Forskning om bergomgivningskontroll vid takklyvning och avlastning för vägsidefyllning i gob-side passagebehållning för paneler med stor brytningshöjd

Hålla underjordiska tunnlar öppna och säkra

Djupa underjordiska kolgruvor är beroende av långa tunnlar för att förflytta människor, maskiner och kol. Men när kolet avlägsnas kan bergmassan ovanför förskjutas och pressa ihop dessa tunnlar, vilket skapar stora säkerhetsrisker och ekonomiska förluster. Denna studie fokuserar på en kinesisk kolgruva och ställer en praktisk fråga: hur kan ingenjörer utforma det utgrävda området och stöden så att en viktig tunnel säkert kan förbli öppen för nästa brytningsomgång, istället för att överges och byggas upp från början?

Varför det är viktigt att lämna en tunnel

Moderna kolgruvor använder ofta mycket höga brytningspaneler som tar bort tjocka kolskikt i ett enda svep, vilket ökar produktionen men också kraftigt stör omkringliggande berg. Traditionellt lämnar gruvarbetare en tjock oavverkad kolpelare för att skydda närliggande tunnlar. Den pelaren låser dock värdefullt kol under marken och kräver extra drivning av tunnlar. En teknik kallad gob-side passagebehållning erbjuder ett smartare alternativ: behåll en tunnel precis intill det kollapsade, utgrävda området (”goben”) och ersätt kolpelaren med en särskilt byggd vägsidevägg. Om denna tunnel kan förbli stabil återvinner gruvan mer kol, minskar utvecklingskostnader och förbättrar den övergripande effektiviteten.

När berg och vägg inte räcker till

Författarna analyserar vad som går fel när ingenjörer förlitar sig enbart på vägsideväggen. I höga, breda paneler böjer och bryts de överliggande berglagren över ett större spann, vilket genererar kraftiga, förskiftande tryck. Den smala väggen måste absorbera mycket av denna belastning. Om väggen är stark men för stel kan extrema spänningar byggas upp i den, vilket leder till sprickbildning eller delning. Om den är svagare kan den buktas ut och komprimera tunneln, pressa in tak och sidor. I andra fall orsakar en stark vägg i kombination med ett svagt tak att berget ovan tunneln skärs av och faller ner, vilket leder till lokala takras. Kort sagt: att bara bygga en vägg intill goben räcker inte för att hantera den våldsamma rörelsen i berget ovan ett tjockt brytningsskikt.

Klyva taket för att dämpa belastningen

För att tackla detta problem förespråkar forskarna ett kombinerat tillvägagångssätt de kallar "förstärkt stöd plus takklyvning för tryckavlastning." Idén är att proaktivt skära en lutande springa genom det hårda berget ovan tunneln, på gobsidan. Denna klyvning försvagar förbindelsen mellan tunneltaket och viktiga berglager, och styr det överliggande berget att brytas och rasa mot det utgrävda området i stället för att hänga över vägen som en gigantisk styv balk. Samtidigt förstärks tunneln med ett tätt mönster av bergbultar, stålkablar, hydrauliska stöd och en betong vägsidevägg som kan bära last men tillåta viss kontrollerad rörelse.

Hitta den bästa balansen med virtuella tester

Med hjälp av tredimensionella datorimuleringar kalibrerade mot den verkliga gruvan (2507 arbetsfronten) varierade teamet tre designparametrar: hur högt takklyvet sträcker sig, vinkeln på klyvet och bredden på vägsideväggen. De följde en storhet kallad deviatorisk spänning — ett samlat mått på hur intensivt berget deformeras — för att se var berget sannolikt skulle brista. Simulationerna visade att ett takklyv på cirka 15 meter, som når ungefär 70 procent av huvudtaklagret, signifikant minskade spänningen runt tunneln. En klyvvinkel på 15 grader gav en balanserad lastfördelning mellan den fasta kol-sidan och vägsideväggen, vilket främjade ordnat rasmönster in i goben istället för farliga hängande block. För väggen visade sig bredder på 0,5 till 1,0 meter vara för svaga och orsaka kraftig deformation, medan en bredd omkring 1,5 meter gav bästa kombination av styrka och anpassningsförmåga.

Bevis från fältmätningar

Den optimerade designen testades sedan i gruvan. Instrument mätte takrörelser, krafter i förankringskablar och tryck på betongväggen när brytningsfronten avancerade och gob-side tunneln lämnades kvar. Taknedböjningen på takklyvningssidan höll sig under cirka 120 millimeter, och kabelbelastningar och väggtryck steg till toppar och planade sedan ut under deras konstruktionsgränser. Detta beteende visade att takklyvningen med framgång minskade den last som bars direkt av tunneln och att de förstärkta stöden arbetade tillsammans, snarare än att överbelastas eller fallera plötsligt.

Vad detta betyder för säkrare, smartare gruvdrift

För icke-specialister är slutsatsen att noggrann "förbrytning" av hårt berg över en tunnel, kombinerat med robust men flexibelt stöd, kan hålla viktiga underjordiska vägar öppna även när enorma kolskivor avlägsnas i närheten. Genom att välja rätt klyvhöjd, klyvvinkel och väggbredd kan ingenjörer styra hur berget bryts och hur lasten fördelas. I detta fall skapade ett 15 meter högt, 15 graders takklyv och en 1,5 meter bred vägsidevägg en stabil, återanvändbar tunnel intill goben. Det innebär mer återvunnet kol, färre nya tunnlar att driva och en säkrare arbetsmiljö för gruvarbetare som arbetar djupt under jord.

Citering: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Nyckelord: kolbrytning, bergförankring, takklyvning, gob-side passage, underjordisk stabilitet