Исследование закономерности распределения поля горного давления под изолированной угольной перемычкой в близкорасположенных пластах и обоснование расположения горного выработа

Почему форма подземного напряженного состояния важна

Глубоко под землей угольные шахты опираются на узкие туннели, или выработки, для перемещения людей, техники и воздуха. Во многих китайских угольных полях несколько пластов располагаются близко друг к другу, поэтому при разработке одного пласта нарушается горная порода выше и ниже. В этом исследовании изучают, что происходит под оставленной «островной» перемычкой угля в верхнем пласте и ставят практический вопрос с последствиями для безопасности: где следует прокладывать следующую выработку в нижнем пласте, чтобы она оставалась устойчивой и безопасной со временем?

Слои породы и оставшийся уголь

Исследователи сосредоточились на руднике в провинции Гуйчжоу (Китай), где верхний пласт (обозначаемый №1) уже разработан, оставив толстую изолированную угольную перемычку между двумя обрушившимися, уплотненными зонами выработанного пространства (закромами). Примерно в 12 метрах ниже расположен более тонкий нижний пласт (№3), где необходимо проложить новую горную выработку. Поскольку пласты близко расположены и шахта глубокая, напряжения, вызванные ранней разработкой, не исчезают — они концентрируются вокруг изолированной перемычки и проходят вниз через горную породу, меняя поведение нижнего пласта. Понимание этой картины имеет решающее значение для выбора места выработки, чтобы окружающая порода деформировалась плавно, а не разрушалась резко.

Картирование невидимых сил в породе

Чтобы отследить, как напряжение распространяется по породе под перемычкой, команда совместила три подхода. Сначала они построили аналитическую механическую модель, рассматривающую породу под верхним пластом как упругую среду, нагруженную весом вышележащих слоев, самой перемычкой и уплотненной обломочной породой в выработанных зонах. Эта модель даёт формулы для того, как горизонтальные, вертикальные и сдвиговые напряжения изменяются с глубиной. Затем они использовали FLAC3D — широко применяемую программу численного моделирования — для создания трёхмерной цифровой модели шахты с верхней перемычкой, закромами и нижним пластом. Наконец, теоретические и численные результаты сравнили с полевыми наблюдениями и данными измерений на реальной шахте. Два метода согласовались: наблюдается сильная концентрация напряжений у краёв изолированной перемычки и характерная седловидная картина напряжений в породе пласта.

Поиск спокойной зоны под перемычкой

Моделирование показало, что напряжение от изолированной угольной перемычки не просто давит строго вниз. Оно расходится в породе пласта наклонно и постепенно ослабевает с глубиной. Близко к верхнему пласте различия между главными сжимающими напряжениями велики и образуют двойной пик по обе стороны от оси перемычки. Глубже этот двойной пик превращается в один, более плоский максимум. Примечательно, что на уровне нижнего пласта №3 прямо под центром перемычки разница между главными напряжениями относительно мала — заметно меньше, чем под краями перемычки или у границ закромов. Это означает, что порода в этой точке менее склонна к интенсивному сдвигу и растрескиванию, что указывает на естественную «тихую зону» для размещения выработки.

Как положение выработки меняет разрушение породы

Чтобы проверить, как положение выработки влияет на повреждения, авторы смоделировали туннели, прорезанные на разных боковых смещениях под перемычкой. Они изучали два связанных показателя: девиаторное напряжение (которое вызывает деформации, меняющие форму) и пластическую зону (где порода уступила и получила необратимые повреждения). Когда выработка располагалась прямо под осью перемычки, поле девиаторного напряжения вокруг неё было почти симметричным, а пластическая зона формировала компактную, примерно эллиптическую «оранжерею», сосредоточенную в кровле и по бокам. По мере смещения выработки в ту или иную сторону поле напряжений поворачивалось и растягивалось, а пластическая зона эволюционировала от аккуратной эллипсы в искажённую, бабочковидную форму, простирающуюся в сторону ближайшего закрома. В этих смещённых позициях повреждённые зоны соединялись с ослабленными участками выше, существенно повышая риск крупной неравномерной деформации и осложняя опорные мероприятия.

Выбор наиболее безопасной зоны для выработки

Опираясь на это наблюдение, исследователи применили концепцию «бабочковидного разрушения», чтобы разделить потенциальную область выработки на три зоны по двум индикаторам: отношению главных напряжений и их разности. Одна зона характеризуется высоким отношением напряжений и склонна к неустойчивому бабочковидному разрушению; другая сильно затронута обоими показателями и является наихудшим выбором для расположения выработки. Третья зона, обозначенная R‑III, соответствует местам, где и отношение напряжений, и их разность относительно малы. В приведённом кейсе оптимальная зона лежит прямо под изолированной угольной перемычкой. Выработка, выработанная там и поддержанная длинными анкерными болтами и тросами для кровли, показала контролируемую деформацию при полевом мониторинге: сближение кровли и подошвы и схождение стенок оставались в допустимых пределах в течение 40‑дневного периода наблюдения. Для непрофессионального читателя ключевая мысль такова: «спрятав» выработку в самой спокойной части сложного поля напряжений — прямо под перемычкой, а не сбоку от неё — инженеры могут значительно повысить безопасность и снизить проблемы с обслуживанием в глубоких, тесно расположенных пластах.

Цитирование: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Ключевые слова: угольная перемычка, подземный выработ, горное напряжение, стабильность шахты, численное моделирование