Механизм возникновения аварий и мониторинг сопряжённой динамической и статической нагрузки при глубокой многослойной твёрдой кровле

Скрытые под ногами землетрясения

Глубоко под землёй, далеко под городами и полями, угольные шахты могут внезапно сотрясаться, как небольшое землетрясение. Эти бурные выбросы энергии, известные как выбросы горной массы, могут мгновенно раздавить оборудование и угрожать жизни горняков. В этом исследовании изучается одна такая шахта в Китае, чтобы понять, как слои прочной породы высоко над угольным пласто́м могут тихо накапливать энергию, а затем высвобождать её, и как эту опасность можно обнаружить и контролировать до того, как произойдёт катастрофа.

Почему глубокие угольные шахты становятся более опасными

По мере истощения более мелких угольных пластов в Китае добыча переместилась в глубь, где порода тяжелее и геология сложнее. В шахте Гэнцун угольный пласт находится более чем в полукилометре под поверхностью, под несколькими толстыми прочными слоями породы, называемыми «твёрдой кровлей». Эти слои работают как жёсткие балки, перекрывающие пустоты, остающиеся позади выработки, или очистного забоя. Вместо того чтобы аккуратно обрушиться, они могут висеть в воздухе на больших пролетах. Такая висящая кровля сжимает уголь перед забоем, накапливая напряжение и энергию. Когда нагрузка становится чрезмерной, жёсткая порода может неожиданно сломаться и сместиться, посылая удар в окружающие породу и уголь.

Как складываются статическая тяжесть и внезапные удары

Авторы сосредотачиваются на том, как два типа нагрузки — медленная постоянная тяжесть (статическая нагрузка) и внезапное движение (динамическая нагрузка) — складываются и вызывают выбросы горной массы. Используя инженерную модель слоёв породы над очистным забоем 12 240 в шахте Гэнцун, они рассчитывают, как вес перекрывающих пород прогибается и передаётся на уголь сразу перед машиной для уборки. Само по себе это статическое нагружение повышает напряжение и запасённую энергию в угле, но не достигает уровня, необходимого для выброса. Опасная ситуация возникает, когда твёрдая кровля становится нестабильной и разрушается. Это разрушение высвобождает энергию изгиба сразу из нескольких слоёв породы, посылая вниз волновой импульс. Когда импульс достигает уже напряжённого угля, суммарная энергия может превысить критический порог для выброса. В этой шахте расчёты показывают, что при одновременном разрушении нижнего твёрдого слоя и двух верхних твёрдых слоёв они могут передать около 1.22×10^4 джоулей на забой — больше известного порогового значения для выброса в этой шахте.

Прислушивание к мелким подземным толчкам и наблюдение за кровлей

Чтобы проверить эту картину, команда объединила два типа измерений. Сначала они проанализировали микросейсмические записи — крошечные подземные «толчки», которые происходят в момент растрескивания и смещения породы. Большинство этих событий сосредоточилось в зоне между нижним и средним твёрдыми слоями, и многие появились рядом с местом, где позже произошёл крупный выброс. Во-вторых, они установили специальные стальные анкеры в нижнем твёрдом слое из штрека ниже и непрерывно измеряли напряжение в этих канатах по мере продвижения разработки. Повышение натяжения каната сигнализировало о том, что нижняя твёрдая кровля прогибается и принимает на себя всё больше напряжения. Один канат в частности показал резкий скачок напряжения на коротком участке, за которым последовал внезапный спад — поведение, которое в пространстве хорошо совпало с рассчитанным разрывом кровли высокой энергии и с реальным местом выброса.

Три зоны нарастания и спадения опасности

Отслеживая изменения сил в анкерных тросах по мере перемещения очистного забоя, исследователи выделили три практические зоны риска перед выработкой. Далеко вперёд, примерно от 120 до 20 метров, порода испытывает лишь медленный, умеренный рост напряжения. Ближе, от 20 до примерно 2,5 метров, напряжение в нижней твёрдой кровле растёт намного быстрее, образуя зону сильного влияния, где риск выброса максимален. В последние несколько метров прямо перед забоем напряжение быстро падает по мере вырезания угля и начала обрушения кровли. Эта трёхступенчатая картина соответствует современным китайским правилам безопасности, которые требуют мощной поддержки и тщательного мониторинга примерно на тех же расстояниях на особо опасных забоях.

Преобразование опасной кровли в управляемый риск

Для неспециалистов основной вывод состоит в том, что выбросы горной массы — не случайные подземные взрывы. Они являются результатом накопления запасённой энергии в жёстких слоях породы над углём и оттого, как медленное сжатие и внезапное разрушение этих слоёв суммируются. Объединив расчёты на физической основе, микросейсмиическое «прослушивание» и прямые измерения напряжений в тщательно подобранном целевом слое, горнодобывающие предприятия могут оценить, когда кровля приближается к опасному состоянию, и действовать заранее — корректируя крепление, изменяя скорость выемки или применяя управляемые методы ослабления — чтобы повысить безопасность горняков и одновременно продолжать доступ к глубоким угольным ресурсам.

Цитирование: Fu, X., Zeng, L., Rong, H. et al. Disaster causing mechanism and monitoring of dynamic and static load coupling of deep multi layer hard roof. Sci Rep 16, 5081 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35315-w

Ключевые слова: выброс горной массы, глубокая добыча угля, твёрдая кровля, безопасность шахт, микросейсмический мониторинг