Analiza numeryczna i zastosowanie inżynierskie technologii kotwienia śrubowego do kontrolowania zsuwania się masywu węglowego

Dlaczego bezpieczeństwo w kopalniach wciąż ma znaczenie

Głębokie kopalnie węgla zasilają domy i przemysł, ale kryją też gwałtowne zagrożenia. Jednym z najniebezpieczniejszych jest odskok węgla — nagły wyrzut energii, który może przesunąć masę węglową na boki i uszkodzić korytarze. Niniejsze badanie dotyczy praktycznego sposobu ujarzmienia tej siły poprzez przemyślenie sposobu osadzania metalowych śrub między węglem a skałą, tak aby chodniki pozostały stabilne, a górnicy bezpieczni.

Ześlizgiwanie się węgla i ukryte słabe punkty

W wielu kopalniach o wysokim naprężeniu węgiel przylegający do korytarza nie kruszy się po prostu; może przesuwać się jako bryła wzdłuż powierzchni styku z twardszą skałą. To zsuwanie uwalnia zgromadzoną pod ziemią energię i może roztrzaskać wyposażenie oraz zagrozić pracownikom. Słabym ogniwem jest właśnie interfejs węgiel–skała, który często nie wytrzymuje silnego bocznego nacisku. Tradycyjne kotwienie było głównie projektowane do podtrzymywania stropu, a nie do powstrzymywania całych płatów węgla przed zsuwaniem się wzdłuż tej granicy.

Śruby jako cisi strażnicy

Autorzy koncentrują się na tym, jak śruby mogą zespolić węgiel i skałę, aby poruszały się jako całość zamiast się rozdzielać. Śruba przechodząca przez granicę może działać na dwa sposoby. Po pierwsze, dociska powierzchnie do siebie, zwiększając tarcie, więc są mniej skłonne do poślizgu. Po drugie, gdy węgiel próbuje się przesunąć, śruba wygina się i rozciąga, budując siłę powstrzymującą, która opiera się zsuwaniu i rozprasza obciążenie w mocniejszą skałę otaczającą korytarz. Kluczowe pytanie brzmi, jak kąt tych śrub wpływa na to, czy pracują w bezpiecznym rozciąganiu, czy są przecinane przez siły ścinające.

Wirtualne testy kątów śrub

Aby to zbadać, zespół zbudował szczegółowy trójwymiarowy model komputerowy wycinka węgla i skały połączonego pojedynczą śrubą. Korzystając z oprogramowania do symulacji numerycznej, przesuwali węgiel na boki i obserwowali zachowanie śruby przy czterech kątach: 30, 45, 60 i 90 stopni względem powierzchni węgiel–skała. Przy 30 i 45 stopniach śruba rozciągała się wzdłuż długości, ścieła się w środku i w końcu pękała w klasycznym złamaniu na rozciąganie. Przy 60 i 90 stopniach śruba gwałtownie się wyginała i ulegała zniszczeniu wzdłuż płaskiej płaszczyzny, co świadczy o dominującym ścinaniu zamiast rozciągania.

Znalezienie optymalnego kompromisu między wytrzymałością a energią

Symulacje wykazały, że śruby zawodzą łagodniej i przenoszą większe obciążenia, gdy pracują głównie na rozciąganie. Przy kątach 30, a zwłaszcza 45 stopni, śruby osiągały większe siły szczytowe, z większym bezpiecznym wydłużeniem przed złamaniem. Absorbowały też więcej energii odkształcenia, co oznacza, że potrafią lepiej pochłaniać uderzenia wynikające z nagłych ruchów gruntu. Przy stromszych kątach śruby przenosiły mniejsze obciążenia, odkształcały się mniej przed zniszczeniem i były bardziej podatne na gwałtowne ścinanie. Wskazywało to na 45 stopni jako najskuteczniejszy kompromis między geometrią a wytrzymałością w oporze przed zsuwaniem się węgla.

Wdrożenie projektu w rzeczywistej kopalni

Następnie badacze przetestowali swój projekt w głębokiej chińskiej kopalni węgla. W jednym odcinku drogi powrotnej zachowali istniejący system wsporny. W pobliskim odcinku o podobnej geologii zmienili układ przyścian: górny rząd śrub ustawiono pod kątem 45 stopni i połączono z dłuższymi kablami zakotwionymi w twardszych warstwach powyżej i poniżej. W trakcie całego cyklu drążenia chodnika i późniejszej eksploatacji węgla monitorowali osiadanie stropu, ruchy przyścian i rozwarstwienia w stropie, aby zobaczyć, jak zareagowała masa skalna.

Bezpieczniejsze korytarze przy mniejszych przemieszczeniach

Pomiary wykazały, że zoptymalizowane wzmocnienie wyraźnie poprawiło stabilność. Podczas drążenia luz stropu w sekcji testowej był mniejszy, a rozwarstwienia między warstwami stropu utrzymywały się na niskim poziomie. Ruch przyścian w ulepszonej sekcji spadł o około 28,6 procent w porównaniu ze starym układem. Po rozpoczęciu wydobycia i dalszym wzroście naprężeń przemieszczenie przyścian w zoptymalizowanym chodniku wynosiło około połowy wartości przy konwencjonalnym wzmocnieniu, a rozwarstwienia stropu w głębszych punktach narastały znacznie wolniej. Wyniki te sugerują, że prawidłowo ustawione śruby, wspierane przez dobrze rozmieszczone kable, mogą skutecznie zacisnąć węgiel i skałę razem oraz ograniczyć zdarzenia zsuwania na dużą skalę.

Co to oznacza dla bezpieczeństwa w kopalniach

Dla czytelnika nieznającego tematu przesłanie jest proste. Przechylenie śrub tak, by pracowały na rozciąganie zamiast na ścinanie, pozwala uzyskać więcej wytrzymałości i zdolności pochłaniania energii z tego samego osprzętu, zamieniając styk węgiel–skała z podatnej powierzchni poślizgu w zablokowane połączenie. Badanie wskazuje 45 stopni jako praktyczny kąt docelowy i pokazuje w terenie, że taki układ zmniejsza odkształcenia tuneli w kopalni o wysokim naprężeniu. Choć potrzebne są dalsze prace dotyczące innych typów wyrzutów skalnych, podejście to daje wyraźną drogę do bezpieczniejszych korytarzy podziemnych, gdzie zagrożenie zsuwaniem się węgla jest istotne.

Cytowanie: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

Słowa kluczowe: odskok węgla, kotwy skalne, wzmocnienie chodnika, symulacja numeryczna, stabilność kopalni