Kömür kütlesinin kaymasını kontrol etmek için cıvata destek teknolojisinin sayısal analizi ve mühendislik uygulaması

Neden kömür madeni güvenliği hâlâ önemli

Yeraltının derinliklerindeki kömür madenleri evlere ve sanayiye enerji sağlar, ancak şiddetli tehlikeleri de barındırır. En tehlikelilerden biri, kömürü yana doğru itebilen ve tünellere zarar veren ani enerji patlaması olan kömür patlamasıdır. Bu çalışma, yolakların stabil kalması ve madencilerin güvende olması için kömür ile kaya arasına takılan çelik cıvataların montajını yeniden düşünerek bu güçü dizginlemenin pratik bir yolunu inceliyor.

Kayan kömür ve gizli zayıf noktalar

Birçok yüksek gerilimli madende, tünel yanındaki kömür yalnızca ufalanmaz; kömür ve sert kaya arasındaki yüzey boyunca katı bir blok halinde kayabilir. Bu kayma yeraltında depolanmış enerjinin serbest kalmasına yol açar, ekipmanı parçalayabilir ve çalışanları tehdit edebilir. Zayıf halka, bu kömür-kaya arayüzüdür; genellikle güçlü yanal itmelere direnemez. Geleneksel cıvata destekleri esas olarak tavana destek vermek için tasarlanmıştı, bütün kömür plakalarının bu sınır boyunca kaymasını durdurmak için değil.

Sessiz bekçiler olarak cıvatalar

Yazarlar, cıvataların kömür ile kayayı birbirine örecek şekilde nasıl çalıştığına odaklanıyor; böylece ayrılmak yerine birlikte hareket ederler. Arayüzden geçen bir cıvata iki şekilde iş görür. Birincisi, yüzeyleri birbirine bastırarak sürtünmeyi artırır ve kaymayı zorlaştırır. İkincisi, kömür hareket etmeye çalıştığında cıvata bükülür ve uzar, kaymaya karşı direnç oluşturan bir kuvvet biriktirir ve yükü tünelin etrafındaki daha güçlü kayanın içine dağıtır. Temel soru, bu cıvataların açısının onları güvenli şekilde çekme gerilmesine sokup sokmadığı veya kesme kuvvetleriyle kesilip kesilmediğini nasıl kontrol ettiğidir.

Cıvata açılarına ilişkin sanal testler

Bunu araştırmak için ekip, tek bir cıvata ile birleştirilmiş kömür ve kayanın bir diliminin ayrıntılı üç boyutlu bilgisayar modelini oluşturdu. Sayısal simülasyon yazılımı kullanarak kömürü yana bastırdılar ve cıvatanın 30, 45, 60 ve 90 derece olmak üzere dört açıda nasıl davrandığını izlediler. 30 ve 45 derecede cıvata uzunluğu boyunca gerildi, ortası inceldi ve klasik bir çekme kırılması ile sonlandı. 60 ve 90 derecede ise cıvata keskin şekilde büküldü ve düz bir düzlem boyunca kırıldı; bu, cıvatanın çekilmek yerine kesme ile tahrip olduğunu gösterir.

Güç ve enerji için uygun açının bulunması

Simülasyonlar, cıvatalar ağırlıklı olarak gerilmede olduğunda daha yumuşak şekilde kırıldıklarını ve daha yüksek yük taşıdıklarını gösterdi. 30 ve özellikle 45 derecede cıvatalar daha yüksek maksimum kuvvetlere ulaştı ve kırılmadan önce daha fazla güvenli uzama gösterdi. Ayrıca daha fazla deformasyon enerjisi absorbe ettiler; bu, ani zemin hareketlerinin etkisini daha iyi söndürebildikleri anlamına gelir. Daha dik açılarda cıvatalar daha az yük taşıdı, kırılmadan önce daha az deformasyon gösterdi ve ani kayma ile daha savunmasız oldu. Bu, kömür kaymasına karşı koymada geometrinin ve mukavemetin en uygun uzlaşması olarak 45 dereceyi işaret etti.

Tasarımın gerçek bir madende uygulanması

Araştırmacılar daha sonra tasarımlarını Çin’de derin bir kömür madeninde test etti. Bir dönüş havası yolunun bir bölümünde mevcut destek sistemi korundu. Benzer jeolojiye sahip yakındaki bir bölümde yan duvar desenini değiştirdiler: üst sıra cıvatalar 45 dereceye yatırıldı ve üstteki ve alttaki daha sağlam tabakalara ankrajlanan daha uzun kablolarla birleştirildi. Yol açma ve sonraki kömür üretimi döngüsü boyunca tavan çökmeleri, yan duvar hareketleri ve tavandaki ayrılma katmanlarını izleyerek kaya kütlesinin nasıl yanıt verdiğini takip ettiler.

Daha az hareketle daha güvenli tüneller

Ölçümler, optimize edilmiş desteğin stabiliteyi net şekilde iyileştirdiğini gösterdi. Açma sırasında, test bölümünde tavan kapanması daha küçüktü ve tavan katmanları arasındaki ayrılma düşük kaldı. İyileştirilmiş bölümde yan duvar hareketi eski tasarıma göre yaklaşık %28,6 azaldı. Madencilik başladıktan ve gerilmeler daha da arttıktan sonra, optimize edilmiş yolakta yan duvar yer değiştirmesi konvansiyonel desteğin yaklaşık yarısı kadardı ve daha derindeki noktalardaki tavan ayrışması çok daha yavaş arttı. Bu bulgular, doğru açılı cıvataların iyi konumlandırılmış kablolarla desteklendiğinde kömür ile kayayı etkili şekilde kelepçeleyip büyük ölçekli kayma olaylarını sınırlayabileceğini öne sürüyor.

Madencilik güvenliği için bunun anlamı

Okuyucu için mesaj açık. Cıvataları eğerek onların kesilmek yerine çekilmesini sağlayarak aynı donanımdan daha fazla mukavemet ve enerji sönümlemesi elde edilebilir; böylece kömür-kaya temasını zayıf bir kayma yüzeyinden kilitli bir ekleme dönüştürmek mümkün olur. Çalışma 45 dereceyi pratik bir hedef açı olarak işaret ediyor ve sahada bu düzenin yüksek gerilimli bir madende tünel deformasyonunu azalttığını gösteriyor. Diğer tür kaya patlamaları için daha fazla çalışma gerekse de, yaklaşım kayan kömür patlamalarının endişe yarattığı yeraltı yolları için daha güvenli bir yola net bir işaret sunuyor.

Atıf: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

Anahtar kelimeler: kömür patlaması, kayma cıvataları, galeri destekleme, sayısal simülasyon, maden stabilitesi