Численный анализ и инженерное применение болтовой крепи для предотвращения сдвига угольного массива

Почему безопасность угольных шахт по‑прежнему важна

Глубокие подземные угольные шахты обеспечивают энергией дома и производство, но в них скрываются и опасные проявления. Одно из самых серьёзных — угольный выброс, внезапный выброс энергии, который может сдвинуть уголь вбок и повредить выработки. В этой работе рассматривается практический способ смягчить это явление — переосмысление установки металлических болтов между углём и породой, чтобы выработки оставались стабильными, а горняки — в безопасности.

Сдвиг угля и скрытые слабые места

В ряде мест с высокими напряжениями уголь у стенок выработки не просто крошится — он может соскальзывать как монолитный блок по поверхности контакта с более твёрдой породой. Такой сдвиг высвобождает накопленную подземную энергию, может разрушить оборудование и угрожать людям. Слабым звеном является именно интерфейс уголь–порода, который часто не в состоянии противостоять сильному боковому давлению. Традиционные схемы крепления в основном разрабатывались для поддержания кровли, а не для предотвращения сдвига целых плит угля вдоль этой границы.

Болты как тихие защитники

Авторы сосредоточились на том, как болты могут «сшивать» уголь и породу, чтобы они двигались совместно, а не разъединялись. Болт, проходящий через интерфейс, работает двумя способами. Во‑первых, он прижимает поверхности друг к другу, увеличивая трение и уменьшая вероятность скольжения. Во‑вторых, при попытке угля сдвинуться болт гнётся и растягивается, создавая сдерживающее усилие, которое противостоит сдвигу и распределяет нагрузку в более прочную породу вокруг выработки. Ключевой вопрос — как угол установки болтов определяет, будут ли они работать на растяжение или подвергаться срезу.

Виртуальные испытания углов болтов

Для изучения этого эффекта команда построила детальную трёхмерную модель кусочка угля и породы, соединённых одним болтом. С помощью программного обеспечения численного моделирования они смещали уголь боковым направлением и наблюдали поведение болта при четырёх углах: 30, 45, 60 и 90 градусов к поверхности контакта. При 30 и 45 градусах болт растягивался вдоль длины, истончался в середине и в конце концов ломался классическим разрывом на растяжение. При 60 и 90 градусах болт резко гнулся и разрушался по плоскости, что свидетельствует о преобладании среза, а не растяжения.

Поиск оптимума между прочностью и поглощением энергии

Моделирование показало, что болты выходят из нагрузки более мягко и выдерживают большие усилия, когда они в основном работают на растяжение. При 30 и особенно при 45 градусах болты достигали больших пиковых усилий и допускали большее безопасное удлинение перед разрушением. Они также поглощали больше упругой энергии, то есть могли лучше рассеивать удар от внезапных движений массива. При крутых углах болты несли меньшую нагрузку, деформировались меньше перед разрушением и были более уязвимы к внезапному срезу. Это указывало на 45 градусов как на наиболее эффективный компромисс между геометрией и прочностью для противодействия сдвигу угля.

Применение схемы в реальной шахте

Исследователи затем испытали свой проект в глубокой китайской угольной шахте. В одном участке возвратной выработки они сохранили существующую систему крепления. В соседнем, с аналогичной геологией, изменили схему в боковой стенке: верхний ряд болтов поставили под углом 45 градусов и дополнили более длинными анкерными канатами, закреплёнными в более твёрдых пластах выше и ниже. На протяжении цикла проходческих работ и последующей добычи они отслеживали прогиб кровли, движение боковых стенок и расслоение кровли, чтобы увидеть реакцию горного массива.

Более безопасные выработки с меньшими перемещениями

Измерения показали, что оптимизированное крепление заметно улучшило устойчивость. При проходке смыкание кровли в экспериментальном участке было меньшим, а расслоение между слоями кровли оставалось низким. Движение боковой стенки в улучшенном участке сократилось примерно на 28,6% по сравнению со старой схемой. После начала добычи и увеличения нагрузок боковое смещение в оптимизированной выработке оказалось примерно вдвое меньше, чем при традиционном креплении, а расслоение кровли в глубоких точках росло значительно медленнее. Эти результаты говорят о том, что правильно ориентированные болты в сочетании с корректно размещёнными канатами эффективно прижимают уголь и породу друг к другу и ограничивают масштабные сдвиги.

Что это означает для безопасности шахт

Для непрофессионального читателя вывод прост. Наклоняя болты так, чтобы они работали на растяжение, а не на срез, инженеры получают большую прочность и способность поглощать энергию при использовании тех же материалов, превращая контакт уголь–порода из слабой поверхности скольжения в зафиксированный шов. Исследование указывает на 45 градусов как практический целевой угол и демонстрирует на практике, что такая схема уменьшает деформацию выработок в условиях высоких напряжений. Хотя для других типов горных ударов требуется дополнительная работа, предложенный подход даёт ясный путь к более безопасным подземным выработкам в районах, где опасен сдвиг угольных массивов.

Цитирование: Wang, C., Ma, S. Numerical analysis and engineering application of bolt support technology for controlling coal body sliding. Sci Rep 16, 15566 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46530-w

Ключевые слова: угольный выброс, анкерные болты, крепление выработки, численное моделирование, устойчивость шахты