Экспериментальное исследование эволюции деформации уплотнения и характеристик диссипации энергии градуированного разрушенного массива горных пород

Почему щебень важен под землёй

Глубоко под землёй в угольных шахтах выработки часто частично заполнены залежами обрушенной породы. То, насколько плотно этот щебень уплотняется и как он выделяет энергию при смещениях, может влиять на то, выходит ли газ безопасно или накапливается до опасного уровня. В этом исследовании изучают, как разные смеси крупных и мелких фрагментов породы сжимаются, как меняются пустоты между частицами и сколько скрытой энергии высвобождается при их сжатии — знания, которые могут сделать горные работы безопаснее и эффективнее.

Как сжимали породу и прислушивались к ней

Исследователи собрали мелкозернистый песчаник из китайской угольной шахты и раздробили его на частицы пяти размерных групп — от нескольких миллиметров до 25 миллиметров. С помощью математической формулы, называемой индексом градации, они приготовили пять различных смесей — от преимущественно мелкозернистых до содержащих больше крупных кусков. Каждый образец массой 2,4 кг засыпали в прочный стальной цилиндр и нагружали сверху при жёстко закреплённых боковых стенках — по аналогии с тем, как обрушенная порода в выработке пережата массивом вышележащих пород. Одновременно чувствительные акустические датчики «слушали» крошечные упругие волны, возникающие при скольжении, трении или разрушении частиц, переводя эти сигналы в счётчики событий и энергию, что позволяло отслеживать внутренние перестановки в скелете породы.

Три стадии сжатия

По результатам измерений напряжений и деформаций команда обнаружила, что все смеси проходят через три очевидные стадии уплотнения. Сначала наступает начальная стадия, когда слабо упакованные частицы скользят, поворачиваются и оседают в новые положения, вызывая быстрое укорачивание при относительно низком напряжении. Затем идёт линейная стадия, в которой структура стабилизируется и дальнейшая нагрузка даёт почти линейную зависимость между напряжением и деформацией; здесь доминируют разрушение частиц и более плотные контакты «поверхность-к-поверхности» между зернами. Наконец возникает стадия пластической консолидации, когда массив становится жёстким и сопротивляется дальнейшему укорачиванию: при дополнительном напряжении наблюдается лишь небольшая прибавочная деформация, но более интенсивное локальное дробление. Смеси, богатые мелкими частицами, достигали этих поздних стадий раньше и дольше оставались в финальной жёсткой фазе, в то время как смеси с преобладанием крупной фракции требовали более высоких напряжений для получения того же укорачивания.

Как меняются пустоты и размеры частиц

Пустоты между частицами уменьшались по трёхступенчатой схеме, повторяющей стадии деформации: стремительное падение, замедленное снижение и затем почти плато по мере приближения материала к плотнейшему состоянию. Образцы с большим содержанием крупных частиц изначально имели больше пустот и в целом потеряли больше пустого объёма, но их коэффициент пустотности падал быстрее при низких напряжениях. После сжатия просеивание показало, что во всех смесях образовалось много новых мелких фрагментов размером менее 2,5 мм, в то время как доля самых крупных частиц резко уменьшилась. Фрактальная мера сложности зернового состава увеличилась для каждого образца, а итоговые значения сгруппировались в узком диапазоне, что означает, что уплотнение стремится сгладить исходные различия между смесями. Тем не менее смеси с преобладанием крупной фракции всё ещё заканчивали с несколько более простым (менее раздробленным) распределением размеров, чем смеси, богатые мелью.

Энергетические шепоты и всплески внутри завала

Акустические измерения показали, что закономерности высвобождения энергии также следуют трём стадиям. На ранней стадии сигналы были частыми, но слабыми, отражая трение и небольшие перестановки между зернами. В линейной стадии как число событий, так и их суммарная энергия значительно возрастали, по мере того как крупные частицы начинали трескаться и внутренняя структура реорганизовывалась. На последующей стадии число событий уменьшилось, но отдельные энергетические всплески стали гораздо сильнее — это связано с редким разрушением оставшихся крупных фрагментов внутри уже жёсткого каркаса. Смеси с большим содержанием мелких частиц давали гораздо больше низкоэнергетических событий, тогда как смеси, доминируемые крупной фракцией, генерировали меньше, но гораздо более энергетических всплесков, демонстрируя переход от «много тихих шепотов» к «редким громким щелчкам» при изменении зернового состава.

Что это значит для безопасности шахт

В целом исследование показывает, что градация разрушенной породы — соотношение мелкой и крупной фракций — сильно контролирует то, как она уплотняется, как закрываются пустоты, как развиваются боковые давления и как высвобождается накопленная энергия. Со временем разные исходные смеси стремятся сближаться к схожим плотным, сильно раздробленным состояниям, но путь механических и энергетических превращений у них очень различен. Для горных инженеров понимание этих путей помогает прогнозировать, как уплотняются зоны выработанного пространства, открываются или закрываются газовые пути и когда могут возникнуть опасные концентрации напряжений и энергии, что даёт научную основу для более эффективной схемы дегазации и улучшенного контроля горно-газовых аварий в глубоких угольных шахтах.

Цитирование: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Ключевые слова: уплотнение разрушенной породы, забой угольной шахты, зернистые материалы, акустическая эмиссия, профилактика газовых аварий