Исследование влияния разгрузки напряжений в забое близкорасположенной выработанной угольной пласты и нарушений при проходке выработки на окружающие породы

Почему напряжения под землей имеют значение

Современные шахты вынуждены углубляться, чтобы добраться до оставшихся залежей угля, где поведение пород становится сложным и порой непредсказуемым. Когда под старой выработанной пластом вырезают большую выработку, окружающие породы могут как обрушиться, так и оставаться стабильными в зависимости от перераспределения напряжений по слоям. В этой работе проанализирован реальный проект в восточном Китае, чтобы понять, как пустая, обрушившаяся зона, оставшаяся после предыдущей разработки, может фактически защитить новую, сверхширокую выработку внизу, и какие виды крепления обеспечивают безопасность кровли для рабочих.

Слои пород над широкой выработкой

Исследователи сосредоточились на большой выработке, известной как открытая отрезка, которая примерно вдвое шире типичного шахтного туннеля и располагается в 12–18 метрах под старой выработанной угольной пластом. Между угольными слоями залегают пласты песчаника, алевролита и аргиллита с разной прочностью. При бурении кернов и оценке их качества команда обнаружила, что некоторые кровельные породы имеют умеренную прочность, тогда как другие, особенно вблизи подошвы старой пласта, очень слабые и сильно разрушенные. Знание того, какие слои прочные, а какие хрупкие, жизненно важно, поскольку именно эти слои вместе образуют балку пород, перекрывающую новую выработку.

Как выработанная пластина меняет нагрузку

С помощью компьютерного моделирования авторы воссоздали последовательность разработки верхней угольной пласта, а затем проходку нижней выработки. После разработки верхней пласта остался забой — пустая зона, частично заполненная обрушившимися кровельными породами. Этот забой не увеличивал давление на нижнюю выработку; напротив, он действовал как зона разгрузки напряжений. Породы между подошвой забоя и кровлей новой выработки испытывали значительно более низкие напряжения — обычно лишь несколько мегапаскалей — по сравнению с сильно нагруженными породами по бокам. Трёхметровая полоса пород между двумя выработками осталась неразбитой, длинные кровельные анкеры, закреплённые выше выработки, находились в сжатых, стабильных породах, тогда как более короткие болты работали в зонах растяжения ближе к обнажению.

Модельные выработки и замедленное обрушение кровли

Чтобы физически проверить эти идеи, команда построила уменьшенную метрическую модель слоистых пород и угольных пластов, используя материалы на песчаной основе. Сначала они отработали верхнюю пластину в модели, затем постепенно увеличивали нагрузку сверху, имитируя более глубокую залегание. По мере роста нагрузки кровля над верхней пластиной постепенно разрушалась: из зафиксированной балки она превращалась в шарнирные блоки, а затем — в каменную арку из обрушившихся пород. Когда нагрузка превысила определённый порог, верхняя кровля полностью обрушилась, сформировав устойчивую осыпь с боковыми откосами примерно 60–65 градусов. Датчики, встроенные вблизи будущего положения выработки, показали, что напряжения в породах под забоем в конце концов сменились от сжатия на растяжение и затем установились на постоянных значениях, подтверждая, что выработанная зона в значительной степени освободилась от нагрузки.

Наблюдение за набором напряжений при расширении выработки

Затем исследователи смоделировали поэтапную проходку большой выработки, имитируя реальную методику разработки. Напряжённостные датчики в модельной кровле показали, что каждый этап расширения вызвал новую волну нарушения, при которой чередовались сжимающие и растягивающие напряжения, а затем постепенно стабилизировались. Центр кровли, прямо над выработкой, нес наибольшие растягивающие (технологические) напряжения, и эти напряжения увеличивались при дополнительной нагрузке сверху. Однако эта зона высокого растяжения в основном находилась в пределах действия более коротких болтов, в то время как более длинные канаты были законтрены в глубже залегающих сжатых породах, выполнявших роль жёсткого остова. Наблюдения на месте с помощью каротажной камеры в реальной шахте подтвердили эту картину: в кровле было видно лишь несколько окружных трещин, а большая часть пород вокруг обнажения оставалась целой.

Что это означает для более безопасной глубокой добычи

Для неспециалистов главный вывод прост: старая, отработанная пластина над новой выработкой не всегда представляет угрозу; при правильном понимании она может действительно снять нагрузку и помочь защитить нижнее пространство. В этом случае забой над большой выработкой создал буфер низкого напряжения, а продуманная система болтов и канатов обеспечила привязку слабых, расколотых слоёв у выработки к более прочным породам выше. Объединив бурение кернов, численное моделирование, лабораторные уменьшенные модели и полевые проверки с камерой, исследование показывает, что даже очень широкие подземные выработки могут оставаться устойчивыми в глубоких условиях, если слоистость пород и пути передачи напряжений тщательно картированы, а крепление адаптировано к реальным зонам напряжений.

Цитирование: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Ключевые слова: подземная добыча угля, устойчивость горных пород, поддержание выработки, разгрузка напряжений в забое, глубокие тоннели