Ultra kalın damarlarda gob-kıyısı yol açılmadan önce kalın-sert örtülerin önçatlatılması için makul sondaj açısı ve teknoloji uygulaması

Derin kömür madenciliğini daha güvenli kılmak

Çin’in en büyük bazı kömür ocaklarında, yeraltı geçitleri kömür çekildikten sonra kalan devasa boşlukların hemen yanında açık tutulmalıdır. Gob-kıyısı yolları denilen bu geçitler, havalandırma ve ulaşım için hayati öneme sahiptir. Ancak bu açıklıkların üzerinde çok kalın, sert kaya “örtü”leri asılı kaldığında, bunlar aniden kırılıp çökerek destekleri ezebilir ve galerileri deforme edebilir. Bu çalışma, bu sert örtüyü önceden zayıflatmanın bir yolunu araştırıyor: dikkatle ayarlanmış sondaj açısı ve karbondioksit bazlı çatlatma kullanılarak, kayanın tünelin üzerinde şiddetli biçimde çökmesi yerine kontrollü şekilde yolun dışına doğru kırılması sağlanıyor.

Kalın örtüler neden gizli bir tehdit oluşturur

20 metreden daha kalın ultra kalın kömür damarlarında, madencilik geride büyük boşluklar bırakır. Bunların üzerinde, çok daha kalın ve çok güçlü bir kaya örtüsünün altında ince, zayıf bir katman bulunur. Kazılan alandaki kırılmış kaya (goaf) boşluğu tamamen doldurmadığından, kalın örtü kömür üzerinde uzun, rijit bir çıkıntı oluşturabilir ve galeriyi desteklemek için bırakılan kömüre doğru uzanabilir. Bu asılı levha sonunda kırılıp dönme hareketi yaptığında, yolun duvar ve tabanına fazladan yük bindirir; çelik kirişleri büker, ankraj kablolarını koparır, kömür sütunlarını sıkıştırır ve bazen tüneli neredeyse kapatır. Madaotou Ocağı’ndaki saha gözlemleri, önceden örtü işlemi uygulanmadığında bu koşullar altında aşırı örtü çökmesi, duvarlarda parçalanma ve tabanda kabarma oluştuğunu belgeledi.

Örtünün en az zarar verdiği yerde kırılması

Yazarlar bu sorunu tersine çevirmeyi öneriyor: örtü başarısız olduktan sonra tepki vermek yerine, yeni gob-kıyısı yolunu açmadan önce kalın, sert örtüyü kasıtlı olarak çatlatmak. Yan galeriden seçilmiş bir açıyla uzun delikler açıp bu delikler boyunca kayayı çatlatarak, ana kaya bloklarının yeni galerinin üzerinde değil, zaten kazılmış alana doğru kırılıp çökmesini sağlayabiliyorlar. Örtüyü üst üste dizilmiş kirişler olarak ele alan bir yapısal model kullanarak, bu önçatlakların açısının örtünün nerede kırılacağını, nasıl eğileceğini ve yüklerin kömüre yanlamasına nasıl aktarıldığını kontrol ettiğini gösteriyorlar. Eğer çatlak yönü blokları goafa doğru yönlendirirse, yol esas olarak daha uzakta daha nazikçe eğilen kaya tarafından yüklenir; doğrudan üstteki sert konsol tarafından değil.

En iyi sondaj açısını bulmak

Kavramdan tasarım kurallarına geçmek için ekip, farklı çatlak açılarında örtü bloklarının nasıl eğilip kömür duvara nasıl bastığını ayrıntılı bir matematiksel modelle kurdu. Ardından bilgisayar simülasyonları (FLAC3D) kullanarak, sondaj açısı kırık olmadan başlayıp 60°, 70°, 80°, 90° ve biraz üstüne çıktıkça galeri etrafındaki gerilmelerin ve hasar zonlarının nasıl değiştiğini incelediler. İki ana gösterge ele alındı: kömür ve örtüdeki plastik (kalıcı deformasyon) bölgesinin büyüklüğü ile serbest kalmayı bekleyen “yay enerjisinin” göstergesi olan bozulma enerjisi ölçüsü (J2). Önçatlatma açısı 60°’den 90°’ye yükseldikçe, kömür duvardaki en yüksek yan basınç yaklaşık %18 azaldı, plastik hasar bölgesi yaklaşık 32 m’den 20 m’ye daraldı ve hem kömür hem örtüde J2 belirgin şekilde düştü. Ancak açı 90°’yi aştığında, kırılmış bloklar yeniden daha doğrudan galerinin üzerine itme eğiliminde oldu, hasarlı bölge genişledi ve kömür öylesine ezildi ki artık güvenli şekilde yük taşıyamadı.

Süperkritik CO2 ile örtüyü çatlatmak

Bu hesaplamalar doğrultusunda araştırmacılar, örtünün ana katmanına ulaşan bir çatlak yüksekliği (damar üzeri yaklaşık 45 m) ve yakın-dikey 90° sondaj açısını optimal olarak seçti. Madaotou Ocağı’nın 2209 galeride, goaf tarafına en yakın kenar boyunca derin sondaj grupları açtılar ve örtüyü çatlatmak için süperkritik karbondioksit kullandılar. CO2, mühürlü kartuşlarda yoğun bir sıvı olarak depolanıyor; tetiklendiğinde hızla gaz hâline genişleyerek, patlayıcılara kıyasla daha kontrollü ve düşük darbe ile kayadaki çatlakları açıyor. Sondajların saha incelemeleri ve su enjeksiyon testleri, delikler arasında çatlakların iyi bağlantı oluşturduğunu doğruladı; böylece galerinin üzerinde süreklilik arz eden zayıflatılmış bir bant oluştu ve yüzün ilerlemesiyle örtü bloklarının goafa doğru kırılmasını teşvik etti.

Şiddetli çöküşten kontrollü harekete

Önçatlatma uygulanmamış bir galeri ile CO2 tabanlı işlem uygulanmış otherwise benzer iki galeri karşılaştırıldığında fark çarpıcıydı. Önçatlatma olmadan, kazı sırasında örtü çökmesi neredeyse yarım metreye, madencilik sırasında ise bir metreyi aşıyordu; duvarlar ve taban da yüzlerce milimetre hareket ederek sık sık onarım gerektiriyordu. 90°’de yapılan önçatlatmayla, kazı sırasında örtü hareketi yalnızca birkaç santimetreye düştü ve madencilik sırasında örtü, kömür sütunu, sağlam kömür ve taban deformasyonları %75–82 oranında azaltıldı. Galeri duvarları nispeten düzgün kaldı, örtü bütünlüğünü korudu ve destek arızaları nadir oldu. Uzman olmayanlar için çıkarım açık: doğru sondaj açısını seçip sert örtüyü önceden çatlatarak mühendisler kayaya nerede kırılacağını “söyleyebilir” — tünelin üzerinde değil, ondan uzağa; böylece tehlikeli, ani bir çöküşü daha güvenli, kontrollü bir yerleşmeye dönüştürebilirler.

Atıf: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Anahtar kelimeler: kömür ocağı galerisi kararlılığı, örtü önçatlatma, gob-kıyısı yol, CO2 kaya kırma, ultra kalın kömür damarları