Исследование взаимного влияния обратной связи и механизма взрывов горных пород при горном нарушении

Скрытые толчки под нашими ногами

Глубоко под землёй современные угольные шахты работают в условиях экстремальных давлений. Когда порода внезапно ломается и выбрасывает уголь и камни в выработки, последствия — так называемые взрывы горных пород — могут быть смертельно опасны. В этом исследовании рассматривается, почему такие агрессивные события становятся более частыми по мере углубления шахт, особенно когда несколько забоев работают вблизи друг друга. Прослеживая, как медленное постоянное сжатие породы взаимодействует с резкими сейсмическими толчками, авторы стремятся показать, когда и где наиболее вероятны взрывы, и как руководители шахт могут заранее действовать, чтобы защитить рабочих и оборудование.

Когда забои сходятся

Во многих крупных угольных шахтах два лавных поля разрабатываются навстречу друг другу с противоположных сторон главного штрека. Каждый фронт продвижения сжимает окружающую породу, создавая полосы повышенных напряжений перед механизмами. Сами по себе эти зоны уже опасны; когда два таких фронта приближаются друг к другу, их поля напряжений перекрываются. В статье показано, что такое перекрытие может резко повысить риск взрыва в центральном штреке, который является жизнеобеспечивающей магистралью для людей, воздуха и техники. Анализ более чем 190 реальных инцидентов на китайских шахтах показывает, что большинство взрывов породы типа «нарушение» происходят во время активной разработки или выемки, и что именно выработки штреков — а не главные грани — получают основную часть разрушений.

Как накапливается давление в глубокой породе

Используя идеализированную модель двух противолежащих лав, исследователи разбирают, как статическое (медленное, постоянное) напряжение растёт по мере сближения фронтов. Вначале, когда они находятся далеко друг от друга, зоны влияния не встречаются и каждая ведёт себя независимо. По мере уменьшения расстояния зоны напряжений начинают перекрываться, и суммарное давление постепенно возрастает. Как только поля сближаются достаточно, перекрытие становится интенсивным, и рассчитанные пиковые напряжения в породе могут достигать нескольких раз естественного покровного (in-situ) напряжения. Численные эксперименты, выполненные для условий угольной шахты Таншань, показывают, что три основных фактора ухудшают ситуацию: большая глубина, более широкие разрабатываемые площади и сильная концентрация напряжений вокруг лав. При таких условиях зона опасной статической нагрузки может простираться примерно на 60 метров вокруг противоположных граней.

Толчки, которые суммируются, а не гасятся

Само по себе статическое давление — это не вся история. Разработка также порождает сейсмические волны, когда слои породы трескаются, обрушиваются кровли или применяются взрывчатые вещества. Эти волны распространяются по породе подобно рябям на воде, но с высокой скоростью и достаточной мощностью, чтобы возбудить уже напряжённые пласты. Авторы моделируют, как два разных сейсмических источника — от отдельных рабочих граней — могут взаимодействовать, проходя вокруг круглого креплёного болтами штрека. Рассматривая породу как упругую среду и разлагая волновые поля в математические ряды, они вычисляют, как продольные (P) и поперечные (S) волны огибают туннель. Когда волны от нескольких источников приходят одновременно, возникающие напряжения у стенок выработки оказываются примерно суммой напряжений от каждого источника по отдельности. Это значит, что даже умеренные толчки, если они сложатся, могут довести породу, уже близкую к пределу прочности, до внезапного разрушения.

Когда накопленная энергия становится разрушительной

Чтобы связать эти элементы воедино, исследование рассматривает взрывы пород как проблему накопленной энергии. Медленно растущие статические нагрузки от глубинного залегания, тектонических сил и планировки разработки наполняют угольно-горную массу упругой энергией, как сжатая пружина. Динамические нагрузки от сейсмических волн затем выполняют роль спускового механизма. Авторы предполагают, что взрыв происходит, когда суммарное статическое и динамическое напряжение превосходит минимальную прочность, необходимую для разлома породы; в этот момент накопленная энергия быстро высвобождается, выбрасывая уголь и камень в пустое пространство выработки. В зависимости от относительного вклада каждого фактора события можно разделить на две практические группы: высокая статическая нагрузка при слабых толчках и высокая статическая нагрузка при сильных толчках.

От понимания к предотвращению

Опираясь на этот механизм, исследователи предлагают стратегию предотвращения, которую называют «снижение нагрузки по источнику». Идея состоит в мониторинге как медленной, так и внезапной составляющей поля напряжений, а затем в принятии целевых мер до достижения критического состояния. Для статических нагрузок это может означать проектирование планировок шахт, избегающее перекрытия зон напряжения, соблюдение безопасных расстояний между противолежащими гранями и корректировку скорости продвижения. Для динамических нагрузок команда рекомендует меры, которые аккуратно сбрасывают энергию заранее — такие как бурение больших разгрузочных скважин, контролируемые взрывы для ослабления жёстких кровель или струи высоконапорной воды для прорезания пазов в угле. Полевые испытания на шахте Таншань, поддержанные современными методами визуализации напряжений и сейсмики, показывают, что такие целевые шаги могут снизить локальные напряжения, уменьшить размер зон высокого риска и позволить продолжать добычу с меньшим числом взрывов. Проще говоря, внимательно отслеживая, как «пружина» под землёй наматывается, и сбрасывая энергию там, где она наибольшая, шахты могут существенно снизить вероятность внезапных разрушительных взрывов горных пород.

Цитирование: Bai, J., Dou, L., Gong, S. et al. Investigation into the interactive feedback and rock burst mechanism under mining disturbance. Sci Rep 16, 8204 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38552-1

Ключевые слова: взрыв горных пород, глубокая добыча угля, горно-сейсмическая активность, контроль приземления, мониторинг напряжений