Mechanizm uszkodzeń otaczającej skały i synergiczne sterowanie silnym podparciem i silnym odciążeniem dla wyrobisk w dolnych pokładach w grupach pokładów o małej odległości

Dlaczego bezpieczniejsze chodniki w kopalni mają znaczenie

Głęboko pod ziemią górnicy polegają na wąskich chodnikach, by dotrzeć do pokładów węgla. Gdy skała otaczająca te chodniki nagle się przesunie lub ulegnie zniszczeniu, może to spowodować niebezpieczne wyrzuty energii, zawalenia i kosztowne przestoje. W badaniu omówiono szczególnie trudną sytuację w chińskiej kopalni, gdzie dwa pokłady węgla leżą blisko siebie, a dolne wyrobiska znajdują się pod dawnymi wyrobiskami i pozostawionymi blokami węgla. Autorzy wyjaśniają, dlaczego skała po jednej stronie tych chodników ulega awarii łatwiej, i testują zintegrowane podejście, które jednocześnie wzmacnia obudowę chodnika i łagodnie odprowadza zgromadzone naprężenia w otaczającej skale.

Ukryte naprężenia po dawnym wydobyciu

W rejonie wydobywczym Jiaoping jeden z pokładów został już wydobyty, pozostawiając puste przestrzenie zwane goafami oraz sztywne filary węgla podtrzymujące strop. Drugi, głębszy pokład jest teraz eksploatowany poniżej. Ciężar nadkładu i sztywne filary nie obciążają równomiernie dolnych chodników. Naprężenie koncentruje się po stronie znajdującej się pod filarem węglowym, podczas gdy druga strona leży pod częściowo zrelaksowaną strefą. Woda, która przenika do starego goafu, może także zmiękczać węgiel i skałę, zwiększając ryzyko utraty wytrzymałości posadzek i ścian w czasie. Obliczenia i pomiary geologiczne wykazują, że uszkodzenia od górnego pokładu sięgają około 10–15 metrów w dół, co wystarcza, by wpłynąć na to, gdzie i jak należy lokalizować nowe wyrobiska.

Wybór lepszego przebiegu chodnika

Wykorzystując teorię mechaniki skał, zespół oszacował, jak głęboko podłoga pod górnym pokładem została poprzednio spękana przez minione wydobycie i przez skoncentrowane obciążenie pozostawionych filarów. Następnie porównano różne sposoby usytuowania nowego dolnego chodnika względem starych wyrobisk. Jeśli dolny chodnik nakłada się na strefę o wysokim naprężeniu pod filarem, napotyka silne, nierównomierne obciążenie. Przesunięcie go na zewnątrz może wciąż znajdować się w tej strefie. Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest przesunięcie dolnego chodnika do wnętrza, w stronę wcześniej wyrobionej przestrzeni, gdzie naprężenie zostało częściowo odciążone. Taki układ wewnętrznego przesunięcia unika najbardziej obciążonych partii skały i zmniejsza naturalną tendencję jednej strony chodnika do większych odkształceń niż drugiej.

Silne podparcie plus odciążenie naprężeń

Dobre podparcie chodnika pozostaje niezbędne. Kopalnia przyjęła schemat „silnego podparcia” wykorzystujący gęsto rozmieszczone kotwy stalowe, stalowe pasy, siatkę drucianą i kotwy kablowe o wysokim napięciu zakotwione w stropie i ścianach. System ten zaciska spękaną skałę razem i pozwala, by płytka skały wokół otworu działała jak jedna nośna powłoka. Aby pójść dalej, badacze dodali krok „silnego odciążenia”: wykonali długie, ukośne otwory z chodnika w górę do pokładu i nadkładu oraz wtłaczali wodę pod wysokim ciśnieniem, by spowodować kontrolowane pęknięcia. Uważna analiza interakcji ciśnienia płynu z naturalnym polem naprężeń poprowadziła dobór kątów otworów tak, by pęknięcia inicjowały się i rozchodziły przy stosunkowo niskim ciśnieniu pompowania, otwierając drogi do redystrybucji naprężeń i energii z dala od chodnika.

Obserwowanie reakcji skały

Zespół wykorzystał symulacje komputerowe i pomiary podziemne, by zobaczyć, jak skała reaguje zarówno na wolne obciążenie, jak i na nagłe uderzenia, które naśladują drobne zdarzenia sejsmiczne. W warunkach statycznych wzmocniony chodnik ulegał jedynie niewielkim odkształceniom, a przemieszczenia pozostawały wyraźnie poniżej granic bezpieczeństwa, choć naprężenia i siły w kotwach były wyraźnie większe po stronie filaru węglowego. Po dodaniu obciążeń uderzeniowych w modelach wyłoniły się dwa wzorce. Uderzenia skoncentrowane głównie nad stropem powodowały pękanie rozciągające w centralnej części stropu. Uderzenia blisko naroża łączącego strop i ścianę powodowały silne boczne ściskanie ściany i osiadanie stropu w całości, co jest cięższym trybem uszkodzenia. Po szczelinowaniu hydraulicznym badania elektryczne wykazały rozległe strefy o niskiej rezystywności, gdzie powstały wypełnione wodą szczeliny, potwierdzając osłabienie skały i przesunięcie naprężeń. Pomiary terenowe zarejestrowały, że siły w kotwach i kablach pozostawały w bezpiecznych zakresach, a strefa „rozluźnionej” skały, choć rosła, była kontrolowana przez system obudowy.

Znaczenie dla bezpieczeństwa kopalni

Dla badanej kopalni praca pokazuje, że główną przyczyną, dla której jedna strona dolnych chodników ulega łatwiej awarii, jest nierównomierne obciążenie wywołane pozostawionymi filarami węgla. Umieszczając wyrobisko w strefie odciążonej, solidnie zakotwiając sąsiednią skałę i stosując ukierunkowane szczelinowanie hydrauliczne w celu upuszczenia głębokich naprężeń, inżynierowie mogą utrzymać odkształcenia w bezpiecznych granicach nawet przy występowaniu drobnych wstrząsów. Autorzy argumentują, że połączona strategia silnego podparcia i silnego odciążenia, wsparta uważnym monitorowaniem, oferuje praktyczną drogę do bezpieczniejszej i bardziej wydajnej eksploatacji węgla w innych kopalniach z nawarstwionymi pokładami i złożonymi warunkami naprężeniowymi.

Cytowanie: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Słowa kluczowe: górnictwo węglowe, stabilność wyrobisk, wstrząs górotworu, sztuczne szczelinowanie hydrauliczne, symulacja numeryczna