Исследование механических и разрушительных характеристик песчаника с параллельными щелевыми пазами под разными углами при циклической нагрузке и разгрузке

Почему важно резать породу под правильным углом

Глубоко под землей порода над угольными пластами может внезапно обрушиться, высвобождая огромное количество энергии и вызывая опасные выбросы породы и газа. Чтобы повысить безопасность добычи, инженеры намеренно делают прорези в кровле, чтобы она разрушалась контролируемо, а не обрушивалась без предупреждения. В этом исследовании ставится, казалось бы, простой, но принципиальный вопрос: под каким углом должны выполняться эти искусственные прорези, чтобы стимулировать безопасное и предсказуемое разрушение кровли?

Блоки породы, подготовленные для испытания

Исследователи работали с образцами песчаника, смоделированными под твёрдую кровлю над угольными пластами. Каждый брусок был оснащён двумя узкими параллельными щелями, подобными мелким пилящим надрезам, расположенными по средней линии образца. Были испытаны семь различных углов между щелями и горизонталью: от полностью горизонтального (0 градусов) через 15, 30, 45, 60 и 75 градусов до вертикального (90 градусов). После сушки образцов для удаления влаги команда поместила их в гидравлическую испытательную машину, способную многократно сжимать и разжимать породу, имитируя ритм изменения напряжений, который испытывает кровля по мере продвижения горных работ.

Имитация толчков и освобождений давления под землёй

Для моделирования реальных условий шахты схема нагружения сочетала два компонента: постепенно возрастающую фоновую силу, отражающую рост веса и напряжений по мере ведения горных работ, и быстрое циклическое колебание, отражающее периодические возмущения. В каждом цикле напряжение повышалось от более низкого «долинного» уровня до более высокого «пикового» и затем снова снижалось; цикл повторялся десять раз перед следующим повышением общего уровня нагрузки. В процессе испытания машина непрерывно регистрировала деформации песчаника, что позволяло отслеживать не только момент окончательного разрушения, но и изменения жёсткости, внутреннего повреждения и накопленной энергии на протяжении десятков циклов.

Как угол влияет на прочность, жёсткость и энергию

Выяснилось, что угол щелей оказывает сильное и нелинейное влияние на поведение образцов. Максимальное напряжение, которое могли выдержать образцы, не изменялось монотонно с углом; вместо этого оно сначала увеличивалось, затем резко снижалось и снова росло. Самым слабым оказался случай при 45 градусах, а самым прочным — при вертикальном расположении щелей. По мере продолжения циклирования все образцы постепенно становились более жёсткими при нагружении, но скорость этого изменения зависела от угла, что отражает уплотнение пор и микротрещин или их рост. Одновременно отслеживались два типа энергии: упругая энергия, которая может быть возвращена при снятии нагрузки, и пластическая энергия, безвозвратно расходуемая на образование трещин и необратимую деформацию. При угле 45 градусов и упругая, и рассеиваемая (пластическая) энергия оставались ниже, чем при других углах для одинакового числа циклов, то есть порода разрушалась при относительно небольших деформациях и накоплении энергии.

От плавно раскрывающихся трещин до болезненного сдвигового разрушения

Наблюдение за развитием видимых трещин дало дополнительное понимание, почему угол так важен. При почти горизонтальном расположении щелей порода в основном образовывала «раскрывающиеся» трещины, разрывающие песчаник в режиме растяжения. По мере увеличения угла к 30 градусам появлялись и взаимодействовали как раскрывающие, так и скользящие трещины. При 45 градусах и выше доминировали скользящие (сдвиговые) трещины, пересекавшие образец и соединявшие щели между собой и с краевыми границами. Пути, которыми трещины соединяли щели, тоже менялись: от прямых, проходящих насквозь связей при малых углах до более косвенных и сложных маршрутов при больших углах. Этот переход от растяжённого к сдвигово-доминированному разрушению в районе 45 градусов стал поворотным моментом в механизме разрушения породы.

Как порода рассыпалась на фрагменты

После каждого испытания разрушенный песчаник аккуратно просеивали и взвешивали, чтобы определить, какую долю массы составляют фрагменты разных размеров. При всех углах большая часть массы оставалась в относительно крупных кусках, но детали распределения по размерам варьировали. При 30 и 45 градусах разброс размеров фрагментов был наибольшим: среди крупных обломков был заметен более высокий процент мелких частиц. Такое более широкое распределение указывает на большее число и более взаимосвязанные трещины, рассекающие породу на множество фрагментов разного размера. В горной практике это означает, что кровля при этих углах легче обрушится и раскрошится под давлением, вместо того чтобы висеть единым массивным слоем.

Что это значит для более безопасной добычи угля

Сопоставив механические, энергетические и фрагментационные данные, исследование приходит к выводу, что прорезывание кровли параллельными пазами примерно под углом 45 градусов к горизонту особенно эффективно. При этом угле в породе формируется мощное сдвигово-доминированное трещинообразование, разрушение наступает при относительно небольшой деформации, а кровля распадается на широкий спектр фрагментов, что способствует своевременному и равномерному обрушению. На практике это означает, что инженеры, проектирующие операции по разрезанию кровли, могут ориентироваться на угол около 45 градусов как на рабочую цель для снижения напряжений в надлежащем песчанике и уменьшения риска внезапных опасных выбросов породы и газа при добыче угля.

Цитирование: Enbing, Y. Study on the mechanical and fracturing characteristics of parallel slit groove sandstone at different angles under cyclic loading and unloading. Sci Rep 16, 9778 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40476-9

Ключевые слова: разрушение песчаника, циклическая нагрузка, механика горных пород, контроль кровли угольной шахты, предварительные прорези