Анализ водопроницаемой зоны трещиноватости в слабоцементированном покрывающем массиве с учётом размягчения горных пород при деформации

Почему трещины над угольными шахтами важны

В засушливых районах, где вода на вес золота, угольные шахты не только вынимают топливо из недр — они могут также открывать скрытые пути, по которым утекают ценные грунтовые воды, и провоцировать внезапные притоки воды в выработки. В этом исследовании рассматривается рост таких зон трещиноватости над выработками длинного забоя на западе Китая, где перекрывающие породы слабоцементированы и легко разрушаются. На основе полевых измерений и сложных компьютерных расчётов авторы показывают, что привычные инженерные методы часто недооценивают высоту водопроницаемых трещиноватых зон — с серьёзными последствиями для безопасности шахты и состояния местных экосистем.

Скрытые пути для воды

Когда угольная пластина разрабатывается на большой площади, свод породы над пустотой прогибается, изгибается и в конце концов разрушается. Этот процесс создаёт «водопроницаемую зону трещиноватости» — столб взаимосвязанных трещин и пустот, по которым может течь вода. В районе Шэндун в Внутренней Монголии угольные пласты залегают под рыхлыми песками и слабоцементированными песчаниками и аргиллитами. При нарушении целостности такие породы могут интенсивно растрескиваться, соединяя мелкие водоносные горизонты с пустотами шахты. Эта связь может осушать грунтовые воды, вызывать внезапные притоки воды и наносов в штреки и усиливать поверхностные проблемы — эрозию почв, гибель растительности и загрязнение и без того ограниченных водных ресурсов.

Измерение трещин с поверхности

Чтобы установить фактическую высоту зоны трещиноватости, исследователи пробурили две вертикальные скважины: одну над неповреждённой площадкой и одну над выработанным пространством (гоафом). Во время бурения они фиксировали, сколько промывочной жидкости уходило в окружающую породу и как менялся уровень воды в каждой скважине. В точке над неповреждённой породой утечки оставались малыми и стабильными, что свидетельствовало о редких естественных трещинах. Напротив, при бурении над выработанной зоной на глубине примерно 97 метров потери жидкости выросли в тысячи раз, а уровень воды внезапно опустился на дно скважины — это указывало на вход в сильно растрескавшуюся и водопроницаемую область. Видеосъёмка скважин подтвердила наблюдения: целые породы на малых глубинах сменялись плотной сетью пересекающихся трещин на бóльших глубинах. По этим данным высота водопроницаемой зоны трещиноватости была определена примерно в 142,6 метра над пластом угля.

Почему традиционные формулы дают неверный результат

Китайские инженеры часто опираются на старую эмпирическую формулу, которая оценивает высоту зоны трещиноватости по толщине выработки и по упрощённой характеристике твёрдости кровли. Для исследуемого пласта это эмпирическое правило предсказало всего около 41 метра трещиноватости — что значительно ниже показаний скважин. Одна из причин в том, что формула была в основном выведена по данным старых, более твёрдых пород восточных угольных бассейнов и не учитывает слабых и более изменчивых пород западных бассейнов. В результате её применение в таких условиях даёт ложное занижение риска: недооценивается как вероятность потерь грунтовых вод, так и риск притока воды в выработки.

Породы, которые слабеют при деформации

Чтобы решить эту проблему, авторы построили трёхмерную численную модель шахты методом дискретных элементов, который моделирует перекрывающую толщу как взаимодействующие блоки, разделённые трещинами. Они сравнили два подхода к описанию поведения породы: стандартную модель Мора — Кулона, предполагающую, что после достижения пиковых прочностных характеристик порода сохраняет постоянную прочность, и модель размягчения при деформации (strain‑softening), при которой прочность постепенно снижается по мере накопления деформации. Модель размягчения воспроизводит рост микро‑трещин и разрушение связей в слабоцементированных породах, приводя к потере сцепления и трения с течением времени. Симуляции показали, что обе модели воспроизводят общую картину прогиба свода, обрушения и роста трещин, но детали существенно различаются.

Видеть полный масштаб повреждений

При модели с постоянной прочностью разрушения в основном ограничивались нижней частью кровли, и высота зоны трещиноватости достигала лишь около 128,5 метра. В моделях с размягчением, однако, после начала разрушения породы над гоафом их прочность постепенно снижалась, что позволило трещинам распространяться выше и шире. Ранние расслаивания в кровле закрывались под просадкой, в то время как новые трещины формировались выше, создавая более высокий и непрерывный путь для воды. Эта модель предсказала высоту зоны трещиноватости в 144,5 метра — в пределах нескольких метров от результатов бурения и существенно выше оценки по закону Мора — Кулона. На всём протяжении разработки модель размягчения неизменно давала большие и более реалистичные зоны повреждений, подчёркивая, насколько чувствителен рост трещин к тому, как моделируется поведение породы после разрушения.

Что это означает для воды и безопасности

Для неспециалистов вывод прост: в слабоцементированных, водоносных породах трещиноватость над угольной шахтой может распространяться значительно выше, чем предполагают простые эмпирические правила, особенно если порода продолжает слабеть после первичного разрушения. Модели, игнорирующие это размягчение, как правило, недооценивают, насколько глубоко вода может проникнуть в шахту. По сравнению с полевыми данным подход со strain‑softening обеспечивает более надёжную основу для выбора безопасной глубины добычи, планирования мер по защите водных ресурсов и оценки экологических последствий в аридных регионах, где грунтовые воды являются редким и уязвимым ресурсом.

Цитирование: Xue, S., Wang, Q. & Song, Z. Analysis of water-permeable fractured zone in weakly cemented overburden considering rock strain-softening. Sci Rep 16, 10776 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45413-4

Ключевые слова: угледобыча, подземные воды, растрескивание горных пород, численное моделирование, опасность воды в шахте