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

Diep onder de aarde, waar steenkool wordt gewonnen, voert het gesteente boven de mijn een constante strijd. Wanneer een laag steenkool wordt verwijderd, moeten de zware gesteentelagen die er ooit op rustten een nieuwe manier vinden om te zetten. In veel mijnen bestaan deze bovenliggende lagen uit dik, hard gesteente dat niet gemakkelijk uit elkaar valt. In plaats van te brokkelen in de lege ruimte die door de steenkool is achtergelgelaten, hangt dit harde dak gespannen, als een zwaar plafond dat weigert te vallen. Na verloop van tijd drukt het gewicht van dit hangende gesteente op de smalle tunnels die zijn achtergelaten voor het transport van apparatuur en mensen. Deze druk zorgt ervoor dat de tunnelwanden naar binnen knijpen en de vloer omhoog komt, wat het gevaar loopt de doorgang te verpletteren en de operaties te stilleggen. Ingenieurs zoeken al lang naar manieren om deze druk te beheersen, vaak door de tunnel te verstevigen of door het gesteente te breken voordat het een gevaar wordt. De uitdaging ligt in het precies weten welke gesteentelaag de meeste problemen veroorzaakt en waar de kracht moet worden toegepast om het veilig te breken.

Bij de Limin-steenkoolmijn in China werden onderzoekers geconfronteerd met een complexe versie van dit probleem. De mijn was een nieuw deel van de steenkool aan het winnen naast een gebied dat al was uitgegraven. Dit liet een smalle strook steenkool achter die fungeerde als een pijler tussen de actieve tunnel en de lege ruimte, een opstelling die bekend staat als een gob-side entry. Boven deze tunnel waren de gesteentelagen niet uniform; ze bestonden uit meerdere harde strata, sommige dik en sommige dun, die allemaal op elkaar gestapeld lagen. De ingenieurs moesten bepalen welke van deze lagen het meeste gewicht droegen en de tunnel vervormden. Ze moesten ook precies uitzoeken waar ze gaten moesten boren om het gesteente te verzwakken zonder een plotselinge, gevaarlijke instorting te veroorzaken. Om dit op te lossen, ontwierp een team van de Liaoning Technical University een plan om waterdruk te gebruiken om het gesteente op een gecontroleerde, gefaseerde manier te breken, waarbij ze hun theorie in het veld testten om te zien of het de gronddruk kon kalmeren.

De onderzoekers begonnen door de gesteentelagen boven de mijn te analyseren, waarbij ze ze behandelden als een enkele, dikke balk die het gewicht verdeelt. Ze berekenden hoe de belasting over de verschillende lagen werd verdeeld om de drie meest kritieke lagen te identificeren. Hun analyse wees op een laag grof zandsteen net boven de steenkool, een laag siltsteen hogerop, en een andere dikke zandsteenlaag nog hoger. Deze drie lagen waren de primaire boosdoeners die het gewicht van de berg erboven vasthielden. De onderzoekers realiseerden zich echter dat deze lagen niet allemaal op dezelfde plek drukten. De onderste lagen concentreerden hun gewicht direct naast de tunnel, terwijl de hoogste van de drie lagen zijn gewicht iets verder weg duwde, richting de lege ruimte van de oude mijn. Dit verschil betekende dat een enkele aanpak niet zou werken; ze hadden een strategie nodig die tegelijkertijd verschillende hoogtes en verschillende horizontale posities kon aanpaken.

Om hun idee te testen, maakten het team een gedetailleerde computersimulatie van de mijn en het omliggende gesteente. Ze modelleerden de winning van de steenkool en de beweging van de gesteentelagen om te zien hoe spanning in verschillende gebieden werd opgebouwd. De simulatie bevestigde hun vermoeden: de spanningspieken voor de onderste lagen bevonden zich inderdaad direct naast de tunnel, terwijl de piek voor de hoogste doelgelaag verschoven was naar de oude mijn. Dit inzicht stelde hen in staat om een specifiek boorpatroon te ontwerpen. Ze besloten twee soorten gaten te boren aan beide zijden van de tunnel: korte gaten gericht op de onderste gesteentelaag en lange gaten die de hogere lagen bereikten. Door deze gaten te verspringen en ze in secties te behandelen, konden ze het gesteente op een precieze, stapsgewijze manier verzwakken. Het plan hield in dat er gaten werden geboord in de massieve rotswand en de smalle steenkoolpijler, waarna hoogdrukwater werd gebruikt om het gesteente in geïsoleerde segmenten te breken, beginnend van de onderkant van het gat en werkend naar boven toe.

Het team voerde dit plan uit in een sectie van de tunnel van 100 meter, waarbij in totaal zesendertig gaten werden geboord. Ze gebruikten een gespecialiseerd instrument om kleine secties van elk gat af te sluiten en injecteerden water onder hoge druk om scheuren in het gesteente te creëren. Dit proces werd voor elke sectie van elk gat herhaald, om er zeker van te zijn dat het gesteente over zijn gehele lengte werd verzwakt. Terwijl ze werkten, richtten ze een netwerk van sensoren op om te observeren wat er gebeurde. Ze plaatsten instrumenten om te meten hoeveel de tunnelwanden bewogen, controleerden de druk op de hydraulische ondersteuningen die het dak vasthielden, en luisterden naar de kleine geluiden van brekend gesteente diep onder de grond. Ze vergeleken deze behandelde sectie met een onbehandelde sectie van de tunnel die eerder was uitgegraven, zodat ze het verschil kon zien dat de waterbreking maakte.

De resultaten waren opmerkelijk. In de onbehandelde sectie bewogen de tunnelwanden en de vloer aanzienlijk naarmate het winningsfront naderde, waarbij het dak en de vloer met ongeveer 225 millimeter naar elkaar toe werden geknepen. De zijde van de tunnel naast de steenkoolpijler bewoog 180 millimeter naar binnen, en de massieve rokzijde bewoog 125 millimeter. In de sectie waar het gesteente met water was gebroken, was de beweging drastisch verminderd. Het dak en de vloer bewogen slechts ongeveer 22 millimeter, de steenkoolpijlerzijde bewoog 18 millimeter en de massieve rokzijde bewoog slechts 12 millimeter. De hydraulische ondersteuningen, die het gewicht van het dak dragen, vertoonden ook een duidelijke verbetering. In het onbehandelde gebied was de gemiddelde kracht op de ondersteuningen 9.725 kilonewton, maar in de behandelde sectie daalde dit gemiddelde naar 8.943 kilonewton, een reductie van ongeveer acht procent.

Het team luisterde ook naar het gesteente zelf. In de onbehandelde sectie registreerden de sensoren verschillende gebeurtenissen met een hoge energie, wat duidde op grote, plotselinge breuken in het gesteente die gevaarlijk konden zijn. In de behandelde sectie was de activiteit veel stiller. De sensoren detecteerden alleen gebeurtenissen met een lage energie, kleine en frequente scheurtjes die energie geleidelijk vrijgaven, zonder dat er grote, hoogenergetische breuken werden geregistreerd. De onderzoekers keken ook in de gaten na de behandeling en zagen duidelijk bewijs dat het gesteente zoals bedoeld was gebroken. Hoewel de gegevens lieten zien dat de waterbreking er succesvol in was geslaagd de vervorming en belasting te verminderen, merkte het team op dat de vergelijking niet perfect was omdat de twee secties op verschillende momenten waren uitgegraven en onder licht verschillende omstandigheden. Ze konden het effect van de breking niet volledig isoleren van elke andere variabele, maar de algemene trend was duidelijk. De reactie in het veld kwam overeen met hun ontwerpdoelen: het gesteente bewoog minder, de ondersteuningen droegen minder gewicht en de gevaarlijke, hoogenergetische breuken werden geëlimineerd.

Deze studie toont aan dat door de specifieke gesteentelagen boven een mijn te begrijpen en deze met een op maat gemaakte boorstrategie aan te pakken, ingenieurs de veiligheid en stabiliteit van ondergrondse tunnels aanzienlijk kunnen verbeteren. De aanpak van het gebruik van lange en korte gaten om verschillende gesteentelagen op verschillende posities aan te pakken, bleek effectief om de gronddruk te kalmeren. Hoewel de onderzoekers erkenden dat er meer gegevens nodig zouden zijn om de effecten van de behandeling volledig te scheiden van andere factoren, was de vermindering in beweging en belasting aanzienlijk. Het werk biedt een praktische referentie voor andere mijnen die voor soortgelijke problemen staan met harde, hangende daken, waarbij laat zien dat zorgvuldige planning en nauwkeurige uitvoering een gevaarlijke geologische situatie in een beheersbare situatie kunnen veranderen.