Study on the deformation and damage characteristics of the surrounding rock and support countermeasures for the dynamic pressure roadway in deep back mining

Stellen Sie sich vor, Sie graben einen Tunnel tief unter der Erde, weit unter der Oberfläche, wo die Luft kühl und der Fels ruhig ist. Stellen Sie sich nun vor, Sie graben denselben Tunnel, aber diesmal 850 Meter tief, wo die Erde Sie mit dem Gewicht eines Berges zusammendrückt, die Hitze wie in einer Sauna ist und das Gestein sich eher wie weicher Ton als wie harter Stein verhält. Dies ist die Welt der „Drei Höhen und einer Störung“, mit der die Forscher der Qujiang-Kohlemine zu kämpfen haben.

Die Arbeit untersucht einen spezifischen Tunnel (die -850m Fahrstraße), der von oben durch einen Bergbaubetrieb, der direkt über ihm stattfindet, zerquetscht wird. Das Team stellte fest, dass dieser Tunnel nicht auf eine einzige Weise bricht, sondern in zwei sehr unterschiedlichen „Nachbarschaften“, und man benötigt unterschiedliche Werkzeuge, um jedes eine zu reparieren.

Die zwei Nachbarschaften des gebrochenen Gesteins

Die Forscher fanden heraus, dass sich die Schädigung des Tunnels in zwei deutliche Zonen aufteilt, basierend darauf, wo sich die Abbaufront im Verhältnis zum Tunnel befindet.

1. Die „Vorreiter“-Zone (Vordere Störung)
Stellen Sie sich eine riesige, unsichtbare Hand vor, die auf den Tunnel drückt, während die Abbau Maschine gerade dabei ist, über ihn hinwegzufahren. Dies ist die Vordere Störungszone (Dynamischer Druck) Deformationszone.

• Was passiert: Das Dach des Tunnels wird nach unten gedrückt und gleitet zur Seite, wie ein Kartendeck, das von einem Tisch geschoben wird. Die Seiten des Tunnels werden zusammengedrückt und nach innen gefaltet. Der Boden, der aus weichem Tonstein besteht, wird so stark gequetscht, dass er wie ein aufgehender Laib Brot in den Tunnel aufquillt (eine „konvexe“ Form) und manchmal in nur drei Monaten um 60–70 cm anschwillt.
• Die Lösung: Man kann nicht einfach versuchen, diesen Fels mit einer starren Wand zurückzuhalten; sie würde einfach brechen. Stattdessen schlägt die Arbeit eine „Widerstands- und Nachgiebigkeitsstrategie“ vor. Denken Sie an einen Stoßdämpfer bei einem Auto. Zuerst verwendet man eine flexible Stützung (Anker und Netze), die es dem Gestein erlaubt, sich ein wenig zu bewegen, um den Druck abzubauen. Sobald sich das Gestein gesetzt hat, verstärkt man es mit einem starren „U-förmigen Stahlrahmen“ und injiziertestet Mörtel in die Ecken, um alles zu fixieren. Diese Kombination ermöglicht es dem Gestein, ein wenig zu „atmen“, bevor man es fest verankert.

2. Die „Nachwirkende“ Zone (Hintere anhaltende Belastung)
Stellen Sie sich nun vor, die Abbau Maschine ist bereits vorbeigefahren, aber der Druck vom Kohlepfeiler, der zurückgeblieben ist, drückt den Tunnel immer noch von oben zusammen. Dies ist die Hintere anhaltende (Hochdruck) Deformationszone.

• Was was passiert: Das Dach gleitet nicht nur; es beginnt auseinanderzuweichen und bricht nach innen ein, wobei es eine Form bildet, die die Autoren als „Spitzen- oder Pfeiler-Schädigung“ beschreiben, was wie ein zerbrochener Turm aussieht. Der Boden quillt weiter an und erreicht in einigen Abschnitten manchmal 70–120 cm. Die Seiten des Tunnels falten sich nach innen, weil das Gestein so stark gebrochen ist, dass es seine Form nicht halten kann.
• Die Lösung: Hier reicht Flexibilität nicht aus. Das Gestein ist bereits zu stark beschädigt. Die Arbeit schlägt ein „Drei-Anker“-Superteam vor. Dies beinhaltet die Verwendung von drei verschiedenen Arten von Ankern, die zusammenarbeiten: Standardbolzen, lange Stahlkabel und spezielle „Verbundanker“, die Zement in das Gestein pumpen, um die gebrochenen Teile wieder zusammenzukleben. Dies erzeugt einen starken, hochsteifen „Tragering“, der das tiefe, gebrochene Gestein zusammenhält.

Wie sie wussten, dass dies wahr ist

Die Forscher haben nicht nur geraten; sie haben den Tunnel im echten Leben beobachtet und dann ihre Ideen am Computer getesten.

• Das echte Leben: Sie installierten Sensoren an den Bolzen und Kabeln, um die Kraft zu messen, und sie maßen, wie stark sich die Tunnelwände und der Boden bewegten. Sie sahen, dass die Schadensmuster perfekt mit ihrer Zwei-Zonen-Theorie übereinstimmten.
• Computersimulation: Sie bauten ein massives 3D-Modell der Mine mit der Software FLAC3D. Das Modell war 280 m lang, 240 m breit und 100 m hoch. Sie simulierten den Abbauprozess und das Verhalten des Gesteins.
• Das Ergebnis: Als sie ihre neuen „Drei-Anker“- und „Widerstands-Nachgiebigkeits“-Pläne im Computer anwandten, stimmten die Ergebnisse mit den Messungen aus der realen Welt übere‌ایnd. Die Simulationen zeigten, dass die plastische Zone (der Bereich, in dem das Gestein gebrochen ist) von einer riesigen, zusammenhängenden „Schmetterlingsform“ zu kleineren, isolierten Inseln schrumpfte. Die Verschiebung (Bewegung) der Tunnelwände hörte auf zuzunehmen und begann sich zu stabilisieren.

Was sie ausschlossen

Die Arbeit ist sehr deutlich darüber, was nicht funktioniert. Sie argumentieren, dass die Verwendung einer einzigen, standardmäßigen Stützmethode (wie etwa nur mehr Bolzen hinzuzufügen oder nur einen Stahlrahmen zu verwenden) nicht ausreicht. In der tiefen, hochbelasteten Umgebung dieser Mine versagt eine einzige Art der Stützung, weil das Gestein zu komplex ist. Die alte Methode, einfach nur „Beton zu sprühen“ oder eine Standard-Flexible-Stützung ohne die spezifische Zonierungsstrategie zu verwenden, führt dazu, dass Bolzen reißen und Stahlrahmen sich verbiegen. Die Arbeit stellt explizit fest, dass man im vorderen Bereich nicht einfach mit einer starren Wand allen Druck „widerstehen“ kann, noch kann man im hinteren Bereich das Gestein einfach „bewegen lassen“, ohne es zu verstärken.

Das Fazit

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass man, um einen tiefen Minentunnel sicher zu halten, den „vorderen“ und „hinteren“ Teil des Abbaugebiets als zwei verschiedene Probleme behandeln muss.

• Im Vorderen nutzt man einen flexiblen Ansatz, der dem Druck nachgibt, bevor man ihn mit Stahlrahmen fest verankert.
• Im Hinteren nutzt man ein schweres „Drei-Anker“-Team, um das gebrochene Gestein zusammenzukleben.

Die Autoren schlagen vor, dass dieser „zonale“ Ansatz der Schlüssel ist, um zu verhindern, dass der Tunnel einstürzt, und ihre Computermodelle bestätigen, dass diese Strategie funktioniert. Es ist kein magisches Heilmittel für jede Mine der Welt, aber für diese spezifische tiefe, hochbelastete Umgebung scheint es das richtige Rezept zu sein, um zu verhindern, dass das Gestein den Tunnel in einen Haufen Schutt verwandelt.