Механизмы распределения напряжений под влиянием размера численной модели и параметров забоя при разработке многослойных угольных пластов

Почему подземные напряжения важны для безопасности горных работ

Современная добыча угля всё чаще ведётся на большой глубине, где несколько угольных пластов расположены один над другим. Когда один из этих пластов разрабатывают, окружающие породы не остаются неподвижными: они изгибаются, трескаются и перераспределяют внутренние усилия. Если эти изменяющиеся силы, или напряжения, недостаточно точно учесть, может произойти обрушение кровли, разрушение столбов и внезапный выброс газа. В этом исследовании поставлен на первый взгляд простой вопрос с большими последствиями для безопасности: насколько наши компьютерные модели напряжений зависят от того, как мы задаём границы модели, и от того, как мы представляем пустоты, образующиеся вследствие выемки — так называемые забои (гоафы)?

Заглядывая в сложенные угольные пласты

Исследователи сосредоточились на китайском горном районе, где пять разрабатываемых угольных пластов расположены относительно близко друг к другу. По мере разработки этих пластов образующиеся пустоты — гофы — накапливаются вертикально и разделяются прослойками породы разной прочности. Чтобы изучить, как в таких условиях перераспределяются напряжения, команда использовала FLAC3D — широко применяемую в горной механике программу для моделирования. Они создали две версии подземной модели: узкую, тонкую модель, едва покрывающую один лавный фланг, и большую модель полной ширины, простирающуюся значительно дальше вбок. Затем они смоделировали реалистичную последовательность очистки флангов по разным пластам, отслеживая, как вес вышележащих пород передаётся на остающийся уголь и породу по мере образования каждой новой пустоты.

Как размер модели меняет картину

Можно ожидать, что меньшая модель с искусственными боковыми границами, расположенными ближе к зоне разработки, исказит картину напряжений — и это так, но в специфичном виде. Тонкая модель склонна показывать более сильное накопление напряжений у краёв только что разработанного пласта, особенно на ранних этапах, когда извлечён только один или два пласта. Поскольку боковые стороны модели не могут свободно двигаться, они действуют как жёсткие стены и заставляют напряжения концентрироваться у краёв гофа. В крупной модели напряжения распределяются более плавно, и контуры выглядят реалистичнее. Однако после разработки трёх и более пластов разница в максимальных значениях напряжений между тонкой и большой моделями уменьшается. Существенно то, что обе модели указывают пики напряжений почти в одних и тех же точках вдоль угольных пластов — размер модели в основном меняет величину пиков, а не их расположение.

Что действительно важно внутри выработанного пространства

Гораздо большая разница проявилась при смене способа представления самого гофа. В одной версии гоф трактовали как истинную пустоту — так называемая Null-модель — не оказывающую сопротивления, и тогда напряжения концентрируются преимущественно по её краям. В другой, Double-Yield модели, обрушенные породы рассматривались как рыхлый, но уплотняющийся материал, способный постепенно нести часть нагрузки. При таком более реалистичном представлении напряжения не просто собираются у краёв гофа; часть нагрузки воспринимает уплотняющийся обрушенный материал и передаёт её вверх в кровлю. По мере разработки большего числа пластов и накопления гофов над и под друг другом Double-Yield модель фиксирует, как напряжения восстанавливаются внутри обрушенных зон и распространяются через них, тогда как Null-модель оставляет большие нереалистичные области с почти нулевым напряжением. Выбор модели гофа существенно смещает места появления пиков напряжений вдоль угольных пластов — гораздо сильнее, чем любое изменение внешних размеров численной сетки.

Роль обрушения кровли

Исследование также проанализировало, как угол обрушения кровли в гоф влияет на поведение напряжений при использовании Double-Yield модели. Тестируя несколько углов обрушения, авторы установили, что при более крутом и обширном обрушении кровли разломанные породы сильнее уплотняются и лучше контактируют друг с другом. В результате обрушенная зона несёт большую часть вышележащего веса, напряжение внутри гофа увеличивается, а основные концентрации напряжений смещаются вверх в кровельные породы над разработанным флангом, вместо того чтобы оставаться сконцентрированными у краёв фланга. Такое поведение лучше согласуется с полевыми наблюдениями по сравнению с простым предположением пустоты и подчёркивает важность калибровки свойств гофа по реальным измерениям сжимаемости обрушенных пород в подземных условиях.

Что это значит для безопасной разработки многослойных пластов

Проще говоря, исследование показывает: при многопластовой добыче угля корректное представление гофа в модели важнее, чем построение очень большой модели. Узкая модель всё ещё может предсказать, где возникнут опасные очаги напряжений, при условии что инженеры понимают — она может переоценивать интенсивность этих пиков. Но использование реалистичной, уплотняющейся модели гофа, настроенной под местные условия и угол обрушения кровли, необходимо для того, чтобы уловить, как напряжения перемещаются через сложенные выработанные зоны и в оставшиеся угольные пласты. Эти рекомендации помогают проектировщикам шахт выбирать эффективные и надёжные схемы моделирования, улучшая размещение столбов, крепей и выработок, чтобы невидимые силы глубоких угольных месторождений были управляемы до того, как превратятся в бедствия.

Цитирование: Wang, N., Paneiro, G.A., Li, Y. et al. Mechanisms of stress distribution influenced by numerical model size and goaf parameters in multi-coal seam mining. Sci Rep 16, 11137 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42013-0

Ключевые слова: разработка многослойных угольных месторождений, уплотнение обрушенного пространства, численное моделирование, перераспределение напряжений, устойчивость кровли шахты