Оптимизация параметров отработки на основе закона движения верхнего угля при разработке толстых пластов способом отбойки сверху

Почему это исследование в горном деле важно

По мере того как легкодоступные запасы угля истощаются, шахты вынуждены переходить к более глубоким, более толстым пластам, которые труднее и опаснее в разработке. В таких условиях метод долговой отбойки верхнего пласта (longwall top-coal caving) позволяет получить значительно больше угля из каждого выемочного забоя — но только если обрушенный уголь течёт ровно, а порода не попадает в поток. В этом исследовании рассмотрена реальная шахта на юго-западе Китая и поставлен простой, но ключевой вопрос: как правильно по времени и очередности вести отбор обрушенного угля, чтобы получить максимум топлива при минимальных потерях?

Задача: получить уголь без лишней породы

В толстых пластах современные комбайны срезают лишь нижнюю часть угля. Верхний «верхний уголь» оставляют обрушаться и течь через отверстия за рядом тяжёлых гидравлических стоек. Идеально обрушенный уголь попадает в лотки и на конвейеры, а перекрывающие породы — пустая порода или шламы — остаются на месте. На практике поведение потока ближе к песку и гравию в наклонных песочных часах: если отверстия слишком большие, слишком редкие или остаются открытыми слишком долго, порода хлынет и разведёт уголь, увеличивая затраты на переработку. Если отверстия слишком малы или закрывают их слишком рано, значительная часть угля остаётся у потолка и теряется навсегда.

Изучение течения угля с помощью моделей и масштабных опытов

Исследователи сосредоточились на забое 11508 шахты Сецзягоу, где основной пласт примерно пяти метров толщиной и структурно устойчив. Сначала они измерили прочность и степень разрушения угля и окружающих пород, подтвердив, что верхний уголь естественно раздроблен и легко обрушается и течёт. Затем они построили детализированные компьютерные модели из тысяч частиц, имитирующих уголь и кровлю вокруг лицо-долла. В этих симуляциях можно было регулировать два ключевых параметра: на какой дистанции продвигается комбайн до каждого эпизода отгрузки (шаг выемки) и соотношение между высотой среза комбайном и высотой угля, отбираемого сверху (коэффициент «добыча-к-отбору»).

Поиск оптимума во времени и пропорциях

Проводя множество виртуальных циклов отработки, команда сравнивала разные комбинации этих параметров. При равенстве дистанций добычи и отбора уголь, извлекаемый за каждый шаг, был относительно равномерным; при трёх шагах резки, за которыми следовал один шаг отбора, объёмы добычи сильно колебались, и больше угля оставалось позади. Более систематический набор из двенадцати симуляций показал, что интервал между операциями отбора имел наибольшее влияние на окончательную степень извлечения угля — примерно в шесть раз важнее, чем высотное соотношение. Более короткие интервалы в 0,8 метра в сочетании с умеренным соотношением добыча-к-отбор около 1:1,5 дали наивысшую смоделированную выходность — свыше 85% — с устойчивым потоком от шага к шагу.

Проверка реального поведения в лаборатории

Чтобы перепроверить виртуальные результаты, авторы собрали прозрачный резервуар, заполненный чёрным щебнем для имитации угля и белым щебнем для кровли, масштабировав его под геометрию реального пласта. Регулируемые щели внизу заменяли порты отбора на стойках. Меняя шаги выемки и схемы открытия и взвешивая материалы, выходившие из каждого порта, они наблюдали, как небольшие изменения времени влияют и на количество извлечённого угля, и на долю породы. Более короткие шаги давали наибольший извлекаемый объём угля, но при слишком длительном отборе склонялись к увлечению большей доли породы. Увеличение шага несколько снижало приток породы, но при этом оставляло больше угля в модельном забое (гоафе).

Когда закрывать «окно» потока породы

Поскольку любая реальная операция должна взвешивать цену угля и расходы на удаление примесей, команда пошла дальше и количественно определила правила прекращения каждого цикла отбора. Работая с физической моделью, они измеряли, как доля породы в смеси увеличивается при продолжении отбора после первого появления пустой породы. На этой основе предложены практические принципы «закрытия окна»: на раннем этапе отбора один вариант — допустить долю породы примерно до одной пятой по объёму, чтобы добиться почти полного извлечения угля, либо остановиться раньше, при доле породы около одной восьмой, если приоритет — качество угля. При повторяющихся циклах авторы предлагают более мягкие лимиты — около одной шестой по объёму — поскольку остаётся меньше угля и экономический компромисс сдвигается в пользу отбора породы.

От моделирования к забою

Применив эти оптимизированные настройки на реальном забое 11508 — резка 1,96 м, отбор 2,94 м и перемещение забоя каждые 0,8 м с дисциплинированным правилом «закрывать при появлении породы» — шахта добилась измеренной извлекаемости верхнего угля около 91,5% при снижении содержимого породы до примерно 30%, что значительно лучше прежней практики. Для неспециалистов это означает больше пригодного в употребление угля из того же объёма под землёй, меньше отходов для вывоза и промывки и меньшие нарушения окружающих пород на тонну добытого топлива. Работа показывает, как тонкое понимание поведения обрушенного угля может перерасти в конкретные правила, делающие разработку глубоких толстых пластов более эффективной и экономичной.

Цитирование: Wu, S., Xu, X., Wang, J. et al. Optimization of drawing parameters based on top-coal flow law in thick-seam caving mining. Sci Rep 16, 12078 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35742-9

Ключевые слова: долговая отбойка верхнего пласта, извлечение угля, оптимизация горных работ, контроль пустой породы, толстый угольный пласт