Mechanizm niestabilności głęboko zalegającej podsadki koksowej pod wpływem eksploatacji i optymalizacja rozmieszczenia chodnika wydobywczego

Dlaczego bezpieczniejsze chodniki kopalniane mają znaczenie

Głębokie podziemne kopalnie węgla robią znacznie więcej niż tylko dostarczają paliwo; tworzą też złożone rozkłady ciśnień w otaczającej skale. Gdy te ciśnienia ulegają zaburzeniu, spąg może pękać, do tuneli może wtłoczyć się woda, może uciekać gaz, a chodniki, od których zależą górnicy, mogą się odkształcać lub zawalić. W niniejszym badaniu przeanalizowano, jak skała pod bardzo głębokim pokładem węgla reaguje po jego wydobyciu oraz jak projektanci kopalń mogą umieszczać chodniki do odwadniania gazu tak, by chronić zarówno ludzi, jak i infrastrukturę.

Jak wydobycie ściska skałę

Gdy wydobywa się długi odcinek węgla, pozostaje za nim pustka zwana zabudowaniem (goaf), a strop ostatecznie się zapada. Ciężar zalegających warstw skalnych nie znika; jest rozkładany na pozostałe filary węglowe i przenoszony w dół do spągu. Wykorzystując uproszczony model fizyczny traktujący spąg jako ciągłą półprzestrzeń skalną, autorzy obliczyli, jak rozkładają się naprężenia pionowe, poziome i ścinające pod eksploatowaną strefą. Stwierdzili, że naprężenie pionowe jest największe tuż pod filarami węglowymi i maleje wraz z głębokością, gwałtownie w ciągu pierwszych pięciu metrów, a następnie wolniej. W głębszych partiach spągu naprężenie wraca w kierunku poziomu naturalnego, który istniał przed rozpoczęciem wydobycia.

Charakterystyczny wzorzec naprężeń pod ziemią

Dla rzeczywistej kopalni w Shanxi w Chinach zespół wprowadził lokalne właściwości skalne i głębokość — około 730 metrów pod ziemią — do swoich równań, a następnie użył symulacji numerycznych do weryfikacji wyników. Oba podejścia wykazały, że naprężenie pionowe pod wyrobiskiem przybiera charakterystyczny wzór w kształcie litery „M” w przekroju spągu: dwa wysokie piki pod filarami węglowymi i niższy dół pod środkiem zabudowania. W miarę przechodzenia w głąb spągu te piki zmniejszają się, a całe pole naprężeń staje się bardziej jednorodne. Obliczenia wskazały również, że najszybszy spadek dodatkowych naprężeń następuje około 10 metrów poniżej spągu. Poniżej tej głębokości zaburzenia związane z wydobyciem słabną, a skała zachowuje się bardziej jak nienaruszone podłoże.

Wybór najlepszej głębokości i położenia

Ponieważ chodniki do odwadniania gazu muszą zalegać w spągu pod pokładem węgla, ich lokalizacja względem przemieszczającego się pola naprężeń jest kluczowa. Korzystając z przyjętego wzoru opisującego zniszczenie skały, autorzy oszacowali, że wydobycie może uszkodzić spąg do głębokości około 16,5 metra. Aby znaleźć się poniżej tej strefy rozdrobnienia, a jednocześnie wystarczająco blisko dla efektywnego odwadniania gazu, wybrano głębokość chodnika 17 metrów poniżej pokładu. Następnie w modelach komputerowych przetestowano cztery różne pozycje w poziomie: bezpośrednio pod środkiem wyrobiska, nieco wewnątrz filara węglowego, dokładnie pod krawędzią filara oraz 30 metrów poza filarem. Dla każdego przypadku przeanalizowano szczytowe naprężenia pionowe i poziome oraz rozmiar i kształt stref plastycznych (trwale uszkodzonej skały) wokół chodnika.

Znajdowanie najspokojniejszego miejsca pod ziemią

Symulacje wykazały, że każda pozycja chodnika doświadcza innego środowiska naprężeń. Chodnik umieszczony bezpośrednio pod frontem robót napotyka wysokie obciążenia pionowe i poziome oraz dużą motylkową strefę uszkodzeń w otaczającej skale. Przesunięcie chodnika pod filar węglowy zmniejsza naprężenie pionowe, ale wciąż może pozostawić znaczne uszkodzenia nad i pod chodnikiem. Umieszczenie chodnika dokładnie przy krawędzi filara powoduje nierównomierne naprężenia po bokach, co zwiększa ryzyko asymetrycznych odkształceń. Natomiast chodnik przesunięty 30 metrów poza filar węglowy leży w stosunkowo spokojnej strefie: zarówno szczytowe naprężenia pionowe, jak i poziome są niższe, a obudowa z uszkodzonej skały ma grubość około 2 metrów — najmniejszą spośród rozważanych opcji.

Sprawdzenia w warunkach rzeczywistych w działającej kopalni

Aby zweryfikować, czy projekt działa w praktyce, badacze monitorowali chodnik do odwadniania gazu zrealizowany 17 metrów poniżej spągu i przesunięty 30 metrów od filara w kopalni w Shanxi. Za pomocą sond ultradźwiękowych i kamer chodnikowych mierzyli, jak daleko rozciągają się spękania w otaczającej skale, oraz śledzili, jak z upływem czasu poruszają się ściany, strop i podłoga chodnika. Strefa rozdrobnienia osiągnęła maksymalnie około 1,9 metra — bardzo blisko przewidywanych 2 metrów z symulacji — a odkształcenia chodnika zwolniły i ustabilizowały się po kilku tygodniach, pozostając w dopuszczalnych granicach. To bliskie dopasowanie teorii, modeli komputerowych i danych polowych daje pewność, że zaproponowany układ stanowi solidny sposób utrzymania stabilności głębokich chodników wydobywczych przy zachowaniu wymogów odwadniania gazu.

Co to oznacza dla przyszłego górnictwa

Mówiąc wprost, badanie pokazuje, że to, gdzie umieścisz chodnik pod pokładem węgla, może przesądzić o tym, czy przejście będzie się powoli osiadać, czy też ulegnie poważnym uszkodzeniom. Rozumiejąc, jak wydobycie przekształca ukrytą „mapę naprężeń” w spągu, inżynierowie mogą celowo lokować chodniki tuż poza strefami najsilniejszego docisku i rozkruszenia. Dla głębokich, wysokostresowych pokładów węglowych podobnych do tych w Shanxi, ustawienie chodników wydobywczych na około 17 metrów poniżej spągu i w przybliżeniu 30 metrów od filarów wydaje się oferować bezpieczniejsze i bardziej ekonomiczne rozwiązanie kompromisowe między kontrolą gazu a stabilnością konstrukcyjną.

Cytowanie: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Słowa kluczowe: górnictwo głębinowe węglowe, stabilność podszybia skalnego, chodnik odwadniania gazu, redystrybucja naprężeń, bezpieczeństwo kopalni