Численное моделирование совместной эволюции напряжений и трещинообразования в водоупорных ключевых стратах при очистном отработке

Почему это важно для угля, воды и безопасности

Во многих сухих районах угольные пласты залегают непосредственно под ценными подземными водами. Разработка угля рискует нарушить слои породы, которые обычно действуют как естественная преграда, позволяя воде проникать в выработки или отводиться с поверхности. В этом исследовании поставлен практический вопрос: как деформируется и трещинообразуется водоизоляционный барьер между углем и подземными водами по мере продвижения горных работ, и при каких условиях он ещё способен удерживать воду?

Скрытый каменный щит над углем

Над многими угольными пластами находится относительно прочный слой горной породы, который блокирует доступ воды из водоносного пласта выше. Авторы называют его водоупорной ключевой стратой; восприятие её как подземного щита лежит в основе современных технологий «водосохранимой» разработки угля. Если этот пласт остаётся в основном целым, подземные воды остаются стабильными и затопление шахты маловероятно. Если же он превращается в сильно трещиноватую зону, его способность герметично перекрывать воду утрачивается. Ключевым фактором является расстояние между этим слоем и угольным пластом — толщина перекрытия — по отношению к высоте выемки. Это отношение, называемое относительной толщиной перекрытия, определяет, окажется ли щит в зоне полного обрушения, умеренного растрескивания или плавного изгиба при отработке.

Виртуальные эксперименты по выемке и напряжённости в породе

Поскольку наблюдать глубокие породы в реальном времени сложно, команда использовала компьютерную программу, моделирующую тысячи отдельных блоков породы и сопряжений между ними. Они смоделировали панель очистной выемки длиной 400 метров, приняв довольно однородные свойства пород и отсутствие дополнительного тектонического сжатия, чтобы ясно увидеть влияние расстояния от пласта. Были проверены три случая: барьерная порода располагалась на 20 м, 40 м и 60 м над пластом, при том же максимуме выемки и типе пород. В каждом случае отслеживали, как по мере продвижения очистного забоя меняются вертикальные и боковые (горизонтальные) напряжения в барьере и как существующие сопряжения раскрываются в трещины или снова закрываются.

Волны напряжений и пояса трещин внутри каменного щита

Моделирование показывает, что по мере продвижения забоя барьерная порода не просто провисает; вдоль длины пласта формируется повторяющийся набор зон напряжений. Начиная с нетронутой зоны, последовательность выглядит так: начальное состояние напряжений, затем пояс с накоплением напряжений, далее пояс резкого снижения напряжений, затем центральная зона с постепенным восстановлением напряжений, за которой следует ещё одна зона низких напряжений и, наконец, ещё один пояс повышенных напряжений вблизи движущегося забоя, прежде чем далее вернуться к начальному состоянию. Со временем центральная зона восстановления расширяется по мере уплотнения разрушенных вышележащих пород, которые начинают нести большую нагрузку. Одновременно участки непосредственно у выработанного пространства испытывают очень низкие напряжения, особенно вертикальные, что благоприятствует раскрытию трещин.

Как трещины растут, а затем в основном снова закрываются

Сеть трещин в барьерной породе чётко отражает этот пейзаж напряжений. В зонах повышенного давления трещины сжаты и, как правило, остаются закрытыми. Когда порода попадает в сильную зону разгрузки, трещины внезапно раскрываются и соединяются, образуя пояс разрушения, который может пропускать воду. По мере оседания вышележащих пород и восстановления напряжений многие из этих трещин постепенно закрываются, хотя некоторые упрямые остаются частично открытыми. Моделирование выявляет устойчивую временную последовательность в фиксированной точке барьера: начальное нетронутое состояние; рост напряжений; быстрое разгружение и рост трещин; период максимального растрескивания; и, наконец, частичное закрытие по мере восстановления напряжений. Чем дальше барьер расположен над пластом (то есть чем больше относительная толщина перекрытия), тем слабее перепады напряжений, тем меньше и короче пояс разрушения и тем легче трещинам закрыться.

Превращение горной механики в правила проектирования

Связывая траектории напряжений и эволюцию трещинообразования, авторы предлагают практическое руководство для планирования работ в руднике. Если барьер лежит очень близко к пласту, он, вероятно, окажется в полностью разрушенной зоне обрушения и не сможет служить преградой для воды, поэтому инженерам следует понизить уровни воды или применять мощные искусственные опоры. На умеренных расстояниях барьер располагается в зоне растрескивания, которая при правильной настройке скорости выемки, схемы панели и возможного инъектирования цементирующих растворов может сохранять функцию, ограничивая и затем восстанавливая трещины на этапе восстановления напряжений. Когда барьер находится достаточно далеко над пластом, он остаётся в зоне плавного изгиба и сохраняет надёжную естественную герметичность. По существу, единственное геометрическое отношение расстояния барьера к высоте выемки даёт быстрый критерий для оценки, возможна ли водосохраняющая разработка угля и какие дополнительные меры предосторожности нужны для защиты как энергетических, так и водных ресурсов.

Цитирование: Gao, H., Ji, L., Huang, Y. et al. Numerical modeling of coupled stress-fracture evolution in water-resisting key strata during longwall mining. Sci Rep 16, 6585 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36660-6

Ключевые слова: очистная отработка, охрана подземных вод, трещины в г Rocks, численное моделирование, прорыв воды в шахту