Studie om fördelningen av gruvspänningsfältet under isolerad kolpelare i tätt liggande kolflöts och rimlig placering av tunnel

Varför formen på underjordisk spänning spelar roll

Djupt under marken förlitar sig kolgruvor på smala gångar, eller tunnlar, för att förflytta människor, utrustning och luft. I många kinesiska kolfält ligger flera kollager nära varandra, så när ett lager bryts störs bergmassan ovanför och under det. Denna studie undersöker vad som händer under en kvarlämnad ”ö” av kol i ett övre skikt och ställer en praktisk fråga med livsavgörande konsekvenser: var bör ingenjörer placera nästa tunnel i det undre skiktet så att den förblir stabil och säker över tid?

Berglager och kvarlämnat kol

Forskningen fokuserade på en gruva i Guizhou-provinsen i Kina, där ett övre lager (kallat nr. 1) redan brutits och lämnat en tjock, isolerad kolpelare mellan två kollapsade, kompakterade tomrum (goaf). Cirka 12 meter under ligger ett tunnare undre lager (nr. 3), där en ny gruvgång måste drivas. Eftersom lagren ligger nära varandra och gruvan är djup försvinner inte spänningarna som orsakats av den tidigare brytningen — de koncentreras kring den isolerade kolpelaren och sprider sig nedåt genom berget, vilket förändrar hur det undre lagret beter sig. Att förstå detta mönster är avgörande för att avgöra var tunneln ska läggas så att den omgivande bergmassan deformeras långsamt istället för att kollapsa våldsamt.

Kartläggning av osynliga krafter i berget

För att följa hur spänningarna rör sig genom berget under pelaren kombinerade teamet tre angreppssätt. Först byggde de en analytisk mekanisk modell som behandlar berget under det övre lagret som ett elastiskt medium belastat av överliggande strata, kolpelaren och det kompakterade rasmaterialet i de utbrutna områdena. Denna modell ger formler för hur horisontella, vertikala och skjuvspänningar varierar med djupet. Därefter använde de FLAC3D, ett brett använt numeriskt simuleringsprogram, för att skapa en tredimensionell digital gruva, komplett med den övre pelaren, goaf och det undre lagret. Slutligen jämförde de dessa teoretiska och numeriska resultat med fältobservationer och mätdata från den verkliga gruvan. De två metoderna överensstämde väl och visade stark spänningskoncentration vid kanterna av den isolerade pelaren och ett karaktäristiskt sadelformat spänningsmönster i berggolvet.

Att hitta den lugna zonen under pelaren

Simuleringarna visade att spänningarna från den isolerade kolpelaren inte bara pressar rakt nedåt. Istället sprider de ut sig i golvberget i en lutande form och avtar gradvis med djupet. Nära det övre lagret är skillnaderna mellan huvudtrycksspänningarna stora och visar ett tvillingtoppmönster på vardera sidan om pelarens mittlinje. Längre ner utvecklas denna dubbla topp till en enda, flackare topp. Anmärkningsvärt är att på nivån för det undre nr. 3-lagret direkt under pelarens mitt är skillnaden mellan huvudspänningarna relativt liten — avsevärt lägre än under pelarens kanter eller nära goaf-gränserna. Det innebär att berget där är mindre benäget för intensiva skjuvningar och sprickbildning, vilket antyder en naturlig ”tyst zon” för tunnelplacering.

Hur tunnelläge förändrar bergskador

För att testa hur tunnelns läge påverkar skador simulerade författarna tunnlar skurna vid olika sidoförskjutningar under pelaren. De undersökte två relaterade storheter: deviatorisk spänning (som driver formförändrande deformation) och plastzonen (där berget har givit efter och genomgått permanent skada). När tunneln placerades direkt under pelarens mittlinje var mönstret av deviatorisk spänning runt den nästan symmetriskt, och plastzonen bildade en kompakt, ungefär elliptisk halo med fokus på tak och sidor. När tunneln flyttades stegvis mot någon av sidorna roterade och sträcktes spänningsmönstret, och plastzonen utvecklades från denna prydliga ellipse till en snedvriden, fjärils‑liknande form som sträckte sig mot det närliggande goaf-golvet. I dessa off‑centerpositioner kopplades skadade zoner ihop med försvagade regioner ovanför, vilket kraftigt ökade risken för stora, ojämna deformationer och försvårade stödet avsevärt.

Val av säkrast tunnelzon

Med detta som grund använde forskarna en ram för ”fjärilsformigt brott” för att dela in det potentiella tunnelområdet i tre zoner baserat på två indikatorer: kvoten mellan huvudspänningarna och deras skillnad. En zon domineras av hög spänningskvot och är benägen för instabilt, fjärils‑typiskt brott; en annan påverkas starkt av båda indikatorerna och är det sämsta valet för tunnellayout. Den tredje, kallad R‑III, motsvarar platser där både spänningskvot och spänningsskillnad är relativt små. I deras fallstudie ligger denna optimala zon direkt under den isolerade kolpelaren. En tunnel som öppnades där och förankrades med långa takkabelar och bultar visade hanterbar deformation i fältövervakning: tak‑golvkrympning och sidkonvergens hölls inom acceptabla gränser under en observationsperiod på 40 dagar. För lekmän är huvudbudskapet att genom att ”gömma” tunneln i den lugnaste delen av ett komplext spänningsfält — rakt under pelaren i stället för bredvid den — kan ingenjörer avsevärt förbättra säkerheten och minska underhållsproblemen i djupa, tätt liggande kollager.

Citering: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Nyckelord: kolpelare, underjordisk tunnel, bergspänning, gruvstabilitet, numerisk simulering