Исследование механизма откола стенки угольного пласта большой высоты очистного забоя на основе теории фолдинговой катастрофы

Почему внезапные разрушения стенок важны

В современных подземных угольных шахтах всё более высокие очистные забои позволяют извлекать больше угля за один проход, повышая добычу, но и увеличивая риск внезапных обрушений боковых стенок, известных как откол ребра. Эти резкие разрушения могут забрасывать уголь в рабочие зоны, повреждать тяжёлую технику и угрожать жизни горняков. В исследовании анализируется, почему такие разрушения происходят так внезапно; с помощью математического моделирования, энергетического анализа и компьютерных симуляций авторы показывают, как угольная стенка незаметно накапливает энергию до критического момента, а затем разрушается без предупреждения.

Скрытая оболочка вокруг выработки

Авторы утверждают, что уголь рядом с большим очистным забоем ведёт себя не как монолитный блок, а как тонкая оболочка, охватывающая выработку. По мере того как кровля и почва сжимают обнажённую стенку, эта оболочка постепенно выпячивается в сторону выработки, особенно в средней части мощности пласта. Полевые наблюдения на китайской шахте показали, что трещины и выбросы чаще концентрируются в этой средней секции, что подтверждает идею о том, что разрушение угля вокруг забоя происходит примерно по сферической схеме, а не как плоская плита. Представление угля в виде оболочки облегчает описание того, как напряжения со всех сторон фокусируются в ограниченной зоне, подготовленной к нестабильности.

Накопление энергии перед разрывом

Вместо того чтобы концентрироваться только на величине внешнего давления, исследование отслеживает, как внутри угольной оболочки накапливаются разные виды энергии. Часть угля деформируется упруго, как сжатая пружина, способная отдать энергию, тогда как другие участки деформируются пластически, меняя форму и поглощая энергию. По мере образования и распространения мелких трещин всё большая часть оболочки переходит в пластическую зону, поглощающую энергию, в то время как окружающая упругая зона удерживает растущий запас энергии деформации. Исследователи математически показывают, что как только энергия, накопленная в упругой области, достигает определённого порога, она может внезапно перетечь в зону с трещинами. В этот момент оболочка теряет способность сохранять форму, и происходит быстрый откол ребра.

Точка бифуркации, описанная моделью фолдинга

Чтобы описать этот внезапный сдвиг, команда использует математическую модель, называемую моделью фолдинговой катастрофы. Простыми словами, поведение угольной стенки описывается как система, которая может следовать двум разным путям: стабильному, где деформация растёт постепенно, и нестабильному, где небольшое дополнительное воздействие вызывает скачок в сильно деформированное состояние. Ключевым управляющим фактором является скорость, с которой энергия подаётся в уголь от горных напряжений и давления газа. Пока внешние силы вынуждены подводить дополнительную энергию, стенка деформируется постепенно. Но когда энергия, высвобождаемая упругими частями угля, становится достаточной, чтобы сама приводить дальнейшее раскрытие трещин, система достигает критического равновесия. В этой точке бифуркации даже незначительное возмущение, например новый рез мешалкой, может спровоцировать скачок от устойчивого состояния к внезапному разрушению.

Подтверждение численными экспериментами

Исследователи проверили свои идеи с помощью детальных компьютерных симуляций очистного забоя в толстой угольной залежи, включающей более слабую прослойку пород. С применением метода отдельных элементов они смоделировали поэтапную выемку и отслеживали движение угля перед забоем и места концентрации напряжений. Результаты показали, что горизонтальные перемещения и повреждения концентрируются вокруг средней части пласта, образуя выпячивающуюся зону, которая расширяется наружу в приблизительно полусферической форме. Эта картина соответствует концепциям оболочки и сферического разрушения в теории, что указывает на то, что угольная стенка действительно накапливает деформацию и энергию в центральной зоне до потери устойчивости. Наличие слабой прослойки смещает и усиливает эту зону разрушения, подчёркивая, как тонкие слабые слои могут фокусировать повреждения.

Что это означает для более безопасной разработки

Связав откол ребра с порогом энергии, исследование переводит описание видимых повреждений постфактум в инструмент предсказания приближения угольной стенки к опасному состоянию. Модель указывает, что мониторинг индикаторов накопления энергии, таких как горные напряжения, индуцированные выемкой, и давление газа, может помочь выявить приближение системы к критической точке. На практике инженеры могут менять жёсткость крепи, регулировать высоту разработки или применять мероприятия по разрядке давления, чтобы снизить подвод энергии и отвести угольную стенку от критической зоны. Проще говоря, работа показывает, что внезапные обрушения стенок не являются случайными событиями, а следствием тихого накопления энергии внутри хрупкой оболочки, за которым можно и нужно наблюдать и которое можно контролировать.

Цитирование: Li, G., Zhang, H., Li, M. et al. Study on coal wall spalling mechanism of large mining height working face based on folding mutation theory. Sci Rep 16, 15277 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46075-y

Ключевые слова: откол стенки угольного пласта, обрушение ребра, освобождение энергии, длинный забой, безопасность в угольной шахте