Teoretisk studie om tryckavlastningsområdet för den övre skyddade kolådern vid skyddslagersbrytning

Varför säkrare kolbrytning är viktig

Djupa kolgruvor förser det moderna livet med energi men kan vara farliga. Högt bergtryck och instängd gas kan utlösa plötsliga utbrott som hotar gruvarbetare och utrustning. Denna studie undersöker ett sätt att göra djup brytning säkrare genom att använda en kolåder för att skydda en annan. Genom att först bryta en lägre åder på ett kontrollerat sätt visar författarna hur tryck och gas i en överliggande, farligare åder kan avlastas.

Använda en kolåder för att skydda en annan

Idén bakom ett skyddslager är enkel: bryt en mindre riskfylld kolåder för att försiktigt "släppa ut tryck" i en farligare åder ovanför eller nedanför. När den lägre skyddande ådern bryts sjunker, spricker och förskjuts de överliggande berglagren mot det uttömda området. Denna rörelse förändrar hur spänningarna fördelas och öppnar nya vägar för gas att komma ut. I denna studie fungerar Wu9−10-ådern i Kinas Pingmei nr. 6-gruva som den nedre skyddsådern, medan den överliggande Ding5−6-ådern är den som riskerar gasutbrott.

Välja rätt skyddsåder

Inte varje kolåder kan fungera säkert som ett skyddslager. Författarna undersökte först om Wu9−10 var lämplig. De kontrollerade att ådern var tillräckligt tjock och kontinuerlig för brytning, att avståndet upp till Ding5−6 inte var för stort, och att berglagren däremellan inte var så stela att de skulle blockera tryckavlastningen. Ett viktigt mått är förhållandet mellan avståndet som skiljer de två ådrorna och skyddsåderns tjocklek. För denna gruva låg det förhållandet långt under den säkerhetsgräns som anges i kinesiska tekniska normer, vilket tyder på att brytning av Wu9−10 bör kunna avlasta trycket i Ding5−6 utan att skada dess framtida brytningsförhållanden.

Kartlägga skyddszonen

Forskarlaget använde sedan etablerade regler och formler för att förutsäga hur långt den skyddande effekten bör sträcka sig runt arbetsytan i gruvan. De beräknade tryckavlastningsvinklar som visar hur det skyddade området sprider sig ovanför den brutna ådern i olika riktningar: längs kolåderns lutning, längs dess längd och rakt uppåt. Utifrån dessa vinklar uppskattade de hur långt den säkra zonen bör skjutas inåt från tunnlar och gränslinjer, och hur högt ovanför skyddsådern tryckavlastningen bör nå. Resultaten visade att det faktiska avståndet mellan de två ådrorna låg väl inom det förväntade vertikala skyddsomfånget.

Testa teorin under jord

För att kontrollera dessa förutsägelser genomförde forskarna ett omfattande fältprov under brytningen av Wu9−10-ådern. De borrade flera dussin hål in i den övre Ding5−6-ådern för att mäta gastryck och gashalt före och efter brytning. De installerade också instrument för att följa hur mycket den skyddade ådern svällde när spänningen avlastades, och de samlade detaljerade uppgifter om gas som pumpades ut genom hål och rör. Data visade att inom den beräknade skyddszonen sjönk gastrycket i Ding5−6 med upp till ungefär fyra femtedelar, gashalten halverades ungefär, och kolådern expanderade flera gånger den tröskel som kopplats till effektiv tryckavlastning. Den totala mängden avlägsnad gas motsvarade vad som kunde förväntas från en så kraftig minskning.

Vad detta betyder för gruvsäkerheten

Enkelt uttryckt bekräftar studien att noggrant planerad brytning i den nedre Wu9−10-ådern kan säkert "avväpna" den överliggande Ding5−6-ådern genom att sänka spänningarna och dränera gas över ett väl definierat område. Den uppmätta säkerhetszonen i den verkliga gruvan matchade tätt den teoretiska, och alla säkerhetskriterier för gastryck och gashalt uppfylldes. För djupa, svagt lutande kolfält med liknande berglager erbjuder arbetet en praktisk modell för att använda skyddsådror för att minska risken för farliga gasutbrott samtidigt som framtida brytningsmöjligheter bevaras.

Citering: Zhan, K., Zhang, B. & Wang, M. Theoretical study on the pressure relief range of the upper protected coal seam in protective layer mining. Sci Rep 16, 15688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47249-4

Nyckelord: skyddslagersbrytning, kolådersgas, tryckavlastning, djupkolbrytning, gruvsäkerhet