Mechanizm odwrotnego wzrostu odkształceń w żeberku nieeksploatowanej węgielnej skały w porównaniu z żeberkiem filaru przy korytarzu przyściennym w złożu grubowarstwowym

Dlaczego podziemne chodniki mogą nagle się „zaciąć”

Gdy kopalnie węgla schodzą głębiej i eksploatują grubsze pokłady, inżynierowie wycinają długie chodniki obok rozległych pustek pozostałych po eksploatacji. Przejścia te muszą pozostać otwarte dla powietrza, ludzi i maszyn, a jednocześnie znajdują się w skałach pod ogromnym ciśnieniem. W tym badaniu analizowano zaskakujące i niebezpieczne zjawisko zaobserwowane w chińskiej kopalni: zamiast spodziewanego silniejszego zniszczenia żeberka od strony wyrobiska (filara), to rzekomo mocniejsze żeberko z nieeksploatowanego węgla od strony przeciwdziału odkształcało się znacznie bardziej. Zrozumienie, dlaczego tak się dzieje, jest kluczowe dla bezpieczniejszego i wydajniejszego górnictwa podziemnego.

Nowy rodzaj „ściskania” chodnika

We współczesnych chińskich kopalniach pokłady o grubości ponad 15 metrów są często eksploatowane metodą zmechanizowanego zawału węgla. Po usunięciu pola węglowego nadległe skały zapadają się w pustą przestrzeń, tworząc strefę gruzu zwaną gru- gobem. Nowe chodniki, określane jako korytarze przyścienne do path (gob-side entries), są wówczas drążone blisko tej strefy, pozostawiając jedynie wąski filar węgla jako bufor. Tradycyjnie oczekuje się, że ściana chodnika zwrócona w stronę gobu (strona filara węglowego) będzie odkształcać się bardziej niż ściana zwrócona ku niezmienionej skale (strona pierwotnego węgla). Jednak monitoring w panelu 8211 pokładu o grubości 15,1 m wykazał odwrotny przebieg: po około 50 dniach ściana po stronie pierwotnego węgla zaczęła przesuwać się do wnętrza chodnika bardziej niż strona filara — zjawisko, które autorzy określili jako „odwrotny wzrost odkształceń” (RDI).

Obserwacja stopniowego niszczenia skały

Zespół najpierw udokumentował, co dzieje się pod ziemią. Mierzono zbieżność obu ścian chodnika w czasie, oceniano uszkodzenia kotew, kabli i ram nośnych oraz stosowano kamery w odwiertach, by zobaczyć, jak głęboko złamał się węgiel. Obie strony wykazywały silne uszkodzenia, ale cały 8‑metrowy filar węgla był przecięty, podczas gdy strona pierwotnego węgla miała silnie rozdrobnioną strefę zewnętrzną o głębokości około 4,3 m i relatywnie mocne jądro wewnętrzne. Mierniki naprężeń pokazały, że centralna część filara przenosiła tylko niewielkie obciążenia, co sugeruje jego znaczne osłabienie, podczas gdy głębsze partie pierwotnego węgla wciąż przenosiły naprężenia zbliżone do pierwotnego ciśnienia in-situ. To połączenie — poważnie uszkodzona płytka strefa przy obu ścianach i wciąż mocna głębsza strefa pierwotnego węgla — stworzyło warunki do nieoczekiwanych przemieszczeń.

Komputerowe eksperymenty nad podziemną zagadką

Aby rozwiązać mechanizm, badacze zbudowali szczegółowy model numeryczny 3D kopalni, używając realistycznych parametrów skał i etapów eksploatacji. Zmieniali trzy główne czynniki: jak bardzo wysoki zawałowy gru bogu naciskał bokiem na filar węgla, jak szeroki był filar oraz kiedy drążono chodnik w stosunku do eksploatacji powyżej. Symulacje pokazały, że RDI pojawia się tylko wtedy, gdy kontakt gruzu z filarem osiąga wystarczającą wysokość — musi sięgać powyżej około 20 metrów. W takim przypadku pokruszony materiał w gobie działa jak sztywne boczne podparcie, usztywniając filar i ograniczając jego odkształcenie w stronę chodnika. Tymczasem wciąż nienaruszone warstwy skalne nad chodem uginają się w dół w kierunku chodnika i najsilniej naciskają na ścianę po stronie pierwotnego węgla. W rezultacie w żeberku pierwotnego węgla pojawiają się wyższe naprężenia poziome i pionowe, co powoduje jego większe wtłaczanie do chodnika niż strona filara.

Co naprawdę zmienia rozmiar filara i czas drążenia

Szerokość filara i termin drążenia chodnika okazały się modyfikować siłę RDI, ale nie decydować o jej wystąpieniu. Gdy wysokość kontaktu gruzu jest duża, wąski filar (na przykład 5–8 metrów) jest łatwo podparty przez stronę gobu i wykazuje stosunkowo mały ruch do wnętrza, podczas gdy ściana pierwotnego węgla doświadcza znacznie większych deformacji. W miarę jak filar staje się szerszy (około 30 metrów lub więcej), naprężenia i uszkodzenia po obu stronach wyrównują się i obie ściany przemieszczają się w zbliżonym zakresie. Ważny jest też czas: jeśli chodnik jest drążony wkrótce po wydobyciu górnego pola — gdy pokłady nadległe nadal się osiadają — filar ma tendencję do przesuwania się w stronę gobu, co dodatkowo zmniejsza jego ruch do wnętrza chodnika i wzmacnia RDI. Gdy warstwy nadległe ustabilizują się, RDI słabnie, ale nie znika, o ile wysokość podparcia przez gru bog pozostaje duża.

Jak inżynierowie mogą utrzymać chodnik otwarty

Na podstawie tych wniosków autorzy przetestowali w modelu i na polu kilka schematów wzmocnień. Samo dodanie większej liczby krótkich kotew nie powstrzymało silniejszego odkształcania się ściany pierwotnego węgla. Najskuteczniejszą strategią okazało się wzmocnienie obu ścian dłuższymi kotwami wraz z kablami o dużej nośności, co pozwoliło uszkodzonej zewnętrznej strefie węgla „zablokować się” z głębszą, mocniejszą skałą. Dzięki temu obciążenie rozłożyło się bardziej równomiernie między filarem a pierwotnym węglem. Pomiary terenowe po zainstalowaniu takiego połączonego osprzętu wykazały, że odkształcenia chodnika ustabilizowały się w ciągu około miesiąca, a obie ściany osiągnęły podobne, znacznie mniejsze przemieszczenia do wnętrza — spełniając wymagania bezpieczeństwa i eksploatacji.

Co to oznacza dla głębokiego wydobycia węgla

Dla osób niebędących specjalistami kluczowy przekaz jest taki, że w bardzo grubych, głęboko zalegających pokładach węgla ściana chodnika, która na papierze wydaje się bezpieczniejsza, może w rzeczywistości być pierwszą, która zawodzi. Gruz w wyrobisku, zamiast być jedynie biernym produktem ubocznym, może tak dobrze podeprzeć filar, że to strona z nieuszkodzonym węglem stanie się najsłabszym ogniwem pod zginającym się dachem skalnym. Identyfikując wysokość podparcia gruzu jako czynnik wyzwalający i pokazując, jak rozmiar filara, czas oraz wzmocnienia na siebie oddziałują, badanie dostarcza jaśniejszych wskazówek dotyczących projektowania zabezpieczeń, które utrzymają kluczowe przejścia pod ziemią otwarte i zwiększą bezpieczeństwo górników.

Cytowanie: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

Słowa kluczowe: górnictwo podziemne węgla, odkształcenia skał, kontrola podłoża, projektowanie filarów węglowych, korytarz przyścienny