Экспериментальная физическая модель механизма вздутия пола в глубоко залегающем штреке, пройденном в мягких породах при полого залегающих тонких пачках

Почему полы горных выработок внезапно поднимаются

Глубоко под землей полы некоторых горных выработок медленно выпячиваются вверх, выдавливая рельсы и оборудование и создавая угрозу безопасности работников. Это загадочное «вздутие пола» дорого обходится при ремонте и трудно прогнозируется, особенно в мягких слоистых породах, распространённых в угледобывающих районах. Исследование, лежащее в основе этой статьи, использует крупномасштабные физические и численные модели, чтобы показать, как напряжения в полого залегающих тонких слоях породы могут вызывать её разрушение и подъём пола штрека, давая представление, которое поможет проектировать более безопасные и устойчивые подземные выработки.

Внимательнее о поднимающихся полах штреков

На западе Китая и во многих других горнодобывающих районах уголь добывают с глубины в сотни метров, где вес перекрывающих пород создаёт огромные давления. Многие из этих штреков проложены через мягкие породы, расположенные тонкими слоями — аргиллит, уголь и алевролит — залегающими под небольшим углом, а не горизонтально. Инженеры давно замечают, что при таких условиях пол штрека со временем может заметно прогибаться вверх. Ранее объяснения ограничивались вертикальными силами от кровли, набуханием от воды или медленной ползучестью пород, но специфическая роль слоистой структуры и бокового сжатия массива оставалась неясной.

Постройка штрека в лаборатории

Чтобы выяснить этот механизм, исследователи создали крупную физическую модель, основанную на реальном штреке угольной шахты в провинции Юньнань, Китай, расположенной на глубине около 750 метров в пластах, наклонённых примерно на десять градусов. Они воссоздали три основных типа пород с помощью тщательно подобранных порошковых смесей, которые по плотности и прочности соответствовали реальным породам в уменьшенном масштабе. Слоистый блок, примерно размером со большую столешницу, содержал небольшой штрек, вырезанный через «угольный» слой. С помощью гидравлической нагрузки применили давления, эквивалентные глубоким горным условиям, при равных вертикальном и горизонтальном напряжениях, затем поэтапно смоделировали разработку и дополнительные нагрузки.

Наблюдение за деформацией и разрушением породы

Во время нагружения высокоразрешающая камера отслеживала крошечные поверхностные перемещения, а десятки тензометрических датчиков измеряли деформацию внутри блока. По мере роста давления первые заметные изменения возникли непосредственно под полом штрека. Воронкообразная зона повышенных деформаций сформировалась под проездом, усиливаясь по мере продолжения нагрузки. В конце концов тонкие слои под штреком отделились от нижележащих, треснули и поднялись вверх, вызвав явное вздутие пола. Наибольшая зарегистрированная деформация концентрировалась в области, простиравшейся примерно на половину ширины штрека в толщу пола, а эквивалентная деформация в этой зоне достигла высокого пикового значения, что указывает на серьёзное повреждение. Анализ показал, что доминирующим фактором этого подъёма было горизонтальное сжатие мягких тонких слоёв.

Скрытые растяжения и сжатия вокруг штрека

Команда также картировала, как порода вокруг штрека меняла состояния растяжения и сжатия по мере разрушения пола. На расстоянии, сопоставимом с диаметром штрека, вокруг выемки чередовались зоны растягивающих (тянущих) и сжимающих (давящих) напряжений. После вздутия пола порода, ближайшая к выработке, испытала сильное растяжение, особенно в углах и вдоль кровли и пола, тогда как зоны сжатия образовались дальше. Такая картина объясняет, почему трещины, как правило, инициируются в определённых точках, а затем распространяются в характерную форму разрушения вокруг штрека.

Проверка результатов численным моделированием

Чтобы подтвердить, что наблюдаемое поведение не было уникальным для одного эксперимента, исследователи построили трёхмерную численную модель, использовав известное программное обеспечение по механике горных пород. Они воспроизвели ту же геометрию, слоистую структуру и граничные условия, что и в физическом тесте. В смоделированном штреке наблюдались схожие поля смещений: пол у одной стороны штрека резко выгнулся вверх и разрушился, в то время как кровля незначительно просела. Ключевые контрольные точки в моделировании сместились почти на те же величины, что и в лабораторной модели, с разницей всего в несколько миллиметров на экспериментальном масштабе. Такое близкое совпадение укрепляет уверенность в выявленном механизме.

Что это значит для более безопасных подземных выработок

Для неспециалистов вывод прост: в глубоко залегающих, мягких, тонко-слоистых породах боковое сжатие грунта может быть не менее важным, чем вертикальный вес, в формировании вздутия пола штрека. Наклонные тонкие пласты ведут себя как сложенные, слабые пластины, которые при горизонтальном напряжении прогибаются, трескаются и отщепляются вверх, особенно под проездом. Знание того, что наибольшие повреждения концентрируются в воронкообразной зоне непосредственно под штреком и примерно в пределах одной ширины штрека вокруг него, помогает инженерам планировать целенаправленные усиления, такие как анкерование пола или усиление опор в конкретных зонах вместо повсеместного «перепроектирования». Хотя исследование сосредоточено на конкретной шахте, его выводы дают более ясную физическую картину, которая может помочь в разработке более надёжных решений по проектированию и контролю глубоких подземных выработок во всём мире.

Цитирование: Chen, F., Wang, E., Miao, C. et al. Physical model study on the mechanism of floor heave for the deep-buried roadway excavated in soft rock of gently inclined thin strata. Sci Rep 16, 9557 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-95299-x

Ключевые слова: вздутие пола, штрек в мягкой породе, глубокая добыча, устойчивость туннеля, слоистые породы