Badania doświadczalne i zastosowanie inżynierskie kotwienia śrubowego w oparciu o dużej skali poślizgowy wybuch węgla w masywie węglowym

Powstrzymując pod ziemią

Głębokie złoża węgla nie są spokojnymi, stabilnymi miejscami. Warstwy skał naciskają i przemieszczają się, a czasem ściana węglowa przylegająca do tunelu nagle posuwa się do wnętrza w niebezpiecznym wstrząsie zwanym wybuchem węgla. W niniejszym badaniu analizowany jest szczególny rodzaj zdarzenia, w którym duża płaszczyzna węgla przesuwa się do chodnika, podczas gdy strop i podłoga pozostają praktycznie nienaruszone. Autorzy wykazują, że sposób montażu metalowych kotew w ścianie węglowej — zwłaszcza ich kąt i grubość — może decydować o tym, czy dojdzie do gwałtownego zawalenia, czy też drogowa przestrzeń pozostanie stabilna, i testują nowe rozwiązanie nośne w rzeczywistej kopalni.

Kiedy węgiel ślizga się jak dywan

W typie wypadku tu rozpatrywanym cała ściana węglowa przy chodniku może nagle wysunąć się do przodu, blokując przejście bez zmiażdżenia stropu czy podłogi. Kotwy i siatka zamontowane w węglu mogą wyglądać na w dużej mierze nieuszkodzone. Problem tkwi na ukrytej powierzchni styku między węglem a otaczającą skałą: gdy naprężenia narastają i nagle zostają uwolnione, węgiel może przesunąć się wzdłuż tej gładkiej płaszczyzny, niczym dywan ślizgający się po wypolerowanej podłodze. Aby chronić górników, system podparcia musi wzmocnić tę powierzchnię styku i pochłonąć część uwolnionej energii, zamiast jedynie próbować przybić ścianę węglową na miejscu.

Testy kotew w laboratorium

Aby zrozumieć, jak konstrukcja kotwy może skuteczniej przeciwdziałać temu poślizgowi, badacze zbudowali stalową formę naśladującą dwa bloki skał ze szczeliną między nimi, odzwierciedlającą interfejs węgiel–skała. Użyli prętów metalowych wykonanych z dwóch stopów w trzech różnych grubościach i przeprowadzili kontrolowane testy rozciągania. Pręty zamontowano pod czterema kątami względem kierunku poślizgu: 30°, 45°, 60° oraz prostopadle przy 90°. Rozciągając połówki formy na maszynie wytrzymałościowej, obserwowano sposób zniszczenia prętów oraz mierzyło się siłę i energię, jaką każde rozwiązanie było w stanie wytrzymać przed uszkodzeniem.

Dlaczego kąt i grubość mają znaczenie

Eksperymenty wykazały wyraźny wzorzec. Gdy pręty ustawiono pod kątem 30° lub 45° względem kierunku poślizgu, miały tendencję do rozciągania się, a w końcu pękania na czysto w napięciu, podobnie jak drut ciągnięty aż do zerwania. W takim wypadku pręty przenosiły większe obciążenia i pochłaniały więcej energii przed uszkodzeniem. Przy większych kątach 60° i 90° pręty były zwykle ścinane przez poślizg — rodzaj uszkodzenia ścinającego, wymagający mniejszej siły i magazynujący mniej energii. We wszystkich kątach grubsze pręty konsekwentnie przenosiły większe obciążenia i pochłaniały więcej energii niż cieńsze. Wśród testowanych konfiguracji pręty umieszczone około 45° zapewniały najlepsze ogólne właściwości, łącząc korzystny sposób zniszczenia z wysoką wytrzymałością i pochłanianiem energii.

Z modelu do kopalni

Zespół następnie zastosował te wnioski na ścianie roboczej 7305 w kopalni Kongzhuang w Chinach, głębokiej eksploatacji o silnych naprężeniach gruntowych i znanym ryzyku wybuchów węgla. Korytarz powrotny — kluczowy tunel dla wentylacji i dostępu — był pierwotnie podparty standardowym układem kotew stropowych, bocznych, kabli i siatki stalowej. W oparciu o swoje testy inżynierowie przeprojektowali rozkład kotew tak, aby wiele z nich przecinało płaszczyznę kontaktu węgiel–skała pod kątem nie większym niż 45°, a ich zakotwione odcinki sięgały twardej skały stropu lub podłogi. Powstała tym samym trójwymiarowa klatka wokół ściany węglowej, zwiększająca tarcie wzdłuż płaszczyzny poślizgu, rozpraszająca skoncentrowane naprężenia i zapewniająca wbudowaną możliwość wydłużenia kotew i pochłaniania energii podczas wstrząsu zamiast kruchych złamań.

Mniej zagrożeń w chodnikach

Stosowanie nowego schematu podparcia w terenie znacząco zmniejszyło duże przesunięcia węgla do chodnika i poprawiło stabilność drogi, bez potrzeby wprowadzania egzotycznych urządzeń czy ponoszenia dużych kosztów. Dla osób niebędących specjalistami główne przesłanie jest proste: przez staranny dobór grubości kotew i — co ważniejsze — kąta, pod jakim przecinają one prawdopodobną powierzchnię poślizgu, inżynierowie kopalni mogą przekształcić sztywny, podatny na awarie system podparcia w taki, który działa bardziej jak amortyzator. Choć podejście to wymaga jeszcze testów dla innych typów wybuchów węgla, daje praktyczną ścieżkę do bezpieczniejszych, bardziej niezawodnych dróg podziemnych w głębokich kopalniach węgla.

Cytowanie: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Słowa kluczowe: wybuch węgla, kotwy skalne, wspornik chodnika podziemnego, bezpieczeństwo kopalni, odkształcalne podparcie