Закон распределения и контроль второй инварианты девиаторного напряжения при сохранении бокового штрека вдоль уступа

Почему эта подземная история важна

Глубоко под землёй современные угольные шахты вынуждены прокладывать туннели, которые остаются безопасными даже при выемке соседних пластов угля. Один из всё более популярных методов, называемый сохранением бокового штрека вдоль уступа (gob-side entry retaining), позволяет повторно использовать выработанный штрек вместо того, чтобы оставлять его за толщиной неразрезанного угля. Это экономит ценные ресурсы, но делает оставшийся штрек уязвимым к короблению и обрушению по мере смещения кровли. В этом исследовании, проведённом на глубокой шахте в Китае, показано, как новый подход к учёту напряжений в породе может предсказать наиболее вероятные зоны разрушения и как более грамотные меры поддержки способны удерживать эти жизненно важные проходы стабильными от начала разработки до её завершения.

Сохранение штрека рядом с обрушившейся пустотой

При сохранении бокового штрека вдоль уступа уголь извлекают по длинной стене, одновременно сохраняя выработку непосредственно рядом с выработанной пустотой — «гобом». Вместо того чтобы оставлять толстую угольную перемычку в качестве барьера, строят искусственную стенку — заполняющий телесный массив вдоль стороны выработки между штреком и гобом. Этот заполняющий элемент должен решать сразу несколько задач: быстро воспринять нагрузку при обрушении кровли, выдерживать большие сжатия без разрушения и герметизировать штрек от газа и обломков. Авторы проанализировали панель на глубине 690 метров в шахте Синьчжуан, где прямоугольный штрек сохранили вдоль гоба и поддерживали одниметровым цементным заполняющим телом вместе с анкерами и кабелями в окружающей породе.

Наблюдение за накоплением и перераспределением напряжений в породе

Вместо того чтобы ограничиваться простыми величинами давления, исследователи сосредоточились на том, как меняется форма породы под нагрузкой, используя величину, называемую второй инвариант девиаторного напряжения — здесь трактуемую как обобщённую меру того, насколько сильно порода деформируется и приближается к разрушению. С помощью детальных вычислительных моделей они смоделировали весь жизненный цикл штрека: от начальной выемки, через интенсивную разработку у забоя, до позднего периода, когда гоб в значительной степени уплотнился. Отслеживали, как эта мера напряжения образует кольцеобразные зоны вокруг выработки, как пики смещаются глубже в кровлю и угольный откос по мере продвижения забоя, и как разрастаются, а затем стабилизируются пластические (постоянно деформированные) области.

Три стадии опасности вокруг выработки

На ранней стадии, задолго до подхода забоя к штреку, напряжения вокруг выемки формировали неравномерное кольцо с умеренными пиками примерно на 2,5 метра в кровле и в массиве твердого угля. В приповерхностных слоях напряжения были относительно невысоки, соответствуя уже расслабленной зоне после выемки. По мере подхода и прохождения забоя (средняя стадия) порода испытывала значительно более сильные возмущения: пики увеличивались и смещались глубже — примерно до 4,5 метров в кровле и 3,5 метров в угольном откосе, при этом в околокровельном угольном углу образовывались узкие пояса высоких напряжений. На поздней стадии, после удаления забоя на десятки метров и уплотнения обрушенного гоба, напряжения в мелких слоях со стороны гоба ослабевали, но глубокая зона пиков у угла кровли со стороны угля продолжала расширяться и усиливаться, прежде чем в конечном счёте стабилизироваться.

Как искусственная стенка распределяет нагрузку

Заполняющий массив вел себя иначе, чем естественная порода. Напряжение в нём повышалось почти линейно от стороны гоба к штреку, что отражает постепенное принятие на себя нагрузки вместо удалённого угля. По мере того как расстояние за рабочим забоем увеличивалось и гоб уплотнялся, тенденция к концентрированию напряжения внутри заполняющего тела ослабевала — сломанная окружающая порода начинала подхватывать часть нагрузки на кровлю. Механические расчёты показали, что при заданных свойствах породы и поведении кровли однометровое заполняющее тело с прочностью около 20 мегапаскалей может обеспечить достаточное сопротивление, чтобы вызвать контролируемое разрушение кровли, а не образование длинной тяжёлой нависающей плиты.

Проектирование креплений, достигающих скрытых горячих зон

Отображая появление пиков напряжения и их смещение, исследователи выделили «обязательные к контролю» зоны в кровле и массиве твердого угля на несколько метров за стенкой выработки. Обычные короткие анкеры в основном укрепляют мелкие, уже нарушенные участки, но малоэффективны для этих глубоких зон опасности. Поэтому команда разработала комбинированную систему крепления: плотная сеть анкеров и сетки в мелкой кровле и откосах; гибкая цементная панель и внутренние анкеры для упрочнения заполняющего тела; и длинные натяжные кабели, установленные под углом так, чтобы проходить прямо через выявленные полосы высокого напряжения по второму инварианту. Полевой контроль показал, что в реальных условиях разработки деформации штрека удерживались ниже примерно 30 сантиметров, а уплотнение заполняющего тела — менее 10 сантиметров, подтверждая, что выработка оставалась эксплуатационной на протяжении всего цикла разработки.

Что это значит для более безопасной и эффективной разработки

Исследование демонстрирует, что учёт того, как порода сдвигается и деформируется, а не только того, насколько сильно она сжата, позволяет точнее выявлять места возможного глубинного разрушения вокруг повторно используемого штрека. Совмещая длинные анкеры с этими скрытыми пиками напряжения и задавая заполняющей стенке правильную ширину и прочность, инженеры могут держать штреки открытыми рядом с выработанными пустотами, не теряя уголь в виде толстых столбов. На практике это означает лучшее извлечение ресурсов, меньше новых выработок и более безопасные условия труда, всё это — благодаря более тонкому пониманию реакции подземных пород в процессе разработки.

Цитирование: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

Ключевые слова: сохранение бокового штрека вдоль уступа, устойчивость горных выработок в угольных шахтах, напряжённое состояние и разрушение горных пород, опорная стенка вдоль выработки, численное моделирование в горном деле