Experimentell studie och teknisk tillämpning av bultstöd vid storskalig glidande kolstöt i kolkropp

Hålla tillbaka underjorden

Djupt under jord är kolgruvor inte tysta, stabila miljöer. Berglager pressar och förskjuts, och ibland skjuter kolväggen intill en tunnel plötsligt inåt i ett farligt stötfenomen som kallas kolstöt. Denna studie undersöker en särskild typ av händelse där en stor skiva kol glider in i tunneln medan taket och golvet förblir nästan opåverkade. Författarna visar att hur metallbultar installeras i kolväggen—särskilt deras vinkel och tjocklek—kan vara avgörande för om det blir ett våldsamt sammanbrott eller en stabil väggruva, och de testar en ny stödform i en verklig gruva.

När kol glider som en matta

I den typ av olycka som studeras här kan hela kolväggen intill tunneln plötsligt rusa fram och blockera passagen utan att taket eller golvet krossas. Bultarna och nätet som installerats i kolet kan till och med se till stora delar oskadade ut. Problemet ligger vid den dolda kontaktytan mellan kolet och omgivande berg: när spänningar byggs upp och plötsligt frigörs kan kolet glida längs denna släta plan, ungefär som en matta som slinker på ett polerat golv. För att hålla gruvarbetare säkra behöver stödsystemet förstärka denna kontaktyta och absorbera en del av den frigjorda energin istället för att enbart försöka spika fast kolet.

Test av bultar i labbet

För att förstå hur bultdesign bättre kan motstå detta glid byggde forskarna en stålmått som efterliknar två bergblock med ett gap emellan som representerar kol–berg-gränsen. De använde metallstänger tillverkade av två legeringar i tre olika tjocklekar som representanter för bultarna och genomförde kontrollerade dragprov. Stängerna monterades i fyra vinklar i förhållande till glidriktningen: 30°, 45°, 60° och rakt över vid 90°. Genom att dra isär formbitarnas halvor i en provmaskin kunde de observera hur stängerna brast och mäta hur mycket kraft och energi varje konfiguration kunde tåla innan brott.

Varför vinkel och tjocklek spelar roll

Experimenten visade ett tydligt mönster. När stängerna sattes i 30° eller 45° i förhållande till glidriktningen tenderade de att töjas och slutligen gå av i drag, ungefär som en tråd som dras tills den brister. I dessa fall bar stängerna högre laster och absorberade mer energi innan de misslyckades. Vid brantare vinklar på 60° och 90° blev stängerna mer utsatta för att kapas av av glidningen, en skjuvtyp av brott som krävde mindre kraft och lagrade mindre energi. Över alla vinklar bar tjockare stänger konsekvent större last och absorberade mer energi än tunnare. Bland de testade konfigurationerna gav stänger placerade omkring 45° den bästa totala prestationen, med en gynnsam brottmekanism kombinerad med hög styrka och energiupptagning.

Från modell till gruva

Teamet tillämpade sedan dessa insikter i arbetsansiktet 7305 i Kongzhuang-kolgruvan i Kina, en djup drift med höga markspänningar och en känd risk för kolstötar. Tillbaka‑luftvägen—en viktig tunnel för ventilation och åtkomst—stödjades ursprungligen med ett standardmönster av takbultar, sidobultar, kablar och stålnät. Med utgångspunkt i sina tester omdesignade ingenjörerna bultlayouten så att många av bultarna korsade kol–berg-kontaktplanet i vinklar högst 45°, och deras förankringssektioner nådde fast tak‑ eller golvberg. Detta skapade ett tredimensionellt burverk runt kolväggen, ökade friktionen längs glidyta, fördelade koncentrerade spänningar och gav ett inbyggt sätt för bultarna att tänjas och absorbera energi vid en stöt istället för att gå av sprött.

Säkrare vägar under jord

Fältanvändning av den nya stödlösningen minskade kraftigt stora kolsprång in i tunneln och förbättrade stabiliteten i väggen, allt utan att kräva exotiska nya anordningar eller stora kostnader. För icke‑specialister är huvudbudskapet enkelt: genom att noggrant välja både bultarnas tjocklek och, ännu viktigare, i vilken vinkel de korsar den sannolika glidyta, kan gruvingenjörer förvandla ett styvt, haverikänsligt stödsystem till ett som beter sig mer som en stötupptagare. Även om metoden fortfarande behöver prövas för andra typer av kolstötar erbjuder den en praktisk väg mot säkrare och mer pålitliga underjordiska körstråk i djupa kolgruvor.

Citering: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Nyckelord: kolstöt, bergbultar, underjordiskt gångstöd, gruvsäkerhet, energiabsorberande stöd