Исследование технологий контроля окружающей породы при рассечении кровли и снятии напряжений для бокового заполнения выработанного пространства при сохранении прохода вдоль отработанной зоны на панели большой выемочной высоты

Сохранение подземных тоннелей открытыми и безопасными

Глубокие подземные угольные шахты зависят от длинных тоннелей для перемещения людей, техники и угля. Но после извлечения угля породы над выработанным пространством могут смещаться и сдавливать эти тоннели, создавая серьёзные риски для безопасности и экономические потери. В этом исследовании рассматривается китайская шахта и ставится практический вопрос: как инженерам спроектировать зону отработки и крепление так, чтобы ключевой проход мог оставаться открытым для следующего этапа разработки, а не был заброшен и заново прорублен?

Почему важно сохранить один проход

Современные шахты часто используют очень высокие панели, при которых толстые пласты угля извлекаются за один проход, что увеличивает добычу, но значительно нарушает состояние окружающей породы. Традиционно горняки оставляют массивный целик угля в качестве столба для защиты близлежащих выработок. Однако этот целик удерживает ценный уголь под землёй и требует дополнительных проходческих работ. Метод, называемый сохранением прохода вдоль отработанной зоны (gob-side entry retaining), предлагает более рациональное решение: оставить проход прямо у обрушившейся отработанной зоны (gob) и заменить столб специально построенной примыкающей стенкой. Если такой проход удаётся сохранить стабильным, шахта может извлечь больше угля, сократить затраты на подготовительные работы и повысить общую эффективность.

Когда порода и стенка не справляются

Авторы анализируют, что идёт не так, если рассчитывать только на примыкающую стенку. В высоких и широких панелях перекрывающие пласты породы прогибаются и разрушаются на большем пролёте, создавая мощные, перемещающиеся нагрузки. Узкая стенка вынуждена воспринимать значительную часть этой нагрузки. Если стенка слишком жёсткая, в ней возникают чрезвычайные внутренние напряжения, приводящие к растрескиванию или раскалыванию. Если она слабее, стенка может выпирать и сжимать пространство прохода, зажимая кровлю и боковые откосы внутрь. В других случаях сочетание прочной стенки и слабой кровли приводит к сдвигу и падению пород над проходом, вызывая локальные обрушения. Коротко: простое возведение стенки у границы gob недостаточно, чтобы противостоять интенсивным движениям пород над толстым забоем.

Рассечение кровли для снижения нагрузки

Чтобы решить эту проблему, исследователи предлагают комбинированный подход, называемый «усиленное крепление плюс рассечение кровли для разгрузки». Идея заключается в преднамеренном создании наклонного разреза в твёрдых породах над проходом со стороны gob. Этот разрез ослабляет связь между кровлей прохода и ключевыми породными слоями, направляя разрушение и обрушение перекрывающих пород в сторону выработанного пространства, а не висящими над дорогой, как жёсткая балка. Одновременно сам проход укрепляют плотной сеткой анкеров, стальных канатов, гидравлических опор и бетонной примыкающей стеной, которая может нести нагрузку, но допускать контролируемые перемещения.

Поиск оптимума с помощью виртуального тестирования

С помощью трёхмерных компьютерных моделирований, откалиброванных по реальной шахте (выработка 2507), команда варьировала три параметра: высоту рассечения кровли, угол разреза и ширину примыкающей стенки. Они отслеживали величину, называемую девиаторным напряжением — совокупную меру интенсивности деформации породы — чтобы выявить зоны наиболее вероятного разрушения. Модели показали, что рассечение кровли примерно на 15 метров, достигающее примерно 70 % от толщины основного пласта кровли, существенно снижало напряжения вокруг прохода. Угол разреза 15 градусов обеспечивал сбалансированное распределение нагрузки между твёрдой стороной пласта и примыкающей стенкой, способствуя упорядоченному обрушению пород в gob вместо опасных нависающих блоков. Для стенки ширины 0,5–1,0 метра оказывались слишком слабыми, вызывая серьёзные деформации, тогда как ширина около 1,5 метра давала наилучшее сочетание прочности и адаптивности.

Подтверждение данными мониторинга в реальных условиях

Оптимизированный проект был затем испытан в шахте. Приборы измеряли перемещения кровли, силы в анкерных канатах и давление на бетонную стену по мере продвижения забоя и оставления прохода вдоль отработанной зоны. Проседание кровли со стороны рассечения оставалось в пределах примерно 120 миллиметров, а нагрузки в канатах и давления на стенку достигали пиков, затем выравнивались ниже проектных пределов. Такое поведение показало, что рассечение кровли успешно снизило нагрузку, воспринимаемую непосредственно проходом, и что усиленное крепление работало совместно, не подвергаясь перегрузке или внезапному отказу.

Что это значит для более безопасной и эффективной добычи

Для неспециалистов основной вывод заключается в том, что тщательное «предварительное разрушение» твёрдых пород над проходом в сочетании с надёжным, но гибким креплением позволяет сохранять важные подземные дороги даже при извлечении огромных пластов угля рядом. Выбрав правильную высоту рассечения, угол разреза и ширину стенки, инженеры могут управлять тем, как ломается порода и как распределяется нагрузка. В этом случае рассечение кровли высотой 15 метров, с углом 15 градусов и примыкающей стенкой шириной 1,5 метра обеспечили стабильный, пригодный для повторного использования проход рядом с gob. Это означает большее извлечение угля, меньше новых проходов и более безопасные условия труда для шахтёров в глубоких выработках.

Цитирование: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Ключевые слова: угледобыча, опора горных выработок, рассечение кровли, проход вдоль забоя, подземная устойчивость