Zayıf galeriler için çok ölçekli modelleme ve duyarlılık analizi: Xiaoyun kömür ocağı üzerine bir vaka çalışması

Derin maden galerilerinin önemi

Yerin çok derinlerinde, kömür ocağı galerileri ağır basınçlar altında sıkışmış kayadan insanlar, ekipman ve temiz havayı güvenle taşımak zorundadır. Çevreleyen kayanın bazı bölümleri daha zayıf veya yeterince desteklenmemişse galeriler deformasyona uğrayabilir, çatlayabilir veya çökebilir; bu da hem can güvenliğini hem üretimi tehdit eder. Bu çalışma Çin’deki bir kömür ocağındaki bu tür zayıf bir alanı inceliyor ve bilgisayar modellemesini yeraltı ölçümleriyle birleştirmenin hangi destek seçimlerinin en önemli olduğunu ve derin galerileri uzun vadede nasıl stabil tutacağını nasıl ortaya koyduğunu gösteriyor.

Galeri etrafındaki gizli zayıf noktalar

Yazarlar, hasarın ilk başladığı ve deformasyonun en hızlı büyüdüğü maden yolunun—yani galerinin—etrafındaki “zayıf zonlara” odaklanıyor. Bu zayıf zonlar, doğal kaya tabakaları, örtü toprağın oluşturduğu gerilmeler ve insan yapımı desteklerin uyumsuz olduğu yerlerde ortaya çıkar. Ekip bunları üç pratik tipe ayırıyor. Yapısal zayıf zonlar, yataklanma ve eklemler gibi kayadaki önceden var olan düzlemleri takip eder; bu düzlemler kayabilir veya açılabilir. Gerilme tipi zayıf zonlar, duvar ile tavan köşeleri gibi kayacın yoğun şekilde sıkıştığı bölgelerde oluşur. Destek uyumsuzluğu zonları ise destek sisteminin çok seyrek veya çok yumuşak olduğu, civata aralarındaki kaya ceplerinin kabarmasına veya ayrılmasına izin verdiği durumlarda ortaya çıkar.

Basit modelllerden ayrıntılı simülasyonlara

Bu zayıf zonların nasıl çöktüğünü anlamak için araştırmacılar önce tavan ve yan duvarlar için basitleştirilmiş mekanik modeller kullanıyor. Xiaoyun Kömür Ocağı galerisi için 800 metrelik derinlikte, kaya tavanının kendi ağırlığı ve madencilik kaynaklı ek gerilmeler altında burkulma riskiyle karşı karşıya olduğunu ve yan duvarların sağlam kaya ezilmediği hâlde zayıf düzlemler boyunca kaymaya başlayabileceğini gösteriyorlar. Bunun üzerine çevre kayanın daha ayrıntılı bir “çok ölçekli” sayısal modelini kuruyorlar. Galleriden uzak bölgelerde kaya nispeten bozulmamış, elastik bir blok olarak işlenirken; galeriye yakın alanlarda model, çatlak oluşumunu, plastik (kalıcı) deformasyonu ve açığın etrafındaki hasar zonlarının büyümesini yakalamak için daha ince bir ağla yakınlaştırma yapıyor.

Hangi destek seçimlerinin en çok fark yarattığını test etmek

Bu sanal maden ortamında ekip, beş yaygın destek parametresini sistematik olarak değiştiriyor: civataların yerleştirilme aralığı, uzunluk ve kalınlıkları, kaç tane takviye kablosu kurulacağı ve kablo sıraları arasındaki mesafe. Bir “ortogonal” deney tasarımı birçok kombinasyonu verimli biçimde keşfetmelerini sağlarken; sıra analizi ve varyans analizi gibi istatistiksel araçlar tavan çökmesi ve duvar yakınlaşması üzerinde en büyük etkiye sahip parametreleri ortaya koyuyor. Öne çıkan sonuç, civata aralığının diğer tüm faktörlere baskın olması. Aralığı sıkılaştırmak, plastik, hasarlı zonun kayaya doğru ne kadar derinleşeceğini güçlü biçimde sınırlıyor; oysa tek tek civataları sadece daha uzun veya daha kalın yapmak göreli olarak sınırlı kazanç sağlıyor. Uzun kabloların sayısı önemli ama ikincil; esas olarak daha derin tavan stabilitesi için etkili.

Daha güçlü ama pratik bir destek sistemi tasarlamak

Bu bulgular rehberliğinde yazarlar, gerçek galeri için üç destek şeması tasarlayıp modelliyorlar. Temel şema madenin orijinal, orta yoğunluktaki destek düzenini temsil ediyor. İkinci şema sadece civata aralığını ayarlayarak civata yoğunluğunu artırıyor. Üçüncü, “sinerjik” şema ise çeper boyunca yakından yerleştirilmiş, biraz yükseltilmiş civataları daha fazla sayıda ve daha derin kablolarla birleştiriyor. Simülasyonlar, yalnızca daha sık civataların yardımcı olduğunu, ancak birleşik şemanın en iyi performansı sergilediğini gösteriyor: gerilmeleri daha eşit dağıtıyor, tepe gerilmeleri yaklaşık %14 oranında düşürüyor ve yoğun şekilde hasar görmüş kayanın derinliğini yaklaşık 2,5 metreden 1,5 metreye kadar küçültüyor—yaklaşık %40 azalma. Etkide civatalar yüzeysel kayayı sağlam bir kabuk halinde örerken, kablolar bu kabuğu daha güçlü, daha derin kayadan asıyor.

Saha ölçümlerinden kanıt

Modelin gerçeği yansıtıp yansıtmadığını kontrol etmek için araştırmacılar, galeriye aletler kurarak kazıdan sonraki bir ay boyunca tavan hareketini ve duvar yakınlaşmasını izliyor. Ölçülen deformasyonlar simülasyonların öngördüğü üç aşamayı takip ediyor: hızlı bir erken ayarlanma, destek sistemi tam devreye girerken daha yavaş bir geçiş ve nihayet hareketin neredeyse durduğu stabil bir aşama. Optimum destekle son tavan çökmesi yaklaşık 32 milimetre, duvar yakınlaşması ise yaklaşık 23 milimetre civarında—bu derinlik için küçük değerler. Saha verileri ve model tahminleri yakından uyum gösteriyor; bu da yeni tasarımın zayıf zonları etkili biçimde sınırladığını ve uzun vadeli, stabil bir geçiş sağladığını düşündürüyor.

Daha güvenli madencilik için çıkarımlar

Açıkça söylemek gerekirse, çalışma derin, yumuşak kaya galerilerinde kullanılan civata sayısının ve onların aralığının, tek tek civatanın boyutundan daha önemli olabileceğini gösteriyor. Kayayı ve desteği tek bir sistem olarak ele alıp çok ölçekli modelleme ile saha izlemeyi birleştirerek yazarlar pratik bir reçete sunuyor: sürekli koruyucu bir kabuk oluşturmak için yüzeysel olarak yoğun civatalama ve bunu daha güçlü, derin kablolarla destekleme. Bu kombinasyon yalnızca incelenen Xiaoyun Kömür Ocağı galerisi için güvenliği artırmakla kalmıyor, benzer koşullara sahip diğer derin ocaklarda daha güvenilir ve maliyet-etkin destek sistemleri tasarlamaya yönelik niceliksel bir kılavuz sunuyor.

Atıf: Tian, Z., Ma, L., Liu, Y. et al. Multi-scale modeling and sensitivity analysis for weak roadway areas: A case study of Xiaoyun coal mine. Sci Rep 16, 11658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48033-0

Anahtar kelimeler: derin kömür ocağı galerisi, kayac destek civataları, zayıf bölge stabilitesi, sayısal modelleme, zemin kontrolü