Redelijke boorhoek en technologische toepassing voor voorbreuk van dikke-harde daklagen vóór het aanleggen van gob-zijgangen in ultra-dikke lagen

Diep kolenwinnen veiliger maken

In sommige van China’s grootste kolenmijnen moeten ondergrondse tunnels open blijven direct naast enorme, lege ruimtes die ontstaan na het winnen van steenkool. Deze doorgangen, gob-zijgangen genoemd, zijn essentieel voor ventilatie en transport. Maar wanneer zeer dikke, stijve gesteentelagen als “daken” boven deze openingen hangen, kunnen ze plotseling breken en neerstorten, waardoor ondersteuningen worden verpletterd en tunnels vervormen. Deze studie onderzoekt een manier om dat harde dak vooraf te verzwakken, door zorgvuldig gekozen boorhoeken en CO2-gebaseerde breukvorming, zodat het gesteente op een gecontroleerde manier weg van de weg moet breken in plaats van gewelddadig erboven.

Waarom dikke daken een verborgen bedreiging vormen

In ultra-dikke kolenlagen van meer dan 20 meter laat de winning grote lege holtes achter. Daarboven ligt een dunne, zwakkere laag onder een veel dikkere, zeer sterke daklaag. Omdat het gebroken gesteente in de uitgefreesde zone (de goaf) de ruimte niet volledig opvult, kan het dikke dak een lange, stijve overhang vormen die in het resterende steenkool reikt dat de tunnel ondersteunt. Wanneer deze overhang uiteindelijk breekt en roteert, legt hij extra belasting op de wanden en vloer van de weg, buigt stalen balken, breekt ankerkabels, knijpt kolenpilaren samen en sluit soms bijna de tunnel. Veldovereenkomsten in de Madaotou-mijn documenteerden extreme dakdoorbuiging, wandafschilfering en vloeropzwelling onder dergelijke omstandigheden wanneer geen voorafgaande dakbehandeling werd toegepast.

Het dak breken waar het het minste kwaad doet

De auteurs stellen voor het probleem om te draaien: in plaats van te reageren nadat het dak is gefaald, het dikke, harde dak opzettelijk vooraf scheuren voordat de nieuwe gob-zijgang wordt aangelegd. Door vanaf een aangrenzende weg lange gaten onder een gekozen hoek te boren en vervolgens het gesteente langs die gaten te breken, kunnen ze bereiken dat de sleutelgesteenteblokken breken en in de reeds uitgefreesde ruimte vallen in plaats van boven de nieuwe tunnel. Met een structureel model dat het bovenliggende gesteente als een stapel balken behandelt, tonen ze aan dat de hoek van deze voorbreuken bepaalt waar het dak breekt, hoe het buigt en hoe krachten zijdelings in de kolen worden overgedragen. Wanneer de scheurrichting blokken naar de goaf leidt, wordt de weg voornamelijk belast door verder verwijderde, zachter buigende lagen in plaats van door een stijve klapheffer direct erboven.

De beste boorhoek vinden

Om van concept naar ontwerpregels te komen, bouwde het team een gedetailleerd wiskundig model van hoe dakblokken buigen en drukken op de kolenwand bij verschillende scheurhoeken. Vervolgens gebruikten ze computersimulaties (FLAC3D) om te zien hoe spanningen en beschadigingszones rond de weg veranderen naarmate de boorhoek toeneemt van geen scheurvorming, via 60°, 70° en 80°, tot 90° en iets daarboven. Twee belangrijke indicatoren werden onderzocht: de omvang van de plastische (permanent vervormde) zone in de kolen en het dak, en een maat voor opgeslagen vervormingsenergie (J2) die aangeeft hoeveel “veerenergie” klaarstaat om te worden vrijgegeven. Toen de voorbreukhoek van 60° naar 90° groeide, daalde de piekzijdruk op de kolenwand met ongeveer 18%, krimpte de plastische faalzone van ruwweg 32 m naar 20 m, en daalde J2 zowel in de kolen als in het dak aanzienlijk. Echter, wanneer de hoek boven 90° uitkwam, hadden de gefragmenteerde blokken de neiging weer directer op de weg te duwen, waardoor de beschadigde zone zich uitbreidde en de kolen zo werden verpletterd dat ze de belasting niet langer veilig konden dragen.

Het dak scheuren met superkritische CO2

Geleid door deze berekeningen selecteerden de onderzoekers een scheurhoogte die de sleutellaag van het dak bereikte (ongeveer 45 m boven de laag) en een bijna-verticale 90° boorhoek als optimaal. In de 2209-weg van de Madaotou-mijn boorden ze groepen diepe putten langs de zijde het dichtst bij de goaf en gebruikten ze superkritische kooldioxide om het dak te breken. De CO2 wordt als een dicht vloeibaar medium in verzegelde patronen opgeslagen; wanneer deze wordt geactiveerd, zet hij snel uit tot gas en wrikt scheuren in het gesteente open op een meer gecontroleerde, lage-schokmanier dan explosieven. Veldinspecties van de boorgaten en waterinjectietests bevestigden dat scheuren goed tussen gaten verbonden waren, waardoor een continu verzwakt band boven de weg ontstond die bevorderde dat dakblokken braken en in de goaf vielen toen het front vorderde.

Van gewelddadig instorten naar gecontroleerde beweging

De vergelijking van twee verder vergelijkbare wegen—één zonder voorbreuk en één met de CO2-gebaseerde behandeling—was opvallend. Zonder voorbreuk bereikte de dakdoorbuiging bijna een halve meter tijdens uitgraving en meer dan een meter tijdens winning; wanden en vloer bewogen ook honderden millimeters, wat herhaalde reparaties vereiste. Met voorbreuk op 90° daalde de dakbeweging tijdens uitgraving tot slechts enkele centimeters, en tijdens winning werden de deformaties van dak, kolenpilaar, massief gesteente en vloer met 75–82% verminderd. De wegwanden bleven relatief glad, het dak bleef intact en faalgevallen in de ondersteuning waren zeldzaam. Voor niet-specialisten is de conclusie duidelijk: door de juiste boorhoek te kiezen en het harde dak vooraf te scheuren, kunnen ingenieurs het gesteente ‘vertellen’ waar het moet breken—weg van de tunnel in plaats van erboven—en zo een gevaarlijke, plotselinge instorting veranderen in een veiligere, gecontroleerde zetting van de ondergrond.

Bronvermelding: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Trefwoorden: stabiliteit van kolenmijn-wegbanen, voorbreuk van dak, gob-zijgang, CO2-breukvorming in gesteente, ultra-dikke kolenlagen