Эволюция мезомасштабных силовых цепочек на интерфейсе сталь–угольная порода и макромасштабные механические характеристики отклика

Удержание тяжёлой техники в устойчивом положении под землёй

Глубоко в угольных шахтах огромные гидравлические опоры поддерживают кровлю и обеспечивают безопасность рабочих. Эти стальные конструкции должны плавно сдвигаться вперёд по мере добычи, но на самом деле они опираются на тонкий слой угольной пыли, лежащий на породе. В данном исследовании рассматривается на первый взгляд простая, но важная для безопасности задача: как влага в этой угольной пыли меняет пути передачи сил между сталью, пылью и породой — и почему немного воды может сделать опоры более устойчивыми?

Скрытый слой под стальной подошвой

В реальных шахтах стальная подошва гидравлической опоры не давит непосредственно на оголённую породу. Как правило, между металлом и полом из угольно-горной породы находится тонкая неровная подушка из угольного порошка. Это превращает, казалось бы, простой контакт двух тел (сталь на породе) в трёхтелесную систему: сталь, угольная пыль и порода. Крошечные частицы в этом слое несут и перераспределяют огромные нагрузки от опоры. Их поведение сильно зависит от влажности, что, в свою очередь, влияет на то, как нагрузки концентрируются или растекаются под сталью.

Как исследователи воссоздали цифровой пол шахты

Чтобы изучить этот трудный интерфейс, авторы сочетали два мощных численных метода. Они использовали конечно-элементную модель для описания стальной подошвы и подлежащей угольной породы, что позволило проследить деформации твёрдых тел под нагрузкой. Одновременно применялась дискретно-элементная модель, в которой каждое зерно угольного порошка представлено как отдельный частица, способная прилипать, перемещаться и даже разрушаться. Исследователи восстановили реалистичные шероховатые поверхности стали и породы, после чего заполнили зазор угольным порошком с разной влажностью. Специальная модель контакта описывала, как слегка увлажнённые частицы притягиваются через тонкие жидкие мостики, а отдельная модель разрушения позволяла частицам рассыпаться и образовывать более мелкие фрагменты под давлением.

Силовые цепочки: от нескольких длинных путей к множеству коротких

Внутри слоя угольного порошка нагрузка от стальной пластины распределяется неравномерно от зерна к зерну. Группы частиц выстраиваются и передают давление вдоль нитей, называемых силовыми цепочками, которые несут основную часть нагрузки. Моделирование показывает, что число и длина этих цепочек со временем и с изменением влажности меняются. Общее количество цепочек сначала растёт, затем выходит на плато; их средняя длина увеличивается, уменьшается и в конце стабилизируется. При очень сухой пыли (примерно 2% влажности) формируется лишь несколько длинных слабых цепочек. Они легко разрушаются и перестраиваются, что делает передачу силы нестабильной. По мере увеличения влажности до 6% и затем до 12% жидкие мостики усиливают сцепление между зернами. Сеть переходит от «мало, но длинно» — цепочек, охватывающих большие области, — к «много, но коротко» — локально взаимодействующим цепочкам, формирующим более плотную и устойчивую несущую структуру.

Что делает влажность со стрессом на стали

Команда также отслеживала, как угольный порошок аккумулирует, высвобождает и диссипирует энергию по мере нажатия стальной пластины. Частицы угля упруго сжимаются, перестраиваются и иногда разрушаются, превращая резкие удары в последовательность событий хранения и высвобождения энергии. При умеренной влажности (около 6%) диссипация энергии проявляет две характерные стадии: сначала доминирует разрушение частиц, затем перестройка и более плавное скольжение, облегчаемое влагой и мелкими фрагментами. Такое поведение приводит к более постепенной и равномерной передаче нагрузки. Модели и лабораторные испытания показали, что сухая пыль даёт наивысший пик напряжения по поверхности стали, который затем быстро падает по мере обрушения рыхлых частиц. При очень высокой влажности (12%) сильное сцепление и деформация могут снова повысить локальные напряжения. Примечательно, что при около 6% влажности поверхность стали испытывает наименьшие и наиболее равномерно распределённые пиковые напряжения, а прогнозы модели совпали с экспериментами примерно в пределах 10,7%.

Оптимум для более безопасной опоры

Для неспециалиста ключевая мысль такова: тонкий пыльный слой под тяжёлыми шахтными опорами ведёт себя как живая структура, которая канализирует силу вдоль частичных цепочек. Регулирование влажности этой пыли позволяет настраивать эту скрытую структуру. Исследование показывает, что поддержание влажности угольного порошка около 6% позволяет частицам объединяться в устойчивую сеть, равномернее распределяющую нагрузки и снижая опасные пиковые напряжения на стальной подошве. На практике это знание может помочь операторам шахт управлять состоянием пола и перемещением опор, способствуя более плавному ходу крупных гидравлических опор и снижая риск нестабильности под землёй.

Цитирование: Chen, H., Tao, P., Liu, J. et al. Evolution of mesoscale force chains at the structural steel-coal rock interface and macro-scale mechanical response characteristics. Sci Rep 16, 10686 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46363-7

Ключевые слова: гидравлические опоры, безопасность угольных шахт, силовые цепочки частиц, трехтелесный контакт, влажная угольная пыль