Rozsądny kąt wiercenia i zastosowanie technologii do przedpękania grubych, twardych stropów przed drążeniem chodników przy ścianie zawałowej w ultra-grubych złożach

Uczynienie głębokiego wydobycia węgla bezpieczniejszym

W niektórych z największych kopalń węgla w Chinach podziemne tunele muszą być utrzymywane otwarte tuż obok ogromnych pustek pozostawionych po wydobyciu węgla. Te przejścia, zwane chodnikami przy ścianie zawałowej, są kluczowe dla wentylacji i transportu. Jednak gdy nad tymi otworami zwisają bardzo grube, sztywne „stropy”, mogą one nagle się złamać i runąć, miażdżąc podpory i odkształcając chodniki. W tej pracy badano sposób osłabienia takiego twardego stropu zawczasu, stosując starannie dobrane kąty wiercenia i kruszenie z użyciem dwutlenku węgla, tak aby skała łamała się w kontrolowany sposób w kierunku pustki, a nie gwałtownie nad chodnikiem.

Dlaczego grube stropy stanowią ukryte zagrożenie

W ultra-grubych pokładach węgla o grubości ponad 20 m wydobycie pozostawia za sobą duże puste komory. Nad nimi cienka, słaba warstwa leży pod znacznie grubszym, bardzo mocnym stropem skalnym. Ponieważ rozdrobniona skała w zrobionej już komorze (zawał, goaf) nie wypełnia całkowicie przestrzeni, gruby strop może utworzyć długi, sztywny zwis sięgający w stronę pozostawionego węgla podtrzymującego chodnik. Gdy taka zwisająca płyta w końcu pęka i się obraca, przekłada się to na dodatkowe obciążenie ścian i posadzki chodnika, zgina belki stalowe, urywa kotwy, miażdży filary węglowe i czasem niemal zamyka tunel. Obserwacje terenowe w kopalni Madaotou udokumentowały silne zapadanie stropu, odspojenia ścian i wypiętrzenia podłogi w takich warunkach, kiedy nie stosowano wstępnego leczenia stropu.

Łamanie stropu tam, gdzie wyrządzi najmniej szkody

Autorzy proponują odwrócić podejście: zamiast reagować po uszkodzeniu stropu, celowo wcześniej go spękać, jeszcze przed drążeniem nowego chodnika przy ścianie zawałowej. Wiercąc długie otwory z sąsiedniego chodnika pod wybranym kątem i następnie szczelinując skałę wzdłuż tych otworów, można spowodować, że kluczowe bloki skalne złamią się i zawalą do już wyrobionej przestrzeni, a nie nad nowym tunelem. Stosując model strukturalny traktujący nadkład jako stos belek, wykazano, że kąt tych przedpęknięć kontroluje miejsce złamania stropu, sposób jego ugięcia i sposób przenoszenia sił bocznie do węgla. Gdy kierunek spękania prowadzi bloki w stronę goaf, chodnik jest obciążany głównie przez łagodniej uginającą się skałę położoną dalej, zamiast przez sztywny wspornik bezpośrednio nad nim.

Poszukiwanie optymalnego kąta wiercenia

Aby przejść od koncepcji do zasad projektowania, zespół zbudował szczegółowy model matematyczny pokazujący, jak bloki stropu się wyginają i naciskają na ścianę węglową dla różnych kątów pęknięć. Następnie użyto symulacji komputerowych (FLAC3D), aby zobaczyć, jak zmieniają się naprężenia i strefy uszkodzeń wokół chodnika przy zwiększaniu kąta wiercenia od braku pęknięcia, przez 60°, 70° i 80°, do 90° i nieco powyżej. Zbadano dwa kluczowe wskaźniki: rozmiar strefy plastycznej (trwale odkształconej) w węglu i stropie oraz miarę energii odkształcenia magazynowanej (J2), sygnalizującej, ile „energii sprężynowej” czeka na uwolnienie. W miarę jak kąt przedpękania wzrastał z 60° do 90°, największe ciśnienie boczne na ścianę węglową spadło o około 18%, strefa plastycznego zniszczenia zmniejszyła się z około 32 m do 20 m, a J2 zarówno w węglu, jak i w stropie wyraźnie spadło. Jednak gdy kąt przekroczył 90°, pęknięte bloki miały tendencję do ponownego naciskania bardziej bezpośrednio na chodnik, powiększając strefę uszkodzeń i miażdżąc węgiel tak silnie, że nie mógł już bezpiecznie przenosić obciążeń.

Przedpękanie stropu nadkrytycznym CO2

W oparciu o te obliczenia badacze wybrali wysokość spękania sięgającą kluczowej warstwy stropu (około 45 m nad pokładem) oraz prawie pionowy kąt wiercenia 90° jako optymalne. W chodniku 2209 kopalni Madaotou wykonali grupy głębokich otworów po stronie najbliższej goaf i użyli nadkrytycznego dwutlenku węgla do szczelinowania stropu. CO2 jest przechowywany jako gęsty płyn w hermetycznych nabojach; po zadziałaniu gwałtownie rozszerza się do gazu, rozpychając spękania w skale w sposób bardziej kontrolowany i o mniejszym wstrząsie niż materiały wybuchowe. Inspekcje terenowe otworów i testy z wtryskiem wody potwierdziły, że spękania łączyły się dobrze między otworami, tworząc ciągły osłabiony pas nad chodnikiem, co sprzyjało odpadaniu bloków stropowych do goaf w trakcie postępu ściany.

Od gwałtownego zawalenia do kontrolowanego ruchu

Porównanie dwóch podobnych chodników — jednego bez przedpękania i drugiego z zabiegiem na bazie CO2 — pokazało wyraźną różnicę. Bez przedpękania podczas wykopu zapadanie stropu sięgało prawie pół metra, a podczas wydobycia ponad metra; ściany i podłoga również przesuwały się o setki milimetrów, wymagając częstych napraw. Przy przedpękaniu wynoszącym 90° ruch stropu podczas wykopu spadł do zaledwie kilku centymetrów, a podczas wydobycia odkształcenia stropu, filara węglowego, całego masywu i podłogi zostały zredukowane o 75–82%. Ściany chodnika pozostały stosunkowo gładkie, strop pozostał nienaruszony, a awarie podpór były rzadkie. Dla osób niebędących specjalistami wniosek jest prosty: wybierając właściwy kąt wiercenia i przedpękając twardy strop z wyprzedzeniem, inżynierowie mogą „nakierować” skałę, gdzie ma pęknąć — w stronę pustki zamiast nad tunelem — przekształcając niebezpieczne, nagłe zawalenie w bezpieczniejsze, kontrolowane osiadanie gruntu.

Cytowanie: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Słowa kluczowe: stabilność chodników kopalnianych, przedpękanie stropu, chodnik przy ścianie zawałowej, kruszenie skał CO2, ultra-grube pokłady węgla