Badanie charakterystyki odkształceń i technologii wspierania wyrobisk w głębokim, złożonym polu naprężeń

Dlaczego tunele kopalniane na dużej głębokości mają znaczenie dla nas wszystkich

Znaczna część energii elektrycznej i paliw przemysłowych, na których polegamy, wciąż pochodzi z węgla wydobywanego głęboko pod powierzchnią Ziemi. W miarę jak kopalnie schodzą głębiej, by dotrzeć do pozostałych pokładów, tunele służące do transportu pracowników, sprzętu i węgla muszą wytrzymać olbrzymie naciski otaczającej skały. Gdy skała się odkształca lub zapada, skutki mogą być kosztownymi naprawami, utratą produkcji lub tragicznymi wypadkami. Niniejsze badanie wyjaśnia, dlaczego wyrobiska kopalniane na dużych głębokościach w złożonych układach podziemnych tak silnie się odkształcają, i przedstawia nowe rozwiązanie mające na celu utrzymanie tych dróg życia w stanie stabilnym i bezpiecznym.

Labirynt tuneli pod ekstremalnym naciskiem

Badacze skupili się na kopalni węgla, w której główne wyrobiska leżą na ponad 800 metrach pod ziemią i tworzą trójwymiarowy labirynt. Tory, ciągi przenośnikowe, bunkry magazynowe i łączenia przecinają się pod wieloma kątami i mają różne rozmiary. Te skrzyżowania, zwłaszcza duże strefy określane jako „nos byka”, zaburzają naturalny rozkład naprężeń w otaczającej skale. Zamiast prostego, równomiernego ściskania prostego tunelu, skała na przecięciach doświadcza nakładających się pchnięć i pociągnięć z kilku kierunków, co znacznie utrudnia przewidywanie i kontrolę.

Jak i gdzie skała zaczyna ulegać uszkodzeniu

Aby poznać to ukryte zachowanie, zespół zbudował szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy sieci wyrobisk i warstw skalnych kopalni. Symulowali proces wykonywania kolejnych wyrobisk i obserwowali reakcję skały. Model ujawnił „strefy plastyczne” – obszary wokół wyrobisk, w których skała została przekroczona w zakresie nośności i zaczyna ulegać trwałym odkształceniom. W prostych odcinkach wyrobisk te uszkodzone strefy miały kilka metrów grubości. Jednak w złożonych przecięciach osłabione obszary z różnych wyrobisk nakładały się i rozszerzały, sięgając do 6,6 metra w głąb skały. To „nakładanie się i rozszerzanie” oznacza, że łuk skalny przenoszący obciążenie staje się znacznie grubszy, luźniejszy i trudniejszy do kontrolowania.

Wzorce naprężeń napędzające odkształcenia tuneli

Ponad samym mapowaniem uszkodzeń, badacze zbadali, jak kształtuje się pole naprężeń wokół wyrobisk. Skoncentrowali się na miarze zwanej naprężeniem deviacyjnym, które oddaje, w jakim stopniu skała jest odkształcana kształtowo, a nie tylko ściskana. W prostych, prostych wyrobiskach wysokie naprężenie deviacyjne tworzyło dwa półksiężycowe pasma po bokach otworu, blisko ściany. Na przecięciach te półksiężyce się poszerzały, przesuwały głębiej w skałę i stawały się silnie asymetryczne. Tam, gdzie szczytowe naprężenie deviacyjne wzrastało, strefa plastyczna również się pogrubiała. Badanie ilościowo powiązało to zjawisko: gdy to naprężenie przekroczyło około 12,6 megapascal, uszkodzona strefa urastała do pełnych 6,6 metra. W praktyce oznacza to, że miejsca przecinania się wyrobisk to dokładnie te punkty, gdzie skała najłatwiej pęka, odkształca się i zagraża systemom podparcia.

Trzystopniowa strategia podpierania dla bezpieczniejszych tuneli

Uznając, że tradycyjne jednowarstwowe podpory nie radzą sobie w takich warunkach, autorzy zaprojektowali nowy „współpracujący” system podpierania dostosowany do głębokich, złożonych sieci wyrobisk. Najpierw świeżo wykonaną skalę szybko uszczelnia się warstwą natryskowego betonu, następnie stosuje krótkie kotwy, aby zespolić płytką warstwę skały, a potem nakłada kolejną warstwę betonu. Po drugie, długie kabły kotwiące montuje się w przesuniętym układzie, sięgając poza 6,6-metrową strefę uszkodzeń w bardziej stabilne skały, tworząc zachodzące na siebie łuki nacisku, które pomagają, by skała i konstrukcja działały jako całość. Wreszcie, pod wysokim ciśnieniem wykonuje się iniekcję zaprawy cementowej w szczeliny, wiążąc zniszczoną skałę i poprawiając kontakt między skałą a kotwami. To etapowe, wielowarstwowe podejście jest zsynchronizowane z mechanizmem awarii skały – od wczesnych pęknięć powierzchniowych po głębsze uszkodzenia ścinające – tak, aby każda warstwa wzmacniała kolejną.

Wyniki z praktyki w działającej kopalni

Nowy system przetestowano w tej samej głębokiej kopalni, która posłużyła za studium przypadku. Zespół monitorował, jak bardzo poruszają się stropy, podłogi i ściany kluczowych wyrobisk przez kilka miesięcy oraz mierzył obciążenia w kablach kotwiących. W porównaniu z poprzednim projektem podparcia stosowanym w kopalni, łączne odkształcenie stropu i podłogi zmniejszyło się około dwukrotnie, a zbieżność bocznych ścian zmalała w podobnym stopniu. Czas potrzebny na osiągnięcie stabilnego kształtu wyrobisk skrócił się do około 45 dni, a siły w kablach utrzymywały się znacznie poniżej ich dopuszczalnych wartości. Dla czytelnika niebędącego specjalistą kluczowy wniosek jest taki, że starannie zaprojektowane, wielowarstwowe podparcie może przemienić niebezpiecznie niestabilną sieć tuneli głębinowych w konstrukcję możliwą do opanowania i trwałą — poprawiając bezpieczeństwo górników i niezawodność systemów energetycznych zależnych od tych podziemnych tras.

Cytowanie: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Słowa kluczowe: górnictwo głębinowe, stabilność tuneli, systemy podpierania górotworu, inżynieria wyrobisk węgłowych, podziemne pole naprężeń