Использование натурных испытаний и численного моделирования для выявления механизма обрушения выработки: тематическое исследование

Почему обрушения под землёй важны для всех нас

Глубоко под землёй металлические руды, обеспечивающие работу наших телефонов, автомобилей и технологий чистой энергии, добываются в обширных искусственных полостях. Если крыша этих пустот внезапно обрушивается, последствия могут быть смертельными для шахтёров и вредными для окружающей среды и близлежащих населённых пунктов. В этом исследовании рассматривается, как и почему происходят такие обрушения в современной подземной шахте с обратной засыпкой, и как аккуратные лабораторные эксперименты в сочетании с компьютерным моделированием позволяют предсказывать и предотвращать подобные катастрофы.

Скрытые камеры под поверхностью

При добыче руды остаются выработанные пространства, называемые стоями или закладными выработками. Во многих рудниках эти пустоты затем заполняют отходами горных пород и цементом, чтобы поддержать перекрывающие слои. Но если заполнение недостаточно прочное, большие участки кровли и прилегающих пород всё равно могут обрушиться. Авторы сосредоточились на китайском руднике, где значительные площади уже были зацементированы, однако крыша над одной отработанной зоной обрушилась. Их цель — понять цепочку событий, которые превратили видимо устойчивую подземную камеру в большую U‑образную зону обрушения, угрожавшую соседним выработкам.

Построение мини‑шахты в лаборатории

Чтобы безопасно исследовать проблему, исследователи сконструировали крупномасштабную физическую модель шахты, используя смеси песка, барита, цемента и гипса для имитации руды, обратной засыпки и окружающих пород. Они даже разработали новую форму для инъекций и пошаговую технологию заливки, чтобы можно было заливать разные типы «породы» и «заполнителя» ровными слоями — задача, оказавшаяся удивительно сложной при работе с тяжёлым, медленно текущим раствором. После затвердевания модели они имитировали добычу, сформировали выработку и затем постепенно нагружали верхнюю часть, имитируя вес перекрывающих пород. Высокоскоростные камеры, тензометры и виброметры фиксировали деформацию модели и распространение ударных волн при разрушении.

Наблюдая, как разворачивается обрушение

В лаборатории момент, когда образовалось большое пустотелое пространство, не сопровождался плавным прогибом кровли; она разрушилась почти мгновенно. Толстая плита рудной кровли оторвалась как относительно цельный блок, рухнула на пол и послала сильные вибрационные волны через окружающий материал. Вскоре боковые стены сдвинулись внутрь, к центру, сжимая засыпку и обрушившиеся куски породы. К моменту достижения нового устойчивого состояния зона обрушения разрослась примерно до 72 метров в длину и имела отчётливый U‑образный профиль. Приборы, размещённые возле подземных дорог в модели, зарегистрировали более высокие скорости вибрации на одной стороне по сравнению с другой, что показывает: локальные свойства породы влияют на то, как энергия обрушения распространяется по руднику.

Моделирование разрушений в трёх измерениях

Чтобы проверить, действительно ли их масштабная модель отражает происходящее под землёй, команда обратилась к современному численному моделированию с использованием ПО 3DEC. Они создали трёхмерную цифровую копию рудника с реалистичными свойствами пород и заполнителя и задали гравитацию и натурные напряжения. Виртуальная шахта вела себя очень похоже на физическую: наибольшие перемещения происходили в кровле, боковые стены сдвигались к выработке, и вокруг закладки сформировалась U‑образная зона разрушения. Моделирование также показало резкие переходы от устойчивой породы к быстро сдвигающейся и выявило места, где сдвиговая деформация — индикатор неминуемого скольжения — резко возрастала прямо перед коллапсом. Такое близкое совпадение результатов лаборатории и компьютера укрепило уверенность исследователей в понимании механизма разрушения.

От теории к более безопасной практике добычи

Помимо описания наблюдаемых явлений, авторы использовали классическую теорию механики пород для вывода формулы, связывающей прочность породы, трение и форму выработки с толщиной «давящей арки» над подземным отверстием. Эта арка — зона породы, несущая нагрузку после выемки; по мере её формирования и последующего разрушения определяется, как развивается U‑образное обрушение. Сочетая эту теорию с экспериментами и моделированием, они наметили вероятные линии скольжения и опасные зоны вокруг обрушившейся стои реального рудника. Затем разработали целевую схему инъекций: бурение из устойчивых участков в повреждённую зону и заполнение цементным раствором для склеивания свободных блоков. Полевые испытания показали, что такое армирование улучшило качество горной массы и позволило безопаснее отработать пять соседних стоев.

Что это значит для людей и шахт

Для неспециалистов вывод прост: подземные полости не рушатся случайно. Их обрушение подчиняется узнаваемым схемам, которые можно измерить, смоделировать и контролировать. Сочетая уменьшенные физические модели, трёхмерное компьютерное моделирование и простую формулу толщины арки, это исследование даёт операторам рудников практический набор инструментов для выявления зон повышенного риска и их укрепления до возникновения катастрофы. Подход помогает защитить жизни шахтёров, снизить вероятность просадок поверхности и обеспечить более надёжный доступ к металлам, от которых зависит современное общество.

Цитирование: Zhang, R., Xie, C. & Chen, J. Using physical model test and numerical simulation for revealing the mechanism of stope collapse: a case study. Sci Rep 16, 6596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37753-y

Ключевые слова: подземная разработка, обрушение горных пород, подсыпка, численное моделирование, инъекционное армирование