Напряжение и микроcейсмическая активность в толстых угольных пластах с жесткой кровлей при разных скоростях разработки

Почему скорость разработки важна под землей

Глубоко под землёй крупные угольные шахты ежедневно продвигаются вперёд, проходя длинные выработки через толстые породы. Насколько быстро движется эта передовая линия разработки может показаться только вопросом производительности, но это также меняет, как надголовная порода прогибается, трескается и накапливает энергию. В шахтах с прочной, жёсткой кровлей над толстыми угольными пластами неверный темп может превратить породу в нагруженную пружину, увеличивая риск внезапных и мощных разрушений, известных как выбросы породы. В этом исследовании показано, как изменение скорости разработки влияет на напряжение в породе и мелкие подземные толчки, и как регулирование скорости может повысить безопасность горняков и оборудования, сохраняя при этом эффективность добычи.

Проблема тяжёлого каменного свода

Исследование сосредоточено на шахте в Китае, где над более чем пяти-метровым угольным пластом лежит толстый и твёрдый слой песчаника. Такая прочная кровля не ломается и не обваливается по мере удаления угля. Вместо этого она нависает над пустым пространством, образуя длинные консоли. По мере продолжения разработки эти консоли прогибаются и фиксируют большие объёмы упругой энергии. Если накапливается слишком много энергии, части кровли или близлежащего угля могут внезапно разрушиться, высвобождая энергию в виде толчков, похожих на небольшие землетрясения, что может привести к серьёзному ущербу. Поскольку современные шахты работают на больших глубинах, естественное давление перекрывающих пород уже очень велико, что делает ещё более важным понимание того, как темп разработки меняет распределение напряжений.

Модели и датчики для наблюдения за кровлей

Чтобы изучить проблему, команда объединила компьютерные симуляции с полевыми измерениями. Был построен трёхмерный модельный блок панели и окружающих пород, затем имитировали разработку при разных скоростях продвижения — от медленной до быстрой. Модель отслеживала, как меняется вертикальное напряжение в жёсткой кровле и сколько упругой энергии накапливается по мере продвижения забоя. Параллельно шахта использовала сеть чувствительных подземных датчиков для записи микросейсмических событий — мелких толчков, вызванных незначительными сдвигами или трещинообразованием в породе. Сравнивая смоделированные карты напряжений и энергии с картами зарегистрированных толчков, исследователи смогли увидеть, как скорость разработки меняет и накопление энергии, и места и время вероятных разрушений породы.

Что происходит при ускорении разработки

Симуляции показали, что более быстрая разработка оставляет меньше времени для перераспределения и релаксации напряжений в кровле. С увеличением скорости продвижения пиковое давление перед угольной стенкой смещается ближе к обрушенному пространству, а поле напряжений в кровле становится менее равномерным. В то же время упругая энергия в жёсткой кровле резко возрастает с ростом скорости, почти по экспоненциальной зависимости. Обрушенная зона (гoаф) также играет ключевую роль: у её границы энергия в кровле максимальна, и эта энергия быстро растёт при увеличении скорости добычи. Такие условия облегчают возникновение высокоэнергетических разрушений в жёсткой кровле и близком угле, создавая предпосылки для сильных микросейсмических событий и потенциальных выбросов породы.

Как мелкие толчки обнаруживают скрытую опасность

Данные микросейсмики подтвердили результаты моделей. С ростом суточного прироста как количество, так и суммарная энергия толчков в целом увеличивались. При низких скоростях продвижения больше событий происходило впереди рабочего забоя, перед угольной стенкой. При больших скоростях события смещались и сосредотачивались за забоем, где пролёты нависшей кровли наибольшие и накопление энергии максимально. Когда суточный прирост был ниже примерно 4,8 метра, число толчков и их энергия росли с увеличением скорости. Выше этой границы общий уровень оставался высоким, а вероятность очень энергоёмких событий возрастала. Отслеживая, как эти паттерны менялись во времени и пространстве, команда смогла связать определённые диапазоны скоростей разработки с более высоким или низким риском в разных частях панели.

Выбор безопасных скоростей для разных зон риска

Используя геологические данные, поведение кровли и влияние близлежащих обрушенных зон, исследователи разделили панель на зоны с низким, умеренным и высоким риском выбросов породы. Затем они проанализировали, как энергия и частота толчков менялись в зависимости от суточного прироста в каждой зоне. Результаты показали чёткие пороговые значения: в зонах низкого риска поддержание скорости ниже 6,4 метра в сутки держало энергию и число толчков на относительно скромном уровне, тогда как ускорение приводило к резкому росту. В зонах умеренного риска аналогичное поведение наблюдалось около 4,8 метра в сутки. На этом основании команда рекомендовала предельные скорости продвижения 6,4; 4,8 и 3,2 метра в сутки для зон низкого, умеренного и высокого риска соответственно.

Практические выводы для более безопасной разработки

Когда шахта соблюдала эти дифференцированные ограничения скорости в разных зонах, и частота, и энергия микросейсмических событий оставались относительно низкими, и за время исследования не произошло высокоэнергетических выбросов породы. Для неспециалиста основная мысль такова: скорость разработки — это не только про производственные показатели. В толстых угольных пластах с твёрдой кровлей скорость движения фронта разработки может превратить нависшую породу в опасно заведённую пружину или позволить ей мягче расходовать энергию. Тщательная настройка скоростей разработки в соответствии с местным уровнем риска помогает операторам найти баланс между эффективностью и безопасностью и снизить вероятность внезапных разрушительных обвалов под землёй.

Цитирование: Gu, ST., Guo, ZY., Jiang, BY. et al. Stress and microseismic activity in hard roof thick coal seams under varying mining rates. Sci Rep 16, 15117 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44826-5

Ключевые слова: угледобыча, выброс породы, микросейсмический мониторинг, скорость разработки, напряжение кровли