Badanie racjonalnego położenia wyrobiska górniczego pod wielokrotną strukturą nadkładu w płytko zalegającej, blisko położonej pokładzie węgla: studium przypadku

Utrzymanie bezpieczeństwa pod ziemią

Głęboko pod stepami Mongolii Wewnętrznej górnicy pracują w labiryncie tuneli, które muszą pozostać stabilne, gdy miliony ton skał naciskają od góry. To badanie stawia pozornie proste, lecz o konsekwencjach życia lub śmierci pytanie: gdzie dokładnie należy umieścić nowe wyrobisko w kopalni, która już była intensywnie eksploatowana, aby pozostało jak najbezpieczniejsze i jak najbardziej stabilne?

Dlaczego stare wyrobiska nadal mają znaczenie

W wielu polach węglowych północnych Chin pokłady węgla leżą blisko siebie, czasem w odstępach mniejszych niż 40 metrów. Kopalnie zwykle rozwija się od góry w dół, więc gdy dolny pokład jest gotowy do eksploatacji, warstwy nad nim mogą być już pełne pustek (tzw. zabiegi) i solidnych bloków pozostałego węgla (filarów). Te filary przejmują dużą część ciężaru nadległych skał. Dodatkowe obciążenie powoduje powstanie w skałach wokół nich stref bardzo wysokich naprężeń. Jeśli nowe wyrobisko — poziomy tunel służący do wentylacji, transportu i dostępu ludzi — zostanie wykopane w niewłaściwym miejscu pod tą złożoną strukturą, strop i podsadzenie mogą się znacznie odkształcić, elementy podparcia mogą zawieść, a w efekcie mogą wystąpić poważne wypadki.

Jak strop skalny pęka i osiada

Naukowcy skupili się na Kopalni Węgla Shigetai w Mongolii Wewnętrznej, gdzie nowy pokład o nazwie 3‑2‑2 leży tuż pod starszym, eksploatowanym pokładem 3‑2‑1. Najpierw musieli zrozumieć, jak warstwy skalne nad starymi wyrobiskami pękły i osiadły. Wykorzystując ustalone teorie opisujące, jak wytrzymałe warstwy skalne się zginają, pękają i rotują podczas eksploatacji pokładu, zbudowali krokowy model struktury nadkładu. Niektóre warstwy zachowują się jak zawiasowe łuki kamienne, inne jak belki wspornikowe, a pewne stają się „warstwami krytycznymi”, które wskazują miejsca dużych złamań. Zespół połączył ten teoretyczny framework z danymi terenowymi dotyczącymi rodzajów skał i ich grubości, aby odwzorować, jak nadkład — wszystko, co znajduje się nad węglem — się rozszczepił po wielokrotnej eksploatacji kilku blisko położonych pokładów.

Symulacja ukrytego krajobrazu naprężeń

Aby przetestować i dopracować swój model strukturalny, autorzy zastosowali zaawansowane trójwymiarowe symulacje komputerowe. W jednym zestawie modeli odtworzyli sekwencję eksploatacji w rejonie i obserwowali, jak bloki skalne nad zabiegami się zginają i zapadają. Symulacje wykazały, że złamane skały nad pokładami oraz nienaruszone filary węglowe tworzą złożony „schodkowy” wzorzec osiadania, potwierdzając obraz teoretyczny. Następnie obliczyli, jak ta struktura koncentruje naprężenia w pozostałych filarach pokładu 3‑2‑1 i jak to naprężenie rozprzestrzenia się w podsadzeniu poniżej. Stwierdzili, że pionowy nacisk wzdłuż szerokości filara tworzy przy samej podstawie wzorzec w kształcie litery M, z dwoma szczytami wysokiego ciśnienia przy bokach i mniejszym, sprężystym rdzeniem w środku. W miarę zagłębiania się poniżej filara ten wzorzec stopniowo wygładza się do odwróconego U, a następnie do ostrego odwróconego V. Równocześnie ciśnienie bezpośrednio pod filarem maleje, podczas gdy ciśnienie pod sąsiednim obszarem wyeksploatowanym powoli rośnie.

Wybór najbezpieczniejszego miejsca dla nowego tunelu

Posiadając tę szczegółową mapę ukrytych naprężeń, zespół ocenił, gdzie umieścić nowe wyrobisko pokładu 3‑2‑2. Porównali dwie główne opcje pod nadległym filarem: jedno bezpośrednio pod jego krawędzią, gdzie filar jest już częściowo uszkodzony i rozładowany, oraz drugie pod stosunkowo nienaruszonym centralnym „rdzeniem” filara. Wykorzystując kolejny zestaw symulacji numerycznych, przeanalizowali, jak otaczające wyrobisko skały będą się odkształcać najpierw podczas drążenia, a potem po wybierce zbrojnej ściany. Wyniki pokazały, że gdy wyrobisko znajduje się pod sprężystym rdzeniem filara, oba boczne masywy doświadczają silnej koncentracji naprężeń i dużych przemieszczeń bocznych. Natomiast gdy wyrobisko położono pod krawędzią filara, bok pod zabiegiem przenosi znacznie mniejsze naprężenia, a całkowite odkształcenie otaczających skał jest wyraźnie mniejsze, szczególnie po pełnym wydobyciu węgla powyżej i przy znacznym zawaleniu filara.

Z modelu komputerowego do rzeczywistej kopalni

Na podstawie tych ustaleń inżynierowie w Shigetai usytuowali wyrobisko 3‑2‑2 bezpośrednio pod krawędzią nadległego filara 3‑2‑1 i zaprojektowali solidny układ kotew skalnych, stalowych lin i siatek do podparcia stropu i ścian. Pomiary terenowe następnie śledziły, o ile podłoga i strop wyrobiska zbliżają się do siebie oraz jak powiększają się spękania w otaczających skałach. Maksymalne domknięcie między stropem a podłogą wyniosło około 48 centymetrów, a nowe pęknięcia ograniczały się głównie do trzech metrów od powierzchni wyrobiska — wartości zgodne z symulacjami i uznane za akceptowalne dla bezpiecznej eksploatacji.

Co to oznacza dla przyszłego górnictwa

Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest jasne: w kopalniach, gdzie wiele cienkich pokładów węgla układa się blisko siebie, „duchy” wcześniejszych wyrobisk w dużym stopniu kształtują bezpieczeństwo nowych tuneli. Badanie pokazuje, że poprzez staranne modelowanie, jak warstwy skalne pękają i jak naprężenia koncentrują się w pozostałych filarach, inżynierowie mogą wybrać położenia wyrobisk, które omijają najbardziej niebezpieczne strefy naprężeń. W analizowanym przypadku umieszczenie nowego wyrobiska pod krawędzią, a nie środkiem starego filara, okazało się praktycznym i sprawdzonym rozwiązaniem prowadzącym do bezpieczniejszego i bardziej niezawodnego dostępu podziemnego.

Cytowanie: Miao, K., Tu, S., Tu, H. et al. Study on reasonable position of mining roadway under repeated mining overburden structure in shallow buried close distance coal seam: A case study. Sci Rep 16, 6440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37768-5

Słowa kluczowe: wydobycie węgla, mechanika skał, stabilność wyrobisk, naprężenia filara węglowego, symulacja numeryczna