Временная механика и сроки крепления окружающей горной массы, определяемые коэффициентом закрытия трещин

Почему медленное движение горных пород важно подземью

Глубокие подземные электростанции и тоннели вырезаны в породе, которая продолжает смещаться долгое время после окончания взрывных работ. Это медленное, ползучее движение сначала может закрывать мельчайшие трещины, но в течение месяцев и лет оно также может раздвигать эти трещины и ослаблять породу вокруг выработки. В этой статье рассматривается, как и когда накапливается такое незаметное повреждение в твердом граните на крупном гидроэнергетическом объекте в Китае, и предложен новый способ точно определить момент установки креплений так, чтобы порода сама поддерживала выработку, а не обрушилась внезапно.

Наблюдение за медленной утратой прочности гранита

Исследователи работали с образцами гранита из подземной машинного зала Шуанцянькоу, крупного гидроэнергетического проекта, заложенного на Several сотен метров в толщу горы. В лаборатории цилиндрические образцы породы подвергали сжатию в условиях, имитирующих различные давления на глубине. Вместо однократной доводки до разрушения команда провела ползучие испытания: нагрузку повышали ступенчато и затем держали постоянной в течение многих часов, регистрируя микроприращения длины и диаметра. Это позволило увидеть, как порода сначала быстро деформируется, затем переходит в медленную почти стационарную деформацию, и в конце концов ускоренно стремится к разрушению по мере объединения трещин внутри.

Новый способ считывать скрытые трещины в породе

Традиционные модели предполагают, что первичное скачкообразное изменение деформации при приложении нагрузки полностью упруго — как пружина, возвращающаяся при разгрузке. Но твердая порода содержит бесчисленные предварительно существующие микротрещины, которые закрываются, смещаются и вновь раскрываются, поэтому такое допущение слишком упрощено. Авторы ввели «коэффициент закрытия трещин», величину, описывающую, насколько далеко эти мелкие трещины сдвинулись от полностью закрытого состояния к широко раскрытому. Комбинируя этот коэффициент со стандартными измерениями напряжение–деформация, они разделили поведение породы на две части: обычную, восстанавливаемую деформацию и дополнительную деформацию, вызванную ростом трещин. Они также отслеживали эти эффекты в двух направлениях: по оси нагружения и радиально, наружу от стен будущего тоннеля или камер.

Почему боковой рост трещин определяет долговременную прочность

Испытания показали, что долговременная прочность породы не одинакова во всех направлениях. При сравнении напряжений, при которых стационарная ползучесть вдруг переходила в неуправляемую деформацию, оказалось, что трещины, растущие радиально — наружу от подземного отверстия — достигали критического состояния при более низком напряжении, чем трещины вдоль основного направления нагружения. Иными словами, порода становится опасно слабее в боковом направлении раньше, чем в вертикальном. Определив пороговые значения коэффициента закрытия трещин, связанные с этим переходом, авторы создали временную модель, способную предсказывать, когда и с какой скоростью трещины будут распространяться при различных напряжениях, особенно в радиальном направлении, которое сильнее всего управляет разрушением вокруг выработок.

Перенос лабораторных данных в безопасность на площадке

Чтобы проверить применимость подхода в полевых условиях, исследователи встроили свою модель ползучести, основанную на трещинах, в численные симуляции выработки машинного зала Шуанцянькоу. Они разделили окружающую породу на зоны в зависимости от действующих напряжений и использовали модель для отслеживания распространения повреждений во времени после каждого этапа выемки. Симуляции дали картины смещений и появления трещин, которые хорошо согласовывались с данными мониторинга и видимыми повреждениями, такими как деформация балок и новые расщелины. Используя радиальный коэффициент закрытия трещин, они затем классифицировали породу вокруг камеры на пять зон — от целой до полностью разрушенной — и связали каждую зону с диапазоном значений коэффициента закрытия трещин, которые можно предварительно оценить по лабораторным испытаниям.

Выбор правильного момента для крепления породы

Для инженеров наиболее практический результат — это график работ по креплению. В исследовании выделено критическое значение коэффициента закрытия трещин, которое отмечает границу между породой, все еще в значительной степени самонесущей, и породой, утратившей большую часть прочности. Рассчитав, когда различные участки вокруг камеры ожидаемо пересекут эту границу, авторы предлагают поэтапные категории крепления: немедленное крепление там, где разрушение начинается почти сразу; несколько уровней отсроченного крепления, где повреждение нарастает медленнее; и окончательное «стабилизирующее» крепление после того, как большинство перемещений уляжется. Такой подход позволяет проектировщикам планировать крепления так, чтобы порода несло как можно большую часть собственной нагрузки — экономя материалы и средства — при этом избегая внезапных обвалов, вызванных медленным, зависящим от времени ростом трещин.

Цитирование: Qian, L., Yao, T., Liu, E. et al. Time-dependent mechanical behavior and support timing of surrounding rock governed by crack closure ratio. Sci Rep 16, 9696 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39707-w

Ключевые слова: ползучесть горных пород, подземные полости, микротрещины, проектирование креплений, устойчивость гранита