Studie naar de verdeling van het mijnbouwspanningsveld onder een geïsoleerde kolenpilaar in nauw gelegen steenkoollaag en de redelijke ligging van de weg

Waarom de vorm van ondergrondse spanningen ertoe doet

Diep ondergronds zijn kolenmijnen afhankelijk van smalle tunnels, of wegtracés, om mensen, materieel en lucht te verplaatsen. In veel Chinese kolenvelden liggen meerdere steenkoollagen dicht bij elkaar, zodat bij het delven van één laag het gesteente erboven en eronder wordt verstoord. Deze studie bekijkt wat er gebeurt onder een overgebleven “eiland” van kolen in een hogere laag en stelt een praktische vraag met levens‑of‑doodgevolgen: waar moeten ingenieurs de volgende weg in de lagere laag aanleggen zodat die stabiel en veilig blijft?

Lagen gesteente en achtergebleven kolen

De onderzoekers richtten zich op een mijn in de provincie Guizhou, China, waar een hogere laag (No. 1) al is ontgonnen, waarbij een dikke, geïsoleerde kolenpilaar is achtergebleven tussen twee ingestorte, verpoederde holtes (goafs). Ongeveer 12 meter daaronder ligt een dunnere lagere laag (No. 3), waarin een nieuwe mijnweg moet worden aangelegd. Omdat de lagen dicht bij elkaar liggen en de mijn diep is, verdwijnen de spanningen die door de eerdere ontginning zijn ontstaan niet zomaar — ze concentreren zich rond de geïsoleerde kolenpilaar en verspreiden zich naar beneden door het gesteente, waardoor het gedrag van de lagere laag verandert. Het begrijpen van dit patroon is cruciaal om te beslissen waar de weg moet komen, zodat het omliggende gesteente geleidelijk vervormt in plaats van plotseling faalt.

Onzichtbare krachten in het gesteente in kaart brengen

Om te volgen hoe spanning zich door het gesteente onder de pilaar verplaatst, combineerde het team drie benaderingen. Eerst bouwden ze een analytisch mechanisch model dat het gesteente onder de bovenste laag behandelt als een elastisch medium dat wordt belast door het gewicht van de bovenliggende lagen, de kolenpilaar en het verpoederde puin in de uitgeklede gebieden. Dit model levert formules voor hoe horizontale, verticale en schuifspanningen met de diepte variëren. Vervolgens gebruikten ze FLAC3D, een veelgebruikt numeriek simulatieprogramma, om een driedimensionale digitale mijn te creëren, compleet met de bovenste pilaar, goafs en de lagere laag. Ten slotte vergeleken ze deze theoretische en numerieke resultaten met veldwaarnemingen en meetgegevens uit de echte mijn. De twee methoden kwamen goed overeen en toonden sterke spanningsconcentratie aan bij de randen van de geïsoleerde pilaar en een karakteristiek zadelvormig spanningspatroon in het vloergesteente.

Het vinden van de stille zone onder de pilaar

De simulaties toonden aan dat de spanning van de geïsoleerde kolenpilaar niet eenvoudig recht naar beneden drukt. In plaats daarvan spreidt die zich schuin uit in het vloergesteente en verzwakt geleidelijk met de diepte. Dicht bij de bovenste laag zijn de verschillen tussen de belangrijkste drukspanningen groot en vertonen ze een dubbelpiekpatroon aan weerszijden van de middenlijn van de pilaar. Dieper wordt deze dubbele piek een enkele, vlakkere piek. Opmerkelijk is dat op het niveau van de lagere No. 3‑laag direct onder het midden van de pilaar het verschil tussen de hoofdladingen relatief klein is — aanzienlijk kleiner dan onder de randen van de pilaar of nabij de goafgrenzen. Dit betekent dat het gesteente daar minder gevoelig is voor intense schuifwerking en scheuring, wat wijst op een natuurlijke “rustzone” voor de plaatsing van een weg.

Hoe de positie van de weg rotschade verandert

Om te testen hoe de positie van de weg de schade beïnvloedt, simuleerden de auteurs tunnels die op verschillende zijwaartse verschuivingen onder de pilaar werden aangelegd. Ze onderzochten twee gerelateerde grootheden: de deviatorische spanning (die vervorming met vormverandering aandrijft) en de plastische zone (waar het gesteente is gevloeid en permanente schade heeft opgelopen). Wanneer de weg direct onder de middenlijn van de pilaar werd geplaatst, was het deviatorische spanningspatroon eromheen bijna symmetrisch en vormde de plastische zone een compact, ongeveer elliptisch halo gericht op het dak en de zijden. Naarmate de weg stap voor stap naar één van de zijden werd verplaatst, draaide en rekte het spanningspatroon uit, en evolueerde de plastische zone van die nette ellips naar een vervormde, vlinderachtige vorm die zich uitstrekte richting de nabijgelegen goafvloer. In deze excentrische posities verbonden beschadigde zones zich met verzwakte gebieden erboven, wat het risico op grote, ongelijkmatige vervorming aanzienlijk vergrootte en de ondersteuning veel moeilijker maakte.

De veiligste wegzone kiezen

Voortbouwend op dit inzicht gebruikten de onderzoekers een kader van “vlinder‑vormige instorting” om het potentiële weggebied in drie zones te verdelen op basis van twee indicatoren: de verhouding van de hoofdladingen en hun verschil. Eén zone wordt gedomineerd door een hoge spanningsverhouding en is gevoelig voor onstabiele, vlinderachtige instorting; een andere wordt sterk beïnvloed door beide indicatoren en is de slechtste keuze voor wegindeling. De derde, R‑III genoemd, komt overeen met locaties waar zowel de spanningsverhouding als het spanningsverschil relatief klein zijn. In hun casestudy ligt deze optimale zone direct onder de geïsoleerde kolenpilaar. Een daar aangelegde weg, ondersteund met lange dakankers en bouten, toonde beheersbare vervorming in veldmetingen: dak‑vloer sluiting en zijwaartse convergentie bleven binnen acceptabele grenzen gedurende een observatieperiode van 40 dagen. Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat door de weg te „verbergen” in het rustigste deel van een complex spanningsveld — direct onder de pilaar in plaats van ernaast — ingenieurs de veiligheid aanzienlijk kunnen verbeteren en onderhoudsproblemen kunnen verminderen in diepe, dicht op elkaar liggende steenkoollagen.

Bronvermelding: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Trefwoorden: kolenpilaar, ondergrondse weg, rotsbelasting, mijnstabiliteit, numerieke simulatie