Onderzoek naar geïntegreerde technologie voor reconstructie van draagstructuur en ondersteuningscontrole in risicovolle secties van bovengrondse kolengangen in dikke steenkoollagen

Waarom veiligere kolentunnels ertoe doen

Diep in dikke steenkoollagen reizen werknemers en verplaatsen ze kolen via lange ondergrondse tunnels. Op sommige plaatsen lijden deze tunnels onder doorhangende daken, brokkende wanden en plotselinge instortingen van steenkool en gesteente, wat mijnwerkers in gevaar brengt en de productie vertraagt. Deze studie onderzoekt waarom deze problemen in bepaalde risicovolle secties zo hevig zijn en test een nieuwe manier om het gesteente te versterken zodat tunnels op lange termijn veiliger en stabieler blijven.

Waar het probleem begint

Het onderzoek richt zich op een grote gang in een Chinese kolenmijn die door een zeer dikke steenkoollaag loopt. In deze situatie gaat de tunnel door steenkool in plaats van door sterk gesteente, en de steenkool boven en naast de opening is zwak en vergruisd. Natuurlijke breuken in het gesteente en het grote gewicht van de bovenliggende lagen concentreren spanningen rond de tunnel, wat leidt tot losraken van het dak, dakinstortingen, uitpuilende zijwanden en de noodzaak van constante reparaties. Eerdere ondersteuningsmethoden, zoals eenvoudige injecties en pijlvormige schilden, faalden vaak omdat grout de dichte steenkool niet kon doordringen en geen sterke, uniforme draagstructuur kon vormen.

Hoe de tunnel beweegt en vervormt

Om dit gedrag te begrijpen combineerde het team veldmetingen, laboratoriumtests en mechanische modellering. Ze behandelden de steenkool boven het tunnelgewelf als een belast balk en toonden aan dat dakdoorbuiging zeer snel toeneemt naarmate de tunnelbreedte groeit en de steenkool zwakker wordt. Ze vonden ook dat het dak en de zijwanden zich niet geïsoleerd vervormen. Wanneer de zijsteenkool verzacht en naar binnen duwt, vergroot dat effectief de opening, wat de dakdoorbuiging vervolgens vergroot. Extra dakbeweging knijpt op zijn beurt de zijwanden verder samen. Deze gekoppelde boven- en zijdelingse beweging verklaart waarom lokale, stuk-voor-stuk ondersteuning vaak faalt in dikke steenkoollagen.

Tests met virtuele tunnels

Met driedimensionale computersimulaties varieerden de onderzoekers twee sleutelfactoren: de dikte van de steenkoollaag boven de tunnel en de sterkte van die steenkool. Het dikker maken van de steenkoollaag boven het dak vergrootte de dakdoorbuiging maar verminderde het opstuiven van de vloer, terwijl de zijwandbeweging weinig veranderde. Het verhogen van de sterkte van de bovenste steenkool verminderde zowel dakdoorbuiging als zijdelingse naar-binnen beweging scherp, ook al veranderde het algehele spanningspatroon slechts licht. De berekeningen lieten zien dat scheuren en plastische zones eerst nabij het dak ontstonden en zich vervolgens dieper verspreidden, met kenmerkende ‘vlindervormige’ schade nabij de zijwanden, wat de noodzaak benadrukt om een brede zone te versterken in plaats van alleen een dunne schil.

Een nieuwe manier om zwakke zones te stutten

Geleid door dit inzicht ontwierpen de auteurs een gecombineerde ondersteuningssystem met vooruitgebouwde pijpen gevuld met grout en een netwerk van ankers en kabels. Voordat men de tunnel in een risicogebied binnengaat, boren arbeiders rijen stalen pijpen in de steenkool voor de voorzijde en pompen ze snel uithardende grout in. Deze grout hardt snel uit in en rond de pijpen, hecht scheuren aan elkaar en verandert de vergruisde steenkool in een steviger blok. Terwijl de ontginning doorgaat, verbinden ankers en kabels het versterkte dak en de zijwanden tot een enkel dragend kader. Computermodellen van verschillende lay-outs toonden aan dat een matige pijpafstand bijna dezelfde reductie in beweging gaf als een zeer dichte opstelling, maar tegen lagere kosten.

Bewijs uit de werkende mijn

Het team paste daarna het gekozen schema toe in de echte gang. Ze monitorden dakdoorbuiging, convergentie van zijwanden, opstuiven van de vloer, scheiding tussen gesteentelagen en de krachten in ankers en kabels. Na ontginning en ondersteuning met de nieuwe methode bleef de dakdoorbuiging rond 110 mm, zijwaartse beweging ongeveer 80 mm en was het vloeropstuiven zeer klein. Laagafscheiding boven het dak bleef ver onder waarschuwingsniveaus en de belastingen in de ankers en kabels werden stabieler en lager dan in het oude ontwerp. Omdat de grout binnen enkele minuten sterkte kreeg, konden teams veel sneller vooruitwerken dan voorheen, terwijl ze een veilige afstand tussen de tunnelvoorzijde en de versterkte zone hielden.

Wat dit betekent voor mijnwerkers

In simpele bewoordingen toont de studie aan dat het laten functioneren van de zwakke steenkool rond een tunnel als één goed verbonden boog en wand gevaarlijke dakinstortingen en instortingen sterk kan verminderen. Door de steenkool van tevoren te versterken met geïnjecteerde pijpen en vervolgens het dak en de zijkanten samen te binden met ankers en kabels, kan de gang het zware gewicht van boven met kleinere verplaatsingen en lagere ondersteuningskrachten dragen. De auteurs betogen dat deze geïntegreerde aanpak een praktische leidraad biedt voor veiliger, efficiënter tunnelen in dikke steenkoollagen met vergelijkbare geologische omstandigheden, waardoor zowel veiligheidsrisico’s als onderhoudsbehoeften in ondergrondse kolenmijnen afnemen.

Bronvermelding: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Trefwoorden: stabiliteit van kolengangen, dakondersteuning, groutversterking, gesteunte ankers en kabels, ondergrondse mijnveiligheid