Experimentell studie av kompaktionsdeformationsutveckling och energidissipationskarakteristik hos graderat krossat bergmaterial

Varför krossat berg spelar roll under jord

Djupare under jord i kolgruvor lämnas gångar ofta delvis fyllda med högar av krossat berg. Hur tätt detta bråte packas och hur det avger energi när det förskjuts kan påverka om gas släpps ut säkert eller byggs upp till en farlig explosion. Denna studie undersöker hur olika blandningar av stora och små stenbitar komprimeras, hur porutrymmena mellan dem förändras och hur mycket lagrad energi som frigörs när de pressas ihop — kunskap som kan göra bergsbruket säkrare och mer effektivt.

Hur berget pressades och lyssnades på

Forskarna samlade finkornig sandsten från en kinesisk kolgruva och krossade den till partiklar i fem storleksintervall, från några millimeter upp till 25 millimeter. Med hjälp av ett matematiskt recept kallat graderingsindex skapade de fem olika blandningar, från sådana dominerade av små partiklar till sådana med fler stora klumpar. Varje 2,4 kilogram prov hälldes i en kraftig stålcylinder och komprimerades uppifrån medan sidorna hölls styva — liknande hur krossat berg i ett utgrävt håltrycks av överliggande berg. Samtidigt ”lyssnade” känsliga akustiska sensorer efter små elastiska vågor som uppstod när partiklar gled, gnuggade eller bröts, och omvandlade dessa signaler till räknade händelser och energivärden som spårar hur bergskelettet omorganiserade sig internt.

Tre stadier av ihoppressning

Genom att följa spänning och töjning fann teamet att alla blandningar genomgick tre tydliga kompaktionsstadier. Först kom ett initialt stadium där löst packade partiklar gled, roterade och satte sig i nya positioner, vilket orsakade snabb förkortning vid relativt låg spänning. Därefter följde ett linjärt stadium där strukturen blev mer stabil och ytterligare belastning gav en nästan rak relation mellan spänning och deformation; här dominerade partikelbrott och tätare yta‑mot‑yta‑kontakter mellan korn. Slutligen uppträdde ett plastiskt konsolideringsstadium där bergmassan blev styv och motståndskraftig mot fortsatt förkortning: ytterligare spänning gav endast liten extra deformation men mer intensiv lokalt krossande. Blandningar rika på fina partiklar nådde dessa senare stadier snabbare och stannade längre i det slutliga styva skedet, medan grovdominerade blandningar krävde högre spänningar för att uppnå samma förkortning.

Hur porutrymmen och partikelstorlekar utvecklas

Hålrummen mellan partiklarna krympte i ett trestegs‑mönster som speglade deformationsstadierna: ett snabbt fall, en långsammare minskning och därefter en nära platå när materialet närmade sig sitt tätaste tillstånd. Prover med fler stora partiklar började med mer tomrum och förlorade mer porvolym totalt, men deras porförhållande föll snabbare vid låga påfrestningar. Efter kompression visade siktning att alla blandningar hade bildat många nya små fragment under 2,5 millimeter, medan andelen största partiklar minskade kraftigt. En fraktalmått på partikelstorlekskomplexitet ökade för varje prov och de slutliga värdena grupperade sig i ett snävt intervall, vilket innebär att kompaktion tenderade att jämna ut initiala skillnader mellan blandningar. Grovdominerade blandningar slutade dock fortfarande med något enklare (mindre fragmenterade) storleksfördelningar än finrika blandningar.

Energiviskningar och utbrott inne i bråtet

De akustiska mätningarna visade att energifrigivningsmönstren också följde de tre stadierna. I det tidiga stadiet var signalerna frekventa men svaga, vilket speglar friktion och små justeringar mellan korn. Under det linjära stadiet ökade både antalet händelser och deras totala energi kraftigt när större partiklar började spricka och den interna strukturen omorganiserades. I det slutliga stadiet minskade antalet händelser, men individuella energipaket blev mycket starkare, kopplade till tillfälliga brott på kvarvarande stora fragment inne i ett redan styvt ramverk. Blandningar med fler fina partiklar gav upphov till många fler lågenergihändelser, medan grovdominerade blandningar genererade färre men betydligt mer energirika utbrott, vilket visar en övergång från ”många små viskningar” till ”sällsynta höga smällar” när partikelblandningen ändras.

Vad detta betyder för gruvsäkerheten

Sammantaget visar studien att hur krossat berg är graderat — andelen fint material jämfört med grova klumpar — starkt styr hur det kompakteras, hur porutrymmena sluts, hur sidotryck utvecklas och hur lagrad energi frigörs. Med tiden tenderar olika startblandningar att konvergera mot likartat täta, finfördelade tillstånd, men de färdas längs mycket olika mekaniska och energimässiga vägar för att nå dit. För gruvingenjörer ger förståelsen av dessa vägar bättre möjligheter att förutsäga hur utbrutna zoner krymper, hur gasvägar öppnas eller stängs och när farliga spänningar och energikoncentrationer kan uppstå — en vetenskaplig grund för förbättrade gasdräneringsupplägg och bättre kontroll av berg‑ och gasolyckor i djupa kolgruvor.

Citering: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Nyckelord: kompaktion av krossat berg, kolgruva utbruten område, granulära material, akustisk emission, förebyggande av gasolyckor