Badania nad analizą stabilności i technologią kontroli wyrobisk pod pracującą ścianą typu wyspy izolowanej

Dlaczego wyrobiska podziemne mają znaczenie

Głęboko pod północnymi Chinami górnicy polegają na wyrobiskach podziemnych, aby przemieszczać ludzi, powietrze i sprzęt. Jeśli tunele ulegną deformacji lub zawaleniu, kopalnia musi zwolnić lub przerwać wydobycie, co stwarza niebezpieczeństwo dla pracowników i zagraża ważnemu źródłu energii. Artykuł analizuje szczególnie trudną sytuację: ścianę węgla leżącą jak „wyspa” pod starszymi, już wyrobionymi strefami i pozostawionymi filarami węgla. Autorzy pokazują, jak naprężenia z tych starych robót skupiają się w skale, a następnie projektują system podparcia, który utrzymuje nowe wyrobisko stabilne i bezpieczne.

Warstwy starych i nowych robót

Badanie koncentruje się na kopalni Yanghuopan w prowincji Shaanxi, gdzie długa, wąska ściana węgla — nazwana ścianą 30 119 — leży pod innym pokładem, który został już zeksploatowany. Nad nią znajdują się puste przestrzenie (goafy) oraz solidne bloki węgla pozostawione jako filary. Taki układ tworzy „izolowaną wyspę” otoczoną z trzech stron przez wyrobiska. Rozważane wyrobisko, będące drogą powrotu powietrza wentylacyjnego ze ściany, musi przebiegać pod obszarami niskiego naprężenia (goafy) oraz pod obszarami wysokiego naprężenia pod filarami pozostałymi po eksploatacji. Ponieważ stropy i spągi zbudowane są z relatywnie mocnych piaskowców i mułowców, lecz pole naprężeń jest silnie niejednorodne, uniwersalny schemat podparcia tunelu byłby niebezpieczny i marnotrawny.

Jak pozostałe filary naciskają na niższe pokłady

Naukowcy najpierw stosują teorię mechaniki skał, aby zrozumieć, jak siła z górnych filarów węgla przekazywana jest w dół. Traktują filar jako prążek obciążonej skały naciskającej na znacznie grubszy spąg i obliczają, jak ten skoncentrowany ładunek rozprasza się wraz z głębokością. Ich analiza wykazuje, że bezpośrednio pod pozostałym filarem węgla dolny pokład doświadcza naprężenia pionowego około 1,6 razy wyższego niż naturalny poziom tła, a wpływ ten rozciąga się na ponad 60 metrów w bok wzdłuż dolnego pokładu. Innymi słowy, choć górny pokład został już zeksploatowany, pozostawiony filar nadal koncentruje ciężar na skałach i tunelach poniżej, tworząc wyraźne strefy wzrostu i ulgi naprężeń.

Symulacja naprężeń, uszkodzeń i przemieszczeń

Aby sprawdzić, jak te siły oddziałują wokół wyrobiska, zespół buduje trójwymiarowy model komputerowy warstw skalnych i kolejności robót za pomocą oprogramowania do symulacji numerycznej. „Wydobywają” górny pokład, tworząc goafy i filary, a następnie symulują wykopanie dolnego pokładu 3–1 oraz postęp ściany 30 119 etapami. Model ujawnia pięć wyraźnych obszarów pod górnymi robotami: dwie strefy niskiego naprężenia pod goafami, dwie strefy silnej koncentracji naprężeń pod pierwszym i drugim pozostałym filarem oraz strefę naprężenia normalnego pod nieeksploatowanym węglem. W miarę postępu dolnej ściany maksymalne dodatkowe obciążenie przed nią pojawia się konsekwentnie około osiem metrów przed czołem, lecz jego wielkość zmienia się gwałtownie w zależności od pozycji: naprężenia są największe pod pierwszym pozostałym filarem, a nieco mniejsze pod drugim.

Gdzie wyrobisko cierpi najbardziej

Symulacje śledzą także, jak duża część skały wokół wyrobiska plastycznie ulega przemieszczaniu lub pękaniu (tzw. strefa plastyczna) oraz jak bardzo strop i ściany przesuwają się do wnętrza. Kiedy wyrobisko leży pod obszarami ulgi naprężeń, pasy uszkodzeń wokół niego są stosunkowo płytkie, a odkształcenia niewielkie. Pod pierwszym pozostałym filarem jednak skoncentrowane obciążenie i nacisk postępującej ściany łączą się, pogłębiając strefę zniszczeń w stropie i obudowach bocznych oraz powodując znacznie większe ugięcie stropu i zbliżenie ścian. Pod drugim filarem reakcja jest nadal poważna, lecz łagodniejsza: ruchy stropu wynoszą około połowy tych pod pierwszym filarem, a przemieszczenie solidnej ściany węglowej spada o ponad trzy czwarte. Te kontrasty potwierdzają, że zachowanie wyrobiska zależy nie tylko od rodzaju skały, lecz także od złożonej historii naprężeń wynikającej z poprzedniej eksploatacji.

Projektowanie podpór tam, gdzie są naprawdę potrzebne

W oparciu o te ustalenia autorzy dzielą wyrobisko na dwa rodzaje stref kontroli. Na odcinkach pod goafami i przy normalnym lub obniżonym naprężeniu stosują konwencjonalny schemat podparcia z kotwami skalnymi, kablami i siatką. Pod obszarami o wysokim naprężeniu, na które wpływają pozostałe filary, wzmacniają projekt: gęstsze kotwy stropowe, długie kotwy kablowe ułożone w układzie wzmacniającym oraz dodatkowe kotwy boczne „zszywające” filar węgla i żeberka. Następnie weryfikują działanie pod ziemią, monitorując osiadanie stropu, zbliżenie ścian oraz obciążenia przenoszone przez kotwy i kable na kilku stanowiskach w miarę postępu ściany. Zmierzony ugięcie stropu utrzymuje się w granicach około jednego centymetra, a zamknięcie ścian na kilku milimetrach, podczas gdy obciążenia podpór pozostają znacznie poniżej ich nośności, co wskazuje na komfortową rezerwę bezpieczeństwa.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego górnictwa

W praktyce badanie pokazuje, że tunele pod ścianami typu wyspy izolowanej można utrzymać w stabilnym stanie, jeśli inżynierowie najpierw zmapują, jak stare filary i goafy przekształcają pole naprężeń, a następnie dostosują podparcie do każdej strefy. Zamiast nadmiernie wzmacniać wszystko lub ryzykować awarię w ukrytych gorących punktach, podejście koncentruje silne podparcie tam, gdzie naprężenie jest najwyższe, a stosuje lżejsze systemy tam, gdzie skała jest naturalnie odciążona. Efektem w Yanghuopan jest wyrobisko, które pozostaje otwarte i użytkowe w miarę postępu robót, stanowiąc wzorzec dla innych kopalń, które muszą eksploatować nowe pokłady pod złożoną siecią starszych robót.

Cytowanie: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Słowa kluczowe: stabilność wyrobisk kopalnianych, ściana wyspy izolowanej, napięcie w pozostałym filarze węgla, numeryczna symulacja górnicza, projekt podpór podziemnych