Оптимизация положения и поперечного сечения выработки при суперпозиции остаточных угольных столбов и прилегающих закладных зон в близко расположенных пластах

Почему подземные дороги важны в повседневной жизни

Большая часть электроэнергии, питающей дома, фабрики и города, по‑прежнему вырабатывается из угля, добываемого в глубоких пластах. Чтобы безопасно добраться до этих пластов, инженерам приходится прорезать длинные туннели или выработки в породе. Если такие выработки заложены в неправильной точке или имеют неподходящую форму, окружающая порода может обрушиться, угрожая рабочим и блокируя доступ к полезным ископаемым. В этом исследовании на примере китайской шахты рассматривается, как выбрать и самое безопасное место, и оптимальное поперечное сечение выработки, когда несколько угольных пластов расположены близко друг к другу и часть верхнего пласта уже отработана.

Слои пород и оставленный уголь

Во многих угленосных районах уголь залегает не в одном толстом слое, а в нескольких пластах, уложенных как многослойный пирог. На шахте Мэйхуайцзин основные пласты, обозначенные как №2 и №3, разделены всего 12 метрами. Верхний пласт №2 уже отработан в двух больших участках, но между ними оставлен нетронутый блок угля шириной 60 метров в виде поддерживающего столба. По обе стороны от этого столба располагаются забои, которые обрушились и сейчас заполнены разрушенной породой. Вместе твердый столб и более мягкие забои меняют то, как нагрузка от перекрывающих пород передается в нижний пласт №3, где планируется новая выработка.

Измерение поведения породы со временем

Исследователи сначала проверили, выполняет ли верхний угольный столб свою функцию. Они вели мониторинг существующей выработки в пласте №2 в течение примерно двух лет после прекращения отбойки. Приборы регистрировали величину раскрытия кровли и сближения стен и пола. Измерения показали лишь незначительные перемещения: раскрытие кровли примерно один–два сантиметра в максимуме, а сближение боков и пола обычно около пяти–десяти сантиметров. Поскольку рядом не велось новое добывание, эти медленные умеренные деформации отражали долговременное стабильное состояние под статической нагрузкой. Это свидетельствовало о том, что 60‑метровый столб достаточно прочен, чтобы нести перекрывающую нагрузку и сохранять структуру пород выше в основном целой.

Отслеживание пути передачи усилий в породе

Далее команда применила классическую теорию горной механики, рассматривающую породу под пластом как упругую полупространственную среду — глубокую непрерывную толщу — и накладывающую нагрузки сверху для расчета напряжений на глубине. Они представили угольный столб и соседние забои в виде последовательности упрощенных сегментов нагрузки с различной интенсивностью, отражающей концентрацию напряжений под столбом и ослабление напряжений в обрушенных зонах. С помощью математических выражений и компьютерных инструментов они нанесли на карту вертикальные, горизонтальные и касательные напряжения в породе ниже. Результаты показали ясную картину: непосредственно под твердым столбом напряжения концентрировались, тогда как под забоями они снижались, образуя зону пониженных напряжений. В нижнем пласте №3 вертикальное напряжение было максимальным прямо под столбом и минимальным примерно в 13 метрах от его кромки, под зоной, соответствующей забою. Горизонтальные напряжения менялись менее резко, но также указывали на более щадящую обстановку в стороне от столба, а касательные напряжения были наибольшими вблизи краев столба.

Выбор места для новой выработки

С практической точки зрения инженеры стремятся расположить выработку там, где порода находится под относительно низкими и сбалансированными напряжениями, чтобы она меньше склонялась к продавливанию или разрушению. На основе рассчитанных кривых напряжений авторы пришли к выводу, что оптимальная полоса для новой выработки в пласте №3 лежит в зоне понижения вертикальных напряжений, немного под забоем, а не прямо под столбом. Абсолютный минимум вертикального напряжения наблюдается примерно в 13 метрах от кромки столба, однако в этой точке осталась бы большая часть неотработанного угля. Сопоставив требования безопасности и извлечения ресурса, они рекомендуют располагать выработку в 10 метрах от кромки столба — всё ещё в зоне низких напряжений, но ближе к оставшемуся углю, что уменьшает потери ресурса, сохраняя благоприятную напряженную среду.

Почему форма тоннеля влияет на устойчивость пород

Положение — лишь часть истории; форма горловины выработки также определяет, как порода реагирует. С помощью трехмерной численной модели (FLAC3D) исследователи построили виртуальный разрез шахты, включающий оба пласта, столб, обрушенные забои и нижнюю выработку в предпочитаемом месте. Они протестировали четыре поперечных сечения при одинаковой ширине и высоте: прямостенная полукруглая арка, трехцентровая арка (более сложная арка из трех кривых), трапеция и прямоугольник. После моделирования выемки каждой выработки они проанализировали, как перераспределяются напряжения вокруг неё и как глубоко окружающая порода входит в пластическую, то есть разрушенную, зону. Во всех случаях кровля и опол пласта испытывали разгрузку, тогда как боковые стенки фиксировали некоторое вновь увеличившееся напряжение.

Поиск самого безопасного и простого решения

Сравнение показало, что арочные формы лучше воспринимают нагрузку, чем плоские верха. Прямостенная полукруглая арка имела наименьшую концентрацию напряжений по наиболее нагруженной стороне и мельчайшие глубины разрушения в кровле, полу и боковых стенах. Трехцентровая арка показала почти сопоставимый уровень устойчивости, в то время как трапециевидная и особенно прямоугольная выработки имели более высокие пиковые напряжения и значительно более глубокие зоны разрушения, то есть вокруг них ломалось и ослаблялось больше горной массы. Поскольку трехцентровая арка геометрически сложнее в выработке и креплении под землей, требуя точного выдерживания нескольких радиусов и точек стыковки, авторы считают её менее практичной для рутинного строительства. Поэтому они рекомендуют в качестве предпочтительного поперечного сечения прямостенную полукруглую арку: она обеспечивает высокую устойчивость под комбинированным воздействием столба и забоев и при этом относительно проста в выполнении и креплении на практике.

Вывод для более безопасной и эффективной угледобычи

Для непрофессионального читателя ключевое сообщение таково: небольшие проектные решения под землей — где именно заложена выработка и какой у неё профиль — могут сильно повлиять на безопасность и эффективность. В рассматриваемой шахте исследование показывает, что оставление прочного угольного столба в верхнем пласте и размещение нижней выработки чуть под обрушенной зоной, а не прямо под столбом, создаёт более щадящую напряженную среду. Придание выработке арочной формы с округлыми кровлей и стенами дополнительно помогает породе «перетекать» вокруг проёма более плавно, уменьшая повреждения. Хотя точные расстояния и размеры будут различаться от месторождения к месторождению, совмещённый подход — картирование передачи напряжений между пластами и сравнение форм выработок — даёт практическую дорожную карту для проектирования подземных выработок, которые безопаснее для рабочих и эффективнее с точки зрения сохранения угольного ресурса.

Цитирование: Ren, Y., Li, J., Li, Y. et al. Optimizing roadway location and cross section under superposition of residual coal pillars and adjacent goafs in close distance coal seams. Sci Rep 16, 13983 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44345-3

Ключевые слова: проектирование горных выработок, остаточный угольный столб, устойчивость подземных тоннелей, численная горная механика, многопластовая добыча