Design and field response analysis of double-sided staged hydraulic fracturing in gob-side entry under multi-layer hard roof condition

Tief unter der Erde, wo Kohle abgebaut wird, führt das Gestein über der Mine einen ständigen Kampf. Wenn eine Kohleschicht entfernt wird, müssen sich die schweren Gesteinsschichten, die einst darauf ruhten, einen neuen Weg finden, um sich zu setzen. In vielen Minen bestehen diese oberen Schichten aus dickem, hartem Gestein, das sich nicht leicht zerbrechen lässt. Anstatt in den leeren Raum zu zerbröckeln, der durch die Kohle entstanden ist, hängt dieses harte Dach schwebend wie eine schwere Decke, die sich weigert zu fallen. Mit der Zeit drückt das Gewicht dieses hängenden Gesteins auf die engen Tunnel, die für den Transport von Ausrüstung und Menschen zurückgeblieben sind. Dieser Druck führt dazu, dass sich die Tunnelwände nach innen zusammenpressen und der Boden nach oben aufquillt, was die Gefahr birgt, den Durchgang zu zerquetschen und den Betrieb zu stoppen. Ingenieure suchen seit langem nach Wegen, diesen Druck zu bewältigen, oft indem sie den Tunnel verstärken oder versuchen, das Gestein zu brechen, bevor es zur Gefahr wird. Die Herausforderung besteht darin, genau zu wissen, welche Gesteinsschicht die meisten Probleme verursacht und wo man die Kraft ansetzen muss, um sie sicher zu brechen.

In der Limin-Kohlemine in China standen Forscher vor einer komplexen Version dieses Problems. Die Mine extrahierte einen neuen Abschnitt Kohle neben einem Bereich, der bereits abgebaute war. Dies hinterließ einen schmalen Kohlestreifen, der als Pfeiler zwischen dem aktiven Tunnel und dem leeren Raum fungierte, ein Aufbau, der als Gob-Side-Eintrag bekannt ist. Über diesem Tunnel waren die Gesteinsschichten nicht einheitlich; sie bestanden aus mehreren harten Schichten, einige dick und einige dünn, die alle übereinander gestapelt waren. Die Ingenieure mussten bestimmen, welche dieser Schichten das meiste Gewicht trugen und den Tunnel deformierten. Sie mussten auch genau herausfinden, wohin sie Löcher bohren mussten, um das Gestein zu schwächen, ohne einen plötzlichen, gefährlichen Einsturz zu verursachen. Um dies zu lösen, entwarf ein Team der Technischen Universität Liaoning einen Plan, um Wasserdruck zu nutzen, um das Gestein kontrolliert und stufenweise zu brechen, wobei sie ihre Theorie im Feld testeten, um zu sehen, ob es den Bodendruck beruhigen konnte.

Die Forscher begannen damit, die Gesteinsschichten über der Mine zu analysieren, indem sie sie wie einen einzigen, dicken Balken behandelten, der das Gewicht verteilt. Sie berechneten, wie die Last unter den verschiedenen Schichten verteilt wurde, um die drei kritischsten zu identifizieren. Ihre Analyse deutete auf eine Schicht aus grobem Sandstein direkt über der Kohle, eine Schicht aus Siltstein weiter oben und eine weitere dicke Sandsteinschicht noch höher hinauf. Diese drei Schichten waren die Hauptverursacher, die das Gewicht des Berges darüber hielten. Das Team stellte jedoch fest, dass diese Schichten nicht alle an derselben Stelle nach unten drückten. Die unteren Schichten konzentrierten ihr Gewicht direkt neben dem Tunnel, während die höchste der drei Schichten ihr Gewicht etwas weiter weg, in Richtung des leeren Raums der alten Mine, verlagerte. Dieser Unterschied bedeutete, dass ein einzener Ansatz nicht funktionieren würde; sie benötigten eine Strategie, die gleichzeitig verschiedene Höhen und verschiedene horizontale Positionen ansprechen konnte.

Um ihre Idee zu testen, erstellte das Team eine detaillierte Computersimulation der Mine und des umliegenden Gesteins. Sie modellierten den Abbau der Kohle und die Bewegung der Gesteinsschichten, um zu sehen, wie sich die Spannung in verschiedenen Bereichen aufbaute. Die Simulation bestätigte ihren Verdacht: Die Spannungsspitzen für die unteren Schichten lagen tatsächlich direkt neben dem Tunnel, während der Spitzenwert für die höchste Zielschicht in Richtung der alten Mine verschoben war. Diese Erkenntnis ermöglichte es ihnen, ein spezifisches Bohrverfahren zu entwerfen. Sie entschieden sich, auf beiden Seiten des Tunnels zwei Arten von Löchern zu bohren: kurze Löcher, die auf die untere Gesteinsschicht abzielen, und lange Löcher, die bis zu den höheren Schichten reichen. Durch das Staffeln dieser Löcher und das Bearbeiten in Abschnitten konnten sie das Gestein präzise und schrittweise schwächen. Der Plan sah vor, Löcher in die feste Gesteinswand und den schmalen Kohlepfeiler zu bohren und dann Hochdruckwasser zu verwenden, um das Gestein in isolierten Segmenten zu brechen, beginnend am Boden des Lochs und sich den Weg nach oben arbeitend.

Das Team setzte diesen Plan in einem 100 Meter langen Tunnelabschnitt um und bohrte insgesamt sechsunddreißig Löcher. Sie verwendeten ein spezielles Werkzeug, um kleine Abschnitte jedes Lochs abzuschließen und Wasser mit hohem Druck einzuspritzen, um Risse im Gestein zu erzeugen. Dieser Prozess wurde für jeden Abschnitt jedes Lochs wiederholt, um sicherzustellen, dass das Gestein über seine gesamte Länge geschwächt wurde. Während der Arbeit installierten sie ein Netzwerk von Sensoren, um zu beobachten, was geschah. Sie platzierten Instrumente, um zu messen, wie stark sich die Tunnelwände bewegten, überwachten den Druck auf die hydraulischen Stützen, die das Dach hielten, und hörten auf die winzigen Geräusche des brechenden Gesteins tief unter der Erde. Sie verglichen diesen behandelten Abschnitt mit einem unbehandelten Abschnitt des Tunnels, der früher abgebaut worden war, um zu sehen, welchen Unterschied die Wasserbrechung machte.

Die Ergebnisse waren beeindruckend. Im unbehandelten Abschnitt bewegten sich die Tunnelwände und der Boden erheblich, als sich die Abbaufront näherte, wobei Dach und Boden um etwa 225 Millimeter zusammengedrückt wurden. Die Seite des Tunnels neben dem Kohlepfeiler bewegte sich um 180 Millimeter nach innen, und die feste Gesteinsseite um 125 Millimeter. In dem Abschnitt, in dem das Gestein mit Wasser gebrochen worden war, wurde die Bewegung drastisch reduziert. Dach und Boden bewegten sich nur etwa 22 Millimeter, die Kohlepfeilerseite bewegte sich um 18 Millimeter und die feste Gesteinsseite um nur 12 Millimeter. Auch die hydraulischen Stützen, die das Gewicht des Daches tragen, zeigten eine deutliche Verbesserung. Im unbehandelten Bereich betrug die durchschnittliche Kraft auf die Stützen 9.725 Kilonewton, aber im behandelten Abschnitt sank dieser Durchschnitt auf 8.943 Kilonewton, was einer Reduktion von etwa acht Prozent entspricht.

Das Team hörte auch auf das Gestein selbst. Im unbehandelten Abschnitt registrierten die Sensoren mehrere hochenergetische Ereignisse, was auf große, plötzliche Brüche im Gestein hindeutete, die gefährlich sein könnten. Im behandelten Abschnitt war die Aktivität viel ruhiger. Die Sensoren detektierten nur niederenergetische Ereignisse – kleine und häufige Risse, die Energie allmählich freisetzen, wobei keine großen, hochenergetischen Brüche aufgezeichnet wurden. Die Forscher untersuchten auch das Innere der Löcher nach der Behandlung und sahen klare Beweise dafür, dass das Gestein wie beabsichtigt gebrochen worden war. Während die Daten zeigten, dass die Wasserbrechung erfolgreich die Deformation und die Last reduzierte, merkte das Team an, dass der Vergleich nicht perfekt war, da die beiden Abschnitte zu unterschiedlichen Zeiten und unter leicht unterschiedlichen Bedingungen abgebaut wurden. Sie konnten den Effekt der Brechung nicht von jeder anderen Variable isolieren, aber der Gesamttrend war eindeutig. Die Reaktion im Feld entsprach ihren Designzielen: Das Gestein bewegte sich weniger, die Stützen trugen weniger Gewicht und die gefährlichen, hochenergetischen Brüche wurden eliminiert.

Diese Studie zeigt, dass Ingenieure durch das Verständnis der spezifischen Gesteinsschichten über einer Mine und deren gezielte Ansprache mit einer maßgeschneiderten Bohrstrategie die Sicherheit und Stabilität unterirdischer Tunnel erheblich verbessern können. Der Ansatz, lange und kurze Löcher zu verwenden, um verschiedene Gesteinsschichten an unterschiedlichen Positionen anzusprechen, erwies sich als effektiv, um den Bodendruck zu beruhigen. Obwohl die Forscher einräumten, dass weitere Daten benötigt würden, um die Effekte der Behandlung vollständig von anderen Faktoren zu trennen, war die Reduktion von Bewegung und Last substanziell. Die Arbeit bietet eine praktische Referenz für andere Minen, die vor ähnlichen Herausforderungen mit hartem, hängendem Dach stehen, und zeigt, dass sorgfältige Planung und präzise Ausführung eine gefährliche geologische Situation in eine beherrschbare Lage verwandeln können.