Исследование анализа устойчивости и технологии крепления выработок в подлежащем изолированном островном очистном забое

Почему подземные выработки важны

Глубоко под севером Китая шахтёры полагаются на подземные выработки, чтобы перемещать людей, воздух и технику. Если туннели деформируются или обрушиваются, шахта вынуждена замедлить или остановить работу, что ставит под угрозу безопасность рабочих и подрывает важный источник энергии. В статье рассматривается особенно сложная ситуация: угольный блок, расположенный «островом» под ранее отработанными участками и оставшимися угольными столбами. Авторы показывают, как напряжения от этих старых выработок концентрируются в породе, и затем проектируют систему крепи, которая обеспечивает устойчивость и безопасность новой выработки.

Слои старых и новых выработок

Исследование сосредоточено на угольной шахте Янхуопань в провинции Шэньси, где длинная узкая пачка — названный очистной забой 30,119 — лежит под еще одной выработанной пластовой зоной. Над ним находятся пустоты (завалы, гофы) и цельные блоки угля, оставленные в виде столбов. Такая конфигурация создаёт «изолированный островной» забой, окружённый с трёх сторон отработанными зонами. Интересующая выработка, предназначенная для возврата вентиляционного воздуха от забоя, проходит под участками с низким напряжением в гофах и под зонами высокого напряжения, где остаются угольные столбы. Поскольку кровля и пол состоят из относительно крепких песчаников и алевролитов, но поле напряжений сильно неравномерно, единая схема крепления была бы небезопасной и неэффективной.

Как оставшиеся столбы давят на нижние пласты

Сначала исследователи применяют теорию механики горных пород, чтобы понять, как сила от верхних угольных столбов передаётся вниз. Они рассматривают столб как полосу нагруженной породы, давящей на гораздо более толстую подошву, и вычисляют, как эта сосредоточенная нагрузка распространяется с глубиной. Их анализ показывает, что непосредственно под оставленным угольным столбом вертикальное напряжение в нижнем пласте примерно в 1,6 раза превышает естественный фон, а влияние простирается более чем на 60 метров в сторону вдоль нижнего пласта. Иными словами, хотя верхний пласт уже отработан, оставшийся столб продолжает фокусировать нагрузку на породах и выработках ниже, создавая отдельные зоны повышения и ослабления напряжений.

Моделирование напряжений, разрушений и смещений

Чтобы увидеть, как эти силы действуют вокруг выработки, команда создает трёхмерную компьютерную модель слоёв породы и последовательности выемки с помощью программного обеспечения численного моделирования. Они «вырабатывают» верхний пласт, формируя гофы и столбы, затем моделируют разработку нижнего пласта 3–1 и продвижение забоя 30,119 по стадиям. Модель выявляет пять отчетливых областей под верхними выработками: две зоны со сниженным напряжением под гофами, две зоны сильной концентрации напряжений под первым и вторым оставшимися столбами и зону с нормальным напряжением под ненарушенным углем. По мере продвижения нижнего забоя максимальная дополнительная нагрузка перед ним стабильно появляется примерно в восьми метрах перед лицом, но её величина резко меняется в зависимости от положения: напряжения наибольшие под первым оставшимся столбом и несколько меньше под вторым.

Где выработка испытывает наибольшие нагрузки

Симуляции также отслеживают, насколько порода вокруг выработки пластична или трескается («пластическая зона»), и насколько двигаются кровля и стенки внутрь. Когда выработка лежит под зонами разгрузки напряжений, зоны повреждений вокруг неё относительно мелкие, а деформации умеренные. Однако под первым оставшимся столбом сосредоточенная нагрузка и давление от наступающего забоя в совокупности углубляют зону разрушения в кровле и откосах и вызывают гораздо больше прогиба кровли и сближения стен. Под вторым столбом реакция всё ещё серьёзна, но мягче: смещения кровли примерно вдвое меньше, чем под первым столбом, а движение цельной угольной неизменной стены снижается более чем на три четверти. Эти контрасты подтверждают, что поведение выработки определяется не только типом породы, но и сложной историей напряжений, обусловленной прошлой выемкой.

Проектирование крепи там, где она действительно нужна

Ориентируясь на эти выводы, авторы делят выработку на две зоны управления. На участках под гофами и вблизи нормального напряжения они применяют традиционную схему крепления с анкерными болтами, кабелями и сеткой. В зонах высокого напряжения, под влиянием оставшихся столбов, конструкцию усиливают: более частая установка анкерных болтов в кровле, длинные кабельные анкеры, расположенные в схемах армирования, и дополнительные болты в боковых стенках для «сшивания» угольного столба и ребер. Затем они проверяют работу под землёй, мониторя осадку кровли, сближение боковых стен и нагрузки на болты и кабели на нескольких станциях по мере продвижения забоя. Измеренный прогиб кровли держится в пределах примерно одного сантиметра, а сближение стен — в пределах нескольких миллиметров, в то время как нагрузки в крепи остаются значительно ниже её расчётной прочности, что указывает на комфортный запас безопасности.

Что это значит для более безопасной добычи

Практически исследование показывает, что туннели под изолированными островными забоями можно удерживать стабильными, если инженеры сначала картируют, как старые столбы и гофы перестраивают поле напряжений, а затем адаптируют крепь под каждую зону. Вместо того чтобы перерасходовать усиление повсеместно или рисковать провалом в скрытых «горячих» точках, подход концентрирует усиленную крепь там, где напряжение наивысшее, и использует более лёгкие системы в зонах естественной разгрузки. Результат на Янхуопане — выработка, сохраняющаяся открытой и эксплуатационной по мере продвижения работ, служащая шаблоном для других шахт, которым предстоит разрабатывать новые пласты под сложной сетью старых выработок.

Цитирование: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Ключевые слова: устойчивость горных выработок шахты, изолированный островной очистной забой, напряжение в оставшихся угольных столбах, численное моделирование выемки, проектирование подземной крепи