Yüksek gerilmeler altında ekstra kalın kömür damarlarındaki galerilerde asimetrik taban kabarmasının mekanizması ve kontrol stratejileri

Maden tabanının bazen aniden neden yükseldiği

Yerin derinliklerinde, kömür madenleri insanları, havayı ve kömürü taşımak için uzun galerilere dayanır. Çin’deki ekstra kalın kömür damarlarından bazılarında, bu tünellerin kaya tabanı yarım metre kadar aniden yukarı doğru kabararak ekipmanları sıkıştırabilir ve işçileri tehlikeye atabilir. Bu çalışma, çok yüksek gerilmeler altında bu düzensiz “taban kabarması”nın neden ortaya çıktığını ve nasıl önlenebileceğini, Caojiatan Kömür Ocağı’ndaki gerçek bir çalışma yüzünü tam ölçekli doğal laboratuvar olarak kullanarak inceliyor.

Kalın bir kömür damarının altında neler olur

İncelenen ocakta, kömür katmanı on metreden fazla kalınlıkta ve yüzeyin birkaç yüz metre altında yer alıyor. Bu kadar büyük bir kömür dilimi çıkarıldığında, işletilmiş alanın üzerinde geniş bir boşluk ya da göç bölgesi (goaf) oluşur. Kömürün hemen üstündeki ince kayaçlar çöker, ancak bu boşluğu tamamen doldurmazlar. Daha yüksekteki, daha kalın kaya tabakaları büyük bloklar halinde kopar, bükülür, döner ve düzensiz biçimde üst üste yığılır. Çatıya destek amacıyla bırakılan koruyucu kömür bloğu (payanda) tarafında bu bloklar basamaklı, eğik bir yapı oluşturur. Karşı tarafta, kömürün devam ettiği bölgede üstteki kaya daha düzenli kalır. Bu düzensiz çatı yapısı, tünel çevresinde ve içinde son derece dengesiz kuvvetlerin kaynağı hâline gelir.

Galeri tabanının düzensiz sıkışması

Yazarlar, tünelin madencilik ilerledikçe nasıl şekillendiğini izlemek için yeraltı ölçümleri, bilgisayar simülasyonları ve mekanik modellemeyi birleştirdiler. Tabanın çökmesinin çatı çökmesinden çok daha fazla olduğunu ve bu kabarmanın güçlü biçimde tek taraflı olduğunu buldular: çatlaklar ve kabarmalar sağlam kömür tarafında başlar ve payanda tarafına doğru yayılır. Galeri duvarlarına yerleştirilen enstrümanlar, yüz ilerledikçe payanda yanındaki kayanın sağlam kömür tarafındaki kayadan çok daha fazla sıkıştığını gösterdi. Yüzün yaklaşık 60 metre gerisinde, payanda tarafındaki gerilme yüzde 20’den fazla daha yüksek oluyor. Aynı zamanda, maksimum taban kabarması yaklaşık 47 santimetreye ulaşır ve en yüksek nokta galerinin sağlam kömür tarafına doğru belirgin biçimde kayar.

Eğik kuvvetlerin kayayı nasıl yeniden şekillendirdiği

Bu davranışı açıklamak için araştırmacılar, kırılmış çatı kirişlerinin kömürü ve tabanı nasıl aşağıya doğru bastırdığını mekanik olarak modellediler. Payanda üstünde, alçakta kalan bloklar basamaklı bir kiriş oluşturur ve güçlü bir aşağı yönlü itme uygular; daha yüksek bloklar ise menteşeli bir kemer gibi davranarak daha fazla yükü bu basamaklı yapıya aktarır. Bu “alçak seviyeli basamaklı + yüksek seviyeli menteşeli” sistem fazla ağırlığı payandaya ve oradan da altındaki tabana yönlendirir. Buna karşın galeri merkezi, kazıdan sonra düşük basınçlı bir cep hâline gelir. Sonuç, taban boyunca payanda altında yüksek ve galeri altında düşük basınçlı, eğik bir gerilme eğimidir—payanda altında yüksek basınç ve galerinin altında düşük basınç biçiminde eğilmiş bir enerji tepesi gibi.

Yüksek basınçtan tek taraflı taban kabarmasına

Bu eğik gerilme alanı altında, taban kayası çok sert, yavaş hareket eden bir macun gibi davranır. Payandan derinlerde, kaya tünele doğru çapraz bir yörünge boyunca ezilir ve kesilir. Yüksek gerilmeli payanda tarafı ile rahatlamış galeri merkezi arasındaki basınç farkıyla yönlendirilen bu hasarlı kaya, zamanla galerinin altındaki serbest boşluğa doğru yukarı doğru sıkışır. Ancak payanda tarafı ağır örtü kayalar tarafından sıkıca sınırlanır, bu nedenle gözle görülen kabarmanın çoğu daha az sınırlı olan sağlam kömür tarafında ortaya çıkar. Sonuç tipik bir örüntüdür: payanda kenarında çökme ve yoğun çatlaklanma ile galerinin karşı duvarına doğru kaymış bir taban kubbesi.

Tabanı kontrol altında tutmanın yolları

Bu anlayışa dayanarak, yazarlar üç adımlı bir önleme stratejisi öneriyor. Birincisi, payanda tarafındaki çatmadan önce çatıyı kesip önceden çatlatmayı tavsiye ediyorlar; böylece kaya kirişleri kısalır ve aktarabilecekleri kuvvet azalır. İkincisi, ana gerilme yolunu payandadan galeri tabanına kesmek için özellikle payanda tarafında kaburgalara yakın tabana yarıklar açılmasını öneriyorlar. Üçüncüsü, tabanı güçlendirmek amacıyla kasten dengesiz, daha güçlü bir destek tasarlıyorlar: kırılmış yüzey katmanlarını daha derindeki, daha stabil kayaya bağlamak için sağlam kömür tarafında daha uzun ve daha güçlü ankrajlar kullanmak. Bu önlemler birlikte tahrik eden basıncı azaltmayı, onun yolunu kesmeyi ve tabanı kabarmaya en yatkın olduğu yerde güçlendirmeyi hedefler.

Daha güvenli madencilik için bunun anlamı

Çalışma, kalın damar madenlerinde aşırı, tek taraflı taban kabarmasının yalnızca zayıf kaya meselesi olmadığını, aynı zamanda payanda üstündeki kırılmış çatı katmanlarının yükü tabana nasıl odakladığıyla ilgili olduğunu gösteriyor. Bu gizli yük yolunu açığa çıkarıp onu gerçek dünya ölçümleriyle ilişkilendirerek, çalışma maden mühendislerine galerileri açık tutmak için daha net bir reçete sunuyor: çatı yapısını ele alın, gerilme zincirini kırın ve tabanı asimetrik olarak güçlendirin. Bu “kaynak‑yol‑yapı” yaklaşamasının uygulanması, ekstra kalın damarlarda yüksek gerilmeler altında daha güvenli, daha stabil galerilerin sürdürülmesine yardımcı olabilir.

Atıf: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Anahtar kelimeler: maden ocağı galerisi, taban kabarması, kaya mekaniği, zemin kontrolü, kalın kömür damarı