Kömür–kaya kompozit tavan için katmanlı enjeksiyon güçlendirme teknolojisi: model deneylerine dayalı bir iyileştirme sistemi

Yeraltında galerileri güvenli tutmak

Kömür madenleri derinleştikçe, insanları, havayı ve ekipmanı taşıyan galeriler ağır, kırılmış kaya tabakalarının altından geçmek zorunda kalır. Bu galerilerin üzerindeki kaya tavanı çökmeye veya çökmeye başladığında hem güvenlik hem de üretim tehlikeye girer. Bu çalışma, zayıf katmanları aşamalı olarak "yapıştırarak" birleştirmenin yeni bir yolunu inceliyor; böylece maden tavanı tekrar güvenle yük taşıyabilir ve galerileri uzun vadede açık tutabilir.

Derin maden tavanlarını ayakta tutmanın zorluğu

Burada incelenen Çin ocağında galeri tavanı tek bir sağlam plaka değil, bir yığın katmandır: alt kısımda yumuşak, çatlamış kömür; hemen üstünde daha zayıf şeyl; daha yukarıda ise daha güçlü kumtaşı. Zamanla ve büyük basınç altında, alt katmanlar parçalanır ve üzerlerindeki yükü daha sağlam kayanın üzerine iletemez hale gelir. Çelik ankrajlar ve kablolar gibi geleneksel destekler gevşek, dökülen kayanın içinde çalışmak zorunda kalır, tavan yine çöker, çatlar ve bazen parçalar galerinin içine düşer.

Katmanlı “enjeksiyon ve dikme” fikri

Araştırmacılar tavanda iki bölge halinde uygulanan katmanlı bir enjeksiyon yöntemi öneriyor. Önce, yüzeydeki, ciddi şekilde parçalanmış kömür ve şeyl içinde yerleştirilen kısa ankraj çevresine sıvı karışım enjekte ediliyor. Bu karışım sertleştikçe, gevşek parçaları bir araya bağlayıp galerinin üzerinde birincil bir kiriş gibi davranan daha güçlü bir bant oluşturuyor. Ardından, daha uzun kablolar daha derindeki, daha sağlam kumtaşına ulaşır ve oraya da harç enjekte edilir. Bu şekilde yeni güçlendirilmiş yüzeysel bant, üstteki stabil kaya ile sağlam şekilde dikilir; izole destek yamaları yerine istiflenmiş, birlikte çalışan bir yapı oluşturulur.

Küçültülmüş bir modelde fikri test etmek

Bu şemanın tavan davranışını nasıl değiştirdiğini anlamak için ekip, gerçek jeolojiyi ve galeriyi elliye bir oranında küçülten fiziksel bir model inşa etti. Her kaya katmanının dayanımını taklit etmek için kum, çimento ve alçıdan dikkatle seçilmiş karışımlar kullandılar ve modele iki özdeş galeri kestiler. Bir galeride orijinal destek tasarımı kullanıldı, diğerine ise katmanlı enjeksiyon eklendi. Kontrollü yükleme altında kameralar tavan ve duvar hareketlerini takip etti, sensörler gerilimi ölçtü ve küçük titreşim dedektörleri model sıkıştırılırken içindeki küçük çatlama olaylarını dinledi.

Güçlendirilmiş tavanda neler değişti

İki galeri arasındaki farklar çarpıcıydı. İşlem görmeyen durumda tavan hareketinin çoğu yüzeysel katmanlarda meydana geldi, çatlaklar birleşti ve galeri üzerindeki tavan bloklara ayrıldı. Gerilimler düzensiz şekilde yukarı kaydı ve daha güçlü çatlama olayları kaydedildi. Katmanlı enjeksiyonla tavan oturması modelde yaklaşık sekiz buçuk birimden yalnızca ikiye düştü ve çatlamalar kırılmış bir bant oluşturmak yerine dağınık ve ince kaldı. Gerilimler daha dengeli hale geldi; enjeksiyonlu yüzeysel katmanlar artık derindeki kumtaşı ile yük paylaşabiliyordu, galeri tabanı ve duvarları ise kabul edilebilir hareket sınırları içinde kaldı.

Çalışan bir maden sahasında doğrulama

Ekip daha sonra aynı destek kavramını Shuiliandong Kömür Ocağı’ndaki gerçek bir galeride uyguladı. Orijinal destek kullanılan bir kesit ile yakınında katmanlı enjeksiyon uygulanan bir kesit karşılaştırıldı. Orijinal kesitte yan duvarlar 40 santimetreden fazla içe sıkıştı ve tavan ile taban birbirine 50 santimetreden fazla yaklaşarak tavan çöküşleri ve kırılmış ankrajlar rapor edildi. Enjekte edilen kesitte yan duvar hareketi yaklaşık yarıya indi ve tavan–taban kapanması yalnızca yaklaşık on iki santimetreye düştü. Desteklenen tavan sağlam kaldı, ankrajlar ve kablolar beklenen şekilde çalışmaya devam etti ve devam eden bakım çok daha hafif oldu.

Daha güvenli madencilik için ne anlama geliyor

Uzman olmayanlar için ana mesaj, çalışmanın katmanlar halinde dikkatle hedeflenmiş sertleşen malzeme "enjeksiyonunun", galerinin üzerindeki dökülen kaya yığınının işbirliği yapan kirişlere dönüştürülebileceğini göstermesidir. Sadece daha fazla çelik eklemek yerine yöntem, yükün zayıf katmanlardan sağlam olanlara iletilme biçimini onarıyor. Bu durumda tavan çökmesi, çatlama ve yeraltı hareketini büyük ölçüde azalttı. Bu, derin kömür galerilerini seyahat için daha güvenli ve bakımını daha ucuz hale getirir ve karışık, kırık kayadan açılan diğer tünellerin stabilize edilmesine yönelik pratik bir kılavuz sunar.

Atıf: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

Anahtar kelimeler: kömür madeni galerisi, tavan güçlendirme, enjeksiyon harcı, yeraltı stabilitesi, kaya mekaniği