Исследование интегрированной технологии реконструкции несущей структуры и управления креплением в зоне высокого риска кровельного откоса в выработке по толстому угольному пласти

Почему безопасные угольные туннели важны

Глубоко в толстых угольных пластах рабочие передвигаются и транспортируют уголь по длинным подземным выработкам. В некоторых участках эти выработки страдают от провисания кровли, осыпи стен и внезапных обвалов угля и породы, что ставит шахтеров под угрозу и замедляет добычу. В исследовании анализируют, почему такие проблемы особенно остры в отдельных зонах высокого риска, и испытывают новый метод упрочнения породы, чтобы выработки оставались более безопасными и стабильными со временем.

Откуда начинаются проблемы

Работа сосредоточена на большой выработке в китайской шахте, проходящей через очень толстый угольный пласт. В этой обстановке туннель идет через уголь, а не прочную породу, и уголь над и по бокам выработки слабый и разрушенный. Естественные разломы в массивах и большое давление слоев сверху концентрируют напряжения вокруг выработки, что приводит к расслоению и обрушениям кровли, выпиранию боковых стен и постоянной потребности в ремонте. Ранние методы крепления, такие как простые инъекции и трубные своды, часто не давали эффекта, потому что раствор не проникал в плотный уголь и не формировал прочной единой несущей структуры.

Как выработка деформируется

Чтобы понять поведение, команда сочетала полевые измерения, лабораторные испытания и механическое моделирование. Они рассматривали уголь над кровлей как нагруженную балку и показали, что провисание кровли очень быстро растет с увеличением ширины выработки и при ослаблении угля. Также выяснилось, что кровля и боковые стены не деформируются раздельно. Когда боковой уголь разрыхляется и смещается внутрь, это фактически расширяет отверстие, что затем усугубляет провисание кровли. В свою очередь дополнительное движение кровли сильнее сжимает боковые стенки. Эта взаимосвязанная вершина-сторона объясняет, почему локальные поэлементные крепления часто не работают в толстых угольных пластах.

Испытания с виртуальными выработками

С помощью трехмерных компьютерных симуляций исследователи варьировали два ключевых параметра: толщину оставшейся угольной прослойки над выработкой и прочность этого угля. Увеличение толщины угольного слоя над кровлей повышало провисание кровли, но уменьшало вздутие пола, тогда как смещения боковых стен менялись немного. Повышение прочности верхнего угля резко снижало как провисание кровли, так и вдавливание стен, хотя общая картина напряжений менялась незначительно. Расчеты показали, что трещины и пластические зоны сначала образуются вблизи кровли, а затем распространяются глубже, с характерным «бабочкообразным» повреждением у боков, что подчеркивает необходимость упрочнения широкой зоны, а не только тонкой оболочки.

Новый способ закрепить слабые участки

Опираясь на это понимание, авторы разработали комбинированную систему крепления, которая использует заблаговременные трубы с инъекционным раствором и сеть шпилек и тросов. До выработки опасного участка бурят ряды стальных труб в уголь впереди забоя и закачивают быстро схватывающийся раствор. Этот раствор быстро затвердевает внутри и вокруг труб, заклеивая трещины и превращая разрушенный уголь в более монолитный блок. По мере проходки шпильки и тросы связывают упрочненную кровлю и боковые стенки в единую несущую раму. Компьютерные модели различных схем показали, что умеренное расстояние между трубами даёт почти такое же сокращение перемещений, как и очень плотная схема, но при меньших затратах.

Подтверждение на действующей выработке

Команда затем применила выбранную схему в реальной выработке. Они контролировали провисание кровли, сближение боковых стен, вздутие пола, расслоение пород и нагрузки в шпильках и тросах. После проходки и закрепления по новой схеме провисание кровли держалось около 110 мм, боковые перемещения — примерно 80 мм, а вздутие пола было очень небольшим. Расслоение слоев над кровлей оставалось далеко ниже предельных значений, а нагрузки в шпильках и тросах стали стабильными и ниже, чем при старом проекте. Поскольку раствор набирал прочность за считанные минуты, бригады могли продвигаться в несколько раз быстрее, чем ранее, сохраняя при этом безопасное расстояние между забоем и упрочнённой зоной.

Что это значит для шахтеров

Проще говоря, исследование показывает, что заставив слабый уголь вокруг выработки вести себя как единая, хорошо связанная арка и стенка, можно значительно сократить опасные обрушения кровли и провалы. Упрочняя уголь заранее инъекционными трубами и затем связывая кровлю и боковые стенки шпильками и тросами, выработка способна нести тяжесть вышележащих пород с меньшими перемещениями и меньшими усилиями крепления. Авторы утверждают, что этот интегрированный подход дает практическое руководство для более безопасной и эффективной проходки в толстых угольных пластах с аналогичными геологическими условиями, снижая как риски для безопасности, так и потребности в ремонте в подземной добыче угля.

Цитирование: Xiaokang, S., Bacha, S., Heng, Z. et al. Research on the integrated technology of bearing structure reconstruction and support control in high risk area of top coal roadway in thick coal seam. Sci Rep 16, 14822 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44215-y

Ключевые слова: устойчивость угольной выработки, крепление кровли, армирование с помощью инъекционного раствора, шпильки и тросы, безопасность подземной добычи