Исследование закона распространения трещин в кровле при выемке небольших угольных столбов в наклонных сверхтолстых пластах

Почему трещины над угольными пластами имеют значение

Современная угледобыча не просто извлекает уголь; она перестраивает породы над пластом и меняет пути движения подземного газа. В Синьцзян-Уйгурском автономном районе на западе Китая пласты необычно толстые и круто наклонены, при этом горняки нередко оставляют лишь узкий угольный столб для поддержки кровли. В этом исследовании поставлен прагматичный вопрос с серьёзными последствиями для безопасности: как именно образуются и распространяются трещины в породе над выработками и как эти знания можно использовать для контроля за газонакоплениями и обеспечения безопасной работы?

Сложности при работе в крутом, сверхтолстом пласте

Большинство прежних исследований разрывов пород над выработками было сосредоточено на почти горизонтальных пластах. Но в Синьцзяне основные угольные горизонты одновременно очень толстые и заметно наклонённые. Когда добывают уголь и оставляют небольшой столб, кровля нарушается сложными способами. Трещины периодически раскрываются и закрываются, образуя извилистые каналы, по которым газ может уходить или скапливаться. Если инженеры не могут предсказать, где появятся зоны высокой проницаемости, скважины для дегазации могут промахнуться, оставив опасные газовые карманы над действующими выработками.

Модель шахты в лаборатории и на компьютере

Исследователи использовали сочетание масштабных физических моделей и продвинутых компьютерных симуляций для имитации реальной выработки — очистного забоя 11 002 шахты Тэнда. В лаборатории они создали двумерную модель наклонного пласта и перекрывающих пород в масштабе 1:200. Модель разрабатывали поэтапно, перемещая деревянные блоки, имитирующие решётные установки, используемые под землёй. Одновременно выполнялись трёхмерные численные расчёты в пакете 3DEC, который рассматривает массив пород как множество взаимодействующих блоков и позволяет отслеживать эволюцию напряжений и трещин по мере продвижения добычи.

Как разрушается и трескается кровля

Обе методики показали, что кровля не обрушивается одномоментно. Напротив, перекрывающие породы проходят через трёхступенчатую схему: сначала возникают мелкие трещины, затем начинается расслоение, и, наконец, формируются крупные видимые разрывы. По мере продвижения добычи нижние слои схлопываются в заполненную обрушенными обломками зону, тогда как вышележащие пласты формируют высокие зоны трещиноватости, где блоки разрушены, но не полностью обрушились. В случае Тэнда зона обрушения стабилизировалась примерно на 25 метрах над пластом, а зона трещиноватости простирается приблизительно до 80 метров. Из-за наклона пласта разрушенные блоки имеют тенденцию сдвигаться по склону, что даёт явно асимметричную картину обрушения: нижняя сторона лавы более плотно уплотнена, тогда как кверху от небольшого угольного столба формируется клиновидная, относительно нетронутая область.

Измерения и сочетание разных подходов

Чтобы точнее оценить высоту зон обрушения и трещиноватости, команда сопоставила три вида оценок: простые инженерные формулы, физическую модель и численную симуляцию. Каждый метод даёт слегка различные значения, поэтому авторы применили схему взвешенного усреднения, которая придаёт больший вес методам с меньшими ошибками по совокупности результатов. Поскольку физическая модель наиболее полно воспроизводила реальный процесс выемки, ей присвоили наибольший вес. Конечный объединённый результат дал высоту зоны обрушения около 24,98 м и высоту зоны трещиноватости 81,67 м. Также показано, что напряжения сильно концентрируются вокруг небольшого угольного столба, а скорость перемещений пород и образования трещин уменьшается с удалением вверх от пласта.

Превращение знаний о трещинах в более безопасный контроль газа

Имея более ясное представление о расположении разрушенных и высокопроницаемых пород над выработанным пространством, команда сконструировала целенаправленную систему дегазации для забоя 11 002. Были проложены ряды высокорасположенных скважин и дренажных выработок так, чтобы они пересекали прогнозируемые области высокой трещиноватости. Полевые данные за несколько месяцев работы показали эффективный отбор газа, а концентрации газа в ключевых вентиляционных трассах оставались значительно ниже предела безопасности в 1%, даже при добыче сотен тысяч тонн угля. Проще говоря, работа демонстрирует, что детальная картировка разрушений кровли над наклонным, сверхтолстым пластом с малыми угольными столбами позволяет инженерам разместить системы дегазации в наиболее эффективных местах — что снижает риски аварий и способствует более безопасной и эффективной добыче угля.

Цитирование: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

Ключевые слова: угледобыча, расколы горных пород, дренаж газа, численное моделирование, безопасность шахт