Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

Diep onder het aardoppervlak, waar kolenmijners lange tunnels uitgraven om waardevolle lagen te bereiken, is de grond geen solide, onbuigzaam blok. Op veel plaatsen is het gesteente rond deze tunnels zacht, brokkelig en bijeengehouden door een zwakke natuurlijke lijm. Dit staat bekend als zwak gecementeerd zacht gesteente. Wanneer water door de grond sijpelt en dit gesteente raakt, begint een traag maar destructief proces. Het water werkt als een oplosmiddel, lost de zwakke verbindingen op en zorgt ervoor dat de mineralen in het gesteente opzwellen en verzachten, net zoals een spons water absorbeert. Deze transformatie verandert het gesteente van een structurele ondersteuning in een zwakke, modderige substantie die moeite heeft om zijn vorm vast te houden. Voor ingenieurs die de taak hebben om deze ondergrondse tunnels open en veilig te houden, is deze interactie tussen water en gesteente een van de moeilijkste uitdagingen waarmee zij worden geconfronteerd. Als het gesteente faalt, kan de tunnel instorten, wat apparatuur en arbeiders gevangen houdt, of simpelweg te nauw worden om te gebruiken.

Onderzoekers van het CCTEG Coal Mining Research Institute en de Hunan University of Science and Technology zetten zich in om precies te begrijpen hoe dit falen plaatsvindt in een specifieke kolenmijn in Ningxia, China. Ze richtten zich op een tunnel die bekend staat als de 110803 transportweg, waar het omringende gesteente bestaat uit argillitisch zacht gesteente, een type kleirijk materiaal dat bijzonder gevoelig is voor water. Het team combineerde inspecties ter plaatse, laboratoriumtests en computersimulaties om te observeren hoe de tunnel in de loop van de tijd reageerde. Ze ontdekten dat de problemen van de tunnel niet alleen te maken hadden met het feit dat het gesteente zwak was, maar over een specifieke kettingreactie die door water werd getriggerd. Het gesteente bevat hoge hoeveelheden kleimineralen die uitzetten wanneer ze nat worden, wat interne druk creëert. Tegelijkertijd verzwakt het water de grip van de metalen bouten en kabels die worden gebruikt om het gesteente op zijn plaats te houden. Het oorspronkelijke ondersteuningssysteem, dat vertrouwde op deze bouten, was simpelweg niet sterk genoeg om te vechten tegen het opzwellende gesteente en het verlies van grip veroorzaakt door het water.

De onderzoekers observeerden dat de tunnel niet in één keer faalde. In plaats daarvan ging hij door drie duidelijke stadia van beweging. Eerst was er een periode van snelle verandering waarbij het dak en de vloer snel naar elkaar toe begonnen te bewegen. Dit werd gevolgd door een fase van versnelde deformatie, waarbij de beweging nog verder versnelde naarmate het gesteente bleef verzachten en het ondersteuningssysteem zijn grip begon te verliezen. Ten slotte vertraagde de beweging, maar deze stopte nooit echt; de tunnel bleef maandenlang verschuiven en zakken, wat wijst op een staat van langdurige instabiliteit. In sommige secties van de tunnel kwam de vloer meer dan 700 millimeter omhoog, terwijl het dak ongeveer 300 millimeter zakte. De zijkanten van de tunnel werden ook met meer dan 600 millimeter naar binnen gedrukt. Deze enorme deformatie werd gedreven door een combinatie van factoren die het team "één water en drie zwaktes" noemde. Het "één water" was de constante infiltratie die het gesteente verzachtte. De "drie zwaktes" waren de slechte fundering waar de bouten in verankerd waren, de zwakke laag die de trekkracht van de bouten naar het gesteente overbracht, en de algehele lage sterkte van het gesteente zelf.

Om dit probleem op te lossen, stelde het team een nieuwe strategie voor die zij "één isolatie en drie versterkingen" noemden. De eerste stap, isolatie, hield in dat het water werd tegengehouden om het zachte gesteente niet te raken. Ze bereikten dit door grout, een vloeibaar cementachtig materiaal, diep in het gesteente te injecteren vóór en na het graven van de tunnel om de waterbronnen af te sluiten. Ze brachten ook een laag beton aan over de blootgestelde gesteentsoppervlakken om een waterdichte barrière te creëren. Het tweede deel van de strategie hield in dat het ondersteuningssysteem op drie specifieke manieren werd versterkt. Ze verbeterden de verankeringsfundering door gebruik te maken van speciale waterbestendige materialen die zelfs in natte omstandigheden stevig grip op het gesteente kunnen houden. Ze versterkten de laag die de kracht van de bouten overbrengt door grotere, stijvere platen en een dikkere laag beton te gebruiken. Ten slotte verhoogden ze de algehele sterkte van de gesteentemassa door hoogwaardige kabels te gebruiken en meer grout te injecteren om het gesteente aan elkaar te binden. Hiermee creëerden ze een volledig gesloten ondersteuningssysteem dat het dak, de zijkanten en de vloer op hun plaats hield.

Toen het team deze nieuwe methode toepaste op de tunnel, waren de resultaten onmiddellijk en spectaculair. In de secties waar het oude ondersteuningssysteem aanwezig was, bleef de tunnel aanzienlijk deformaat vertonen, waarbij het dak en de vloer bijna een halve meter bewogen over een periode van enkele maanden. In contrast hiermee vertoonden de secties die versterkt waren met de nieuwe "één isolatie en drie versterkingen"-methode bijna geen beweging. Het dak en de vloer bewogen minder dan 50 millimeter over een periode van 80 dagen, en de zijkanten bewogen slechts ongeveer 30 millimeter. De gesteentescheiding, oftewel de opening die tussen gesteentelagen ontstaat wanneer ze uit elkaar trekken, werd verminderd tot een fractie van wat het voorheen was. De bouten en kabels hielden stand, en de tunnel behield zijn vorm. De studie toonde aan dat door te begrijpen op welke specifieke manier water en zacht gesteente met elkaar interageren, en door een ondersteuningssysteem te ontwerpen dat zowel het water als de structurele zwaktes aanpakt, ingenieurs deze diepe ondergrondse tunnels stabiel en veilig kunnen houden op de lange termijn. Deze aanpak biedt een duidelijke weg voorwaarts voor mijnbouwoperaties in gebieden waar water en zacht gesteente de stabiliteit van de aarde bedreigen.