Характеристики движения покровных толщ и прогноз высоты водопроводящей зоны трещин при глубоком угледобывании в засушливом Западном Китае

Почему глубокая добыча угля влияет на землю и воду

В сухом сердце Западного Китая города и предприятия зависят от скудных подземных вод, расположенных над богатыми угольными пластами. По мере того как шахты углубляются в поисках угля, инженеры беспокоятся, что породы, отделяющие уголь от ценных водоносных слоев, могут растрескаться, образовав скрытые пути для утечки воды или подтопления выработок. В этом исследовании изучается, как необычно мягкий, мощный песчаник над глубокими угольными пластами в бассейне Ордуос деформируется, течет и разрушается при разработке, и что это означает для устойчивости поверхности и безопасности подземных вод.

Особый тип мягкой породы над углём

Угольные бассейны Ордуоса перекрыты ультрамощными «слабо цементированными» песчаниками — породой, которая выглядит сплошной, но ведет себя скорее как плотная пористая губка, чем как жесткая балка. В отличие от прочных кровельных пород над многими шахтами в мире, эти песчаники имеют низкую прочность, высокую пористость и легко разрушаются под действием напряжений и воды. По мере углубления разработок традиционные эмпирические правила о том, как обрушиваются кровли и как далеко поднимаются трещины, становятся ненадежными. Авторы поставили задачу понять, как в действительности движется такое мягкое перекрытие, чтобы инженеры могли точнее предсказывать просадку поверхности и риск образования водопроводящих трещин.

Воссоздание подземного пространства в лаборатории

Чтобы наблюдать за движениями пород в замедленном режиме, команда построила крупномасштабную физическую модель с тщательно смешанными песками, гипсом и другими материалами, подобранными для имитации реальных слоёв в масштабе 1:500. Они смоделировали камеру при подземной выемке сначала для одного, а затем для нескольких смежных панелей, в то время как высокоточные камеры отслеживали тысячи мелких маркеров, фиксируя каждое незначительное смещение. Когда отработали одну панель шириной 300 м, основная кровля сначала оставалась неподвижной, а затем внезапно начала провисать, когда очистка подошла примерно к 150 м. К моменту полного извлечения полосы модельная кровля опустилась эквивалентно 5,55 м, а влияние добычи распространилось на вышележащие слои пород.

От хрупкого разрушения к медленному изгибу и текучести

При продолжении разработки нескольких соседних панелей поведение покровных толщ изменилось заметным образом. Нижние, более прочные пласты вблизи угля разрушались на блоки и балки, формируя зоны резкого обрушения. Напротив, ультрамощный меловой (мезозойский) песчаник сверху не раскрошился. Вместо этого он плавно изгибался на широкой площади и деформировался пластически, опускаясь в середине и вращаясь по бокам. Поле смещений можно было разделить на центральную «зону просадки» с почти вертикальным провалом и примыкающие «зоны вращения», где породы наклонялись к очистной выработке или от неё. Такая большая, согласованная картина сгибания означала, что трещины могли подниматься выше, чем ожидали, без очевидных чистых разрывов.

Заглядывая внутрь породы, чтобы объяснить её необычное поведение

Чтобы понять, почему этот песчаник вел себя иначе, исследователи испытывали керновые образцы в высоконапорной трехосной машине и снимали их на растровом электронном микроскопе. Механические испытания показали низкую общую прочность и сильную зависимость от давления: при низком боковом давлении порода раскалывалась и сдвигалась; при более высоком давлении она вела себя скорее как медленно текучий материал, теряя зерна без образования больших открытых трещин. Микроскопические изображения выявили округлые кварцевые зерна с множеством пор между ними и лишь тонкими, локальными пленками слабого кальцита и полевых шпат как связующего. Энергодисперсионный анализ подтвердил хрупкость цемента. В совокупности эти особенности делают песчаник легко сжимаемым, сгибаемым и медленно разрушаемым, а не ломающимся как жесткая балка.

Моделирование выработки и появление водопроводных путей

Затем команда перенесла послойную колонку пород в численную модель с использованием широко применяемого метода дискретных элементов. Цифрово продвигая шесть панелей очистки, они отслеживали, как меняются горизонтальные и вертикальные напряжения, где слои разъединялись и где порода выходила из прочности на растяжение, сдвиг или их сочетание. Модель показала сильные горизонтальные расслаивания у основания мощного слабоцементированного песчаника и в пределах нижнего песчаникового пласта, с циклическими изменениями напряжений между растяжением и сжатием при отработке каждой новой панели. Эти циклы постепенно ослабляли породу и способствовали росту высокой, аркообразной зоны трещин вверх. И модельные расчёты, и полевые данные из скважин показали, что водопроводящая зона трещин может подниматься примерно на 186 м, достигая подошвы вышележащего юрского подразделения, когда ширина выработки превышает в полтора раза глубину залегания.

Что это значит для угля, земли и воды

Для непрофессионала ключевой вывод в том, что не все кровельные породы ведут себя одинаково. В бассейне Ордуоса мощный мягкий слой песчаника изгибается и течет под грузом вышележащих пород при удалении угля снизу. Такая необычная реакция позволяет трещинам, по которым может двигаться вода, распространяться на удивительно большую высоту, даже когда поверхность выглядит скорее плавно просевшей, чем резко разрушенной. Комбинируя физические модели, лабораторные испытания, микроскопический анализ и компьютерное моделирование, исследование предлагает практическую формулу для оценки высоты водоносной зоны трещин в зависимости от схемы выемки. Эти выводы помогут планировщикам проектировать ширины панелей, опорные системы и меры по защите вод, чтобы лучше сохранять безопасность шахтеров и скудных подземных вод в этом и подобных засушливых угольных регионах с похожей геологией.

Цитирование: Du, Q., Guo, G., Li, H. et al. Overlying strata movement characteristics and water conducting fracture zone height prediction for deep coal mining in arid Western China. Sci Rep 16, 14156 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46768-4

Ключевые слова: глубокая добыча угля, слабо цементированный песчаник, защита подземных вод, деформация перекрывающих пород, водопроводящие трещины