Геомеханическое обоснование размеров целиков между разгрузочными скважинами при разработке удароопасных месторождений

Рассмотрены методы снижения опасных напряжений при разработке удароопасных месторождений полезных ископаемых. Основное внимание уделено технологии применения разгрузочных скважин, которая по сравнению с альтернативными способами (подработкой и надработкой) обладает существенными преимуществами – высокой скоростью реализации и минимальными трудозатратами. Детально проанализированы ключевые параметры скважин, определяющие эффективность разгрузки массива: диаметр, расстояние между скважинами, пространственную ориентацию и форму поперечного сечения. Особое внимание уделено исследованию влияния геометрической формы скважин на устойчивость межскважинных целиков. Численным моделированием выполнен сравнительный анализ деформирования массива при круглых и квадратных сечениях, который показал, что круглые скважины увеличивают несущую способность целиков на 34,8% благодаря более благоприятному распределению напряжений. На основе классической методики Турнера–Шевякова разработана усовершенствованная расчетная формула, включающая новый поправочный коэффициент Кскв, учитывающий форму скважин. Это позволяет применять проверенные аналитические методы для проектирования систем скважинной разгрузки, что упрощает расчеты для практического применения и не требует использования сложного программного обеспечения. Результаты исследования имеют важное практическое значение для горнодобывающих предприятий, позволяя оптимизировать параметры разгрузочных скважин для достижения баланса между технологической эффективностью, безопасностью ведения горных работ и экономической целесообразностью. Дополнительно рассмотрены перспективы применения полученных результатов для камерно-столбовой системы разработки.

Шабаров А. Н., Андреев А. А. Геомеханическое обоснование размеров целиков между разгрузочными скважинами при разработке удароопасных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 12-2. – С. 180–193. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_122_0_180.

Шабаров Аркадий Николаевич¹ — д-р техн. наук, Директор Научного центра геомеханики и проблем горного производства, e-mail: shabarov_an@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7925-3163,
Андреев Александр Александрович¹ — руководитель проектов аппарата управления Научного центра геомеханики и проблем горного производства, e-mail: andreev_aa@pers.spmi.ru,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Андреев А.А., e-mail: andreev_aa@pers.spmi.ru.

1. Noskov V. A., Tsirel S. V., Korchak P. A. Investigation of the impact of geodynamic risk on the financial and economic activities of mining enterprises / Rock Mechanics for Natural Resources and Infrastructure Development: Proceedings of the 14th International congress on rock mechanics and rock engineering. Foz Do Igvassu, Brazil: Taylor & Francis Group pic Typeset by Integra Software Serv ices Pvt. Ltd., Pondicherry, 2020, pp. 330—335. 

2. Мусхелишвили Н. И. Некоторые основные задачи математической теории упругости: Основные уравнения. Плоская задача. Кручение и изгиб; предисл. А. Н. Крылова. — Л.: Изд-во АН СССР, 1933.

3. Савин Г. Н. Распределение напряжений около отверстий. АН УССР. Ин-т механики. — Киев: Наукова думка, 1968. — 887 с. 

4. Трещев А. А., Ромашина А. В. Концентрация напряжений в пластине из ортотропного разносопротивляющегося материала // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. — 2017. — № 6(326). — С. 4—12. 

5. Zuev B. Y., Istomin R. S., Kovshov S. V., Kitsis V. M. Physical modeling the formation of roof collapse zones in vorkuta coal mines // Bulletin of the Mineral Research and Exploration. 2020, vol. 162, pp. 225—234. DOI: 10.19111/bulletinofmre.620478.

6. Конгар-Сюрюн Ч. Б., Ковальский Е. Р. Твердеющие закладочные смеси на калийных рудниках: перспективные материалы, регулирующие напряженно-деформированное состояние массива // Геология и геофизика Юга России. — 2023. — № 13(4). — С. 177—187. DOI: 10.46698/VNC.2023.34.99.014.

7. Phuc L. Q., Zubov V. P., Dac P. M. Improvement of the loading capacity of narrow coal pillars and control roadway deformation in the longwall mining system. a case study at khe cham coal mine (vietnam) // Inzynieria Mineralna. 2020, vol. 1, no. 1, pp. 115—122. DOI: 10.29227/IM-2020-02-15. 

8. Протосеня А. Г., Алексеев А. В., Вербило П. Э. Прогноз напряженно-деформированного состояния и устойчивости лба забоя тоннеля при пересечении нарушенных зон грунтового массива // Записки Горного института. — 2022. — Т. 254. — С. 252—260. DOI: 10.31897/PMI.2022.26. 

9. Курленя М. В., Коротких В. И., Тапсиев А. П. Напряженно-деформированное состояние призабойного массива с тектоническим нарушением // ФТПРПИ. — 1991. — № 2. — С. 3—9.

10. Ковальский Е. Р., Конгар-Сюрюн Ч. Б., Петров Д. Н. Проблемы и перспективы внедрения многостадийной выемки руды при отработке запасов калийных месторождений // Устойчивое развитие горных территорий. — 2023. — Т. 15. — № 2. — С. 349—364. DOI: 10.21177/1998-4502-2023-15-2-349-364.

11. Rasskazov M., Tereshkin A., Tsoi D., Bagautdinov I., Kozhogulov K. Research of the formation of zones of stress concentration and dynamic manifestations based on seismoacoustic monitoring data in the fields of the Kola Peninsula // E3S Web of Conferences. 2020, vol. 192, article 01009. DOI: 10.1051/e3sconf/202019201009.

12. Wang E., Xie S. Determination of coal pillar width for gob-sideentry driving in isolated coal face and its control indeep soft-broken coal seam: a case study // Energy Science and Engineering. 2022, vol. 10, pp. 2305—2316. DOI: 10.1002/ese3.11392316.

13. Kulkova M. S., Zemtsovsky A. V. Optimizing parameters of stopes and pillars for the Zhdanov deposit mining // Eurasian Mining. 2019, no. 1, pp. 13—15. DOI: 10.17580/em.2019.01.03. 

14. Ma S., Luo Z., Hu J., Ren Q., Qin Y., Wen L. Determination of intervening pillar thickness based on the cusp catastrophe model // Advances in Civil Engineering. 2019, article 8253589. DOI: 10.1155/2019/8253589.

15. Tien N. T., Karasev M. A., Vilner M. A. Study of the stress-strain state in the sub-rectangular tunnel // Lecture Notes in Civil Engineering. 2020, vol. 62, pp. 383—388. DOI: 10.1007/978-981-15-2184-3_49.

16. Protosenya A., Vilner M. Assessment of excavation intersections’ stability in jointed rock masses using the discontinuum approach // Rudarsko Geolosko Naftni Zbornik. 2022, vol. 37, no. 2, pp. 137—147. DOI: 10.17794/rgn.2022.2.12.

17. Господариков А. П., Зацепин М. А. Математическое моделирование нелинейных краевых задач геомеханики // Горный журнал. — 2019. — № 12. — С. 16—20. DOI: 10.17580/gzh.2019.12.03. 

18. Demenkov P. A., Romanova E. L., Kotikov D. A. Stress-strain analysis of vertical shaft lining and adjacent rock mass under conditions of irregular contour // Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023, no. 11, pp. 33—48. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_11_0_33.

19. Sidorenko A. A., Sidorenko S. A., Ivanov V. V. Numerical modelling of multiple-seam coal mining at the Taldinskaya-Zapadnaya-2 mine // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2021, vol. 16, no. 5, pp. 568—574.

20. Слесарев В. Д. Определение оптимальных размеров целиков различного назначения. — М.: Углетехиздат, 1948. — 195 с.

21. Гобозов С. Ф. Камерно-столбовые системы разработки // Аллея Науки. — 2018. — Т. 1. — № 7(23). — С. 504—510. 

22. Kazanin O., Sidorenko A., Drebenstedt C. Intensive underground mining technologies: Challenges and prospects for the coal mines in Russia // Acta Montanistica Slovaca. 2021, vol. 26, no. 1, pp. 60—69. DOI: 10.46544/AMS.v26i1.05.

23. Zhu Zh., Li D. Stability assessment of long gateroad pillar in ultra-thick coal seam: an extensive field and numerical study // Geomechanics and Geophysics for Geo-Energy and Geo-Resources. 2022, vol. 8, no. 5, pp. 1—24. DOI: 10.1007/s40948-022-00455-6.

24. Титов Н. В., Евсюкова А. А. Оптимизация параметров камерно-столбовой системы разработки / Современные прикладные исследования: Материалы шестой Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. Т. 1. — Новочеркасск, 2022. — С. 367—372. 

25. Коршунов В. А., Павлович А. А., Бажуков А. А. Оценка сдвиговой прочности горных пород по трещинам на основе результатов испытаний образцов сферическими инденторами // Записки Горного института. — 2023. — Т. 262. — С. 606—618. DOI: 10.31897/PMI.2023.16. 

26. Севастьянов Б. Н., Удалов А. Е., Битимбаев М. Ж., Бекбаев С. М. Управление горным давлением при выемке целиков / Управление горным давлением и прогноз безопасных условий освоения угольных месторождений. — Л.: ВНИМИ, 1990. — C. 137—143.

27. Казанин О. И., Ильинец А. А. Обеспечение устойчивости выемочных выработок при подготовке выемочных участков пологих угольных пластов тремя выработками // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 41—48. DOI: 10.31897/PMI.2022.1.

28. Qinghua Lei, Ke Gao A numerical study of stress variability in heterogeneous fractured rocks // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019, vol. 113, pp. 121—133. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2018.12.001.

29. Vanneschi C., Mastrorocco G., Salvini R. Assessment of a rock pillar failure by using change detection analysis and FEM modelling // ISPRS International Journal of Geo-Information. 2021, vol. 10, no. 11, article 774. DOI: 10.3390/ijgi10110774.

30. Трофимов А. В., Киркин А. П., Румянцев А. Е., Яваров А. В. Применение численного моделирования для определения оптимальных параметров метода полной разгрузки керна при оценке напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Цветные металлы. — 2020. — № 12. — С. 22—27. DOI: 10.17580/tsm.2020.12.03.

31. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. — М.: Наука, 1979. — 560 с.

32. Vasarhelyi Balazs, Kovács Dorottya Empirical methods of calculating the mechanical parameters of the rock mass // Periodica Polytechnica Civil Engineering. 2017, vol. 61, pp. 38—50. DOI: 10.3311/PPci.10095. 

33. Марысюк В. П., Шиленко С. Ю., Андреев А. А., Шабаров А. Н. Методика расчета межскважинных целиков для формирования защищенных зон в условиях удароопасных месторождений Талнаха // Горный журнал. — 2023. — № 1. — С. 106—112. DOI: 10.17580/gzh.2023.01.18.

34. Тюпин В. Н. Оценка критической глубины месторождений по условию удароопасности // Записки Горного института. — 2019. — Т. 236. — C. 167. DOI: 10.31897/PMI.2019.2.167.

35. Тюпин В. Н. Обоснование формул для оценки критической глубины месторождений по условию удароопасности // Горный журнал. — 2023. — № 12. — С. 4—9. DOI: 10.17580/gzh.2023.12.01.