Środki zapobiegawcze i technologie monitorowania obciążeń dynamicznych w kopalni węglowej Tangshan po katastrofie wybuchu węgla

Dlaczego podziemne wstrząsy mają dla nas znaczenie

Głęboko pod ziemią górnicy pracują w tunelach wyciętych w węglu i skale, które są ściskane przez ogromne siły naturalne. Czasem to napięcie uwalnia się nagle, gwałtownie wyrzucając węgiel i skały do wnętrza kopalni — zjawisko zwane wybuchem węgla. Takie wstrząsy mogą natychmiast zawalić chodniki i zabić pracowników. Niniejsze badanie opisuje, jak jedna chińska kopalnia odbudowała się po śmiertelnym wybuchu, stopniowo zmniejszając naprężenia w skale i bacznie obserwując ruch stropu, oferując lekcje na rzecz bezpieczniejszej produkcji energii na całym świecie.

Kopalnia o trudnej przeszłości

Kopalnia Tangshan leży głęboko pod geologicznie złożonym terenem, gdzie warstwy skalne są pofałdowane i przecięte licznymi uskokami. W sierpniu 2019 r. poważny wybuch węgla zabił tam siedmiu górników. Śledczy ustalili, że do katastrofy przyczyniło się kilka nakładających się czynników: duże siły gromadzone przez skorupę ziemską, węgiel i skała zdolne do magazynowania i nagłego uwolnienia energii sprężystej, skoncentrowane obciążenia wokół pozostałych filarów węglowych oraz drgania od maszyn wydobywczych. Zanim można było ponownie uruchomić kluczowy rejon produkcyjny znany jako ściana 0250, inżynierowie musieli udowodnić, że te niebezpieczne warunki da się opanować.

Pozwolić węglowi się odprężyć

Pierwszym krokiem było zmniejszenie nagromadzonej energii wewnątrz złoża węglowego. Zespół zastosował dwie główne taktyki. W wybranych odcinkach węgla użyto materiałów wybuchowych, celowo krusząc i osłabiając rejony o najwyższym naprężeniu. Następnie wykonano otwory o dużej średnicy wzdłuż boków chodnika, tworząc strefy, w których węgiel mógł pękać i odkształcać się w kontrolowany sposób. Te otwory „redukujące ciśnienie” sprzyjają stopniowemu uszkadzaniu skały, spuszczając energię zamiast pozwalać jej gromadzić się aż do wybuchu. Po tej kampanii strzałów i wierceń pozostałe ryzyko gwałtownego wybuchu na ścianie 0250 oceniono jako niskie — pod warunkiem jednak, że strop kopalni pozostałby stabilny w miarę wznowienia eksploatacji.

Słuchając, jak porusza się strop kopalni

Następnym wyzwaniem było obserwowanie w czasie rzeczywistym, jak skała nad chodnikiem reaguje w miarę postępu maszyn wydobywczych. Dotychczasowe metody mierzyły głównie pośrednie sygnały, takie jak zmieniające się obciążenia podpór czy naprężenia w otworach, które mogą łączyć powolne siły tła z nagłymi wstrząsami. W tym badaniu autorzy zastosowali przyrząd do pomiaru drgań, zwykle używany w przemyśle maszynowym i do monitorowania osuwisk. Przykręcono czujniki drgań do kabli zakotwionych w skałach stropowych i sparowano je z wielopunktowymi miernikami przemieszczeń wprowadzonymi przez 10‑metrowe otwory wiertnicze. Takie rozwiązanie pozwoliło rejestrować zarówno prędkość ruchu stropu podczas krótkich zdarzeń wibracyjnych, jak i odległość, o jaką powoli opadał w ciągu dni.

Co mówią liczby o bezpieczeństwie

W ciągu kilku dni eksploatacji czoło ściany przemieściło się zaledwie o kilka metrów, jednak instrumenty zarejestrowały ponad tysiąc zapisów drgań. Po odfiltrowaniu szumu zespół skupił się na pionowym ruchu stropu. Typowe prędkości drgań wahały się od kilku do około 15 centymetrów na sekundę, a każdy impuls trwał tylko jedną do dwóch sekund — zgodne z normalnymi pracami wydobywczymi, takimi jak cięcie węgla czy ruchy podpór. Największe krótkotrwałe pionowe przemieszczenia, rzędu około 35 centymetrów, występowały kilka metrów przed aktywną strefą cięcia — obszarem na ogół nie kojarzonym z wybuchami i prawdopodobnie związanym z rutynową pracą maszyn. Co ważniejsze, w strefie wysokiego naprężenia 7–16 metrów przed czołem — tam, gdzie najbardziej obawia się niebezpiecznych wybuchów — pionowe ruchy stropu utrzymywały się w granicach około 10 centymetrów. Długoterminowe pomiary osiadania z mierników przemieszczeń wykazały jedynie niewielkie, stopniowe przesunięcia, co wskazuje, że warstwowy strop skalny pozostał nienaruszony i dobrze podparty.

Patrząc pod ziemię w przyszłość

Podsumowując, wyniki sugerują, że połączenie odciążenia naprężeń przed eksploatacją i ciągłego, bezpośredniego monitorowania ruchu stropu utrzymało obciążenia dynamiczne na ścianie 0250 w bezpiecznym zakresie. Węgiel już uwolnił większość zgromadzonej energii, a pozostałe drgania przypominały raczej równomierne oddychanie pracującej kopalni niż nagły skurcz katastrofy. Autorzy zauważają, że zastosowane narzędzia wibracyjne wciąż wymagają dłuższych okresów rejestracji i inteligentniejszego przetwarzania danych, aby mogły być stosowane na co dzień w kopalniach. Mimo to podejście — celowe osłabianie ryzykownych stref węgla i uważne śledzenie rzeczywistych ruchów skał — wskazuje drogę do bardziej przejrzystego, mierzalnego sposobu podejmowania decyzji, kiedy głęboka eksploatacja może być kontynuowana bez narażania na kolejny śmiertelny wstrząs.

Cytowanie: Ma, S., Su, Y., Jia, D. et al. Prevention measures and monitoring technology of dynamic load in Tangshan coal mine after coal bump disaster. Sci Rep 16, 14593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45527-9

Słowa kluczowe: wybuch węgla, zapobieganie nagłym wstrząsom skalnym, monitorowanie stropu kopalni, pomiar drgań, bezpieczeństwo głębokiej eksploatacji węgla