Анализ деформации горных пород и меры смягчения на участках проходки с пересечением разломов при операциях RCRM

Почему движение пород под землей имеет значение

Глубоко под нашими ногами угольные шахты проходят через слоистые породы, которые далёки от твёрдости и покоя. Трещины в земной коре, известные как разломы, могут внезапно смещаться, когда горные работы меняют баланс сил под землёй. Эти движения способны раздавить штреки, повредить оборудование и подвергнуть опасности людей. В этом исследовании рассматривается современный метод, который пытается сохранить проходимость путей, позволяя обрушенной породе поддерживать кровлю, и ставится серьёзный вопрос: что происходит, когда этот метод приходится пересекать крупный разлом? Объединив теорию, компьютерное моделирование и полевые испытания в шахте, авторы показывают, как приручить опасные перемещения пород в таких сложных зонах.

Новый способ поддерживать проходимость тоннелей

Традиционная добыча угля часто оставляет толстые столбы угля для поддержки кровли, жертвуя ценными запасами и всё ещё подвергаясь риску внезапных обрушений. Метод резки кровли и закрепления при выемке (RCRM) переворачивает эту концепцию. Вместо столбов шахтёры заранее рассекают кровлю и позволяют пустой породе, называемой отвалом или шлаком (gangue), обваливаться и естественным образом уплотняться, формируя самонесущую стену, которая стабилизирует и защищает рабочий проход для следующей выемочной панели. Эта простая идея — использование собственной обрушенной породы шахты в качестве опорного материала — может повысить извлечение ресурсов, равномернее распределить напряжения в окружающих породах и сократить затраты и риски при содержании длинных штреков.

Когда разломы мешают

Разломы усложняют эту в целом элегантную систему. Поскольку слои пород по разные стороны разлома ведут себя по-разному, напряжения концентрируются неравномерно, и грунт может деформироваться или сдвигаться внезапно. Авторы сосредотачиваются на стене 11,101 угольной шахты Ципаньцзин в Китае, где крутой разлом пересекает направление разработки. Используя устоявшиеся представления о структуре горных пород, они выстраивают трёхэтапную картину того, что происходит по мере приближения выемочного фронта к разлому сверху, прохождения через него и движения ниже по направлению дальше. Их модель показывает, что напряжение впереди выемочного фронта не просто плавно растёт и падает. Вместо этого при удалении угля над разломом разлом действует как барьер, вызывая резкое падение продольного напряжения, за которым следует постепенное накопление по мере перехода фронта на нижний блок породы и дальше.

Заглядывая внутрь пород с помощью моделирования

Чтобы выйти за рамки теории, команда создала детальную трёхмерную компьютерную модель участка шахты, включая разлом и гоф, то есть пустое пространство, образующееся после выемки угля. Особое внимание уделялось тому, как обрушенный отвал уплотняется под давлением. Обломанная порода не ведёт себя как монолит: она начинается рыхлой, с множеством пустот, а затем уплотняется по мере дробления зерен и их перестройки. Исследователи воспроизводят это поведение с помощью специализированной численной модели с «двойным порогом» деформирования и тестируют несколько сценариев, меняя высоту реза кровли над пластом. Проще говоря, более высокие резы создают больше падающей породы, которая может полнее заполнить пространство и уплотняться сильнее.

Поиск оптимума в обрушенной породе

Команда оценивает каждый сценарий, отслеживая, насколько проседает перекрывающая порода, насколько смещается сам разлом и насколько сильно деформируется и сжимается окружающий массив. Они обнаруживают, что увеличение высоты реза уменьшает как накопленную «крутящую» энергию в угле перед стеной, так и дробильную деформацию вблизи разлома. Около 10 метров высоты реза оказывается практическим оптимумом: он существенно снижает интенсивность напряжений и перемещений — сокращая ключевые показатели напряжённости и уменьшая смещения кровли и разлома — при этом избегая дополнительных затрат и ограниченной выгоды более высоких резов. На этой основе они разрабатывают комбинированную меру: более высокие щелевые резы в кровле плюс дополнительное «рыхлое взрывание», чтобы ещё лучше разрушить и уплотнить отвал, чтобы он действовал как более прочная опора.

От модели к очистным работам

Эти идеи не остались на бумаге. На шахте Ципаньцзин исследователи применили схему с 10-метровым резом и рыхлым взрыванием по мере пересечения разлома панелью RCRM. Полевые измерения показали, что гидравлические опоры на выемочной поверхности несли заметно меньшую нагрузку, а обрушенная порода позади забоя уплотнялась сильнее, что отражалось в снижении коэффициента набухания. Практически это означало меньшее смещение разлома, меньшую просадку кровли и стабильную удерживаемую обочину вдоль гофа по мере удаления выемочного фронта более чем на 200 метров. Наблюдаемые улучшения совпали с большинством прогнозируемых целей, что укрепило доверие к комбинированному теоретическому и численному подходу.

Более безопасная добыча благодаря продуманному контролю пород

Для неспециалистов главный вывод в том, что породы в районе разломов — не просто пассивный фон горных работ; это активная, подвижная система, которую можно, в определённых пределах, направлять тщательным проектированием. Понимая, как напряжения блокируются, перенаправляются и высвобождаются при пересечении выемочным фронтом разлома, и сознательно управляя тем, как обрушенная порода уплотняется для поддержки кровли, инженеры могут одновременно извлечь больше угля и сохранить безопасность подземных путей. Предложенная стратегия «резать выше и дробить мельче» для отходов позади забоя даёт практический рецепт для шахт в разломной зоне, которые хотят применять RCRM, превращая геологическую опасность в управляемую инженерную задачу.

Цитирование: Dongshan, Y., Bo, L., Xiaohui, K. et al. Rock layer deformation analysis and mitigation at fault-crossing mining sites in RCRM operations. Sci Rep 16, 11723 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45552-8

Ключевые слова: разрезка пласта через разлом, метод резки кровли и закрепления, безопасность угольных шахт, деформация массива горных пород, заделка пустот отходами