Badanie efektu ulgi ciśnieniowej i zakresu ochrony przy zdalnym eksploatowaniu dolnej warstwy ochronnej na podstawie podobnych symulacji fizycznych i PFC3D

Dlaczego bezpieczniejsze wydobycie węgla ma znaczenie

Węgiel nadal zasila znaczną część chińskiej energetyki, ale jego wydobycie może wywołać gwałtowne wyrzuty gazu i skał zagrażające górnikom. Badanie analizuje, jak eksploatacja jednego pokładu głębiej pod ziemią może łagodnie zmniejszyć ciśnienie w pokładzie leżącym wyżej, ułatwiając odprowadzanie gazu i zwiększając bezpieczeństwo kolejnych prac wydobywczych. Łącząc modele fizyczne w laboratorium z zaawansowanymi symulacjami komputerowymi, autorzy odwzorowują, jak skała między pokładami pęka, się ugina i osiada w miarę postępu prac.

Dwa pokłady węgla działające razem

Praca koncentruje się na kopalni nr 6 w prowincji Henan, gdzie głębszy pokład zwany Wu 8 leży około 72 metrów poniżej wyższego pokładu Ding 5.6. Pomysł polega na tym, by najpierw wydobyć niższy pokład jako „pokład ochronny”. Po jego usunięciu ciężar nadkładu się przemieszcza, zmieniając rozkład naprężeń w pokładzie wyższym i otwierając drobne drogi ucieczki dla uwięzionego gazu. Jeśli inżynierowie potrafią przewidzieć, gdzie i jak daleko sięga ten efekt ulgi ciśnienia, mogą umieścić otwory do odprowadzania gazu i planować przyszłe wydobycie w pokładzie górnym bezpieczniej i efektywniej.

Zmniejszona kopalnia w laboratorium

Aby obserwować zjawiska niewidoczne pod ziemią, zespół zbudował duży model fizyczny o długości około trzech metrów i wysokości półtora metra, który imituje rzeczywiste warstwy skalne nad pokładem Wu 8. Używając piasku, gipsu, węglanu wapnia i miki do reprezentacji różnych typów skał, odtworzyli ułożone warstwy, a następnie „wydobywali” dolny pokład etapami. W miarę przesuwania się ściany roboczej obserwowali, jak nadkład się zapada i gdzie powstają szczeliny. Pęknięcia tworzyły szeroki trapez rosnący ku górze i na zewnątrz, przechodząc przez etapy inicjacji i wzrostu, a następnie częściowo się zamykały wskutek zagęszczenia rozdrobnionej skały.

Wirtualne skały i niewidzialne siły

Modele laboratoryjne nie uchwycą wszystkich szczegółów, dlatego badacze użyli także trójwymiarowych symulacji cząsteczkowych PFC3D, aby śledzić rozkłady naprężeń i wzory pęknięć w całej masie skalnej. W tej wirtualnej kopalni skały i węgiel są reprezentowane przez tysiące małych związanych ze sobą cząstek, których interakcje podlegają prawom ruchu. W miarę przesuwania się symulowanej ściany program rejestruje, jak zmieniają się naprężenia pionowe i poziome na różnych wysokościach, jak pęknięcia łączą się w sieci i jak przesuwa się górny pokład węgla. Wyniki pokazują, że naprężenia pionowe w pobliżu wyrobiska wzrastają do około czterokrotności naprężeń poziomych, a następnie spadają, kreśląc strefę ulgi ciśnienia, która zwęża się wraz z wysokością i przybiera trapezoidalny kształt platformy nad goafem.

Jak pokład górny się ugina i rozciąga

Symulacje ujawniają także, jak odkształca się chroniony pokład Ding 5.6. Wzorzec przemieszczeń stopniowo przyjmuje kształt miski nad wyeksploatowanym dolnym pokładem. Na wczesnym etapie, gdy ściana robocza przemieściła się mniej niż połowę długości, osiadanie jest niewielkie i ma kształt elipsy. W miarę postępu eksploatacji zapadlisko pogłębia się i rozszerza, z największym obniżeniem bezpośrednio nad środkiem goafu. Z czasem dno „miski” ulega wypłaszczeniu, gdy nadkład się zagęszcza, a tempo dalszego osiadania maleje. Śledząc zmianę grubości chronionego pokładu, zespół oblicza wskaźnik odkształcenia rozszerzeniowego; gdy wskaźnik ten przekracza próg, uznaje się, że węgiel jest w pełni ulżony ciśnieniowo i dużo mniej podatny na gwałtowne zagrożenia.

Wyznaczanie bezpiecznej strefy pod ziemią

Łącząc wyniki dotyczące odkształceń i naprężeń, autorzy opisują trójwymiarowy kształt efektywnej strefy ochronnej ulgi ciśnienia. Stwierdzają, że zrelaksowany obszar w pokładzie górnym nie rozciąga się dokładnie nad eksploatowanym terenem, lecz jest przesunięty do wewnątrz wzdłuż długości i szerokości ściany roboczej. Wzdłuż długości strefa ochronna zaczyna się i kończy około 35–40 metrów wewnątrz faktycznych granic wydobycia; wzdłuż szerokości cofnięcie wynosi około 11–14 metrów. W obrębie tego przesuniętego regionu naprężenie pionowe spada poniżej krytycznej wartości około 16,9 megapaskala, a wskaźnik odkształcenia rozszerzeniowego przekracza normę stosowaną w chińskich przepisach bezpieczeństwa. W praktyce badanie dostarcza planistom kopalni jasnych kątów i odległości wskazujących, gdzie odwadnianie gazu i przyszłe wydobycie pokładu górnego mogą przebiegać przy zmniejszonym ryzyku wyrzutów węgla i gazu.

Cytowanie: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Słowa kluczowe: eksploatacja pokładów węgla, odwadnianie gazu, pęknięcia skał, bezpieczeństwo kopalni, symulacja numeryczna