Технология предотвращения водных опасностей при отработке в условиях двойных экстремально тонких водоупоров в кровле и подошве

Почему вода важна в глубоких угольных шахтах

Глубоко под землей шахтёры сталкиваются с невидимым врагом: подпорной грунтовой водой, заключённой под давлением в породных пластах над и под углём. Если эти природные «затычки» из породы, удерживающие воду, очень тонкие, добыча может внезапно открыть скрытые пути и вызвать мощные напоры воды. В этой статье рассматривается, как безопасно вести разработку таких опасных угольных пластов путём преобразования породно-водной системы вокруг них.

Хрупкий «бутерброд» из породы и воды

Авторы сосредоточились на шахте в северном Китае, где угольный пласт расположился словно начинка между водоносными пластами сверху и снизу. От угля до этих водоносных горизонтов отделяют лишь очень тонкие слои относительно плотной породы, где вода находится под высоким давлением. Традиционные методы обычно справляются с поступлением воды либо сверху, либо снизу в отдельности, но здесь опасность исходит в обоих направлениях одновременно. Ранее исследования в основном рассматривали отдельные водоносные горизонты или более толстые защитные пласты, поэтому ситуация «двойного тонкого барьера» остаётся мало изученной, и многие такие пласты фактически недоступны для разработки.

Испытание безопасных и небезопасных способов добычи

Чтобы понять, что происходит при выемке угля, команда создала подробную трёхмерную компьютерную модель геологии шахты и смоделировала четыре подхода: обычную механизированную добычу, укрепление подошвы путём инъекционного заполнения цементным раствором, заполнение выработанного пространства твёрдым материалом и комбинацию инъектирования подошвы с обратной засыпкой. Модель отслеживает перераспределение напряжений в окружающих породах и места их растрескивания или разрушения. Если трещины проходят через тонкие защитные слои к водоносным пластам, вода может напрямую связаться с выработанным пространством, создавая серьёзную угрозу притока.

Что идёт не так, когда защищён только один бок

Моделирование показывает, что добыча без специальных мер формирует высокие зон трещиноватости в кровле и глубокие зоны разрушения в подошве, причём обе легко достигают близлежащих водоносных горизонтов. Укрепление только подошвы инъектированием действительно помогает: создаётся искусственный, более прочный барьер, который значительно сокращает глубину разрушений под пластом. Тем не менее в кровле по-прежнему развивается высокая трещиноватая зона, которая может соединиться с вышележащим водоносным горизонтом. Напротив, заполнение выработанного пространства очень эффективно для защиты кровли: обратная засыпка поддерживает свод горных пород, сглаживает пиковые напряжения и удерживает трещины кровли значительно короче тонкого защитного слоя сверху. Однако подошва остаётся близкой к предельному состоянию, и в слабых местах зона трещиноватости всё ещё может коснуться водоносного горизонта.

Как сочетание двух методов меняет породную систему

Ключевой вывод исследования заключается в том, что инъектирование подошвы и обратная засыпка наиболее эффективны в комплексе. Раствор, нагнетаемый в породу над глубоким водоносным горизонтом, утолщает и упрочняет подошвенный барьер, тогда как обратная засыпка поддерживает кровлю и уменьшает изгиб и разрушение. В совмещённой схеме напряжения вокруг выработанного пространства перестают концентрироваться в острых пиках и распределяются в гладкую дугообразную картину. В результате моделирование предсказывает, что трещины в кровле останавливаются значительно ниже кровельного водоносного горизонта, а разрушения в подошве остаются с запасом выше глубокого аквифера. Авторы затем применили этот комбинированный метод в реальной шахте, мониторили микросейсмичность, связанную с образованием трещин, и проводили аурометрические испытания в скважинах для картирования путей движения воды. Измеренные высоты и глубины трещиноватости совпали с моделями примерно с точностью до полуметра, что подтвердило сохранность защитных слоёв.

Что это значит для будущей добычи угля

Проще говоря, исследование показывает: ни армирование подошвы, ни обратная засыпка по отдельности не дают надёжной защиты, когда уголь заключён между очень тонкими, чувствительными к воде пластами. Но при грамотном проектировании и совместном применении эти два приёма могут превратить недобываемый и чрезвычайно опасный пласт в такой, который можно безопасно разрабатывать. Комбинированный подход сокращает длину трещин, утолщает барьеры, удерживающие воду под давлением, и предотвращает образование прямых путей поступления воды в шахту. Для других угольных месторождений с похожей рискованной геологией это работа даёт практическую, проверенную схему для балансирования добычи ресурсов и защиты от катастрофических затоплений.

Цитирование: Wang, G., Yin, S., Cao, M. et al. Water hazard prevention technology for confined mining beneath dual extremely thin aquicludes in roof and floor. Sci Rep 16, 13426 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43043-4

Ключевые слова: водные опасности на угольных шахтах, защита водоносных горизонтов, обратная засыпка при добыче, армирование инъектированием, добыча в ограниченном пласте