Механизм разрушения окружающей горной массы и синергетическое сочетание мощной поддержки и сильного снижения давления для выработок в нижнем пласте в группах пластов с малым расстоянием между ними

Почему безопасные угольные тоннели важны

Глубоко под землей шахтёры используют узкие выработки, чтобы добираться до пластов угля. Когда порода вокруг этих выработок внезапно смещается или разрушается, это может привести к опасным выбросам, обвалам и дорогостоящим простоям. В исследовании рассматривается особенно сложная ситуация в одной китайской шахте, где два пласта расположены близко друг к другу, а выработки в нижнем пласте проходят под выработанными пространствами и оставленными угольными целиками. Авторы объясняют, почему порода по одной стороне таких выработок разрушается легче, и испытывают комбинированный подход, который одновременно укрепляет стенки выработки и мягко снижает накопившееся давление в окружающей массе.

Скрытые напряжения от старой выработки

В районе добычи Цзяпин один пласт уже отработан, оставив пустоты (забойные камеры, goaf) и жёсткие угольные целики, поддерживающие кровлю. Теперь ведётся добыча второго, более глубокого пласта. Вес перекрывающей породы и жёстких целиков не распределяется равномерно на выработки нижнего пласта. Напряжения концентрируются со стороны, расположенной под угольным целиком, в то время как противоположная сторона находится под частично размягчённой или расслабленной зоной. Вода, просачивающаяся в старую забойную полость, может также размывать и размягчать уголь и породу, повышая риск потери прочности пола и стен со временем. Расчёты и геологические измерения показывают, что повреждения от верхнего пласта проникают примерно на 10–15 метров вниз, что достаточно, чтобы повлиять на выбор места и конфигурацию новых выработок.

Выбор более удачной трассы выработки

Используя теорию прочности горных пород, команда оценивала глубину разрушения пласта под воздействием прошлой добычи и от концентрированной нагрузки оставшихся угольных целиков. Затем сравнивались разные варианты выравнивания новой нижней выработки относительно старых выработанных пространств. Если нижняя выработка перекрывает зону высокого напряжения под целиком, она подвергается сильной неравномерной нагрузке. Смещение выработки наружу всё ещё может оставлять её в пределах этой зоны. Наиболее благоприятным вариантом оказалось смещение нижней выработки внутрь, в сторону ранее выработанного пространства, где давление частично снято. Такая внутренняя ступенчатая планировка избегает наиболее перегруженной породы и уменьшает естественную склонность одной стороны выработки деформироваться сильнее другой.

Мощная крепь плюс снижение давления

Надёжная крепь остаётся жизненно важной. Шахта приняла схему «мощной крепи», включающую плотные стальные анкера, стальные полосы, проволочную сетку и высоконапряжённые кабельные анкеры, закреплённые в кровле и стенах. Эта система стягивает расколотую породу и позволяет мелким обводам вокруг выработки работать как единая несущая оболочка. Для дополнительного эффекта исследователи ввели «сильное снижение давления»: они пробурили длинные наклонные стволы из выработки в перекрывающие уголь и породу и нагнетали воду под высоким давлением для создания контролируемых трещин. Тщательный анализ взаимодействия гидравлического давления с естественным полем напряжений определил выбор углов бурения так, чтобы трещины возникали и распространялись при относительно небольшом давлении нагнетания, открывая пути для перераспределения напряжений и энергии в обход выработки.

Наблюдение за реакцией породы

Команда использовала компьютерное моделирование и подземные измерения, чтобы увидеть, как порода реагирует при медленной нагрузке и при резких ударах, имитирующих небольшие сейсмические события. В статических условиях укреплённая выработка деформировалась лишь незначительно, и перемещения оставались существенно ниже пределов безопасности, хотя напряжения и усилия в анкерах явно были выше со стороны угольного целика. Когда в моделях добавляли ударные нагрузки, проявлялись два сценария. Удары, приходящиеся главным образом над кровлей, вызывали растяжение и трещинообразование в центральной части кровли. Удары у угла примыкания кровли и борта приводили к сильному боковому сжатию борта и оседанию кровли в целом — более тяжёлый режим повреждения. После гидравлического разрыва электропроводные съёмки выявили широкие зоны пониженного сопротивления, где образовались заполненные водой трещины, подтверждая, что порода была ослаблена и напряжения перераспределились. Полевые датчики зафиксировали, что усилия в анкерах и кабелях оставались в пределах безопасных значений, и что «разрыхлённая» зона, хоть и увеличивалась, оставалась контролируемой системой крепи.

Что это означает для безопасности шахт

Для изученной шахты работа показывает, что основной причиной более частых разрушений одной стороны выработок в нижнем пласте является неравномерная нагрузка, вызванная оставшимися угольными целиками. Размещая выработку в зоне со сниженным давлением, надёжно закрепляя прилегающую породу и применяя прицельный гидравлический разрыв для сброса глубоких напряжений, инженеры могут удерживать деформацию в безопасных пределах даже при небольших шоках. Авторы утверждают, что это сочетание мощной крепи и интенсивного снижения давления при поддержке тщательного мониторинга даёт практичный путь к более безопасной и эффективной добыче угля в других шахтах со сложным многоярусным напряжённым состоянием.

Цитирование: Yu, S., Suo, Y., Cai, C. et al. Failure mechanism of surrounding rock and synergistic control of strong support-strong pressure relief for lower-seam roadways in close-distance coal seam groups. Sci Rep 16, 15843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46700-w

Ключевые слова: угледобыча, устойчивость выработки, выброс горной массы, гидравлический разрыв, численное моделирование