Badanie mechanizmu i technik zapobiegania dynamicznym katastrofom w prawie pionowych, nadmiernie grubych pokładach węgla

Dlaczego głębokie wydobycie węgla może nagle stać się niebezpieczne

W miarę jak świat nadal polega na węglu jako źródle energii i surowcu przemysłowym, zakłady wydobywcze zmuszone są do sięgania coraz głębiej i eksploatowania trudniejszych struktur geologicznych. W niektórych rejonach zachodnich Chin najgrubsze pokłady węgla stoją niemal pionowo, jak książki na półce. Eksploatacja takich prawie pionowych pokładów doprowadziła do gwałtownych podziemnych „katastrof dynamicznych” – nagłych zawałów i wybuchów skały, które mogą zniszczyć sprzęt i zagrażać życiu górników. Badanie koncentruje się na jednej z takich kopalń, Wudong w Xinjiangu, aby zrozumieć, dlaczego te katastrofy występują i jak im zapobiegać.

Pokłady węgla stojące na krawędzi

Dla większości ludzi warstwy węgla zalegają mniej więcej poziomo pod ziemią. W Wudong jednak główne pokłady mają grubość 28 i 40 metrów i nachylone są pod kątem około 85–87 stopni, niemal pionowo. Pomiędzy nimi znajduje się masywny filar skalny. Gdy górnicy wydobywają poziome warstwy węgla na różnych poziomach, pozostają za nimi duże puste przestrzenie (wyrobiska). W tak stromych pokładach grawitacja działa nie tylko pionowo w dół, lecz także bocznie, wywierając nietypowe naprężenia na dachy, stropnice i centralny filar skalny. Wcześniejsze wypadki w tym rejonie – kilka wysokiej energii wybuchów skały powiązanych z filarem i dachem – pokazały, że te struktury mogą gromadzić i nagle uwalniać ogromne ilości energii.

Jak filary skalne i dachy magazynują ukrytą energię

Badacze połączyli modelowanie matematyczne, testy laboratoryjne próbek skał, pomiary pod ziemią oraz skalowane modele fizyczne, aby śledzić, jak masyw skalny odkształca się w miarę postępu wydobycia. Stwierdzili, że po usunięciu węgla otaczającego filar, zachowuje się on jak olbrzymi belkar cantileverowy, powoli zginający się w stronę jednego z wyrobisk. To zginanie i obrót ściska oraz podważają fragmenty węgla po obu stronach, gromadząc energię odkształcenia zarówno w filarze, jak i węglu. Obliczenia wykazały, że pierwsze pęknięcia filara zaczynają się, gdy odsłonięte zostanie około 150 metrów, a awaria na dużą skalę rozwija się, gdy niepodparta wysokość osiąga około 350 metrów. Monitorowanie mikrosejsmiczne – w zasadzie podziemne „nasłuchiwanie” drobnych wstrząsów skalnych – potwierdziło intensywne uszkodzenia i zdarzenia o dużej energii w filarze na tych głębokościach.

Przewracające się dachy, ślizgające się stropy i gwałtowne zapadanie

Warstwy skalne nad pokładami zachowują się równie krytycznie. Ponieważ pokłady są prawie pionowe, dach nie jest ściskany w zwykły sposób pionowo w dół; zamiast tego ma tendencję do przechylania się w stronę pustych przestrzeni. Modele zespołu i duża symulacja laboratoryjna wykazały, że bezpośredni dach może wisieć bez podparcia nawet ponad 40 metrów, zanim ulegnie awarii. Gdy dochodzi do zawalenia, górne warstwy głównie przewracają się – jak rzędy książek – podczas gdy niższe warstwy mogą także opaść lub ześlizgnąć się. Odłamki skalne następnie toczą się i obracają do wyrobiska, niekiedy tworząc tymczasowe trójkątne podpory, które później ponownie się załamują. Spąg pod niższym pokładem jest również obciążany, a następnie nagle odciążany w miarę postępu wydobycia, co predysponuje go do ścinania i ślizgania się. Razem zginające się filary, zwisające dachy i osłabione stropy tworzą silne naprężenia statyczne i, gdy w końcu pękają, potężne uderzenia dynamiczne, które mogą wywołać wybuchy skały.

Od zrozumienia zagrożenia do zmiany skały

Świadomi, że katastrofy wynikają z połączenia wysokich naprężeń statycznych i nagłych zakłóceń dynamicznych, autorzy skupili się na sposobach odprowadzenia energii zanim wyrządzi szkody. Ich rozwiązanie polega na celowym osłabieniu wybranych stref skalnych przy użyciu strzałów. Wykonują dwa zestawy odwiertów – płytkie i głębokie – zarówno w dachu, jak i w spągu przed frontem wydobywczym, a następnie odpalają kontrolowane ładunki wybuchowe. Powstaje trójwymiarowa „strefa buforowa” popękanej skały, która przekierowuje i zmiękcza poziome naprężenia pochodzące od filara i otaczających warstw. Symulacje komputerowe wykazały, że w porównaniu z brakiem strzałów te działania mogą obniżyć poziome naprężenie przed czołem węgla nawet o około jedną piątą, przy czym najlepsze wyniki w ich scenariuszach dawały strzały w odwiertach płytkich.

Pomiary skuteczności ochrony

Aby przetestować technikę pod ziemią, zespół zastosował dwa rodzaje monitoringu. Po pierwsze śledzili promieniowanie elektromagnetyczne naturalnie emitowane podczas pękania węgla i skał. Po strzałach poziomy emisji w strefie poddanej zabiegowi spadły o niemal 30 procent w skale i około 13 procent w węglu, wskazując na zmniejszenie naprężeń. Po drugie przeanalizowali dane mikrosejsmiczne z miesiąca przed i miesiąca po strzałach. Bezpośrednio po wybuchach liczba i energia zdarzeń mikrosejsmicznych wzrosła, gdy pęknięcia się otwierały i uwalniana była zgromadzona energia. Z czasem zarówno częstotliwość, jak i energia spadły, co sugeruje, że masyw skalny stał się bardziej stabilny i mniej podatny na gwałtowne uszkodzenia.

Uczynienie głębokiego, stromego wydobycia węgla bezpieczniejszym

Dla osoby nietechnicznej główny wniosek jest taki, że najgroźniejsze siły w stromych, nadmiernie grubych pokładach węgla są w dużej mierze niewidoczne: powolne zginanie i zwisanie masywnych płatów skalnych, które cicho gromadzą energię, aż coś ustąpi. Badanie pokazuje, że rozumiejąc, gdzie i jak ta energia narasta – głównie w centralnym filarze skalnym i zwisających dachach – inżynierowie mogą wcześnie interweniować i ostrożnie osłabić skałę w wybranych strefach. Właściwie przeprowadzone kontrolowane uszkodzenie działa jak zawór bezpieczeństwa, obniżając naprężenia, zmniejszając skalę nagłych uwolnień i ograniczając prawdopodobieństwo wybuchów skały. Podejście to oferuje praktyczną drogę do bezpieczniejszego wydobycia w niektórych z najbardziej wymagających złóż węgla na świecie.

Cytowanie: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

Słowa kluczowe: wybuch skały, bezpieczeństwo pracy w kopalniach węgla, strome pokłady węgla, odciążające strzały, zawalenie filaru skalnego