Badania doświadczalne nad ewolucją odkształceń zagęszczania i charakterystyką dysypacji energii w uziarnionych masach skalnych

Dlaczego rozdrobniona skała ma znaczenie pod ziemią

Głęboko pod ziemią w kopalniach węgla chodniki często bywają częściowo wypełnione zwałami rozdrobnionej skały. To, jak szczelnie taki rumosz się układa i jak uwalnia energię podczas przemieszczania, może decydować o tym, czy gaz uwolni się bezpiecznie, czy osiągnie niebezpieczne stężenia. Niniejsze badanie analizuje, jak różne mieszanki dużych i drobnych kawałków skały ulegają ściskaniu, jak zmieniają się przestrzenie między nimi oraz ile ukrytej energii jest uwalniane w trakcie zgęszczania — wiedza, która może uczynić górnictwo bezpieczniejszym i wydajniejszym.

Jak skałę ściskano i „nasłuchiwano” jej

Naukowcy pobrali drobnokrystaliczny piaskowiec z chińskiej kopalni i rozdrabniali go na ziarna w pięciu przedziałach wielkości, od kilku milimetrów do 25 milimetrów. Przy użyciu matematycznego wskaźnika uziarnienia przygotowali pięć różnych mieszanek, od takich z przewagą drobnych cząstek po te z większą ilością grubych brył. Każdą 2,4‑kilogramową próbkę wsypywano do wytrzymałego stalowego cylindra i ściskano od góry, przy jednoczesnym bocznym utrzymaniu sztywności — analogicznie do sytuacji, gdy skała zalegająca nad wyrobiskiem naciska na rozdrobnioną wypełnię. Równolegle czułe czujniki akustyczne „nasłuchiwały” drobnych fal sprężystych powstających, gdy ziarna się ślizgały, ocierały lub pękały, przekształcając te sygnały w liczniki zdarzeń i wartości energetyczne, które śledziły wewnętrzną reorganizację szkieletu skalnego.

Trzy etapy ściskania

Analiza zależności naprężenie‑odkształcenie wykazała, że wszystkie mieszanki przechodziły przez trzy wyraźne etapy zagęszczania. Najpierw występował etap początkowy, w którym luźno ułożone cząstki przesuwały się, obracały i osiadały na nowe pozycje, powodując szybkie skracanie przy stosunkowo niskich naprężeniach. Następny był etap liniowy, w którym struktura stawała się bardziej stabilna, a dalsze zwiększanie obciążenia dawało niemal liniową zależność między naprężeniem a odkształceniem; dominowało tu łamanie ziaren i coraz bliższe kontakty między powierzchniami. W końcu pojawił się etap plastycznego konsolidowania, w którym masa skalna stawała się sztywna i odporna na dalsze skracanie: dodatkowe naprężenia powodowały jedynie niewielkie przyrosty odkształcenia, za to nasilało się lokalne miażdżenie. Mieszanki bogate w drobne cząstki osiągały te późniejsze stadia szybciej i dłużej pozostawały w końcowej fazie sztywności, podczas gdy mieszanki z przewagą grubszych elementów wymagały wyższych naprężeń, by uzyskać to samo skrócenie.

Jak zmieniają się puste przestrzenie i rozmiary cząstek

Pustki między ziarnami kurczyły się według trzyetapowego wzoru odzwierciedlającego etapy odkształcenia: szybki spadek, wolniejsze zmniejszanie się, a następnie niemal plateau w miarę zbliżania się materiału do stanu najgęstszego. Próbki z większą ilością dużych cząstek zaczynały z większą ilością pustej przestrzeni i ogólnie traciły więcej wolnej objętości, ale ich stosunek pustek malał szybciej przy niskich naprężeniach. Po ściskaniu przesiewanie wykazało, że we wszystkich mieszankach pojawiło się wiele nowych drobnych fragmentów poniżej 2,5 milimetra, podczas gdy udział największych cząstek gwałtownie spadł. Fraktalny wskaźnik złożoności uziarnienia wzrósł dla każdej próbki, a wartości końcowe skupiły się w wąskim przedziale, co oznacza, że zagęszczanie miało tendencję do wygładzania początkowych różnic między mieszankami. Mieszanki z przewagą grubych ziaren kończyły jednak z nieco prostszymi (mniej rozdrobnionymi) rozkładami wielkości niż te bogatsze w drobne frakcje.

Energetyczne szeptania i wybuchy w rumoszu

Pomiary akustyczne ujawniły, że wzory uwalniania energii także podążały za trzema etapami. We wczesnym etapie sygnały były liczne, lecz słabe, odzwierciedlając tarcie i drobne korekty między ziarnami. W etapie liniowym zarówno liczba zdarzeń, jak i ich całkowita energia znacznie rosły w miarę pękania większych cząstek i reorganizacji wewnętrznej struktury. W końcowym etapie liczba zdarzeń malała, lecz pojedyncze wyładowania energetyczne stawały się dużo silniejsze, związane z okazjonalnym łamaniem pozostałych dużych fragmentów w już sztywnym szkielecie. Mieszanki z większą ilością drobnych elementów generowały znacznie więcej zdarzeń niskoenergetycznych, podczas gdy te z przewagą dużych ziaren wytwarzały mniej, lecz dużo bardziej energetycznych wybuchów — pokazując przejście od „wielu cichych szeptów” do „rzadkich głośnych trzasków” wraz ze zmianą składu ziarnowego.

Co to oznacza dla bezpieczeństwa kopalni

Podsumowując, badanie pokazuje, że uziarnienie rozdrobnionej skały — stosunek materiału drobnego do grubych brył — silnie determinuje sposób jej zagęszczania, zamykania się porów, rozwijania się bocznych nacisków oraz sposób uwalniania zgromadzonej energii. Z czasem różne mieszanki początkowe mają tendencję do zbiegania się ku podobnie gęstym, drobno rozdrobnionym stanom, lecz podążają do nich bardzo odmiennymi drogami mechanicznymi i energetycznymi. Dla inżynierów górniczych zrozumienie tych ścieżek pomaga przewidywać, jak strefy zasypisk będą się zagęszczać, jak otwierają się lub zamykają drogi gazowe oraz kiedy mogą powstać niebezpieczne koncentracje naprężeń i energii — dostarczając naukowych podstaw do lepszego projektowania układów odwadniania gazu i poprawy kontroli zagrożeń związanych ze skałą i gazem w głębokich kopalniach węgla.

Cytowanie: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Słowa kluczowe: zagęszczanie rozdrobnionej skały, zasypisko kopalniane, materiały ziarniste, emisja akustyczna, zapobieganie zagrożeniom gazowym