Mechanizm i praktyka inżynierska stabilności sklepienia dla wtórnego zachowania chodnika przy bocznym filarze w kopalniach głębinowych

Dlaczego utrzymanie chodników kopalnianych ma znaczenie

Głębokie kopalnie węgla pod ziemią opierają się na sieci chodników służących do przewozu ludzi, powietrza i sprzętu. Zwykle wiele z tych chodników jest porzucanych, a w miarę postępu eksploatacji drąży się nowe, co jest kosztowne i ryzykowne. Badanie to analizuje bardziej efektywny sposób ponownego wykorzystania istniejących chodników w bardzo głębokich kopalniach, obniżając koszty i zmniejszając ilość wydobywanej skały przy jednoczesnym zabezpieczeniu pracowników przed zawaleniami sklepienia i niebezpiecznymi ruchami mas skalnych.

Ponowne użycie chodników zamiast ich porzucania

Gdy wycinany jest panel węgla, pozostawia po sobie pustą, zapadniętą strefę zwaną goafem oraz przylegający do niej chodnik. Tradycyjnie ten chodnik często się porzuca po jednym cyklu. Autorzy koncentrują się na nowszym rozwiązaniu zwanym wtórnym zachowaniem chodnika przy bocznym goafie, gdzie ten sam chodnik jest ponownie wykorzystywany jako długoterminowy ciąg powietrzny dla następnego panelu wydobywczego. Kluczowym krokiem jest zbudowanie drugiej sztucznej ściany z materiału zasypowego wzdłuż nowej krawędzi goafu, tak aby chodnik ostatecznie znajdował się między dwoma ścianami wykonanymi ręcznie. Takie ułożenie umożliwia bardziej elastyczne, rozgałęzione na kształt litery Y wentylowanie obszarów o wysokiej zawartości gazów i ogranicza potrzebę drążenia nowych tuneli, zmniejszając zarówno koszty, jak i zakłócenia.

Duże przemieszczania skał nad chodnikiem

Daleko nad chodnikiem grube warstwy skał zachowują się jak olbrzymie belki, które wyginają się, pękają i osiadają w miarę usuwania węgla. Badanie określa to jako „dużą strukturę” i pokazuje, że nie ustaje ona po jednym etapie wydobycia: kluczowe bloki skalne nad chodnikiem muszą przejść przez trzy rundy łamania i ponownego ustawienia, zanim staną się stabilne. Szczególnie istotny okazuje się jeden centralny blok, określany w pracy jako blok C. Jeśli blok ten pozostaje podparty przez otaczające skały i zasypy, obciążenia docierające do chodnika są kontrolowalne. Jeśli jednak przechyli się w stronę wykopanego pustego miejsca, może wywrzeć na chodniku nagły nacisk, prowadząc do poważnych odkształceń lub nawet awarii systemu podparcia.

Mała struktura, która chroni ludzi

Bliżej chodnika autorzy definiują „małą strukturę” złożoną z bezpośredniego sklepienia nad chodnikiem, obu mas zasypowych, skał podłogi oraz wewnętrznych stalowych i kablowych elementów kotwiących. W przeciwieństwie do odleglejszych warstw skalnych, ten system musi przenosić wysoce nierównomierne obciążenia tuż przy krawędzi goafu. Zespół proponuje koncepcję „czterech w jednym”: zasypy utrzymują boki i pomagają odciąć nadległe skały; kotwy i liny zszywają warstwy sklepienia; wzmocnienie podłogi przeciwdziała wyboczeniu ku górze; a wewnętrzne łuki i podpory dzielą pozostałe siły. Jeśli którykolwiek element jest zbyt słaby — albo nawet zbyt silny i wąski w niewłaściwym miejscu — system może zawieść w wyniku przesunięć i koncentracji obciążeń. Autorzy wyprowadzają formuły projektowe doboru szerokości i wytrzymałości zasypów, tak aby obie ściany dzieliły obciążenie zamiast jedna po drugiej zawodzić.

Od równań do rzeczywistej głębokiej kopalni

Naukowcy przełożyli swój model mechaniczny na konkretny projekt dla ściany roboczej na głębokości 610 metrów. Korzystając z zmierzonych właściwości skał i wymiarów eksploatacji, obliczyli, jak szeroka i jak wytrzymała musi być każda ściana zasypowa oraz o ile należy zmniejszyć szerokość chodnika i wystający nad nim dach, aby złagodzić naprężenia. Następnie zainstalowali gęsty układ kotew dachowych i długich lin, stalowe łuki, zabiegi wzmacniające podłogę oraz specjalnie dobrany cementowy zasyp. W trakcie eksploatacji zarówno pierwszego, jak i sąsiedniego drugiego panelu monitorowali pęknięcia sklepienia, naprężenia w zasypach i odkształcenia chodnika przy użyciu kamer w odwiertach, czujników ciśnienia i stanowisk przemieszczeń. Pomiary wykazały, że obie zasypy przyjmują narastające obciążenia etapami i ostatecznie stabilizują się, a druga zasyp przyjmuje większy udział obciążenia zgodnie z przewidywaniami. Ściany i sklepienie chodnika utrzymują się w dopuszczalnych granicach przemieszczania, chociaż podłoga nadal wybrzusza się i wymaga korekty.

Co to znaczy dla przyszłego głębokiego wydobycia

Mówiąc wprost, badanie pokazuje, że możliwe jest bezpieczne ponowne użycie chodnika pomiędzy dwoma wyeksploatowanymi strefami w bardzo głębokiej kopalni węgla, pod warunkiem że zrozumiane jest zachowanie skał nad nim, a system wsporczy zaprojektowany jako skoordynowana całość. Poprzez dostrojenie szerokości chodnika, wymiarów zasypów i kontroli sklepienia, wyeksploatowana strona i dwie sztuczne ściany mogą współpracować, aby podtrzymać skały nad głową. Podejście to oszczędza drążenie, utrzymuje długoterminowe przewietrzanie i zmniejsza konflikty między eksploatacją a tunelowaniem. Autorzy zauważają, że metoda nadal jest skomplikowana i niekoniecznie najtańsza, ale oferuje sprawdzoną ramę, którą przyszłe prace mogą upraszczać i dostosowywać do innych wymagających warunków podziemnych.

Cytowanie: Wu, J., Chen, J. & Xie, F. Mechanism and engineering practice of roof stability for secondary gob-side entry retaining in deep mines. Sci Rep 16, 9518 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39802-y

Słowa kluczowe: głębokie wydobycie węgla, stabilność tunelu, wspornictwo skał, ściany zasypowe, zachowanie chodnika przy bocznym goafie