Анализ факторов, влияющих на ширину пластической зоны и устойчивость лент заполнения на основе эолового песка

Защита земли над скрытыми рудниками

Многие угольные шахты находятся непосредственно под деревнями, дорогами и сельскохозяйственными угодьями. При извлечении угля покрывающие породы могут прогибаться, а поверхность земли оседать, вызывая трещины в зданиях и нарушая экосистемы. В этом исследовании рассматривается способ поддержания подземных пустот с помощью специального пескообразного заполняющего материала, чтобы добычу угля можно было вести, сохраняя при этом безопасность и устойчивость надлежащих земель и сооружений.

Преобразование пустынного песка в подземную опору

Исследователи начали с разработки нового заполняющего материала, в котором в качестве основного компонента использовали эоловый песок — мелкий песок, откладывающийся ветром в пустынных районах. На западе Китая такой песок обилен, его легко собрать и он дешев. Его смешали с промышленным отходом — летучей золой, химически активированной известью и гипсом, чтобы смесь затвердела в монолит. Испытания показали, что получившийся раствор легко перекачивается по трубам, а затем превращается в достаточно прочное камнеподобное тело, что делает его практичным для заполнения выработанных подземных пространств.

Поведение песчаного заполнителя под давлением

Чтобы понять, как этот материал поведёт себя в глубине под землёй, команда изготовила цилиндрические образцы и сдавливала их со всех сторон в мощной испытательной машине. Изменяя окружное давление, они имитировали разные глубины шахты. По мере увеличения давления вокруг образца заполнитель становился прочнее и деформировался меньше перед разрушением. Из этих экспериментов учёные вычислили ключевые прочностные характеристики, необходимые инженерам — например, какое касательное напряжение материал способен выдержать. Эти значения затем использовали для оценки прочности полосы заполнения при поддержке веса сотен метров пород над ней.

Картирование «мягкой кромки» вокруг полос заполнения

При полосном заполнении уступ разрабатывают в длинных полосах, оставляя чередующиеся непрерывные участки, которые функционируют как подземные балки для поддержания кровли. Вместо того чтобы оставлять эти полосы целиком из угля, в некоторых из них применяют пескообразный заполнитель. С помощью компьютерного моделирования реальной шахты в провинции Шэньси команда изучила поведение внутри полосы заполнения при осадке кровли. Они обнаружили, что каждая полоса образует прочное центральное ядро, окружённое с обеих сторон «пластической» зоной, где материал сдался и потерял большую часть прочности. Ширина этих размягчённых зон увеличивается с ростом высоты разработки и глубины, но уменьшается при использовании большего долевого заполнения выработанного пространства.

Простое правило, связывающее условия добычи и безопасность полосы

Поскольку ширина мягкой кромки зависела одновременно от нескольких факторов, исследователи использовали статистическую аппроксимацию для построения уравнения, связывающего её с глубиной разработки, высотой пласта и долей панели, заполняемой обратно. Это позволило подставить ширину пластической зоны в устоявшуюся теорию, рассматривающую каждую полосу как имеющую прочное ядро и слабые боковые зоны, и адаптировать вторую теорию, описывающую перераспределение веса перекрывающих пород между заполненными и незаполненными участками. Комбинация этих подходов привела впервые к явному математическому выражению устойчивости пескообразной полосы заполнения при заданных горных условиях.

Проверка метода в реальной шахте

Новая методика проектирования была затем применена на действующем рабочем забое примерно в 300 метрах под рассеянной жилой застройкой. Исходя из допустимых пределов перемещений поверхности земли, инженеры рассчитали, какими должны быть ширины незаполненных просек и заполняемых полос. Они выбрали полосы заполнения шириной 56 метров, разделённые выработанными пространствами шириной 46 метров, и установили модульную систему крепи для размещения и фиксации заполнителя в процессе затвердевания. В ходе почти трёхлетнего мониторинга максимальная просадка поверхности и деформации грунта оставались в рамках строгих целевых значений, и повреждений зданий сверху не зафиксировано.

Что это значит для более экологичной добычи угля

Работа показывает, что мелкий пустынный песок в сочетании с промышленной летучей золой может стать надёжным конструкционным материалом для поддержки подземных полостей. Тщательно соотнеся глубину разработки, высоту пласта и коэффициент заполнения с шириной мягкой зоны и общей прочностью полосы, инженеры могут проектировать полосы заполнения, которые безопасно воспринимают нагрузку пород при использовании меньшего объёма материала по сравнению с полным заполнением. С практической точки зрения метод предлагает угледобывающим компаниям в песчаных районах способ более эффективно извлекать ресурсы, защищать населённые пункты на поверхности и утилизировать отходы, приближая подземную добычу угля к по-настоящему «зелёной» эксплуатации.

Цитирование: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

Ключевые слова: заделка выработок, эоловый песок, просадка грунта, устойчивость угольных шахт, пастообразное заполнение