Экспериментальное исследование и инженерное применение болтовой крепи при крупномасштабном скользящем выбухе угля в угольном массиве

Держась под землей

Глубоко под землей угольные шахты не являются тихими и стабильными пространствами. Слои горных пород сжимаются и смещаются, и иногда угольная стенка у туннеля внезапно с силой вдвигается внутрь в опасном рывке, известном как выбух угля. В этом исследовании рассматривается особый вид происшествия, когда большая плита угля скользит в штрек, в то время как кровля и почва остаются почти нетронутыми. Авторы показывают, что то, как металлические болты устанавливаются в угольной стенке — в особенности их угол и толщина — может решить исход: произойдет ли жесткое обрушение или останется устойчивый проезд. Также они испытали новую схему крепления в реальной шахте.

Когда уголь скользит, как ковер

В рассматриваемом типе аварии вся угольная стенка рядом с туннелем может внезапно броситься вперед, перекрыв проход, при этом кровля или пол не разрушаются. Болты и сетка, смонтированные в угле, могут даже выглядеть в основном невредимыми. Проблема скрыта на контактной поверхности между углем и окружающей породой: когда напряжение накапливается и внезапно освобождается, уголь может соскользнуть по этой гладкой плоскости, подобно ковру, съезжающему по полированному полу. Чтобы защитить горняков, система крепления должна укреплять эту контактную поверхность и поглощать часть выделяющейся энергии, а не просто пытаться приколоть уголь на месте.

Испытания болтов в лаборатории

Чтобы понять, как конструкция болтов может лучше противостоять такому скольжению, исследователи изготовили стальную форму, имитирующую два блока породы с зазором между ними, представляющим собой интерфейс уголь–порода. В качестве болтов использовали металлические стержни из двух сплавов трех различных диаметров и провели управляемые испытания на растяжение. Стержни устанавливали под четырьмя углами относительно направления сдвига: 30°, 45°, 60° и перпендикулярно при 90°. Раздвигая половины формы в испытательной машине, они наблюдали за характером разрушения стержней и измеряли, какие силы и какую энергию каждый вариант выдерживал до отказа.

Почему важны угол и толщина

Эксперименты выявили четкую закономерность. Когда стержни располагались под углом 30° или 45° к направлению сдвига, они, как правило, растягивались и в конечном итоге рвались на растяжение, подобно проволоке, которую тянут до разрыва. В этом случае стержни выдерживали более высокие нагрузки и поглощали больше энергии до разрушения. При более крутых углах 60° и 90° стержни чаще срезались при сдвиге — характерное сдвиговое разрушение, требующее меньшей силы и аккумулирующее меньше энергии. Во всех вариантах более толстые стержни стабильно несли большую нагрузку и поглощали больше энергии, чем тонкие. Среди протестированных конфигураций стержни, расположенные примерно под 45°, показали наилучшее общее поведение, сочетая благоприятный режим разрушения с высокой прочностью и энергоемкостью.

От модели к шахте

Затем команда применила эти выводы на лавообразующем 7305 участке угольной шахты Конгчжуан в Китае, глубокой выработке с высокими горными напряжениями и известным риском выбухов угля. Возвратный штрек — ключевой туннель для вентиляции и доступа — изначально был укреплен стандартной схемой: кровельными болтами, боковыми болтами, кабелями и стальной сеткой. Опираясь на свои испытания, инженеры переработали расположение болтов так, чтобы многие из них пересекали контактную плоскость уголь–порода под углом не более 45°, а их анкерные участки захватывали прочную породу кровли или пола. Это создало трехмерную «клетку» вокруг угольной стенки, увеличив трение по плоскости скольжения, распределив локальные напряжения и обеспечив встроенный механизм: при рывке болты могут растягиваться и поглощать энергию, а не ломаться хрупко.

Более безопасные подземные пути

Полевая эксплуатация новой схемы крепления существенно сократила крупные скольжения угля в штрек и улучшила стабильность выработки, причем без применения экзотических устройств или значительных затрат. Для неспециалиста главный вывод ясен: внимательно выбирая толщину болтов и, что важнее, угол их пересечения с предполагаемой поверхностью скольжения, горные инженеры могут превратить жесткую, склонную к разрушению систему крепления в систему, работающую скорее как амортизатор. Хотя подход еще требует испытаний для других типов выбухов угля, он предлагает практический путь к более безопасным и надежным подземным выработкам в глубоких угольных шахтах.

Цитирование: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Ключевые слова: выбух угля, анкерные болты, крепление подземного выемочного штрека, безопасность шахты, абсорбирующее энергию крепление