Автор висловлює глибоку подяку і вдячність доктору технічних наук, професору М.П. Зборщику за науково-консультативну допомогу в процесі виконання роботи, доктору технічних наук, професору І.Л. Черняку за надані матеріали вимірів зрушення порід в навколишньому масиві з банку даних МДГА, всім співробітникам ДонНТУ і інженерно-технічним робітникам об'єднань і шахт за допомогу при виконанні інструментальних спостережень і впроваджень результатів досліджень.

Питання забезпечення стійкості гірничих виробок при розробці пологих вугільних пластів постійно знаходяться в центрі уваги вітчизняної і зарубіжної гірничої науки і практики. Досягнуті успіхи у вирішенні цієї актуальної проблеми багато в чому визначені основоположними дослідженнями К.А. Ардашева, Б.З. Амусіна, В.І. Барановського, В.І. Борисова, Н.С. Буличьова, М.І. Вескова, Ю.А. Векслера, В.В. Виноградова, В.Т. Глушко, Є.Б. Дружко, В.П. Друцко, Ю.З. Заславського, А.Н. Зоріна, М.П. Зборщика, Б.А. Картозія, К.В. Кошелева, О.М. Кузьменко, О.В. Колоколова, С.М. Липковича, Г.Г. Литвинського, Ю.М. Лібермана, О.Ф. Морозова, В.В. Назимко, Б.М. Усаченко, Л.Я. Парчевського, К.В. Руппенейта, А.Л. Селезня, В.Ф. Трумбачева, І.Л. Черняка, Е.І. Шемякина та ін. Результати виконаних досліджень поширили коло уявлень про механізм проявів гірничого тиску навколо виробок і стали фундаментальною основою при розробці способів і засобів забезпечення їхньої стійкості.

Зміна характеру і інтенсивності деформаційних процесів в оточуючих виробки породах на великих глибинах стала причиною того, що багато які відомі способи, технологічні і технічні рішення вичерпали свої можливості в частині забезпечення стійкості виробок. Разом з тим перехід вугільної промисловості на ринкові відношення диктує необхідність пошуку і розробки нових маловитратних способів і засобів забезпечення стійкості виробок. Тому рішення даної проблеми вимагає подальшого вивчення особливостей і закономірностей протікання геомеханічних процесів в масиві навколо виробок з метою обґрунтування нових напрямків при розробці ефективних способів і технологій їхньої охорони.

Перший розділ роботи присвячений аналізу раніше виконаних досліджень з проблеми забезпечення стійкості виробок. Різноманітність умов експлуатації виробок, а також механізму взаємодії порід і кріплення зумовило появу ряду механічних моделей стану масиву порід навколо гірничих виробок. Автори цих моделей єдині в тому, що проведення виробки змінює стан навколишнього масиву (порушує його рівновагу). Високі напруження поблизу контуру виробки перевищують межу міцності порід, внаслідок чого навколо виробки утворюється зона не пружних деформацій. Структура такої зони і характер деформування порід в ній залежать від глибини розташування виробки, типу порід і їх механічних властивостей, розміру виробки, типу і характеристики кріплення. В глибоких шахтах згідно натурним спостереженням проф. І.Л. Черняка, проф. Ю.З. Заславського та ін. біля 70-80 % зміщень порід контуру в порожнину виробки відбувається в результаті їхнього руйнування та розущільнення. Зона зруйнованих порід досягає 3-8 м.

Більшість дослідників поділяють думку, що зруйновані породи спільно з кріпленням сприяють збільшенню опору на кордоні з непорушеним масивом. Однак досвід шахт показує, що часто навіть при наявності значної ЗЗП не спостерігається зменшення інтенсивності зміщень порід контуру виробок. При перекріпленні виробок або зміні умов їхнього підтримання (вплив очисного вибою, надробка або підробка) такі зміщення зростають ще в більшій мірі.

Фронт руйнування порід рухається від контуру виробки в глибину масиву. На кордоні цього фронту породи руйнуються і збільшуються в об'ємі. Вони створюють навантаження (тиск) на раніше зруйновані породи зони непружних деформацій. При цьому взаємодія фронту руйнування порід, що рухається, з кріпленням виробки відбувається через область вже зруйнованих порід. Закономірності і особливості такої взаємодії вивчені доки ще недостатньо.

У зв'язку з тим, що дослідження закономірностей формування зон не пружних деформацій навколо виробок глибоких шахт є однією з основних задач геомеханіки, до нинішнього часу розроблений цілий ряд аналітичних методів прогнозу параметрів такої зони.

Незважаючи на складний математичний апарат, що використовується при рішенні задачі, і детальне врахування безлічі чинників, в більшості випадків результати розрахунків мають значні розбіжності з даними шахтних натурних спостережень. Проф. Г.Г. Литвинський вважає, що причиною такої невідповідності є використання в аналітичних розрахунках так званого "залпового" рішення, коли в задачі одноразово задаються граничні умови. Крім того, не враховується кінетика процесу руйнування гірничих порід навколо виробок.

В аналітичних розрахунках реальний механізм формування зони зруйнованих порід можна відобразити шляхом застосування способу покрокового рішення задачі, коли кожний попередній крок рішення служить основою завдання граничних умов для наступного кроку. Такі розрахунки будуть давати більш близькі до дійсності параметри ЗЗП і дозволять виділити найбільш істотні гірничотехнічні чинники, управління якими забезпечить підвищення стійкості гірничих виробок.

Вітчизняними і зарубіжними вченими і науковими колективами розроблено багато способів охорони виробок, заснованих на зменшенні напруженого стану навколишніх порід або на збільшенні їхньої міцності. За масштабами управляючого впливу ці способи діляться на регіональні і локальні. Регіональні базуються на створенні і збереженні великих зон розвантаження (попередня або наступна надробка або підробка порідної товщі, розташування виробок в обвалених і ущільнених породах покрівлі пласта та ін.). Вони достатньо ефективні, але їхня реалізація пов'язана з певним порядком ведення очисних і підготовчих робіт (планування їх на стадії проектування).

Локальне розвантаження порід навколо виробок здійснюється за допомогою свердловин або шляхом створення спеціальних щілин вибуховим способом. При таких способах механізм формування ЗЗП і період дії розвантаження залишаються доки мало вивченими.

Одним з перспективних напрямків забезпечення стійкості виробок глибоких шахт є створення навколо них породних і армопородних вантажонесучих конструкцій з укріплюючих розчинів і анкерного кріплення. В ДонВУГІ розроблений і впроваджений на шахтах спосіб створення навколо виробки вантажонесучої породної оболонки за рахунок нагнітання в зруйновані породи зв'язуючих розчинів. Ін'єкцію зв'язуючих розчинів звичайно проводять через місяць і більше після проведення виробки, тобто коли в зоні непружних деформацій утворяться тріщини зі ступенем розкриття, достатнім для проникнення розчину.

Проф. Г.Г. Литвинським розроблений спосіб охорони виробок ("Моноліт"), заснований на активному розвантаженні навколишніх порід і наступному їх зміцнюванні. Технологічні роботи при цьому виконуються в період проведення виробки в два етапи. Спочатку бурять шпури по периметру виробки і зривають камуфлетні заряди ВР (створюють зону інтенсивної тріщинуватості порід навколо виробки). Після цього бурять тампонажні свердловини і скрізь ін'єктори нагнітають скріплюючий розчин в навколишні породи. Витрата розчину складає 3-4 м³ на 1 м виробки. Шахтні випробування цього способу показали, що на експериментальних дільницях були відсутні зміщення порід контуру виробок. Широке застосування способу обмежується багатоопераційністю робіт, які виконуються і великими витратами скріплюючого розчину. Разом з тим ідея використання навколишніх порід як будівельного матеріалу для зведення вантажонесучої конструкції, здатній протистояти проявам гірничого тиску представляється надто перспективною. Отже, в цьому напрямку доцільно удосконалювати вже відомі і створювати нові способи охорони гірничих виробок. На наш погляд, треба іти шляхом розробки маловитратних технологій і способів управління навколишньою ЗЗП, враховуючи при цьому більшою мірою особливості і закономірності геомеханічних процесів, що відбуваються в даній зоні.

Виходячи з викладеного вище, сформульована мета роботи та визначені такі задачі досліджень:

виявити закономірності і особливості протікання геомеханічних процесів в ЗЗП навколо підтримуваних виробок в умовах глибоких шахт;

встановити механізм взаємодії фронту руйнування порід, що переміщується і кріплення підтримуваних виробок;

розробити аналітико-експериментальний метод розрахунку параметрів ЗЗП і встановити основні чинники, що впливають на цю зону;

обґрунтувати нову концепцію управління зруйнованими породами навколо виробок;

розробити ефективні і маловитратні способи і засоби охорони гірничих виробок, засновані на активному управлінні геомеханічними процесами в зоні порід, що руйнуються;

провести лабораторні і шахтні іспити способів і засобів підвищення стійкості виробок.

В другому розділі викладений аналіз результатів шахтних інструментальних спостережень зміщення глибинних реперів на 14 замірних станціях. Дані за 3 замірними станціями - це результати власних спостережень, а матеріали по 11 станціях отримані здобувачем від проф. І.Л. Черняка з банку спостережень Московської державної гірничої академії.

При обробці результатів натурних спостережень по традиційній методиці одержують величини зміщення порід навколо виробки. Про якісну картину деформаційних процесів судять по характеру зміни швидкості зміщення порід. При її плавній зміні протікають пластичні і в'язкопластичні деформації, при пікоподібному - іде процес руйнування порід. Характеристикою деформаційних процесів є коефіцієнт розширення порід , що визначає величину відносних деформацій між двома реперами за період спостережень. Можна також визначити розмір ЗЗП. Отримати більшу інформацію не можливо при використанні відомої методики. Причина, на наш погляд, полягає в суті прийнятого методичного підходу, а саме: зміщення глибинних реперів показують у вигляді безперервних плавних ліній. Це означає, що свідомо вважають процес зміщення порід безперервним, хоча реально заміри переміщень реперів проводять епізодично.

В цій роботі оцінку стану вже зруйнованого навколишнього породного масиву, і масиву, що руйнується, проводили по зміні між сусідніми (суміжними) реперами (по всьому ланцюгу їхньої установки) за період часу від попереднього до наступного заміру. Величину визначали за формулою:

(1)

де - коефіцієнт розширення порід на час заміру N (між розглянутою парою суміжних реперів, що мають номери (n-1) и n); - абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час поточного заміру N; - абсолютні зміщення розглядуваних реперів на час попереднього заміру; - базова відстань між реперами.

Такий підхід дозволяє простежити динаміку деформаційних процесів, що протікають в ЗЗП під дією фронту руйнування, що переміщується. Встановлено, що при переміщенні фронту руйнування порід від контуру виробки в глибину масиву у вже зруйнованих породах утворюються зони їхнього стиснення і розширення, що в чергуючому порядку переміщаються в бік контуру виробки. На рис. 1, як приклад, показана динаміка деформаційних процесів в масиві порід навколо східного вентиляційного штрека пласта l₄ шахти ім. Челюскінців. Він пройдений комбайном на глибині 720 м, перетин його в світлі 7 м ², міцність порід на одноосне стиснення 46 МПа. Замірна станція була обладнана в породах покрівлі пласта в привибійному просторі штрека. У вертикальній свердловині було встановлено 8 реперів з інтервалом в 1 м. Періодичні заміри зміщення глибинних реперів вели до відходу вибою штрека від свердловини на 300 м. За період спостережень зміщення порід покрівлі контуру штрека становили 388 мм. При цьому сумарний коефіцієнт розширення порід зменшився з 0,076 до 0,012. При відходах вибою штреку від свердловини на 10; 30 і 70 м розміри ЗЗП становили відповідно 1-2; 3-4 і 4- м. Переміщення фронту руйнування на дільниці від 1-2 до 3-4 м супроводжувалося стисненням зруйнованих порід, починаючи від контуру виробки і до репера №3. Коли він рухався далі в глибину масиву до 4- м, відбувалося стиснення зруйнованих порід на дільниці між реперами №3 і №4, а на дільниці від контуру виробки до репера №3 відбувалося їхнє розширення. Подальше зростання ЗЗП припинилося. Однак в ній продовжували протікати деформаційні процеси (спостерігалися зміщення глибинних реперів). Причина цих процесів, очевидно, в тому, що на ЗЗП виявляє вплив навколишній породний масив, крім того, система кріплення-навколишні зруйновані породи не є статичною системою.

Така динаміка деформаційних процесів в межах ЗЗП спостерігалася як в окремих виробках, так і у виробках, що зазнають вплив очисних робіт. Вплив останніх виявився у зростанні розмірів ЗЗП і сумарного коефіцієнта розширення порід. Аналіз натурних спостережень за всіма вимірними станціями показав, що ЗЗП є динамічною системою. Всередині ЗЗП в процесі її формування відбуваються складні геомеханічні процеси, що в багато чому визначають стан підтримуваних виробок.

В третьому розділі наведені результати лабораторних досліджень механізму взаємодії фронту руйнування порід і кріплення виробок. Серія структурних моделей відпрацьована на плоскому стенді розмірами 0,600,70,06 м. Бокові сторони моделей закривали металевими листами. Як кріплення використали відрізок металевої труби діаметром 0,1 м. Сприйняті жорстким кріпленням навантаження вимірювали датчиками тертя, розташованими по периметру виробки. Дію фронту руйнування імітували шляхом навантаження пневмокамерою зовнішнього кордону модельованої ЗЗП. При іспиті моделей дотримувалися критеріїв геометричної і динамічної подібності, а також рівність кутів внутрішнього тертя матеріалу моделі і зруйнованих порід. Відношення радіусу модельованої ЗЗП до радіусу виробки () змінювали від 2 до 4; розміри фракцій зруйнованих порід відносно радіусу виробки () - від 0,07 до 0,8; величину зовнішнього навантаження - від 10 до 80 кПа.

На рис. 2 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження (де q і p - відповідно тиск на кріплення і тиск на зовнішній кордон ЗЗП) від розмірів ЗЗП при різній величині зовнішнього навантаження (цифри 1-5 - це ступені навантаження, що дорівнюють відповідно 10; 20; 40; 60; 80 кПа). Найбільший коефіцієнт передачі навантаження 2,5 маємо при відношенні =2 і зовнішньому навантаженні 10 кПа. По мірі зростання цього відношення (величин ЗЗП) коефіцієнт передачі навантаження зменшується від 2,5 до 1,1. Зміна зовнішнього навантаження від 10 до 80 кПа також призводить до зменшення коефіцієнта передачі з 2,5-1,1 до 1,3-0,6. Така особливість роботи системи кріплення-зруйновані породи, очевидно, зумовлена тим, що з підвищенням ступеня стиснення зруйновані породи за рахунок збільшення поверхні контактів і сил тертя набувають властивостей суцільного середовища. Проте, при певних параметрах ЗЗП в процесі передачі зовнішнього навантаження спостерігається значне його збільшення, що дозволяє по-новому інтерпретувати її роль в процесі формування навантаження на кріплення.

На рис. 3 показана зміна коефіцієнта передачі навантаження в залежності від розмірів породних фрагментів в зруйнованій зоні. При наявності дрібних породних фрагментів значення коефіцієнта наближаються до одиниці (це достатньо близько до розподілу тиску в рідині). Якщо в ЗЗП величина фрагментів більша (=0,5 і більше) спостерігається різке зменшення коефіцієнта передачі навантаження (в межі він прямує до нуля). В діапазоні=0,2-0,4 маємо самі високі його значення. Слід вважати, що це пов'язано зі специфічними особливостями поведінки дискретного матеріалу під навантаженням, які на сьогоднішній день мало вивчені.

Результати лабораторних досліджень добре узгоджуються з даними натурних спостережень в частині спроможності ЗЗП передавати навантаження від зовнішнього її кордону (фронту руйнування порід) до контуру виробки.

Параметри зони і розміри фрагментів зруйнованих порід можна змінювати шляхом використання природних умов, технологічних і технічних рішень при проведенні і підтримці виробок.

Четвертий розділ присвячений розробці аналітико-експериментального способу прогнозу розмірів ЗЗП за часом і оцінці впливу на неї різноманітних чинників. У відомих підходах для вирішення такої задачі не враховується рух в глибину масиву фронту руйнування порід навколо виробок, граничні умови задаються одноразово, відсутнє врахування кінетики процесів, що відбуваються в породному масиві. Для усунення цих недоліків у роботі використане покрокове рішення задачі. Це означає, що результати рішення попереднього кроку використовуються для завдання граничних умов наступному кроку. Розрахунок виконаний для протяжної закріпленої круглої виробки, розташованої в однорідному масиві, в якому діє гідростатичне поле напружень. Розподіл напружень навколо виробки для розглянутих умов визначається за відомою формулою:

(2)

де - питома вага порід, МН/м ³; Н - глибина розташування виробки, м; - відповідно початковий і поточний радіус виробки, м.

Ступінь порушення масиву оцінювали за функцією суцільності проф. Л.М. Качанова, з урахуванням порогового значення напруження згідно методиці Г.Г. Литвинського:

(3)

де - суцільність гірничої породи, що характеризує ступінь розвитку тріщин за певний інтервал часу; А - реологічний параметр, що характеризує порідний масив, 1/добу(МПа)ⁿ; - діюче напруження, МПа; В - порогове значення напруження, відповідне величині тривалої міцності породи, МПа; n - показник утворення тріщин.

Модель крихкого руйнування порід (3) припускає двостадійність процесу руйнування. На першій його стадії іде накопичування ушкодження протягом певного періоду часу (в залежності від величини діючих напружень). Друга стадія процесу - це власне миттєве руйнування породи. Виходячи з відомих досліджень утворення тріщин і руйнувань матеріалу в умовах стиснення, зміну суцільності порід розглядали під дією дотичних напружень за теорією міцності Мора. Величину ефективного дотичного напруження визначали як різницю між діючими і допустимими дотичними напруженнями за діаграмою Мора при умові, що під обгинаючою кругів мається на увазі крива, що характеризує залежність тривалої міцності гірничих пород від рівня їхнього напруженого стану. Поділяючи перемінні і інтегруючі вираження (3) з урахуванням (2) при дотриманні умови, що в момент, одержуємо залежність між розміром зони зруйнованих порід () і часом (), необхідним для утворення цієї зони. Такий підхід є традиційним, і при цьому не враховується зміна напруженого стану масиву порід, що руйнується при переміщенні фронту руйнування.

В покроковому рішенні задачі оточуючий виробку масив умовно поділяли на концентричні зони з кроком 0,1 м. Послідовно визначали не лише час руйнування порід, наприклад, зони К-1, але і величину втрати суцільності в зонах, розташованих попереду фронту руйнування, що переміщується. Час руйнування порід в усіх зонах, окрім першої, визначали з урахуванням втрати суцільності порід при перерозподілі діючого ефективного напруження, пов'язаного з імітацією руху фронту руйнування порід. На кожному наступному кроці рішення задачі задавали граничні умови, що відображують зміну радіусу виробки, розмір вже зруйнованої зони і її опір.

Втрату суцільності порід до підходу фронту руйнування враховували з використанням принципу лінійного накопичування пошкодженості. Суттєвість його полягає в тому, що елемент масиву, який зазнав дії ефективного напруження тривалістю , втрачає суцільність на величину , де - необхідний час для руйнування масиву при постійній дії ефективного напруження . Для визначення часу руйнування порід в масиві, що оточує виробку, необхідно визначити значення параметрів функції суцільності А и n, що входять в залежність 3. Зміну міцності порід в масиві у порівнянні з даними, отриманими при випробуванні зразків звичайно враховують через коефіцієнт структурного послаблення. Однак це дозволяє врахувати лише чисто механічну зміну міцності порід у зразку. Виконаний аналіз наявних даних випробувань порід у зразку на тривалу міцність показує, що зі зменшенням умовно-миттєвої міцності порід у зразку однозначно змінюється час до руйнування зразка при однаковому рівні його навантаження (мається на увазі відношення величин діючих напружень до допустимих, виходячи з величини тривалої міцності). В роботі запропонована методика врахування зміни часу руйнування порід в залежності від величини коефіцієнта структурного послаблення міцності порід в масиві у порівнянні з міцністю порід у зразку.

Рішення задачі виконувалося за допомогою програми "Зона" на ПЕОМ. Як приклад на рис. 4 наведені результати розрахунків ЗЗП навколо виробок, розташованих в масиві, поданих породами глинястого (1) і піщаного (2) сланцю при глибині розробки 1000 м. Аналіз графіків показує, що в заданих умовах до 90 % величини ЗЗП формується протягом 30-40 діб.

Зіставлення фактичних і розрахункових даних, отриманих для різних умов показує, що розбіжності не перевищують 24 %, Слід відзначити, що точність і вірогідність визначення фактичного значення розміру ЗЗП навколо виробок визначається величиною кроку установки глибинних реперів, а точність її визначення на поточний момент часу - від інтервалу часу між здійснюваними замірами.

Практичний інтерес представляє прогноз величин ЗЗП за часом в процесі її формування, що дозволить планувати оперативний вплив на природний хід геомеханічних процесів за допомогою технічних і технологічних способів. В результаті обробки результатів розрахунків отримана залежність, яка дозволить прогнозувати величину ЗЗП на будь-який поточний момент:

(4)

де - відносна величина ЗЗП на момент часу t; - максимальна відносна величина ЗЗП на момент часу, що дорівнює тривалості її формування Т; - коефіцієнт, що характеризує швидкість зростання ЗЗП , 1/доб; К_н - коефіцієнт, що враховує збільшення швидкості зростання ЗЗП відносно її середньої величини.

Для обґрунтування способів ефективного управління станом породного масиву навколо гірничих виробок була зроблена оцінка ступеня впливу основних чинників (Н, R, R₀, p,) на величину ЗЗП. Кількісна оцінка ступеня впливу кожного чинника визначалась через показник К_r:

(5)

де и - відповідно радіус ЗЗП при поточному (змінному) і середньому значеннях параметра, що викликає інтерес, м.

На рис. 5 наведені графіки, що характеризують ступінь впливу змін значень основних параметрів на величину ЗЗП.

Аналіз графіків показує, що по ступеню впливу на величину ЗЗП чинники розташовуються у такій послідовності:, Н, R, R₀, p.

Найбільший вплив на величину ЗЗП, що формується має кут внутрішнього тертя порід (). Так збільшення з 30 до 45 призводить до зменшення ЗЗП на 72 %. Слід відзначити, що параметр не є постійною характеристикою зруйнованих порід, а є показником, який характеризує стан зруйнованого породного масиву і залежить від типу порід, розміру і форми породних фрагментів ЗЗП, виду і міри напруженого стану зруйнованого масиву. На сьогоднішній день питання про залежність кута внутрішнього тертя зруйнованих порід від перерахованих чинників не є повністю вивченим.

Збільшення міцності порід, що вміщують виробку (R) з 50 до 114 МПа призводить до зменшення ЗЗП на 64 %. Практична реалізація даної залежності пов'язана з вибором місця розташування виробки (розміщення виробки в більш тривких породах).

Збільшення залишкової міцності зруйнованого породного масиву навколо виробки (R₀) з 5 до 20 МПа призводить до зменшення ЗЗП на 80 %. Підвищення залишкової міцності (вантажонесучої спроможності) зруйнованих порід пов'язане з використанням анкерного кріплення, ін'єкційного зміцнення зруйнованих порід поєднуючими матеріалами, зміною виду напруженого стану зруйнованого породного масиву навколо виробки. Цей напрямок підвищення стійкості виробок є надто перспективним.

Збільшення опору кріплення до 0,1 МПа викликає зменшення ЗЗП на 30 %. Ця обставина говорить про те, що лише за рахунок вступу кріплення в роботу величина ЗЗП зменшується на 30 %. Ефективність впливу подальшого збільшення опору кріплення на величину ЗЗП, що формується, знижується. Так при збільшенні опору кріплення з 0,1 до 1,0 МПа величина ЗЗП зменшується на 33 %. Результати аналітичних розрахунків показують, що зі зростанням ЗЗП вплив величини опору кріплення збільшується. Зміна відносного радіусу ЗЗП з 1,5 до 2,5 призводить до зменшення швидкості її зростання з 60 до 20 мм/добу при величині опору кріплення, що дорівнює 0,1 МПа.

Проведений аналіз ступеня впливу різноманітних чинників на величину зростання ЗЗП показав, що ефективний вплив на цей процес можливо тільки за рахунок зміни значень чинників, що піддаються управлінню - , R₀ і р.

У п'ятому розділі на базі виконаних досліджень сформульовані основні положення модернізованої концепції управління станом масиву гірничих порід поблизу виробок і викладена суттєвість розроблених автором способів підвищення їхньої стійкості. Головний напрямок - це підвищення вантажонесучої спроможності зруйнованих порід. Управління геомеханічними процесами в навколишньому масиві можна вести активними і пасивними методами. Активний метод заснований на прямому втручанні в геомеханічні процеси, що мають місце всередині ЗЗП з метою протидії переміщенню зруйнованих порід в порожнину виробки. Пасивний метод заснований на протидії переміщенню зруйнованих порід за рахунок підвищення опору на контури виробки. Незважаючи на різноманітний характер впливу на зруйнований масив, загальним є його результат - зміна стану зруйнованих порід (ущільнення, зміна величини породних фрагментів, підвищення залишкової міцності зруйнованих порід та ін.).

Основна суть розробленої концепції підвищення стійкості виробок полягає в наступному:

Вміщуючий виробку масив відразу після його оголення необхідно включати в роботу системи кріплення-навколишні породи за рахунок використання додаткових технологічних та технічних засобів.

Підвищений опір навколишнім породам, що зміщуються необхідно забезпечувати не лише шляхом збільшення щільності кріплення, а і за рахунок застосування додаткових технічних засобів, що мають малу матеріалоємність і високі силові характеристики (податливі анкери, кріплення підсилення та ін.). При цьому додаткове підвищення опору створюється на дільницях з найбільшим проявом гірничого тиску.

Для створення вантажонесучої оболонки навколо виробки із зруйнованих порід та анкерів, останні необхідно розташовувати не в радіальному напрямку, а просторово, що забезпечує зв'язок між окремими фрагментами зруйнованих порід по всіх напрямках (радіальному, тангенціальному і вздовж осі виробки) і створює максимальні перешкоди їхньому зміщенню в порожнину виробки.

Для підвищення стійкості виробок в умовах утворення навколо них ЗЗП необхідно в повній мірі використовувати природню здатність зруйнованих порід набувати несучу спроможність за рахунок штучного створення умов для самозаклинювання породних фрагментів.

Виходячи з положень концепції, розроблені нові засоби охорони виробок, що за характером впливу на процеси руйнування і зміщення порід і за технологічним параметрам умовно можна поділити на три групи.

Перша включає способи, засновані на підвищенні опору зруйнованим породам, що зміщуються в порожнину виробки. В них як силові елементи використовується податливе анкерне кріплення, яке спільно з арочним кріпленням збільшує в 4-6 раз опір навколишнім породам. Анкери встановлюються в напрямку максимальних зміщень порід. Спосіб реалізується в процесі проведення виробки, область його використання обмежується умовами, в яких зміщення порід контуру не перевищують величину технологічної податливості кріплення.

Якщо основна частина зміщень порід контуру приходиться на дільниці впливу очисних робіт, доцільно використати інший спосіб створення підвищеного опору. Суттєвість його полягає в тому, що поза зоною впливу очисних робіт в міжрамному просторі покрівлі виробки бурять 2-4 свердловини в радіальному напрямку на глибину 0,5-1,5 м і встановлюють закріпні стояки. Під них підводять арочний сегмент, через який здійснюють навантаження закріпних стояків гідродомкратами, встановлюваними в боках виробки. Цей спосіб створює опір масиву, що зміщується в потрібному напрямку без загороджування робочого простору виробки.

Друга група способів заснована на формуванні вантажонесучої конструкції із зруйнованих порід, армованих анкерами. Новим в технологічному плані є напрямок установки анкерів, що забезпечує зв'язок між фрагментами зруйнованих порід і створює максимальні перешкоди переміщенню їх в порожнину виробки.

В третю групу об'єднані два способи, що засновані на зміні навколо виробок виду напруженого стану зруйнованих порід і створенні умов для їх самозаклинювання в процесі переміщення. За допомогою першого способу напружений стан порід змінюють шляхом проведення в радіальному напрямку суцільних щілин або свердловин, в яких встановлюють розпірні елементи. Знаходячись під внутрішнім тиском ці елементи навантажують секторну дільницю ЗЗП. При цьому рівнодіюча сила (від кордонів секторних дільниць, що навантажуються) направлена від виробки в глиб масиву. Даний спосіб доцільно застосовувати на дільницях виробок, що перетинають геологічні порушення і зони порід з інтенсивною тріщинуватістю.

Суттєвість другого способу полягає в наступному. Зруйновану область порід навколо виробок, що підтримуються поділяють локально укріпленими зонами на секторні дільниці в радіальному напрямку. При зростанні ЗЗП відбувається навантаження зовнішнього кордону секторної дільниці масиву зруйнованих порід, розташованої між локально укріпленими зонами. Сили пасивного опору формують на кордоні локально зміцнених зон додатковий боковий тиск, що підвищує зчеплення між окремими фрагментами зруйнованого масиву. При переміщенні клиноподібної області зруйнованих порід до контуру виробки відбувається самозаклинювання породних фрагментів між локально укріпленими зонами (збільшується вантажонесуча спроможність зруйнованих порід).

Існуючими способами не можна створити в радіальному напрямку достатньо вузькі (локальні) області укріплених порід. Нами розроблені нові способи рішення даної задачі. В першому для формування спрямованого потоку зв'язуючого матеріалу при укріпленні локальної зони зруйнованих порід використовується процес вакуумування, в другому - енергія вибуху. Слід відзначити, що можливі два варіанти реалізації останнього способу. При одному - бурять шпури в радіальному напрямку, заряджають їх почергово патронами ВР і ампулами із зв'язуючим матеріалом, після цього проводять висаджування. При іншому варіанті парні шпури заряджають патронами ВР і ампулами із зв'язуючим матеріалом, а непарні - тільки патронами ВР. Спочатку підривають непарні шпури, а після цього в момент утворення в перших максимального від'ємного тиснення (вакууму) з уповільненням підривають парні шпури.

У шостому розділі подані результати лабораторних і шахтних іспитів нових ефективних способів і засобів охорони виробок глибоких шахт.

Іспити серії моделей породних зразків на одноосне стиснення з різноманітними схемами їхнього армування показали, що просторове розташування армуючих елементів забезпечує підвищення їх умовно-миттєвої міцності в 1,6 рази. При цьому залишкова міцність зразків, після їхнього руйнування, становить 50 % від міцності не армованого зразка.

Дослідами на структурних моделях способу локального укріплення зруйнованих порід встановлено, що при центральному куті розташування локально укріплених зон, рівному 90 і жорсткому кріпленні забезпечується зменшення коефіцієнта передачі навантаження на кріплення в 2,5 рази. При податливому кріпленні цей коефіцієнт зменшується в 6-8 разів.

Лабораторними дослідами способу укріплення порід з використанням процесу вакуумування встановлено, що по фізичній суті вплив цього процесу еквівалентний збільшенню проникливій здібності зруйнованих порід. Він забезпечує зміцнення масиву навіть при таких величинах розкриття тріщин, які при традиційному засобі нагнітання не проникливі для зв'язуючого розчину.

Лабораторні іспити способу укріплення порід за допомогою енергії вибуху підтвердили можливість гарного перемішування компонентів зміцнюючого розчину. При цьому зона проникнення зв'язуючого матеріалу в зруйнованому масиві складає 0,5-0,6 м.

Промислові досліди способу управління зруйнованими породами шляхом збільшення податливим анкерним кріпленням опору оточуючим виробку породам проведені в умовах шахти "Шахтарська Глибока" ДХК "Шахтарськвугілля".

Шахтні випробування комбінованого анкерно-арочного кріплення були проведені в першому ярусному східному конвеєрному штреку пласта h₈.

Виробка була проведена бурозривним способом з підриванням порід покрівлі та підошви пласта. Потужність пласта 1-1,1 м, кут падіння 14-15. Безпосередня покрівля пласта складена аргілітом потужністю 14 м з межею міцності на стиснення 50 МПа. Основна покрівля - пісчаник потужністю 18 м з межею міцності на стиснення 70 МПа. Підошва пласта - аргіліт потужністю 9 м з межею міцності 40 МПа. Штрек закріплений металевим арочним податливим кріпленням КМП-А 5, яке виготовлене із спец профілю СВП-27 з кроком спорудження 0,5 м. Застосована система розробки - стовпова із збереженням транспортного штреку для повторного використання. З боку виробленого простору виробка охоронялась бутовою полосою шириною 6 м. Глибина розміщення виробки 1050 м. Збільшення відпору породному масиву на контурі виробки здійснювалось за допомогою шести податливих анкерів, які встановлювалися під кожну раму податливого арочного кріплення. Схема розміщення анкерів показана на рис. 6(а).

Як анкерне кріплення використовувалося податливе анкерне кріплення конструкції ДонНТУ, в якому реалізація податливості відбувалась за рахунок процесу волочіння металевого стержня через філь'єру.

Кратність збільшення відпору породному масиву на контурі виробки, при застосуванні шести анкерів, становить 4,3.

На контрольній та експериментальній дільницях споруджувалися замірні станції, до складу яких входили контурні та глибинні репери. Замірні станції споруджувались на відстані 140 м від забою лави. Заміри проводилися в початковий момент при підході лави на 15-20 м (до відстані 30 м до лави). Потім заміри виконувались при підході лави на 5-10 м.

Установлення анкерного кріплення проводилось бригадою фахівців управління "Шахтоспецполімеркріплення". Буріння шпурів здійснювалося установкою УВАК. Закріплення анкерів здійснювалося за допомогою пінополіуретанової смоли, що складалась з поліефіру марки А-329 та поліізоціонату в співвідношенні 1:1 за об`ємом, які розміщувалися в поліетиленових ампулах. Підхват рами кріплення здійснювався за допомогою швелерної планки.

На рис. 6(б) приведені графіки зміщень та швидкості зміщень покрівлі виробки в залежності від відстані до лави. Їх аналіз показує, що зміщення порід покрівлі на контрольній та експериментальній дільницях починається з відстані до лави 100-80 м.

Підхід лави на відстань 24-25 м приводе до збільшення зміщень порід покрівлі виробки на контрольній та експериментальній дільницях, відповідно до 140 та 100 мм. При цьому спостерігається плавне збільшення швидкості зміщень порід на цих дільницях.

Підхід лави до 5 м супроводжується збільшенням зміщень порід покрівлі виробок на контрольній дільниці до 460 мм, а на експериментальній - до 380 мм. На контрольній дільниці приближення лави супроводжується монотонним збільшенням швидкості зміщень порід покрівлі з 11 до 48-37 мм/добу. На експериментальній дільниці спостерігається пікова зміна швидкості зміщень від 3,4-7,5-8,3 до 33-35-44 мм/добу.

Це свідчить про те, що податливе анкерне кріплення чинить опір зростанню зміщень на контурі виробки.

На відстані 7-8 м за лавою величина зміщень покрівлі виробки на контрольній та експериментальній дільницях складає відповідно 920 та 500 мм. Швидкість зміщення порід на цих дільницях становить 100 та 20 мм/добу.

Відхід лави від замірної станції на відстань 50 м приводить до зменшення швидкості зміщення порід на контрольній та експериментальній дільницях до 2,3 та 0,8 мм/добу. При цьому величина зміщень порід покрівлі на цих дільницях складає відповідно 1160 та 650 мм.

Таким чином збільшення відпору породному масиву на контурі виробки за допомогою податливого анкерного кріплення в 4,3 рази в порівнянні з відпором податливого арочного кріплення привело до зменшення зміщення порід покрівлі в 1,8 рази. Економічний ефект складає 114 карб./м (в цінах 1988 р.).