Рациональный угол бурения и применение технологий предрастрескивания толсто-твердой кровли перед обустройством выработок по борту обрушения в ультра-толстых плащах

Повышение безопасности при глубокой добыче угля

В некоторых из крупнейших шахт Китая подземные выработки необходимо поддерживать открытыми прямо рядом с большими пустотами, оставшимися после добычи угля. Эти проходы, называемые выработками по борту обрушения, жизненно важны для проветривания и транспорта. Однако когда над такими пустотами нависают очень толстые, жесткие «кровли», они могут внезапно обрушиться, раздавив крепление и деформировав туннели. В этом исследовании изучается способ предварительного ослабления такой твердой кровли с помощью тщательно рассчитанного угла бурения и использования углекислого газа для расслоения, чтобы породы разрушались управляемо в сторону обрушенной зоны, а не разрушали выработку сверху.

Почему толстая кровля — скрытая угроза

При ультра-толстых пластах толщиной более 20 метров после добычи образуются крупные пустоты. Над ними находится тонкий слабый слой под гораздо более толстой и прочной кровлей. Поскольку разрушенная порода в выработанной зоне (забое) не полностью заполняет пространство, толстая кровля может образовать длинный жесткий консольный свес, заходящий на оставшийся уголь, служащий опорой для выработки. Когда такой нависающий блок наконец ломается и поворачивается, он внезапно передает дополнительную нагрузку на стенки и пол выработки, изгибая стальные балки, рвя анкеры, сжимая угольные стойки и иногда почти закрывая проход. Полевые наблюдения на шахте Мадаотоу зафиксировали сильное провисание кровли, отслоение стен и выпирание пола в подобных условиях при отсутствии предварительной обработки кровли.

Разрушать кровлю там, где это причинит наименьший вред

Авторы предлагают перевернуть подход: вместо того чтобы реагировать после обрушения кровли, преднамеренно расщеплять толстую, твердую кровлю заранее, до разработки новой выработки по борту обрушения. Буря длинные скважины из смежной выработки под выбранным углом и затем расфрвакуя породу вдоль этих скважин, можно заставить ключевые блоки пород сломаться и обрушиться в уже выработанную зону, а не над новой выработкой. Используя структурную модель, которая рассматривает нависшую толщу как стык балок, они показывают, что угол предрастрескивания управляет местом разлома кровли, ее изгибом и тем, как силы передаются вбок в уголь. Когда направление трещины направляет блоки в сторону забоя, выработка в основном нагружается более мягко изгибающимися породами дальше в сторону, а не жесткой консолью прямо над ней.

Поиск оптимального угла бурения

Чтобы перейти от концепции к правилам проектирования, команда построила подробную математическую модель того, как блоки кровли изгибаются и давят на угольную стенку при разных углах трещин. Затем использовались компьютерные симуляции (FLAC3D), чтобы увидеть, как меняются напряжения и зоны повреждений вокруг выработки при увеличении угла бурения от отсутствия расслаивания через 60°, 70°, 80° до 90° и немного дальше. Были исследованы два ключевых показателя: размер пластической (постоянно деформированной) зоны в угле и кровле, а также мера накопленной энергии искажений (J2), сигнализирующая о том, сколько «упругой» энергии готово к высвобождению. По мере увеличения угла предрастрескивания с 60° до 90° пиковое боковое давление на угольную стенку снизилось примерно на 18%, зона пластического разрушения уменьшилась примерно с 32 м до 20 м, а J2 как в угле, так и в кровле заметно снизился. Однако при превышении угла 90° дробленые блоки снова стали сильнее давить непосредственно на выработку, расширяя зону повреждений и дробя уголь настолько, что он терял способность надежно нести нагрузку.

Расщепление кровли с помощью сверхкритического CO2

Ориентируясь на эти расчеты, исследователи выбрали высоту расслоения, достигающую ключевого слоя кровли (около 45 м над пластом), и практически вертикальный угол бурения 90° как оптимальные. В выработке 2209 шахты Мадаотоу они пробурили группы глубоких скважин вдоль борта, ближе всего к забою, и использовали сверхкритический углекислый газ для расщепления кровли. CO2 хранится в запечатанных патронах как плотная жидкость; при срабатывании он быстро расширяется в газ, аккуратно раздвигая трещины в породе более контролируемым, низкоударным способом по сравнению с применением взрывчатки. Полевые осмотры скважин и испытания закачкой воды подтвердили, что трещины хорошо соединились между скважинами, образовав непрерывную ослабленную полосу над выработкой, что способствовало тому, что блоки кровли ломались и падали в забой по мере продвижения лавы.

От насильственного обрушения к контролируемому движению

Сравнение двух в остальном схожих выработок — одной без предрастрескивания и другой с обработкой на основе CO2 — показало поразительную разницу. Без предрастрескивания провисание кровли достигало почти полуметра при проходческих работах и более метра при разработке; стенки и пол также смещались на сотни миллиметров, требуя многократных ремонтов. При предрастрескивании под углом 90° перемещения кровли во время проходки сократились до нескольких сантиметров, а при добыче деформации кровли, угольной панели, цельной толщи и пола уменьшились на 75–82%. Стенки выработки оставались относительно гладкими, кровля — целой, а отказы крепи встречались редко. Для неспециалистов вывод ясен: выбрав правильный угол бурения и предварительно расщепив твердую кровлю, инженеры могут «подсказать» породе, где разрушиться — в сторону забоя, а не над туннелем — превратив опасное внезапное обрушение в более безопасное, контролируемое оседание грунта.

Цитирование: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Ключевые слова: устойчивость горных выработок угольной шахты, предрастрескивание кровли, выработка по борту обрушения, растрескивание пород CO2, ультра-толстые угольные пласты