Стабильность массива горной породы в выработках с трещиноватым массивом: механизмы и влияние оптимизации планировки

Почему трещиноватая порода важна в недрах

Глубоко под земной поверхностью угольные шахты опираются на длинные туннели, или выработки, проложенные через горную породу. Эти проходы должны сохранять устойчивость, чтобы рабочие могли безопасно перемещаться, а оборудование — функционировать. Но порода редко бывает идеальной: её пересекают природные трещины и швы, которые под действием напряжений могут расти и сцепляться, иногда приводя к обрушениям. В этом исследовании поставлен практический вопрос с последствиями для жизни: как ведут себя эти скрытые трещины по мере углубления шахт и как можно оптимизировать планировку выработок, чтобы предотвратить разрушение окружающей породы?

Как учёные воссоздали изломанную породу

Для изучения этой проблемы в контролируемых условиях исследователи сначала изготовили образцы, похожие на породу, в лаборатории. Вместо природного камня, который сложно точно раздробить, они отливали бетонные блоки с одной искусственной трещиной под разными углами — от горизонтального до вертикального. Качество каждого образца проверяли ультразвуком, подтверждая, что лишь центральная зона содержит явную трещину, а остальной материал остаётся однородным. Эти образцы затем испытывали в пресс‑установке, чтобы проследить, где и как возникают новые трещины, как они разрастаются и как образец в итоге разрушается.

От настольных образцов к компьютерной породе

Лабораторных испытаний недостаточно для отражения всей сложности реальных шахт, поэтому команда создала детальные компьютерные модели трещиноватых образцов с использованием метода дискретных элементов. В этой виртуальной породе материал разделён на множество мелких многоугольных блоков, которые могут сдвигаться, расходиться или дробиться друг о друга — подобно реальным зернам горной породы. Тщательно настроив модель так, чтобы её прочностные характеристики и сценарии разрушения соответствовали физическим тестам, исследователи получили инструмент, которому можно доверять при изучении гораздо большего числа сценариев, включая влияние различного уровня окружающего давления, аналогичного условиям на больших глубинах.

Что происходит с трещинами под давлением

Моделирования и эксперименты вместе показали, что угол первоначальной трещины существенно определяет, как распространяется повреждение, особенно когда трещина наклонена примерно на 30–60 градусов. В этом диапазоне новые трещины как правило образуются рядом с существующей трещиной и растут в направлениях, постепенно выравнивающихся с ней. По мере увеличения внешнего давления — аналогично углублению под землю — процесс растрескивания становится более локализованным вблизи исходной трещины, а не распространяется по всему массиву. Общая прочность образцов демонстрирует отчётливую V‑образную зависимость от угла трещины: порода относительно прочна при почти горизонтальной или почти вертикальной трещине, но заметно слабее при промежуточных углах, когда трещины наиболее охотно соединяются.

Проектирование более безопасной планировки выработок

Обладая таким пониманием на малом масштабе, команда перешла к моделированию реальных планировок шахт с несколькими близко расположенными выработками. Используя верифицированные модели, они смоделировали, как напряжения от веса перекрывающей породы и от добычи угля вызывают формирование пластических зон — областей, где порода уступила и растрескалась — вокруг каждой выработки. Было установлено, что по мере роста общего уровня напряжений деформации быстро увеличиваются, а пластические зоны углубляются. Когда две выработки расположены слишком близко, эти зоны повреждений могут сливаться, создавая большую ослабленную область, угрожающую обоим туннелям. Полевая каротажная съёмка в действующей угольной шахте подтвердила картину модели: мелкие кровли над тесно расположенными выработками были сильно растрескавшимися, тогда как более глубокие участки оставались относительно цельными.

Что это значит для безопасности угольных шахт

Исследование делает практический вывод: существует эмпирическое правило для более безопасной планировки — сохранять расстояние между основными выработками более примерно пяти радиусов выработки (или, в рассматриваемом случае, примерно более 15 метров) — это помогает предотвратить перекрытие зон трещиноватости и улучшает долговременную устойчивость. Работа также подчёркивает, что высокие естественные напряжения в массиве в сочетании с дополнительными нагрузками от добычи являются главными факторами роста трещин и углубления повреждений. Проще говоря, тщательное планирование расположения туннелей — опирающееся как на эксперименты, так и на реалистичные моделирования — может существенно снизить риск обрушений, защитить рабочих и сократить расходы на обслуживание в глубоких угольных шахтах и аналогичных подземных проектах.

Цитирование: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Ключевые слова: проходки угольных шахт, трещиноватая порода, подземная устойчивость, шаг проходок, дискретно‑элементное моделирование