Studie om stora deformationer i golv och haverimekanism i vattenrika mjukbergsgående

Varför gruvgångsgolv plötsligt kan resa sig

Djupa underjordiska gångar i kolgruvor måste förbli stabila för att hålla arbetare säkra och utrustning i rörelse. I vissa gruvor sväller gånggolvet långsamt uppåt, vilket förvränger räls och spräcker stödramar. Denna studie undersöker ett sådant problem i en kinesisk kolgruva, där gången löper genom svag, vattenmättad berggrund. Forskarna ville förstå varför golvet reste sig flera meter och hur en ny stödbaserad metod kunde förhindra att det händer igen.

En problemfylld gång djupt under marken

Teamet koncentrerade sig på nordflygelns huvudgående i Hongqi-kolgruvan i Shandong, Kina. Denna transportgång, cirka fyra meter bred och hög, är utskuren i ett lager av mjuk skiffer (lersten) och ligger ovanpå ett kalkstenslager fyllt med trycksatt grundvatten. Fältkontroller visade kraftig vatteninläckning där gångarna möttes, och gånggolvet nära denna vattenkälla hade svällt upp med upp till 2,5 meter. Stålräls böjdes till S‑former, betongklädsel sprack och bultar i väggarna brast, vilket visade att bergmassan runt gången inte längre kunde behålla sin form.

Mjukberg som faller sönder i vatten

För att förstå varför golvet var så sårbart testade forskarna provbitar av lerstenen från gånggolvet. De fann att den innehöll en stor mängd lermineral, som drar åt sig vatten och kan svälla och försvagas när den blir våt. Under mikroskopet såg bergarten porös och löst sammanhållen ut, med många små korn och svag bindning mellan dem. I enkla nedsänkningsprov började bitar av lersten smula sönder efter bara en minut under vatten och fortsatte att brytas ner när de absorberade mer vatten. Dessa resultat visade att bergarten inte bara var mjuk, utan också lätt skadad av vatten, vilket gjorde den särskilt benägen att svälla och förlora styrka.

Beräkningsmodeller av vatten som trycker upp golvet

Nästa steg var att bygga en tredimensionell datormodell av gången och de omgivande berglagren. De simulerade olika vattentryck i det djupa kalkstenslagret under golvet, från torra förhållanden upp till det uppmätta höga trycket. Modellen följde hur mycket gångtaket och golvet rörde sig och hur långt bergmassan runt dem pressades bortom sin hållfasthetsgräns. Under torra förhållanden reste sig golvet endast något och skadorna var ytliga. När vattentrycket höjdes till det verkliga underjordiska värdet växte den simulerade golvuppsvällningen till cirka 2,5 meter, och den skadade zonen under golvet fördjupades till mer än sex meter, medan taket knappt rörde sig. Detta visade att vattentrycket underifrån, verksamt på redan svag lersten, var den främsta drivkraften bakom golvhaveriet.

En enkel bild av hur golvet havererar

Med hjälp av principer från jordtrycksteori skisserade forskarna sedan en mekanisk bild av hur golvet rör sig. De delade in golvet i en grund zon, där berget försvagats av inläckning, och en djupare zon, starkt påverkad av det trycksatta akvifären. I denna bild pressas block av uppmjukat berg på båda sidor om gånggolvet inåt och uppåt under den kombinerade vikten av överliggande berg och vattnets uppåtriktade tryck. Deras beräkningar antydde att den kritiska haveridjupet når omkring 4,5 meter. I enklare termer pressas en tjock skiva av uppmjukat berg under gångens botten upp och in, vilket får golvet att buktas in i gångutrymmet.

Ett skiktat stödsystem som håller vattnet borta

Baserat på denna förståelse utformade teamet ett nytt stödsystem anpassat till de två djupzonerna. I den grunda zonen installerades kortare injekterade bultar för att förena löst berg och täta sprickor. I den djupare zonen användes långa injekterade kabelbultar för att förankra i starkare berg och begränsa rörelse där vattentrycket är störst. En omvänd betongbåge byggdes i gånggolvet och fogades till U‑formade stålförstärkningar längs väggarna, vilket gjorde hela beklädnaden till en sluten ring som bättre motstår tryck från underifrån. Denna konstruktion syftar till att bryta den direkta kontakten mellan grundvatten och den svagaste lerstenen samtidigt som lasterna fördelas jämnare.

Från resande golv till kontrollerad rörelse

Det nya stödschemat genomfördes i en närliggande förbindelsegång med samma typ av berg- och vattenförhållanden. Under två månaders övervakning förblev taknedsjunkning och väggförskjutningar små, och golvet steg endast 33 millimeter innan det stabiliserade sig, istället för de meter som setts tidigare. För icke‑specialister är huvudbudskapet att förståelsen av hur vatten försvagar underjordiskt berg och hur trycksatt vatten pressar på gånggolv kan leda till målinriktade, skiktade stödåtgärder som kraftigt minskar farliga markrörelser i djupa gruvor.

Citering: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Nyckelord: golvuppsvällning, mjukberg, grundvatten, tunnelstöd, kolgruva