Закон поведения горного давления и реакция активации разрезающих нормальных разломов в толще угольных пластов при нарушениях, вызванных отработкой

Почему сдвиги глубоко под землей важны для поверхности

Современное общество по‑прежнему сильно зависит от угля, но порода над шахтой не всегда подчиняется человеку. Когда инженеры отрабатывают очень толстые пласты угля, пересечённые геологическими разломами, земля может резко сдвинуться, провалиться или даже взорваться, ставя под угрозу горняков и технику. В этом исследовании рассматривается одна такая подземная обстановка в Китае с простой, но важной задачей: как при продвижении забоя к крутого наклонного нормального разлому деформируются, трескаются и смещаются породы — и когда этот разлом «просыпается»?

Скрытая трещина в породе

Исследование сосредоточено на угольной шахте в бассейне Ордос, где толстый пласт — от 14 до 20 метров угля — пересечён нормальным разломом с падением около 70 градусов. При нормальном разломе один блок породы опустился относительно другого, образовав скользящую поверхность, которая может вести себя как заблокированный, но готовый сдвинуться оползень глубоко под землёй. При отработке пласта длинной стеной остаётся большой пустой объём; породы над ним прогибаются и разрушаются, и это движение может нагружать, а затем резко расшатывать соседний разлом. Поскольку при толстых пластах образуются особенно большие пустоты, перекрывающие породы ведут себя более драматично, чем при тонких пластах, что делает такую ситуацию особенно опасной.

Создание масштабированной модели земной коры в лаборатории

Чтобы безопасно наблюдать эти процессы, команда построила большую физическую модель, имитирующую реальную шахту. Они складывали слои песка, гипса, извести и других материалов в стальной каркас, подбирая относительную толщину, плотность и прочность каждого слоя, соответствующие реальной пластовой толще. Лист слюды имитировал слабую, наклонную поверхность разлома. Гидравлическая система создавала давление сверху, воспроизводя вес сотен метров перекрывающих пород. Затем модель «отрабатывали» шаг за шагом, убирая полосы угольного слоя, а камеры и датчики фиксировали, как слои трескаются, насколько опускается кровля и как накапливаются напряжения у разлома.

Как прогибается кровля и как реагирует пол

По мере приближения отработки к разлому кровля над выработанным пластом неоднократно ломалась и обрушивалась примерно через каждые 20 метров. Вдали от разлома поведение было относительно регулярным. Ближе к разлому картина становилась более насильственной и асимметричной. Общее проседание кровли описывалось широкой U‑образной формой, но вблизи разлома появлялись локальные M‑образные прогибы и бугры, когда блоки поворачивались и сталкивались. Наибольшее падение кровли — более 13 метров в эквиваленте в натуре — произошло примерно в 30 метрах от разлома на нижней стороне. Пол под пластом отвечал резкими всплесками напряжений: показания резко возрастали при падении кровли, затем падали обратно, при этом самый высокий пик напряжения — около 20 мегапаскалей — был зафиксирован ближе всего к разлому. Эти скачки объясняют, почему техника и горные выработки вблизи разломов подвержены гораздо более высокой вероятности внезапных повреждений.

Когда разлом начинает скользить

Помимо описания наблюдаемого, авторы применили простую механическую модель, чтобы объяснить, почему разлом активируется. По сути, отработка меняет соотношение между вертикальным и горизонтальным сжатием вокруг разлома. По мере удаления угля вертикальная нагрузка сверху увеличивается, в то время как боковое ограничение ослабляется. Расчёты показывают, что когда вертикальное напряжение становится в три‑четыре раза выше горизонтального, разлом готов к сдвигу. Эксперименты подтверждают эту картину: датчики напряжений показали, что вертикальные силы начали расти за десятки метров до достижения разлома забоем, но реальная нестабильность — внезапное скольжение и обрушение — возникала только после того, как боковое удержание ослабело достаточно. Это означает, что ключевой триггер — не только вес сверху, но и потеря боковой поддержки.

Превращение понимания в безопасную добычу

Исходя из полученных результатов, авторы предлагают практические меры для шахт, которые вынуждены пересекать аналогичные разломы в толстых пластах. Системы крепления — такие как комбинированные анкеры, сетки и кабели — следует усиливать на более широкой зоне по мере приближения забоя к разлому. Скорость продвижения вспомогательных крепей кровли должна тщательно контролироваться, чтобы кровля никогда не оставалась подвешенной слишком далеко. Наконец, конструкции выработок должны допускать некоторую контролируемую деформацию и предусматривать место для сброса напряжений, вместо стремления удерживать породу абсолютно жестко. Проще говоря, исследование показывает, что вблизи крутых разломов отработка в толстых пластах существенно увеличивает вероятность внезапных отказов кровли и пласта, поскольку она нагружает породу вертикально и одновременно ослабляет её боковую поддержку. Осознание этой схемы помогает инженерам предвидеть, где опасность наибольшая, и проектировать крепления, позволяющие безопаснее разрабатывать глубокие угольные запасы.

Цитирование: Xin, T., Ji, Y., Wang, J. et al. Mine pressure behavior law and fault activation response of normal fault zones in thick coal seams under mining disturbance. Sci Rep 16, 9491 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40000-z

Ключевые слова: угольная добыча, скольжение по разлому, горное давление, обрушение кровли, безопасность шахты