Skiktad injekteringsförstärkningsteknik för kol–berg komposit-överkant: Ett behandlingssystem baserat på modellförsök

Hålla tunnlar säkra under jord

När kolgruvor blir djupare måste tunnlarna som transporterar människor, luft och utrustning passera under tunga lager av sönderslitet berg. När bergtaket ovanför dessa tunnlar sjunker ihop eller kollapsar hotas både säkerhet och produktion. Denna studie undersöker en ny metod för att ”limma” ihop dessa svaga lager i etapper, så att gruventaket åter kan bära sin last säkert och hålla körvägarna öppna på lång sikt.

Varför djupa gruvtak är svåra att hålla uppe

I den kinesiska gruvan som studerats här är tunneltaket inte en enda massiv platta utan ett staplat skikt: mjuk, sprucken kolbotten, svagare skifferlika lager ovanför och starkare sandsten längre upp. Med tiden och under stort tryck bryts de lägre lagren sönder och kan inte längre överföra lasten ovanifrån till det starkare berget. Konventionella stöd som stålbultar och kablar tvingas då jobba i lösa, smulande bergpartier, och taket sjunker, spricker och släpper ibland ned bitar i tunneln.

En skiktad idé om “injektion och sammanfogning”

Forskarna föreslår en skiktad injekteringsmetod som behandlar taket i två zoner. Först injiceras en flytande blandning runt korta bultar placerade i det ytligt hårt spruckna kolet och skiffret. När denna blandning stelnar binder den ihop de lösa bitarna till ett starkare band som fungerar som en primär balk ovanför tunneln. Därefter når längre kablar upp i den djupare, mer solida sandstenen, och injektering görs där också. På detta sätt sys det nyskapade förstärkta ytliga bandet stadigt ihop med den stabila berggrunden ovanför, vilket skapar en staplad, samverkande struktur istället för isolerade stödfläckar.

Att testa idén i en nedskalad modell

För att förstå hur denna strategi förändrar taktets beteende byggde teamet en fysisk modell som krymper den verkliga geologin och tunneln med en faktor femtio. De använde sand, cement och gips i noga valda blandningar för att efterlikna styrkan hos varje berglager, och högg sedan två identiska körvägar i modellen. En körväg använde originalstödkonstruktionen, medan den andra fick den nya skiktade injekteringen. Under kontrollerad belastning följde kameror tak- och väggförskjutningar, sensorer mätte spänningar och små vibrationsgivare lyssnade efter små sprickbildningshändelser inne i modellen när den klämdes ihop.

Vad som förändrades inne i det förstärkta taket

Skillnaderna mellan de två körvägarna var slående. I det obehandlade fallet skedde mest takrörelse i de ytliga lagren, sprickor gick ihop och taket ovanför tunneln bröts upp i block. Spänningarna försköts ojämnt uppåt och många kraftigare sprickhändelser registrerades. Med skiktad injektering minskade taksättningen från cirka åtta och en halv enhet i modellen till bara två, och sprickbildningen förblev spridd och finkornig istället för att bilda ett brutet band. Spänningarna blev jämnare, där de injekterade ytlager nu kunde dela lasten med den djupare sandstenen, medan tunnelnas golv och väggar hölls inom acceptabla rörlighetsgränser.

Verifiering i en fungerande gruva

Teamet tillämpade sedan samma stödkoncept i en verklig körväg i Shuiliandong-kolgruvan. De jämförde en sektion med originalstödet med en närliggande sektion som även fick skiktad injektering. I originalsektionen trycktes sidoväggarna in med mer än fyrtio centimeter och taket och golvet rörde sig mot varandra med över femtio centimeter, med rapporterade takras och brutna bultar. I den injekterade sektionen halverades sidoväggsrörelserna ungefär och tak–golv-nedslutningen sjönk till endast omkring tolv centimeter. Det förstärkta taket höll sig intakt, bultar och kablar fortsatte fungera som avsett och det löpande underhållet blev avsevärt lättare.

Vad detta betyder för säkrare gruvdrift

För icke-specialister är huvudbudskapet att studien visar hur noggrant riktad injicering av härdande material, utförd i skikt, kan förvandla en smulande stenhög ovanför en tunnel till en uppsättning samverkande balkar. Istället för att bara lägga till mer stål repar metoden hur lasten överförs från svaga lager ner till starka. I detta fall minskade den kraftigt taksänkning, sprickbildning och underjordiska rörelser. Det gör djupa kolkörvägar säkrare att färdas i och billigare att underhålla, och ger en praktisk vägledning för att stabilisera andra tunnlar drivna genom blandat, brutet berg.

Citering: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

Nyckelord: kolgruvkörväg, takförstärkning, injektering, underjordisk stabilitet, bergmekanik