Studie om trycklättnadseffekt och skyddsomfång vid långväga utvinning av lägre skyddsseam baserad på liknande fysiska simuleringar och PFC3D

Varför säkrare kolbrytning är viktig

Kol driver fortfarande en stor del av Kinas elproduktion, men urgrävning kan utlösa plötsliga gas- och bergmagasin som hotar gruvarbetare. Denna studie undersöker hur utvinning av ett kolskikt djupt under jord kan lindra trycket i ett annat skikt ovanför, vilket gör gasen lättare att avlägsna och nästa brytningsomgång säkrare. Genom att kombinera fysiska modeller i laboratorium med avancerade datorimuleringar kartlägger forskarna hur berget mellan skikten spricker, böjer sig och sätter sig när brytningen fortskrider.

Två kullager som samverkar

Arbetet fokuserar på nr 6-kolgruvan i Henanprovinsen, där ett djupare skikt kallat Wu 8 ligger ungefär 72 meter under ett övre skikt kallat Ding 5.6. Idén är att först bryta det lägre skiktet som ett ”skyddsskikt”. När detta skikt tas bort förskjuts överliggande bergmassa, vilket förändrar trycket i det övre skiktet och öppnar små gångar där instängd gas kan undkomma. Om ingenjörer kan förutse var och hur långt denna trycklättnadseffekt sträcker sig kan de placera gasdräneringsborrningar och planera framtida utvinning i det övre skiktet mer säkert och effektivt.

Skalad gruva i labbet

För att observera vad som händer utom synhåll under jord byggde teamet en stor fysisk modell ungefär tre meter lång och en och en halv meter hög som imiterar de verkliga berglagren ovanför Wu 8-skiktet. Genom att använda sand, gips, kalciumkarbonat och glimmer för att representera olika bergarter återuppbyggde de de staplade lagren och ”brytade” sedan det nedre skiktet steg för steg. I takt med att modellens arbetsfront avancerade observerade de hur överliggande berg kollapsade och var sprickor öppnades. Spricksystemet bildade en vid trapetsform som växte uppåt och utåt, passerade stadier av initiering och tillväxt och slutligen delvis slutades igen när det krossade berget kompakterades.

Virtuella berg och osynliga krafter

Laboratoriemodeller kan inte fånga alla detaljer, så forskarna använde också tredimensionella partikelbaserade datorsimuleringar, kända som PFC3D, för att följa spännings- och sprickmönster i hela bergmassan. I denna virtuella gruva representeras berg och kol av tusentals små bundna partiklar vars interaktioner följer rörelselagarna. När den simulerade arbetsfronten avancerar registrerar programmet hur vertikala och horisontella spänningar förändras på olika höjder, hur sprickor kopplar ihop sig till nätverk och hur det övre kolskiktet rör sig. Resultaten visar att vertikalspänningarna nära det utbrutna området stiger till ungefär fyra gånger de horisontella spänningarna, för att sedan sjunka och karva ut en trycklättnadszon som smalnar med höjd och antar en trapetsformad plattform ovanför brottet.

Hur det övre skiktet böjer sig och töjs

Simuleringarna visar också hur det skyddade Ding 5.6-skiktet deformeras. Dess förskjutningsmönster övergår gradvis till en skålformig sättning ovanför det utbrutna lägre skiktet. Inledningsvis, när arbetsfronten har avancerat mindre än halva sin längd, är sänkningen liten och elliptisk i formen. När brytningen fortgår fördjupas och vidgas sättningen, med störst nedsänkning direkt över centrum av brottet. Så småningom planar skålens botten ut när överliggande berg kompakteras och takten i ytterligare sättning avtar. Genom att följa förändringen i tjocklek hos det skyddade skiktet beräknar teamet en expansionsdeformationshastighet; när denna hastighet överstiger en tröskelvärde anses kolet vara fullt trycklättnat och betydligt mindre benäget att haverera våldsamt.

Att rita en säker zon under jord

Genom att kombinera deformtions- och spänningsresultaten beskriver författarna den tredimensionella formen av den effektiva trycklättnads- och skyddszonen. De finner att det avspända området i det övre skiktet inte sträcker sig exakt ovanför det utbrutna området utan är förskjutet inåt längs både arbetsfrontens längd och bredd. Längs längdriktningen börjar och slutar den skyddade zonen ungefär 35–40 meter innanför de faktiska brytningsgränserna; längs bredden ligger den tillbaka med ungefär 11–14 meter. Inom denna förskjutna region faller vertikalspänningen under ett kritiskt värde på cirka 16,9 megapascal och expansionsdeformationshastigheten överstiger den standard som används i kinesiska säkerhetsregler. I praktiska termer ger studien gruvplanerare tydliga vinklar och avstånd som markerar var gasdränering och framtida utvinning av det övre skiktet kan fortsätta med minskad risk för kol- och gasutbrott.

Citering: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Nyckelord: kolskiktbrytning, gasdränering, bergartssprickor, gruvsäkerhet, numerisk simulering