Charakterystyka odkształceń i kontrola stabilności ulgowego rozprężenia spękań prefabrykowanych nad małym filarem węgla przy nałożeniu naprężeń

Dlaczego podziemne korytarze węglowe są ważne

Większość światowego węgla wydobywa się przez długie tunele prowadzone głęboko pod ziemią. Między tymi tunelami pozostawia się celowo cienkie „filaru” węgla, które podtrzymują skałę nad nimi. W miarę intensyfikacji prac i dążenia inżynierów do pozostawiania mniejszych filarów w celu odzyskania większej ilości surowca, te pozostałe bloki mogą stać się niebezpiecznie przeciążone, powodując zgniatanie, pękanie, a nawet zawalenie się korytarza. W artykule analizuje się, jak i dlaczego takie małe filary ulegają przeciążeniu, oraz przedstawia sposób celowego spękania stropu nad nimi, aby naprężenia zostały bezpiecznie rozładowane zanim powstanie poważne uszkodzenie.

Ukryte siły narastające pod ziemią

Autorzy koncentrują się na korytarzu – głównym tunelu dostępowym – biegnącym obok małego filaru węgla umieszczonego między dwoma ścianami wydobywczymi. W miarę jak każda ściana jest eksploatowana i front postępuje, skała wokół filaru nie doświadcza pojedynczego nacisku, lecz szeregu powtarzających się fal naprężeń. Przy użyciu modeli komputerowych zespół zasymulował cztery kluczowe etapy: wycięcie pierwszego korytarza, wycięcie przeciwnego korytarza, odstawę pierwszej ściany (wycofanie eksploatacji) i następnie odstawę drugiej. Na każdym etapie obciążenie pionowe filaru rosło, ostatecznie przekraczając ponad trzykrotność początkowego naprężenia skalnego i zbliżając się do lub przekraczając zmierzoną wytrzymałość węgla. Pod tymi złożonymi obciążeniami filar i przyległy korytarz są podatne na zgniecenie i poważne odkształcenia.

Energia magazynowana jak sprężyna

Aby lepiej zrozumieć mechanizm awarii, badanie śledzi nie tylko naprężenia, lecz także energię sprężystą zgromadzoną w węglu – „energię sprężyny”, która narasta wraz ze ściskaniem filaru. Symulacje numeryczne pokazują, że przy każdym kroku eksploatacji energia ta kumuluje się w centrum małego filaru. W trakcie odstawy ścian gęstość tej energii wzrasta ponad dwukrotnie w porównaniu z etapem drążenia korytarza, ostatecznie przekraczając poziom, przy którym próbki węgla w badaniach laboratoryjnych zawodzą. W momencie postępu drugiej ściany zgromadzona energia w filarze jest wystarczająco wysoka, by zbliżać się do warunków sprzyjających gwałtownym wyrzutom skał. Innymi słowy, filar nie jest tylko przeciążony; jest przygotowany do nagłego uwolnienia energii, zagrażając stabilności korytarza i bezpieczeństwu górników.

Sprawienie, by strop pękał tam i kiedy chcemy

Zamiast jedynie dodawać więcej podpór w korytarzu – co szybko prowadzi do przeludnienia i nadal może okazać się niewystarczające – autorzy testują inną koncepcję: celowe osłabienie stropu na niewielką odległość nad małym filarem, aby zapadanie następowało kontrolowanie. Poprzez skalowane modele fizyczne porównują dwa przypadki: jeden z mocnym, nieuszkodzonym stropem i drugi, w którym nad korytarzem wprowadzono wąską pionową strefę prefabrykowanych spękań przy użyciu techniki podobnej do kierunkowego strzelania. W przypadku nieuszkodzonym długi, sztywny dźwigar stropowy zwisa nad wykopaną pustką, tworząc długi wspornik przekazujący duże obciążenia z powrotem do filaru. W przypadku spękanym główny strop pęka wcześniej wzdłuż prefabrykowanych szczelin, kąt zapadania staje się stromy, a zwisający dźwigar skraca się prawie o połowę. Pokruszona skała opada i szczelnie wypełnia pustkę, pomagając podtrzymać pozostały strop i obniżając obciążenie przenoszone na mały filar.

Obserwacja ruchu warstw skalnych

Zespół wykorzystuje staranne fotografie i pomiary przemieszczeń w swoich modelach, aby śledzić, jak warstwy skalne przesuwają się w miarę postępu wydobycia. Stwierdzają, że prefabrykowane spękania powodują większe, wcześniejsze osiadanie warstw górnych bezpośrednio nad strefą spękań, co przyspiesza zagęszczanie pokruszonej skały w wyrobisku. Jednocześnie ruch w warstwach dolnych i w zrobie sąsiedniej ściany zmienia się tylko nieznacznie, co oznacza, że zakłócenie jest w dużym stopniu ograniczone do zamierzonego obszaru. Czujniki naprężeń osadzone w modelowym stropie pokazują, że w ciągu kilku wysokości spękania nad pokładem węgla pionowe naprężenie spada o ponad 10 procent w porównaniu z nieuszkodzonym stropem. Ponad tą wysokością skała „zapomina” o spękaniu i poziomy naprężeń wyrównują się, co wskazuje na dobrze ograniczoną strefę wpływu.

Dowód z działającej kopalni węgla

Aby zweryfikować metodę, autorzy zastosowali głębokie kierunkowe poprzedzające rozdzielanie stropu w rzeczywistym korytarzu w Kopalni Wangzhuang w Chinach. Z korytarza nawiercono długie otwory w stropie, które następnie załadowano ukształtowanymi ładunkami wybuchowymi w celu wycięcia pionowej strefy pęknięć nad małym filarem. W miarę cofania się ściany, mierniki naprężeń zainstalowane w otworach w filarze rejestrowały zmieniające się obciążenia. W odcinku bez pęknięć stropu naprężenie wzrosło o około 5,5 megapaskala na głębokości 3 metrów. W odcinku ze spękanym stropem wzrost był mniejszy niż połowa tej wartości, około 2,5 megapaskala. Podobne redukcje zaobserwowano głębiej w filarze, co pokazuje, że zaprojektowane szczeliny znacznie łagodzą nacisk na korytarz i filar.

Co to oznacza dla bezpieczniejszego, bardziej efektywnego wydobycia węgla

Dla szerokiego odbiorcy kluczowa idea jest taka, że małe filary węgla mogą stać się niebezpiecznie przeciążone w miarę eksploatacji sąsiednich ścian, i to wielokrotnie. Poprzez celowe wprowadzenie pęknięć w stropie nad tymi filarami inżynierowie mogą spowodować, że strop zawali się w bardziej korzystnym układzie: zapada wcześniej, pod ostrzejszym kątem i na krótszym odcinku, pozwalając pokruszonej skale działać jako naturalna poduszka i podpora. Symulacje, modele laboratoryjne i pełnoskalowe testy polowe przeprowadzone w badaniu prowadzą do tego samego wniosku: podejście z kontrolowanym spękaniem zmniejsza koncentrację naprężeń i odkształcenia wokół korytarzy przy małych filarach węgla, pomagając utrzymać stabilność tuneli przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego odzysku węgla.

Cytowanie: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Słowa kluczowe: stabilność filaru węgla, wspornictwo korytarza podziemnego, <keyword>kontrola wychodzenia skał (rock burst), górnictwo ścianowe