Mekanism och styrstrategier för asymmetrisk golvutmattning i extra‑tjocka kolbäddsdriftgångar under höga spänningar

Varför gruvgolvet ibland plötsligt lyfter

Djupt under jord förlitar sig kolgruvor på långa tunnlar för att transportera människor, luft och kol. I några av Kinas extra‑tjocka kolbäddar kan tunnelns berggolv plötsligt svälla uppåt med flera decimeter, vilket klämmer utrustning och hotar arbetarnas säkerhet. Denna studie undersöker varför denna ojämna ”golvflöjning” inträffar under mycket höga spänningar och hur den kan förhindras, med en verklig arbetsfront i Caojiatan‑kolgruvan som fullskalig naturlig laboratorium.

Vad som sker under ett tjockt kolbädd

I den studerade gruvan är kollagret mer än tio meter tjockt och ligger flera hundra meter under markytan. När ett så stort stycke kol tas bort lämnar det en bred tom zon, eller krosskikt (goaf), ovanför det uppbrutna området. De tunna berglagren strax ovanför kolet kollapsar, men de fyller inte helt detta tomrum. Högre och tjockare berglager bryts i stora skivor som böjs, roterar och staplas på ojämna sätt. På den sida där ett skyddande kvarlämnat kolblock (pelare) lämnas för att stödja taket bildar dessa skivor en trappstegs‑lutande struktur. På motsatt sida, där solid kol fortsätter, förblir bergmassan ovan mer regelbunden. Denna ojämna takstruktur blir ursprunget till starkt obalanserade krafter i och runt tunneln.

Ojämn ihoppressning av tunnelns golv

Författarna kombinerade underjordiska mätningar, datorimuleringar och mekanisk modellering för att följa hur tunneln deformeras när brytningen framskrider. De fann att golvet reser sig mycket mer än taket sänker sig, och att denna uppresning är starkt ensidig: sprickor och utbuktningar börjar på solid‑kolsidan och sprider sig mot pelarsidan. Instrument i tunnelväggarna visade att när kolfronten passerar blir berget vid sidan av pelaren mycket hårdare ihoptryckt än berget på solid‑kolsidan. Ungefär 60 meter bakom fronten är spänningen nära pelarsidan mer än 20 procent högre. Samtidigt når maximal golvutmattning omkring 47 centimeter och höjdens topp förskjuts tydligt mot solid‑kolsidan av färdvägen.

Hur lutade krafter omformar berget

För att förklara detta beteende byggde forskarna en mekanisk bild av hur de brutna takpelarna trycker ner mot kolet och golvet. Ovanför pelaren bildar lågt liggande block en trappstegs‑balk som trycker kraftigt nedåt, medan högre block beter sig som ett gångjärnsformat valv som överför ännu mer last på denna trappstegsstruktur. Detta ”lågnivå trappsteg plus högnivå gångjärn” system riktar extra vikt in i pelaren och därefter ner i golvet under den. Tunnelns mitt blir däremot ett lågtrycksfack efter schaktningen. Resultatet är en brant sidleds stressgradient över golvet — som en lutande energikulle med hög trycknivå under pelaren och låg trycknivå under färdvägen.

Från högt tryck till ensidig golvlyftning

Under detta lutande spänningsfält beter sig golvberget delvis som en mycket styv, långsamt flödande massa. Djupt under pelaren krossas och skjuvas berget längs en lutande bana som går diagonalt mot tunneln. Drivet av tryckskillnaden mellan den högspända pelarsidan och det avlastade tunnelcentret pressas detta skadade berg gradvis upp i utrymmet under färdvägen. Pelarsidan förblir dock hårt begränsad av tunga överliggande berglager, så den synliga lyftningen uppträder främst på den mindre begränsade solid‑kolsidan. Resultatet är ett karakteristiskt mönster: sättningar och kraftig sprickbildning vid pelaren, och en förskjuten kupol av golvlyftning mot motsatt vägg.

Hur man håller golvet under kontroll

Baserat på denna förståelse föreslår författarna en trestegs förebyggande strategi. För det första rekommenderar de att man skär och förspräcker delar av taket på pelarsidan innan de går sönder av sig själva, för att förkorta bergbalkarna och minska de krafter de kan överföra. För det andra föreslår de att man gör skåror i golvet nära ribborna, särskilt på pelarsidan, för att avbryta huvudspänningsbanan från pelaren ner i tunnelgolvet. För det tredje utformar de starkare, avsiktligt ojämn förstärkning av golvet, med längre och kraftigare ankare på solid‑kolsidan för att binda de brötdyta lagren till djupare, mer stabilt berg. Tillsammans syftar dessa åtgärder till att minska drivande tryck, blockera dess väg och stärka golvet där det är mest benäget att resa sig.

Vad detta betyder för säkrare gruvdrift

Studien visar att extrem, ensidig golvutmattning i tjock‑bäddsgruvor inte bara handlar om svagt berg, utan om hur brutna taklager ovanför pelaren fokuserar spänning i golvet. Genom att blottlägga denna dolda belastningsväg och koppla den till verkliga mätningar ger arbetet gruvingenjörer en tydligare metod för att hålla färdvägar öppna: åtgärda takstrukturen, bryt spänningskedjan och förstärk golvet asymmetriskt. Att tillämpa detta ”källa‑bana‑struktur”‑tänkande kan hjälpa gruvor som bryter extra‑tjocka bäddar att behålla säkrare, mer stabila tunnlar under höga påfrestningar.

Citering: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Nyckelord: kolgruvefärd, golvutmattning, bergmekanik, grundkontroll, tjockt kolbädd