Brottmekanismer i omgivande berg och synergistisk kontroll genom starkt stöd–stark tryckavlastning för vägar i nedre skiktet i tätt liggande kolskiktsgrupper

Varför säkrare koltunnlar är viktiga

Djupt under jord förlitar sig gruvarbetare på smala tunnlar för att nå kolskikten. När berget runt dessa tunnlar plötsligt förskjuts eller brister kan det orsaka farliga stötar, ras och kostsamma avstängningar. Denna studie undersöker en särskilt komplicerad situation i en kinesisk gruva där två kolskikt ligger nära varandra och de nedre tunnlarna ligger under tidigare uppbrutna områden och kvarvarande kolblock. Författarna förklarar varför berget på ena sidan av dessa tunnlar lättare brister, och de prövar en kombinerad metod som både förstärker tunnelväggarna och varsamt avlastar uppbyggd spänning i det omgivande berget.

Gömda spänningar från tidigare brytning

I Jiaoping-gruveområdet har ett kolskikt redan brutits ut, vilket lämnat tomma utrymmen kallade goaf och styva kolpelare som bär upp taket. Ett andra, djupare skikt bryts nu ur nedanför. Vikten av det överliggande berget och de styva pelarna pressar inte jämnt på de nedre tunnlarna. Istället koncentreras spänningen på sidan under kolpelaren, medan den andra sidan ligger under en delvis avlastad zon. Vatten som sipprar in i det gamla goafet kan också mjuka upp kol och berg, vilket ökar risken att golv och väggar förlorar styrka med tiden. Beräkningar och geologiska mätningar visar att skadorna från det övre skiktet når ungefär 10 till 15 meter nedåt, vilket är tillräckligt för att påverka var och hur nya tunnlar bör placeras.

Välja en bättre tunnelsträckning

Med hjälp av bergmekaniska teorier uppskattade teamet hur djupt botten under det övre skiktet hade spruckit på grund av tidigare brytning och den koncentrerade belastningen från kvarvarande kolpelare. De jämförde sedan olika sätt att anpassa den nya nedre vägen i förhållande till de gamla arbetena. Om den nedre tunneln överlappar högspänningszonen under pelaren utsätts den för stark, ojämn belastning. Om den förskjuts utåt kan den fortfarande ligga inom den zonen. Det mest gynnsamma valet är att förskjuta den nedre vägen inåt mot det tidigare uppbrutna utrymmet, där trycket delvis har blivit avlastat. Denna inre förskjutna layout undviker det mest belastade berget och minskar den naturliga tendensen att ena sidan av tunneln deformeras mer än den andra.

Starkt stöd plus tryckavlastning

God tunnelstöd är fortfarande avgörande. Gruvan antog ett "starkt stöd"-schema med täta stålnitar, stålremsor, nät och högspända kabelbultar förankrade i tak och väggar. Detta system klämmer ihop sprucket berg och gör att det grunda berget runt öppningen kan fungera som ett enda bärande skal. För att gå vidare lade forskarna till ett steg för "stark tryckavlastning": de borrade långa, snedställda hål från tunneln in i det överliggande kolet och berget och pumpade in högtrycksvatten för att skapa kontrollerade sprickor. Noggrann analys av hur vätsketryck samverkar med det naturliga spänningsfältet styrde valet av borrvinklar så att sprickor skulle initieras och sprida sig vid relativt lågt pumptryck, vilket öppnade vägar för att omfördela spänning och energi bort från tunneln.

Att följa bergets respons

Teamet använde datorsimuleringar och underjordiska mätningar för att se hur berget reagerade under både långsam belastning och plötsliga chocker, som efterliknar mindre seismiska händelser. Under statiska förhållanden deformerade den förstärkta tunneln bara marginellt och rörelserna låg långt under säkerhetsgränser, även om spänningar och bultkrafter tydligt var högre på kolpelarsidan. När chocklaster lades in i modellerna framträdde två mönster. Påverkningar som träffade främst ovanför taket tenderade att orsaka dragbrott i takets mitt. Påverkan nära hörnet där tak och vägg möts orsakade stora sidokrampningar av väggen och förtätning av taket som helhet, ett mer allvarligt skademönster. Efter hydraulisk spräckning visade elektriska undersökningar vidsträckta områden med låg resistivitet där vattenfyllda sprickor bildats, vilket bekräftade att berget försvagats och att spänningen hade förskjutits. Fältinstrument registrerade att bult- och kabelkrafter hölls inom säkra gränser och att den "uppmjukade" bergzonen, även om den växte, förblev kontrollerad av stödsystemet.

Vad detta betyder för gruvsäkerhet

För den studerade gruvan visar arbetet att ojämn belastning orsakad av kvarvarande kolpelare är den huvudsakliga anledningen till att ena sidan av tunnlar i det nedre skiktet lättare går sönder. Genom att placera vägen i en tryckavlastad zon, förankra det närliggande berget ordentligt och använda riktad hydraulisk spräckning för att avlägsna djupa spänningar, kan ingenjörer hålla deformationerna inom säkra gränser även när berget utsätts för små stötar. Författarna menar att denna kombinerade strategi med starkt stöd plus stark tryckavlastning, kompletterad med noggrann övervakning, erbjuder en praktisk väg till säkrare och mer effektiv kolutvinning i andra gruvor med staplade skikt och komplexa spänningsförhållanden.

Citering: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Nyckelord: kolbrytning, vägstabilitet, bergstöt, hydraulisk spräckning, numerisk simulering