Механизмы эволюции энергии и предупреждение опасностей в глубинном граните при циклической нагрузке: кейс шахты Саньшаньдао

Почему глубокая порода важна для безопасности под землей

По мере исчерпания более доступных россыпей золота компании вынуждены опускаться на километры ниже поверхности, где порода испытывает огромные сжимающие усилия. В таких экстремальных условиях туннели могут внезапно растрескиваться, отслояться блоки породы или даже стремительно вызывать выбросы — всё это создает серьёзную угрозу для горняков. В этом исследовании рассматривается, как крепкий гранит глубоко под землёй накапливает и высвобождает энергию по мере продвижения горных выработок, и как более умные, энергоёмкие опоры могут превратить потенциально взрывные отказы в управляемые, контролируемые перемещения.

Скрытые силы в глубокой золотой шахте

Исследование сосредоточено на золотой шахте Саньшаньдао в Китае, где штреки залегают более чем в километре под землёй. Авторы сначала измерили естественные напряжения в окружающей породе, пробурив скважины и аккуратно сняв из‑поля стресс. Они установили, что порода сильнее сжимается по бокам, чем сверху: горизонтальные усилия заметно превышают вертикальную нагрузку от веса перекрывающих пород. Эти напряжения примерно линейно возрастают с глубиной, формируя горизонтально доминирующее поле напряжений, которое определяет, как туннели деформируются и разрушаются по мере ведения выработок.

Воспроизведение глубокоземных условий в лаборатории

Чтобы понять, как такая нагруженная порода ведёт себя при многократных циклах нагрузки и разгрузки, команда выкрубила образцы гранита из шахты и испытала их в специализированной трёхосной машине нагрузок. Это устройство позволяет независимо задавать давление по трём направлениям, имитируя реальное подземное поле напряжений, а не упрощённое состояние. Они смоделировали условия, соответствующие глубинам от 500 до 2000 метров, и многократно нагружали и разгружали образцы вдоль одной оси при фиксированных других двух направлениях, отслеживая, как гранит деформируется, трескается и в конечном счёте разрушается в ходе циклов.

Как порода накапливает и рассеивает энергию

Эксперименты показали, что гранит при повторной нагрузке не просто возвращается обратно, как упругая лента. Скорее, аккумулируется постоянная деформация преимущественно вдоль направлений наибольшего сжатия и растяжения, причём она примерно экспоненциально растёт с каждым циклом, тогда как промежуточное направление меняется более плавно. С точки зрения энергии часть выполненной работы аккумулируется как восстанавливаемая упругая энергия, а часть необратимо теряется на процессы, такие как микротрещинообразование и трение при перемещении зерен. На ранних стадиях нагружения гранит в основном накапливает энергию упруго; по мере роста напряжений к пределу текучести всё большая доля вводимой энергии уходит в разрушение, с образованием и слиянием трещин. Вблизи и за пределом пиковой прочности значительная часть дополнительной энергии расходуется на дальнейшее повреждение, а не высвобождается внезапно, что выявляет механизм «преобразования энергии, вызванный повреждением», который может либо гасить, либо стимулировать разрушение в зависимости от того, как поддержана порода.

Перевод энергетических выводов в более эффективные крепления

Исходя из этих выводов, авторы предлагают проектировать крепления штреков, ориентируясь на энергию, а не только на прочность. Они оценивают, сколько дополнительной энергии аккумулируется в зоне повреждённой породы вокруг выработки при её вскрытии в условиях глубокого напряжения. Системы крепления — особенно анкеры — подбираются так, чтобы их суммарная способность к поглощению энергии превышала эту величину с запасом по безопасности. На Саньшаньдао оптимизировали фрикционные «split‑set» анкеры, корректируя их диаметр и длину, а также закачивая внутрь труб водоактивируемый химический раствор, который расширяется и отверждается, плотнее прижимая анкеры к породе. Полевые испытания на вырыв показали, что эти улучшенные анкеры способны поглощать гораздо больше энергии до отказа по сравнению со стандартными конструкциями.

Более безопасные глубокие штреки благодаря управлению энергией

Когда улучшенная система энергоёмкого крепления была установлена в транспортном штреке на глубине 1050 метров, наблюдения в течение 12 дней показали снижение и стабилизацию нагрузок на анкеры и уровней вибрации, а также значительное уменьшение проблем, таких как отслоение стен и локальные обрушения. Проще говоря, гранит вокруг выработки по‑прежнему накапливает энергию при глубоком напряжении, но укреплённые, более пластичные опоры теперь поглощают и рассеивают значительную часть этой энергии через контролируемую деформацию, не допуская её превращения в внезапное, насильственное разрушение. Этот подход к проектированию на основе энергии предлагает практический путь к более безопасной и надёжной глубокой добыче там, где инженерам приходится прокладывать выработки в твёрдой, сильно напряжённой породе.

Цитирование: Yin, Y., Ye, H., Peng, C. et al. Energy evolution mechanisms and hazard prevention in deep granite under cyclic loading: a case study from Sanshandao gold mine. Sci Rep 16, 8775 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40308-w

Ключевые слова: глубокая добыча, профилактика обрушений горной породы, буровзрывные работы в граните, опоры, поглощающие энергию, циклическая нагрузка