Studie om nyckellager och ytförändringsprognos för överliggande separationgrouting i intilliggande panel baserad på fundamentbalkteori

Varför marken ovanför kolgruvor sjunker

I många kolbrytningsområden har man sett sprickor krypa längs husväggar, vägar sjunka i grunda fållor och små broar vridas ur linje. Dessa förändringar orsakas ofta av långsam böjning och brott i berglager djupt under marken när kolet tas bort. Den här studien undersöker ett sätt att förutsäga och kontrollera sådan marksänkning genom att noggrant fylla dolda mellanrum i berget med grout, så att brytning kan fortsätta samtidigt som skador på ytan minskas.

Sprickor under jord och skador på ytan

När ett kolskikt bryts förlorar bergmassan ovanför en del av sitt stöd. Vissa starka lager, så kallade nyckellager, fungerar som styva balkar som bär vikten av all bergart och jord ovanför. När kolet avlägsnas böjer sig dessa lager och spricker ibland, och rörelsen fortplantar sig långsamt uppåt till markytan. I Xiadian-kolgruvan i Kina har denna process redan lett till spruckna byggnadsväggar, ojämna vägar och risk för nya markbristningar. Med kolskikt som bryts allt djupare och över större områden har förståelsen för hur dessa nyckellager rör sig blivit avgörande för att skydda hem, vägar och lokala ekosystem.

Fyllning av dolda mellanrum för att hålla upp taket

En vanlig metod för att begränsa sänkning kallas separationsinjicering. Efter brytning uppstår ofta små håligheter mellan berglagren ovanför skiktet. Ingenjörer borrar hål från ytan och pumpar grout ner i dessa dolda springor. När grout härdar fungerar det som en stödjande pelare som hjälper till att bära lasten och förhindrar att lagren böjer sig för mycket. Studien fokuserar på en serie långa arbetszoner, så kallade paneler, i Xiadian-gruvan där denna injicering tillämpas. Två enkla reglage undersöks i detalj: hur mycket grout som pumpas in, uttryckt som injektions–produktionskvot, och hur bred varje bruten panel görs.

Berglager behandlade som en begravd balk

För att beskriva hur nyckellagren böjer sig behandlar författarna dem som en elastisk balk som vilar på en fjädrande botten. I denna bild motsvarar balken det styva berglagret och de mjukare lagren och grouten nedanför beter sig som en madrass av fjädrar. Forskarna använde en matematisk förenkling kallad initialparametermetoden för att beräkna hur balken avböjer över flera zoner: fast kol, lös rasmassa och tätt kompakta berg- och groutlager. De kombinerade detta med datorbaserade simuleringar som modellerar hur berg spricker och sätter sig när brytningen fortskrider. Genom att matcha de beräknade balkformerna med numeriska resultat kunde de uppskatta hur styv varje zon egentligen är och koppla den styvheten till praktiska designvariabler såsom panelbredd och mängd grout.

Från underjordisk böjning till ytsänkning

Att veta hur mycket nyckellagren böjer sig är bara en del av bilden. Forskarna kopplade sedan denna böjning till markytans form med en sannolikhetsbaserad metod som sprider påverkan av underjordiska rörelser uppåt, och ett knep med en "ekvivalent höjd" som ersätter komplexa kurvor med enkla rektangulära block. I enskilda paneler och i intilliggande paneler med olika bredder räknade de ut hur sänkningsfållan på ytan växer, förskjuts i sidled och blir brantare eller flackare. Tester med verkliga övervakningsdata från panel 3119 visade att den förutsagda maximala marknedsjunkningen skilde sig från mätningarna med bara cirka sex procent, vilket betraktas som mycket noggrant för fältförhållanden.

Att hitta ett säkert driftfönster för gruvor

Resultaten visar tydliga trender som gruvplanerare kan utnyttja. Ökad mängd grout minskar generellt hur långt nyckellagren och ytan sjunker, medan en bredare panel gör att de böjer sig mer och fördjupar fållan. När närliggande paneler har olika bredder blir sänkningsmönstret ojämnt och den djupaste punkten kan förskjutas närmare känsliga konstruktioner. Genom att välja en lämplig injektionskvot kan dock den ojämnheten i hög grad jämnas ut. I Xiadian-fallet gav en injektions–produktionskvot på cirka 45 procent för panel 3119 nästan symmetrisk böjning i nyckellagren och måttliga rörelser i ytan.

Vad detta betyder för samhällen vid gruvor

För dem som bor ovanför kolgruvor ger studien ett sätt att minska risken att deras hem och vägar får allvarliga skador när brytningen fortgår. Genom att behandla de starka berglagren som en stödd balk och knyta modellen direkt till kontrollerbara faktorer som panelbredd och groutvolym kan ingenjörer förutse var och hur mycket marken kommer att sjunka månader i förväg. De kan sedan justera brytningsplaner, förstärka byggnader i högriskområden eller ändra injiceringsscheman innan problem uppstår. Även om verkliga platser också påverkas av detaljer som grouttryck och tidpunkt, erbjuder detta arbete ett viktigt steg mot mer förutsägbar och mindre skadlig underjordisk kolutvinning.

Citering: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

Nyckelord: kolbrytning, marksänkning, injicering, berglager, ytdeformation