Alttaki izole ada çalışma yüzeyindeki galerilerin kararlılık analizi ve kontrol teknolojisi üzerine araştırma

Neden yeraltı galerileri önemlidir

Kuzey Çin’in derinliklerinde, kömür madencileri insanları, havayı ve ekipmanı taşımak için yeraltı galerilerine güveniyor. Bu tüneller deforme olursa veya çökerse, madenin hızı yavaşlamalı ya da durmalı, bu da işçileri riske atar ve önemli bir enerji kaynağını tehdit eder. Bu makale özellikle zorlu bir durumu inceliyor: daha önce işletilmiş alanların ve geride bırakılmış kömür sütunlarının altında bir “ada” gibi duran bir damar. Yazarlar, bu eski işletmelerin gerilmelerinin kayada nasıl yoğunlaştığını gösteriyor ve ardından yeni galeriyi kararlı ve güvenli tutacak bir destek sistemi tasarlıyor.

Eski ve yeni işletmelerin katmanları

Çalışma, Shaanxi Eyaleti’ndeki Yanghuopan kömür ocağına odaklanıyor; burada uzun, dar bir kömür paneli—30,119 çalışma yüzeyi—zaten işletilmiş bir damarının altında yer alıyor. Üstünde boşluklar (goflar) ve sütunlar olarak geride bırakılmış sağlam kömür blokları bulunuyor. Bu düzen, üç tarafından işletilmiş zonlarla çevrili bir “izole ada” yüzeyi oluşturuyor. İncelenen havalandırma havasını geri döndüren galeri, hem düşük gerilme alanları olan gofların hem de yüksek gerilme altındaki artık kömür sütunlarının altından geçmek zorunda. Tavan ve taban kayaları nispeten dayanıklı kumtaşları ve silttaşları olmasına rağmen gerilme alanı son derece düzensiz olduğundan, tek tip bir tünel destek şeması ne güvenli ne de ekonomik olur.

Artık sütunların alt damarlara etkisi

Araştırmacılar önce üst kömür sütunlarının oluşturduğu kuvvetin aşağıya nasıl iletildiğini anlamak için kaya mekaniği teorisini kullanıyor. Bir sütunu, çok daha kalın bir tabana baskı yapan yüklü bir şerit kaya olarak ele alıyor ve bu yoğun yükün derinlikle nasıl yayıldığını hesaplıyorlar. Analizleri, artık bir kömür sütununun doğrudan altında alt damarın doğal arka plan seviyesinden yaklaşık 1,6 kat daha yüksek dikey gerilme yaşadığını ve bu etkinin alt damar boyunca yatayda 60 metreden fazla yayıldığını gösteriyor. Başka bir deyişle, üst damar zaten işletilmiş olsa bile geride kalan sütun, alttaki kaya ve galerilere yükünü odaklamaya devam ediyor ve belirgin gerilme artışı ve rahatlama bölgeleri yaratıyor.

Gerilmeyi, hasarı ve hareketi simüle etmek

Bu kuvvetlerin galeri etrafında nasıl oynadığını görmek için ekip, sayısal simülasyon yazılımı kullanarak kaya katmanlarının ve madencilik sırasının üç boyutlu bir bilgisayar modelini kuruyor. Önce üst damarı işletip goflar ve sütunlar oluşturuyor, sonra alt 3–1 kömür damarının kazısını ve 30,119 yüzeyinin aşamalı ilerlemesini simüle ediyorlar. Model, üst işletmelerin altında beş belirgin bölge ortaya koyuyor: gofların altında iki düşük gerilme bölgesi, birinci ve ikinci artık sütunların altında iki yoğun gerilme bölgesi ve işletilmemiş kömürün altında normal gerilme bölgesi. Alt yüzey ilerledikçe yüzeyin önündeki zirve ek yükün yüzeyden yaklaşık sekiz metre önde sürekli olarak göründüğü, ancak büyüklüğünün konuma göre keskin biçimde değiştiği görülüyor: gerilmeler en yüksek birinci artık sütunun altında ve ikinci sütunun altında biraz daha düşük.

Galeri en çok nerede zarar görüyor

Simülasyonlar ayrıca galeri çevresindeki kayada ne kadarının akma veya çatlama gösterdiğini (“plastik zon”) ve tavan ile duvarların ne kadar içe hareket ettiğini izliyor. Galeri gerilme rahatlama bölgelerinin altında olduğunda, etrafındaki hasar bantları nispeten sığ ve deformasyonlar ılımlı oluyor. Ancak birinci artık sütunun altında, yoğunlaşmış yük ile ilerleyen yüzey basıncı birleşerek tavan ve yan duvarlarda kırılgan zonu derinleştiriyor ve çok daha büyük tavan çökmesi ile duvar yakınlaşmasını tetikliyor. İkinci sütunun altında tepki hâlâ ciddi ama daha hafif: tavan hareketi birinci sütunun altındakinin yaklaşık yarısı kadar ve sağlam kömür duvarının hareketi üçte birden fazla azalıyor. Bu karşıtlıklar, galeri davranışının yalnızca kaya türüyle değil, geçmiş madenciliğin yarattığı karmaşık gerilme tarihiyle de kontrol edildiğini doğruluyor.

Gerçekten gerektiği yerde destek tasarlamak

Bu bulgular doğrultusunda yazarlar galeriyi iki tip kontrol bölgesine ayırıyor. Gofların altında ve normale yakın gerilme olan kesimlerde, çubuklar, kablolar ve hasır kullanılarak geleneksel bir destek düzeni benimseniyor. Artık sütunların etkisindeki yüksek gerilme bölgelerinin altında, tasarım güçlendiriliyor: daha sık tavan çivileri, takviye düzeninde yerleştirilmiş uzun kablo ankrajlar ve kömür sütunu ile yanları birlikte “dikişleyen” ilave yan duvar çivileri. Daha sonra yüzey ilerledikçe birkaç istasyonda tavan oturması, yan duvar yakınlaşması ve çubuk ile kablolar tarafından taşınan yükler izlenerek yeraltında performans doğrulanıyor. Ölçülen tavan çökmeleri yaklaşık bir santimetre civarında, duvar kapanması ise birkaç milimetre içinde kalıyor; destek yükleri kapasitelerinin çok altında seyrediyor, bu da rahat bir güvenlik marjı olduğunu gösteriyor.

Daha güvenli madencilik için ne anlama geliyor

Pratik açıdan çalışma, izole ada panellerin altındaki tünellerin stabil tutulabileceğini gösteriyor; mühendisler önce eski sütunların ve gofların gerilme alanını nasıl yeniden şekillendirdiğini haritalandırmalı ve ardından desteği her bölgeye göre uyarlamalı. Her yerde aşırı güçlendirme yapmak veya gizli sıcak noktalarda arızaya yol açma riski almak yerine, yaklaşım en yüksek gerilmenin olduğu yerlerde ağır desteği yoğunlaştırıyor ve kaya doğal olarak rahatlamış yerlerde daha hafif sistemler kullanıyor. Yanghuopan’daki sonuç, madencilik ilerledikçe açık ve kullanılabilir kalan bir galeri; karmaşık eski işletmeler ağlarının altında yeni damarlarla çalışmak zorunda olan diğer madenler için bir şablon sunuyor.

Atıf: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Anahtar kelimeler: kömür ocağı galeri kararlılığı, izole ada çalışma yüzeyi, artık kömür sütunu gerilmesi, sayısal madencilik benzetimi, yeraltı destek tasarımı