Исследование разгрузочного эффекта и зоны защиты при дальнем дистанционном выемочном отработке нижней защитной пачки на основе подобного физического моделирования и PFC3D

Почему безопасная добыча угля важна

Уголь по‑прежнему обеспечивает значительную часть электроэнергии в Китае, но его извлечение может спровоцировать внезапные выбросы газа и обрушения пород, представляющие опасность для шахтёров. В этом исследовании изучается, как выемка одного угольного пласта в глубине может мягко снизить давление в другом, расположенном выше пласте, облегчая отвод газа и делая последующую разработку безопаснее. Сочетая физические модели в лаборатории и современные компьютерные симуляции, авторы картируют, как порода между пластами трескается, изгибается и оседает по мере продвижения выработки.

Два угольных пласта, действующие сообща

Работа сосредоточена на шахте №6 в провинции Хэнань, где более глубокий пласт, обозначаемый как Wu 8, лежит примерно на 72 метра ниже верхнего пласта Ding 5.6. Идея состоит в том, чтобы сначала выработать нижний пласт как «защитный». После его извлечения перераспределяется вес нависающих пород, меняется давление в верхнем пласте и открываются микропути для выхода захваченного газа. Если инженеры смогут предсказать, где и как далеко распространяется этот разгрузочный эффект, они смогут целенаправленно размещать скважины для дренажа газа и планировать будущую выработку верхнего пласта более безопасно и эффективно.

Уменьшенная модель шахты в лаборатории

Чтобы проследить процессы, происходящие под землей, команда построила большую физическую модель длиной около трёх метров и высотой полтора метра, имитирующую реальные горные отложения над пластом Wu 8. С помощью песка, гипса, карбоната кальция и слюды для представления различных типов пород воспроизвели сложенные слои и затем поэтапно «вырабатывали» нижний пласт. По мере продвижения фронта выработки наблюдали, как нависающие породы обрушиваются и где открываются трещины. Разломы сформировали широкую трапециевидную зону, которая росла вверх и наружу, проходила стадии зарождения и роста, а затем частично замыкалась по мере уплотнения разрушенной породы.

Виртуальные породы и невидимые силы

Лабораторные модели не отражают все детали, поэтому исследователи также использовали трёхмерные частичные компьютерные симуляции PFC3D для отслеживания распределения напряжений и схем трещинообразования в массиве. В этой виртуальной шахте порода и уголь представлены тысячами мелких связанных частиц, взаимодействие которых подчиняется законам движения. По мере продвижения смоделированного рабочего лица программа фиксирует изменения вертикальных и горизонтальных напряжений на разных высотах, формирование сетей трещин и перемещение верхнего угольного пласта. Результаты показывают, что вертикальные напряжения вблизи выработанной зоны возрастают примерно в четыре раза по сравнению с горизонтальными, а затем снижаются, вырезая зону разгрузки давления, которая с высотой сужается и принимает трапециевидно‑платформенную форму над штольней.

Как верхний пласт изгибается и растягивается

Симуляции также показывают деформацию защищаемого пласта Ding 5.6. Картина перемещений постепенно превращается в чашеобразную просадку над выработанным нижним пластом. На ранней стадии, когда рабочее лицо прошло менее половины длины, проседание невелико и имеет эллипсоидную форму. По мере продолжения выработки провал углубляется и расширяется, при этом наибольшее снижение наблюдается непосредственно над центром штольни. В конечном счёте дно «чаши» выравнивается по мере уплотнения нависающих пород, и скорость дальнейшего проседания замедляется. Отслеживая изменение толщины защищаемого пласта, команда вычисляет коэффициент расширительной деформации; когда этот коэффициент превышает пороговое значение, уголь считается полностью разгруженным по давлению и значительно менее склонным к внезапному разрушению.

Определение безопасной зоны под землёй

Комбинируя данные о деформациях и напряжениях, авторы очерчивают трёхмерную форму эффективной зоны защиты разгрузки давления. Они обнаружили, что расслабленная область в верхнем пласте не распространяется точно над выработанной площадью, а смещена внутрь как по длине, так и по ширине рабочего лица. По длине защищаемая зона начинается и заканчивается примерно в 35–40 метрах от фактических границ выработки; по ширине отступ составляет примерно 11–14 метров. Внутри этой смещённой области вертикальное напряжение падает ниже критического значения примерно 16,9 мегапаскаля, а коэффициент расширительной деформации превышает норматив, используемый в китайских правилах безопасности. Практически исследование даёт проектировщикам шахт конкретные углы и расстояния, указывающие, где дренаж газа и последующая выемка верхнего пласта могут проводиться с пониженным риском выбросов угля и газа.

Цитирование: Zhan, K., Liu, Z., Wei, D. et al. Study on pressure-relief effect and protection scope of long-distance lower protective seam mining based on similar physical simulation and PFC^3D. Sci Rep 16, 15927 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47414-9

Ключевые слова: выработка угольного пласта, дренаж газа, растрескивание пород, шахтная безопасность, численное моделирование