Studie om påverkan av spänningslättnad i tätliggande kolseam goaf och störningar vid tunnelsprängning på omgivande berg

Varför underjordiska spänningar spelar roll

Moderna gruvor måste nå allt djupare för att ta tillvara kvarvarande kolreserver, där berget uppträder på komplexa och ibland oförutsägbara sätt. När en stor tunnel skärs under en äldre, utbruten kolåder kan omgivande berg antingen kollapsa eller förbli stabilt beroende på hur spänningarna skiftar genom lagren. Denna studie undersöker ett verkligt projekt i östra Kina för att förstå hur en tom, kollapsad zon kvarlämnad av tidigare brytning faktiskt kan bidra till att skydda en ny, extra bred körgata nedanför, och vilka typer av stöd som håller tunnels tak säkert för arbetare.

Berglager ovan en bred tunnel

Forskarna fokuserade på en stor körgata känd som en open-off cut, som är ungefär dubbelt så bred som en typisk gruvtunnel och ligger 12 till 18 meter under en äldre, utbruten kolåder. Mellan kollagren finns skikt av sandsten, siltsten och lerskiffer, var och en med olika hållfasthet. Genom att borra kärnor och bedöma deras kvalitet fann teamet att vissa takberg hade måttlig hållfasthet, medan andra, särskilt nära den gamla åderns golv, var mycket svaga och kraftigt sönderfallna. Att veta vilka lager som är starka och vilka som är spröda är avgörande, eftersom dessa lager tillsammans bildar den balk av berg som måste spänna över det nya öppningen.

Hur en gammal utbruten åder ändrar lasten

Med hjälp av datorsimuleringar återuppbyggde författarna sekvensen där övre kolådern bryts och sedan den nedre körgatan utgrävs. När den övre ådern bröts lämnade den efter sig en goaf—en tom zon delvis fylld med kollapsat takberg. Denna goaf ökade inte trycket på den nedre körgatan; istället fungerade den som en spänningslättnadszon. Berget mellan goaf-golvet och det nya tunneltaket upplevde mycket lägre spänning, typiskt bara några megapaskal, jämfört med det högt belastade berget på vardera sidan. Ett tre meter tjockt band av berg mellan de två öppningarna förblev obrutet, och de långsiktiga takkablarna förankrade ovanför tunneln satt kvar i komprimerat, stabilt berg, medan kortare bultar fungerade i ett dragområde närmare öppningen.

Modelltunnlar och långsamt takras

För att testa dessa idéer fysiskt byggde teamet en skalad, metersstor modell av de lagerföljder av berg och kolådror med sandsbaserade material. De bröt först ut den övre ådern i modellen och ökade sedan långsamt den nedåt tryckande vikten för att efterlikna djupare begravning. När lasten ökade bröts taket över den övre ådern gradvis från en fast balk till gångjärnsförbundna block och sedan till en murverksliknande båge av fallna block. När lasten överskred en viss tröskel kollapsade det övre taket helt och bildade en stabil hög vars sidor sluttade med ungefär 60 till 65 grader. Sensorer inbäddade nära den framtida körgatspositionen visade att spänningarna i golvet nedanför goafen så småningom ändrades från tryck till drag och sedan stabiliserades på konstanta värden, vilket bekräftade att den gamla utbrutna zonen till stor del hade avlastat sin belastning.

Att iaktta spänningsuppbyggnad när körgatan växer

Forskarna simulerade sedan utgrävningen av den stora körgatan i etapper, vilket speglade hur den skulle skäras under jord. Spänningsmätare i modelltaket visade att varje steg av utvidgningen orsakade en ny våg av störning, med tryck- och dragspänningar som alternerade innan de gradvis stabiliserades. Takets mitt, direkt ovanför körgatan, bar de högsta dragspänningarna, och dessa spänningar ökade ytterligare när extra last applicerades ovanifrån. Denna högdragzons förlopp låg dock mest inom räckvidden för de kortare bultarna, medan de längre kablarna var förankrade djupare i komprimerat berg som fungerade som en stadig ryggrad. Fältobservationer med en borrhålsamera i den verkliga gruvan stödde denna bild: endast ett fåtal cirkulära sprickor observerades i taket, och större delen av berget runt öppningen förblev intakt.

Vad detta betyder för säkrare djupbrytning

För icke-specialister är huvudbudskapet att en gammal, utbruten åder ovan en ny tunnel inte alltid är ett hot; om den förstås korrekt kan den faktiskt lätta på trycket och hjälpa till att skydda öppningen nedanför. I detta fall skapade goafen ovan den stora körgatan en lågstressbuffert, medan noggrann utformning av bultar och kablar säkerställde att de svaga, spruckna lagren nära tunneln förbandes med starkare berg högre upp. Genom att kombinera kärnborrning, numerisk modellering, skalade laboratoriemodeller och kontroller på plats med kamera visar studien att även mycket breda underjordiska körgator kan förbli stabila under djupa förhållanden när berglagren och spänningsvägarna noggrant kartläggs och stödet anpassas till de faktiska spänningszonerna.

Citering: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Nyckelord: underjordisk kolbrytning, bergstabilitet, tunnelstöd, goaf-spänningslättnad, djupa tunnlar