Механизм влияния толстой твердой прослойки на разрушение и характеристики выделения энергии в сложной кровле

Почему породы кровли важны для безопасности шахты

В глубоких угольных шахтах опоры из металла не единственное, что удерживает выработку — природные слои породы над пластом угля выполняют роль «кровли». Когда эти слои изгибаются и разрушаются, они могут внезапно высвободить большие объемы энергии, иногда вызывая мощные выбросы пород, угрожающие жизни людей и оборудованию. В этой работе исследуется, как одна толстая и твердая прослойка в составе кровли может незаметно накапливать энергию, а затем внезапно разрушиться, превращая управляемую ситуацию в опасную.

Слои породы над угольным пластом

Над многими угольными пластами кровля устроена как многослойный торт — мягкие и твердые породы чередуются друг с другом. В глубоких шахтах Китая инженеры отмечали, что выбросы пород часто происходят в местах, где в этом наборе заложена особенно толстая и прочная прослойка. Авторы стремились понять, как такая прослойка меняет поведение многослойной кровли при изгибе, образовании трещин и выделении энергии. Они сочетали контролируемые лабораторные испытания на небольших балках-образцах с детальными полевыми наблюдениями в реальной шахте, чтобы связать процессы на стенде с тем, что происходит на сотни метров в недрах.

Лабораторные балки, имитирующие кровлю шахты

В лаборатории команда создала миниатюрные «кровли», склеив блоки двух реальных пород кровли из угольной шахты: более прочной мелкозернистой песчаники и менее прочного известняка. Каждая составная балка имела одинаковую общую высоту, но доля и положение более толстой твердой прослойки менялись от образца к образцу. Балки затем гнули в трехточечной схеме, а два современных прибора фиксировали процесс разрушения: система цифрового спекл-интерферометрического наблюдения отслеживала деформацию поверхности, а датчики акустической эмиссии записывали слабые звуки трещин внутри породы, указывая, когда и где образуются трещины.

Как толстая твердая прослойка меняет характер разрушения

Испытания показали, что толстая твердая прослойка не просто делает кровлю прочнее — она изменяет способ разрушения. Когда толстой твердой прослойки не было, балки вели себя относительно просто: они изгибались, слегка сдвигались по интерфейсу между слоями и затем разрушались одним быстрым хрупким событием. Их кривые нагрузка–время имели один пик, и большая часть энергии выделялась только при окончательном разрыве. Напротив, при наличии толстой твердой прослойки процесс разрушения проходил в четырех стадиях: плавный общий изгиб, растрескивание более слабого слоя, период «перераспределения» напряжений по мере перехода нагрузки на твердый слой и, наконец, внезапное нестабильное разрушение всей балки. На графиках это проявлялось как отчетливый двойной пик — сначала вышел из строя мягкий участок, затем лопнул твердый.

Нарастание энергии и схемы трещинообразования

Данные акустической эмиссии показали, что балки с толстыми твердыми прослойками накапливали и выделяли значительно больше энергии, чем образцы без них. Не только суммарная энергия и число высокоэнергетических сигналов были гораздо выше, но и взрывообразная финальная стадия сопровождалась мощным растягивающим разрушением в обоих слоях породы. Визуализация и локализация трещин показали, что начальные трещины всегда возникали в более слабой породе, независимо от того, располагалась ли она сверху или снизу. Взаимное изгибание слоев приводило к двум различным стилям деформации: в одних сочетаниях слои расслаивались (деламинация), в других они сжимались в середине (компакция). Там, где присутствовала толстая твердая прослойка, окончательное разрушение происходило так быстро — за десятую долю секунды, — что камеры не успевали зафиксировать полный путь трещины, что созвучно внезапному характеру выбросов пород в реальных шахтах.

Полевые наблюдения в шахте, соответствующие лаборатории

Чтобы проверить применимость маломасштабных результатов под землей, исследователи изучили глубокий забой в шахте Таншань. Там кровля состоит из чередования мягкого песчанистого аргиллита и более твердых песчаников, образующих сочетания «мягкий над твердым» и «твердый над мягким», сходные с лабораторными балками. Скважины, пробуренные из горного массива, позволили команде наблюдать развитие трещин по мере продвижения выработки. Были выявлены два основных стиля разрушения вдоль слоевых интерфейсов: деламинация, при которой порода разрывается, и дислокация, при которой слои сдвигаются друг относительно друга. То, какой сценарий реализовывался, зависело от укладки мягких и твердых пород — точно так же, как показали лабораторные испытания. Участки с более толстыми и твердыми слоями демонстрировали более интенсивное растрескивание и большие перемещения, указывая на повышенный риск выбросов пород.

Что это значит для более безопасной добычи

Для непрофессионала вывод таков: одна толстая, прочная прослойка в кровле шахты может вести себя как жесткая пружина — она незаметно накапливает изгибную энергию по мере ведения работ, а затем отдает ее в виде мощного щелчка. Исследование показывает, что такие прослойки не только повышают пик прочности кровли, но и существенно увеличивают энергию, запасаемую и внезапно высвобождаемую при окончательном разрушении. Понимание местоположения этих толстых твердых слоев, их сочетаний с более мягкими породами и потенциальных сценариев их разрушения дает инженерам более надежную основу для прогнозирования опасных событий и проектирования мер — например, контролируемого ослабления или усиленных креплений — для предотвращения катастрофических выбросов пород.

Цитирование: Song, Xs., Wang, Zq., Zhang, Pf. et al. Influence mechanism of thick hard layer on fracture and energy release characteristics of composite roof. Sci Rep 16, 10395 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40432-7

Ключевые слова: выброс горной породы, кровля шахты, твердый горный слой, выделение энергии, безопасность угледобычи