Studie om mekanismen för avskalning av kolväggar i arbetsytor med stort brytningshöjd baserad på vikningskatastrofteori

Varför plötsliga kollapser i kolväggar är viktiga

I moderna underjordiska kolgruvor gör allt högre brytningsytor det möjligt att ta bort mer kol i ett enda steg, vilket ökar produktionen men också höjer risken för plötsliga sidoväggssammanbrott, så kallad avskalning av vaden. Dessa abrupta haverier kan kasta kolmaterial in i arbetsområden, skada tung utrustning och hota gruvarbetares liv. Denna studie gräver i varför sådana haverier sker så plötsligt och använder en kombination av matematisk modellering, energianalys och datorimuleringar för att visa hur kolväggen tyst lagrar energi tills den når en brytpunkt och brister utan varning.

Dolt skal runt tunneln

Författarna hävdar att kolet intill en stor brytningsyta beter sig inte som ett solitt block utan som ett tunt skal som omsluter öppningen. När taket och golvet pressar den exponerade väggen, buktar detta skal gradvis mot tunneln, särskilt i lagrets mittliga höjd. Fältobservationer i en kinesisk gruva visade att sprickor och utbrott tenderar att samlas i denna mittsektion, vilket stöder idén att kolet runt ytan går sönder i ett ungefär sfäriskt mönster snarare än som en platt skiva. Att betrakta kolet som ett skal gör det enklare att beskriva hur spänningar från alla riktningar fokuseras till en begränsad zon som är benägen för instabilitet.

Energi byggs upp före brottet

I stället för att endast fokusera på hur hårt kolet pressas, spårar studien hur olika typer av energi ackumuleras i kolskalet. En del av kolet deformeras elastiskt, som en ihoptryckt fjäder som kan frigöra energi, medan andra delar deformeras plastiskt, ändrar form permanent och absorberar energi. När små sprickor bildas och sprider sig blir en större del av skalet en plastisk zon som tar upp energi, medan den omgivande elastiska zonen håller ett växande lager av töjningsenergi. Forskarna visar matematiskt att när den energi som lagrats i den elastiska regionen når en viss tröskel kan den plötsligt flöda in i den spruckna zonen. I det ögonblicket kan skalet inte längre bibehålla sin form och avskalning av vaden sker i en snabb utlösning.

En brytpunkt beskriven av en vikningsmodell

För att fånga denna plötsliga förändring använder teamet ett matematiskt ramverk kallat vikningskatastrofteori. Enkelt uttryckt beskrivs kolväggens beteende som ett system som kan följa två olika banor: en stabil där deformationen växer långsamt, och en instabil där en liten extra press orsakar ett hopp till ett nytt, kraftigt deformerat tillstånd. Den avgörande styrfaktorn är hastigheten med vilken energi tillförs kolet från brytningsspänningar och gastryck. Så länge yttre krafter måste tillföra extra energi deformeras väggen gradvis. Men när den energi som frigörs från de elastiska delarna av kolet är tillräcklig för att driva vidare sprickbildning på egen hand når systemet en kritisk balans. Vid denna brytpunkt kan även en mindre störning, såsom ett nytt snitt av skäret, utlösa ett hopp från stabilitet till plötsligt kollaps.

Stöd från numeriska experiment

Forskarna testade sina idéer med detaljerade datorimuleringar av en longwall-yta i ett tjockt kollager som inkluderar ett svagare jordskikt. Med en diskret elementmodell simulerade de stegvis brytning och följde hur kolet framför ytan rörde sig och var spänningar koncentrerades. Resultaten visade att horisontella rörelser och skador koncentrerades kring lagrets mitt, och bildade en buktande zon som expanderar utåt i ett ungefär halvsfäriskt mönster. Detta mönster överensstämmer med skal- och sfäriska brottkoncept från teorin och indikerar att kolväggen faktiskt ackumulerar deformation och energi i den centrala regionen tills den blir instabil. Förekomsten av jordskiktet förskjuter och intensifierar denna brottszon, vilket understryker hur tunna svaga lager kan fokusera skador.

Vad detta betyder för säkrare gruvdrift

Genom att koppla avskalning av vaden till en energitröskel rör sig studien från att beskriva synliga skador i efterhand till att förutsäga när kolväggen närmar sig ett farligt tillstånd. Modellen antyder att övervakning av indikatorer på energiupplagring, såsom brytningsinducerade spänningar och gastryck, kan hjälpa till att identifiera när systemet är nära sin brytpunkt. I praktiken kan ingenjörer justera stödtvärhet, ändra brytningshöjd eller använda tryckavlastande åtgärder för att minska energitillförseln och flytta kolväggen bort från den kritiska regionen. I enkla termer visar arbetet att plötsliga kollapser av kolväggar inte är slumpmässiga händelser, utan resultatet av en tyst energiupplagring i ett skört skal som kan — och bör — övervakas och kontrolleras.

Citering: Li, G., Zhang, H., Li, M. et al. Study on coal wall spalling mechanism of large mining height working face based on folding mutation theory. Sci Rep 16, 15277 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46075-y

Nyckelord: avskalning av kolvägg, avskalning av vad, energifrisättning, longwall-brytning, kolgruvsäkerhet