Механизм эволюции энергии твердой кровли рабочей очистной зоны, примыкающей к забою, после гидрофракционирования и применение

Почему преднамеренное разрушение породы может сделать добычу безопаснее

Глубокие подземные угольные шахты сталкиваются с скрытой угрозой: твердая кровля над выработками может внезапно разломаться, высвобождая накопленную энергию подобно огромной подземной пружине. Такие бурные разрушения могут повредить оборудование, вызвать сейсмические толчки и поставить под угрозу жизни горняков. В этом исследовании рассматривается, как целенаправленное гидравлическое разрывание — подача воды под высоким давлением для образования трещин в породе — может изменить способ накопления и высвобождения энергии в кровле над очистным забоем, примыкающим к уже выработанному пространству (забою). Авторы сочетают теорию, численные моделирования и полевые измерения на китайской шахте, чтобы показать, как направленные трещины могут существенно снизить опасные напряжения и сейсмическую активность.

От подземной «пружины» к контролируемому оседанию

По мере добычи угля слои породы над рабочей зоной теряют опору и начинают прогибаться и разрушаться. Толстая, прочная «твердая кровля» ведет себя как длинная свешенная балка: она гнется, накапливает большое количество упругой энергии, а затем внезапно разрушается, посылая волны напряжения и ударные волны в шахту. Когда очистной забой примыкает к забою — ранее выработанной полости со своей подвешенной твердой кровлей — проблема усугубляется, поскольку перемещения в одной зоне могут передавать энергию в другую. Авторы с помощью энергетических формул показывают, что при сохраненной целостности твердой кровли она действует как эффективная система накопления и передачи энергии, повышая риск внезапных выбросов породы и сильных микросейсмических событий.

Преобразование накопленного напряжения в медленное, ступенчатое движение

Ключевая идея работы — преднамеренно ослабить твердую кровлю, чтобы она оседала поэтапно, а не ломалась сразу. С помощью длинноствольного гидравлического разрыва инженеры вводят воду под высоким давлением в целевой слой породы, создавая сеть трещин. Это дробит кровлю на меньшие сегменты, которые поворачиваются, сдвигаются и опускаются постепенно. С точки зрения энергии упругая потенциальная энергия кровли поэтапно превращается в простую потенциальную энергию гравитации по мере опускания разрушенных кусков. Расчеты для шахты Гаоцзяпу показывают, что после фракционирования энергия, передаваемая в виде динамического напряжения к забою, может сократиться примерно на 95%, а дополнительное напряжение на забое — примерно на 80%.

Как найти самое безопасное место для разрыва кровли

Разрыв кровли не должен подрывать близлежащие выработки, через которые проходит воздух и работают люди. Исследователи строят упрощенную механическую модель угольных столбов между рабочей очистной зоной и забоем, чтобы определить, где порода вокруг штрека наиболее уязвима. Отслеживая накопление напряжений и начало пластических деформаций угля и породы, они вычисляют ширину наиболее разрушенной зоны рядом с забоем. Учитывая, как далеко может распространиться сеть трещин, авторы приходят к выводу, что идеальное место для фракционирования должно находиться примерно в 31 метре от обратного вентиляционного штрека. На таком расстоянии трещины достаточны, чтобы разрушить кровлю со стороны забоя и прервать передачу энергии, оставаясь при этом безопасными для столбов штрека.

Проверка идеи в виртуальных и реальных шахтах

Чтобы проверить теорию, авторы моделируют выемку угля с гидрафракционированием и без него с помощью частично‑дискретной компьютерной модели. В сценарии «без фракционирования» твердая кровля сильно выступает в забой до окончательного разрушения, вызывая большие смещения и концентрированную зону напряжений над пластом. В случае «с фракционированием» предсуществующие трещины заставляют ключевой слой породы двигаться и разрушаться раньше и на большей площади. Смоделированная фракционированная кровля образует более чем вдвое больше трещин по сравнению с целой кровлей, а основная кровля начинает оседать почти на 50 метров раньше, избегая крупного жесткого выступа. Датчики напряжения в модели показывают, что пиковые нагрузки на рабочую забойную поверхность снижаются до примерно 18% и достигают стабильного уровня быстрее.

Реальные преимущества в давлении и сейсмической безопасности

Наконец, метод применили на очистном забое 3407 шахты Гаоцзяпу. Впереди участка пробурены длинные скважины для нагнетания воды под высоким давлением. Давления гидравлических щитов — использованные в качестве прокси для веса кровли и напряжений — в неразрушаемых участках показывают сильные периодические пики, но становятся слабее и менее регулярными, когда горные работы входят в зону с фракциями. Одновременно микросейсмиический мониторинг демонстрирует, что при примерно одинаковом количестве мелких событий их суммарная суточная энергия резко падает, а доля событий с высокой энергией снижается с почти четверти до менее чем пяти процентов. Практически это означает переход участка от категории «опасно» к более безопасному состоянию с меньшим риском внезапных, бурных обрушений кровли.

Что это значит для более безопасной глубинной добычи

Для неспециалистов главный вывод таков: преднамеренное дробление породы может действительно повысить безопасность подземной добычи. Применяя гидравлическое разрывание для предварительного надрубания твердой кровли в правильной точке, инженеры могут превратить единый опасный «щелчок» в серию меньших, управляемых перемещений. Исследование показывает, что выполнение этого рядом с выработанным забоем может резко снизить как напряжения на активном забое, так и силу индуцированных горными работами сейсмических событий. Хотя модели упрощены и в дальнейшем потребуются более детальные трехмерные исследования, сочетание теории, моделирования и полевых данных сильно указывает на то, что целенаправленное гидравлическое фракционирование является мощным инструментом для снижения риска катастроф в глубокой угледобыче.

Цитирование: Liu, X., Liu, H., Dong, J. et al. Energy evolution mechanism of hard roof of working face adjacent to goaf after hydraulic fracturing and application. Sci Rep 16, 6055 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36520-3

Ключевые слова: гидравлическое разрывание, безопасность угольных шахт, предотвращение выбросов, напряжение кровли, микросейсмический мониторинг