Badanie wpływu ulgi ciśnienia w zrobach i zakłóceń podczas drążenia chodników pod bliską warstwą pokładu węgla na otaczającą skałę

Dlaczego naprężenia pod ziemią mają znaczenie

Współczesne kopalnie muszą sięgać coraz głębiej, aby wydobyć pozostałe złoża węgla, gdzie zachowanie skał jest złożone i czasem nieprzewidywalne. Gdy duży tunel jest wycięty pod starszym, już wydobytym pokładem, otaczająca skała może albo się zawalić, albo pozostać stabilna — zależnie od tego, jak naprężenia przesuwają się przez warstwy. Niniejsze badanie analizuje rzeczywisty projekt we wschodnich Chinach, aby zrozumieć, jak pustka po wcześniejszym wydobyciu może faktycznie chronić nowy, dodatkowo szeroki chodnik poniżej oraz jakie rodzaje wzmocnień utrzymują strop tunelu bezpieczny dla pracowników.

Warstwy skał nad szerokim tunelem

Badacze skupili się na dużym chodniku zwanym open‑off cut, który jest mniej więcej dwa razy szerszy od typowego tunelu kopalnianego i znajduje się 12–18 metrów poniżej starszego, wyrobionego pokładu węgla. Między warstwami węgla występują pokłady piaskowca, iłowca i mułowca, zróżnicowane pod względem wytrzymałości. Na podstawie pobranych rdzeni i oceny ich jakości zespół ustalił, że niektóre warstwy stropu miały umiarkowaną wytrzymałość, podczas gdy inne, szczególnie w pobliżu podłogi starego pokładu, były bardzo słabe i silnie rozdrobnione. Znajomość, które warstwy są mocne, a które kruche, jest niezbędna, ponieważ razem tworzą belkę skalną, która musi przenieść obciążenie nad nowym otworem.

Jak stary wyrobiony pokład zmienia rozkład obciążeń

Za pomocą symulacji komputerowych autorzy odwzorowali sekwencję: najpierw wydobycie górnego pokładu, a następnie drążenie dolnego chodnika. Po wydobyciu pokładu powstał zrob — pusta strefa częściowo wypełniona zawalonym materiałem stropowym. Ten zrob nie zwiększył ciśnienia na dolny chodnik; przeciwnie, działał jako strefa ulgi naprężeń. Skała między podłogą zrobu a nowym stropem tunelu doświadczyła znacznie niższych naprężeń, zwykle tylko kilku megapaskali, w porównaniu z silnie obciążonymi skałami po bokach. Trójmetrowy pas skały między dwoma otworami pozostał niezdruzgotany, a długie kotwy linowe zakotwiczone nad tunelem osadzone były w sprężonym, stabilnym materiale, podczas gdy krótsze pręty działały w strefie rozciągania bliżej otworu.

Modele tuneli i powolny upadek stropu

Aby przetestować te koncepcje fizycznie, zespół zbudował zmniejszony, o wymiarach około metra, model warstw skalnych i pokładów węgla z materiałów na bazie piasku. Najpierw wydobyto górny pokład w modelu, a następnie stopniowo zwiększano obciążenie naciskające od góry, aby naśladować większe głębokości. W miarę wzrostu obciążenia strop nad górnym pokładem stopniowo łamał się z belki sztywnej w zawiasowe bloki, a potem w muropodobny łuk z upadłej skały. Gdy obciążenie przekroczyło pewien próg, górny strop zupełnie się zawalił, tworząc stabilny rumosz o zboczach nachylonych około 60–65 stopni. Czujniki osadzone w podłodze w rejonie przyszłego chodnika wykazały, że naprężenia poniżej zrobu ostatecznie zmieniły się z ściskających na rozciągające, a potem ustabilizowały się na stałych wartościach — co potwierdza, że stara wyrobiona strefa w dużej mierze pozbyła się obciążenia.

Obserwacja narastania naprężeń podczas poszerzania chodnika

Następnie badacze symulowali etapowe drążenie dużego chodnika, odtwarzając sposób jego wykonywania pod ziemią. Mierniki naprężeń w modelowym stropie wykazały, że każdy etap poszerzania tunelu wywoływał nową falę zakłóceń, przy przemianach naprężeń ściskających i rozciągających, zanim ostatecznie ustabilizowały się. Centrum stropu, bezpośrednio nad chodnikiem, przenosiło największe naprężenia rozciągające, które wzrastały dodatkowo po przyłożeniu dodatkowego obciążenia z góry. Jednak ta strefa wysokiego rozciągania leżała głównie w zasięgu krótszych prętów, podczas gdy dłuższe liny kotwiące osadzone były głębiej w sprężonym materiale, który działał jak mocne oparcie. Obserwacje terenowe z użyciem kamery w otworze wiertniczym w rzeczywistej kopalni potwierdziły ten obraz: stwierdzono tylko kilka okrągłych spękań w stropie, a większość skały wokół otworu pozostała nienaruszona.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego wydobycia na dużych głębokościach

Dla osób niezajmujących się na co dzień górnictwem kluczowy wniosek jest taki, że stary, wyrobiony pokład nad nowym tunelem nie zawsze stanowi zagrożenie; jeśli zostanie właściwie zrozumiany, może wręcz zmniejszać obciążenie i chronić otwór poniżej. W tym przypadku zrob nad dużym chodnikiem stworzył bufor o niskich naprężeniach, a staranne zaprojektowanie systemu kotwień i lin sprawiło, że słabe, spękane warstwy przy tunelu zostały powiązane z mocniejszą skałą wyżej. Łącząc wiercenie rdzeniowe, modelowanie numeryczne, skalowane modele laboratoryjne i kontrole terenowe kamerą, badanie pokazuje, że nawet bardzo szerokie podziemne chodniki mogą pozostać stabilne w warunkach dużej głębokości, gdy warstwy skalne i drogi naprężeń są dokładnie zmapowane, a wzmocnienia dopasowane do rzeczywistych stref naprężeń.

Cytowanie: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Słowa kluczowe: górnictwo podziemne węgla, stabilność skał, wspornictwo chodnika, ulga naprężeń w zrobach, głębokie tunelowanie