Теоретическое исследование диапазона разгрузки давления верхнего защищаемого пласта при выработке защитного слоя

Почему важна безопасная добыча угля

Глубокие угольные шахты обеспечивают энергией современную жизнь, но могут быть опасными. Высокие горные напряжения и замкнутый газ способны вызвать внезапные выбросы, угрожающие шахтёрам и оборудованию. В этом исследовании рассматривается способ повышения безопасности глубоких разработок с помощью одного пласта, защищающего другой. При аккуратной выработке нижнего пласта авторы показывают, как можно контролируемо снять давление и газовое насыщение в вышележащем, более опасном пласте.

Использование одного пласта для защиты другого

Идея защитного слоя проста по смыслу: выработать более безопасный пласт, чтобы плавно «выпустить пар» в более опасном пласте выше или ниже него. Когда вырабатывают нижний защитный пласт, вышележащие породы прогибаются, трескаются и смещаются в сторону образовавшейся полости. Эти перемещения изменяют распределение напряжений и открывают новые пути для выхода газа. В исследовании в качестве нижнего защитного пласта рассматривается пласт Wu9−10 на шахте Pingmei No.6 в Китае, тогда как вышележащий пласт Ding5−6 представляет собой пласт, подверженный риску газовых выбросов.

Выбор подходящего защитного пласта

Не каждый пласт можно безопасно использовать как защитный. Авторы сначала оценили пригодность Wu9−10. Они проверили, достаточно ли пласт мощен и непрерывен для отработки, не слишком ли велика дистанция до пласта Ding5−6 и не настолько ли жёстки промежуточные породы, чтобы препятствовать разгрузке давления. Ключевым показателем является отношение расстояния между пластами к толщине защитного пласта. Для этой шахты это отношение было значительно ниже предела безопасности, установленного китайскими техническими нормами, что указывает на то, что выработка Wu9−10 должна обеспечить разгрузку давления в Ding5−6 без ухудшения условий её будущей добычи.

Картирование зоны защиты

Затем команда использовала установившиеся правила и формулы, чтобы предсказать, насколько далеко должна простираться защитная зона вокруг забоя. Они рассчитали углы разгрузки давления, показывающие, как защищаемая зона веерообразно распространяется над выработанным пластом в различных направлениях: по падению пласта, вдоль его протяжённости и вертикально вверх. По этим углам они оценили, насколько безопасную зону следует отступить внутрь от штреков и границ выработки, и на какую высоту над защитным пластом должна достигать разгрузка давления. Их результаты показали, что реальное расстояние между пластами находилось хорошо внутри ожидаемого вертикального диапазона защиты.

Проверка теории под землёй

Чтобы проверить эти прогнозы, исследователи провели масштабный полевой эксперимент во время выработки пласта Wu9−10. Они пробурили десятки скважин в верхнем пласте Ding5−6 для измерения газового давления и содержания газа до и после выработки. Также были установлены приборы для отслеживания величины набухания защищаемого пласта по мере разгрузки напряжений, и велись подробные учёты откачанного газа через скважины и трубопроводы. Данные показали, что внутри рассчитанной защитной зоны газовое давление в Ding5−6 упало примерно до одной пятой от начального значения, содержание газа снизилось примерно вдвое, а пласт расширился значительно больше пороговой величины, связанной с эффективной разгрузкой давления. Общий объём отобранного газа соответствовал тому, что ожидалось при таком сильном снижении.

Значение для безопасности шахт

Проще говоря, исследование подтверждает, что тщательно спланированная выработка нижнего пласта Wu9−10 может безопасно «обезвредить» вышележащий пласт Ding5−6 путём понижения напряжений и удаления газа на чётко определённой площади. Измеренная в реальной шахте безопасная зона хорошо совпала с теоретической, и все критерии по давлению и содержанию газа были выполнены. Для глубоких, полого залегающих угольных месторождений с подобным строением пород эта работа предлагает практическую методику использования защитных пластов для снижения риска опасных газовых выбросов при сохранении возможностей для последующей добычи.

Цитирование: Zhan, K., Zhang, B. & Wang, M. Theoretical study on the pressure relief range of the upper protected coal seam in protective layer mining. Sci Rep 16, 15688 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47249-4

Ключевые слова: выработка защитного слоя, газ в угольном пласте, разгрузка давления, глубокая добыча угля, безопасность шахты