Rimlig borrvinkel och teknikanvändning för försprickning av tjocka hårda tak före drivning av gob-sidans tunnlar i extremt tjocka ådror

Göra djup kolbrytning säkrare

I några av Kinas största kolgruvor måste underjordiska tunnlar hållas öppna precis intill stora, tomma utrymmen som uppstår efter att kolet tagits bort. Dessa passager, kallade gob-sidans tunnlar, är avgörande för ventilation och transporter. Men när mycket tjocka, styva bergtak hänger över dessa öppningar kan de plötsligt brista och kollapsa, krossa stödkonstruktioner och deformera tunnlarna. Denna studie undersöker ett sätt att försvaga det hårda taket i förväg, genom noggrant vinklad borrning och koldioxidbaserad sprickbildning, så att berget bryts kontrollerat bort från tunneln istället för våldsamt ovanför den.

Varför tjocka tak är ett dolt hot

I extremt tjocka kolådror över 20 meter lämnar gruvdriften stora tomma kaviteteter. Ovanför dem ligger ett tunt, svagt skikt under ett mycket tjockt, mycket starkt bergtak. Eftersom det krossade berget i det uttagna området (gof) inte fyller utrymmet helt kan det tjocka taket bilda en lång, stel överhängande platta som sträcker sig in i kolet som är kvar för att stödja tunneln. När denna överhängande platta slutligen går av och roterar slår den på ett extra last på tunnelns väggar och golv, böjer stålbalkar, snappar ankarkablar, klämmer kolpelare och ibland nästan stänger tunneln. Fältobservationer i Madaotougruvan dokumenterade extremt takkollaps, avskalning av väggar och uppbuktning av golvet under sådana förhållanden när ingen förhandsbehandling av taket användes.

Få taket att brista där det gör minst skada

Författarna föreslår att vända på problemet: i stället för att reagera efter att taket brister, spräcka det tjocka, hårda taket medvetet i förväg, innan man driver den nya gob-sidans tunneln. Genom att borra långa hål från en angränsande tunnel i en vald vinkel och sedan frakturera berget längs dessa hål kan man tvinga nyckelblocken i berget att brytas och kollapsa in i det redan uttagna området i stället för ovanför den nya tunneln. Med en strukturell modell som behandlar det överliggande berget som ett staplat balksystem visar de att vinkeln på dessa försprickor styr var taket brister, hur det böjs och hur krafter överförs sidledes in i kolet. När sprickriktningen leder block mot gofen belastas tunneln främst av mer mjukt böjande berg längre bort, i stället för av ett styvt balköverhäng direkt ovanför.

Hitta bästa borrvinkeln

För att gå från koncept till konstruktionsregler byggde teamet en detaljerad matematisk modell för hur takblock böjs och trycker mot kolsidan för olika sprickvinklar. De använde sedan datorimuleringar (FLAC3D) för att se hur spänningar och skadezoner runt tunneln förändras när borrningsvinkeln ökar från ingen sprickbildning, genom 60°, 70° och 80°, upp till 90° och något däromkring. Två viktiga indikatorer granskades: storleken på den plastiska (permanent deformerade) zonen i kol och tak, och ett mått på lagrad distorsionsenergi (J2) som signalerar hur mycket "fjäderenergi" som väntar på att släppas. När försprickningsvinkeln växte från 60° till 90° minskade toppbelastningen mot kolsidan med cirka 18 %, den plastiska bristningszonen krympte från ungefär 32 m till 20 m, och J2 i både kol och tak sjönk markant. När vinkeln översteg 90° tenderade de fraktionerade blocken dock att trycka mer direkt mot tunneln igen, vilket utvidgade den skadade zonen och krossade kolet så hårt att det inte längre kunde bära lasten säkert.

Spräcka taket med superkritisk CO2

Med dessa beräkningar som vägledning valde forskarna en sprickhöjd som nådde det viktiga takskiktet ( cirka 45 m ovanför ådran) och en nästintill vertikal 90° borrvinkel som optimal. I Madaotougruvans 2209-tunnel borrade de grupper av djupa hål längs sidan närmast gofen och använde superkritisk koldioxid för att frakturera taket. CO2 lagras som en tät vätska i slutna patroner; när den utlöses expanderar den snabbt till gas och pränger upp sprickor i berget på ett mer kontrollerat, lågstötigt sätt än sprängämnen. Fältinspektioner av borrhålen och vatteninjiceringstester bekräftade att sprickorna anslöt väl mellan hålen och bildade ett kontinuerligt försvagat band ovanför tunneln som uppmuntrade takblock att brista och falla in i gofen när fronten avancerade.

Från våldsam kollaps till kontrollerad rörelse

Jämfört med två i övrigt likvärdiga tunnlar – en utan försprickning och en med CO2-baserad behandling – var skillnaden påtaglig. Utan försprickning nådde takkollapsen nästan en halv meter under schaktning och mer än en meter under brytning; väggar och golv rörde sig också flera hundra millimeter och krävde upprepade reparationer. Med försprickning vid 90° sjönk takrörelserna under schaktning till endast några centimeter, och under brytning minskade deformationerna av tak, kolpelare, fast kol och golv med 75–82 %. Tunnelväggarna förblev relativt släta, taket hölls intakt och stödfel var sällsynta. För icke-specialister är slutsatsen tydlig: genom att välja rätt borrvinkel och förspricka det hårda taket i förväg kan ingenjörer i praktiken "berätta" för berget var det ska bryta – bort från tunneln i stället för ovanför den – och omvandla en farlig, plötslig kollaps till en säkrare, kontrollerad sättning av marken.

Citering: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Nyckelord: stabilitet i kolgruvetunnlar, takförsprickning, gob-sidig tunnel, CO2-brottsättning av berg, extremt tjocka kolådror