Сравнительный анализ и проверка зоны разрушенной породы в модельных испытаниях на основе нескольких методов контроля

Почему трещиноватая порода важна под землей

Глубокие подземные туннели и выработки, например в угольных шахтах, окружены породой, которая при смещениях может трескаться и крошиться. Эта повреждённая кольцевая зона породы угрожает стабильности выработки и безопасности людей. Исследование, изложенное здесь, ставит практический вопрос: как инженеры могут увидеть и измерить эту скрытую «зону разрушенной породы» в модельных экспериментах, чтобы разрабатывать более надёжные крепления для реальных шахт?

Заглядывая в породу несколькими методами

Авторы изготовили крупномасштабные лабораторные модели на основе реальной выработки шахты Чэнцзяо в Китае. В этих моделях они вырезали различные формы туннелей в блоках, имитирующих слоистую горную массу, и постепенно применяли нагрузки, сопоставимые с глубинными, до разрушения выработок. Чтобы наблюдать реакцию окружающей породы, применяли четыре различных метода мониторинга: маленькие датчик-блоки (strain bricks) для отслеживания изменения напряжений по глубине; высокоразрешающая цифровая съёмка для фиксации поверхностных трещин и перемещений; электрические измерения, показывающие, как трещины влияют на проводимость породы; и ультразвук для оценки изменения качества породы. Параллельно выполнялись численные модели, рассчитывавшие, как должны расширяться зоны деформированной и разрушенной породы вокруг выработок.

Что каждый метод видит и чего не видит

Кажняя техника «видела» разный аспект проблемы. Стресс‑блоки работали как зарытые датчики, показывая, где порода вблизи выработки теряла способность нести нагрузку. Когда показания напряжений внезапно выравнивались у выработочного проёма, исследователи могли заключить, что там порода разрушилась, в то время как более глубокие слои ещё изгибались, но ещё не дробились. Однако из‑за малого числа устанавливаемых блоков этот метод даёт грубую картину и может пропустить детали о распространении и протяжённости разрушенной зоны. Ультразвуковые измерения, фиксирующие скорость распространения звуковых импульсов, хорошо сигнализировали о начале повреждений, но занижали истинную толщину разрушенной зоны и с трудом показывали её полное развитие.

Снимки и электрические данные раскрывают скрытое кольцо

Наиболее информативными оказались методы, покрывающие большие площади одновременно. С помощью цифровой съёмки и специализированной системы анализа изображений команда превращала таймлапсы поверхности модели в цветные карты перемещений и деформаций различных участков породы. Большие перемещения и выраженные траектории трещин совпадали с формирующейся зоной разрушенной породы, указывая на прогибы сводов, выпирания стен и вздутия пола. Параллельно электрический метод фиксировал изменение удельного сопротивления по мере открытия трещин: сильно повреждённые участки проводили ток гораздо хуже, формируя зоны с высоким сопротивлением вокруг выработки. По этим картам сопротивления исследователи могли очертить зону разрушенной породы, окружавшую её пластическую (гнущуюся) зону и ещё целую породу дальше от выработки.

Проверка лаборатории с помощью компьютерных моделей

Чтобы удостовериться в корректности инструментальных данных, авторы сопоставили свои измерения с детализированными численными моделями тех же конфигураций туннелей. Модели показывали, как по мере роста нагрузки должна расширяться «пластическая зона», где порода изгибается и уступает, и внутренняя зона разрушенной породы. Анализируя изменения разницы между наибольшими и наименьшими напряжениями в модели, можно было очертить, где порода сначала начнет деформироваться и где в итоге разрушится. Смоделированные пластические и разрушенные зоны хорошо согласовывались с картами смещений на фотографиях и с высокоомными слоями на картах сопротивления, одновременно показывая, где стресс‑блоки и ультразвук упускали или занижали масштабы повреждений.

Что это значит для более безопасных подземных пространств

Главный вывод для читателя: ни один отдельный датчик не в состоянии полностью отразить процесс разрушения породы вокруг выработки, но некоторые методы заметно информативнее. Исследование рекомендует сочетать цифровую съёмку с электрическими измерениями в модельных испытаниях, чтобы гораздо надёжнее картировать размеры и форму зоны разрушенной породы. Такие более полные представления о том, где порода реально разрушается, а где лишь изгибается, помогут улучшать проектирование креплений для реальных туннелей и шахт, позволяя инженерам предвосхищать обрушения сводов, разрушения стен и вздутия пола до их наступления.

Цитирование: Liu, G., Liu, Z., Luan, Y. et al. Comparative analysis and verification on broken rock zone of model test based on multiple testing methods. Sci Rep 16, 5088 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35290-2

Ключевые слова: стабильность подземных туннелей, зона разрушенной породы, мониторинг горной массы, проходка в угольной шахте, численное моделирование