Deformationskarakteristika och prefabricerad spricktrycklättnads stabilitetskontroll för en liten kolpelar-tunnel under spänningsöverlagring

Varför underjordiska koltunnlar är viktiga

Stora delar av världens kol bryts genom långa tunnlar som drivs djupt under markytan. Mellan dessa tunnlar lämnas medvetet tunna “pelare” av kol för att bära upp berget ovanför. När verksamheten intensifieras och ingenjörer försöker lämna mindre pelare för att ta tillvara mer kol kan dessa återstående block bli farligt överlastade, vilket får tunneln att klämma, spricka eller till och med kollapsa. Den här artikeln undersöker hur och varför sådana små kolpelare överbelastas, och presenterar en metod för att medvetet spräcka bergtaket ovanför så att spänningar avlastas säkert innan allvarliga skador uppstår.

Dolda krafter som byggs upp under jord

Författarna koncentrerar sig på en tunnel – huvudtillfarten – som löper intill en liten kolpelare insluten mellan två brytningspaneler. När varje panel blir uppbruten och brytningsfronten rör sig utsätts berget runt pelaren inte för en enda påfrestning utan för en serie upprepade spänningsvågor. Med hjälp av datormodeller simulerade teamet fyra nyckelstadier: drivning av den första tunneln, drivning av den motsatta tunneln, återtag (återbrytning) av den första panelen och sedan återtag av den andra. Vid varje steg ökade den vertikala lasten på pelaren och nådde till slut mer än tre gånger den ursprungliga bergspänningen och närmade sig eller överskred den uppmätta hållfastheten hos kolet. Under dessa sammansatta laster är pelaren och den intilliggande tunneln benägna att krossas och deformeras allvarligt.

Energi lagrad som en tryckt fjäder

För att förstå brott ur ett mer fysikaliskt perspektiv följer studien inte bara spänningar utan även den elastiska energi som lagras i kolet – den ”fjäderenergi” som byggs upp när pelaren pressas ihop. Numeriska simuleringar visar att med varje schaktningssteg ackumuleras denna energi i mitten av den lilla pelaren. Under panelens återtag fördubblas energitätheten mer än jämfört med tunneldrivningsstadiet, och överskrider så småningom den nivå där laboratorietestade kolförsök misslyckas. När den andra panelen närmar sig är den lagrade energin i pelaren tillräckligt hög för att närma sig förhållanden som är förknippade med våldsamma bergsprängningar. Med andra ord är pelaren inte bara överbelastad; den är förberedd för att plötsligt frigöra energi, vilket hotar både tunnelns stabilitet och gruvarbetares säkerhet.

Få taket att brista där och när vi vill

I stället för att enbart lägga till fler stöd i tunneln – vilket snabbt blir trångt och ändå kanske inte räcker – prövar författarna en annan idé: att medvetet försvaga taket en kort bit ovanför den lilla pelaren så att det rasar på ett kontrollerat sätt. Genom skalade fysiska modeller jämförs två fall: ett med ett starkt, obrutet tak och ett där en smal vertikal zon av prefabricerade sprickor införs ovanför tunneln med en teknik liknande riktad sprängning. I det intakta fallet hänger en lång, stel takbalk över den utbrutna tomheten och bildar en lång konsol som överför stora laster tillbaka till pelaren. I det spruckna fallet bryts huvudtaket tidigare längs de prefabricerade brotten, rasvinkeln blir brantare och den överhängande balken förkortas med nästan hälften. Brutet berg faller och packas tätt i tomrummet, vilket hjälper till att bära upp det återstående taket och sänker den last som överförs till den lilla pelaren.

Bevaka berglagrens rörelse

Teamet använder noggrann fotografering och förskjutningsmätningar i sina modeller för att följa hur berglagren rör sig i takt med att brytningen fortskrider. De finner att prefabricerade sprickor orsakar större, tidigare nedsjunkning i de övre lagren direkt ovanför sprickzonen, vilket påskyndar packningen av det krossade berget i det utbrutna området. Samtidigt förändras rörelsen i de lägre lagren och i den intilliggande panelens efterbrutenhet bara något, vilket innebär att störningen i stora drag begränsas till det avsedda området. Spänningssensorer inbäddade i modelltaket visar att inom några sprickhöjder ovanför kolets skikt minskar den vertikala spänningen med mer än 10 procent jämfört med ett intakt tak. Bortom den höjden ”glömmer” berget sprickan och spänningsnivåerna jämnas ut, vilket indikerar en väl avgränsad påverkningszon.

Bevis från en fungerande kolgruva

För att verifiera metoden tillämpar författarna djuphålsriktad förspräckning i taket på en verklig tunnel i Wangzhuang-kolgruvan i Kina. Långa borrhål borras från tunneln in i taket och belastas sedan med formade sprängladdningar för att skära en vertikal brottzon ovanför den lilla pelaren. När brytningspanelen drar sig tillbaka registrerar spänningsmätare installerade i borrhål inne i pelaren de föränderliga lasterna. I sektionen utan taksprickor ökar spänningen med cirka 5,5 megapascal på 3 meters djup. I den spruckna sektionen är ökningen mindre än hälften av det värdet, omkring 2,5 megapascal. Liknande reduktioner observeras djupare i pelaren, vilket visar att de konstruerade sprickorna avsevärt minskar trycket på tunneln och pelaren.

Vad detta innebär för säkrare, renare kolbrytning

För icke-specialister är huvudpoängen att små kolpelare kan bli farligt överlastade när närliggande paneler bryts, inte bara en gång utan upprepade gånger. Genom att avsiktligt introducera sprickor i bergtaket ovanför dessa pelare kan ingenjörer få taket att brista i ett mer fördelaktigt mönster: det rasar tidigare, i en brantare vinkel och över en kortare spannvidd, vilket tillåter krossat berg att fungera som en naturlig dämpare och stöd. Studiens simuleringar, laboratoriemodeller i skala och fullskalig fälttestning pekar alla mot samma slutsats: denna kontrollerade sprickmetod minskar spänningskoncentration och deformation runt tunnlar vid små kolpelare, vilket bidrar till stabilare gångar samtidigt som en hög kolåtervinning fortfarande möjliggörs.

Citering: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Nyckelord: stabilitet hos kolpelare, underjordiskt tunnelsäkerhetsstöd, taksprickbildning, bergtrycksbekämpning, skivdrift