Исследование ключевых пластов и прогнозирования деформации поверхности при разделительном инъекционном укреплении кровли в соседних выработках на основе теории фундаментной балки

Почему поверхность над угольными шахтами опускается

Во многих районах угледобычи люди наблюдали, как по стенам домов бегут трещины, дороги проваливаются в мелкие ложбины, а небольшие мосты искривляются. Эти изменения часто вызваны медленным изгибом и разрушением пластов пород глубоко под землей после удаления угля. В работе рассматривается способ прогнозирования и контроля такой просадки путем тщательного заполнения скрытых пустот в породе раствором, что позволяет продолжать добычу при снижении ущерба на поверхности.

Трещины под землей и повреждения на поверхности

Когда вырабатывается угольный пласт, несущая опора для пород выше него ослабевает. Некоторые прочные горизонты, называемые ключевыми пластами, ведут себя как жесткие балки, несущие вес всех покровных пород и грунта. По мере добычи угля эти пласты изгибаются и иногда трескаются, а деформация медленно передается наверх к поверхности. На шахте Сяьдянь (Китай) этот процесс уже привел к трещинам в стенах зданий, неровностям дорог и риску появления новых трещин в грунте. По мере углубления и расширения выработок понимание движения ключевых пластов становится необходимым для защиты домов, дорог и экосистем.

Заполнение скрытых пустот для поддержки кровли

Один из распространенных способов ограничения просадки называется разделительным инъектированием (separation grouting). После проведения выработки между пластами над угольным пластом часто образуются мелкие пустоты. Инженеры бурят скважины с поверхности и нагнетают в эти скрытые полости раствор. После отверждения раствор начинает действовать как опорная колонна, помогая нести нагрузку и уменьшая изгиб пластов. В исследовании рассмотрены длинные рабочие участки (панели) на шахте Сяьдянь, где применяется такое инъектирование. Внимание уделено двум простым управляющим параметрам: объему нагнетаемого раствора, выраженному как отношение инъекции к извлеченному объему (injection–production ratio), и ширине каждой выработанной панели.

Пласты как погребенная балка

Чтобы описать изгиб ключевых пластов, авторы моделируют их как упругую балку, опирающуюся на упругую основу. В этой картине балкой выступает жесткий пласт, а более мягкие слои и раствор под ним ведут себя как матрас из пружин. Команда использовала математический прием, называемый методом начальных параметров, чтобы вычислить прогиб балки в нескольких зонах: цельный уголь, рыхлая рухля и плотные породы с раствором. Они комбинировали это с численными моделями, которые имитируют разрушение и оседание пород по мере продвижения выработки. Сопоставляя вычисленные формы балки с результатами моделирования, исследователи оценивали жесткость каждой зоны и связывали эту жесткость с практическими параметрами проектирования, такими как ширина панели и объем раствора.

От подземного изгиба к просадке поверхности

Знание величины изгиба ключевых пластов — лишь часть задачи. Затем авторы связали этот изгиб с формой земной поверхности, используя вероятностный метод, распространяющий влияние подземного движения вверх, и прием «эквивалентной высоты», заменяющий сложные кривые простыми прямоугольными блоками. Для одиночных панелей и для соседних панелей с разной шириной они вывели, как формируется и меняется просадочный прогиб на поверхности: как он растет, смещается вбок и становится более или менее крутым. Проверка на основании реальных наблюдений за панелью 3119 показала, что рассчитанное максимальное опускание грунта отличалось от измеренного примерно на шесть процентов — что считается очень точным для полевых условий.

Поиск безопасного рабочего интервала для шахт

Результаты показывают ясные тенденции, которыми могут пользоваться планировщики шахт. Увеличение объема инъектируемого раствора, как правило, уменьшает величину прогиба ключевых пластов и просадки поверхности, тогда как расширение панели вызывает больший изгиб и углубляет прогиб на поверхности. При различной ширине соседних панелей картина просадок становится неравномерной, и точка максимального опускания может смещаться ближе к чувствительным объектам. Однако при выборе подходящего соотношения инъекции и извлечения эту неоднородность в основном можно сгладить. В случае Сяьдянь для панели 3119 соотношение инъекции к добыче около 45 процентов обеспечило почти симметричный изгиб ключевых пластов и умеренное движение поверхности.

Что это значит для приживающихся над шахтами сообществ

Для людей, живущих над угольными шахтами, исследование предлагает способ снизить риск серьезных повреждений их домов и дорог по мере продвижения добычи. Рассматривая прочные пласты как поддержанную балку и связывая модель напрямую с контролируемыми факторами, такими как ширина панели и объем раствора, метод позволяет инженерам прогнозировать, где и насколько сильно поверхность просядет за месяцы вперед. Затем они могут корректировать планы добычи, укреплять здания в зонах повышенного риска или менять схему инъектирования до появления проблем. Хотя на практике важны также такие детали, как давление и сроки подачи раствора, эта работа — важный шаг к более предсказуемой и менее разрушительной подземной добыче угля.

Цитирование: Shibao, L., Yan, L., Huaidong, L. et al. Study on key strata and surface deformation prediction for overburden separation grouting mining in adjacent panel based on foundation beam theory. Sci Rep 16, 14926 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44188-y

Ключевые слова: угледобыча, просадка грунта, инъектирование, пластовые породы, деформация поверхности