Механизм обратного увеличения деформации в нетронутом (девственном) ребре угля по сравнению с ребром стойки в примыкающем к выработке штреке при сверхтолстом угольном пласте

Почему подземные тоннели могут внезапно сжаться

По мере того как шахты углубляются и разрабатывают более толстые пласты, инженеры прорезают длинные штреки вдоль больших пустот, оставшихся после выемки угля. Эти проходы должны оставаться открытыми для вентиляции, людей и техники, но они находятся в породе под огромными напряжениями. В этом исследовании рассматривается загадочное и опасное поведение, наблюдавшееся в китайской шахте: вместо того чтобы сильнее деформировалась стена штрека, обращённая к выработке, значительно больше деформировалась якобы более прочная «девственная» сторона стенки. Понимание причин этого явления критически важно для повышения безопасности и эффективности подземной добычи.

Новый тип сдавливания штреков

В современных китайских шахтах сверхтолстые пласты (>15 м) часто разрабатывают полностью механизированной системой сбрасывания верхнего угля. После выработки панели свод перекрывающих пород обрушивается в пустоту, формируя осыпавшуюся зону — воронку пород (gob gangue). Затем рядом с этой воронкой прокладывают примыкающие к выработке штреки, оставляя узкий угольный столб в качестве буфера. Традиционно ожидалось, что стена штрека, обращённая к выработке (со стороны столба), будет деформироваться сильнее, чем стена, обращённая в нетронутый уголь. Однако мониторинг в панели 8211 пласта толщиной 15,1 м показал обратное: примерно через 50 дней стена со стороны девственного угля начала смещаться внутрь сильнее, чем сторона столба — явление, которое авторы называют «обратным увеличением деформации» (RDI).

Наблюдение за медленным разрушением породы

Команда сначала документировала происходящее в подземных условиях. Измеряли величины сближения стен штрека с течением времени, осматривали повреждения болтов, анкерных тросов и опорных рам, использовали камеры в скважинах, чтобы увидеть глубину разрушения угля. Обе стороны штрека показали значительные повреждения, но весь 8‑метровый столб был трещиноват насквозь, тогда как девственный уголь имел сильно разрушенную наружную зону глубиной примерно 4,3 м и более прочный внутренний кор. Датчики напряжений показали, что центральная часть столба несла лишь умеренные нагрузки, что свидетельствовало о сильном ослаблении, тогда как более глубокие слои девственного угля по-прежнему несли напряжения, близкие к исходному пластовому давлению. Такое сочетание — сильно разрушенная мелкая зона по обеим сторонам и по‑прежнему прочная глубокая зона в девственном угле — создало условия для неожиданных перемещений.

Компьютерные эксперименты с подземной загадкой

Чтобы распутать механизм, исследователи построили детальную 3D численную модель шахты с реалистичными свойствами пород и шагами горных работ. Они варьировали три основных фактора: насколько высоко обрушившаяся порода в выработке давила боковым образом на угольный столб, какова была ширина столба и когда именно прокладывался штрек относительно выемки над ним. Симуляции показали, что RDI возникает только если высота контакта обрушенной породы с столбом превышает примерно 20 метров. В этом случае разрушенная порода в выработке действует как жёсткая боковая опора, подпират столб и препятствуя его смещению в сторону штрека. Одновременно более целые надстилающие пласты прогибаются вниз в сторону штрека и сильнее давят на стену со стороны девственного угля. В результате в девственном ребре возникают более высокие горизонтальные и вертикальные напряжения, и оно втягивается в штрек сильнее, чем сторона столба.

Что действительно меняют размер столба и время работ

Ширина угольного столба и время выработки штрека влияли на интенсивность RDI, но не на возможность его возникновения. При высокой высоте контакта обрушенной массы узкий столб (например, 5–8 м) легко подпиратся со стороны выработки и показывает относительно небольшое смещение внутрь, тогда как девственная сторона испытывает гораздо большую деформацию. По мере увеличения ширины столба (приблизительно до 30 м и более) напряжения и повреждения по обеим сторонам выравниваются и обе стены смещаются примерно одинаково. Время также важно: если штрек прокладывают вскоре после разработки верхней панели — пока перекрывающие породы ещё оседают — столб склонен смещаться в сторону выработки, что дополнительно уменьшает его движение в сторону штрека и усиливает RDI. После стабилизации перекрывающих слоёв эффект RDI ослабевает, но не исчезает, если только высота подпора из обрушенных пород остаётся большой.

Как инженеры могут сохранить штрек открытым

Опираясь на эти выводы, авторы протестировали в модели и затем в полевых условиях несколько схем усиления. Простое увеличение числа коротких болтов не смогло предотвратить более сильную деформацию со стороны девственного угля. Наиболее эффективной оказалась стратегия усиления обеих стен более длинными болтами в сочетании с высокопрочными арматурными тросами, что позволило повреждённой наружной зоне «зацепиться» за более глубокие и прочные горизонты. Это более равномерно распределяло нагрузки между столбом и девственным углём. Полевые измерения после установки комбинированной крепи показали, что деформации штрека стабилизировались примерно в течение месяца, и обе стены в итоге имели схожие, значительно меньшие внутренние смещения — отвечающие требованиям безопасности и эксплуатации.

Что это значит для глубокой добычи угля

Для неспециалистов ключевой вывод таков: в очень толстых, глубоко залегающих угольных пластах стена штрека, которая на бумаге выглядит надёжнее, может фактически разрушиться первой. Осипшая порода в выработке, вместо того чтобы быть пассивным побочным продуктом, может настолько хорошо подпирать угольный столб, что устойчивая сторона из цельного угля становится слабым звеном под гнущейся кровлей. Идентифицировав высоту подпора пород как триггер и показав, как между собой взаимодействуют ширина столба, время разработки и меры крепления, это исследование даёт более чёткие рекомендации по проектированию крепи, которая сохраняет жизненно важные подземные проходы открытыми и повышает безопасность горняков.

Цитирование: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

Ключевые слова: подземная угледобыча, деформация горных пород, контроль грунтов, проектирование угольных столбов, штрек примыкающий к выработке