Аналіз показує, що скорочення споживання вугілля в енергетиці, яке мало місце в 1985…1990 роках відбувалося зв'язку зі зростаючими обсягами імпорту газу з Росії і використанням ядерного палива. Звертає на себе увага те, що в багатій на вугілля Україні частка використання його при виробництві електроенергії (27%) майже в 1,5 рази нижче середньосвітового показника (40%) і в 2…2,5 рази нижче, ніж для США і Східної Європи.

В перспективі частка споживаного вугілля в енергетиці України буде зростати і складе до 2015 року 32,3%. Приймаючи до уваги світові тенденції у використанні вугілля і забезпечення енергетичної безпеки країни частка вугілля в енергетиці відповідно до державної програми "Вугілля" повинна бути доведена до 50%. При цьому обсяг видобутку вугілля може бути цілком забезпечений за рахунок власних ресурсів.

Крім енергетики, вугілля у значній мірі використовується для виробництва коксу, що забезпечує валютні надходження в бюджет за рахунок виробництва і продажу сталі, чавуну і виробів з них, для комунально-побутових потреб і інших споживачів. Усе це ще більш підкреслює важливу роль вугілля в економіці України.

Вугільна промисловість України на даний час представляє багатогалузевий виробничо-господарський комплекс, у якому зайнято понад півмільйона трудящих. Потужність 70% шарів, що відпрацьовуються, не перевищує 1 м. Кожна третя шахта небезпечна по викидах. Умови видобутку вугілля по природних і технічних умовах дуже складні.

Аналізуючи ситуацію у вугільній промисловості на сьогоднішній день можна відзначити наступне. Видобуток вугілля за останні 5 років стабілізувався на рівні, приблизно, 80 млн.т. Кількість шахт зменшилась з 275 до 212 одиниць. Навантаження на очисні вибої зросло з 271 до 377 тис.т./м. Без удосконалювання всіх структурних елементів шахт і механізму керування ними подальше збільшення видобутку вугілля неможливо.

Одним з важливих елементів структури вугільної шахти є капітальні і підготовчі виробки, що забезпечують розкриття і підготовку шахтних полів. Як транспортні магістралі, вони забезпечують безперервність і надійність роботи шахт.

У комплексі виробок можна виділити три основні групи:

капітальні протяжні виробки, що знаходяться поза зоною впливу очисних робіт;

підготовчі протяжні виробки, що знаходяться у зоні впливу очисних робіт;

виробки великого поперечного перерізу (камери).

З 1994 по 2000 р. загальна довжина підтримуваних виробок знизилася на 11 тис. км. через зменшення числа шахт і видобувних вибоїв. При цьому довжина виробок, що потребують ремонту, зросла з 4581км до 5892км, а відсоток виробок, що підлягають ремонту, зріс з 30,1 до 53,4. На трудомістких ремонтних роботах зайнято понад 11% підземних робітників і понад 70% робітників, зайнятих на проведенні і підтримці виробок.

За останні п'ять років річні обсяги проведення розкриваючих і підготовчих виробок стабілізувалися відповідно видобутку вугілля на рівні 540…560 км.

Аналіз показав, що основна причина ремонтних робіт у виробках на глибоких горизонтах шахт криється в наявності здимання порід підошви (70%) і невідповідності несучої здатності кріплення діючому навантаженню (30%).

Висновки, які наведені для галузі, у повній мірі розповсюджуються на роботу ДХК "Шахтарськантрацит" і "Добропіллявугілля", які разом з холдінгом "Павлоградвугілля" були визначені, як базові для досліджень, що виконувались у дисертації.

Таким чином, проблема підтримки протяжних виробок в експлуатаційному стані не тільки залишається актуальною, але і набуває зростаючий характер.

Метою досліджень є розробка технічних засобів і способів підвищення стійкості комплексу капітальних і основних підготовчих виробок вугільних шахт, які забезпечують зниження собівартості вугілля, що видобувається.

Ідея, закладена в основу досліджень, складається у використанні закономірностей напружено-деформованого стану структурно-неоднорідного порідного масиву навколо виробок, що споруджуються і підтримуються, для визначення параметрів і способів підвищення їх стійкості.

Основні задачі досліджень відповідно виділеним групам виробок, полягають у наступному:

вибір об'єктів досліджень;

збір і аналіз даних про стан капітальних і підготовчих виробок вугільних шахт, що визначені як базові;

оцінка стійкості протяжних капітальних виробок, розташованих поза зоною впливу очисних робіт, з урахуванням ймовірносної структури порідного масиву, що вміщає виробки, і розробка заходів для підвищення їх стійкості;

оцінка стійкості протяжних підготовчих виробок, розташованих у зоні впливу очисних робіт, на основі натурних вимірів та аналітичних досліджень і розробка технічних заходів щодо підвищення їх стійкості;

оцінка стійкості виробок великого поперечного перерізу (камер) на основі комплексного вивчення напружено-деформованого стану порідного масиву, що вміщає, і розробка заходів щодо підвищення їх стійкості;

оцінка стійкості протяжних виробок, які пройдені у неоднорідному порідному масиві, що містить плоскі дефекти у вигляді тріщин і нашарувань.

Істотною особливістю виробок, що знаходяться на великих глибинах, є наявність області зруйнованих порід, що утворюється між пружнодеформованою частиною масиву і кріпленням. Розміри цієї області, величини навантаження на кріплення і зсувів контуру виробки, наявність здимання порід підошви у значній мірі залежать від того, як протікає процес руйнування порід у приконтурній області. Дослідженням пружно-пластичного деформування порідного масиву навколо виробки та пов'язаного з цим видавлювання порід з боку підошви присвячені роботи В.Б. Бокія, В.Т. Глушка, Ю.З. Заславського, В.А. Литкіна, О.П. Максимова, А.М. Роєнка, В.Д. Слєсарєва, О.М. Шашенка й інших авторів.

У дисертації як базові використані детерміновані моделі і залежності, засновані на уявленні втрати пружно-пластичної стійкості порідного масиву, який ослаблений виробкою кругового обрису, що були отримані в роботах О.М. Шашенка. При цьому розмір області непружних деформацій визначається за формулою:

. (1)

де:

- безрозмірний радіус зони непружних деформацій;

- радіус зони непружних деформацій;

- радіус виробки;

- щільність порід;

- глибина розташування виробки;

- відпір кріплення;

- межа міцності порід на одновісьовий стиск;

- коефіцієнт структурного послаблення;

- коефіцієнт зволоження;

- параметр умов експлуатації виробки.

Він нелінійно залежить від параметра и, що враховує вплив вологи на міцність слабкометаморфізованих порід, характерних для шахт Західного Донбасу і Красноармійського регіонів шляхом введення коефіцієнта зволоження .

Критичний розмір зони непружних деформацій, після чого виробка втрачає стійкість і починається процес пластичного плину, чи здимання порід, визначається за теорією О.М. Шашенка за формулою:

rL*2 ln2 rL* - 2 = 0, (2)

де - середнє значення коефіцієнта розпушення порід, - критичне значення радіусу непружних деформацій.

Умова відсутності здимання у виробці має наступний вид: .

Аналіз показав, що є два шляхи, які можуть забезпечити підвищення стійкості виробки в породах, що здимаються. Це:

підвищення міцності порід, що веде до зменшення радіуса зони непружних деформацій;

зменшення величини коефіцієнта об'ємного розпушення, що веде до зменшення переміщень на контурі виробки.

Один з ефективних способів підвищення міцності приконтурного масиву є ізоляція бічних порід від рудникової атмосфери, що дозволяє зберегти їх природну вологість і запобігти зниження міцності, неминуче у випадку слабкометаморфізованих порід. Для порід Західного Донбасу зниження міцності по даним, які отримані в ІГТМ НАН України, за рахунок збільшення природної вологості в три рази знижує міцність порід більш ніж у 5 разів. Для збереження природної вологості порід у приконтурній області була розроблена технологія нанесення спеціальних герметизуючих набризкбетонних цементно-піскових сумішей з полівініламідними добавками. Ця технологія пройшла іспити на шахтах ДХК "Шахтарськантрацит" і "Павлоградвугілля" з позитивним ефектом, що дозволило зменшити величину здимання порід підошви на 100…200 мм.

Другий шлях базується у тому, щоб збільшити підпір кріплення. Дослідженнями О.М. Ставрогіна доведено, що коефіцієнт об'ємного розпушення дуже чуткий до бокового тиску. Навіть невеликий його приріст забезпечує істотне зменшення зсувів на контурі виробки. Це можна забезпечити, застосувавши конструкції кріплень підвищеної несучої здатності.

Дослідження впливу форми найпоширенішого металевого кріплення на стійкість виробок було виконано на моделях з еквівалентних матеріалів. Як досліджувані варіанти були випробувано шість основних сполучень форм кріплення і перетинів виробок: 1 - аркової форми з вертикальними стояками; 2 - аркової форми з похилими стояками; 3 - аркової форми з вертикальними стояками і криволінійним лежнем; 4 - круглої з кільцевим кріпленням; 5 - аркової підковоподібної форми; 6 - круглої незакріпленої.

Підковоподібна форма кріплення займає по стійкості проміжне положення між замкнутими конструкціями кріплення і незамкнутими. Таке кріплення не вирішує радикально проблему боротьби із здиманням порід підошви, але зменшують його прояви в 2…3 рази, що дозволяє знизити обсяги ремонтних робіт. Воно менш трудомістке при зведенні і, у цьому зв'язку, досить конкурентоздатне стосовно кільцевого кріплення. У цьому зв'язку підковоподібне кріплення (ПКА) у сполученні з ізоляцією бічних порід тонким набризкбетонним покриттям і було рекомендовано для застосування у виробках із підошвою, що здимається. Конструктивні параметри кріплення визначалися методом будівельної механіки. Як базовий варіант було прийняте кріплення КШПУ-14,4, що досить широко поширене на шахтах ДХК "Павлоградвугілля". Для виконання шахтних іспитів було виготовлено 62 комплекта кріплення, що були встановлені в 840-м бортовому штреку шару горизонту 485м шахти "Західно-Донбаська" на ділянці довжиною 50 м із кроком установки 0,8 м. Примикали до експериментальної ділянки два контрольних: один з піддатливим п'ятизвенним кріпленням АППК, інший з кріпленням КШПУ. На ділянках були закладені замірні станції, що дозволяли оцінити деформацію кріплення в процесі формування навантаження. Результати вимірів показали, що рекомендоване кріплення ПКА у 1,5…2,0 рази краще забезпечує стійкість виробки з підошвою, що здимається.

Приведені вище результати містять дослідження, які припускають, що усі виробки знаходяться в однакових з погляду геомеханіки умовах. Здимання порід підошви у виробках, що відбуваються одночасно з формуванням навантаження на кріплення, є складним багатофакторним процесом, прояви якого в кожному контурному перетині виробки, у силу особливостей порідного середовища і умов на контакті "кріплення-порода", є значною мірою випадковою його реалізацією.

У таких умовах неможливо говорити про повне забезпечення стійкості виробок і дуже важливою задачею є прогноз передбачуваних обсягів ремонтних робіт з метою їх планування й організації.

Оцінити стійкість виробки з підошвою, що здимається, у конкретному перетині S можна за допомогою коефіцієнта стійкості, який дорівнює відношенню граничного радіуса зони непружних деформацій до поточного - . З погляду здимання підошви виробка стійка при і нестійка при .

Через складність структури порідного середовища значення коефіцієнта стійкості змінюються від перетину до перетину випадково, утворюючи по довжині виробки випадкову функцію. Використовуючи співвідношення (1) і (2), одержуємо основну формулу для коефіцієнту стійкості:

 . (3)

З неї випливає при яких значеннях и при слід очікувати здимання порід підошви. Однак у реальних умовах границя, яка поділяє наявність чи відсутність здимання пород підошви при "розмита" через ймовірнісну природу величин, що входять у формулу (3). Вираз (3) можна розкласти в ряд Тейлора навколо математичних чекань обумовлених величин радіусів зон непружних деформацій і і обмежитись з достатньою точністю лінійними членами цього розкладання:

. (4)

До цього виразу може бути застосована теорія лінійних перетворень випадкових функцій. У результаті таких перетворень отримано математичне чекання, кореляційна функція і дисперсія коефіцієнту стійкості, які є нелінійними функціями випадкових аргументу - .

У рамках досліджуваної статистичної моделі ймовірносна міра стійкості виробки визначається відношенням W довжини стійкої її частини до загальної довжини L: при W=1 виробка стійка і цілком нестійка при W=0.

Задача визначення величини W формулюється як задача про викиди випадкової функції за заданий рівень . У самому загальному виді величина показника стійкості визначається наступною формулою:

. (5)

У дисертації досліджуються виробки, що знаходяться в однакових умовах і поза зоною впливу очисних робіт. Це дозволяє вважати випадкові функції стаціонарними по довжині виробки. У попередніх дослідженнях, передбачалося, що показник стійкості розподілений за нормальним законом, щільність ймовірності для якого має такий вираз:

. (6)

З урахуванням (5) і (6) було отримано формулу для визначення величини ймовірнісного показника стійкості:

, (7)

де Ф(t) - функція Лапласа

Її графічна інтерпретація наведена на рис.4.

Однак, коефіцієнт стійкості являє собою позитивну величину, яка змінюється від 0 до ?. Область же зміни нормально розподіленої величини змінюється від - ? до + ?. Тому в дисертації була поставлена задача встановлення області застосування нормального закону в задачах дослідження стійкості виробок.

Аналіз основної формули (3) показав, що коефіцієнт варіації величини може приймати значення, яке істотно перевищує 0,33 (таблиця 2).

Таблиця 2. Значення ймовірності p, що відповідає меньшим або рівним значенням припустумого коефіцієнта варіації K

Але відомо, що нормальний закон може бути використаний, якщо значення коефіцієнта варіації досліджуваної величини не перевищують 0,33.

Аналіз відомих законів розподілу випадкових величин показав, що найбільш відповідає специфіці досліджуваних виробок закон розподілу Вейбулла. Він є трипараметричним на відміну від нормального і, як окремий випадок, може бути застосованим і для нормально розподілених випадкових величин. Його формула має вираз:

з щільністю

, (8)

де - параметр масштабу; - параметр форми.

Підставляючи його у формулу (6) одержимо вираз для визначення коефіцієнта стійкості W за умови застосування закону Вейбулла:

, (9)

де Г - гамма-функція.

Параметр форми пов'язаний із звичайним коефіцієнтом варіації таким чином

.

З ростом значення варіації коефіцієнта стійкості помилка від застосування нормального закону зростає і може перевищувати 30 %.

Ці дослідження дозволили стверджувати що, у залежності від виду розподілу коефіцієнта стійкості, як випадкової величини, помилка при кількісній оцінці прогнозованих обсягів ремонтних робіт у протяжних виробках із підошвою, що здимається, отримані на основі ймовірносно-статистичних моделей, зростає по лінійному закону з ростом неоднорідності порідного середовища; при цьому для підготовчих виробок з достатньою точністю може бути застосований нормальний закон розподілу випадкових величин, а для капітальних - закон розподілу Вейбулла.

Підготовчі виробки в структурі шахти з погляду геомеханіки займають особливе положення в зв'язку з тим, що вони отримують додаткове навантаження від опорного тиску лави. Повторне використання підготовчих виробок дозволяє істотно скоротити їх довжину, зменшити обсяги ремонтних робіт, знизити собівартість вугілля, що видобувається в умовах дефіциту робочої сили і високої вартості прохідницьких робіт. Усе це визначило напрямок досліджень, що були пов'язані з вивченням закономірностей формування навантаження на металеве типове кріплення підготовчих виробок і розробкою способу підвищення їх стійкості з метою можливості повторного використання. Для цього виконано огляд досліджень в області підтримки підготовчих виробок, який показав, що позитивний ефект може бути досягнуто шляхом і застосуванням рамно-анкерного кріплення, яке дозволяє використовувати для збереження виробки несучу здатність порід, що вміщають.

Як об'єкти досліджень були обрані підготовчі виробки в умовах ш/у ім. XVII партз'їзду ДХК "Шахтарськантрацит". Замірні станції обладнувалися в західному дренажному штреку, 10-м західному відкаточному штреку 11-й західної лави пл. k3 і 15-му східному конвеєрному штреку пл. k2. Для виробництва вимірів по всій довжині цих виробок були закладені, відповідно, 22, 41 і 38 пікетів - станцій. Станції являли собою виділені металеві рами з насічками на внутрішній поверхні. За спеціальною методикою з травня 1998 року по грудень 1999 року вироблялися виміри, що дозволили визначити характер деформації рам і рівень вигинаючих моментів в залежності від відстані до лави. Аналіз епюр згинальних моментів в арці в зоні впливу очисних робіт дозволив установити наявність істотної несиметрії зовнішнього навантаження. Це дозволило розробити відповідні розрахункові схеми і отримати формули, які дозволяють визначити кут, під яким спрямований головний вектор зовнішнього навантаження, і його величину.

Подальші дослідження були продовжені в напрямку вивчення закономірностей формування пружно-деформованого стану навколо штреку, який сполучається з лавою. Ця складна задача була вирішена в дисертації в пружно-пластичній постановці на основі модифікованого методу кінцевих елементів (МКЕ). В основі модифікації лежить уява про "жорстке" деформування гірських порід навколо виробки, що відбито в спадаючій ділянці діаграми руйнування. Для дослідження пружно-деформованого стану використана обчислювальна програма Cosmos/M. Процедура рішення реалізована у вигляді послідовності ітерацій. Знайдені компоненти напружень дозволили визначити розміри зони непружних деформацій відповідно до прийнятого критерію міцності:

(10)

де - еквівалентне напруження, - коефіцієнт крихкості.

Як базовий було використано рішення відповідної задачі для одиночної круглої виробки, яке виконано у роботах О.М. Шашенка. Обчислення показали, що досить 7…9 ітерацій для рішення поставленої задачі з 10% точністю.

Кінцевоелементна реалізація для рішення задачі відбиває всі особливості виробок, у яких вироблялися натурні виміри, і складається з 5776 елементів. Конфігурація зони непружних деформацій отримано з урахуванням реальних переміщень, які були взяті з наведених вище натурних експериментів. Окрім напружень і переміщень встановлювався розподіл коефіцієнта, що визначає ступінь руйнування пород, який оцінюється відношенням Після цього було змодельовано наявність у масиві одного анкера, спрямованого по напрямку дії головного вектора зовнішніх зусиль.

Аналіз показав, що наявність одного анкера приблизно в два рази підвищує запас міцності пород навколо виробки і у 3…5 разів зменшує переміщення поблизу анкера.

На наступному етапі задача була ускладнена введенням ще одного анкера, положення якого варіювалося стосовно першого анкера.

Установлено, що в цьому випадку переміщення на контурі виробки майже в 10 разів менше, ніж при наявності одного анкера.

При цьому анкер спрямований по лінії дії головного вектора зовнішніх зусиль під кутом 30…700 до вертикалі. Аналіз показав, що найкращим з погляду стійкості буде варіант, при якому другий анкер спрямований під кутом 900 до першого.

Установлені параметри рамно-анкерного кріплення були досліджені на експериментальних ділянках. Встановлено, що наявність двох анкерів підвищує на 60…70 % стійкість виробок, які, таким чином, можуть частково використовуватися повторно.

Виконані дослідження дозволили зробити обгрунтований висновок, який полягає у тому що: максимальна стійкість підготовчих виробок сполучених з лавою і закріплених металевим анкерним кріпленням, досягається шляхом установлення двох анкерів, з яких один жорстко зв'язаний з аркою і спрямований у бік відпрацьованого простору під кутом и від горизонталі уздовж лінії дії результуючого зовнішнього тиску, а другий - не зв'язаний з аркою і спрямований у масив під кутом .

Проблема стійкості є дуже актуальної для виробок камерного типу, закладених у слабких породах, що повсюдно є у структурі вугільних шахт України. Знаходячись на критичних шляхах вантажопотоків, вони істотно впливають на надійність функціонування шахт, горизонтів, ділянок. У таблицях 2 і 3 наведені дані про стан камер на шахтах ДХК "Шахтарськантрацит" і "Добропіллявугілля", з яких випливає, що близько 22% камер знаходиться в незадовільному стані. Аналіз причин, що виводять їх з ладу, показав, що основні з них наступні: невідповідність кріплення діючому навантаженню (70 %) і здимання порід підошви (30 %).

Для вивчення пружно-деформованого стану порідного масиву навколо камер був прийнятий метод граничних елементів. Ступінь небезпеки руйнування порід оцінювалася за приведеним вище критерієм міцності (10). Ідея досліджень складалася в розміщенні навколо камер компенсаційних виробок, посилення кріплення камери й удосконаленні фундаментів устаткування, розташованого у виробках.

Таблиця 3. Кількість і стан камер на шахтах ДХК "Шахтарськантрацит"

Таблиця 4. Количество и состояние камер подъемных машин на шахтах ГХК "Добропольеуголь"

Усього досліджувалося 18 варіантів розташування допоміжних виробок стосовно основного. Аналіз напруженого стану масиву з комплексом виробок показав, що при заданій глибині переважнішим виявляється варіант №18.

Оскільки викладена вище задача зважувалася в пружній постановці, а процес руйнування є пластичним, то були проведені додаткові дослідження на моделях із еквівалентних матеріалів. Усього було випробувано 56 моделей. геомеханічний шахта підземний вугільний

Аналіз кривих показав, що наявність компенсаційних порожнин завжди знижує рівень напруг в околиці камери, що охороняється, однак у залежності від глибини розробки існує критична глибина, яка для заданих гірничо-геологічних умов дорівнює приблизно 500…550 м, вище якої допоміжні виробки доцільно розміщувати на рівні покрівлі камери, а нижче - на рівні підошви камери. При цьому координати розташування компенсаційних виробок, що мають ширину а, такі:

а) -2а>х>-2,5а, -а>у>-1,5а;

б) 2,5а>х>2а, -а>у>-1,5а.

Викладені дослідження дозволяють стверджувати, що стійкість камер на вугільних шахтах достатньо надійно може бути регульована за допомогою двох компенсаційних виробок; при цьому, існує критична глибина розміщення камери, відносно до якого компенсаційні виробки необхідно розміщати на рівні покрівлі камери, що охороняється, а при більш глибокому розміщенні - на рівні її підошви. Для умов шахт ДХК "Шахтарськантрацит" критична глибина становить 500…550 м.

Для тривалого забезпечення стійкості камер рекомендується виконувати тампонаж закріпного простору. Цей захід дозволяє приблизно в 2 рази збільшити грузонесучу здатність кріплення стосовно типового. Крім того, запропоновано збірно-розбірні конструкції фундаментів піднімальних машин і інших важких механізмів, які встановлюються у камерах із підошвою, що здимається. Вони дозволяють експлуатувати піднімальні механізми при висоті підняття пород підошви до 700 мм.

При проектуванні горизонтів вугільних шахт традиційно вважалося, що стійкість виробок залежить, в основному, від глибини їх розташування, міцності порід, що вміщають, і зволоженості, а також впливу очисних робіт.

Аналіз стану підготовчих виробок на шахтах Донбасу показав, що за інших рівних умов, пластові виробки, що пройдені в протилежних напрямках, мають істотно різну стійкість. Для доказу цього емпіричного твердження було виконано експериментальні й аналітичні дослідження до умов Торезько-Сніжнянського та Червоноармійського регіонів.

У дисертації поставлена і вирішена задача структурної ідентифікації ознак-факторів, що роблять визначальний вплив на стійкість виробок.

Розрахунки вироблялися для трьох статистичних вибірок по кожному з двох холдінгів. Схема розрахунків представлена у табл. 5.

Таблиця 5. Схема розрахунків

Найкращі з розрахованих кореляційних моделей такі:

для ДХК "Добропіллявугілля"

У= -4.14 Х 7 + 5,882 Х 3 + 3,095 Х 1;

У= -0,61 Х 3 Х 8 Х 211 + 0,73 Х 10 Х 11 + 0,59 Х 11 - 0,2; (12)

У= -0,09 Х 13 - 0,72 Х 11 - 0,34 Х 5 + 0,87 Х 3..

для ДХК "Шахтарськантрацит"

У= -3,78 Х 7 + 4,712 Х 3 + 2,973 Х 1;

У= -0,66 Х 3 Х 8 Х 211 + 0,64 Х 10 Х 11 + 0,53 Х 11 - 0,248; (13)