Badanie dotyczące dużych odkształceń i mechanizmu awarii spągu korytarza woda‑bogatej miękkiej skały

Dlaczego spągi korytarzy kopalnianych mogą gwałtownie się podnosić

Głębokie podziemne korytarze w kopalniach węgla muszą pozostawać stabilne, aby zapewnić bezpieczeństwo pracowników i sprawny transport sprzętu. W niektórych kopalniach spąg korytarza powoli puchnie ku górze, odkształcając szyny i pękając obramowania. W tym badaniu rozważono taki problem w chińskiej kopalni węgla, gdzie korytarz przebiega przez słabą, nasiąkniętą wodą skałę. Badacze postawili sobie za cel zrozumienie, dlaczego spąg uniósł się o kilka metrów oraz w jaki sposób nowa metoda podparcia mogłaby temu zapobiec.

Problemowy korytarz głęboko pod ziemią

Zespół skupił się na głównym korytarzu odgałęzienia północnego w kopalni Hongqi w prowincji Shandong w Chinach. Ten korytarz transportowy, o szerokości i wysokości około czterech metrów, jest wycięty w warstwie miękkiego mułowca i leży nad warstwą wapienia wypełnioną sprężoną wodą gruntową. Kontrole terenowe wykazały intensywne przesiąkanie wody na stykach korytarzy, a spąg blisko tego źródła wody podniósł się nawet o 2,5 metra. Stalowe szyny wygięły się w kształt litery S, obudowy betonowe popękały, a kotwy w ścianach pękły — wszystko to wskazywało, że skała otaczająca korytarz nie była już w stanie utrzymać kształtu.

Miękka skała, która rozpada się pod wpływem wody

Aby zrozumieć, dlaczego spąg był tak podatny na uszkodzenia, badacze testowali próbki mułowca pobrane z dna korytarza. Stwierdzili, że zawiera on dużą ilość minerałów ilastych, które absorbują wodę, pęcznieją i tracą wytrzymałość po nawodnieniu. W mikroskopie skała wyglądała porowato i luźno związaną, z wieloma drobnymi ziarnami i słabym spoiwem między nimi. W prostych testach namaczania bryły mułowca zaczynały się kruszyć już po minucie zanurzenia i dalej rozpadały się wraz z pochłanianiem kolejnych ilości wody. Wyniki te pokazały, że skała nie tylko jest miękka, lecz także łatwo ulegająca uszkodzeniu przez wodę, co czyni ją szczególnie podatną na pęcznienie i utratę wytrzymałości.

Modele komputerowe pokazujące, jak woda wypycha spąg

Następnie zespół zbudował trójwymiarowy model komputerowy korytarza i otaczających warstw skał. Zasymulowano różne ciśnienia w warstwie wapienia pod spągiem, od warunków suchych po zmierzone wysokie ciśnienie. Model śledził przemieszczenia stropu i spągu oraz obszary skały wypchniętej poza jej granicę nośności. W warunkach suchych spąg podnosił się jedynie nieznacznie i uszkodzenia były płytkie. Gdy ciśnienie wody podniosło się do rzeczywistej wartości z terenu, symulowane podnoszenie spągu zwiększyło się do około 2,5 metra, a strefa uszkodzonej skały pod spągiem pogłębiła się do ponad sześciu metrów, podczas gdy strop praktycznie się nie przesunął. Pokazało to, że ciśnienie wody od dołu, działające na już słaby mułowiec, było główną siłą napędową awarii spągu.

Prosty obraz mechanizmu awarii spągu

Wykorzystując założenia z teorii ciśnień gruntowych, badacze naszkicowali mechaniczny obraz ruchu spągu. Podzielili spąg na strefę płytką, gdzie skała została osłabiona przesiąkaniem, oraz strefę głębszą, silnie oddziaływaną przez sprężony poziom wodonośny. W tym obrazie bloki zmiękczonej skały po obu stronach dna korytarza są ściskane do środka i ku górze pod łącznym ciężarem zalegających warstw i pionowym wyporem wody. Ich obliczenia sugerowały, że krytyczna głębokość awarii sięga około 4,5 metra. Mówiąc prościej: gruba warstwa zmiękczonej skały pod podstawą korytarza jest wypychana do góry i do środka, powodując wypuklenie spągu w przestrzeń korytarza.

Warstwowy system podparcia, który trzyma wodę na dystans

Na podstawie tych ustaleń zespół zaprojektował nowy system podparcia dostosowany do dwóch stref głębokości. W strefie płytkiej zainstalowano krótsze kotwy z zatapianiem, aby związać luźną skałę i uszczelnić spękania. W strefie głębszej zastosowano długie kotwy kablowe z zatapianiem, zakotwione w silniejszych skałach, aby ograniczyć przemieszczenia tam, gdzie ciśnienie wody jest największe. W spągu wbudowano odwrócony łuk betonowy połączony z U‑kształtnymi stalowymi wspornikami przy ścianach, tworząc zamknięte pierścieniowe obudowanie, które lepiej przeciwdziała wyciskaniu od dołu. Projekt ma na celu odcięcie bezpośredniego kontaktu wód gruntowych z najsłabszym mułowcem i równomierniejsze rozłożenie obciążeń.

Od podnoszącego się spągu do kontrolowanego ruchu

Nowy schemat wzmocnienia zastosowano w sąsiednim łączącym korytarzu o podobnych warunkach skalno‑wodnych. W ciągu dwóch miesięcy monitoringu osiadanie stropu i przemieszczenia ścian pozostały niewielkie, a spąg podniósł się jedynie o 33 milimetry zanim ustabilizował się — zamiast metrów, jak to miało miejsce wcześniej. Dla osób niebędących specjalistami kluczowy przekaz jest następujący: zrozumienie, jak woda osłabia skały podziemne i jak sprężona woda działa na spągi tuneli, pozwala na zastosowanie ukierunkowanych, warstwowych podpór, które znacznie zmniejszają niebezpieczne przemieszczenia gruntów w głębokich kopalniach.

Cytowanie: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Słowa kluczowe: podnoszenie się spągu, miękka skała, wody gruntowe, wspornictwo tunelu, kopalnia węgla