Механизм расширения трещиноватости угольной массы при бурении и разгрузке давления

Почему для безопасной добычи угля важно продуманное бурение

Глубокие угольные шахты могут внезапно высвобождать накопленную энергию, раскалывая породу и угрожая жизни шахтеров. Одна из распространённых мер безопасности — бурение отверстий в пласте, чтобы он «дышал» и сбрасывал давление. В этом исследовании поставлен простой, но важный вопрос: как именно бурение меняет характер разрушения угля, и как спроектировать такие отверстия, чтобы снизить риск, не ослабив слишком сильно крепь тоннелей?

Слушая, как уголь ломается

Чтобы изучить это, исследователи взяли образцы угля из китайской шахты и подвергли их контролируемой загрузке в лаборатории. Образцы нагружали так, чтобы имитировать подземное напряжённое состояние, затем сверлили в них отверстия при одновременном мониторинге каждой мелкой трещины. Ключевым инструментом была акустическая эмиссия — она работает как медицинский кардиомонитор для горных пород: при каждом расколе уголь излучает краткий звуковой импульс, который фиксируют датчики. Отслеживая время, место и энергию этих сигналов, команда могла реконструировать скрытую трещиновую активность в угле по мере изменения условий.

Четыре стадии — от тихой деформации до внезапного разрушения

Испытания проводились в четырёх этапах: начальная загрузка, сверление при постоянной нагрузке, период спокойного выдерживания и заключительная фаза повышения нагрузки до разрушения образца. Сначала уголь вел себя почти упруго, накапливая энергию и давая лишь несколько слабых сигналов трещинообразования по мере закрытия старых дефектов и образования микротрещин. Во время бурения и удержания общая структура оставалась в основном целой, но локальные напряжения и внутренняя текстура вокруг ствола постепенно перераспределялись. Настоящая кульминация наступила на последней стадии нагрузки: число акустических событий и их энергия резко возросли, трещины быстро сливались в доминирующую зону разрушения. Уголь перешёл от разбросанного микротрещинообразования к неконтролируемому разрушению, что указывает на то, что раннее бурение подготовило почву для более организованного последующего отказа.

Как движутся трещины и поворачиваются напряжения

Выйдя за рамки простого подсчёта событий, команда использовала продвинутые математические методы для интерпретации сигналов. Инвертируя зарегистрированные волновые формы, они классифицировали каждое событие как преимущественно сдвиговое (скольжение), растяжение (раскрытие) или сжатие (сдавливание) разрушение. В целом доминировали сдвиговые трещины, но в финальной стадии нагрузки доля растяжений возросла, когда уголь близился к коллапсу. Также реконструировали эволюцию общего поля напряжений внутри образца. Изначально главные направления напряжений были ориентированы примерно с юго-запада на северо-восток, что благоприятствовало сдвиговому разрушению. После бурения и периода покоя состояние напряжений уравновесилось, словно уголь на время расслабился. При возобновлении нагружения направления напряжений повернулись в новую ориентацию, сдвиговые эффекты усилились, а совместно с ними выросло влияние растяжения, что способствовало объединению и распространению трещин.

Почему важны диаметр отверстия и окружное давление

Чтобы связать лабораторные наблюдения с проектированием шахт, авторы создали механическую модель угля вокруг бурового канала. Они показали, что форма и размер пластической зоны, где уголь деформировался и ослабел, сильно зависят от бокового давления в породе, общего уровня напряжений и диаметра скважины. При низком боковом давлении концентрация напряжений смещается к бокам отверстия; при высоком — к его вершине и низу. Равномерное окружное давление даёт более однородное кольцо напряжённого угля. Смена диаметра отверстия в экспериментах также меняла стиль трещинообразования: небольшие отверстия вызывали разбросанные микротрещины, средние — несколько очень энергичных локальных выбросов, которые могли блокировать дальнейший рост трещин, а большие отверстия способствовали образованию связной сети трещин и каскадному высвобождению накопленной энергии.

Разные звуки при разных типах разрушений

Наконец, команда проанализировала частотное содержание акустических сигналов. Сдвиговые трещины обычно давали короткие, резкие всплески на более высоких частотах; растягивающие трещины проявляли энергию в среднем диапазоне частот и длились немного дольше; компрессионные процессы, такие как закрытие пор, создавали низкочастотные, относительно устойчивые сигналы. Эти спектральные «отпечатки» могут помочь в реальном времени различать типы трещинообразования и тем самым повысить чувствительность систем мониторинга в действующих шахтах.

Что это значит для безопасности шахт

Проще говоря, исследование показывает: бурение — это не просто «проделывание отверстия» в угле. Оно перестраивает скрытое поле напряжений, тихо засевает новые уязвимые зоны и меняет характер и время высвобождения накопленной энергии в будущем. Понимая, как паттерны трещин и поля напряжений откликаются на различные размеры отверстий и условия нагрузок, инженеры могут лучше сбалансировать две конкурирующие цели: снизить опасное давление, уменьшая риск внезапных взрывов горной массы, и в то же время сохранить прочность пород вокруг тоннелей. Эти знания могут помочь в разработке более продуманных схем бурения и стратегий мониторинга в реальном времени, делающих глубокую добычу угля более безопасной.

Цитирование: Liu, K., Liu, Y., Lu, CP. et al. Mechanism of coal mass fracture expansion under drilling and pressure relief. Sci Rep 16, 15138 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44731-x

Ключевые слова: растрескивание угля, бурение для разгрузки давления, безопасность при горных взрывах, акустическая эмиссия, подземная добыча