Optymalizacja lokalizacji i przekroju chodnika pod ziemią przy nałożeniu się resztkowych filarów węglowych i sąsiednich gob w pokładach o niewielkiej odległości

Dlaczego podziemne chodniki mają znaczenie dla codziennego życia

Wielka część energii elektrycznej zasilającej domy, fabryki i miasta wciąż pochodzi z węgla wydobywanego głęboko pod ziemią. Aby bezpiecznie dotrzeć do tych pokładów, inżynierowie muszą wykonać długie tunele, czyli chodniki, w skale. Jeśli chodniki zostaną usytuowane w niewłaściwym miejscu lub otrzymają nieodpowiedni kształt przekroju, otaczająca skała może się zaciśnięć lub zawalić, zagrażając górnikom i odcinając dostęp do cennych surowców. Badanie przeprowadzone w chińskiej kopalni węgla analizuje, jak wybrać zarówno najbezpieczniejszą lokalizację, jak i bezpieczny kształt przekroju chodnika, gdy kilka pokładów węgla leży blisko siebie, a część górnego pokładu została już wydobyta.

Warstwy skał i pozostawiony węgiel

W wielu złożach węgla surowiec nie występuje jako jedna gruba warstwa, lecz jako kilka pokładów ułożonych jak warstwy ciasta. W kopalni Meihuajing główne pokłady, oznaczone jako nr 2 i nr 3, dzieli zaledwie 12 metrów. Górny pokład nr 2 został już wydobyty w dwóch dużych polach, ale między nimi pozostawiono 60‑metrowy blok nietkniętego węgla jako filar wspierający. Po obu stronach tego filara znajdują się wyrobiska pokopalniane, zwane gobami, które się zawaliły i obecnie są wypełnione rozdrobnioną skałą. Razem solidny filar i bardziej podatne goba zmieniają sposób przenoszenia obciążeń z zalegających warstw w kierunku dolnego pokładu nr 3, gdzie planowane są nowe chodniki.

Pomiary zachowania skały w czasie

Badacze najpierw sprawdzili, czy górny filar rzeczywiście pełni swoją funkcję. Monitorowali istniejący chodnik w pokładzie nr 2 przez około dwa lata po zakończeniu tam prac wydobywczych. Instrumenty rejestrowały, o ile oddziela się strop oraz jak bardzo ściany i spąg przesuwają się ku sobie. Pomiary wykazały jedynie niewielkie przemieszczenia: rozdzielenie stropu wynoszące w największym przypadku około jednego do dwóch centymetrów, a zbieżność ścian i spągu zazwyczaj rzędu pięciu do dziesięciu centymetrów. Ponieważ w pobliżu nie prowadzono nowych robót, te powolne, umiarkowane odkształcenia odzwierciedlały długoterminowy, stabilny stan pod obciążeniem statycznym. Sugerowało to, że 60‑metrowy filar jest wystarczająco wytrzymały, by przenosić obciążenie nadległych warstw i utrzymać strukturę skał nad nim w dużej mierze nienaruszoną.

Śledzenie drogi przenoszenia sił przez skałę

Następnie zespół zastosował klasyczną teorię mechaniki skał, która traktuje skałę pod pokładem jako sprężyste półprzestrzeń — głębokie, ciągłe medium — i przykłada obciążenia na górze, aby obliczyć naprężenia na głębokości. Filar węglowy i sąsiednie goba przedstawiono jako serię uproszczonych segmentów obciążenia, z różnymi natężeniami odzwierciedlającymi koncentrację naprężeń pod filarem i ulgi naprężeń w strefach zwału. Przy użyciu wyrażeń matematycznych i narzędzi komputerowych odwzorowano naprężenia pionowe, poziome i styczne w skale poniżej. Wyniki pokazały wyraźny schemat: bezpośrednio pod solidnym filarem naprężenia koncentrowały się, podczas gdy pod gobami spadały, tworząc strefę malejących naprężeń. W dolnym pokładzie nr 3 naprężenie pionowe było największe tuż pod filarem i najmniejsze w przybliżeniu 13 metrów od jego krawędzi, pod obszarem odpowiadającym gobie. Naprężenia poziome zmieniały się mniej dramatycznie, ale również wskazywały na łagodniejsze warunki z dala od filara, natomiast naprężenia styczne były najsilniejsze w pobliżu krawędzi filara.

Wybór miejsca przebiegu nowego tunelu

Z praktycznego punktu widzenia inżynierowie chcą umieścić chodnik tam, gdzie skała znajduje się pod stosunkowo niskim i zrównoważonym naprężeniem, aby była mniejsza szansa, że się zaciśnie lub złamie. Na podstawie obliczonych krzywych naprężeń autorzy doszli do wniosku, że idealny pas dla nowego chodnika w pokładzie nr 3 leży w strefie pionowego spadku naprężeń, nieco pod gobą, a nie bezpośrednio pod filarem. Bezwzględne minimum naprężenia pionowego występuje około 13 metrów od krawędzi filara, ale taka lokalizacja pozostawiłaby więcej węgla niewydobytego. Godząc bezpieczeństwo z odzyskiem surowca, zalecają posadowienie chodnika 10 metrów od krawędzi filara — wciąż w strefie niskiego naprężenia, lecz bliżej pozostawionego węgla, co redukuje straty surowca przy zachowaniu korzystnego środowiska naprężeń.

Dlaczego kształt tunelu wpływa na stabilność skał

Lokalizacja to tylko część zagadnienia; kształt przekroju otworu również kontroluje, jak skała reaguje. Korzystając z trójwymiarowego modelu numerycznego (FLAC3D), badacze zbudowali wirtualny przekrój kopalni, uwzględniając oba pokłady, filar, zawalone goba oraz dolny chodnik na preferowanej pozycji. Przetestowali cztery kształty przekroju, zachowując jednakową szerokość i wysokość: półokrągły łuk ze ścianami prostymi, łuk trójpromieniowy (bardziej złożony łuk złożony z trzech krzywych), trapez oraz prostokąt. Po symulacji wykopu każdego chodnika zbadali, jak naprężenia przearanżowują się wokół niego i jak głęboko skała ulega plastyczności lub zniszczeniu, tworząc strefę niewydolności. We wszystkich przypadkach strop i spąg nad i pod otworem doświadczyły ulgi naprężeń, podczas gdy ściany boczne wykazały pewne odnowione wzrosty naprężeń.

Wybór najbezpieczniejszego i najprostszego rozwiązania

Porównanie wykazało, że kształty łukowe lepiej rozkładają obciążenie niż te o prostych stropach. Półokrągły łuk ze ścianami prostymi miał najniższą koncentrację naprężeń po najbardziej obciążonej stronie i najmniejsze głębokości stref zniszczenia w stropie, spągu i ścianach bocznych. Łuk trójpromieniowy zachował się niemal tak samo dobrze pod względem stabilności, podczas gdy trapez i szczególnie przekrój prostokątny wykazały wyższe naprężenia szczytowe i znacznie głębsze strefy niewydolności, co oznaczało większe uszkodzenia i osłabienie skał wokół nich. Ponieważ łuk trójpromieniowy jest geometrycznie bardziej skomplikowany do wykonania i zabezpieczenia pod ziemią, wymagając precyzyjnego sterowania wieloma promieniami i punktami łączenia, autorzy uznają go za mniej praktyczny do rutynowej budowy. W związku z tym rekomendują półokrągły łuk ze ścianami prostymi jako preferowany przekrój: zapewnia dobrą stabilność pod wpływem łącznego oddziaływania filara i gob, a jednocześnie pozostaje stosunkowo prosty do wykonania i zabezpieczenia w terenie.

Wnioski dla bezpieczniejszego i bardziej efektywnego górnictwa węglowego

Dla czytelników niebędących specjalistami kluczowy przekaz jest taki, że niewielkie decyzje projektowe pod ziemią — dokładne usytuowanie chodnika i jego zarys przekroju — mogą mieć duże znaczenie dla bezpieczeństwa i efektywności. W tej konkretnej kopalni badanie pokazuje, że pozostawienie solidnego filara w górnym pokładzie, a następnie usytuowanie dolnego chodnika nieco pod obszarem zawalonym zamiast bezpośrednio pod filarem, tworzy łagodniejsze środowisko naprężeń. Ukształtowanie chodnika łukowo, z zaokrąglonym stropem, dodatkowo pomaga otaczającej skale „przepływać” gładko wokół otworu, ograniczając uszkodzenia. Choć dokładne odległości i wymiary będą się różnić w zależności od miejsca, podejście łączące mapowanie przenoszenia naprężeń między pokładami oraz porównanie kształtów chodników stanowi praktyczną drogę do projektowania podziemnych chodników, które są bezpieczniejsze dla górników i bardziej efektywne w odzysku węgla.

Cytowanie: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Słowa kluczowe: projektowanie chodników w kopalniach węgla, resztkowy filar węglowy, stabilność tuneli podziemnych, numeryczna mechanika skał, górnictwo wielopokładowe