Analiza wodoprzepuszczalnej strefy spękań w słabo scementowanym nadkładzie z uwzględnieniem mięknienia skały przy odkształceniu

Dlaczego pęknięcia nad kopalniami węgla mają znaczenie

W suchych regionach, gdzie woda jest cenna, kopalnie węgla robią więcej niż usuwają paliwo z podziemia – mogą także otwierać ukryte szczeliny, które odsączają cenną wodę gruntową i wywołują nagłe zalania korytarzy kopalnianych. W tym badaniu analizowano rozwój tych stref spękań nad ścianą górniczą na zachodzie Chin, gdzie nadkład jest słaby i łatwo ulega uszkodzeniu. Łącząc pomiary terenowe z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, autorzy wykazują, że powszechnie stosowane metody inżynierskie mogą zaniżać wysokość kanalizujących wodę pęknięć, co ma poważne konsekwencje zarówno dla bezpieczeństwa kopalni, jak i lokalnych ekosystemów.

Ukryte drogi dla wody

Gdy pokład węgla zostaje wydobyty na dużym obszarze, strop nad pustą przestrzenią ulega ugięciu, wygięciu, a w końcu zniszczeniu. Ten proces tworzy „wodoprzepuszczalną strefę spękań” – kolumnę połączonych szczelin i pustek, przez które może przepływać woda. W rejonie górnictwa Shendong w Mongolii Wewnętrznej pokłady węgla leżą pod luźnym piaskiem oraz słabo scementowanym piaskowcem i mułowcem. Po naruszeniu te skały mogą ulegać rozległemu spękaniu, łącząc płytkie warstwy wodonośne z pustką górniczą. To połączenie może osuszać wody gruntowe, powodować nagłe napływy wody i osadów do wyrobisk oraz pogarszać problemy powierzchniowe, takie jak erozja gleby, utrata roślinności i skażenie już ograniczonych zasobów wodnych.

Pomiary pęknięć z powierzchni

Aby ustalić, jak wysoko sięga strefa spękań, badacze wywiercili dwa pionowe otwory: jeden nad nienaruszonym gruntem i jeden nad wyrobiskiem po wydobyciu, tzw. goaf. Podczas wiercenia obserwowali, ile płynu płuczącego przeciekało do otaczającej skały oraz jak zmieniał się poziom wody w każdym otworze. W otworze nad nienaruszonym gruntem przecieki były niskie i stabilne, co wskazywało na jedynie rozproszone, naturalne spękania. Natomiast w otworze nad wydobytym obszarem, gdy głębokość wiercenia osiągnęła około 97 metrów, utrata płynu wzrosła tysiące razy, a poziom wody nagle opadł do dna otworu, co pokazało, że wiertło weszło w mocno spękaną i przewodzącą wodę strefę. Nagrania wideo z otworu potwierdziły ten obraz: nienaruszone skały na płytkich głębokościach przechodziły w gęste, krzyżujące się pęknięcia na większych głębokościach. Z tych obserwacji wysokość wodoprzepuszczalnej strefy spękań określono na około 142,6 metra ponad pokładem węgla.

Dlaczego tradycyjne wzory zawodzą

Inżynierowie w Chinach często polegają na starym empirycznym wzorze, który szacuje wysokość strefy spękań na podstawie grubości wydobycia i ogólnego opisu twardości stropu. Dla badanej ściany węgla reguła ta przewidywała tylko około 41 metrów spękań – znacznie poniżej tego, co wykazały otwory wiertnicze. Jednym z powodów jest to, że wzór powstał głównie na podstawie starszych, twardszych typów skał występujących we wschodnich zagłębiach węglowych i nie oddaje charakteru słabszych, bardziej zróżnicowanych skał w basenach zachodnich. W efekcie stosowanie go w takich warunkach może dawać fałszywe poczucie bezpieczeństwa, zaniżając zarówno potencjalne osuszanie wód gruntowych, jak i ryzyko napływu wody do wyrobisk.

Skały, które słabną w miarę odkształcania

Aby wypełnić tę lukę, autorzy zbudowali trójwymiarowy model numeryczny kopalni wykorzystujący metodę elementów dyskretnych, która przedstawia nadkład jako współdziałające bloki rozdzielone spękaniami. Porównali dwa sposoby opisu zachowania skał: standardowy model Mohr–Coulomba, który zakłada, że po osiągnięciu wytrzymałości szczytowej skała pozostaje równie silna dalej, oraz model ze słabnięciem przy odkształceniu (strain‑softening), w którym wytrzymałość stopniowo maleje w miarę narastania odkształceń. Model ze słabnięciem odzwierciedla rozwój mikropęknięć i pęknięcia wiązań wewnątrz słabo scementowanych skał, powodując stopniową utratę spoistości i tarcia. Symulacje wykazały, że oba modele odtwarzały ogólny przebieg ugięcia stropu, osiadania i wzrostu spękań, ale szczegóły różniły się w istotny sposób.

Pełny obraz zniszczeń

W modelu o stałej wytrzymałości uszkodzenia utrzymywały się głównie w dolnej części stropu, a strefa spękań osiągała jedynie około 128,5 metra. W symulacjach ze słabnięciem po osiągnięciu początkowej utraty nośności skała nad goafem osłabiała się kolejno, pozwalając pęknięciom rozprzestrzeniać się wyżej i szerzej. Wcześniejsze rozdzielenia w stropie zamykały się pod naciskiem osiadania, podczas gdy powstawały nowe spękania wyżej, tworząc wyższą, bardziej ciągłą drogę dla wody. Ten model przewidział wysokość strefy spękań równą 144,5 metra – w odległości kilku metrów od pomiarów z otworów wiertniczych i znacząco wyższą niż oszacowanie na podstawie Mohr–Coulomba. W trakcie całego procesu wydobywczego model ze słabnięciem konsekwentnie dawał większe, bardziej realistyczne obszary uszkodzeń, podkreślając, jak wrażliwy jest rozwój spękań na sposób traktowania zachowania skały po przekroczeniu wytrzymałości.

Co to oznacza dla wody i bezpieczeństwa

Dla osób niebędących specjalistami przekaz jest prosty: w słabych, wodonośnych skałach spękania nad kopalnią mogą sięgać znacznie wyżej niż sugerują proste reguły, szczególnie gdy skała nadal słabnie po pierwszym pęknięciu. Modele ignorujące to mięknienie mają tendencję do zaniżania zasięgu, na jaki woda może przedostać się w głąb kopalni. Dzięki ścisłemu dopasowaniu do danych terenowych podejście uwzględniające słabnięcie przy odkształceniu oferuje bardziej wiarygodną podstawę do projektowania bezpiecznych głębokości eksploatacji, planowania działań ochrony wód oraz oceny wpływu na środowisko w suchych regionach, gdzie woda gruntowa jest jednocześnie cenna i podatna na degradację.

Cytowanie: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Słowa kluczowe: górnictwo węglowe, wody gruntowe, kruszenie skał, modelowanie numeryczne, zagrożenia wodne w kopalniach