Onderzoek naar grote vervorming en faalmechanisme van de vloer van waterrijke zachtgesteente gangen

Waarom tunnelvloeren in mijnen plots kunnen omhoog komen

Diepe ondergrondse tunnels in steenkoolmijnen moeten stabiel blijven om werknemers te beschermen en materieel te laten rijden. In sommige mijnen zwelt de tunnelvloer langzaam omhoog, waardoor spoorlijnen vervormen en ondersteunende frames barsten. Deze studie onderzoekt zo’n probleem in een Chinese steenkoolmijn, waar de tunnel door zwak, doorweekt gesteente loopt. De onderzoekers wilden begrijpen waarom de vloer enkele meters omhoog kwam en hoe een nieuwe ondersteuningsmethode dit opnieuw kon voorkomen.

Een problematische tunnel diep ondergronds

Het team richtte zich op de noordelijke hoofdverkeersgang in de Hongqi-steenkoolmijn in Shandong, China. Deze vervoerstunnel van ongeveer vier meter breed en hoog is uitgehouwen in een laag zwakke leemsteen en ligt boven een kalksteenlaag gevuld met onder druk staand grondwater. Veldinspecties toonden sterke waterinsijpeling waar lagen samenkomen, en de tunnelvloer nabij deze waterbron was tot 2,5 meter opgezwollen. Stalen rails bogen in S‑vormen, betonnen bekledingen barstten en ankers in de wanden braken, wat duidelijk maakte dat het gesteente rond de tunnel zijn vorm niet langer kon vasthouden.

Zacht gesteente dat in water uit elkaar valt

Om te begrijpen waarom de vloer zo kwetsbaar was, testten de onderzoekers monsters van de leemsteen uit de tunnelvloer. Ze vonden dat het veel kleimineralen bevatte, die water aantrekken en bij natheid kunnen zwellen en verzwakken. Onder de microscoop bleek het gesteente poreus en zwak samenhangend, met veel kleine korrels en zwakke bindmiddelen ertussen. In eenvoudige dompelproeven begonnen brokken leemsteen al na één minuut onder water te kruimelen en bleven ze uiteenvallen naarmate ze meer water opnamen. Deze resultaten lieten zien dat het gesteente niet alleen zacht was, maar ook makkelijk door water beschadigd raakte, waardoor het extra gevoelig werd voor zwelling en verlies van sterkte.

Computermodellen van water dat de vloer omhoog duwt

Vervolgens bouwde het team een driedimensionaal computermodel van de tunnel en de omliggende gesteentelagen. Ze simuleerden verschillende waterdrukken in de diepe kalksteenlaag onder de vloer, van droge omstandigheden tot de gemeten hoge druk. Het model registreerde hoeveel het tunnelgewelf en de vloer bewogen en hoe ver het omliggende gesteente voorbij zijn sterktegrens werd geduwd. Onder droge omstandigheden steeg de vloer slechts licht en was de schade ondiep. Toen de waterdruk werd verhoogd tot de werkelijke ondergrondse waarde, groeide de gesimuleerde vloegroei tot ongeveer 2,5 meter, en verdiepten zich beschadigde zones onder de vloer tot meer dan zes meter, terwijl het dak nauwelijks verschoof. Dit toonde aan dat waterdruk van onderaf, werkend op reeds zwakke leemsteen, de belangrijkste oorzaak van het vloerfalen was.

Een eenvoudig beeld van hoe de vloer faalt

Met behulp van ideeën uit degrondmechanica tekenden de onderzoekers vervolgens een mechanisch beeld van hoe de vloer beweegt. Ze verdeelden de vloer in een ondiepe zone, waar gesteente door insijpeling verzwakt is, en een diepere zone die sterk wordt beïnvloed door het onder druk staande aquifer. In dit beeld worden blokken van verzacht gesteente aan weerszijden van de tunnelvloer naar binnengedrukt en omhooggeduwd onder het gecombineerde gewicht van het overliggende gesteente en de opwaartse druk van het water. Hun berekeningen suggereerden dat de kritische faaldiepte ongeveer 4,5 meter bereikt. Simpel gezegd: een dikke laag verzacht gesteente onder de tunnelelvoet wordt omhoog en naar binnen geduwd, waardoor de vloer in het tunnelvolume uitpuilt.

Een gelaagd ondersteuningssysteem dat water buitensluit

Gebaseerd op dit inzicht ontwierp het team een nieuw ondersteuningssysteem dat afgestemd is op de twee dieptelagen. In de ondiepe zone plaatsten ze kortere met mortel geïnjecteerde bouten om los gesteente samen te binden en scheuren te verzegelen. In de diepere zone gebruikten ze lange met grout gevulde kabelbouten om in sterker gesteente te verankeren en beweging te beperken waar de waterdruk het grootst is. Een omgekeerde betonnen boog werd in de tunnelvloer gebouwd en verbonden met U‑vormige stalen ondersteuningen langs de wanden, waardoor de gehele bekleding een gesloten ring werd die beter bestand is tegen het van onderuit knijpen. Dit ontwerp heeft tot doel direct contact tussen grondwater en de zwakste leemsteen te doorbreken en de lasten gelijkmatiger te verdelen.

Van stijgende vloer naar gecontroleerde beweging

Het nieuwe ondersteuningsschema werd in de praktijk gebracht in een nabijgelegen verbindingsgang met dezelfde gesteente‑ en watercondities. Tijdens twee maanden monitoring bleven dakzetting en wandverplaatsing beperkt, en de vloer steeg slechts 33 millimeter voordat stabilisatie optrad, in plaats van de meters van daarvoor. Voor niet‑specialisten is de kernboodschap dat inzicht in hoe water ondergronds gesteente verzwakt en hoe onder druk staand water op tunnelvloeren drukt, kan leiden tot gerichte, gelaagde ondersteuning die gevaarlijke grondbewegingen in diepe mijnen sterk vermindert.

Bronvermelding: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Trefwoorden: vloegroei, zacht gesteente, grondwater, tunnelondersteuning, steenkoolmijn