Optimalisatie van wegrichting en dwarsdoorsnede bij overlagering van resterende kolenpilaren en aangrenzende stortzones in nauwgelegen steenkoollagen

Waarom ondergrondse wegen van belang zijn voor het dagelijks leven

Een groot deel van de elektriciteit die huizen, fabrieken en steden van stroom voorziet, komt nog steeds van steenkool die diep ondergronds wordt gewonnen. Om veilig die steenkoollagen te bereiken, moeten ingenieurs lange tunnels of wegen door het gesteente hakken. Als deze tunnels op de verkeerde plaats liggen of de verkeerde vorm hebben, kan het omliggende gesteente instorten, wat de mijnwerkers bedreigt en de toegang tot waardevolle hulpbronnen afsluit. Deze studie uit een Chinese mijn onderzoekt hoe zowel de veiligste locatie als de meest geschikte dwarsdoorsnede voor zulke wegen gekozen kunnen worden wanneer meerdere steenkoollagen dicht bij elkaar liggen en een deel van de bovenste laag al gewonnen is.

Lagen gesteente en achtergebleven kolen

In veel steenkoolgebieden komt steenkool niet voor als één dikke laag, maar als meerdere lagen die op elkaar gestapeld liggen. In de Meihuajing‑mijn liggen de hoofdlagen, aangeduid als nr. 2 en nr. 3, slechts 12 meter uit elkaar. De bovenste laag nr. 2 is al in twee grote panelen gewonnen, maar er is een blok van 60 meter breed ongewonnen kolen achtergelaten als steunpilaar. Aan weerszijden van deze pilaar bevinden zich uitgepikte leegten, zogenaamde goafs, die zijn ingestort en nu gevuld zijn met gebroken gesteente. Samen veranderen de vaste pilaar en de zachtere goafs de manier waarop het gewicht van het overliggende gesteente naar de lagere nr. 3‑laag wordt overgedragen, waar nieuwe wegen gepland zijn.

Meten hoe het gesteente zich in de tijd gedraagt

De onderzoekers controleerden eerst of de bovenste kolenpilaar zijn werk deed. Ze monitoren een bestaande weg in de nr. 2‑laag gedurende ongeveer twee jaar, nadat het winnen daar was gestopt. Instrumenten registreerden hoeveel het dak losraakte en hoeveel de wanden en vloer naar elkaar toe bewogen. De metingen toonden slechts kleine verplaatsingen: dakloslating van ongeveer één tot twee centimeter maximaal, en zijdelingse en vloerconvergentie doorgaans rond vijf tot tien centimeter. Omdat er in de buurt geen nieuwe winningen plaatsvonden, weerspiegelden deze trage, bescheiden vervormingen een langetermijn‑stabiele toestand onder een statische belasting. Dat suggereerde dat de 60‑meter‑brede pilaar sterk genoeg was om het overliggende gewicht te dragen en de gesteentestructuur erboven grotendeels intact te houden.

Het traceren van krachten door het gesteente

Vervolgens gebruikte het team een klassieke theorie uit de gesteentemechanica die het gesteente onder de laag beschouwt als een elastische halfruimte — een diep, continu medium — en belastingen aan de bovenkant toepast om spanningen op diepte te berekenen. Ze modelleerden de kolenpilaar en de aangrenzende goafs als een reeks vereenvoudigde belastingssegmenten, elk met verschillende intensiteiten die spanningsconcentratie onder de pilaar en spanningsontlasting in de ingestorte zones weerspiegelen. Met wiskundige uitdrukkingen en computerhulpmiddelen brachten ze verticale, horizontale en schuifspanningen in het gesteente daaronder in kaart. De resultaten toonden een duidelijk patroon: direct onder de vaste pilaar werden spanningen geconcentreerd, terwijl ze onder de goafs afnamen en zo een spannings‑afnemende zone vormden. In de lagere nr. 3‑laag was de verticale spanning het hoogst direct onder de pilaar en het laagst op ongeveer 13 meter afstand van de rand, onder het gebied dat correspondeert met de goaf. Horizontale spanningen veranderden minder dramatisch maar wezen eveneens op een rustiger omgeving weg van de pilaar, terwijl schuifspanningen het sterkst waren nabij de pilaarranden.

Waar de nieuwe tunnel te drijven

Praktisch gezien willen ingenieurs de weg plaatsen waar het gesteente relatief lage en gebalanceerde spanningen ondervindt, zodat het minder snel kan samendrukken of breken. Op basis van de berekende spanningscurven concludeerden de auteurs dat de ideale zone voor de nieuwe nr. 3‑weg binnen de verticale spannings‑afnemende zone ligt, iets onder de goaf in plaats van direct onder de pilaar. Het absolute minimum in verticale spanning bevindt zich ongeveer 13 meter van de pilaarrand, maar die positie zou meer kolen ongewonnen laten. In balans tussen veiligheid en winning bevelen ze aan de weg 10 meter vanaf de pilaarrand te situeren, nog steeds binnen het lage‑spanningsgebied maar dichter bij de resterende kolen, waardoor verspilling vermindert terwijl een gunstig spanningsmilieu behouden blijft.

Waarom tunnelvorm de gesteentestabiliteit verandert

De locatie is slechts een deel van het verhaal; de vorm van de tunnelopening bepaalt ook hoe het gesteente reageert. Met een driedimensionaal numeriek model (FLAC3D) bouwden de onderzoekers een virtueel deel van de mijn, inclusief de twee lagen, de pilaar, de ingestorte goafs en een lagere weg op de voorkeurslocatie. Ze testten vier dwarsdoorsneden, alle met gelijke breedte en hoogte: een rechtwandige halfcirkelboog, een driecentra‑boog (een complexere boog opgebouwd uit drie krommen), een trapezium en een rechthoek. Na het simuleren van het uitgraven van elke tunnel onderzochten ze hoe spanningen zich opnieuw verdeelden rond de opening en hoe diep het omliggende gesteente vervormde tot een plastische of gefaalde zone. In alle gevallen ondervonden dak en vloer boven en onder de opening spanningsontlasting, terwijl de zijwanden enige hernieuwde spanningsopbouw kenden.

Het vinden van het veiligste en eenvoudigste ontwerp

De vergelijking liet zien dat gewelfde vormen de belasting beter verdelen dan platte bovenkanten. De rechtwandige halfcirkelboog had de laagste spanningsconcentratie aan de meest belaste zijde en de geringste faal‑dieptes in dak, vloer en zijwanden. De driecentra‑boog presteerde bijna even goed qua stabiliteit, terwijl de trapeziumvorm en vooral de rechthoek hogere piekspanningen en veel diepere faalzones lieten zien, wat betekent dat meer gesteente brak en verzwakte. Omdat de driecentra‑boog geometrisch ingewikkelder is om ondergronds uit te kappen en te ondersteunen — met zorgvuldige beheersing van meerdere stralen en aansluitpunten — beoordelen de auteurs deze minder praktisch voor routineconstructie. Zij bevelen daarom de rechtwandige halfcirkelboog aan als de voorkeursdwarsdoorsnede: die biedt sterke stabiliteit onder de gecombineerde invloed van pilaar en goafs en blijft relatief eenvoudig te bouwen en te ondersteunen in het veld.

Conclusie voor veiligere en efficiëntere steenkoolwinning

Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat kleine ontwerpskeuzes ondergronds — waar precies een tunnel wordt geplaatst en welke vorm deze heeft — een groot verschil kunnen maken voor veiligheid en efficiëntie. In deze specifieke mijn laat de studie zien dat het laten staan van een stevige kolenpilaar in de bovenste laag en het vervolgens plaatsen van de lagere weg iets onder het ingestorte gebied in plaats van onder de pilaar, een vriendelijker spanningsmilieu creëert. Het vormgeven van de tunnel met gewelfde wanden en een afgerond dak helpt het omliggende gesteente daarnaast soepel om de opening heen te ‘vloeien’, waardoor schade beperkt blijft. Hoewel de exacte afstanden en afmetingen per locatie variëren, biedt de gecombineerde aanpak van het in kaart brengen van spanningsoverdracht tussen lagen en het vergelijken van tunnelvormen een leidraad voor het ontwerpen van ondergrondse wegen die zowel veiliger zijn voor mijnwerkers als gunstiger voor het sparen van kolenreserves.

Bronvermelding: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Trefwoorden: ontwerp van steenkoolmijnweg, resterende kolenpilaar, ondergrondse tunnelstabiliteit, numerieke gesteentemechanica, meerlagige mijnbouw