Масштабное моделирование и анализ чувствительности для участков слабых горных выработок: пример угольной шахты Сяоюнь

Почему важны туннели в глубоких шахтах

Глубоко под поверхностью туннели в угольных шахтах должны безопасно пропускать людей, технику и свежий воздух через породу, сдавливаемую огромными давлениями. Когда части окружающей породы слабее или плохо закреплены, туннели могут деформироваться, растрескиваться или даже обрушиваться, создавая угрозу для людей и производства. В этом исследовании рассматривается такой проблемный участок в китайской угольной шахте и показано, как сочетание компьютерного моделирования и полевых измерений под землёй помогает выявить, какие варианты крепления наиболее важны — и как обеспечить долговременную устойчивость глубоких выработок.

Скрытые слабоукреплённые зоны вокруг выработки

Авторы сосредотачиваются на «зонах ослабления» вокруг обделки — горнотерминологическом обозначении прохода — где повреждение начинается первым и деформация развивается быстрее всего. Эти зоны ослабления возникают там, где природные слоистости породы, напряжения от перекрывающей массы и искусственные крепления плохо согласованы. Команда выделяет три практических типа. Структурные зоны следуют предшествующим плоскостям в породе, таким как пласты и трещины, которые могут смещаться или расходиться. Напряжённые зоны формируются там, где порода сильно сжата, например в углах между стенами и кровлей. Зоны несоответствия крепления возникают там, где система крепления слишком редка или слишком мягка, что позволяет участкам породы между анкерами выпячиваться или расходиться.

От упрощённых моделей к детальным имитациям

Чтобы понять, как эти зоны ослабления разрушаются, исследователи сначала применяют упрощённые механические модели кровли и откосов выработки. Они показывают, что на глубине 800 метров, где расположена выработка угольной шахты Сяоюнь, кровля породы действительно рискует прогнуться из‑за собственного веса и дополнительного напряжения, вызванного горными работами, а стенки могут начать смещаться вдоль слабых плоскостей даже если цельная порода не раздавлена. Опираясь на это, авторы строят более сложную «многоуровневую» численную модель окружающей горной массы. Далеко от выработки порода рассматривается как относительно нетронутый упругий блок, тогда как вблизи прохода модель увеличивает детализацию сетки, чтобы уловить инициацию трещин, пластическую (необратимую) деформацию и рост зон повреждения вокруг выработки.

Тестирование, какие параметры крепления важнее всего

Используя виртуальную модель шахты, команда систематически варьирует пять распространённых параметров крепления: шаг установки болтов, их длину и диаметр, количество армирующих канатов и расстояние между рядами канатов. «Ортогональная» схема эксперимента позволяет эффективно исследовать множество сочетаний, а статистические инструменты — анализ размаха и дисперсионный анализ — выявляют, какие параметры сильнее всего влияют на провисание кровли и сближение стен. Явный результат — доминирование шага между болтами. Уменьшение шага значительно ограничивает глубину распространения пластичной, повреждённой зоны в породе, тогда как простое удлинение или утолщение отдельных болтов даёт относительно скромный эффект. Количество длинных канатов важно, но вторично, главным образом для устойчивости более глубокой части кровли.

Проектирование более прочной, но прагматичной системы крепления

Руководствуясь этими выводами, авторы разрабатывают и моделируют три схемы крепления для реальной выработки. Базовая схема отражает исходный, умеренно плотный вариант крепления шахты. Вторая схема меняет только шаг болтов, увеличивая их плотность. Третья, «синергетическая» схема сочетает близко расположенные, слегка улучшенные болты с большим количеством более глубоких канатов по всему сечению прохода. Моделирование показывает, что хотя более плотные болты сами по себе помогают, комбинированная схема работает лучше: она более равномерно перераспределяет напряжения, снижает пиковые напряжения примерно на 14% и уменьшает глубину интенсивно повреждённой породы с примерно 2,5 метров до около 1,5 метров — сокращение примерно на 40%. По сути, болты связывают поверхностную породу в прочную оболочку, а канаты подвешивают эту оболочку к более прочным глубоким слоям.

Подтверждение полевыми измерениями

Чтобы проверить соответствие модели действительности, исследователи установили приборы в выработке для отслеживания движения кровли и сближения стен в течение месяца после разработки. Измеренные деформации проходят три стадии, предсказанные моделями: быстрая начальная перестройка, более медленный переход по мере полного включения системы крепления и, наконец, устойчивая стадия, когда перемещения почти прекращаются. При оптимизированном креплении окончательное проседание кровли составляет около 32 миллиметров, а сближение стен — около 23 миллиметров — небольшие величины для такой глубины. Полевые данные и предсказания модели хорошо согласуются, что указывает на то, что новая схема эффективно сдерживает зоны ослабления и обеспечивает стабильный долгосрочный проход.

Что это значит для безопасности горных работ

Проще говоря, исследование показывает, что для туннелей в глубоких мягких породах количество болтов и плотность их установки могут быть важнее, чем размеры каждого отдельного болта. Рассматривая породу и крепление как единую систему и используя многоуровневое моделирование в сочетании с полевым мониторингом, авторы предлагают практический рецепт: плотная поверхностная анкерная сеть для создания непрерывной защитной оболочки в сочетании с прочными глубокими канатами. Такое сочетание не только повышает безопасность в рассматриваемой выработке шахты Сяоюнь, но и даёт количественные указания для проектирования более надёжных и экономичных систем крепления в других глубоких шахтах с похожими условиями.

Цитирование: Tian, Z., Ma, L., Liu, Y. et al. Multi-scale modeling and sensitivity analysis for weak roadway areas: A case study of Xiaoyun coal mine. Sci Rep 16, 11658 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48033-0

Ключевые слова: горизонт глубоких угольных шахт, анкерное крепление (болты), устойчивость зон ослабления, численное моделирование, контроль горных работ