Современные угольные шахты часто используют контролируемые взрывы, чтобы снять напряжение в породе над выработками и предотвратить опасные выбросы породы. Но каждый взрыв также распространяет мощные ударные волны по подземному пространству. В этом исследовании поставлен практический вопрос с вопросом жизни и смерти: какое количество ВВ можно безопасно применить прежде, чем кровля или борта выработки внезапно обрушатся, и как инженеры могут заранее предсказать эту критическую грань?
Изображение напряжённой подземной выработки Figure 1.
Авторы сосредоточились на глубокой угольной шахте в Суншане (Китай), где кровля выработки сложена толстой слоистой песчаником, а боковые стенки из угля относительно мягкие и слабые. Чтобы снизить экстремальные напряжения, вызванные разработкой, инженеры сверлят в кровле глубокие отверстия и заряжают их ВВ. При подрыве эти заряды намеренно раскалывают и ослабляют прочную кровлю, чтобы она разрушалась контролируемо, а не внезапно и без предупреждения. Однако те же взрывы дополнительно встряхивают саму выработку. Сильная вибрация может подтолкнуть уже напряжённую породу вокруг туннеля через критическую точку, вызвав внезапную «катастрофическую» деформацию вместо постепенного, управляемого смещения.
Преобразование движения породы в энергетический баланс
Чтобы понять, когда может наступить это внезапное разрушение, авторы рассмотрели слоистую кровлю над выработкой как простую балку, опирающуюся на опоры. Они выписали уравнение для полной энергии, запасённой и высвобождаемой в этой балке, включая изгибание породы, вес надстилающих пачек, сопротивление систем крепления, таких как анкеры, и дополнительный импульс от взрывных колебаний. Применяя отрасль математики, называемую теорией катастроф, они привели это энергетическое выражение к стандартной «каплевидной» (cusp) модели, описывающей системы, которые долго остаются спокойными, а затем внезапно переходят в новое состояние при пересечении порога. В этой модели количество ВВ и прочность крепления служат управляющими параметрами, тогда как прогиб кровли — это отклик системы.
Сколько ВВ — это слишком много? Figure 2.
Из каплевидной модели команда вывела формулы для критической нагрузки от подрыва и, следовательно, для критического заряда ВВ в кровле. Если фактический заряд ниже этого значения, кровля может поглотить возмущение и остаться устойчивой; если он превышает значение, модель предсказывает внезапную потерю устойчивости. Аналогичный подход был применён к бортам, которые могут разрушаться через сочетание вертикальных трещин и сдвига вдоль ослабленной зоны. Здесь авторы построили механическую модель потенциального скользящего блока угля и породы, вновь записали выражение полной энергии и применили теорию катастроф, чтобы получить второе критическое значение заряда для устойчивости бортов. В обоих случаях результаты показывают: большие заряды, меньшие расстояния от источника взрыва и более слабая порода или крепления снижают допустимый предел.
Чему модель научила шахту Суншань
Имея лабораторные измерения прочности пород, полевые замеры вибраций при подрыве и геометрию выработки 2205 рабочего забоя шахты Суншань, исследователи рассчитали конкретные критические значения заряда. Слоистая кровля теоретически могла выдержать почти 100 килограммов ВВ за цикл подрыва, тогда как более хрупкие борта ограничивали безопасный заряд примерно 93 килограммами. Изначально в шахте использовали лишь 26 килограммов за цикл, чтобы избежать повреждений, что замедляло работу. Руководствуясь новыми критериями, инженеры увеличили заряд до примерно 79 килограммов — значительно ниже рассчитанного предела, но достаточно высокого для повышения эффективности. Мониторинг показал лишь небольшое дополнительное проседание кровли (5 миллиметров) и умеренное смещение бортов (11 миллиметров) в последующие дни после подрыва, что подтвердило сохранение устойчивости выработки.
Практические правила для более безопасных подрывных работ
Для неспециалистов главный вывод в том, что опасные обрушения туннеля при взрывах не случайны: они возникают, когда энергия вибрации толкает горную систему через математически определяемую точку невозврата. Комбинируя измерения свойств пород, геометрию туннеля, прочность креплений и характеристики вибрации взрыва, это исследование даёт формулы для максимально безопасного заряда ВВ как для кровли, так и для бортов. Оно также подчёркивает очевидные рычаги безопасности: усиление крепления, перенос точек взрыва дальше от выработки, упрочнение слабых пород методами типа инъекционного закрепления и ограничение заряда на один взрыв. Совместное применение этих мер помогает шахтам использовать мощные глубинные подрывы для контроля давления в кровле, сохраняя подземные выработки — и людей, работающих в них — в безопасности.
Цитирование: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
Ключевые слова: глубинное буровзрывное рассечивание, выработка в угольной шахте, устойчивость горной массы, поддержка кровли и бортов, теория катастроф
