Механизм нарушения устойчивости глубоко залегающего пласта угольного пласта в основании при горных разработках и оптимизация расположения выемочного штрека

Почему безопасные горные выработки важны

Глубокие угольные шахты под землей делают не только топливо — они также создают сложные поля напряжений в окружающих породах. Когда эти напряжения выходят из равновесия, может появиться трещинообразование в основании, начаться приток воды, выйти газ, а выработки, от которых зависят горняки, могут деформироваться или обрушиться. В этом исследовании рассматривается, как реагирует порода под очень глубоко залегающим угольным пластом при выемке угля и как проектировщики шахт могут располагать штреки для дегазации так, чтобы минимизировать риски для людей и инфраструктуры.

Как добыча сжимает породу

Когда вырабатывается протяжённый участок угля, остаётся полость, называемая забоем (гоуп), и кровля над ней в конечном счёте обрушивается. Вес перекрывающих пород не исчезает — он перераспределяется на оставшиеся угольные столбы и вниз в основание. Используя упрощённую физическую модель, в которой основание рассматривается как непрерывное полупространство породы, авторы рассчитали распространение вертикальных, горизонтальных и сдвиговых напряжений под выработанным участком. Они обнаружили, что вертикальное напряжение максимально непосредственно под угольными столбами и уменьшается с глубиной: резкое ослабление происходит в первые пять метров, а затем — более плавно. В глубоких слоях основания напряжение возвращается к естественному уровню, который существовал до начала разработки.

Отличительная картина напряжений в подземных условиях

Для реальной шахты в провинции Шаньси (Китай) команда подставила местные свойства пород и глубину — около 730 метров — в свои уравнения и затем проверила результаты численным моделированием. Оба подхода показали, что вертикальные напряжения под выработанной зоной образуют характерную «М‑образную» диаграмму в поперечном сечении основания: два пика под угольными столбами и более низкая впадина под центром забоя. По мере углубления в основание эти пики уменьшаются, и поле напряжений становится более однородным. Расчёты также указали, что наиболее быстрый спад дополнительного напряжения наблюдается примерно на 10 метрах ниже поверхности основания. Ниже этой глубины нарушения, связанные с разработкой, слабеют, и порода ведёт себя ближе к ненарушенному состоянию.

Выбор оптимальной глубины и положения

Поскольку штреки для дегазации должны располагаться в основании под угольным пластом, их положение относительно смещающегося поля напряжений имеет ключевое значение. С применением известной формулы разрушения породы авторы оценили, что добыча может нарушить основание на глубину примерно 16,5 метра. Чтобы располагаться ниже этой разрушенной зоны, но при этом достаточно близко для эффективной дегазации, они выбрали глубину штрека 17 метров под пластом. Далее в компьютерных моделях они проверили четыре различных горизонтальных положения: прямо под центром выработанного пространства, немного внутри угольного столба, точно под краем столба и на 30 метров вне столба. Для каждого варианта исследовали пиковые вертикальные и горизонтальные напряжения, а также размер и форму пластичных (постоянно повреждённых) зон породы вокруг штрека.

Поиск наименее напряжённого места под землёй

Моделирование показало, что каждое положение штрека испытывает существенно разную среду напряжений. Штрек, размещённый прямо под рабочим забоем, подвергается высоким вертикальным и горизонтальным нагрузкам и окружён большой бабочковидной зоной повреждения породы. Смещение штрека внутрь под угольный столб уменьшает вертикальное напряжение, но может оставить значительные повреждения над и под штреком. Расположение штрека прямо у кромки столба создаёт неравномерные боковые напряжения, что повышает риск асимметричной деформации. Напротив, штрек, смещённый на 30 метров вне угольного столба, оказывается в относительно спокойной зоне: пиковые вертикальные и горизонтальные напряжения ниже, а оболочка повреждённой породы имеет толщину около 2 метров — наименьшую среди всех рассмотренных вариантов.

Полевые проверки на действующей шахте

Чтобы проверить работоспособность проекта на практике, исследователи мониторили штрек для дегазации, проложенный на глубине 17 метров под пластом и смещённый на 30 метров от угольного столба в шахте Шаньси. С помощью ультразвуковых датчиков и телекамер в скважинах они измеряли глубину распространения трещин в окружающей породе и отслеживали перемещения стен, кровли и пола штрека со временем. Зона разрушения достигла максимума около 1,9 метра — очень близко к 2‑метровой глубине, предсказанной моделями — и деформации штрека замедлились и стабилизировались через несколько недель, оставаясь в приемлемых пределах. Это близкое соответствие между теорией, численным моделированием и полевыми данными даёт уверенность, что предложенная схема расположения обеспечивает надёжный способ сохранить устойчивость глубоких выемочных штреков при одновременном выполнении задач дегазации.

Что это значит для будущих горных разработок

Проще говоря, исследование показывает: место расположения штрека под угольным пластом может определить, будет ли выработка постепенно оседать или окажется серьёзно повреждённой. Поняв, как добыча изменяет скрытый «ландшафт напряжений» в основании, инженеры могут целенаправленно располагать штреки за пределами зон наибольшего сжатия и трещинообразования. Для глубоких пластов с высокими напряжениями, подобных тем, что в Шаньси, размещение выемочных штреков примерно на 17 метров ниже пласта и примерно в 30 метрах от угольных столбов представляется более безопасным и экономичным компромиссом между контролем газа и структурной устойчивостью.

Цитирование: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Ключевые слова: подземная добыча угля на глубине, устойчивость горной породы основания, штрек для дегазации, перераспределение напряжений, безопасность шахты