Моделирование характеристик деформации неправильных образцов породы при различных длинах выработанного пространства

Почему форма пустот под землей имеет значение

При добыче угля кровля над выработанным пространством может прогибаться, трескаться и иногда обрушиваться внезапно. Такие обрушения представляют опасность не только для шахтёров и оборудования; они также изменяют движение газа в старых выработках и поведение поверхности земли. В этом исследовании рассматривается на первый взгляд простой, но практически важный вопрос: как длина выработанного пространства и форма оставшегося угля влияют на то, как перекрывающие породы деформируются и разрушаются?

Длиннее выработки — иные напряжения в породе

Авторы сосредоточились на участке угля, оставленном для поддержки кровли, известном как угольный столб, и на неправильной выработке под перекрывающей породой. Вместо предположения о правильных, регулярных формах они изготовили модельные брусы, имитирующие пласт угля, перекрытый аргиллитом и песчаником, а затем вырезали выработки различной длины, моделируя короткие и длинные очистные забои. Под контролируемой нагрузкой в лаборатории эти брусы сжимали сверху, чтобы имитировать вес перекрывающих пород. Изменяя только длину выработки, они могли проследить, как более длинный «прогал» в опоре изменяет распределение напряжений в столбе и кровле.

Слушая треск породы и наблюдая за её деформацией

Чтобы отследить происходящее внутри образцов при сжатии, команда комбинировала несколько современных сенсорных методов. Датчики акустической эмиссии «слушали» мелкие события разрушения, фиксируя каждый импульс упругой энергии, когда материал внутренне ломался. Одновременно сверхвысокоскоростная оптическая система следила за тысячами нанесённых на поверхность пятен, восстанавливая подробные карты перемещений и деформаций — насколько каждая область растягивалась, сжималась или сдвигалась — по мере нарастания нагрузки. По этим измерениям строили кривые «напряжение—деформация», определяли пиковую и остаточную прочность и соотносили их с местом и временем появления трещин.

От постепенного повреждения к внезапному обрушению

Результаты показывают ясную тенденцию: по мере увеличения длины выработки от короткой к длинной максимальное напряжение, которое могли выдержать образцы, снижалось более чем вдвое, а их остаточная прочность после пика также уменьшалась. Короткие выработки порождали более постепенное, распределённое трещинообразование. Акустические сигналы накапливались медленнее и в больших суммарных величинах, что указывает на то, что повреждение распространялось по большей внутренней области и развивалось шаг за шагом. Карты поверхностных деформаций показывали широкие, изогнутые зоны повышенной деформации у кровли выработки, с ответвляющимися трещинами в нескольких направлениях, что позволяло образцам пластически деформироваться прежде, чем разрушиться.

Напротив, более длинные выработки вели себя более хрупко и локализованно. Начало интенсивной акустической эмиссии наступало раньше в истории нагрузки, но общее число событий уменьшалось, то есть порода разрушалась после меньшего объёма распределённого повреждения. Деформация резко концентрировалась вдоль узких полос, наклонённых через образец, и крупные трещины почти точно следовали этим зонам. Вместо множества мелких трещин и постепенного осыпания появлялась одна-две доминантные трещины, прорезающие блок, что приводило к резкому блоковому разрушению и быстрому падению несущей способности. Авторы описывают этот сдвиг как переход от прогрессирующего повреждения к внезапной нестабильности по мере роста длины выработки.

Виртуальные образцы подтверждают закономерность

Чтобы проверить, сохраняются ли лабораторные наблюдения в более общем случае, исследователи создали трёхмерные компьютерные модели тех же слоистых образцов и выработок с помощью инженерного программного обеспечения. Они задали схожие условия нагружения и отслеживали, как изменяются напряжения и так называемая пластическая зона — область, где порода сдёрнулась и уже не ведёт себя упруго. Моделирование хорошо согласовалось с экспериментами: с увеличением длины выработки пиковое напряжение снижалось, а доля образца, занятого пластической зоной при разрушении, уменьшалась почти по прямой. Большие выработки входили в пластичность раньше, но пластическая область не успевала широко разрастись до общего обрушения, что подтверждает идею «раннего повреждения, ограниченного распространения, быстрой коллапса».

Что это значит для более безопасной и экологичной добычи

Для неспециалиста главный вывод таков: насколько далеко вы расширяете подземную выработку без опоры, сильно и предсказуемо влияет на то, как разрушится перекрывающая порода. Короткие забои и более широкие, прочные угольные столбы способствуют тому, что повреждение развивается постепенно и по более широкой зоне, давая больше предупреждений и сохраняя часть несущей способности. Длинные забои, напротив, толкают систему к резкому, сконцентрированному разрушению вдоль нескольких плоскостей, уменьшая запас прочности и меняя пути трещинообразования, которые контролируют движение газа и устойчивость поверхности. Квантифицируя эти эффекты в тщательно контролируемых моделях и симуляциях, эта работа даёт инженерам практические ориентиры по выбору длины забоев и размеров столбов, позволяющие лучше балансировать между извлечением ресурсов, безопасностью и охраной окружающей среды.

Цитирование: Zhang, Y., Liu, X., Wei, S. et al. Simulation of deformation characteristics of irregular rock specimens with different mining face lengths. Sci Rep 16, 9463 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38575-8

Ключевые слова: угледобыча, устойчивость кровли, угольные столбы, трещинообразование в горных породах, численное моделирование