Исследование больших деформаций и механизма разрушения пола выработки в водонасыщенных слабых породах

Почему полы шахтных выработок могут внезапно подниматься

Глубокие подземные выработки в угольных шахтах должны оставаться устойчивыми, чтобы обеспечить безопасность рабочих и бесперебойную работу оборудования. В некоторых шахтах пол тоннеля медленно вздувается вверх, деформируя рельсы и растрескивая опорные конструкции. В этом исследовании рассмотрена одна такая проблема в китайской угольной шахте, где выработка проложена через слабо твердый, пропитанный водой слой пород. Исследователи пытались понять, почему пол поднялся на несколько метров и как новый метод крепления может предотвратить повторение этого явления.

Проблемная выработка глубоко под землей

Команда сосредоточила внимание на северной главной выработке шахты Хунци в провинции Шаньдун, Китай. Эта транспортная штольня, примерно четыре метра в ширину и высоту, прорезана в слое мягкого аргиллита и расположена над известняком, заполненным прессуризированной грунтовой водой. Полевые осмотры показали сильную фильтрацию воды в местах соединения выработок, а пол вблизи источника воды поднялся до 2,5 метров. Стальные рельсы изогнулись в S‑образные формы, бетонная облицовка потрескалась, а анкеры в стенах оборвались — это указывало на то, что окружающая порода больше не могла сохранять свою форму.

Слабая порода, распадающаяся в воде

Чтобы понять, почему пол был столь уязвим, исследователи протестировали образцы аргиллита, взятые с пола выработки. Они обнаружили значительное содержание глинистых минералов, которые поглощают воду и при увлажнении набухают и теряют прочность. В микроскопе порода выглядела пористой и слабо сцепленной, с множеством мелких зерен и слабым цементом между ними. В простых испытаниях на вымачивание комки аргиллита начинали разрушаться уже через минуту погружения в воду и продолжали распадаться по мере впитывания влаги. Эти результаты показали, что порода не просто мягкая, но и легко разрушается под действием воды, что делает её особенно склонной к набуханию и потере прочности.

Компьютерные модели, показывающие, как вода выталкивает пол вверх

Далее команда построила трёхмерную компьютерную модель выработки и окружающих слоёв пород. Они смоделировали разные давления воды в глубоком известняковом слое под полом — от сухих условий до измеренного высокого давления. Модель отслеживала перемещения кровли и пола выработки и то, насколько окружающая порода оказывалась сверх предельных значений прочности. В сухих условиях подъём пола был незначительным, а повреждения неглубокими. При повышении давления воды до реального подземного значения смоделированное вздутие пола достигло примерно 2,5 метров, а зона разрушенной породы под полом углубилась более чем на шесть метров, тогда как кровля почти не сместилась. Это показало, что давление воды снизу, действующее на уже ослабленный аргиллит, является основным двигателем обрушения пола.

Простая картина механизма разрушения пола

Опираясь на идеи теории давления грунта, исследователи затем построили механическую схему движения пола. Они разделили пол на мелкую зону, где порода ослаблена фильтрацией воды, и глубокую зону, сильно затронутую прессуризированным водоносным горизонтом. В этой схеме блоки размягчённой породы по обе стороны от основания выработки сжимаются внутрь и вверх под комбинированным действием веса перекрывающих пород и поднимающегося водного давления. Их расчёты показывали, что критическая глубина разрушения достигает примерно 4,5 метров. Проще говоря, толстый пласт размягчённой породы под основанием выработки выталкивается вверх и внутрь, вызывая выпирание пола в пространство выработки.

Слоистая система крепления, держащая воду в стороне

Исходя из этого понимания, команда разработала новую систему крепления, ориентированную на две глубинные зоны. В мелкой зоне были установлены короткие инъекционные анкеры, чтобы связать рыхлую породу и герметизировать трещины. В глубокой зоне применили длинные инъекционные канатные анкеры, чтобы закрепиться в более прочных породах и ограничить перемещения там, где давление воды наибольшее. В полу выработки был сооружён инвертный бетонный свод, соединённый с U‑образными стальными опорами по стенам, превращая всю оболочку в замкнутое кольцо, которое лучше противостоит выдавливанию снизу. Эта конструкция нацелена на ограничение прямого контакта грунтовых вод с наиболее слабым аргиллитом и на более равномерное распределение нагрузок.

От вздутия пола к контролируемым перемещениям

Новая схема поддержки была реализована в соседней соединительной выработке с аналогичными породными и гидрологическими условиями. В течение двух месяцев мониторинга оседание кровли и смещения стен оставались незначительными, а подъём пола составил лишь 33 миллиметра перед стабилизацией, вместо метров, наблюдавшихся ранее. Для неспециалистов ключевая мысль такова: понимание того, как вода ослабляет подземные породы и как прессуризированная вода давит на полы выработок, позволяет применять целенаправленные, слоистые крепления, которые значительно уменьшают опасные перемещения грунта в глубоких шахтах.

Цитирование: Li, L., Zhang, Y., Zhou, R. et al. Study on floor large deformation and failure mechanism of water-rich soft rock roadway. Sci Rep 16, 14952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45877-4

Ключевые слова: вздутие пола, слабая порода, грунтовые воды, поддержка тоннеля, угольная шахта