Onderzoek naar de invloed van spanningsontlasting in een nabijgelegen uitgeputte kolenlaag en de verstoring door het uitgraven van een schacht op het omringende gesteente

Waarom ondergrondse spanning ertoe doet

Moderne mijnen moeten steeds dieper boren om resterende kolenreserves te bereiken, waar het gesteente zich complex en soms onvoorspelbaar gedraagt. Wanneer een grote tunnel onder een oudere, ontgonnen kolenlaag wordt aangelegd, kan het omringende gesteente instorten of juist stabiel blijven, afhankelijk van hoe de spanningen door de lagen verschuiven. Deze studie onderzoekt een echt project in oostelijk China om te begrijpen hoe een lege, ingestorte zone die bij eerdere winning is achtergebleven een nieuwe, extra brede schacht eronder kan helpen beschermen, en welke soorten ondersteuning het tunneeldak veilig houden voor arbeiders.

Gesteentelagen boven een brede tunnel

De onderzoekers richtten zich op een grote schacht, bekend als een open‑off cut, die ongeveer twee keer zo breed is als een typische mijnschacht en 12 tot 18 meter onder een oudere, ontgonnen kolenlaag ligt. Tussen de kolenlagen zitten zandsteen-, siltsteen- en mudstonelagen, elk met verschillende sterktes. Door kernboringen en beoordeling van de kwaliteit ontdekte het team dat sommige daklagen van matige sterkte waren, terwijl andere, vooral nabij de oude kolenlaagvloer, zeer zwak en sterk gebroken waren. Weten welke lagen sterk en welke fragiel zijn is essentieel, omdat deze lagen samen de boog van gesteente vormen die over de nieuwe opening moet overspannen.

Hoe een oude uitgeputte laag de belasting verandert

Met behulp van computersimulaties reconstrueerden de auteurs de volgorde van het winnen van de bovenste kolenlaag en vervolgens het uitgraven van de onderste schacht. Nadat de bovenste laag was gewonnen, bleef er een goaf achter — een lege zone die deels gevuld is met ingestort dakgesteente. Deze goaf verhoogde de druk op de onderliggende schacht niet; in plaats daarvan fungeerde zij als een spanningsontlastingszone. Het gesteente tussen de goafvloer en het nieuwe tunneeldak ervoer veel lagere spanningen, typisch slechts enkele megapascals, vergeleken met het hoogbelaste gesteente aan weerszijden. Een drie meter dikke band gesteente tussen de twee openingen bleef ongebroken, en de lange dakankers die boven de tunnel verankerd waren, bleven in samengedrukt, stabiel gesteente zitten, terwijl kortere bouten hun werk deden in een trekzone dichter bij de opening.

Modeltunnels en traag instortend tunneeldak

Om deze ideeën fysiek te toetsen bouwde het team een verkleind model van ongeveer een meter van de gelaagde gesteente- en kolenlagen met op zand gebaseerde materialen. Ze wonnen eerst de bovenste laag in het model en verhoogden daarna langzaam het gewicht dat van boven drukte om diepere begraving na te bootsen. Naarmate de belasting toenam, brak het dak boven de bovenste laag geleidelijk van een vaste balk in scharnierende blokken en later in een metselwerkachtige boog van gevallen gesteente. Zodra de belasting een bepaalde drempel overschreed, stortte het bovenste dak volledig in en vormde een stabiele puinhoop waarvan de zijkanten leunden onder ongeveer 60 tot 65 graden. Sensoren ingebed nabij de toekomstige schachtpositie toonden dat de spanningen in de vloer onder de goaf uiteindelijk veranderden van compressie naar trek en vervolgens naar stabiele waarden terugkeerden, wat bevestigt dat de oude uitgeputte zone grotendeels zijn belasting had afgestoten.

Spanningsopbouw volgen terwijl de schacht groeit

De onderzoekers simuleerden daarna het gefaseerd uitgraven van de grote schacht zelf, overeenkomstig hoe dit ondergronds zou worden aangelegd. Spanningsmeters in het modeldak lieten zien dat elke stap van het verbreden van de tunnel een nieuwe verstoringsgolf veroorzaakte, met afwisselend compressieve en tensiele spanningen voordat ze geleidelijk stabiliseerden. Het midden van het dak, direct boven de schacht, droeg de hoogste trekkrachten (tensiele spanningen), en deze spanningen namen verder toe wanneer er extra belasting van boven werd aangebracht. Deze hoog-trekzone lag echter grotendeels binnen het bereik van de kortere bouten, terwijl de langere kabels die dieper in samengedrukt gesteente verankerd waren, fungeerden als een stevig backbone. Veldobservaties met een boorkameracamera in de echte mijn ondersteunden dit beeld: er werden slechts enkele cirkelvormige scheuren in het dak gezien en het meeste gesteente rondom de opening bleef intact.

Wat dit betekent voor veiliger diepe mijnbouw

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat een oude, ontgonnen laag boven een nieuwe tunnel niet altijd een bedreiging vormt; als ze goed wordt begrepen, kan zij juist druk verlichten en helpen de opening eronder te beschermen. In dit geval creëerde de goaf boven de grote schacht een lage‑spanningsbuffer, terwijl een zorgvuldige aanleg van bouten en kabels ervoor zorgde dat de zwakke, gebroken lagen nabij de tunnel gekoppeld werden aan sterker gesteente hogerop. Door het combineren van kernboringen, numerieke modellering, verkleinde laboratoriummodellen en controles ter plaatse met camera’s, laat de studie zien dat zelfs zeer brede ondergrondse schachten stabiel kunnen blijven onder diepe omstandigheden wanneer de gesteentelagen en spanningspaden grondig in kaart zijn gebracht en de ondersteuning op de werkelijke spanningszones is afgestemd.

Bronvermelding: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Trefwoorden: ondergrondse steenkoolwinning, gesteentestabiliteit, schachtondersteuning, ontlasting van goaf-spanning, diepe tunnels