Численное моделирование совместного движения перекрывающих пород и механизмов заживления трещин в мелко залегающих угольных пластах

Почему опускание земли важно для повседневной жизни

Во многих засушливых регионах население зависит от мелких рек, прудов и подземных вод, которые находятся сразу над угольными пластами. При разработке угля близко к поверхности земля сверху может трескаться и проседать, открывая скрытые пути для утечки воды и разрушения почвы. В этом исследовании изучается внутренняя зона пород и грунтов, чтобы понять, как она прогибается, разрушается и частично «заживает» в процессе горных работ, с целью лучшей защиты водных ресурсов и поверхностной среды.

Слои земли над скрытой шахтой

В угольном бассейне, рассмотренном в Внутренней Монголии, уголь залегает под относительно тонким слоем твёрдой породы и более толстой прослойкой рыхлого песка и грунта. Такая сложенная структура типична для западного Китая, где мелкие пласты угля лежат под уязвимыми пустынными и степными экосистемами. Твёрдая порода ведёт себя как жёсткая оболочка, тогда как покрывающий рыхлый материал — скорее как упакованная, но крошащаяся подушка. Когда шахтёры удаляют уголь вдоль длинной панели, они оставляют пустоту, которая постепенно обрушивается. То, как оболочка и подушка двигаются вместе, определяет, будет ли поверхность равномерно оседать или расколется на разрушительные трещины, способные нарушить дороги, поля и поверхностные водоёмы.

Виртуальная выемка, чтобы увидеть невидимое

Поскольку эти процессы происходят на десятках метров ниже поверхности, авторы использовали детализированную компьютерную модель, чтобы воспроизвести этапы добычи на реальном рабочем забое на шахте Улан Мулун. Они построили поперечную модель, в которой твёрдые слои представлены сцеплёнными блоками, а рыхлый покров — множеством мелких зерён. По мере продвижения смоделированного забоя модель отслеживала, как слои прогибаются, разрушаются и смещаются, а также как трещины раскрываются или зажимаются. Команда сверила виртуальные результаты с точными измерениями фактической величины просадки поверхности над шахтой. Сходимость была высокой, что вселило уверенность в то, что моделирование достоверно передаёт скрытые движения.

Как оболочка породы и слой грунта двигаются совместно

Моделирование показывает, что перекрывающие породы не разрушаются одновременно. Сначала обрушивается лишь тонкая кровля непосредственно над пластом. Когда наконец рушится более толстая, прочная прослойка породы — так называемый ключевой слой — весь покрывающий массив начинает проседать как единое целое. Область внутреннего повреждения затем резко увеличивается, а позже растёт более равномерно. В зоне твёрдых пород трещины сначала распространяются по мере разрушения слоёв, но затем некоторые из этих трещин сжимаются по мере уплотнения обрушившейся зоны, поэтому общее развитие трещинообразования там сначала возрастает, затем снижается и в конце стабилизируется. В рыхлом слое песка и грунта, напротив, трещинообразование развивается иначе: оно увеличивается в ступенчатой, замедляющейся манере и особенно чувствительно к тому, как оседает подлежащая жёсткая оболочка.

Временная защитная арка в рыхлом грунте

Одно из наиболее заметных наблюдений — появление изогнутой арки из разрушенных частиц в рыхлом слое над обрушением. После того как ключевой слой ломается и опускается, рыхлый материал частично оседает и формирует дугообразную зону сломанных зерен, которая всё ещё может нести нагрузку. Эта арка временно перераспределяет часть нагрузки от центра к бокам, замедляя проседание земли непосредственно над центром. Однако по мере продолжения добычи и уплотнения обрушенной зоны ниже арка становится нестабильной. Её трещины постепенно закрываются, арка теряет роль опоры, и поверхность сверху начинает проседать быстрее. На краях образующейся воронки растяжение грунта открывает видимые натяжные трещины, которые могут уходить вниз к более глубоким разрывам.

Что это означает для защиты земли и воды

Сочетая моделирование с полевыми данными, исследование поясняет, как глубокая прочная прослойка и хрупкая арка трещин в рыхлом покрове совместно контролируют, когда и где происходит просадка поверхности. Ключевой слой действует как активный триггер: после его разрушения весь перекрывающий массив начинает двигаться как единое целое. Арка в рыхлом слое — пассивная и недолговечная опора, которая задерживает, но не предотвращает проседание поверхности. По мере закрытия и «заживления» арки скорость просадки поверхности увеличивается, а краевые трещины становятся более выраженными, что угрожает мелким водоёмам и экосистемам. Понимание этих стадий даёт инженерам более чёткие ориентиры, когда стоит ожидать ускорения повреждений на поверхности и как проектировать горные работы и защитные мероприятия, чтобы снизить вред земле и воде над мелко залегающими угольными пластами.

Цитирование: Pang, C., Kong, Z., Chen, L. et al. Numerical simulation study on the cooperative movement of overburden and fracture healing mechanisms in shallow-buried coal seams. Sci Rep 16, 10131 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40465-y

Ключевые слова: разработка мелкого угля, просадка грунта, заживление трещин, движение перекрывающих пород, защита водных ресурсов