Эволюция и эффект падения граничной пространственной морфологии зоны предельного равновесия верхнего угля в круто залегающем пласте

Почему верхний уголь важен для безопасной разработки

Глубоко под землёй шахтёры часто работают под слоем угля, который остаётся над их головами, пока машины отрезают пласт внизу. В круто наклонённых пластах этот накрывающий «верхний уголь» может ломаться и скользить сложными способами, угрожая стальным опорам, удерживающим кровлю от обрушения. В этом исследовании поставлен практический вопрос с существенными последствиями для безопасности и экономики: как меняется форма зоны разрушенного верхнего угля по мере продвижения выемки и как крутизна пласта влияет на это поведение?

Сложности разработки на склоне

Большая часть исследований по очистной разработке пласта предполагает почти горизонтальные залежи, где горные давления обычно распределяются относительно равномерно вокруг оборудования. В круто залегающих пластах гравитация действует по склону пласта, поэтому напряжения концентрируются неравномерно от нижней стороны забоя к верхней. Уголь над креплением не просто симметрично гнётся и трескается; он разрушаетcя в зонах, которые мигрируют и увеличиваются по мере продвижения забоя. Поскольку этот верхний уголь — единственная сплошная среда, связывающая крепи с горной породой выше, предсказание мест и форм его разрушения имеет ключевое значение для предотвращения обвалов кровли, опрокидывания крепей и потерь угля.

Построение виртуальной шахты

Авторы использовали детализированную трёхмерную численную модель, основанную на угольной шахте Чаншанцзи на западе Китая, чтобы воссоздать полностью механизированный очистной забой в круто залегающем пласте примерно под углом 35° к горизонту. Они представили окружные слои горных пород и пласт угля с реалистичными значениями прочности и жёсткости, уточнили компьютерную сетку вокруг верхнего угля и моделировали продвижение забоя по одному метру за шаг. По мере выемки нижнего угля накрывающий верхний уголь мог разрушаться, обрушиваться и отводиться за крепями, а пустота заполнялась в соответствии с реальной практикой. Виртуальные измерительные поверхности внутри верхнего угля регистрировали, как основные компоненты напряжений менялись в пространстве и времени по мере разработки.

Как формируется скрытая зона разрушения

По этим картинам напряжений команда восстановила трёхмерную границу того, что они называют зоной предельного равновесия верхнего угля — области, где уголь находится на грани разрушения и перестаёт вести себя как цельный массив. Изначально эта граница предстает как неправильная полоса возле забоя. По мере продвижения разработки она превращается в «асимметричную дугообразную лентоподобную криволинейную поверхность», мягко изогнутую оболочку, наклонённую в сторону верхней части пласта и в конечном счёте достигающую устойчивой формы. Эволюция неравномерна: в направлении падения (по склону) граница развивается сначала в нижней части забоя, затем в нижне‑средней, затем в верхней и, наконец, в верхне‑средней зоне; в направлении простига (вдоль забоя) она растёт сверху вниз. Даже после того, как напряжения перед забоем установятся в стационарный рисунок, эта изогнутая оболочка сохраняет «память» о последовательном прогрессировании разрушения угля.

Что происходит при увеличении крутизны пласта

Чтобы исследовать «эффект падения», исследователи повторили моделирование для более крутых падов — 45° и 55°. По мере увеличения крутизны пласта как максимальные, так и минимальные главные напряжения в верхнем угле снижаются, но их распределение становится более неравномерным: наиболее интенсивные зоны смещаются в сторону нижней стороны забоя, и общий рисунок напряжений становится более асимметричным. Оболочка предельного равновесия формируется быстрее, и её объём увеличивается: глубина разрушения достигает примерно 4,5 м для более мягкого угла и до 7,5 м для наиболее крутого. Высшая точка изогнутой оболочки смещается вверх вдоль пласта, что отражает более сильную склонность верхней части верхнего угля к разрушению, сползанию и фрагментации.

Связь разрушения угля с устойчивостью крепи

Далее команда связала эту скрытую геометрию с тем, что наблюдают шахтёры. С помощью простой механической модели они показали, что при сильной фрагментации уголь над крепью передаёт меньшую нагрузку и обеспечивает меньшую трение на козырьке крепи, что увеличивает склонность крепи к сдвигу и опрокидыванию по склону. Замеры на пласте Чаншанцзи подтвердили численную картину: там, где нижняя граница зоны предельного равновесия располагалась дальше от забоя, события утечки верхнего угля происходили чаще, а измеренное сопротивление крепи было ниже. Там, где граница лежала ближе, уголь оставался более цельным, утечки были редки, а крепи несли более высокие и стабильные нагрузки.

Что это значит для более безопасной и разумной разработки

Проще говоря, исследование показывает: по мере роста крутизны угольного пласта зона почти разрушенного верхнего угля над забоем становится шире, более односторонней и более опасной для крепей, удерживающих кровлю. Картирование формирования и смещения этой невидимой оболочки даёт горным инженерам инструмент для предвидения участков наибольшей фрагментации угля и зон, где крепи наиболее подвержены потере устойчивости. Эти сведения могут руководить проектированием крепи, планировкой забоя и эксплуатационными стратегиями, повышая безопасность шахтёров и улучшая извлечение угля в одних из самых технически сложных месторождений мира.

Цитирование: Wu, X., Chi, X., Lang, D. et al. Evolution and dip effect of boundary spatial morphology of top-coal limit equilibrium zone in steeply dipping coal seam. Sci Rep 16, 12268 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43091-w

Ключевые слова: круто залегающий угольный пласт, обрушение верхнего угля, напряжённое состояние горной массы, устойчивость крепи кровли, численное моделирование шахты