Stabilność górotworu wokół chodników w masywach skalnych z uskokami: mechanizmy i wpływ optymalizacji rozplanowania

Dlaczego spękana skała ma znaczenie głęboko pod ziemią

Daleko pod powierzchnią Ziemi kopalnie węgla opierają się na długich korytarzach, czyli chodnikach, drążonych w skale. Te przejścia muszą być stabilne, aby pracownicy mogli bezpiecznie się przemieszczać, a urządzenia działać. Skała rzadko jest jednak idealna: przecinają ją naturalne spękania i uskoki, które pod wpływem naprężeń mogą się rozwijać i łączyć, czasem prowadząc do zawałów. Badanie to stawia praktyczne pytanie o skutkach mających znaczenie dla bezpieczeństwa: jak zachowują się te ukryte pęknięcia, gdy kopalnie schodzą na większe głębokości i jak można zoptymalizować rozplanowanie chodników, aby zapobiec degradacji otaczającej skały?

Jak naukowcy odtworzyli rozdrobnioną skałę

Aby zbadać problem w kontrolowanych warunkach, badacze najpierw przygotowali w laboratorium próbki przypominające skałę. Zamiast stosować naturalną skałę, trudną do precyzyjnego spękania, odlali bloki betonowe z pojedynczym, sztucznie wprowadzonym pęknięciem pod różnymi kątami, od poziomego do pionowego. Jakość każdej próbki sprawdzono falami ultradźwiękowymi, potwierdzając, że tylko centralny obszar zawierał wyraźne spękanie, podczas gdy reszta materiału pozostawała jednorodna. Próbki były następnie ściskane w maszynie wytrzymałościowej, aby obserwować, gdzie i jak zaczynają się nowe rysy, jak się rozwijają i jak ostatecznie dochodzi do zniszczenia próbki.

Od modeli stołowych do komputera-„skały”

Same testy laboratoryjne nie oddają pełnej złożoności rzeczywistych kopalń, więc zespół zbudował szczegółowe modele komputerowe spękanych próbek, stosując metodę elementów dyskretnych. W tej wirtualnej skale materiał podzielono na wiele małych, wielokątnych bloków, które mogą się przesuwać, rozdzielać lub miażdżyć wzajemnie — podobnie jak rzeczywiste ziarna skały. Poprzez staranne dostrojenie modelu tak, by jego wytrzymałość i wzory uszkodzeń odpowiadały testom fizycznym, badacze mogli zaufać modelowi przy badaniu wielu scenariuszy niedostępnych w laboratorium, w tym wpływu rosnącego ciśnienia otoczenia, typowego dla większych głębokości, na wzrost spękań.

Co dzieje się z pęknięciami pod obciążeniem

Symulacje i eksperymenty razem wykazały, że kąt pierwotnego pęknięcia silnie determinuje rozprzestrzenianie się uszkodzeń, szczególnie gdy pęknięcie jest nachylone w przybliżeniu między 30 a 60 stopni. W tym zakresie nowe rysy zwykle zaczynają się blisko istniejącego pęknięcia i rosną w kierunkach, które stopniowo się z nim wyrównują. W miarę wzrostu ciśnień zewnętrznych — analogicznych do schodzenia w głąb — pękanie staje się bardziej ograniczone do bezpośredniego otoczenia pęknięcia zamiast rozprzestrzeniać się po całej skale. Ogólna wytrzymałość próbek wykazuje wyraźny trend w kształcie litery V względem kąta spękania: skała jest stosunkowo mocna, gdy pęknięcie jest niemal poziome lub prawie pionowe, ale wyraźnie słabsza przy kątach pośrednich, w których pęknięcia łatwiej się łączą.

Projektowanie bezpieczniejszych układów chodników

Wyposażeni w tę wiedzę na małą skalę, badacze zwrócili się do rzeczywistych rozplanowań kopalń z wieloma bliskimi sobie chodnikami. Korzystając z walidowanych modeli, zasymulowali, jak naprężenia wynikające z ciężaru nadkładu i eksploatacji węgla powodują powstawanie stref plastycznych — obszarów, gdzie skała uległa plastycznemu odkształceniu i pękaniom — wokół każdego chodnika. Stwierdzili, że wraz ze wzrostem ogólnego poziomu naprężeń odkształcenia rosną gwałtownie, a strefy plastyczne pogłębiają się. Gdy dwa chodniki są umieszczone zbyt blisko siebie, strefy te mogą się połączyć, tworząc rozległy osłabiony obszar zagrażający obu tunelom. Obraz modelu potwierdziły pola obserwacji z odwiertów w działającej kopalni węgla: płytkie warstwy stropu nad ściśle rozmieszczonymi chodnikami były silnie spękane, podczas gdy głębsze warstwy pozostały względnie nienaruszone.

Jak to wpływa na bezpieczeństwo kopalni węgla

Badanie dochodzi do praktycznej zasady: zachowanie odstępu między głównymi chodnikami większego niż około pięć razy promień chodnika (czyli w przybliżeniu ponad 15 metrów w badanym przypadku) pomaga zapobiec nakładaniu się stref spękań i poprawia długoterminową stabilność. Podkreśla również, że wysokie naturalne naprężenia gruntowe, w połączeniu z dodatkowymi naprężeniami wytwarzanymi przez wydobycie, są głównymi czynnikami napędzającymi wzrost pęknięć i pogłębianie uszkodzeń. W praktycznym ujęciu praca ta pokazuje, jak staranne planowanie położenia tuneli — oparte zarówno na eksperymentach, jak i realistycznych symulacjach — może znacząco zmniejszyć ryzyko awarii skały, chronić pracowników i obniżyć koszty utrzymania w głębokich kopalniach węgla oraz podobnych projektach podziemnych.

Cytowanie: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Słowa kluczowe: chodniki kopalniane, skała spękana, stabilność podziemna, odstępy między chodnikami, modelowanie metodą elementów dyskretnych