Исследование механизмов деформации в глубоких выработках и применение свайно-фундаментно‑блочной опоры

Обеспечение безопасности подземных туннелей

Глубокие подземные туннели — это артерии современных угольных шахт, по которым поступают свежий воздух, перемещаются работники и тяжёлая техника. Но на больших глубинах окружающие горные породы могут медленно сжиматься, раскалываться и деформировать пол тоннеля, подвергая опасности как безопасность, так и производительность. В этой работе подробно рассмотрен деформированный транспортный тоннель на шахте в Внутренней Монголии и испытан новый способ закрепления горной массы с помощью сочетания свай в полу и модульных опор, работающих совместно с традиционными анкерными болтами и канатами.

Когда грунт начинает двигаться

Исследуемый тоннель расположен примерно в 420 метрах под поверхностью в толстой и в основном устойчивой угольной пачке. Тем не менее пол потрескал и неравномерно поднялся, кровля просела, а ребра — боковые стены тоннеля — выпучились. Наиболее серьёзной проблемой было вздутие пола со стороны монолитного угля, что деформировало выработку и создавало угрозу для проезда техники. Со стороны угольного столба также наблюдались повреждения, тогда как кровля и стена из монолитного угля пострадали сравнительно меньше. Такие проявления указывали на нарушение первоначального баланса напряжений в глубинных породах в результате выемки.

Как подземные напряжения разрушают тоннель

Чтобы понять причины деформации, исследователи сочетали отбор полевых образцов, лабораторные испытания керна и натурные измерения напряжённого состояния. Они установили, что естественные горизонтальные напряжения в породе превышают вертикальные напряжения от вышележащего обвала. На основе этих данных был создан трёхмерный численный моделирующий образ горного массива вокруг тоннеля. Симуляции показали, что проходка перераспределяет напряжения, создавая зоны очень высокого сжатия и участки растяжения вокруг выработки и в глубине массива. В результате формируется кольцевая зона породы вокруг тоннеля, выведенная за пределы упругости, где начинается пластическая деформация и появление трещин.

Почему пол выпирает неравномерно

Далее команда использовала упрощённую механическую модель пола тоннеля, рассматривая его как балку, опёртую на размягчённые зоны по концам. Они показали, что величина и положение вздутия пола сильно зависят от двух факторов: ширины размягчённых «пластических» зон по каждой стороне пола и степени концентрации напряжений в них. При сходных характеристиках с обеих сторон пол прогибается максимально в центре. Но если с одной стороны зона ослабления шире или наблюдается более сильная концентрация напряжений, максимальное подъёмное смещение смещается в ту сторону и увеличивается по величине. В описанном случае эффект доминировал со стороны монолитного угля, что объясняет выраженное асимметричное вздутие пола в шахте.

Новый способ поддержки горной массы

Поскольку одних только болтов и канатов оказалось недостаточно для контроля деформации, исследователи предложили новую концепцию опирания: свайно-фундаментно‑блочную поддержку. Стальные сваи бурятся в пол тоннеля и увенчаны плоской плитой, на которой размещены модульные гидравлические опорные блоки. Эти опоры работают совместно с существующими болтами и канатами в кровле и стенах. Сваи улучшают напряжённое состояние в плите пола, прерывают пластическое течение ослабленной породы под выработкой и обеспечивают ровную, стабильную основу, чтобы опоры могли действовать вертикально и эффективно. Одновременно опоры распределяют нагрузку, снижая накопление напряжений вдоль боковых стен.

Преобразование опасного сжатия в устойчивую основу

Численные моделирования комбинированной системы опор показали впечатляющие улучшения. Перемещения кровли и пола сократились более чем на 80–90 процентов, а смещения боковых стен уменьшились примерно на три четверти и более. Ранее сплошное кольцо сильно повреждённой породы вокруг тоннеля распалось на меньшие, изолированные зоны, особенно в полу, где пластическая деформация прерывалась рядами свай и снижалась примерно до 80 процентов. Проще говоря, новая схема опирания превращает тяжело сжатый и подвижный тоннель в выработку, где перемещения пород сведены к сантиметровому масштабу, а нагрузки безопасно воспринимаются сваями и опорами. Для глубоких горных работ этот подход представляет собой перспективный способ сохранить критические транспортные туннели открытыми, устойчивыми и безопасными.

Цитирование: Gou, L., An, D., Song, Y. et al. Research on deformation mechanisms in deep excavation tunnels and the application of the pile foundation-unit-type support. Sci Rep 16, 12233 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43056-z

Ключевые слова: деформация тоннеля, вздутие пола, подземная выработка, поддержка горной массы, свайный фундамент