Исследование факторов, влияющих на вертикальное напряжение перед линией выемки при блоковом обрушении

Почему глубокие выработки могут быть опасны

Современные медные рудники часто уходят далеко под поверхность, вырезая огромные подземные полости для дешёвой добычи бедной руды. Популярный метод — блоковое обрушение — позволяет использованию силы тяжести выполнять большую часть работы: инженеры подрезают большой блок руды, и он разрушается и осыпается в располагающиеся ниже горные выработки. Но по мере удаления горной массы внутренние силы в массиве смещаются. Если эти перераспределённые усилия сосредоточатся в опасном месте, туннели могут треснуть, прорваться или даже обрушиться, что угрожает работникам и оборудованию. В этом исследовании внимательно изучаются факторы, контролирующие накопление таких напряжений, чтобы глубокие рудники можно было проектировать безопасно на десятилетия вперёд.

Трещины, обрушения и напряжённая гора

Работа сосредоточена на китайской медной шахте Пулан, где инженеры уже зафиксировали серьёзные повреждения под землёй. Перед фронтом выемки — «линией подрезки», где ведётся активное извлечение породы — в выработках происходили падения кровель, отслоения боковых откосов и растрескивание бетонных опорных столбов. Эти проблемы потребовали строительства новых подходов и нарушили производство. Такие наблюдения показали, что перед выемкой накапливается горное давление, но не было ясно, почему именно, насколько далеко простирается эта зона повышенного напряжения и какие проектные решения шахты ухудшают или улучшают ситуацию.

Простая картина невидимых сил

Чтобы понять происходящее, авторы исходили из классической идеи горной инженерии: при расчистке пространства под землёй оставшаяся порода стремится сформировать некую естественную арку, которая несёт вес над ней. Вокруг этой арки в одних местах порода сжимается сильнее, в других — разгружается. Используя базовую механику, команда рассматривала зону подрезки как прямоугольный проём и вывела, как в нём должно расти сжатие, то есть вертикальное напряжение. Их анализ показал, что решающими являются три параметра: ширина пролёта подрезки, глубина расположения под поверхностью и прочность с трением горной массы. Более широкие и более глубокие проёмы, по прогнозу, создают более сильные очаги напряжения перед фронтом выемки, а слабая, более скользкая порода формирует большую зону повреждений.

Испытание массива в виртуальной лаборатории

Один только аналитический аппарат не способен учесть всю сложность реального рудного тела, поэтому исследователи создали детализированную трёхмерную компьютерную модель шахты Пулан. Они воспроизвели планировку уровней подрезки и производства, измеренные свойства пород и падающее в разрезе поле напряжений, доминируемое сильным боковым тектоническим сжатием. Затем они поэтапно моделировали процесс подрезки и отслеживали, как меняется вертикальное напряжение в массиве. В виртуальной шахте чётко проявлялся пик напряжения на несколько метров перед линией подрезки, причём местоположение и величина этого пика смещались по мере роста подрезки и изменения глубины выработки.

Что определяет, где порода выйдет из строя

Моделирование подтвердило, что пролёт подрезки и глубина — основные рычаги, управляющие опасным накоплением напряжений. По мере увеличения пролёта пиковое вертикальное напряжение перед фронтом сначала возрастало, но затем выравнивалось, что указывает на образование новой стабильной арки в своде и ограничение дальнейшей передачи нагрузки. Увеличение глубины же последовательно давало как более высокие пиковые напряжения, так и более широкую зону пластического разрушения, протянувшуюся перед выработкой. При варьировании внутреннего угла трения — показателя того, насколько легко фрагменты породы скользят друг относительно друга — выяснилось, что породы с меньшим трением формируют более длинную зону разрушения, тогда как при большем трении повреждения ограничиваются более коротким участком, хотя сама максимальная величина напряжения меняется умеренно.

От расчётов к более безопасным проектам

Полевые измерения в Пулане, включая перемещения грунта и зафиксированные трещины, хорошо согласовались с предсказаниями модели: на больших глубинах туннели деформировались сильнее, а передача напряжений от уровня подрезки к производственному уровню была интенсивнее. Сопоставив теорию, моделирование и полевые данные, авторы делают вывод, что концентрация вертикального напряжения перед линией подрезки — и размер создаваемой ею зоны повреждений — в основном контролируются глубиной подрезки, пролётом и трением породы. Для проектировщиков шахт это означает, что тщательный выбор глубины и ширины подрезки, а также адаптация систем поддержки к местному качеству породы может существенно снизить риск внезапных обрушений, помогая обеспечить как продуктивность, так и безопасность крупных рудников блокового обрушения.

Цитирование: Cao, Y., Hua, X., Zhai, S. et al. Investigating the factors influencing vertical stress ahead of the undercutting line in block caving. Sci Rep 16, 11505 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39231-x

Ключевые слова: блоковое обрушение, подземная добыча, напряжение в породе, устойчивость шахты, численное моделирование