Dlaczego strzały mogą zatrząść korytarzem kopalnianym
Współczesne kopalnie węgla często stosują kontrolowane wybuchy, by odciążyć skałę nad wyrobiskami i zapobiec niebezpiecznym wyrzutom skalnym. Każdy ładunek detonuje jednak również silne fale uderzeniowe przenoszone przez przestrzeń pod ziemią. Niniejsze badanie stawia praktyczne pytanie o znaczeniu dla bezpieczeństwa: jaka ilość materiału wybuchowego może być użyta bezpiecznie, zanim strop lub ściany wyrobiska nagle się zawalą, i jak inżynierowie mogą uprzednio przewidzieć ten punkt krytyczny?
Obraz napiętego tunelu pod ziemią Rysunek 1.
Naukowcy skupili się na głębokiej kopalni węgla w Songshan, Chiny, gdzie strop wyrobiska zbudowany jest z grubych, warstwowych piaskowców, natomiast ściany z węgla są stosunkowo miękkie i słabe. Aby zmniejszyć ekstremalne naprężenia związane z eksploatacją, inżynierowie wiercą w stropie głębokie otwory przed ścianą roboczą i wypełniają je materiałem wybuchowym. Po detonacji ładunki celowo rozczepiają i osłabiają mocny strop, tak by uległ kontrolowanemu zawaleniu, zamiast gwałtownego i nieprzewidywalnego. Te same wybuchy jednak także wstrząsają samym wyrobiskiem. Silne wibracje mogą doprowadzić do tego, że już naprężona skała wokół tunelu przekroczy punkt krytyczny, wyzwalając nagłą, „katastrofalną” deformację zamiast stopniowego, kontrolowanego ruchu.
Przekształcenie ruchu skały w bilans energetyczny
Aby zrozumieć, kiedy może wystąpić takie nagłe uszkodzenie, autorzy potraktowali warstwowy strop nad wyrobiskiem jako prostą belkę opartą na podporach. Sformułowali równanie dla całkowitej energii zgromadzonej i uwalnianej w tej belce, uwzględniając zginanie skały, ciężar zalegających warstw, opór systemów podparcia, takich jak kotwy, oraz dodatkowy impuls od wibracji strzałowych. Wykorzystując dział matematyki zwany teorią katastrof, przekształcili ten wyraz energii do standardowego modelu „grzebienia” (cusp), który opisuje układy pozostające w spoczynku, a następnie gwałtownie przechodzące w nowy stan po przekroczeniu progu. W tym ujęciu ilość materiału wybuchowego i siła podparcia działają jak regulatory, a ugięcie stropu jest odpowiedzią układu.
Ile materiału wybuchowego to za dużo? Rysunek 2.
Z modelu grzebienia zespół wyprowadził wzory na krytyczne obciążenie wybuchowe, a stąd krytyczny ładunek materiału wybuchowego dla stropu. Jeśli rzeczywisty ładunek jest poniżej tej wartości, strop może wchłonąć zakłócenie i pozostać stabilny; jeśli ją przekracza, model przewiduje nagłą utratę stabilności. Podobne podejście zastosowano do ścian, które mogą ulec uszkodzeniu przez kombinację pionowego pękania i ślizgu wzdłuż osłabionych stref. Autorzy zbudowali mechaniczny model potencjalnego bloku ślizgowego z węgla i skały, ponownie zapisali wyrażenie całkowitej energii i zastosowali teorię katastrof, aby otrzymać drugą granicę krytycznego ładunku dla stabilności ścian. W obu przypadkach wyniki pokazują, że większe ładunki, krótsze odległości od źródła wybuchu oraz słabsze skały lub podparcia obniżają bezpieczny limit.
Czego kopalnia Songshan nauczyła model
Posiadając laboratoryjne pomiary wytrzymałości skał, polowe pomiary wibracji wybuchowych oraz geometrię wyrobiska 2205 przy ścianie roboczej w kopalni Songshan, badacze obliczyli konkretne wartości krytycznego ładunku. Warstwowy strop teoretycznie mógłby znosić niemal 100 kilogramów materiału wybuchowego na cykl detonacji, podczas gdy bardziej kruchy profil ścian ograniczał bezpieczny ładunek do około 93 kilogramów. Kopalnia początkowo stosowała tylko 26 kilogramów na cykl, by unikać uszkodzeń, co spowalniało prace. Kierując się nowymi kryteriami, inżynierowie zwiększyli ładunek do około 79 kilogramów — znacznie poniżej obliczonego limitu, lecz na tyle dużego, by poprawić wydajność. Monitorowanie wykazało jedynie niewielkie dodatkowe osiadanie stropu (5 milimetrów) i skromne przemieszczenie ścian (11 milimetrów) w dniach po strzałach, potwierdzając, że wyrobisko pozostało stabilne.
Praktyczne zasady bezpieczniejszego strzelania
Dla osób niezajmujących się specjalistycznie tematem główny przekaz jest taki, że niebezpieczne zawalenia tuneli wywołane strzałami nie są przypadkowe: pojawiają się, gdy energia wibracji przesuwa system skalny poza matematycznie definiowalny punkt krytyczny. Łącząc pomiary własności skał, geometrię tunelu, siłę podparcia i wibracje ładunku, badanie daje wzory na maksymalny bezpieczny ładunek materiału wybuchowego dla stropu i ścian. Wyróżnia też jednoznaczne dźwignie poprawy bezpieczeństwa: zwiększać podparcie, przesuwać wybuchy dalej od wyrobiska, usztywniać słabą skałę technikami takimi jak iniekcje i ograniczać ładunek na jeden strzał. Stosowane łącznie, te środki pozwalają kopalniom wykorzystywać skuteczne, głębokie strzały do kontroli naprężeń stropu, przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa podziemnych wyrobisk i osób w nich pracujących.
Cytowanie: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
Słowa kluczowe: głębokie wiercenie i strzały, wyrobisko kopalniane, stabilność masywu skalnego, podparcie stropu i ścian, teoria katastrof
