Su zengini yumuşak kaya tünel tabanındaki büyük şekil değiştirme ve başarısızlık mekanizması üzerine çalışma

Tünel tabanlarının aniden yükselmesinin nedenleri

Kömür madenlerindeki derin yeraltı tünellerinin kararlı kalması, işçilerin güvenliği ve ekipman akışı için hayati önemdedir. Bazı ocaklarda tünel tabanı yavaşça yukarı doğru şişer, rayları büker ve destek çerçevelerinde çatlaklar oluşturur. Bu çalışma, tünelin zayıf, suya doymuş kayalar içinden geçtiği Çin’deki bir kömür madenindeki bu tür bir sorunu inceliyor. Araştırmacılar, tabanın birkaç metre yükselmesinin nedenini anlamayı ve yeni bir destek yönteminin bunun yeniden oluşmasını nasıl engelleyebileceğini belirlemeyi amaçladı.

Yeraltında sorunlu bir tünel

Ekip, Shandong’daki Hongqi Kömür Madeni’nin kuzey kanat ana yoluna odaklandı. Yaklaşık dört metre genişlik ve yükseklikteki bu taşıma tüneli, yumuşak bir silt taşı (marn/mudstone) tabakasından geçirilmiş olup tabanın altında basınçlı yeraltı suyuyla dolu bir kireçtaşı katmanı yer alıyor. Sahada yapılan kontroller, tünellerin birleştiği noktalarda yoğun su sızıntısı olduğunu ve su kaynağına yakın tünel tabanının 2,5 metreye kadar yükseldiğini gösterdi. Çelik raylar S şeklinde bükülmüş, beton kaplamalarda çatlaklar oluşmuş ve duvardaki ankrajlar kopmuş; bu da tünel çevresindeki kayanın şeklini koruyamadığını ortaya koydu.

Su içinde dağılan yumuşak kaya

Tabanın neden bu kadar savunmasız olduğunu anlamak için araştırmacılar tünel tabanından alınan silt taşı örneklerini test ettiler. Örneklerin yüksek oranda kil mineralleri içerdiği, bu minerallerin suyu çekip ıslandığında şiştiği ve zayıfladığı bulundu. Mikroskop altında kaya gözenekli ve gevşek bağlanmış görünüyordu; çok sayıda küçük taneler ve zayıf bağlayıcılar vardı. Basit suya daldırma testlerinde silt taşı parçaları su altında yalnızca bir dakika sonra parçalanmaya başladı ve daha fazla su emdikçe dağılmaya devam etti. Bu sonuçlar, kayanın yalnızca yumuşak olmadığını, aynı zamanda su tarafından kolayca hasara uğradığını ve özellikle şişme ve dayanım kaybına eğilimli olduğunu gösterdi.

Su basıncının tabanı yukarı ittiğini gösteren bilgisayar modelleri

Ardından ekip, tüneli ve çevresindeki kaya katmanlarını üç boyutlu bir bilgisayar modelinde kurdu. Tabanın altındaki derin kireçtaşı katmanındaki farklı su basınçlarını, kuru koşullardan ölçülen yüksek basınca kadar simüle ettiler. Model, tünel örtüsü ve tabanın ne kadar hareket ettiğini ve çevresindeki kayanın dayanım sınırının ne kadar ötesine itildiğini izledi. Kuru koşullarda taban yalnızca hafifçe yükseliyor ve hasar sığ kalıyordu. Yeraltındaki gerçek basınca çıkarıldığında, simülasyonda taban kabarması yaklaşık 2,5 metreye ulaştı ve taban altındaki hasarlı kaya zonu altı metreden fazla derinleşirken örtü neredeyse hiç hareket etmedi. Bu, alttan gelen su basıncının, zaten zayıf olan silt taşı üzerinde etkili olarak taban hasarının başlıca sürükleyicisi olduğunu gösterdi.

Tabanın nasıl çöktüğüne dair basit bir mekanik resim

Toprak basıncı teorisinden yararlanarak araştırmacılar tabanın nasıl hareket ettiğine dair mekanik bir şema çizdiler. Tabana, sızma nedeniyle zayıflamış sığ bir zon ve basınçlı akiferden güçlü biçimde etkilenen daha derin bir zon olarak ikiye ayrıldı. Bu şemada, tünel tabanının her iki yanındaki yumuşamış kaya blokları, örtü kayanın ağırlığı ve yukarı doğru uygulanan su itişinin birleşik etkisiyle içe ve yukarı doğru sıkışıyor. Hesaplamaları, kritik başarısızlık derinliğinin yaklaşık 4,5 metreye ulaştığını gösterdi. Basitçe söylemek gerekirse, tünel tabanı altındaki yumuşamış kalın bir kaya dilimi yukarı ve içe doğru itilerek tabanın tünel boşluğuna doğru kabarmasına yol açıyor.

Suya karşı katmanlı bir destek sistemi

Bu anlayışa dayanarak ekip, iki derinlik zonuna göre uyarlanmış yeni bir destek sistemi tasarladı. Sığ zon için gevşek kayayı bağlamak ve çatlakları mühürlemek üzere daha kısa enjeksiyonlu ankrajlar yerleştirildi. Daha derin zon için ise su basıncının en yüksek olduğu yerde hareketi sınırlamak ve daha sağlam kayaya tutunmak amacıyla uzun enjeksiyonlu çelik-çelik kablo ankrajları kullanıldı. Tünel tabanına bir ters beton kemer inşa edildi ve duvar boyunca U şeklindeki çelik desteklerle birleştirildi; böylece tüm kaplama, alttan gelen sıkışmaya karşı daha iyi direnç gösteren kapalı bir halka hâline getirildi. Bu tasarım, yeraltı suyu ile en zayıf silt taşı arasındaki doğrudan temasın kesilmesini ve yüklerin daha eşit paylaşılmasını hedefliyor.

Kabarmadan kontrollü harekete

Yeni destek şeması, aynı tür kaya ve su koşullarına sahip yakınlardaki bir bağlantı tünelinde uygulandı. İki aylık izleme süresince örtü çökmeleri ve duvar hareketleri küçük kaldı ve taban yalnızca 33 milimetre yükselip stabilize oldu; önceki durumda görüldüğü gibi metrelerle ifade edilen yükselmeler yaşanmadı. Uzman olmayanlar için ana mesaj şudur: Yeraltı suyunun kayaçları nasıl zayıflattığını ve basınçlı suyun tünel tabanlarına nasıl itme uyguladığını anlamak, derin madenlerde tehlikeli zemin hareketlerini büyük ölçüde azaltabilecek hedefe yönelik, katmanlı destek çözümlerine yol açabilir.

Atıf: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Anahtar kelimeler: taban kabarması, yumuşak kaya, yeraltı suyu, tünel destekleme, kömür madeni