Механизм и инженерная практика обеспечения устойчивости кровли при вторичном сохранении бокового штрека в глубоких шахтах

Почему важно сохранять проходы шахты открытыми

Глубокие подземные угольные шахты зависят от сети штреков для перемещения людей, воздуха и техники. Обычно многие из этих проходов забрасывают и роют новые по мере продвижения добычи, что дорого и рискованно. В исследовании рассматривается более рациональный способ повторного использования существующих штреков в очень глубоких шахтах — это позволяет снизить затраты и уменьшить объём выемки горной массы, при этом защищая рабочих от обрушения кровли и опасных перемещений массива.

Повторное использование проходов вместо их заброшения

При выработке угольной панели остаётся пустая, обрушившаяся зона — гоб, и проход рядом с ней. Традиционно этот проход часто забрасывают после одного использования. Авторы сосредоточились на новой идее — вторичном сохранении бокового штрека вдоль забоя, когда тот же проход повторно используется в качестве долговременного вентиляционного хода для следующей панели. Ключевой шаг — возведение второй искусственной стены из заполнителя вдоль новой границы гоба, так что в итоге проход оказывается между двумя заполненными стенами. Такая схема позволяет более гибко организовать «Y‑образную» вентиляцию в зонах с высоким содержанием газа и уменьшает потребность в рытье новых штреков, снижая расходы и нарушения в массиве.

Крупные перемещения пород над штреком

Глубоко над проходом толстые пласты горных пород ведут себя как гигантские балки: они прогибаются, трескаются и оседают по мере выемки угля. Авторы называют это «большой структурой» и показывают, что она не успокаивается после одного цикла добычи: ключевые блоки пород над штреком проходят три этапа разрушения и перестройки, прежде чем стабилизируются. Особую роль играет один центральный блок, обозначенный в работе как блок C. Если этот блок удерживается опиранием на окружающие породы и заполнители, нагрузки на штрек остаются контролируемыми. Если же он опрокидывается в выработанное пространство, то может резко воздействовать на проход внезапным давлением, вызывая сильную деформацию или даже разрушение системы крепления.

Малая структура, обеспечивающая безопасность людей

Ближе к штреку авторы выделяют «малую структуру», включающую непосредственную кровлю над проходом, два тела заполнителя, горные породы пола и внутренние стальные и тросовые крепления. В отличие от удалённых пластов, эта система должна нести сильно неравномерные нагрузки прямо у границы гоба. Команда предлагает идею «четырёх в одном»: заполнители ограничивают стороны и помогают отсечь свисающие пласты; анкеры и тросы сшивают слои кровли; усиление пола сопротивляется вспучиванию снизу; а внутренние арки и стойки распределяют оставшиеся силы. Если любой из элементов слишком слаб или, напротив, слишком жёсток и узок в неподходящем месте, система может разрушиться из‑за перераспределения нагрузок. Авторы выводят расчётные формулы для подбора ширины и прочности заполнителя, чтобы две стены несокрушимо разделяли нагрузку, а не выходили из строя одна за другой.

От уравнений к реальной глубокой шахте

Исследователи превратили механическую модель в конкретный проект для горного забоя на глубине 610 метров. Используя измеренные свойства пород и размеры выемки, они рассчитали, какой должна быть ширина и прочность каждой заполненной стены и насколько следует уменьшить ширину штрека и выступающую часть кровли, чтобы снизить напряжения. Затем установили плотную сетку анкерных болтов и длинных тросов, стальные арки, мероприятия по укреплению пола и специально составленный цементный заполнитель. В ходе разработки как первой, так и соседней второй панели они контролировали трещины в кровле, напряжения в заполнителе и деформации прохода с помощью стволовых камер, датчиков давления и станций смещений. Измерения показали, что два заполнителя последовательно принимают возрастающие нагрузки и в итоге стабилизируются, причём вторая стена несёт большую долю, как и предсказывалось. Стены и кровля прохода оставались в пределах допустимых перемещений, хотя пол по‑прежнему вспучивался и требовал подрезки.

Что это значит для будущей глубокой разработки

Проще говоря, исследование показывает, что безопасное повторное использование прохода между двумя выработанными зонами в очень глубокой угольной шахте возможно при условии понимания поведения пород над ним и проектирования системы крепления как согласованного целого. Путём подбора ширины штрека, размеров заполнителя и мер по контролю кровли выработанная сторона и две искусственные стены могут совместно удерживать нависающие породы. Такой подход экономит выемку, поддерживает долговременные вентиляционные ходы и снижает конфликты между разработкой пласта и туннелированием. Авторы отмечают, что метод остаётся сложным и пока не является самым дешёвым вариантом, но предлагает проверенную основу, которую можно упростить и адаптировать для других сложных подземных условий.

Цитирование: Wu, J., Chen, J. & Xie, F. Mechanism and engineering practice of roof stability for secondary gob-side entry retaining in deep mines. Sci Rep 16, 9518 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39802-y

Ключевые слова: глубокая угледобыча, устойчивость туннелей, поддержка горных пород, заполняющие стены, сохранение бокового штрека вдоль забоя