Технология послойного инъекционного армирования угольно-горной композитной кровли: система обработки на основе модельных экспериментов

Сохранение безопасности под землей

По мере того как шахты углубляются, выработки, по которым проходят люди, воздух и техника, оказываются под мощными слоями разрушенной породы. Когда кровля этих выработок проседает или обрушивается, это ставит под угрозу и безопасность, и добычу. В этом исследовании предлагается новый способ «склеить» эти слабые слои поэтапно, чтобы кровля снова могла безопасно нести нагрузку и надолго сохранять проходимость выработок.

Почему трудно удержать кровлю в глубоких шахтах

В изученной китайской шахте кровля выработки представляет собой не монолитную плиту, а пачку слоёв: мягкий, трещиноватый уголь внизу, слабеея алевролит (или глинастая порода) чуть выше и более крепкий песчаник сверху. Со временем и под большим давлением нижние слои разрушаются и перестают передавать нагрузку выше лежащей прочной породе. Обычные крепления — болты и канаты — в таких условиях вынуждены работать в рыхлой, крошящейся массе, и кровля продолжает прогибаться, трескаться и иногда обрушивать обломки в выработку.

Идея послойного «инъектирования и сшивки»

Исследователи предлагают послойный метод инъектирования, который обрабатывает кровлю в двух зонах. Сначала в мелкорастрескавшийся уголь и алевролит вокруг коротких болтов вводят жидкую смесь. По затвердении эта смесь связывает рыхлые куски в более прочную полосу, действующую как первичная балка над выработкой. Затем более длинные канаты проходят в глубокие, более прочные слои песчаника, и туда также вводится раствор. Так вновь укреплённая мелкая полоса прочно «сшивается» с устойчивой породой сверху, образуя сложенную, взаимодействующую конструкцию вместо отдельных точек опоры.

Испытание концепции в уменьшённой модели

Чтобы понять, как эта схема меняет поведение кровли, команда собрала физическую модель, масштабированную в 50 раз по сравнению с реальной геологией и выработкой. Для имитации прочности каждого слоя использовали тщательно подобранные смеси песка, цемента и гипса, затем в модели вырезали две одинаковые выработки. Одна выработка использовала исходную схему крепления, а вторая — дополнительно послойное инъектирование. Под контролируемой нагрузкой камеры отслеживали перемещения кровли и стен, датчики измеряли напряжения, а маленькие вибрационные детекторы фиксировали мелкие события растрескивания внутри модели при её сжатии.

Что изменилось внутри укреплённой кровли

Различия между двумя выработками оказались заметными. В необработанном варианте основное смещение кровли происходило в мелких слоях, трещины соединялись в крупные разломы, и кровля над выработкой разрушалась на блоки. Напряжения хаотично смещались вверх, и регистрировалось много более сильных событий разрушения. При послойном инъектировании осадка кровли снизилась с примерно восьми с половиной единиц в модели до двух, а трещинообразование оставалось рассеянным и мелким вместо формирования единой разрушенной зоны. Напряжения стали более равномерными: инъектированные мелкие слои смогли распределять нагрузку совместно с глубоким песчаником, при этом пол и стены выработки оставались в пределах допустимых перемещений.

Подтверждение в действующей шахте

Затем команда применила ту же концепцию крепления в реальной выработке на шахте Шуйландун. Сравнили участок с исходным креплением и соседний участок с послойным инъектированием. На исходном участке стенки сжимались внутрь более чем на сорок сантиметров, а кровля и пол сближались более чем на пятьдесят сантиметров, при этом фиксировались обрушения кровли и поломанные болты. На участке с инъектированием боковые смещения сократились примерно вдвое, а сближение кровли и пола уменьшилось до примерно двенадцати сантиметров. Креплёная кровля оставалась целой, болты и канаты продолжали выполнять свою функцию, и текущие работы по обслуживанию стали значительно менее трудоёмкими.

Что это значит для более безопасной добычи

Для неспециалистов главный вывод таков: исследование показывает, что целенаправленное «введение» затвердевающих материалов послойно может превратить разваливающуюся пачку пород над выработкой в набор взаимодействующих балок. Вместо простого добавления большего числа металлических элементов метод восстанавливает путь передачи нагрузки от слабых слоёв к прочным. В данном случае это значительно снизило прогиб кровли, растрескивание и подземные перемещения. Это делает глубокие угольные выработки безопаснее для передвижения и дешевле в содержании, а также даёт практическое руководство по стабилизации других тоннелей, пройденных через смешанные, разрушенные породы.

Цитирование: Liao, Z., Li, P., Zhao, X. et al. Layered grouting reinforcement technology for coal–rock composite roof: A treatment system based on model experiments. Sci Rep 16, 15002 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46016-9

Ключевые слова: горная выработка угледобычи, армирование кровли, инъектирование, подземная устойчивость, горная механика