Yakın mesafedeki kömür damarındaki göçük boşluğu ve yol açma tahribatının çevreleyen kaya üzerindeki gerilme azaltma etkisinin incelenmesi

Yeraltı gerilmeleri neden önemlidir

Modern madenler kalan kömür rezervlerine ulaşmak için giderek daha derinlere inmek zorunda; burada kayaların davranışı karmaşık ve bazen öngörülemez olabilir. Daha önce işletilmiş, boşaltılmış bir kömür damarının altına geniş bir tünel açıldığında, çevreleyen kaya katmanlarındaki gerilmelerin nasıl değiştiğine bağlı olarak kayanın çökmesi ya da stabil kalması mümkündür. Bu çalışma, doğu Çin’de gerçek bir projeyi inceleyerek, önceki madencilik sonucu oluşan boş, çökmüş bir zonun yeni ve ekstra geniş bir galeriyi nasıl koruyabileceğini ve tavanın işçiler için güvenli kalmasını sağlayan hangi destek türlerinin etkili olduğunu anlamayı amaçlıyor.

Geniş bir galerinin üzerindeki kaya katmanları

Araştırmacılar, tipik bir maden tünelinden yaklaşık iki kat daha geniş olan ve eski işletilmiş kömür damarının 12–18 metre altında yer alan açık kesit olarak bilinen büyük bir galeriyi incelediler. Kömür katmanları arasında, her biri farklı dayanımlara sahip kumtaşı, silt taşı ve kiltaşı tabakaları bulunuyordu. Çekirdek sondajları yapıp kalite değerlendirmesi yaparak ekip, bazı tavan kayalarının orta düzeyde dayanımlı olduğunu, özellikle eski damar tabanına yakın olanların ise çok zayıf ve yoğun kırıklı olduğunu belirledi. Hangi katmanların güçlü, hangi katmanların kırılgan olduğunu bilmek çok önemli; çünkü bu katmanlar birlikte yeni açıklığın üzerine köprü kurması gereken kaya kirişini oluşturur.

Eski işletilmiş damar yük dağılımını nasıl değiştirir

Bilgisayar benzetimleri kullanılarak yazarlar, üst kömür damarının madenciliği ve ardından alt galerinin açılma sırasını yeniden oluşturdular. Üst damar işletildiğinde geride kısmen çökmüş tavan kayalarıyla dolu bir göçük boşluğu (goaf) kaldı. Bu goaf, alt galeri üzerinde basınç arttırmadı; aksine bir gerilme rahatlatma bölgesi olarak davrandı. Goaf tabanı ile yeni tavan arasındaki kaya, genellikle sadece birkaç megapascal olan çok daha düşük gerilmeye maruz kaldı; oysa iki yanındaki kayalar yüksek yük altındaydı. İki açıklık arasındaki yaklaşık üç metre kalınlığındaki bir kaya bandı kırılmadan kaldı ve galerinin üzerindeki uzun tavan kabloları sıkışmış, stabil kayaya ankrajlandı; daha kısa çiviler ise açıklığa daha yakın, çekme (tensiyon) bölgesinde çalıştı.

Model galeriler ve yavaş çökme

Bu fikirleri fiziksel olarak test etmek için ekip, kum esaslı malzemeler kullanarak katmanlı kaya ve kömür damarlarının ölçeklendirilmiş, metre boyutunda bir modelini inşa etti. Önce modelde üst damar işletildi, ardından daha derin gömülmeyi taklit etmek için yukarıdan uygulanan ağırlık yavaşça artırıldı. Yük arttıkça, üst damarın üzerindeki tavan sabit bir kirişten menteşeli bloklara, sonra düşen kayaların oluşturduğu bir taş örme kemerine doğru kademeli olarak kırıldı. Yük belirli bir eşiği aştığında üst tavan tamamen çökerek kenarları yaklaşık 60–65 derece eğimli stabil bir yığın oluşturdu. Gelecekteki galeri pozisyonuna yakın gömülü sensörler, goafın altındaki tabandaki gerilmelerin sonunda sıkıştırmadan çekmeye dönüştüğünü ve sonrasında kararlı değerlere yerleştiğini gösterdi; bu da eski işletilmiş zonun büyük ölçüde yükünü boşalttığını doğruladı.

Galeri genişledikçe gerilmenin birikimini izlemek

Araştırmacılar daha sonra büyük galerinin aşamalı olarak açılmasını, yeraltında nasıl kesileceğini taklit ederek modelde simüle ettiler. Model tavanındaki gerilme ölçerler, tünelin her genişletme adımının yeni bir tahribat dalgası yarattığını; sıkışma ve çekme gerilmelerinin birbirini izlediğini ve zamanla stabil hale geldiğini gösterdi. Galerinin tam üzerindeki tavanın merkezi en yüksek çekme (tensil) gerilmelerini taşıdı ve üzerine ek yük uygulandığında bu gerilmeler daha da arttı. Ancak bu yüksek çekme bölgesi çoğunlukla daha kısa çivilerin etkili olduğu aralıkta kaldı; daha uzun kablolar ise daha derine ankrajlanmış, sıkışmış kayada sağlam bir omurga görevi gördü. Gerçek madendeki bir kuyu kamerası ile yapılan saha gözlemleri bu resmi destekledi: tavanda yalnızca birkaç dairesel çatlak görüldü ve açıklık çevresindeki çoğu kaya sağlam kaldı.

Daha güvenli derin madencilik için ne anlama geliyor

Uzman olmayanlar için ana mesaj şudur: yeni bir galerinin üzerindeki eski işletilmiş damar her zaman bir tehdit değildir; doğru anlaşıldığında aslında baskıyı hafifletebilir ve altındaki açıklığı korumaya yardımcı olabilir. Bu durumda, geniş galerinin üzerindeki goaf düşük gerilimli bir tampon oluşturdu ve çiviler ile kabloların dikkatli tasarımı, galerinin yakınındaki zayıf, kırık katmanların yukarıdaki daha güçlü kayaya bağlanmasını sağladı. Sondaj çekirdekleri, sayısal modelleme, ölçekli laboratuvar modelleri ve sahada kamera kontrollerini birleştirerek çalışma, kaya katmanları ve gerilme yolları titizlikle haritalandığında ve destek gerçek gerilme zonlarına göre biçimlendirildiğinde çok geniş yeraltı galerilerinin bile derin şartlar altında stabil kalabileceğini gösteriyor.

Atıf: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Anahtar kelimeler: yeraltı kömür madenciliği, kaya stabilitesi, galeri destekleme, göçük gerilme azaltması, derin tüneller