Faalkenmerk van de omringende grond en synergetische beheersing door sterke ondersteuning en sterke spanningsontlasting voor lagere lagen toegangen in nauw-gelegen steenkoollagen

Waarom veiligere steenkooltunnels ertoe doen

Diep onder de grond vertrouwen mijnwerkers op smalle tunnels om bij steenkoollagen te komen. Als het gesteente rond deze tunnels plotseling verschuift of breekt, kan dat gevaarlijke uitbarstingen, instortingen en kostbare stilleggingen veroorzaken. Deze studie behandelt een bijzonder lastige situatie in een Chinese mijn, waar twee steenkoollagen dicht bij elkaar liggen en de lagere toegangen onder uitgewerkte gebieden en achtergebleven steenkoolblokken liggen. De auteurs leggen uit waarom het gesteente aan één kant van deze tunnels gemakkelijker faalt, en ze testen een gecombineerde aanpak die zowel de tunnelwanden versterkt als geleidelijk opgebouwde druk in het omliggende gesteente verlaagt.

Verborgen spanning door eerdere winning

In het Jiaoping-mijngebied is één steenkoollaag al gewonnen, waarbij lege ruimtes (gofaâs) en stijve steenkoolzuilen zijn achtergebleven die het dak ondersteunen. Een tweede, dieper gelegen laag wordt nu geëxploiteerd daaronder. Het gewicht van het overliggende gesteente en de stijve zuilen oefent geen gelijkmatige druk uit op de lagere toegangen. In plaats daarvan concentreert de spanning zich aan de zijde onder de steenkoolzuil, terwijl de andere zijde zich onder een gedeeltelijk ontspannen zone bevindt. Water dat in de oude goaf sijpelt kan ook steenkool en gesteente verzachten, waardoor de vloer en wanden in de loop der tijd aan sterkte verliezen. Berekeningen en geologische metingen tonen aan dat de schade door de bovenste laag ongeveer 10 tot 15 meter naar beneden reikt, wat voldoende is om te beïnvloeden waar en hoe nieuwe toegangen geplaatst moeten worden.

Een betere tunnelroute kiezen

Met behulp van breukmechanica schatte het team hoe diep de vloer onder de bovenste laag door eerdere winning en door de geconcentreerde belasting van resterende steenkoolzuilen was gebarsten. Vervolgens vergeleken ze verschillende manieren om de nieuwe lagere toegang ten opzichte van de oude werken uit te lijnen. Als de lagere tunnel de hoogbelaste zone onder de zuil overlapt, krijgt deze te maken met sterke, oneven belasting. Als hij naar buiten wordt verplaatst, kan hij nog steeds binnen die zone liggen. De meest gunstige keuze is om de lagere toegang naar binnen te verspringen richting de eerder uitgewerkte ruimte, waar de spanning gedeeltelijk is ontlast. Deze interne verspringing vermijdt het sterkst belaste gesteente en vermindert de natuurlijke neiging dat de ene kant van de tunnel meer vervormt dan de andere.

Sterke ondersteuning plus spanningsontlasting

Goede ondersteuning van de tunnel blijft essentieel. De mijn voerde een schema van "sterke ondersteuning" in met dichte stalen ankers, stalen strips, draadmengsel en hoogspanningskabelankers die in het dak en de wanden zijn verankerd. Dit systeem klemt gebarsten gesteente samen en laat het ondiepe gesteente rond de opening functioneren als een enkele dragende schaal. Om verder te gaan voegden de onderzoekers een stap van "sterke spanningsontlasting" toe: ze boorden lange, schuine gaten vanuit de toegang in het bovenliggende gesteente en de steenkool en pompden hogedrukwater in om gecontroleerde breuken te veroorzaken. Zorgvuldige analyse van hoe vloeistofdruk met het natuurlijke spanningsveld samenwerkt, bepaalde de keuze van boorhoeken zodat breuken met relatief lage pompdruk zouden beginnen en zich uitbreiden, waardoor paden ontstonden voor herverdeling van spanning en energie weg van de tunnel.

Het gesteente zien reageren

Het team gebruikte computersimulaties en ondergrondse metingen om te zien hoe het gesteente reageerde onder zowel langzame belasting als plotselinge schokken, die kleine seismische gebeurtenissen nabootsen. Onder statische omstandigheden vervormde de versterkte tunnel slechts licht en bleven de bewegingen ruim binnen de veiligheidsgrenzen, hoewel spanningen en ankerkrachten duidelijk hoger waren aan de zijde van de steenkoolzuil. Toen impactbelastingen in de modellen werden toegevoegd, ontstonden twee patronen. Impacten die voornamelijk boven het dak insloegen veroorzaakten spanning-scheuren in het dakcentrum. Impacten nabij de hoek waar dak en wand elkaar ontmoeten veroorzaakten grote zijdelingse klemvaste vervorming van de wand en doorzakking van het dak als geheel, een ernstiger schadebeeld. Na hydraulische breukvorming toonden elektrische onderzoeken brede zones met lage resistiviteit waar met water gevulde scheuren waren gevormd, wat bevestigde dat het gesteente was verzwakt en dat spanning was verplaatst. Veldmetingen registreerden dat anker- en kabelkrachten binnen veilige grenzen bleven en dat de "verweekte" gesteentezone, hoewel groeiend, onder controle bleef door het ondersteuningssysteem.

Wat dit betekent voor mijnveiligheid

Voor de onderzochte mijn laat het werk zien dat de oneven belasting veroorzaakt door resterende steenkoolzuilen de belangrijkste reden is waarom één zijde van tunnels in lagere lagen gemakkelijker faalt. Door de toegang in een spanningsontlast gebied te plaatsen, het nabijgelegen gesteente stevig te verankeren en gerichte hydraulische breukvorming te gebruiken om diepe spanningen af te voeren, kunnen ingenieurs vervorming binnen veilige grenzen houden, zelfs wanneer het gesteente kleine schokken ondergaat. De auteurs bepleiten dat deze gekoppelde strategie van sterke ondersteuning plus sterke spanningsontlasting, ondersteund door zorgvuldige monitoring, een praktische route biedt naar veiligere en efficiëntere steenkoolwinning in andere mijnen met gestapelde lagen en complexe spanningsomstandigheden.

Bronvermelding: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Trefwoorden: steenkoolwinning, toegangsstabiliteit, rotsuitbarsting, hydraulische breukvorming, numerieke simulatie