Forskning om integrerad teknik för återuppbyggnad av bärande struktur och stödjeförankring i hög-riskområde för huvudkolgång i tjocka kolskikt

Varför säkrare kolförband är viktiga

Djupt inne i tjocka kolskikt färdas arbetare och transporteras kol genom långa underjordiska tunnlar. På vissa platser drabbas dessa tunnlar av nedsjunkande tak, smulande väggar och plötsliga ras av kol och berg, vilket utsätter gruvarbetare för fara och saktar ner produktionen. Denna studie undersöker varför problemen är så allvarliga i vissa högrisksektioner och testar en ny metod för att stärka berget så att tunnlarna förblir säkrare och mer stabila över tid.

Var problemen börjar

Forskningen fokuserar på en stor körgång i en kinesisk kolgruva som löper genom ett mycket tjockt kolskikt. I denna miljö passerar tunneln genom kol snarare än fast berg, och kolet ovanför och intill öppningen är svagt och sprucket. Naturliga felzoner i berggrunden och den stora tyngden från lagerna ovanför koncentrerar spänningarna runt tunneln, vilket leder till separation i taket, takras, utbuktande sidoväggar och behovet av ständiga reparationer. Tidigare stödmetoder, såsom enkel injicering och rörtak, misslyckades ofta eftersom injekteringsmassan inte kunde tränga in i det täta kolet och inte skapa en stark, enhetlig bärande struktur.

Hur tunneln rör sig och deformeras

För att förstå detta beteende kombinerade teamet fältmätningar, laboratorietester och mekanisk modellering. De behandlade kolet ovanför tunneltaket som en lastad balk och visade att taknedböjningen ökar mycket snabbt när tunnelns bredd växer och när kolet blir svagare. De fann också att taket och sidoväggarna inte deformeras isolerat. När sidokol mjuknar och trycker inåt vidgas öppningen i praktiken, vilket i sin tur ökar taknedböjningen. Extra rörelse i taket pressar sedan sidoväggarna ytterligare. Denna sammanlänkade rörelse uppifrån och från sidorna hjälper till att förklara varför lokalt, styckevis stöd ofta misslyckas i tjocka kolskikt.

Tester med virtuella tunnlar

Genom att använda tredimensionella dator simuleringar förändrade forskarna två viktiga faktorer: tjockleken på kolskiktet kvar ovanför tunneln och styrkan i det kolet. Att göra kollagret ovanför taket tjockare ökade taknedböjningen men minskade golvupplyftningen, medan rörelser i sidoväggarna förändrades lite. Att höja styrkan i det övre kolet minskade kraftigt både taknedböjning och inåtriktad rörelse i väggarna, även om det övergripande spänningsmönstret bara förändrades marginellt. Beräkningarna visade att sprickor och plastiska zoner i berget först bildades nära taket och sedan spreds djupare, med karakteristiska "fjärilsformade" skador nära sidoväggarna, vilket belyser behovet av att förstärka en bred zon snarare än endast ett tunt skal.

Ett nytt sätt att bärga svaga områden

Vägledda av denna förståelse utformade författarna ett kombinerat stödsystem som använder förhandsrör med injektering och ett nätverk av bultar och kablar. Innan tunneln körs in i en riskzon borrar arbetare rader av stålrör in i kolet framför arbetsansiktet och pumpar in en snabbt härdande injekteringsmassa. Denna massa härdar snabbt inne i och runt rören, syrar sprickor och förvandlar det spruckna kolet till ett mer kompakt block. När schaktningsarbetet fortsätter kopplar bultar och kablar ihop det förstärkta taket och sidoväggarna till en enhetlig bärande ram. Datormodeller av olika layouter visade att ett måttligt röravstånd gav nästan samma minskning av rörelser som en mycket tät layout, men till lägre kostnad.

Bevis från den fungerande gruvan

Teamet tillämpade sedan den valda metoden i den verkliga körgången. De övervakade taknedböjning, sidoväggskonvergens, golvupplyftning, separation mellan berglager och krafterna i bultar och kablar. Efter schaktnings- och stödinsatser med den nya metoden höll sig taknedböjningen kring 110 mm, sidoväggsrörelserna omkring 80 mm och golvupplyftningen var mycket liten. Lagervis separation ovanför taket förblev långt under varningsnivåer, och belastningarna i bultarna och kablarna blev stabila och lägre än i den gamla konstruktionen. Eftersom injekteringsmassan nådde styrka inom minuter kunde teamen avancera flera gånger snabbare än tidigare samtidigt som de höll ett säkert avstånd mellan tunnelfronten och den förstärkta zonen.

Vad detta betyder för gruvarbetare

Förenklat visar studien att göra det svaga kolet runt en tunnel till en enda, väl sammanbunden båge och vägg kan kraftigt minska farliga takras och kollapser. Genom att förstärka kolet i förväg med injekterade rör och sedan binda ihop taket och sidorna med bultar och kablar kan gången bära den tunga lasten ovanifrån med mindre rörelser och lägre stödkrav. Författarna hävdar att detta integrerade tillvägagångssätt ger en praktisk vägledning för säkrare och mer effektiv tunnelbyggnad i tjocka kolskikt med liknande geologiska förhållanden, vilket minskar både säkerhetsrisker och underhållsbehov i underjordisk kolbrytning.

Citering: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Nyckelord: stabilitet i kolgångar, takstöd, injekteringsförstärkning, bergbultar och kablar, säkerhet i underjordisk gruvdrift