Studium teoretyczne zakresu odbarczenia ciśnienia w górnej chronionej pokładzie w eksploatacji warstwy ochronnej

Dlaczego bezpieczniejsze górnictwo węgla ma znaczenie

Głębokie kopalnie węgla zasilają współczesne życie, ale mogą być niebezpieczne. Wysokie naprężenia w skałach i uwięziony gaz mogą wywołać gwałtowne wyrzuty, które zagrażają górnikom i sprzętowi. Niniejsze badanie analizuje sposób uczynienia wydobycia głębinowego bezpieczniejszym przez wykorzystanie jednego pokładu węgla do ochrony innego. Poprzez ostrożne wydobycie dolnego pokładu autorzy pokazują, jak w kontrolowany sposób można odbarczyć ciśnienie i gaz w nadkładowym, bardziej niebezpiecznym pokładzie.

Wykorzystanie jednego pokładu do ochrony drugiego

Idea warstwy ochronnej jest prosta: wydobyć bezpieczniejszy pokład, aby łagodnie „odprowadzić parę” z bardziej ryzykownego pokładu nad nim lub pod nim. Gdy dolny pokład ochronny zostaje wydobyty, nadkłady uginają się, pękają i przesuwają w stronę wyzerowanej strefy. Ruch ten zmienia rozkład naprężeń i otwiera nowe drogi ucieczki gazu. W tym badaniu pokład Wu9−10 w kopalni Pingmei nr 6 w Chinach pełni rolę dolnego pokładu ochronnego, natomiast nadkładowy pokład Ding5−6 jest pokładem narażonym na wyrzuty gazu.

Wybór odpowiedniego pokładu ochronnego

Nie każdy pokład węgla może bezpiecznie pełnić funkcję warstwy ochronnej. Autorzy najpierw ocenili przydatność pokładu Wu9−10. Sprawdzili, czy pokład ma wystarczającą grubość i ciągłość do eksploatacji, czy odległość do pokładu Ding5−6 nie jest zbyt duża oraz czy warstwy pośrednie nie są tak sztywne, by blokować odbarczenie. Kluczowym wskaźnikiem jest stosunek odległości między pokładami do grubości pokładu ochronnego. W tym przypadku stosunek ten był znacznie poniżej limitu bezpieczeństwa określonego przez chińskie normy techniczne, co wskazywało, że eksploatacja Wu9−10 powinna skutecznie odbarczyć Ding5−6 bez pogorszenia warunków przyszłej eksploatacji.

Mapowanie strefy ochronnej

Zespół następnie zastosował ustalone zasady i wzory, aby przewidzieć, jak daleko efekt ochronny powinien się rozciągać wokół ściany eksploatacyjnej. Obliczyli kąty odbarczenia ciśnienia, które pokazują, jak strefa chroniona rozchodzi się nad wydobytym pokładem w różnych kierunkach: wzdłuż spągu, wzdłuż bruzdy i pionowo w górę. Na podstawie tych kątów oszacowali, o ile powinna być przesunięta strefa bezpieczna względem tuneli i linii granicznych oraz jak wysoko nad pokładem ochronnym powinno sięgać odbarczenie. Wyniki wskazały, że rzeczywista odległość między pokładami mieściła się daleko w obrębie oczekiwanego pionowego zakresu ochrony.

Weryfikacja teorii pod ziemią

Aby sprawdzić te przewidywania, badacze przeprowadzili rozległy eksperyment terenowy podczas eksploatacji pokładu Wu9−10. Wywiercili kilkadziesiąt otworów w górnym pokładzie Ding5−6, by mierzyć ciśnienie gazu i jego zawartość przed i po eksploatacji. Zainstalowali też przyrządy do śledzenia, jak bardzo pokład chroniony pęcznieje w miarę odbarczania naprężeń, oraz zebrali szczegółowe zapisy ilości gazu wypompowanego przez odwierty i przewody. Dane wykazały, że w obrębie obliczonej strefy ochronnej ciśnienie gazu w Ding5−6 spadło nawet do około czterech piątych, zawartość gazu zmniejszyła się mniej więcej o połowę, a rozszerzenie pokładu było wielokrotnie powyżej progu związanego ze skutecznym odbarczeniem. Całkowita ilość usuniętego gazu odpowiadała temu, co można było oczekiwać przy takim silnym obniżeniu.

Znaczenie dla bezpieczeństwa kopalni

Mówiąc wprost, badanie potwierdza, że starannie zaplanowana eksploatacja dolnego pokładu Wu9−10 może bezpiecznie „rozbroić” nadkładowy pokład Ding5−6 poprzez obniżenie naprężeń i odpompowanie gazu w dobrze zdefiniowanym obszarze. Zmierzona strefa bezpieczna na rzeczywistym terenie dobrze odpowiadała teoretycznej, a wszystkie kryteria bezpieczeństwa dotyczące ciśnienia i zawartości gazu zostały spełnione. Dla głębokich, łagodnie nachylonych złóż o podobnej budowie geologicznej praca ta dostarcza praktycznego wzorca wykorzystania pokładów ochronnych do zmniejszenia ryzyka niebezpiecznych wyrzutów gazu przy jednoczesnym zachowaniu możliwości przyszłej eksploatacji.

Cytowanie: Zhan, K., Zhang, B. & Wang, M. Theoretical study on the pressure relief range of the upper protected coal seam in protective layer mining. Sci Rep 16, 15688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47249-4

Słowa kluczowe: eksploatacja warstwy ochronnej, gaz w pokładzie węgla, odbarczenie ciśnienia, górnictwo głębinowe, bezpieczeństwo kopalni