Mechanizm i zastosowanie kotwienia rozwierconego dna otworu w kształcie odwróconego klinu w glinistym drogownictwie cementowanym

Utrzymanie delikatnych korytarzy kopalnianych

Głęboko pod ziemią wiele chodników kopalnianych przebiega przez miękkie, bogate w ił skały, które pęcznieją, pełzają i kruszeją z czasem. Tradycyjne stalowe obudowy, a nawet nowoczesne kotwy skalne często tracą uchwyt w miarę odkształcania się tej słabej skały, zwiększając ryzyko zawalania stropu i kosztownych napraw. W tym badaniu analizuje się nowy sposób bardziej pewnego „zakotwiczenia” elementów nośnych poprzez przekształcenie samego końca otworu wiertniczego — tak by skała i żywica dosłownie zablokowały się jak klin, utrzymując chodniki bezpieczniej i stabilniej na dłużej.

Dlaczego trudno utrzymać chodniki w miękkiej skale

Wiele chińskich chodników węglowych przebija się przez skały iłowe lub zespalane iłem, zawierające minerały osłabiające się pod wpływem wilgoci. Te skały mają słabe spoiwo, niską wytrzymałość i mają tendencję do pęcznienia oraz zamieniania się w masę mulejącą po zetknięciu z wodą. Pod stałym naciskiem górniczym ściany i strop chodnika pełzają i deformują się. Stalowe ramy, które początkowo wydają się skuteczne, mogą finalnie wbić się w miękką podłogę, gdy ta wypiętrza się, podczas gdy strop zapada się i pęka. Kotwy skalne, będące obecnie główną metodą podparcia, mają za zadanie związać ze sobą słabe warstwy skały. Jednak w takich warunkach żywica używana do sklejenia kotwy z ścianką otworu często odseparowuje się od skały, szczególnie pod wpływem drgań i wilgoci, co powoduje szybkie osłabienie siły kotwienia.

Ukształtowanie końca otworu jak klin

Naukowcy skoncentrowali się na prostym, lecz skutecznym pomyśle: zamiast pozostawiać dno otworu cylindryczne, powiększają je w kształt odwróconego klina za pomocą specjalnego narzędzia rozwiercającego. Kotwa jest następnie osadzana w tej rozszczelnionej wnęce przy użyciu żywicy. W praktyce kotwa przestaje polegać wyłącznie na sklejeniu na gładkiej ścianie; zostaje mechanicznie zablokowana w szerszej kieszeni skały. Zespół opracował model mechaniczny dzielący kotwę na trzy strefy wzdłuż długości: odcinek wolny przy wylocie chodnika, normalną strefę kotwienia oraz rozwierconą strefę kotwienia na samym końcu. Posługując się równaniami mechaniki skał wykazali, że taka kieszeń w kształcie klina znacząco zwiększa siły ciecia i docisku na styku żywica–skała, podnosząc opór osiowy kotwy nawet gdy gdzie indziej zaczyna występować poślizg.

Od równań do modeli laboratoryjnych i testów wyrywania

Aby przetestować pomysł, zespół stworzył skalowane modele ściany chodnika z materiałów mieszanych tak, by naśladować słabą, niskowytrzymałościową skałę miękką. Wywiercili otwory pod kotwy w rurach PVC, a następnie ręcznie rozwiercali dno otworu, formując odwrócone kliny o różnych długościach, średnicach i kątach. Używając powszechnej żywicy górniczej (K2335), najpierw sprawdzili, jak dobrze żywica się miesza i utwardza w tych rozszczelnionych wnękach. Gdy klin był zbyt duży lub zbyt długi, fragmenty żywicy pozostawały słabo wymieszane i nieutwardzone. Zdefiniowali „wskaźnik utwardzenia”, aby ilościowo określić, jaka część żywicy w pełni stwardniała. Najlepsze połączenie okazało się mieć długość rozwierconą 100 mm, maksymalną średnicę 58 mm oraz kąt klina 9°, przy czym wskaźnik utwardzenia wyniósł 92,9%, co oznacza, że wnęka była gęsto i równomiernie wypełniona.

Mocniejszy chwyt przed i po uszkodzeniu

Następnie badacze przeprowadzili testy wyrywania w laboratorium, porównując standardowe kotwy z kotwami zakotwionymi w tych kieszeniach w kształcie klina, przy tej samej łącznej długości kotwienia. W obu przypadkach siła ciągnięcia wzrastała wraz z przemieszczeniem aż do szczytu, a potem spadała, gdy zaczynał się poślizg między żywicą a skałą. W przypadku zwykłych kotew spadek był gwałtowny, a pozostała siła niska, pochodząca głównie z słabego tarcia ślizgowego. Natomiast kotwy w odwróconej kieszeni klinowej nadal przenosiły dużą siłę resztkową po rozpoczęciu poślizgu, ponieważ rozszerzony kształt mechanicznie uniemożliwiał pełne wyciągnięcie. Symulacje numeryczne potwierdziły to: przy tym samym obciążeniu 160 kN średnie naprężenie styczne w strefie kotwienia wzrosło o około 47% dzięki konstrukcji klina, a koncentracja naprężeń przesunęła się korzystnie w kierunku rozwierconej sekcji zamiast skupiać się wyłącznie przy dnie otworu.

Weryfikacja pomysłu w prawdziwej kopalni węgla

Zespół następnie zastosował metodę pod ziemią w chodniku o miękkiej skale w kopalni w prowincji Shanxi. Wywiercili i rozwiercili dna otworów przy pomocy zaprojektowanego przez siebie narzędzia jednoskrzydłowego, wprowadzili do rozwierconej kieszeni naboje z żywicą i mieszali je z kotwą aż żywica wypełniła i chwyciła zarówno rozdrobnioną, jak i nienaruszoną skałę. Monitorowanie trzech kotew stropowych wykazało, że ich siły osiowe wzrastały wraz z deformacją otaczającej skały, a następnie stabilizowały się na wysokim poziomie, bez szybkiej utraty podparcia często obserwowanej przy konwencjonalnym kotwieniu. Pomiary osiadania stropu potwierdziły, że chodniki zabezpieczone kotwami rozwierconymi w kształcie odwróconego klina miały znacznie mniejsze osiadanie niż te z kotwami standardowymi, co wskazuje na bezpieczniejszy i stabilniejszy chodnik.

Co to oznacza dla bezpieczeństwa kopalni

Dla czytelnika niebędącego specjalistą najważniejsze jest to, że przekształcenie ukrytego końca otworu kotwy może znacząco poprawić bezpieczeństwo tunelu. Wycięcie małej kieszeni w kształcie klina w skale i wypełnienie jej żywicą oraz stalą tworzy rodzaj podziemnej główki kotwy, którą trudniej wysunąć i która rzadziej traci siłę z upływem czasu. Badanie pokazuje, że przy starannie dobranych wymiarach ta konstrukcja nie tylko zwiększa początkową nośność, ale także utrzymuje dużą część tej wytrzymałości nawet po wystąpieniu pewnego poślizgu. Dla kopalń węgla drążących przez kruche, wrażliwe na wodę skały taka ulepszona metoda kotwienia może zmniejszyć liczbę zawaleń stropu, obniżyć koszty utrzymania i poprawić bezpieczeństwo pracy pod ziemią.

Cytowanie: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Słowa kluczowe: chodnik w miękkiej skale, kotwienie kotwą skalną, tunel kopalni węgla, otwór rozwiercony pod kotwę, wspornik gruntu