Analiza czynników wpływających na szerokość strefy plastycznej i stabilność pasów podsadzkowych na bazie piasku eolicznego

Ochrona terenu nad ukrytymi kopalniami

Wiele kopalń węgla znajduje się bezpośrednio pod wioskami, drogami i gruntami rolnymi. Po wydobyciu węgla warstwy skalne nad pustkami mogą się zapadać, a powierzchnia terenu opadać, powodując pęknięcia budynków i zakłócenia w ekosystemach. W badaniu tym zbadano sposób podparcia tych podziemnych pustek przy użyciu specjalnego materiału podsadzkowego opartego na piasku, tak aby możliwe było dalsze wydobycie przy jednoczesnym zachowaniu bezpieczeństwa i stabilności gruntu oraz obiektów nad nim.

Przekształcanie piasku pustynnego w podparcie pod ziemią

Naukowcy rozpoczęli od opracowania nowego materiału podsadzkowego wykorzystującego piasek eoliczny — drobny piasek nanoszony przez wiatr na obszarach pustynnych — jako główny składnik. W zachodnich regionach Chin piasek ten jest obfity, łatwy do zebrania i tani. Połączyli go z przemysłowym popiołem lotnym chemicznie aktywowanym wapnem i gipsem, tak aby stwardniał w zwarty materiał. Testy wykazały, że powstała zawiesina płynie łatwo przez rurociągi, a następnie wiąże do relatywnie mocnej, skalopodobnej masy, co czyni ją praktyczną do pompowania do wyrobisk pod ziemią.

Jak podsadzka piaskowa zachowuje się pod obciążeniem

Aby zrozumieć zachowanie tego materiału w warunkach podziemnych, zespół wykonał cylindryczne próbki i ściskał je ze wszystkich stron w silnej maszynie badawczej. Zmieniając ciśnienie otaczające próbkę, mogli odwzorować różne głębokości w kopalni. Wraz ze wzrostem otaczającego nacisku podsadzka stawała się mocniejsza i odkształcała się mniej przed zerwaniem. Z tych eksperymentów naukowcy wyznaczyli kluczowe parametry wytrzymałościowe potrzebne inżynierom, takie jak odporność na ścinanie. Wartości te posłużyły następnie do oszacowania, jak wytrzymały będzie pas podsadzki przy podtrzymywaniu ciężaru setek metrów zalegającej nad nim skały.

Mapowanie „miękkiej krawędzi” wokół pasów podsadzkowych

W technologii podsadzania pasowego ściana wydobywcza jest eksploatowana w długich pasach, pozostawiając na przemian solidne brukty, które działają jak podziemne belki podpierające strop. Zamiast pozostawiać te pasy jedynie jako warstwę węgla, metoda ta buduje niektóre z nich z podsadzki na bazie piasku. Na podstawie symulacji komputerowych prawdziwej kopalni w prowincji Shaanxi zespół zbadał, co dzieje się wewnątrz pasa podsadzki w miarę osiadania stropu. Stwierdzili, że każdy pas tworzy mocne centralne jądro otoczone po obu stronach strefami „plastycznymi”, gdzie materiał uległ uplastycznieniu i utracił dużą część swojej wytrzymałości. Szerokość tych zmiękczonych stref rośnie wraz ze wzrostem wysokości eksploatacji i głębokości, ale maleje, gdy większa część wyrobiska jest wypełniona.

Prosta zależność łącząca warunki eksploatacji i bezpieczeństwo pasa

Ponieważ szerokość „miękkiej krawędzi” zależała jednocześnie od kilku czynników, badacze zastosowali dopasowanie statystyczne, aby skonstruować równanie łączące ją z głębokością eksploatacji, wysokością złoża i udziałem wypełnienia panelu. Pozwoliło to na wstawienie szerokości strefy plastycznej do ustalonej teorii traktującej każdy pas jako posiadający mocne jądro i słabsze boki oraz na adaptację drugiej teorii opisującej, jak ciężar nadkładu jest dzielony między obszary wypełnione i niewypełnione. Połączenie tych koncepcji pozwoliło po raz pierwszy uzyskać przejrzyste wyrażenie matematyczne opisujące, jak stabilny będzie pas podsadzki na bazie piasku przy określonych warunkach eksploatacji.

Próba metody w rzeczywistej kopalni

Nowa metoda projektowa została następnie zastosowana na bieżącej ścianie kopalni na głębokości około 300 metrów pod rozproszonymi zabudowaniami. Na podstawie ograniczeń dotyczących dopuszczalnych przemieszczeń powierzchni inżynierowie obliczyli, jak szerokie powinny być niewypełnione szczeliny i wypełnione pasy. Wybrali 56-metrowe pasy podsadzkowe oddzielone 46-metrowymi wyrobiskami i zainstalowali modułowy system podparcia do umieszczania i utrzymywania podsadzki podczas wiązania. Przez niemal trzy lata monitoringu maksymalne osiadanie powierzchni i odkształcenia gruntu utrzymywały się w ramach rygorystycznych celów i nie odnotowano uszkodzeń budynków nad nimi.

Znaczenie dla bardziej zrównoważonego wydobycia węgla

Badanie pokazuje, że drobny piasek pustynny, w połączeniu z przemysłowym popiołem lotnym, może stać się niezawodnym materiałem konstrukcyjnym do podtrzymywania podziemnych przestrzeni. Dzięki starannemu powiązaniu głębokości eksploatacji, wysokości pokładu i wskaźnika wypełnienia z szerokością strefy miękkiej i ogólną wytrzymałością pasa, inżynierowie mogą projektować pasy podsadzkowe, które bezpiecznie przenoszą ciężar nadkładu, używając przy tym mniej materiału niż przy całkowitym wypełnieniu. W praktyce metoda ta oferuje producentom węgla na obszarach piaszczystych możliwość efektywniejszej rekultywacji zasobów, ochrony społeczności powierzchniowych oraz recyklingu odpadów, przybliżając podziemne wydobycie węgla do rzeczywiście „zielonej” eksploatacji.

Cytowanie: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

Słowa kluczowe: podsadzanie kopalń, piasek eoliczny, osiadanie terenu, stabilność kopalni węgla, podsadzka pastowa