Onderzoek naar stabiliteitsanalyse en beheersingstechnologie van onderliggende geïsoleerde eiland-werkende vlakken in wegbanen

Waarom ondergrondse wegen ertoe doen

Diep onder het noorden van China vertrouwen kolenarbeiders op ondergrondse wegbanen om mensen, lucht en materieel te verplaatsen. Als deze tunnels vervormen of instorten, moet de mijn vertragen of stoppen, wat werknemers in gevaar brengt en een belangrijke energiebron bedreigt. Dit artikel onderzoekt een bijzonder lastige situatie: een kolenpaneel dat als een “eiland” ligt onder oudere, al uitgegraven gebieden en overgebleven kolompijlers. De auteurs laten zien hoe spanningen van deze oude werkzaamheden zich in het gesteente concentreren en ontwerpen vervolgens een ondersteuningssysteem dat de nieuwe wegbaan stabiel en veilig houdt.

Lagen van oude en nieuwe werkzaamheden

De studie richt zich op de Yanghuopan-kolenmijn in de provincie Shaanxi, waar een lang, smal kolenpaneel — de 30.119-werkende voorkant — zich onder een eerder ontgonnen laag bevindt. Boven dit paneel bevinden zich lege holtes (goafs) en solide blokken kolen die als pilaren zijn achtergelaten. Deze opbouw creëert een “geïsoleerd eiland”-vlak dat aan drie zijden omgeven is door uitgegraven zones. De bestudeerde wegbaan, die de ventilatielucht van het vlak terugvoert, moet onder zowel laagspannings-goafgebieden als hoogbelaste resterende kolompijlers doorlopen. Omdat de dak- en vloerformaties relatief sterke zandstenen en siltstenen zijn, maar het spanningsveld sterk ongelijk is, zou een uniforme tunnelondersteuning onveilig en verspillend zijn.

Hoe overgebleven pilaren druk uitoefenen op lagere lagen

De onderzoekers gebruiken eerst de grondslagen van de rotsmechanica om te begrijpen hoe kracht van de bovenste kolompijlers naar beneden wordt overgedragen. Ze behandelen een pilaar als een strook geladen gesteente die op een veel dikkere vloer drukt en berekenen hoe deze geconcentreerde belasting met diepte verspreidt. Hun analyse toont dat direct onder een overgebleven kolompilaar de lagere laag een verticale spanning ondervindt die ongeveer 1,6 keer hoger is dan het natuurlijke achtergrondniveau, en dat deze invloed zich meer dan 60 meter zijwaarts uitstrekt langs de lagere laag. Met andere woorden: hoewel de bovenliggende laag al gedolven is, blijft de overgebleven pilaar gewicht concentreren op het onderliggende gesteente en de tunnels, waardoor duidelijke zones van spanningsverhoging en spanningsontlasting ontstaan.

Stress-, schade- en verplaatsingssimulaties

Om te zien hoe deze krachten zich rond de wegbaan afspelen, bouwt het team een driedimensionaal computermodel van de gesteentelagen en het mijnbrouwproces met behulp van numerieke simulatiesoftware. Ze “mijnen” de bovenste laag om goafs en pilaren te creëren en simuleren vervolgens de ontginning van de lagere 3–1-kolenlaag en de voortgang van het 30.119-vlak in fasen. Het model onthult vijf duidelijke regio’s onder de bovenste werkzaamheden: twee laagspanningszones onder goafs, twee sterke concentratiezones onder de eerste en tweede resterende pilaren, en een normaalspanningszone onder onontgonnen kolen. Terwijl het lagere vlak vordert, verschijnt de piek extra belasting consequent op ongeveer acht meter voor het vlak, maar de grootte varieert sterk per positie: spanningen zijn het hoogst onder de eerste resterende pilaar en iets lager onder de tweede.

Waar de wegbaan het meest belast wordt

De simulaties volgen ook hoeveel van het gesteente rond de wegbaan toegeeft of barst (de “plastische zone”) en hoeveel het dak en de wanden naar binnen bewegen. Wanneer de wegbaan zich onder spanningsontlastingsgebieden bevindt, zijn de schadebanden eromheen relatief ondiep en zijn de vervormingen bescheiden. Onder de eerste resterende pilaar echter versterken geconcentreerde belasting en de druk van het oprukkende vlak elkaar, waardoor de gefragmenteerde zone in het dak en de zijwanden verdiept en veel grotere dakdoorbuiging en wandconvergentie optreden. Onder de tweede pilaar is de reactie nog steeds ernstig maar milder: dakbeweging is ongeveer de helft van die onder de eerste pilaar, en de beweging van de solide kolenwand neemt met meer dan driekwart af. Deze contrasten bevestigen dat het gedrag van de wegbaan niet alleen door het gesteentetype wordt bepaald, maar ook door de complexe spanningsgeschiedenis door eerdere mijnbouw.

Ontwerp van ondersteuning waar het écht nodig is

Aan de hand van deze bevindingen verdelen de auteurs de wegbaan in twee typen beheerszones. In trajecten onder goafs en bij bijna-normale spanning passen ze een conventioneel ondersteuningspatroon toe met schroeven, kabels en netten. Onder de hoogbelaste delen die door resterende pilaren beïnvloed zijn, versterken ze het ontwerp: dichtere dakankers, lange kabelankers in een versterkend patroon en extra zijwandankers om de kolompilaar en ribben “aan elkaar te naaien”. Ze verifiëren vervolgens de prestaties ondergronds door het monitoren van dakzetting, zijwandconvergentie en de belastingen op schroeven en kabels bij meerdere stations terwijl het vlak oprukt. Gemeten dakdoorbuiging blijft binnen ongeveer één centimeter en wandsluiting binnen enkele millimeters, terwijl de ondersteuningsbelastingen ver onder hun capaciteit blijven, wat een comfortabele veiligheidsmarge aangeeft.

Wat dit betekent voor veiliger mijnbouw

In praktische termen toont de studie aan dat tunnels onder geïsoleerde eilandpanelen stabiel kunnen worden gehouden als ingenieurs eerst in kaart brengen hoe oude pilaren en goafs het spanningsveld herschikken en vervolgens de ondersteuning op elke zone afstemmen. In plaats van overal te zwaar te ondersteunen of het risico te lopen op falen in verborgen hotspots, concentreert de aanpak zware ondersteuning waar de spanning het hoogst is en gebruikt lichtere systemen waar het gesteente van nature ontlast is. Het resultaat in Yanghuopan is een wegbaan die open en bruikbaar blijft naarmate de ontginning vordert, en die als sjabloon kan dienen voor andere mijnen die nieuwe kolenlagen onder complexe netwerken van oudere werkzaamheden moeten bewerken.

Bronvermelding: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Trefwoorden: stabiliteit van kolenmijn-wegbanen, geïsoleerd eiland-werkend vlak, spanningen van resterende kolompijlers, numerieke mijnbouwsimulatie, ontwerp van ondergrondse ondersteuning