К.Б. Кошелев, Ю.А. Петренко, Новиков А.О., Олейников А.А., Захаренко А.В. (ДонНТУ)
В настоящее время, в условиях продолжающейся экономической нестабильности, добыча угля в Украине по сравнению с 1991 годом снизилась более чем в 2 раза и составила в 2000 году 80,7 млн. тонн. Износ основных производственных фондов в отрасли составил 65%. Сложившееся положение усугубляется ухудшением состояния горных выработок и увеличением затрат на их поддержание.
Так, в 2000 году удельный объем перекрепления выработок на действующих шахтах Донбасса достиг 7,5 м на 1000 т добычи, а затраты труда на ремонт и поддержание выработок 565,2 чел-см на 1 км протяженности поддерживаемых выработок в год или около 50 чел-см на 1000 т добычи. На действующих шахтах при ежегодном росте протяженности выработок находящихся в неудовлетворительном состоянии на 2-3%, перекрепляется от 31,2% до 77,8% выработок, нуждающихся в ремонте. Не лучшее положение и на шахтах-новостройках, где перекрепляется по данным ведущих шахтостроительных организаций (тресты "Красноармейскшахтострой", "Макеевшахтострой" и др.) до 80,7% от объема ежегодно проводимых выработок. При этом следует отметить, что стоимость крепления одного метра выработки достигает 3000 грн., что составляет 50-60% от стоимости проведения. Учитывая существующее финансирование угольных предприятий, перспективным является широкое внедрение способов поддержания горных выработок на основе учета геомеханического состояния вмещающего массива в различные периоды их эксплуатации с целью максимального использования несущей способности системы "породный массив-крепь".
В ДонГТУ, в течение последних 20 лет, под руководством проф. Кошелева К.В., проводились исследования устойчивости горных выработок при активном управлении состоянием вмещающего породного массива. В результате предложен ряд способов охраны горных выработок, использующих несущую способность породного массива, реализация которых позволяет значительно уменьшить смещения контура выработки, предупредить пучение пород почвы, снизить материало- и трудоемкость крепления, повысить безопасность работ. По всем разработкам были выполнены лабора-торные, аналитические и шахтные исследования, опытно-промышленная проверка и внедрение полученных результатов.
Для повышения устойчивости горных выработок за счет создания системы "крепь-порода" после обнажения породного контура выработки было предложено в качестве временной крепи использовать набрызгбетонное покрытие. Данный способ поддержания позволяет вовлечь в совместную работу с крепью упрочненный приконтурньй массив уже в начальный момент сооружения выработки, а также вывести процесс возведения постоянной крепи из призабойного пространства, что создает благоприятные предпосылки для механизации процесса крепления и увеличения темпов сооружения выработки. Применение способа обеспечивает снижение материалоёмкости крепления на 20%, трудоемкости крепления - на 20-30%, затрат на поддержание выработок - на 15-20%, увеличение темпов сооружения выработок в 1,2-1,5 раза.
С целью предупреждения пучения пород почвы в горизонтальных и наклонных горных выработках был разработан способ взрыво-щелевой разгрузки пород почвы. Его сущность заключается в перенесении максимальных напряжений в глубь массива и создании в почве выработки породной несущей конструкции, свободной от напряжений, путем взрывания камуфлетных зарядов ВВ в боках и почве выработки. Применение данного способа обеспечивает полное предупреждение пучения пород почвы либо уменьшение величины смещения в 3-5 раз (в зонах повышенного горного давления).
Для повышения устойчивости горных выработок за счет выравнивания смещений на их контуре и снижения их конечной величины был разработан способ "крепь-охрана". Сущность его заключается в образовании вокруг выработки на заданном удалении от ее контура зоны пониженных напряжений. Это достигается путем взрывания камуфлетных зарядов ВВ в трубчатых анкерах. Энергия взрыва расходуется на образование зоны разгрузки и раскрепление анкеров в шпурах. Ненарушенный приконтурный массив, усиленный анкерами, выполняет роль крепи. Применение способа обеспечивает снижение трудоемкости поддержания выработок на 20-30% и уменьшает смещения контура выработки в 1,5-2,0 раза.
Ввиду того, что в настоящее время около 20% выработок пересекают разрывные мелкоамплитудные (до 5 м) геологические нарушения, были разработаны рекомендации по поддержанию выработок в этих условиях. Сущность рекомендаций заключается в прогнозной оценке размеров зон влияния нарушений по длине выработки, определении в пределах этих зон особенностей деформирования контура выработки и обосновании параметров способов повышения ее устойчивости. Внедрение разработанных рекомендаций не снижает темпов сооружения выработок и обеспечивает сокращение последующих затрат на их поддержание в 1,3-2,0 раза.
Для повышения устойчивости системы выработок (в частности, сопряжений) была выполнена работа, сущность которой заключается в выборе последовательности проведения сопрягающихся выработок и выделении в них участков, испытывающих повышенное горное давление, с целью управления последним путем дифференцированного применения способов разгрузки массива от повышенных напряжений и усиления крепи. Использование рекомендаций позволяет уменьшить смещения пород кровли и почвы выработки в 2-3 раза, боков - в 1,5-2,0 раза, снизить затраты на поддержание на 30%. С целью предупреждения пучения пород почвы в эксплуатируемых выработках был разработан способ разгрузки пород компенсационными полостями. Сущность его заключается в предотвращении эффекта складкообразования созданием компенсирующей разгрузочной полости на пути смещения слоев почвы по плоскости напластования. Внедрение способа позволяет предупредить пучение пород или снизить величину смещений в 2-3 раза.
Для обеспечения эксплуатационного состояния подготовительных выработок в течение всего срока службы были разработаны рекомендации по выбору оптимальных параметров их перекрепления с учетом геомеханического состояния вмещающего массива. Сущность рекомендаций заключается в установлении оптимального соотношения между относительным уменьшением поперечного сечения выработки и размером зоны неупругих деформаций, сформировавшейся вокруг нее, с целью определения параметров перекрепления выработки (время начала ремонта, размеры выработки после ремонта, несущая способность крепи, устанавливаемой после ремонта, протяженность участков, примыкающих к месту ремонта, на которых необходимо усиление крепи). Внедрение рекомендаций позволяет снизить затраты на поддержание выработок на 30-60% за счет одноразового ремонта и возможного снижения начальных затрат на крепление.
Внедрение перечисленных способов на шахтах Донбасса позволило существенно улучшить состояние горных выработок. Однако, как показал опыт, эффективность этих способов в значительной мере зависит от своевременности их реализации.
Ввиду того, что поддержание горной выработки за все время ее существования включает ряд этапов (сооружение одиночной выработки, сооружение системы выработок, поддержание выработок в период развития горных работ), были выполнены исследования по учету геомеханического состояния вмещающего выработку массива на этих этапах ее существования. В результате нами были разработаны и утверждены "Минугле-промом СССР" "Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений".