Рассматреть способы охроны горных выработок, что базируються на сооружении грузонесущей оболочки из разрушенных окружающих пород и предложены новые способы управления состоянием разрушенных пород, основаны на нетрадиционном использовании инъекционного укреплении и анкерных систем.

     Результаты анализа состояния горных выработок на шахтах Украины по состоянию на конец 2000 г. показывают, что из общего объема эксплуати-руемых выработок (11024 км) 90% закреплено податливой рамной крепью. При этом протяженность выработок, требующих ремонта составляет 5892 км. Основной причиной ремонтных работ в выработках глубоких шахт в 70% случаев является наличие пучения пород почвы, в 30% - несоответствие не-сущей способности крепи действующим нагрузкам. Установка на ряде глу-боких шахт металлической арочной крепи с плотностью 3 рамы на 1 м не всегда устраняет систематические ремонты выработок.
     Такое положение объясняется тем, что в условиях глубоких шахт тех-нический потенциал современных арочных металлических крепей не являет-ся достаточным для обеспечения устойчивого состояния поддерживаемых выработок.
     В последние годы на Украине, а также в ближнем и дальнем зарубежье получила развитие новая концепция обеспечения устойчивости выработок, основанная на использовании окружающего массива в качестве "породной крепи".
     Создание грузонесущей оболочки из породного массива окружающего выработку производится по двум направлениям: с применением инъекцион-ного укрепления пород связующими растворами либо с использованием ан-керных систем. Первое направление основано на создании монолитной обо-лочки вокруг выработки толщина и прочностная характеристика которой достаточна для нейтрализации вредного проявления геомеханических про-цессов за ее пределами. Известны два способа создания породонесущей кон-струкции с использованием инъекционного укрепления пород. Первый пре-дусматривает ведение работ по инъекционному укреплению пород после об-разования разрушенной зоны вокруг выработок, что соответствует интервалу времени 20-30 суток после их проведения.
     Второй предусматривает создание грузонесущей оболочки из окружаю-щих пород за счет их активной разгрузки с последующим упрочнением (АР-ПУ). Отличительной особенностью предложенного способа является то, что его реализация осуществляется непосредственно в забое проводимой выработки.
     Рассмотренные выше способы повышения грузонесущей способности разрушенных пород в окрестности выработок за счет их укрепления инъек-ционным упрочнением имеют общий механизм управляющего действия на геомеханические процессы в породном массиве, находящемся за зоной ук-репления. Монолитная оболочка из разрушенных пород и скрепляющего со-става оказывает тормозящее действие дальнейшему росту зоны разрушенных пород и нейтрализует ее влияние на состояние горной выработки. По физи-ческой сущности искусственно созданная оболочка оказывает пассивное си-ловое противодействие на естественный ход геомеханических процессов в окружающем ее массиве. Наряду с высокой эффективностью, рассмотренные способы обладают рядом недостатков, связанных с многооперационность, большим расходом связующих материалов, сдерживанию темпов проведения выработок. Совершенствование данного направления связано с учетом осо-бенностей деформационных процессов в формирующейся зоне разрушенных пород с использованием технических решений для повышения грузонесущей способности разрушенного массива.
     Создать грузонесущую конструкцию из разрушенных пород в окрест-ности выработки возможно за счет обеспечения условий для самозаклинива-ния породных фрагментов при их перемещении в полость выработки. Этот принцип реализуется в способе повышения устойчивости горных выработок, разработанном в ДонНТУ. Сущность способа заключается в том, что разру-шенную область пород вокруг поддерживаемых выработок разделяют в ра-диальном направлении на секторные участки локально укрепленными зона-ми. При дальнейшем росте зоны разрушенных пород (ЗРП) происходит на-гружение внешней границы секторного участка массива разрушенных пород, расположенного между локально укрепленными зонами. Силы пассивного отпора формируют на границе локально укрепленных зон дополнительное боковое давление, повышающее сцепление между породными фрагментами разрушенного массива. При движении клиновидной области разрушенных пород к контуру выработки происходит их самозаклинивание между локаль-но укрепленными зонами. Результаты лабораторных исследований механиз-ма передачи нагрузки зоной разрушенных пород при ее внешнем нагружении (за счет влияния фронта разрушения пород) показали, что при создании ло-кально укрепленных зон коэффициент передачи нагрузки (отношение вели-чины нагрузки на крепь к величине нагрузки, прикладываемой к внешней границе ЗРП) уменьшается в 1,1-2,5 раза. Это относится к условиям примене-ния жесткой крепи. Значительно большее уменьшение коэффициента передачи нагрузки наблюдается при податливой крепи. Так при крупности породной фракции (dф/rв) материала ЗРП в пределах 0,12-0,3 (dф и rв - соответствует мак-симальному поперечному размеру породных фрагментов и радиусу выработки) коэффициент передачи нагрузки уменьшается в 6,7-16 раз. В условиях dф/rв=0,5 значение коэффициента передачи нагрузки равно нулю. Данный факт свиде-тельствует об отсутствии взаимодействия между нагрузкой, прикладываемой к внешней границе моделируемой ЗРП и крепью выработки.
     Значительное уменьшение коэффициента передачи нагрузки при ис-пользовании локально укрепленных зон в условиях податливой крепи объяс-няется тем, что податливость крепи способствует продвижке породных фрагментов между локально укрепленными зонами и их переупаковке, что совместно с создаваемым дополнительным боковым отпором способствует реализации эффекта самоподдержания породного массива.
     Лабораторными исследованиями установлено, что максимальный угол между локально укрепленными зонами, при котором происходит эффектив-ное самозаклинивание породных фрагментов составляет 90°.
     Второе направление создания армопородных грузонесущих конструк-ций из породного массива, окружающего выработку основано на применении анкерных систем. Существующие методические разработки по обоснованию параметров установки анкерной крепи базируются в основном на чисто прочностном подходе. Отводя анкерной крепи роль армирующего элемента в них предусматривается ее установка в радиальном направлении, при котором реализуется традиционная схема ее работы - "сшивка" или "подшивка".
     Принимаемый за основу чисто силовой механизм работы анкерной крепи не отражает ее технические возможности как армирующей системы.
     Для использования жесткой анкерной крепи как армирующего элемен-та, в условиях образования вокруг выработки ЗРП, необходима разработка новой концепции ее применения с учетом особенностей геомеханических процессов, происходящих внутри нее. Учитывая то, что объектом армирова-ния являются разрушенные породы под термином "армировка" необходимо понимать не чисто механическое повышение сопротивления сжатию, растя-жению, сдвигу пород за счет армирования их анкерами с более высокими прочностными показателями, а повышение грузонесущей способности раз-рушенных пород за счет обеспечения более тесной механической связи меж-ду отдельными породными фрагментами в заданных объемах с помощью ан-керных систем. При этом анкерная крепь должна оказывать эффективное со-противление перемещению разрушенных пород в полость выработки.
     Требуемые условия обеспечиваются только при пространственном рас-положении анкерной крепи. В ДонНТУ разработан новый способ охраны вы-работок, основанный на повышении грузонесущей способности окружающе-го их разрушенного породного массива за счет пространственного располо-жения анкерных систем. Сущность его заключается в том, что анкерная крепь устанавливается розетками (по 4 анкера), в которых анкера располага-ются по большим диагоналям куба, одна сторона основания которого совпа-дает с продольной осью выработки, а вторая - линейно аппроксимирует кон-тур ее поперечного сечения. При таком расположении анкерная крепь вы-полняет роль пространственной стержневой обоймы, изменяющей вид на-пряженно деформированного состояния разрушенного породного массива, находящегося внутри нее.
     Результаты лабораторных испытаний моделей образцов и оболочек при различных схемах их армировки показали, что пространственное расположе-ние армирующих элементов обеспечивает величину остаточной прочности материала на уровне 50% от условно-мгновенной прочности не армирован-ных образцов. При этом работоспособность моделей породных оболочек при радиальной и объемной схемах армировки повышается, соответственно в 1,6 и 5,8 раза.
     Рассмотренные способы охраны выработок основаны на нетрадицион-ном использовании инъекционного укрепления пород и анкерных систем. В то же время они предусматривают повышение грузонесущей способности разрушенных пород по всему контуру поперечного сечения выработки.
     Анализ результатов шахтных и лабораторных исследований выполнен-ных на настоящее время показывает, что в условиях слоистого строения по-род, окружающих выработку, при слабой связи между слоями наблюдаются значительные неравномерности в смещениях пород по контуру. Так, величи-на конвергенции по напластованию в 6-10 раз меньше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию. Такая аномалия в смещениях объясняет-ся различным характером разрушения пород. Смещения пород боков выра-ботки (подсечные слои) является результатом разрушения пород за счет сдвига. Смещения пород кровли и почвы выработки (неподсечные слои) яв-ляется результатом их разрушения в форме складки.
     Поэтому в рассматриваемых условиях рациональным является укреп-ление пород не по всему периметру выработки, а в виде локальных зон об-ластей массива, в которых разрушение пород проявляется в форме складки.Практический интерес при этом представляет обоснование параметров локально укрепленных зон.
     Результаты лабораторных и шахтных исследований на Украине и за рубежом свидетельствуют о том, что область пород , в которой происходит их разрушение в форме складки зависит от величины пролета слоистой тол-щи не подсекаемой выработкой и распространяется в глубь массива на вели-чину, равную половине ширины пролета.
     В ДонНТУ разработаны способы предотвращения эффекта складкооб-разования слоистых пород за счет применения инъекционного укрепления и использования новой схемы размещения анкерной крепи.
     Результаты лабораторных испытаний предлагаемых способов обеспе-чения устойчивости выработок за счет проведения локального укрепления пород показали, что предварительное разрушение и последующее укрепле-ние связующими составами слоистой толщи не подсечных пород в сечении напоминающем треугольник, основание которого является ширина пролета неподсечных слоев, а высота составляет ее половину, смещение контура (кровли или почвы) уменьшилось в 4-6 раз.
     При новой схеме установки анкерной крепи меняется характер разру-шения слоистых пород - от разрушения в форме складки до разрушения в форме надвига. При этом величина смещения контура пород уменьшается в 4-8 раз.
     Таким образом, в условиях глубоких шахт, когда состояние горных вы-работок определяется образованием и развитием зоны разрушенных пород, вопрос о создании грузонесущих конструкций из окружающего породного массива на сегодняшний день является безальтернативным. Предложенные новые способы охраны выработок, основанные на нетрадиционном исполь-зовании инъекционного укрепления и анкерных систем обеспечивают высо-кую техническую эффективность при уменьшении затрат на их реализацию.

1. Тулуб С.Б. Геомеханические основы и пространственно-технологические решения обеспечения устойчивости выработок угольных шахт в сложно-структурных трещиноватых породных массивах. - Автореферат доктор-ской диссертации. - Днепропетровск, 2001. - 32 с.

2. Инъекционное упрочнение горных пород /Ю.З. Заславский, Е.А. Лопоту-хин, Е.Б. Дружко, И.В. Качан. - М.:Недра, 1984. - 176 с.

3. Литвинский Г.Г. Монолитная оболочка из разрушенных и упрочненных пород // Шахтное строительство, №12, 1981. - 18-20 с.

4. Деклараційний патент України №38094А, кл. Е21 Д13/02. Спосіб підвищення стійкості гірничих виробок. М.М. Касьян, А.П. Клюєв, Р.І. Азаматов. Опубл. 15.05.2001, бюл. №4.

5. Деклараційний патент України №3893А, кл. Е21 Д13/02. Спосіб охорони виробки. М.П. Зборщик, А.П. Клюєв, М.М. Касьян, І.А. Скідан. Опубл. 15.05.2001, бюл. №4.

6. Клюев А.П. Рациональная схема анкерного армирования пород вокруг вы-работок глубоких шахт /Сб. научн. трудов "Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия". - Алчевск: ДГМИ, 1999. - 125-127 с.