Исследование механизма и мер предотвращения динамических аварий в почти вертикальных сверхтолстых угольных пластах

Почему глубокая добыча угля может внезапно стать опасной

По мере того как мир по‑прежнему зависит от угля для энергетики и промышленности, шахты вынуждены углубляться и разрабатывать всё более сложные геологические условия. В некоторых районах западного Китая одни из самых толстых пластов угля стоят почти на ребре, как книги на полке. Разработка таких почти вертикальных пластов привела к мощным подземным «динамическим авариям» — внезапным разрушениям горных пород и ударам пород, способным повреждать оборудование и угрожать жизни шахтёров. В этом исследовании изучается одна из таких шахт — Вудун (Удун) в Синьцзяне — чтобы понять, почему происходят эти аварии и как их можно предотвратить.

Пласты угля, стоящие на ребре

В представлении большинства людей угольные пласты залегают примерно горизонтально. В Удуне, однако, основные пласты имеют толщину 28 и 40 метров и наклоняются под углом примерно 85–87 градусов, то есть почти вертикально. Между ними располагается массивная стенка породы, называемая перемычкой. Когда шахтёры вырезают горизонтальные слои угля на разных уровнях, остаются большие пустоты (закомбазы). В таких крутых пластах сила тяжести действует не только вниз, но и вбок, создавая необычные напряжения в кровле, в кровле и в центральной перемычке. Предыдущие аварии в этом районе — несколько энергоемких ударов пород, связанных с перемычкой и кровлей — показали, что эти структуры могут накапливать и внезапно высвобождать огромные количества энергии.

Как перемычки и кровля накапливают скрытую энергию

Исследователи объединили математическое моделирование, лабораторные испытания образцов пород, подземные измерения и масштабные физические модели, чтобы проследить деформацию массива пород по мере продвижения выемки. Они обнаружили, что как только уголь вокруг перемычки удаляется, она начинает вести себя как гигантский консольный брус, медленно изгибаясь в сторону одной из выработанных пустот. Это изгибание и поворот сжимают и вырывают уголь по бокам, накапливая энергию деформации как в самой перемычке, так и в пластах угля. Расчёты показали, что первые трещины в перемычке начинаются при обнажении примерно 150 метров, а крупномасштабное разрушение развивается при неподдерживаемой высоте около 350 метров. Микросейсмический мониторинг — по сути подземное «прослушивание» мелких землетрясений — подтвердил интенсивные повреждения и высокоэнергетические события в перемычке на этих глубинах.

Оперевшаяся кровля, сдвиг пола и сильные обрушения

Надлежащие слои пород над пластом ведут себя не менее критично. Поскольку пласты почти вертикальные, кровля не испытывает обычного прямого вертикального давления; вместо этого она склонна наклоняться в сторону пустот. Модели команды и крупная лабораторная имитация показали, что непосредственная кровля может висеть без опоры более чем на 40 метров до обрушения. Когда это происходит, верхние слои в основном опрокидываются — как ряды книг, падающих друг на друга — тогда как нижние слои могут прогибаться или сдвигаться. Обломки затем валятся и поворачиваются в закомбаз, иногда образуя временные треугольные опоры, которые позже снова обрушаются. Основание под нижним пластом также нагружается, а затем внезапно разгружается по мере ведения разработки, что делает его склонным к срезу и скольжению. В совокупности изгибающиеся перемычки, нависающая кровля и ослабленный пол создают мощные статические напряжения и, при окончательном разрушении, сильные динамические удары, способные вызвать удары пород.

От понимания опасности к изменению горной массы

Поняв, что аварии возникают из сочетания высокого статического напряжения и внезапного динамического возмущения, авторы сосредоточились на способах отвести энергию прежде, чем она причинит вред. Их решение — целенаправленное ослабление выбранных зон горной породы с помощью подрыва. Они бурят два набора скважин — мелкие и глубокие — как в кровле, так и в основании перед лицом выемки, затем подрывают контролируемые заряды взрывчатки. Это создаёт трёхмерную «буферную зону» расколотой породы, которая перенаправляет и смягчает горизонтальные напряжения, приходящие от перемычки и окружающих пластов. Компьютерные симуляции показали, что по сравнению с отсутствием подрыва эти меры могут снизить горизонтальные напряжения перед забоем примерно на одну пятую, причём в их сценариях наилучший эффект давало только мелкослойное бурение и подрыв.

Как измеряли, действительно ли защита работает

Чтобы проверить технику под землёй, команда использовала два вида мониторинга. Во‑первых, они отслеживали электромагнитное излучение, которое естественным образом возникает при раскалывании угля и породы. После подрыва уровни излучения в обработанной зоне снизились примерно на 30 процентов в породе и около 13 процентов в угле, что указывает на уменьшение напряжений. Во‑вторых, они проанализировали микросейсмические данные за месяц до и после подрывов. Сразу после взрывов число и энергия микросейсмических событий возросли по мере открытия трещин и высвобождения накопленного напряжения. Со временем и частота, и энергия затем уменьшились, что свидетельствует о том, что массив пород стал более стабильным и менее склонным к взрывным разрушениям.

Повышение безопасности глубокой разработки крутых пластов

Для неспециалиста главный вывод таков: самые опасные силы в крутых, сверхтолстых угольных пластах во многом невидимы — медленное изгибание и нависание массивных плит породы, которые тихо накапливают энергию до тех пор, пока что‑то не уступит. Это исследование показывает, что, понимая, где и как накапливается эта энергия — главным образом в центральной перемычке и нависающей кровле — инженеры могут вмешаться заранее и целенаправленно ослабить породу в выбранных зонах. При правильном выполнении такое контролируемое повреждение служит предохранительным клапаном: снижает напряжения, уменьшает масштабы внезапных выбросов энергии и делает удары пород менее вероятными. Подход предлагает практический путь к более безопасной добыче в одних из самых трудных угольных залежей мира.

Цитирование: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

Ключевые слова: удар породы, безопасность добычи угля, крутые угольные пласты, взрывное разгрузочное бурение, обрушение горной перемычки