Механизм и стратегии контроля асимметричного выпучивания пола в выработках при сверхтолстых угольных пластах под высоким напряжением

Почему пол шахты иногда вдруг поднимается

Глубоко под землёй угольные шахты используют длинные штреки для перемещения людей, воздуха и угля. В некоторых китайских сверхтолстых пластах породный пол этих выработок может внезапно вздутиться вверх на полметра, сдавливая оборудование и создавая опасность для рабочих. В этом исследовании изучается, почему такое неравномерное «поднятие пола» происходит при очень высоких напряжениях и как его предотвратить, используя действующий очистной забой шахты Цаоцзятань в качестве полноразмерной естественной лаборатории.

Что происходит под толстым пластом угля

В исследуемой шахте мощность угольного пласта превышает десять метров, а его залегание — в нескольких сотнях метров под поверхностью. При выемке такого объёма угля над вскрытой зоной остаётся широкая пустота, или уход. Тонкие породы непосредственно над углём обрушаются, но не полностью заполняют этот объём. Более высокие и массивные слои разрушаются на крупные блоки, которые изгибаются, поворачиваются и накапливаются неравномерно. На стороне, где оставлен защитный угольный столб (опора), эти блоки образуют каскадную, наклонённую структуру. На противоположной стороне, где пласт продолжается сплошным массивом, покров остаётся более упорядоченным. Такая несимметричная конструкция кровли становится источником сильно неуравновешенных сил в зоне выработки и вокруг неё.

Неравномерное сжатие пола выработки

Авторы сочетали подземные замеры, компьютерное моделирование и механические расчёты, чтобы отследить деформацию выработки в процессе выемки угля. Они установили, что подъём пола заметно превышает прогиб кровли, и что этот подъём выражен сильно в одну сторону: трещины и выпячивания возникают на стороне сплошного пласта и распространяются в направлении столбовой (опорной) стороны. Приборы, установленные в стенах выработки, показали, что по мере прохода забоя порода у столба испытывает значительно большее сжатие, чем порода со стороны сплошного пласта. Примерно в 60 метрах за забоем напряжение вблизи столбовой стороны оказывается более чем на 20 % выше. При этом максимальное выпячивание пола достигает порядка 47 сантиметров, а его наибольшая точка заметно смещается в сторону стены со сплошным пластом.

Как наклонённые силы переформируют породу

Чтобы объяснить это поведение, исследователи построили механическую модель того, как сломанные балочные пласти кровли давят на уголь и пол. Над столбом низкоопущенные блоки образуют ступенчатую балку, которая сильно давит вниз, тогда как более высокие блоки ведут себя как шарнирная арка, перераспределяющая ещё большую нагрузку на эту ступенчатую систему. Такая «низкоуровневая ступенчатая плюс высокоуровневая шарнирная» схема концентрирует дополнительный вес в районе столба и далее на лежащий под ним пол. В центре выработки, напротив, после выемки образуется зона пониженного давления. В результате через пол проходит крутой боковой градиент напряжений — подобие наклонённого энергетического холма с высоким давлением под столбом и низким под выработкой.

От высокого давления к одностороннему подъёму пола

В этом наклонённом поле напряжений порода пола ведёт себя как очень жёсткая, медленно текучая масса. Глубоко под столбом порода дробится и сдвигается по наклонной трещиноватой зоне, идущей по диагонали к выработке. Под действием разницы давлений между высокой напряжённой стороной столба и разрежённым центром выработки повреждённая масса постепенно выжимается вверх в свободное пространство под штреком. Однако столбовая сторона остаётся сильно зажата массивными перекрывающими породами, поэтому большая часть заметного подъёма проявляется на менее ограниченной стороне сплошного пласта. В итоге формируется характерная картина: оседание и сильное растрескивание у столба и смещённый купол выпучивания пола в сторону противоположной стены.

Как держать пол под контролем

Исходя из этого понимания, авторы предлагают трёхэтапную стратегию предотвращения. Во‑первых, они рекомендуют предварительно распиливать и рассекать участки кровли со стороны столба до того, как они разрушатся самопроизвольно, сокращая длину балок и уменьшая передаваемые ими усилия. Во‑вторых, предлагают прорезать швы в полу у ребёр выработки, особенно на столбовой стороне, чтобы разорвать основной путь передачи напряжений от столба в пол выработки. В‑третьих, разработана более прочная, целенаправленно несимметричная армировка пола с более длинными и мощными анкерами со стороны сплошного пласта, чтобы связать разрушенные поверхностные слои с глубинной, более стабильной породой. В совокупности эти меры призваны снизить движущее давление, прервать его маршрут и укрепить пол в наиболее уязвимых зонах.

Что это значит для более безопасной добычи

Исследование показывает, что экстремальное одностороннее выпучивание пола в шахтах с толстыми пластами — это не просто следствие слабой породы, а результат того, как сломанные слои кровли над столбом фокусируют напряжения в полу. Выявив этот скрытый путь нагрузки и связав его с полевыми измерениями, работа даёт инженерам шахт более ясную инструкцию по обеспечению проходимости выработок: воздействовать на структуру кровли, разорвать цепочку напряжений и несимметрично укрепить пол. Применение такого подхода «источник—путь—структура» поможет шахтам, разрабатывающим сверхтолстые пласты, поддерживать более безопасные и стабильные штреки при высоких напряжениях.

Цитирование: Zhang, J., Sun, J., Wang, B. et al. Mechanism and control strategies for asymmetric floor heave in extra-thick coal seam roadways under high stress. Sci Rep 16, 14515 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45203-y

Ключевые слова: штольня угольной шахты, выпучивание пола, прочность горных пород, контроль грунта, толстый угольный пласт