Badania nad zintegrowaną technologią odbudowy konstrukcji nośnej i kontroli podpór w obszarze wysokiego ryzyka chodnika nadwęglowego w grubych pokładach węgla

Dlaczego bezpieczniejsze chodniki węglowe mają znaczenie

Głęboko w grubych pokładach węgla pracownicy poruszają się i przemieszczają surowiec przez długie podziemne chodniki. W niektórych miejscach chodniki te cierpią z powodu obwisających stropów, kruszących się ścian i gwałtownych obsuwów węgla i skał, narażając górników na niebezpieczeństwo i spowalniając wydobycie. W pracy tej zbadano, dlaczego problemy te są szczególnie poważne w wybranych odcinkach wysokiego ryzyka i przetestowano nową metodę wzmocnienia skały, dzięki której chodniki pozostają bezpieczniejsze i bardziej stabilne w czasie.

Skąd biorą się problemy

Badania koncentrują się na dużym chodniku w chińskiej kopalni węgla, który przebiega przez bardzo gruby pokład. W tym środowisku tunel przechodzi przez węgiel, a nie silną skałę, a węgiel nad i obok wyrobiska jest słaby i rozdrabniany. Naturalne uskoki w skałach i ogromne obciążenie warstwami nad tunelem koncentrują naprężenia wokół chodnika, prowadząc do oddzielania stropu, obsuwów, wypukleń ścian bocznych i konieczności ciągłych napraw. Wcześniejsze metody podparcia, takie jak prosta iniekcja i obudowy rurkowe, często zawodziły, ponieważ zaprawa nie mogła wnikać w gęsty węgiel i nie tworzyła silnej, jednorodnej struktury nośnej.

Jak tunel się porusza i odkształca

Aby zrozumieć to zachowanie, zespół połączył pomiary terenowe, badania laboratoryjne i modelowanie mechaniczne. Traktowali węgiel nad stropem chodnika jak obciążony belkowy element i wykazali, że ugięcie stropu wzrasta bardzo szybko wraz ze wzrostem szerokości tunelu i osłabieniem węgla. Stwierdzili też, że strop i ściany nie odkształcają się niezależnie. Kiedy boczny węgiel zmiękcza i napiera do środka, efektywnie poszerza otwór, co z kolei zwiększa ugięcie stropu. Zwiększony ruch stropu dodatkowo ściska ściany boczne. To powiązane przemieszczanie góry i boków pomaga wyjaśnić, dlaczego lokalne, etapowe podparcie często zawodzi w grubych pokładach węgla.

Testy z użyciem wirtualnych tuneli

Wykorzystując trójwymiarowe symulacje komputerowe, badacze zmieniali dwa kluczowe czynniki: grubość warstwy węgla pozostawionej nad tunelem oraz wytrzymałość tego węgla. Zwiększenie warstwy węgla nad stropem zwiększało ugięcie stropu, ale zmniejszało wypiętrzenie dna, podczas gdy ruch ścian bocznych zmieniał się niewiele. Podniesienie wytrzymałości górnego węgla ostro zmniejszało zarówno ugięcie stropu, jak i ruchy ścian do wewnątrz, mimo że ogólny wzorzec naprężeń zmieniał się tylko nieznacznie. Obliczenia wykazały, że pęknięcia i strefy plastyczne w skale tworzyły się najpierw w pobliżu stropu, a następnie rozprzestrzeniały się głębiej, z charakterystycznym uszkodzeniem w kształcie „motyla” w pobliżu ścian bocznych, co podkreśla konieczność wzmocnienia szerokiej strefy, a nie tylko cienkiej powłoki.

Nowy sposób wzmacniania słabych obszarów

Kierowani tym zrozumieniem, autorzy zaprojektowali zintegrowany system podparcia wykorzystujący rury iniekcyjne zakładane z wyprzedzeniem i sieć kotew oraz kabli. Zanim wykonano wyrobisko w strefie ryzyka, pracownicy wiercili rzędy stalowych rur w węgiel przed czołem i wtłaczali szybko wiążącą zaprawę. Zaprawa twardniała szybko wewnątrz i wokół rur, zszywając pęknięcia i przekształcając rozdrobniony węgiel w bardziej zwarty blok. W miarę postępu eksploatacji kotwy i liny łączyły wzmocniony strop i ściany boczne w jedną ramę nośną. Modele komputerowe różnych układów wykazały, że umiarkowane rozstawy rur dawały niemal taki sam spadek przemieszczeń jak bardzo gęste rozmieszczenie, ale przy niższych kosztach.

Dowód z działającej kopalni

Zespół następnie zastosował wybraną metodę w rzeczywistym chodniku. Monitorowali ugięcie stropu, zbieżność ścian bocznych, wypiętrzenie dna, rozwarstwienia między warstwami skalnymi oraz siły w kotwach i kablach. Po wykonaniu wyrobiska i zastosowaniu nowego systemu podparcia ugięcie stropu utrzymywało się na poziomie około 110 mm, ruchy ścian bocznych około 80 mm, a wypiętrzenie dna było bardzo małe. Rozwarstwienia nad stropem pozostawały na znacznie niższym poziomie niż progi ostrzegawcze, a obciążenia w kotwach i kablach ustabilizowały się i były mniejsze niż w starym projekcie. Ponieważ zaprawa uzyskiwała wytrzymałość w ciągu kilku minut, ekipy mogły postępować kilkakrotnie szybciej niż wcześniej, zachowując jednocześnie bezpieczny dystans między czołem wyrobiska a wzmocnioną strefą.

Co to oznacza dla górników

Mówiąc prosto, badanie pokazuje, że sprawienie, by słaby węgiel wokół tunelu zachowywał się jak pojedynczy, dobrze zespalający łuk i ściana, może znacząco zmniejszyć niebezpieczne obsuwy i zawalenia stropu. Poprzez wcześniejsze wzmocnienie węgla zaprawą w rurach, a następnie zespolenie stropu i boków za pomocą kotew i kabli, chodnik może przenieść duże obciążenia z góry przy mniejszych przemieszczeniach i niższych siłach wsporników. Autorzy twierdzą, że takie zintegrowane podejście stanowi praktyczny przewodnik dla bezpieczniejszego i bardziej wydajnego drążenia w grubych pokładach węgla o podobnych warunkach geologicznych, zmniejszając zarówno ryzyko dla bezpieczeństwa, jak i wymagania konserwacyjne w podziemnym górnictwie węglowym.

Cytowanie: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Słowa kluczowe: stabilność chodników węglowych, podpora stropu, wzmocnienie iniekcyjne, kotwy i liny skalne, bezpieczeństwo górnictwa podziemnego