Studie naar drukontlastingseffect en beschermingsbereik van langafstandsontlastende winning van lagere beschermende laag op basis van vergelijkbare fysische simulatie en PFC3D

Waarom veiliger kolenmijnen ertoe doen

Kolen levert nog steeds een groot deel van China’s elektriciteit, maar het ontginnen kan plotselinge gas- en gesteentebarsten veroorzaken die mijnwerkers in gevaar brengen. Deze studie onderzoekt hoe het winnen van een diepere laag zachtjes de druk in een bovenliggende laag kan verlagen, waardoor gas gemakkelijker kan worden afgevoerd en de volgende winning veiliger wordt. Door fysieke modellen in het laboratorium te combineren met geavanceerde computersimulaties brengen de onderzoekers in kaart hoe het gesteente tussen de lagen barst, buigt en bezinkt naarmate de winning vordert.

Twee kolenlagen die samenwerken

Het onderzoek richt zich op de No. 6-kolenmijn in de provincie Henan, waar een diepere laag, Wu 8 genaamd, ongeveer 72 meter onder een bovenliggende laag Ding 5.6 ligt. Het idee is eerst de lagere laag te winnen als een “beschermende laag”. Wanneer deze laag wordt verwijderd, verschuift het gewicht van het overliggende gesteente, verandert de druk in de bovenlaag en ontstaan er kleine doorgangen waar gevangen gas kan ontsnappen. Als ingenieurs kunnen voorspellen waar en hoe ver dit drukontlastingseffect reikt, kunnen ze boorgaten voor gasafvoer plaatsen en de toekomstige winning in de bovenlaag veiliger en efficiënter plannen.

Verkleinde mijn in het laboratorium

Om te zien wat er zich ondergronds buiten zicht afspeelt, bouwde het team een groot fysisch model van ongeveer drie meter lang en anderhalve meter hoog dat de echte gesteentelagen boven de Wu 8-laag nabootst. Met zand, gips, calciumcarbonaat en mica als representatie van verschillende gesteentetypen recreëerden ze de gestapelde lagen en “winnen” ze vervolgens de lagere laag stap voor stap. Terwijl het model steeds verder gevorderde, observeerden ze hoe het overliggende gesteente instortte en waar scheuren openden. De breuken vormden een brede trapeziumvorm die naar boven en naar buiten groeide, fasen van initiatie en groei doorliep en daarna deels weer sloot door inklinking van verbroken gesteente.

Virtueel gesteente en onzichtbare krachten

Laboratoriummodellen kunnen niet elk detail vangen, dus gebruikten de onderzoekers ook driedimensionale deeltjesgebaseerde computersimulaties, bekend als PFC3D, om spannings- en breukpatronen door het gesteentemagazijn heen te volgen. In deze virtuele mijn worden gesteente en kolen weergegeven door duizenden kleine gebonden deeltjes waarvan de interacties de bewegingswetten volgen. Terwijl het gesimuleerde werkende front vordert, registreert het programma hoe verticale en horizontale spanningen op verschillende hoogtes veranderen, hoe breuken zich verbinden tot netwerken en hoe de bovenliggende kolenlaag beweegt. De resultaten tonen aan dat verticale spanningen nabij het uitgewerkte gebied pieken tot ongeveer vier keer de horizontale spanningen, en daarna dalen, waardoor een drukontlastingszone ontstaat die met de hoogte vernauwt en boven de uitvalplaats een trapeziumvormig platform aanneemt.

Hoe de bovenlaag buigt en uitrekt

De simulaties laten ook zien hoe de beschermde Ding 5.6-laag vervormt. Het verplaatsingspatroon verandert geleidelijk in een komvormige doorzakking boven de uitgekolde lagere laag. In het begin, wanneer het werkende front minder dan de helft van zijn lengte heeft gevorderd, is de zetting klein en elliptisch van vorm. Naarmate de winning doorgaat, verdiept en verbreedt de doorzakking, met de grootste daling precies boven het midden van de uitgewerkte ruimte. Uiteindelijk vlakt de bodem van de “kom” af naarmate het overliggende gesteente inklinkt en de snelheid van verdere zetting afneemt. Door de verandering in dikte van de beschermde laag te volgen, berekent het team een expansiedeformati percentage; wanneer dit percentage een drempelwaarde overschrijdt, wordt de kolenlaag als volledig drukontlast beschouwd en is die veel minder vatbaar voor hevige calamiteiten.

Een veilige zone ondergronds uittekenen

Door vervormings- en spanningsresultaten te combineren, schetsen de auteurs de driedimensionale vorm van de effectieve drukontlastende beschermingszone. Ze constateren dat het ontspannen gebied in de bovenlaag niet precies boven het uitgewerkte gebied ligt maar naar binnen verschoven is langs zowel de lengte als de breedte van het werkende front. Langs de lengte begint en eindigt de beschermde zone ongeveer 35–40 meter binnen de werkelijke winning; langs de breedte is deze teruggelegd met ongeveer 11–14 meter. Binnen dit verschoven gebied daalt de verticale spanning onder een kritische waarde van ongeveer 16,9 megapascal en overschrijdt het expansiedeformati percentage de standaard die in de Chinese veiligheidsvoorschriften wordt gehanteerd. In praktische termen biedt de studie mijnplanners duidelijke hoeken en afstanden die aangeven waar gasafvoer en toekomstige winning van de bovenlaag met verminderd risico op kolen- en gasuitbarstingen kunnen worden uitgevoerd.

Bronvermelding: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Trefwoorden: kolenlaagwinning, gasafvoer, gesteentebreuken, mijnveiligheid, numerieke simulatie