Характеристики деформации и контроль устойчивости преднамеренного растрескивания малого угольного столба при наложении напряжений

Почему подземные угольные выработки важны

Большая часть мирового угля добывается через длинные тоннели, проложенные глубоко под землёй. Между этими туннелями специально оставляют тонкие «столбы» угля, чтобы поддерживать породу над ними. По мере интенсификации добычи и стремления инженеров оставлять более мелкие столбы для увеличения коэффициента извлечения, оставшиеся блоки могут стать опасно перегруженными, что вызывает сжатие тоннеля, появление трещин или даже аварийные обрушения. В этой статье исследуется, как и почему такие малые угольные столбы перегружаются, и предлагается метод преднамеренного растрескивания кровли над ними, чтобы напряжения безопасно снимались до возникновения серьёзных повреждений.

Скрытые силы, накапливающиеся под землёй

Авторы сосредотачиваются на выработке — основном подъездном тоннеле — который проходит вдоль небольшого угольного столба, зажатого между двумя лавами. По мере того как каждая лава вырабатывается и фронт горных работ перемещается, окружающая столб порода испытывает не единичный толчок, а серию повторяющихся волновых воздействий напряжений. С помощью компьютерного моделирования команда смоделировала четыре ключевых этапа: проходку первой выработки, проходку противоположной выработки, отработку (отбой) первой лавы и затем отработку второй. На каждом шаге вертикальная нагрузка на столб возрастала, в конечном счёте превысив более чем в три раза первоначальное горное давление и приближаясь к измеренной прочности угля. При таких суммированных нагрузках столб и примыкающая к нему выработка склонны к раздавливанию и серьёзным деформациям.

Энергия, запасённая как сжатая пружина

Чтобы понять механизм разрушения более физически, исследование отслеживает не только напряжение, но и упругую энергию, запасённую в угле — «энергию пружины», накапливающуюся при сжатии столба. Численные симуляции показывают, что с каждым этапом выемки эта энергия накапливается в центре малого столба. В процессе отработки лавы плотность энергии более чем удваивается по сравнению с этапом проходки выработки, в конечном счёте превышая уровень, при котором образцы угля в лабораторных испытаниях разрушаются. К моменту продвижения второй лавы энергия, накопленная в столбе, становится достаточной, чтобы приблизиться к условиям, связанным с внезапными выбросами горных пород. Иными словами, столб не просто перераспределён по напряжениям; он готов к быстрому высвобождению энергии, что угрожает устойчивости выработки и безопасности шахтёров.

Заставить кровлю ломаться там и тогда, где нужно

Вместо простого увеличения числа опор в выработке — что быстро делает пространство загромождённым и не всегда достаточно эффективно — авторы испытывают иной подход: преднамеренно ослабить кровлю на небольшом расстоянии над малым столбом, чтобы она обрушивалась контролируемо. Через масштабные физические модели они сравнивают два случая: с прочной, неразрушенной кровлей и с узкой вертикальной зоной предварительных трещин над выработкой, созданной методом, подобным направленному подрыву. В неповреждённом варианте длинная жёсткая кровельная плита нависает над выработанным пустотом, образуя длинный консольный участок, который передаёт большие нагрузки назад в столб. В варианте с трещинами основная кровля разрушается раньше вдоль предустановленных разрывов, угол обрушения становится круче, а выступающая консоль укорачивается почти вдвое. Обломки породы падают и плотно уплотняются в пустоте, помогая поддерживать оставшуюся кровлю и снижая нагрузку, передаваемую на малый столб.

Наблюдение за перемещением слоёв породы

Команда использует тщательную фотосъёмку и измерения перемещений в своих моделях, чтобы отслеживать, как движутся слои породы по мере продвижения горных работ. Они обнаружили, что преднамеренные трещины вызывают более значительную и раннюю осадку верхних слоёв непосредственно над зоной трещин, что ускоряет уплотнение обломков в выработанном пространстве. В то же время перемещения в нижних слоях и в забое соседней лавы изменяются лишь незначительно, что означает, что возмущение в основном ограничено намеченной зоной. Датчики напряжений, вмонтированные в модельную кровлю, показывают, что в пределах нескольких высот трещины над угольным пластом вертикальное напряжение падает более чем на 10 процентов по сравнению с неповреждённой кровлей. Выше этой высоты порода «забывает» о трещине и уровни напряжений выравниваются, что указывает на хорошо ограниченную зону влияния.

Подтверждение в действующей шахте

Для проверки метода авторы применяют направленное предварительное расщепление глубокими скважинами в кровле реальной выработки на угольной шахте Ванчжуан в Китае. Из выработки бурят длинные скважины в кровлю, затем закладывают в них формованные зарядные устройства для создания вертикальной зоны разломов над малым столбом. По мере отработки лавы напряжение, регистрируемое манометрами в скважинах внутри столба, изменяется. В участке без растрескивания кровли напряжение увеличивается примерно на 5,5 мегапаскаля на глубине 3 метров. В участке с растрескиванием рост составляет менее половины этого значения — около 2,5 мегапаскаля. Аналогичные уменьшения наблюдаются и на большей глубине в столбе, что демонстрирует, что инженерно созданные трещины существенно снижают давление на выработку и столб.

Что это значит для более безопасной и эффективной добычи угля

Для неспециалистов ключевая идея такова: малые угольные столбы могут опасно перегружаться по мере разработки соседних лав — и не однократно, а многократно. Преднамеренно вводя трещины в кровлю над такими столбами, инженеры могут заставить кровлю разрушаться в более благоприятной схеме: она обрушивается раньше, под более крутым углом и на меньшем пролёте, позволяя обломкам работать как естественная подушка и опора. Симуляции, лабораторные модели и полевые испытания в полном масштабе в исследовании приводят к одному выводу: этот подход контролируемого растрескивания уменьшает концентрацию напряжений и деформации вокруг выработок малых угольных столбов, помогая поддерживать устойчивость тоннелей при высокой степени извлечения угля.

Цитирование: Cheng, S., Ma, Z., Li, Y. et al. The deformation characteristics and the prefabricated crack pressure relief stability control of a small coal pillar roadway under stress superposition. Sci Rep 16, 10850 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44430-7

Ключевые слова: устойчивость угольного столба, подземная поддержка выработок, растрескивание кровли, контроль выбросов горных пород, вытяжная разработка