Стратегии контроля кровли при выемке угля системой длинных стен в сверхтолстых пластах с прочной толстой кровлей

Почему важно укрощать породы над угольными пластами

Глубокие угольные шахты сталкиваются не только с добычей угля, но и с массивной «потолочной» породой над пластом. В некоторых китайских шахтах эта кровля чрезвычайно толстая и прочная, образуя гигантские нависающие плиты над длинными выработками, где машины вырезают уголь. Когда такие массивы наконец обрушиваются, они могут высвобождать энергию, сравнимую с взрывом, повреждая оборудование, разрушая крепь и угрожая жизни рабочих. В этом исследовании изучаются причины такой жесткой отдачи и проверяется способ преднамеренного ослабления пород, чтобы они обрушивались более мелкими, безопасными этапами, а не одним катастрофическим провалом.

Скрытая опасность перед лицом выемки

Исследователи сосредоточены на шахте в Синьцзяне, Китай, где сверхтолстый угольный пласт покрыт несколькими слоями прочных песчаников и глинистых пород. По мере продвижения комбайна мягкие слои непосредственно над пластом быстро обваливаются, заполняя пустоты. Но более толстый и прочный песчаник выше ведёт себя как сплошной мост, оставаясь подвешенным по мере удаления всё большего объёма угля снизу. Со временем этот «мост» прогибается и аккумулирует значительную деформационную энергию, словно массивная каменная пружина. Когда пролёт становится слишком большим, кровля внезапно разрушается, посылая ударные волны по окружающим породам и вызывая сильные деформации пола и стен выработок. В исследуемом штреке стенки вдавились внутрь более чем на метр, и системы крепления часто повреждались.

Измерение энергии, которую порода может высвободить

Чтобы понять и контролировать эти взрывные события, авторы построили механическую модель, рассматривающую прочную кровлю как изгибающуюся балку из породы. Используя принципы механики материалов и упругости, они рассчитывают поведение кровли непосредственно перед её первым крупным разрушением и при последующих повторных обрушениях в процессе добычи. Модель связывает общую высвобождаемую энергию с ключевыми факторами: толщиной угольного пласта, толщиной и прочностью прочной кровли, толщиной мягкой непосредственной кровли и величиной перекрывающей нагрузки. Вычисления показывают, что большая глубина выработки, более толстая и прочная основная кровля и более толстый добываемый пласт увеличивают запасённую энергию и жёсткость разрушения. Толстая непосредственная кровля, напротив, смещает место разлома дальше от рабочего забоя и гасит нагрузочные волны, достигающие выработок. Важный вывод: первое крупное обрушение основной кровли высвобождает более чем вдвое больше энергии по сравнению с последующими циклами, что делает его самым опасным этапом.

Преднамеренное ослабление кровли

Вместо того чтобы ждать, пока прочная кровля разрушится сама по себе, команда предлагает целенаправленно ослаблять её управляемым способом с помощью водонапорного расщепления.

Что произошло при применении метода в шахте

Подход был применён на лаве 15 311 южного забоя шахты в Синьцзяне с определёнными схемами шагов между скважинами, глубины и интервалов растрескивания. Датчики в хвостовом штреке отслеживали перемещения пород вокруг выработки по мере продвижения забоя. После гидравлического расщепления бок угольного столба сместился внутрь примерно на 236 миллиметров, а сторона цельного угля — на 135 миллиметров, при этом кровля и пол сблизились на 287 миллиметров — деформации, оставшиеся управляемыми и безопасными для работ. Ещё важнее, расстояние, которое забою приходилось пройти до первого крупного напора кровли, сократилось с 45 метров до 18 метров, а типичный интервал между последующими напорными событиями снизился примерно на 35 процентов по сравнению с добычей без расщепления. Эти изменения указывают на то, что кровля стала разрушаться раньше и малыми шагами, а не нарастать в большой опасный свес.

Преобразование резких ударов в управляемые сдвиги

Проще говоря, исследование показывает, что толстая прочная кровля над угольным пластом может вести себя как огромная нагруженная пружина, внезапно ломающаяся и создающая угрозу для людей и техники. Поняв, сколько энергии такая кровля может накопить и какие факторы её контролируют, инженеры могут разработать стратегии постепенного её снятия. Направленное гидравлическое расщепление, испытанное здесь, превращает единичное массивное разрушение в серию более ранних и меньших обвалов, уменьшая опасный нависающий фронт и смягчая удары от кровельных нагрузок. Это делает возможной более безопасную и эффективную выемку очень толстых пластов под жёсткой кровлей и даёт практический образец для аналогичных глубоких шахт по всему миру.

Цитирование: Wang, R., Zhang, Wg., Wang, Hs. et al. Ground control strategies for longwall top-coal caving panel in extra-thick coal seams with thick-hard roof. Sci Rep 16, 13919 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44269-y

Ключевые слова: добыча длинными лавами, растрескивание прочной кровли, гидравлический разрыв пород, контроль горных ударов, безопасность угольных шахт