Исследование обоснованного положения горного штрека при повторной выемке покровных пород в неглубоко залегающих близко расположенных угольных пластах: тематическое исследование

Обеспечение безопасности подземных путей

Глубоко под равнинами Внутренней Монголии шахтёры работают в сети туннелей, которые должны оставаться устойчивыми, несмотря на то, что сверху давят миллионы тонн горных пород. Это исследование ставит на первый взгляд простую, но жизненно важную задачу: где именно следует проложить новый штрек в уже интенсивно разрабатываемой шахте, чтобы он оставался максимально безопасным и стабильным?

Почему старые выработки имеют значение

Во многих угольных месторождениях северного Китая пласты залегают близко друг к другу, иногда на расстоянии менее 40 метров. Разработка шахт обычно ведётся сверху вниз, поэтому к моменту освоения нижнего пласта верхние пласты могут уже быть пронизаны пустотами (называемыми сводами или гофами) и оставшимися массивами угля — призмами или столбами. Эти призмы принимают на себя значительную часть нагрузки от покровных пород. Такое перераспределение нагрузки создаёт зоны очень высокого давления вокруг них. Если новый штрек — горизонтальный туннель для вентиляции, транспорта и доступа рабочих — проложить в неправильном месте под этой сложной структурой, кровля и пол могут сильно деформироваться, крепление может выйти из строя, и возникнут серьёзные аварии.

Как ломается и оседает горная кровля

Исследователи сосредоточились на шахте Шигэтай во Внутренней Монголии, где новый пласт 3‑2‑2 залегает непосредственно ниже ранее отработанного пласта 3‑2‑1. Сначала им нужно было понять, как покровные слои над старыми выработками разрушились и осели. Применив устоявшиеся теории о том, как прочные слои горных пород прогибаются, трескаются и поворачиваются при выемке пласта, они построили пошаговую модель структуры покрова. Одни слои ведут себя как шарнирные каменные своды, другие — как консольные балки, а некоторые становятся «критическими» пластами, где происходят крупные разрывы. Команда сочетала эту теоретическую основу с полевыми данными о горных породах и их толщине, чтобы нанести на карту, как покров — всё, что находится над углём — разрушился после повторной разработки нескольких близко расположенных пластов.

Моделирование скрытого ландшафта напряжений

Чтобы проверить и уточнить свою структурную модель, авторы использовали мощные трёхмерные компьютерные симуляции. В одном наборе моделей они воспроизвели последовательность горных работ в районе и проследили, как блоки пород над сводами изгибались и обрушивались. Моделирование показало, что разрушенные породы над пластами и целые угольные призмы образуют сложную «ступенчатую» схему оседания, подтверждая теоретическую картину. Затем они рассчитали, как эта структура концентрирует напряжения в остающихся угольных призмах пласта 3‑2‑1 и как это напряжение распространяется в породах под полом. Выяснилось, что вертикальная нагрузка по ширине призмы формирует у самой подошвы «M‑образный» профиль: два пика высокого давления у сторон и более мягкая упругая сердцевина в центре. По мере удаления глубже под призму этот профиль постепенно сглаживается в перевёрнутую U‑образную форму, а затем в остро выраженное перевёрнутое V. Одновременно давление непосредственно под призмой уменьшается, тогда как давление под прилегающей выработанной зоной постепенно растёт.

Поиск безопаснейшего места для нового туннеля

Имея детальную карту скрытых напряжений, команда оценила варианты расположения штрека пласта 3‑2‑2. Они сравнили два основных варианта под надстающей призмой: прямо под её краем, где призма уже частично повреждена и разгружена, и под относительно целой центральной «сердцевиной» призмы. С помощью ещё одного набора численных моделей исследовали, как породы вокруг штрека будут деформироваться сначала при проходке, а затем после отработки нового забоя. Результаты показали: когда штрек расположен под упругой сердцевиной призмы, боковые откосы испытывают сильную концентрацию напряжений и значительные боковые перемещения. В отличие от этого, при размещении штрека под краем призмы сторона, примыкающая к выработанной зоне, несёт гораздо меньшие нагрузки, а общая деформация окружающих пород заметно меньше, особенно после полной выемки угля сверху и значительного разрушения призмы.

От компьютерной модели к реальной шахте

Исходя из этих выводов, инженеры Шигэтай разместили штрек 3‑2‑2 прямо под краем надстающей призмы 3‑2‑1 и спроектировали надёжную схему крепления из рокболтов, стальных тросов и сетки для поддержки кровли и стен. Полевые измерения затем отслеживали, насколько сблизились пол и кровля штрека и как развивались трещины в окружающих породах. Максимальное сближение кровли и пола составило около 48 сантиметров, а новые трещины в основном ограничивались тремя метрами от поверхности штрека — показатели, которые совпали с моделями и считались приемлемыми для безопасной эксплуатации.

Что это означает для будущей разработки

Для неспециалистов основной вывод ясен: в шахтах, где многие тонкие угольные пласты сложены близко друг к другу, «призраки» предыдущих выработок существенно влияют на безопасность новых туннелей. Исследование показывает, что при тщательном моделировании того, как слои пород разрушаются и как напряжения концентрируются в оставшихся призмах, инженеры могут выбирать расположение штреков, избегая наиболее опасных зон давления. В данном случае размещение нового штрека под краем, а не под серединой старой угольной призмы оказалось практичным и подтверждённым на практике путём обеспечения более безопасного и надёжного подземного доступа.

Цитирование: Miao, K., Tu, S., Tu, H. et al. Study on reasonable position of mining roadway under repeated mining overburden structure in shallow buried close distance coal seam: A case study. Sci Rep 16, 6440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37768-5

Ключевые слова: угледобыча, действия горных пород, устойчивость горного штрека, напряжение в угольной призме, численное моделирование