Ekstra kalın kömür damarında gob kenarı galerinin ayak (pillar) ribine kıyasla virgin kömür ribindeki ters deformasyon artışının mekanizması

Neden yeraltı tünelleri aniden sıkışıp kapanabilir

Kömür madenleri daha derinlere indikçe ve daha kalın damarları takip ettikçe mühendisler madencilik sonrası oluşan geniş boşlukların yanı başına uzun galeriler açarlar. Bu geçitlerin hava, insan ve makine için açık kalması gerekir; ancak üzerlerindeki kaya çok büyük gerilmelere maruzdur. Bu çalışma, bir Çin madeninde görülen şaşırtıcı ve tehlikeli bir davranışı inceliyor: boşaltılan boşluğa bakan tünel duvarının en çok hasar görmesi beklenirken, teorik olarak daha sağlam olan diğer taraf—virgin (dokunulmamış) kömür—daha fazla deformasyon gösterdi. Bunun nedenini anlamak daha güvenli ve verimli yeraltı madenciliği için hayati öneme sahiptir.

Yeni bir tür tünel sıkışması

Modern Çin kömür madenlerinde 15 metreyi aşan ekstra kalın damarlar genellikle tam mekanize üst-kömür çöktürme (top-coal caving) yöntemiyle işletiliyor. Bir panel kömür çıkarıldıktan sonra üzerindeki tabakalar boşluğa çöker ve gob gangue olarak adlandırılan bir kırıntı zonu oluşur. Daha sonra gob kenarına yakın, yalnızca dar bir kömür ayağı (pillar) bırakılarak gob-side entry denilen yeni galeriler açılır. Geleneksel beklenti, boşluğa bakan duvarın (kömür ayağı tarafı) dokunulmamış kaya (virgin kömür) tarafından daha fazla deformasyon göstereceğidir. Ancak 15.1 m kalınlıktaki Panel 8211’deki izlemeler bunun tersini gösterdi: yaklaşık 50 gün sonra virgin kömür tarafı, kömür ayağı tarafından daha fazla içe doğru hareket etmeye başladı; yazarların “ters deformasyon artışı” (RDI) diye adlandırdığı bu örüntü ortaya çıktı.

Kayanın yavaşça nasıl çöktüğünü izlemek

Ekip öncelikle yeraltında olup biteni belgeledi. Her iki tünel duvarının zaman içindeki yakınsamalarını (convergence) ölçtüler, cıvata, kabel ve destek çerçevelerindeki hasarı incelediler ve sondaj kameralarıyla kömürün ne kadar derine kadar kırıldığını gördüler. Her iki tarafta da ciddi hasar vardı; fakat 8 metrelik kömür ayağının tamamı çatlamış durumdaydı, virgin kömürde ise yaklaşık 4.3 metre derinliğe kadar kırılmış bir dış zon ve daha sağlam bir iç çekirdek vardı. Gerilmeölçerler (stress meters) ayağın merkezi kısmının sadece ılımlı yük taşıdığını gösterdi ki bu, onun ciddi şekilde zayıfladığını işaret ediyordu; oysa daha derindeki virgin kömür neredeyse orijinal yerinde (in‑situ) baskıya yakın gerilmeler taşıyordu. Bu kombinasyon—her iki tarafta da yüzeysel olarak aşırı hasarlı zemin ama daha derinde hâlâ güçlü bir virgin kömür bölgesi—beklenmedik hareketlerin zeminini hazırladı.

Gömülü bilmecenin bilgisayar deneyleri

Mechanizmayı çözmek için araştırmacılar gerçekçi kaya özellikleri ve madencilik adımlarıyla detaylı bir 3B sayısal model kurdular. Üç ana faktörü değiştirdiler: gob’daki çökmüş gangue’un kömür ayağına yan baskısı (lateral basınç) ne kadar yüksek olduğu, kömür ayağının genişliği ve tünelin üstündeki madenciliğe göre ne zaman açıldığı. Simülasyonlar RDI’nin yalnızca gangue temas yüksekliği yeterince büyük olduğunda ortaya çıktığını gösterdi—gangue’un ayağa temasının 20 metreden fazla yükselmesi gerekiyor. Bu durumda gob’daki kırılmış kaya, kömür ayağını destekleyen sert bir yan dayanak gibi davranıyor ve ayağın tünele doğru deformasyonunu azaltıyordu. Aynı zamanda hala sağlam kalan üst tabakalar tünel yönünde aşağı doğru bükülüyor ve virgin kömür duvarına en büyük basıyı uyguluyordu. Sonuç olarak virgin kömür ribinde hem yatay hem düşey gerilmeler yükseliyor ve ayağa bakan taraftan daha fazla içe doğru sıkışma oluyordu.

Ayak boyutu ve zamanlamanın gerçek etkileri

Kömür ayağının genişliği ve tünel açma zamanlaması RDI’nin şiddetini değiştirdi, ancak onun oluşup oluşmayacağını belirlemedi. Gangue temas yüksekliği yüksek olduğunda, dar bir ayağ (örneğin 5–8 metre) gob tarafı tarafından kolayca destekleniyor ve nispeten küçük içe hareket gösterirken, virgin kömür duvarı çok daha büyük deformasyon yaşıyor. Ayağın genişliği arttıkça (yaklaşık 30 metre ve üzeri), her iki taraftaki gerilmeler ve hasar dengeleniyor ve iki duvar benzer miktarda hareket ediyor. Zamanlama da önemli: tünel üst panel çıkarılmasından hemen sonra—üzeri hâlâ otururken—sürüldüğünde ayağın gob yönüne doğru hareket etme eğilimi oluyor; bu da ayağın tünele doğru içe hareketini daha da azaltıp RDI’yi güçlendiriyor. Üzer tabakalar stabil hale geldikten sonra RDI zayıflıyor ama gangue destek yüksekliği büyük kaldığı sürece tamamen ortadan kalkmıyor.

Mühendislerin galeriyi açık tutmak için neler yapabileceği

Bu bulgulara dayanarak yazarlar modelde ve sonra sahada birkaç takviye (reinforcement) şeması test ettiler. Daha fazla kısa cıvata eklemek virgin kömür duvarının daha fazla deformasyonunu durdurmadı. En etkili strateji, her iki duvarı da daha uzun cıvatalar ve yüksek kapasiteli kablolarla güçlendirmekti; bu, hasar görmüş dış kömür tabakasına daha derindeki, daha sağlam kayanın içine “kilitlenme” imkânı verdi. Bu yaklaşım yükü kömür ayağı ile virgin kömür arasında daha eşit paylaştırdı. Bu birleşik destek kurulduktan sonra sahada yapılan ölçümler, tünel deformasyonunun yaklaşık bir ay içinde stabil hale geldiğini ve iki duvarın benzer, çok daha küçük içe hareketlerle sonuçlandığını gösterdi—emniyet ve işletme gereksinimlerini karşıladı.

Derin kömür madenciliği için anlamı

Uzman olmayanlar için temel mesaj şudur: çok kalın, derinde gömülü kömür damarlarında kağıt üzerinde daha güvenli görünen tünel duvarı aslında ilk çöken taraf olabilir. Boşaltılan gob’daki moloz, pasif bir yan ürün olmak yerine, kömür ayağını o kadar iyi destekleyebilir ki, üstte bükülen kaya örtüsü altında sağlam görünen kömür tarafı zayıf halka haline gelir. Gangue destek yüksekliğini tetikleyici olarak belirleyip ayağın boyutu, zamanlama ve takviyenin nasıl etkileştiğini göstermek bu çalışma, kritik yeraltı geçitlerini açık tutacak ve madencileri daha güvende tutacak destek tasarımları için daha net bir reçete sunuyor.

Atıf: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

Anahtar kelimeler: yeraltı kömür madenciliği, kayacın deformasyonu, yer kontrolü, kömür ayak tasarımı, gob kenarı galerisi