Исследование характеристик деформации и технологий крепления выработок в глубоком сложном полевом напряжении

Почему тоннели глубоких шахт важны для всех нас

Большая часть электроэнергии и промышленного топлива, на которые мы полагаемся, по‑прежнему получается из угля, добываемого глубоко под землёй. По мере того как шахты углубляются, чтобы достичь оставшихся пластов, туннели, по которым проходят рабочие, техника и уголь, испытывают огромные давления со стороны окружающей горной породы. Когда порода деформируется или обрушивается, это может привести к дорогостоящему ремонту, потере добычи или смертельным авариям. В этом исследовании рассматривается, почему горные выработки на большой глубине в сложной подземной планировке так сильно деформируются, и предлагается новый подход к их стабилизации и безопасности.

Лабиринт выработок под экстремальным давлением

Исследователи сосредоточились на угольной шахте, где основные выработки залегают более чем в 800 метрах под землёй и образуют трёхмерный лабиринт. Рельсовые и конвейерные штреки, бункеры для хранения и соединительные ходы пересекаются под разными углами и в разных размерах. Эти пересечения, особенно крупные участки, прозванные «буль‑нос» (bull‑nose), нарушают естественное поле напряжений в окружающей породе. Вместо простого равномерного сжатия прямого туннеля, в местах пересечений порода испытывает накладывающиеся усилия из нескольких направлений, что значительно усложняет прогнозирование и контроль поведения горного массива.

Как и где порода начинает разрушаться

Чтобы понять это скрытое поведение, команда создала детальную трёхмерную численную модель сети выработок и слоёв породы шахты. Они смоделировали процесс выемки каждой выработки и проследили реакцию породы. Модель выявила «пластические зоны» — области вокруг выработок, где порода превысила свою прочность и начала деформироваться необратимо. В прямых участках выработки эти повреждённые зоны имели толщину в несколько метров. Но в сложных пересечениях ослабленные области от разных штреков перекрывались и расширялись, достигая глубины до 6,6 метра в породе. Эта «суперпозиционная экспансия» означает, что арка породы, которая должна нести нагрузку, становится гораздо толще, более рыхлой и труднее контролируемой.

Схемы напряжений, приводящие к деформации туннелей

Пойдя дальше простого картирования повреждений, исследователи изучили, как изменяется форма поля напряжений вокруг выработок. Они сосредоточились на величине, называемой девиаторным напряжением, которое отражает, насколько порода деформируется по форме, а не просто сжимается. В простых прямых штреках высокие значения девиаторного напряжения образовывали две серпообразные зоны по обе стороны от отверстия, близко к стенке. Однако в местах пересечений эти серпы расширялись, смещались глубже в породу и становились сильно несимметричными по сторонам. Там, где пик девиаторного напряжения возрастал, также утолщалась пластическая (повреждённая) зона. Исследование количественно связало эти явления: когда это напряжение превышало примерно 12,6 мегапаскаля, повреждённая зона разрасталась до полных 6,6 метра. На практике это означает, что зоны пересечений выработок именно те места, где порода наиболее склонна к растрескиванию, деформации и угрозе для систем крепления.

Трёхэтапная стратегия крепления для более безопасных выработок

Понимая, что традиционные однослойные крепления не справляются с такими условиями, авторы разработали новую «кооперативную» систему крепления, адаптированную к глубоким сложным сетям выработок. Во‑первых, вскоре после разработки породу быстро защищают слоем напылённого бетона, затем устанавливают короткие анкерные болты для сцепления поверхностной породы и снова наносят бетон. Во‑вторых, в шахматном порядке монтируют длинные анкеры‑тросы, достигающие за пределы 6,6‑метровой повреждённой зоны в более устойчивую породу, создавая перекрывающиеся давлениеобразующие арки, которые помогают породе и креплению работать совместно. Наконец, под высоким давлением выполняют инъектирование цементного раствора в трещины, склеивая раскрошенную породу и улучшая контакт между породой и анкерами. Этот поэтапный многоуровневый подход синхронизирован с механизмами разрушения породы — от ранних поверхностных трещин до более глубоких сдвиговых повреждений — так что каждый слой усиливает следующий.

Реальные результаты в действующей шахте

Новая система была испытана в той же глубокой шахте, которая служила предметом исследования. Команда мониторила перемещения кровли, пола и бортов ключевых выработок в течение нескольких месяцев и измеряла нагрузки в анкерных тросах. По сравнению с прежней схемой крепления в шахте суммарная деформация кровли и пола сократилась примерно вдвое, а схождение бортов уменьшилось примерно на тот же порядок. Время, необходимое для достижения устойчивой формы выработок, сократилось до примерно 45 дней, а усилия в тросах оставались значительно ниже их предельных значений. Для непрофессионального читателя вывод прост: тщательно спроектированное многослойное крепление может превратить опасно неустойчивую глубокую сеть выработок в управляемую, долговечную конструкцию — повысив безопасность шахтёров и надёжность энергетических систем, зависящих от этих подземных маршрутов.

Цитирование: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Ключевые слова: глубокая подземная добыча, устойчивость туннелей, системы крепления горных пород, инженерия угольных выработок, подземное поле напряжений