Förebyggande åtgärder och övervakningsteknik för dynamisk belastning i Tangshan-kolgruva efter kolstötkatastrof

Varför underjordiska stötar berör oss

Djupt under jord arbetar gruvarbetare i tunnlar som är spruckna genom kol och berg som pressas av enorma naturliga krafter. Ibland släpps denna spänning plötsligt, och kol och berg kastas våldsamt in i gruvan i en händelse som kallas kolstöt. Dessa stötar kan kollapsa tunnlar och döda arbetare på ett ögonblick. Denna studie undersöker hur en kinesisk kolgruva återhämtade sig efter en dödlig kolstöt genom att varsamt lätta trycket i berget och noggrant bevaka hur gruvtaket rörde sig, vilket ger lärdomar för säkrare energiproduktion globalt.

En gruva med ett problematiskt förflutet

Tangshan-kolgruvan ligger djupt under en geologiskt komplex region där berglager är veckade och brutna av många förkastningar. I augusti 2019 dödade en stor kolstöt sju gruvarbetare där. Utredare fann att katastrofen uppstod från flera överlappande förhållanden: starka krafter som byggts upp av jordskorpan, kol och berg som kan lagra och plötsligt frigöra elastisk energi, koncentrerade belastningar runt kvarvarande kolpelare och vibrationer från gruvmaskiner. Innan gruvan kunde återöppna ett nyckelproduktionsområde känt som arbetsfront 0250, måste ingenjörer visa att dessa farliga förhållanden kunde bringas under kontroll.

Låta kolet slappna av

Det första steget var att minska den uppdämda energin inne i kolskiktet självt. Teamet använde två huvudmetoder. De sprängde utvalda sektioner av kol med sprängämnen för att avsiktligt spräcka och försvaga områden där spänningen var som högst. De borrade sedan hål med stor diameter längs tunnelns sidor och skapade zoner där kolet kunde brytas och deformeras på ett kontrollerat sätt. Dessa "tryckavlastnings"-hål uppmuntrar berget att brista gradvis och släppa ut energi i stället för att låta den ackumuleras tills den exploderar. Efter denna kampanj av sprängning och borrning bedömdes den återstående risken för en våldsam stöt vid 0250-fronten vara låg — men endast om gruvtaket förblev stabilt när brytningen återupptogs.

Lyssna på hur gruvtaket rör sig

Nästa utmaning var att i realtid bevaka hur berget ovanför tunneln reagerade när gruvmaskinerna avancerade. Befintliga metoder mätte mest indirekta tecken, såsom förändrade lastförhållanden i stöden eller spänningar i borrhål, vilket kan blanda ihop långsamma bakgrundskrafter och plötsliga stötar. I denna studie använde författarna ett vibrationsinstrument som normalt används inom maskin- och sluttningövervakning. De bultade vibrationssensorer till kablar förankrade i huvudtakets berg och kombinerade dessa med flerpunktsskjutmätare insatt i 10 meter djupa borrhål. Denna uppställning gjorde det möjligt att registrera både hur snabbt taket rörde sig under korta skakningar och hur långt det sakta sänktes över dagar.

Vad siffrorna säger om säkerheten

Under flera dagars produktion avancerade gruvfronten bara några meter, men instrumenten fångade mer än tusen vibrationsregistreringar. Efter att ha filtrerat bort brus fokuserade teamet på takets vertikala rörelse. Typiska vibrationshastigheter varierade från några till omkring 15 centimeter per sekund, med varje utbrott som varade bara en till två sekunder — förenligt med normala gruvaktiviteter som kolskärning och stöd-rörelser. De största snabba upp- och nedförflyttningarna, omkring 35 centimeter, inträffade några meter framför den aktiva skärzonen, ett område som vanligtvis inte associeras med kolstötar och troligen kopplat till rutinmässiga maskinåtgärder. Viktigare var att i högtryckszonen 7 till 16 meter framför fronten — där farliga stötar fruktas mest — höll sig takets vertikala rörelse inom cirka 10 centimeter. Långsiktiga sättningsmätningar från förskjutningsmätarna visade endast små, gradvisa förskjutningar, vilket indikerar att det lager-på-lager byggda takberget förblev intakt och väl understött.

Att se framåt under jord

Sammantaget tyder resultaten på att kombinationen av tryckavlastning före brytning och kontinuerlig, direkt övervakning av takrörelser höll de dynamiska lasterna vid arbetsfront 0250 inom ett säkert intervall. Kolet hade redan avgett stora delar av sin lagrade energi, och de återstående vibrationerna såg mer ut som en arbetsgruvans jämna andetag än en katastrofs plötsliga flämtning. Författarna noterar att de vibrationsverktyg de använde fortfarande behöver längre inspelningstider och smartare databehandling för daglig gruvanvändning. Ändå pekar tillvägagångssättet — att avsiktligt försvaga riskfyllda kolzoner och sedan noggrant följa hur berget faktiskt rör sig — mot ett mer transparent, mätbart sätt att avgöra när djupgruvbrytning kan fortsätta utan att utsätta sig för ännu en dödlig stöt.

Citering: Ma, S., Su, Y., Jia, D. et al. Prevention measures and monitoring technology of dynamic load in Tangshan coal mine after coal bump disaster. Sci Rep 16, 14593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45527-9

Nyckelord: kolstöt, förebyggande av bergsprängning, övervakning av gruvtak, vibrationsmätning, säkerhet vid djup kolbrytning