Badanie prawa rozwoju spękań w nadkładowych warstwach skalnych podczas eksploatacji małego filaru w nachylonej, ekstra-grubej pokładzie węgla

Dlaczego pęknięcia nad kopalniami węgla mają znaczenie

Nowoczesne górnictwo węglowe nie tylko usuwa węgiel; przekształca też skały nad złożem i sposób, w jaki przemieszcza się gaz pod ziemią. W regionie Xinjiang na zachodzie Chin pokłady węgla są wyjątkowo grube i silnie nachylone, a górnicy często pozostawiają jedynie wąski filar węgla podtrzymujący strop. W tym badaniu postawiono praktyczne pytanie o poważnych implikacjach dla bezpieczeństwa: w jaki sposób dokładnie powstają i rozprzestrzeniają się spękania w skałach nad wyrobiskami i jak tę wiedzę można wykorzystać do utrzymania kontroli nad poziomem gazu oraz zapewnienia bezpieczeństwa pracy?

Wyzwanie związane z nachylonym, ekstra‑grubym pokładem

Większość wcześniejszych badań dotyczących spękań w skałach nad wyrobiskami koncentrowała się na pokładach prawie poziomych. Jednak w Xinjiangu główne warstwy węgla są jednocześnie bardzo grube i wyraźnie nachylone. Gdy górnicy usuwają węgiel i zostawiają mały filar, warstwy nadkładu ulegają skomplikowanemu zakłóceniu. Pęknięcia otwierają się i zamykają w czasie, tworząc kręte drogi dla przepływu lub akumulacji gazu. Jeśli inżynierowie nie potrafią przewidzieć, gdzie powstaną te strefy o wysokiej przepuszczalności, otwory odgazowujące mogą nie trafić w cele, pozostawiając niebezpieczne kieszenie gazu nad aktywnymi wyrobiskami kopalni.

Budowa kopalni w laboratorium i w komputerze

Naukowcy zastosowali kombinację skalowanych modeli fizycznych i zaawansowanych symulacji komputerowych, aby odtworzyć rzeczywiste pole eksploatacyjne — ścianę 11 002 w Kopalni Tengda. W laboratorium zbudowali dwuwymiarowy model nachylonego pokładu i nadkładu w skali 1:200. Eksploatowali ten model stopniowo z jednej strony na drugą, dodając i usuwając drewniane bloki naśladujące ruchome podpory stosowane pod ziemią. Równocześnie uruchomili trójwymiarowe symulacje numeryczne w oprogramowaniu 3DEC, które traktuje masyw skalny jako wiele współdziałających bloków i śledzi, jak zmieniają się naprężenia i pęknięcia w miarę postępu eksploatacji.

Jak łupki stropowe pękają i łamią się

Obie metody wykazały, że strop nie zapada się po prostu jednocześnie. Zamiast tego nadkład przechodzi przez trójfazowy wzorzec: na początku powstają mikropęknięcia, potem warstwy zaczynają się rozdzielać, a w końcu tworzą się duże, widoczne spękania. W miarę postępu eksploatacji najniższe warstwy zapadają się tworząc strefę wypadania wypełnioną rumoszem, podczas gdy wyższe warstwy rozwijają wysokie strefy spękań, gdzie bloki są rozdrobnione, lecz nie całkowicie odpadłe. W przypadku Tengda strefa wypadania stabilizuje się na około 25 metrach nad pokładem, a strefa spękań rozciąga się do około 80 metrów. Z powodu nachylenia pokładu odłamki mają tendencję do zsuwania się w dół stoku, powodując wyraźną asymetrię wzorca zapaści: dolna strona ściany jest bardziej zagęszczona, podczas gdy nad małym filarem węgla tworzy się klinowaty, stosunkowo nienaruszony obszar.

Pomiary i łączenie różnych perspektyw

Aby wiarygodniej ustalić wysokość stref wypadania i spękań, zespół porównał trzy rodzaje oszacowań: proste formuły inżynierskie, model fizyczny i symulację numeryczną. Każda metoda dawała nieco inne wartości, więc autorzy zastosowali schemat uśredniania ważonego, który przyznaje większy wpływ metodom o mniejszych błędach w całym zestawie wyników. Ponieważ model fizyczny najwierniej odtworzył rzeczywisty proces wydobywczy, otrzymał największą wagę. Ostateczny skumulowany wynik wskazał wysokość strefy wypadania na około 24,98 metra, a strefy spękań na 81,67 metra. Pokazali też, że naprężenia silnie koncentrują się wokół małego filaru węgla, a tempo przemieszczania się i pękania skał maleje wraz z odległością w górę od pokładu.

Przełożenie spękań skał na bezpieczniejsze odwadnianie gazu

Mając wyraźniejszy obraz położenia rozdrobnionych i wysoce przepuszczalnych skał nad wyrobiskiem, zespół zaprojektował ukierunkowany system odwadniania gazu dla ściany 11 002. Rozmieścili rzędy otworów wysokopołożonych i chodników odwadniających tak, aby przecinały przewidywane obszary o wysokiej przepuszczalności i spękaniach. Dane z eksploatacji z kilku miesięcy pokazały, że gaz był odprowadzany wydajnie, a stężenia gazu w istotnych wyrobiskach wentylacyjnych utrzymywały się daleko poniżej progu bezpieczeństwa 1%, nawet przy wydobyciu setek tysięcy ton węgla. Mówiąc prościej: praca ta pokazuje, że poprzez staranne mapowanie sposobu, w jaki strop rozpada się nad nachylonym, ekstra‑grubym pokładem z małymi filarami węgla, inżynierowie mogą umiejscawiać systemy odwadniania tam, gdzie będą najskuteczniejsze — zmniejszając ryzyko wypadków i wspierając bezpieczniejsze, bardziej efektywne górnictwo węglowe.

Cytowanie: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

Słowa kluczowe: górnictwo węgla, pęknięcia skał, odwadnianie gazu, symulacja numeryczna, bezpieczeństwo kopalni