Forskning om stabilitetsanalys och styrteknik för gångar i underliggande isolerade ö-ugnar

Varför underjordiska gångar spelar roll

Djupt under norra Kina förlitar sig gruvarbetare på underjordiska gångar för transporter av personal, luft och utrustning. Om dessa tunnlar deformeras eller kollapsar måste brytningen bromsas eller stoppas, vilket utsätter arbetarna för risk och hotar en viktig energikälla. Denna studie undersöker en särskilt knepig situation: ett kolavsnitt som ligger som en ”ö” under tidigare utbrutna områden och kvarvarande kolpelare. Författarna visar hur spänningar från de gamla arbetena koncentreras i berget och utformar därefter ett stödsystem som håller den nya gångvägen stabil och säker.

Skikt av gamla och nya arbeten

Studien fokuserar på Yanghuopan-kollgruvan i Shaanxi-provinsen, där ett långt, smalt kolavsnitt — kallat 30 119 arbetsfronten — ligger under en annan skiva som redan brutits. Ovanför finns tömda tomrum (goafs) och solida kolblock som lämnats kvar som pelare. Denna uppbyggnad skapar ett ”isolerat ö”-ansikte omgivet på tre sidor av utbrutna zoner. Den intressanta gångvägen, som returnerar ventilationsluft från ansiktet, måste passera både under lågspännings-goafområden och under högspännings kvarvarande kolpelare. Eftersom tak- och golvbergarterna är relativt starka sandstenar och siltstenar, men spänningsfältet är mycket ojämnt, skulle ett universellt stödschema vara osäkert och slösaktigt.

Hur kvarvarande pelare trycker på lägre skivor

Forskarna använder först bergmekanisk teori för att förstå hur kraft från de övre kolpelarna överförs nedåt. De behandlar en pelare som ett band av belastat berg som trycker på ett mycket tjockare golv och beräknar hur denna koncentrerade last sprids med djupet. Deras analys visar att direkt under en kvarvarande kolpelare utsätts den lägre skivan för en vertikal spänning som är ungefär 1,6 gånger högre än den naturliga bakgrundsnivån, och att denna påverkan sträcker sig mer än 60 meter sidledes längs den lägre skivan. Med andra ord, även om den övre skivan redan brutits, fortsätter den kvarvarande pelaren att fokusera vikt på berget och tunnlarna nedanför, vilket skapar tydliga zoner med ökade respektive minskade spänningar.

Simulering av spänning, skador och rörelse

För att se hur dessa krafter spelar ut runt gångvägen bygger teamet en tredimensionell datormodell av berglagren och brytningssekvensen med numerisk simuleringsprogramvara. De ”bryter” den övre skivan för att skapa goafs och pelare, och simulerar sedan urgrävningen av den lägre 3–1 kolskivan och avancemanget av 30 119-ansiktet i etapper. Modellen avslöjar fem tydliga regioner under de övre arbetena: två lågspänningszoner under goafs, två starka koncentrationszoner under den första och andra kvarvarande pelaren, samt en normalspänningszon under ob ryten kol. När det lägre ansiktet avancerar uppträder den högsta extra belastningen konsekvent cirka åtta meter framför ansiktet, men dess storlek varierar kraftigt med position: spänningarna är störst under den första kvarvarande pelaren och något lägre under den andra.

Var gångvägen skadas mest

Simulationerna följer också hur stor del av berget runt gångvägen som flyter eller spricker (den så kallade plastzonen) och hur mycket tak och väggar rör sig inåt. När gångvägen ligger under spänningslindringsområden är skadeskikten runt den relativt grunda och deformationerna måttliga. Under den första kvarvarande pelaren kombineras dock koncentrerad last och tryck från det avancerande ansiktet för att fördjupa det spruckna zonen i tak och sidoväggar och orsaka mycket större taksänkning och väggkonvergens. Under den andra pelaren är responsen fortfarande allvarlig men mildare: takrörelsen är ungefär hälften av den under den första pelaren, och rörelsen hos den solida kolväggen minskar med mer än tre fjärdedelar. Dessa kontraster bekräftar att gångvägens beteende styrs inte bara av bergartstyp utan av den komplexa spänningshistorik som tidigare brytning har åstadkommit.

Utforma stöd där det verkligen behövs

Med ledning av dessa fynd delar författarna in gångvägen i två typer av kontrollzoner. I sträckor under goafs och vid nästintill normal spänning antar de ett konventionellt stödmönster med bergbult, kabelankare och nät. Under de högspända partierna som påverkas av kvarvarande pelare förstärker de konstruktionen: tätare takbultar, långa kabelankare ordnade i ett förstärkningsmönster och extra sidobultar för att ”sy ihop” kolpelaren och branten. De verifierar sedan prestanda under jord genom att övervaka taksänkning, sidoväggskonvergens och belastningen på bultar och kablar vid flera stationer när ansiktet avancerar. Mätningarna visar att taksänkningen håller sig inom cirka en centimeter och väggstängningen inom några millimeter, medan stödets belastningar ligger långt under deras bärförmåga, vilket indikerar en god säkerhetsmarginal.

Vad detta betyder för säkrare gruvdrift

I praktiska termer visar studien att tunnlar under isolerade ö-paneler kan hållas stabila om ingenjörer först kartlägger hur gamla pelare och goafs omformar spänningsfältet och sedan skräddarsyr stöd efter varje zon. Istället för att överförstärka överallt eller riskera haveri i dolda hetpunkter koncentrerar tillvägagångssättet tungt stöd där spänningen är högst och använder lättare system där berget är naturligt avlastat. Resultatet i Yanghuopan är en gångväg som förblir öppen och brukbar när brytningen fortskrider, vilket erbjuder en modell för andra gruvor som måste arbeta nya kolskivor under komplexa nätverk av äldre arbeten.

Citering: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Nyckelord: stabilitet i kolgruvestigar, isolerat ö-arbeidsansikte, spänning i kvarvarande kolpelare, numerisk brytningssimulering, underjordisk stödkonstruktion