikbare tunnel naast de gob. Dat betekent meer teruggewonnen kool, minder nieuwe tunnels om te graven en een veiliger werkomgeving voor mijnwerkers die diep ondergronds werken.

Bronvermelding: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Trefwoorden: koolmijnbouw, gesteenteondersteuning, dakdoorsnijding, gob-side entry, ondergrondse stabiliteit