Характеристики просачивания через трещиноватый песчаник при глубоком высокоограниченном водонапоре и горнотехническом напряжении

Почему проникновение воды через породу важно

Глубокие угольные шахты сталкиваются не только с высокой температурой и давлением горных пород; под ними также находятся мощные подземные водоносные пласты. Если это нагруженное водой пространство найдёт быстрый путь в горные выработки, это может вызвать внезапные наводнения — так называемые аварии водопритока. В данном исследовании изучается, как вода просачивается через трещиноватый песчаник на глубине в сотни метров, и как геометрия трещин вместе с сжатием окружающей породы определяют, станет ли трещина опасным течением или естественным барьером.

Скрытая «водопроводная сеть» под глубокими угольными пластами

Исследование основано на данных шахты Синьдун (Xingdong) в Китае, где угольные пласты залегают более чем в километре от поверхности и находятся над мощным водоносным известняком. Песчаник между углём и водоносным горизонтом рассечён природными и горнотехнически вызванными трещинами, которые могут превратиться в высокоскоростные каналы для подземных вод. Авторы сосредотачивают внимание на отдельных трещинах в песчанике, рассматривая каждую как миниатюрную водопроводную трубу, пропускная способность которой зависит от шероховатости, ширины и степени зажатости под глубоким давлением.

Моделирование реалистичных трещин в лаборатории

Чтобы имитировать реальные горные условия, команда пробурила образцы песчаника со штрека шахты и аккуратно разделила их с помощью специально профилированных металлических клиньев. Это позволило создать пять групп образцов с контролируемым уровнем шероховатости — от почти гладких до очень зазубренных поверхностей трещин. Лицевые поверхности трещин трёхмерно сканировали, чтобы количественно оценить их неровности, после чего каждый образец устанавливали в трёхосевое испытательное устройство, способное сжимать породу со всех сторон, одновременно пропуская воду через трещину. Изменяя как окружное давление, так и давление воды, исследователи наблюдали за развитием потока во времени и при разных условиях.

Как сжатие и давление воды соревнуются

Эксперименты показывают противоборство между сжатием породы и давлением воды. По мере увеличения окружающего давления трещина частично закрывается и поток сначала резко уменьшается, затем менее интенсивно, и, наконец, выравнивается, когда трещина почти полностью компактируется. Авторы выделяют три стадии этого развития: раннюю упругую стадию, когда поверхности деформируются и закрываются быстро; среднюю переходную стадию, когда мелкие выступы разрушаются и перестраиваются; и конечное состояние равновесия, при котором дальнейшее сжатие мало влияет на поток. Давление воды действует в противоположном направлении: более высокое давление значительно увеличивает поток и частично раздвигает трещину, особенно при превышении примерно 5 мегапаскалей. По сути, давление воды может компенсировать часть закрывающего воздействия окружающей породы.

Почему шероховатость и ширина трещины меняют картину

Не все трещины ведут себя одинаково. Более гладкие и широкие трещины изначально пропускают значительно больше воды, делая их самыми опасными путями для внезапного прорыва. Но при увеличении давления они также реагируют драматичнее, теряя проницаемость быстро по мере сжатия. Более шероховатые трещины с зазубренными, взаимозащёлкивающимися поверхностями стартуют с гораздо меньшего расхода, поскольку путь более извилист и длинен. Со временем зерна и мелкие фрагменты породы перемещаются и оседают в этих неровных каналах, стирая выступы и заполняя полости, что дополнительно снижает поток. Исследование количественно связывает стандартный индекс шероховатости и начальную раскрытость трещины с долгосрочной, стабилизированной проницаемостью после многочасовой выдержки под давлением.

От лабораторных кривых к более безопасным шахтам

Объединив все свои испытания, авторы вывели простые математические зависимости, позволяющие предсказать, сколько воды будет проходить через трещину после установления её поведения в условиях глубокого высокого давления. Эти формулы показывают, что большая шероховатость и меньшая раскрытость приводят к пониженным долгосрочным просачиваниям, тогда как высокое давление воды и более гладкие, широкие трещины способствуют устойчивому потоку. Для планировщиков горных работ и инженеров по безопасности это означает, что гладкие, открытые трещины и зоны разломов под угольными пластами требуют особого внимания и укрепления, тогда как шероховатые, плотно закрытые трещины могут естественным образом ограничивать движение воды. В целом работа даёт более ясную картину скрытой «водопроводной сети» под глубокими шахтами и предлагает практические инструменты для оценки и снижения риска катастрофических водопритоков.

Цитирование: Tu, H., Wu, R., Jia, S. et al. Seepage characteristics of fractured sandstone under deep high-confined water and mining-induced stress. Sci Rep 16, 11507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42285-6

Ключевые слова: глубокая добыча, подземный поток воды, трещиноватая порода, прорыв воды, проницаемость песчаника