Характеристики деформаций слабоцементированных вскрывающих пород в западных горнодобывающих районах Китая

Почему важно, что над шахтами смещается земля

При подземной добыче угля породы над пластом не остаются неподвижными. На западе Китая эти покрывающие слои необычно мягкие и легко ломаются, из‑за чего поверхность более склонна к просадке и ставятся под угрозу ценные подземные воды. В этом исследовании рассматривается, как такие слабые породы деформируются по мере продвижения выемки на шахте №4 в Илийском районе, и показано, как понимание их поведения может помочь обеспечить безопасность горняков и региональных запасов воды.

Мягкие породы, которые крошатся и впитывают воду

Покрывающие пласты над исследуемым угольным пластом в основном состоят из тёмных глинистых и алевритовых пород. Лабораторные испытания показывают, что они относительно слабы даже в сухом виде и становятся значительно более уязвимыми при увлажнении. Их прочность на сжатие резко падает после насыщения, они склонны к растрескиванию, шелушению по пластам и распаду на отдельные блоки. В отличие от многих угольных месторождений на востоке Китая, здесь отсутствуют толстые прочные пласты, которые могли бы работать как защитные балки. Скорее, колонну пород можно представить как стопку влажных, хрупких печений: при нарушении она быстро деформируется и медленно восстанавливается. Такое сочетание низкой прочности и высокой чувствительности к воде делает район особенно уязвимым к крупным смещениям грунта и связанным с водой опасностям в ходе добычи.

Моделирование просадок и разрушений

Чтобы увидеть, как слои реагируют по мере продвижения забоя, исследователи построили трёхмерную численную модель с помощью FLAC3D — широко используемой программы в горной инженерии. Они смоделировали сотни метров послойных пород над выработанным пластом толщиной 10 метров и имитировали разработку шагами по мере движения рабочей зоны. По мере удаления угля модель показала характерную картину вертикальных перемещений: сначала этап устойчивого увеличения проседания, затем плато, когда дальнейшее продвижение в основном расширяет зону воздействия вбок, а не вверх. Максимальное вертикальное смещение покрывающих пород достигло примерно двух метров после продвижения забоя на ~260 метров, образовав характерную арочную зону проседания над выработанным пространством.

Три уровня: обрушение, трещиноватая зона и плавный прогиб

В модели надпластовая толща естественно разделилась на три зоны. Ближе всего к выработанному пласте располагалась зона обрушения, где породы ломались на блоки и осыпались, частично заполняя пустоту. Выше находилась водопроводящая трещиноватая зона, где слои в основном сохраняли положение, но были прорезаны многочисленными взаимосвязанными трещинами и расслоениями. Ещё выше породы изгибались и прогибались более плавно, не утратив общей целостности. По мере развития разработки зоны обрушения и трещиноватая зона увеличивались в высоту до стабилизации примерно при продвижении забоя на 260 метров. В этот момент зона обрушения составляла около 30 метров, а трещиноватая зона простиралась приблизительно до 52 метров над пластом — всё ещё непосредственно ниже крупного водоносного горизонта, что служит важным запасом для предотвращения внезапного притока воды.

“Радиолокация” пород под землёй

Чтобы проверить соответствие моделирования реальным условиям, команда применила высокоточный метод переходной электромагнетики — геофизический приём, отслеживающий изменения электрических свойств пород по мере их растрескивания и высыхания. На поверхности был установлен большой стационарный контур, и многократно измерялись изменения удельного сопротивления над продвигающимся забоем. Зоны обрушения и открытых трещин проявлялись как заметные повышения сопротивления. Анализируя, как эти аномалии утолщались со временем, можно было оценить реальные высоты зон обрушения и трещиноватости. Полевая информация показала, что трещиноватая зона поднималась примерно на 45–50 метров над пластом при высоте разработки 9,5 метра, что хорошо согласуется с модельной оценкой в 52 метра.

Практические правила для более безопасной добычи и защиты воды

Сочетая детальное моделирование с чувствительными полевыми измерениями, исследование предлагает простые проектные правила для разработки в слабых, водочувствительных породах. Показано, что в таких условиях трещиноватая зона над выработанным пластом вырастает примерно в пять раз по отношению к высоте добычи. Это означает, что защитная угольная перемычка, оставляемая под водоносным горизонтом, должна быть как минимум не ниже максимальной высоты трещиноватости — в данном случае более 52 метров — чтобы сохранить водоносный пласт изолированным от трещин, вызванных разработкой. Работа также подчёркивает, насколько более интенсивно деформируется грунт в западных слабоцементированных породах по сравнению с аналогичными пластами на востоке, что требует адаптированных мер поддержки и стратегий защиты вод в этих хрупких ландшафтах.

Цитирование: Zhang, G., Zhang, H., Li, G. et al. Deformation characteristics of weakly cemented overburden in Western mining areas in China. Sci Rep 16, 14211 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44166-4

Ключевые слова: угледобыча, просадка грунта, расколы в породах, защита подземных вод, геофизический мониторинг