Badania nad technologią kontroli otoczenia skał przy ścinaniu stropu i odciążeniu dla przyściennego obsypania w zachowaniu chodnika przy zrobach wielkowymiarowego pola eksploatacji

Utrzymanie podziemnych tuneli otwartych i bezpiecznych

Głębokie kopalnie węgla polegają na długich tunelach do przemieszczania ludzi, maszyn i urobku. Gdy jednak węgiel zostaje wydobyty, skały nad nim mogą się przesuwać i ściskać te chodniki, stwarzając poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa i straty ekonomiczne. Niniejsze badanie koncentruje się na chińskiej kopalni i stawia praktyczne pytanie: jak inżynierowie mogą zaprojektować obszar po wyrobisku i elementy podparcia, aby kluczowy chodnik mógł bezpiecznie pozostać otwarty dla następnej turu wydobycia, zamiast go porzucać i budować od nowa?

Dlaczego zachowanie jednego chodnika ma znaczenie

Nowoczesne kopalnie często stosują bardzo wysokie ściany eksploatacyjne, które usuwają grube pokłady węgla w jednym przejściu, zwiększając wydobycie, ale jednocześnie silnie naruszając otaczające skały. Tradycyjnie pozostawiano gruby filar nietkniętego węgla, by chronił pobliskie chodniki. Taki filar jednak blokuje cenny węgiel i zmusza do dodatkowych prac chodnikowych. Technika zwana zachowaniem chodnika przy zrobach oferuje inteligentniejszą opcję: utrzymać chodnik tuż obok obsypanego wyrobiska (tzw. zrob) i zastąpić filar specjalnie wzniesioną przyścienną przegrodą. Jeśli ten chodnik pozostanie stabilny, kopalnia odzyska więcej węgla, zmniejszy koszty rozwoju i poprawi ogólną wydajność.

Kiedy skała i ściana nie dają rady

Autorzy analizują, co idzie nie tak, gdy inżynierowie polegają wyłącznie na przyściennej ścianie. W wysokich, szerokich ścianach nadkład skalny ugina się i łamie na większym rozpiętości, generując silne, przesuwające się obciążenia. Wąska ściana musi przejąć znaczną część tego ładunku. Jeśli ściana jest mocna, ale zbyt sztywna, w jej wnętrzu mogą narastać ekstremalne naprężenia, prowadzące do pęknięć lub rozszczepienia. Jeśli zaś jest słabsza, może się wypuklać i zmniejszać przestrzeń tunelu, ściskając strop i ściany. W innych przypadkach mocna przegroda połączona ze słabym stropem powoduje, że skała nad chodnikiem ślizga się i osuwa, prowadząc do lokalnych zawałów stropu. Krótko mówiąc, samo wzniesienie ściany obok zrobu nie wystarcza, by sprostać gwałtownym przemieszczeniom skał nad grubą eksploatowaną ławą.

Ścinanie stropu, by okiełznać obciążenie

Aby rozwiązać ten problem, badacze proponują połączone podejście nazwane „wzmocnione podparcie plus odciążenie przez cięcie stropu”. Pomysł polega na proaktywnym przecięciu skośnej szczeliny przez twardą skałę nad chodnikiem, po stronie zrobu. Ten cięcie osłabia połączenie między stropem chodnika a kluczowymi warstwami skalnymi, kierując nadkład do łamania i osiadania w stronę wyrobiska zamiast zwieszania się nad drogą jak ogromny sztywny dźwigar. Jednocześnie sam chodnik jest wzmocniony gęstym układem kotew, lin stalowych, podpór hydraulicznych oraz betonowej przyściennej ściany, która może przejmować obciążenie, a jednocześnie pozwalać na kontrolowane przemieszczanie.

Znajdowanie optymalnego rozwiązania za pomocą testów wirtualnych

Wykorzystując trójwymiarowe symulacje komputerowe skalibrowane do rzeczywistej kopalni (ściana robocza 2507), zespół zmieniał trzy parametry projektowe: jak wysoko sięga cięcie stropu, kąt cięcia oraz szerokość przyściennej ściany. Śledzili wielkość zwaną naprężeniem odkształceniowym (dewiatorowe), będącą miarą intensywności odkształcenia skały, aby zobaczyć, gdzie skała jest najbardziej narażona na zawieszenie. Symulacje wykazały, że cięcie stropu na około 15 metrów, sięgające mniej więcej 70 procent głównej warstwy stropowej, znacząco obniża naprężenia wokół chodnika. Kąt cięcia 15 stopni dawał zrównoważony podział obciążenia między stroną z węglem a przyścienną ścianą, sprzyjając uporządkowanemu zapadaniu skał do zrobu zamiast niebezpiecznych wiszących bloków. Jeśli chodzi o ścianę, szerokości 0,5–1,0 metra okazywały się zbyt słabe i powodowały poważne odkształcenia, podczas gdy szerokość około 1,5 metra dawała najlepsze połączenie wytrzymałości i elastyczności.

Dowód z monitoringu w rzeczywistości

Optymalny projekt został następnie przetestowany w kopalni. Instrumenty mierzyły przemieszczenia stropu, siły w kablach kotwiących oraz naciski na betonową ścianę w miarę posuwania się ściany wydobywczej i pozostawiania chodnika przy zrobach. Ugięcie stropu po stronie cięcia utrzymywało się poniżej około 120 milimetrów, a obciążenia kabli i naciski na ścianę wzrastały do szczytów, po czym ustabilizowały się poniżej granic projektowych. Takie zachowanie pokazało, że cięcie stropu skutecznie zmniejszyło obciążenie przenoszone bezpośrednio przez chodnik, a wzmocnione elementy podparcia współdziałały zamiast być przeciążone lub ulegać nagłej awarii.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego, mądrzejszego górnictwa

Dla osób spoza specjalności wniosek jest taki, że staranne „wstępne rozbijanie” twardej skały nad chodnikiem, połączone z solidnym, lecz elastycznym podparciem, może utrzymać niezbędne drogi podziemne otwarte nawet wtedy, gdy w pobliżu usuwane są ogromne fragmenty węgla. Poprzez wybór odpowiedniej wysokości cięcia, kąta cięcia i szerokości ściany inżynierowie mogą sterować sposobem łamania się skały i podziałem obciążenia. W tym przypadku cięcie stropu o wysokości 15 metrów i kącie 15 stopni oraz przyścienna ściana o szerokości 1,5 metra stworzyły stabilny, wielokrotnego użytku chodnik obok zrobu. Oznacza to większe odzyskiwanie węgla, mniej nowych chodników do drążenia oraz bezpieczniejsze środowisko pracy dla górników pracujących głęboko pod ziemią.

Cytowanie: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Słowa kluczowe: górnictwo węgla, wspornictwo skał, cięcie stropu, chodnik przy zrobach, stabilność podziemna