За последние годы правительством Украины разработаны и утверждены две программы, цель которых – повысить эффективность работы угольной промышленности. Это «Програма реформування i фінансового оздоровлення підприємств вугільної промисловості на 2000-й рік» и «Украiнське вугiлля».Выполнение этих программ, направленных на внедрение в угольной промышленности передовых технологий обеспечивало бы поступательное развитие экономики всей страны. В настоящее время техническое состояние шахтного фонда угольной промышленности Украины продолжает ухудшаться. Так, около 80% угольных шахт работают без реконструкции более 20 лет, причем третья часть из них введена в эксплуатацию в довоенный период [1].Учитывая то обстоятельство, что последние 14 лет ежегодно терялось 7,6 млн. тонн производственных мощностей [2], для выполнения поставленных перед отраслью задач необходимо резко увеличить объемы проведения горных выработок, среди которых 70-80% занимают вскрывающие и подготовительные. Статистика же показывает, что объемы проведения этих выработок неуклонно падают. Например, если в 1990 году на шахтах Украины было пройдено 1648 км основных подготовительных выработок, то в 1996 году только 594 км [3,4].Несмотря на снижение добычи угля, удельная протяженность поддерживаемых горных выработок, приходящихся на 1 т добычи неуклонно растет. Такое положение дел можно объяснить снижением темпов ведения очистных работ и увеличением сроков службы выработок. С ростом глубины разработки, одним из наиболее актуальных стал вопрос поддержания горных выработок в процессе эксплуатации. Попытки обеспечить безремонтное поддержание выработок за счет увеличения несущей способности крепи положительных результатов не дали. В 2000 году удельный объем перекрепления выработок на 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 поддерживаемых выработок в год или около 50 чел.-см на 1000 т добычи. Стоимость же крепления одного метра выработки достигает 3000 грн., составляя до 50-60 % от стоимости проведения. Состояние выработок на шахтах Донбасса характеризуется следующими цифрами: всего деформировано 50% выработок, в том числе: подготовительных горизонтальных – 64%, наклонных – 52%, выработок околоствольных дворов – 43%.Из общего объема деформированных выработок 20% находятся в аварийном состоянии [6]. Изменение характера и интенсивности деформационных процессов в окружающих выработки породах на больших глубинах стало причиной того, что многие известные способы поддержания, технологические и технические решения исчерпали свои возможности в части обеспечения устойчивости выработок.
Обследование состояния горных выработок на шахтах ГП «Донецкуголь» и анализ проектных решений по их сооружению и поддержанию показали, что применение способов охраны осуществляется либо на стадии сооружения, либо при невозможности дальнейшей эксплуатации выработок без дополнительных мероприятий по повышению устойчивости вмещающего массива. Такой подход к решению вопроса не носит предупредительного характера и не позволяет максимально использовать несущую способность породного массива. Существующие в настоящее время нормативные документы, параметры поддержания горных выработок рекомендуют определять, исходя из величины конечных смещений их контура. При этом не учитывается изменение геомеханического состояния вмещающего выработку массива во времени, в течение периода ее эксплуатации, а, следовательно, и различный характер взаимодействия крепи с окружающим массивом. В общем случае поддержание горной выработки в процессе ее эксплуатации включает в себя крепление, применение дополнительных мероприятий по повышению устойчивости, т.е. охрану и ремонт выработки. Как показывает анализ паспортов проведения и крепления горных выработок, как правило, параметры крепи (плотность установки, податливость и т.д.) по всей длине выработки принимаются постоянными. Не учитывается, что срок службы отдельных участков выработки по ее длине различный. Особенно это важно для выемочных штреков. Так, например, при столбовой системе разработки с погашением выработок вслед за лавой, время поддержания начала выработки будет включать время проведения выработки и время отработки выемочного столба, а время поддержания конца выработки будет складываться только из времени на проведение разрезной печи и монтажа оборудования в лаве.
Очевидно, что в связи с различным сроком службы участков выработки по ее длине, величина смещений их породного контура будет различна, а следовательно и параметры крепи по длине выработки должны изменяться. То есть, плотность крепи и величина ее податливости в начале выработки должна быть значительно больше, чем в ее конце, где конечные смещения полностью не успеют реализоваться.
Рассмотрим теперь пример поддержания выработки, имеющей большой срок службы (более 5 лет). Параметры крепи в такой выработке выбираются также исходя из величины конечных смещений ее контура. Однако, исследования, проведенные в Донецком Национальном техническом университете показали, что после завершения формирования вокруг выработки зоны разрушенных пород (ЗРП), а следовательно и реализации основных смещений ее контура, нагрузку на крепь оказывает вес части пород, в пределах ЗРП, отделившихся от приконтурного массива, который достигает 200-500 кН на метр выработки. Так как к этому моменту, крепь полностью исчерпала свою податливость и перешла в жесткий режим работы, эта, не учтенная при выборе параметров крепи, нагрузка и приводит к ее деформации. Таким образом, если рассмотреть механизм формирования нагрузки на крепь во времени, его условно можно разделить на 2 периода. В первом периоде, продолжительностью 1,0-1,5 года, нагрузка на крепь в основном формируется за счет смещений контура выработки в процессе образованной вокруг нее зоны разрушенных пород. То есть, нагрузка на крепь формируется в режиме «заданной деформации». После окончания образования вокруг выработки зоны разрушенных пород, в результате реализации геомеханических процессов внутри нее, нагрузку на крепь оказывает вес части пород, в пределах зоны разрушенных пород, отделившихся от приконтурного массива. То есть, нагружение крепи происходит в режиме «заданной нагрузки». Таким образом, выбирать параметры поддержания выработки необходимо с учетом степени реализации геомеханических процессов во вмещающем выработку массиве во времени. В этой связи, актуальным становится вопрос о выборе способов охраны, направленных на управление состоянием вмещающего выработку массива и своевременности их применения. Решать его необходимо с учетом срока службы выработки, степени реализации геомеханических процессов во вмещающем массиве на момент окончания срока службы, продолжительности эффективного действия способа охраны и затрат на поддержание. Принятые решения должны обеспечивать соответствие срока окупаемости затрат на поддержание со сроком службы выработки. Все вышеизложенное в полной мере относится и к выбору параметров ремонтных работ в выработках.
В настоящее время ремонт в выработках производят, как правило, при отсутствии требуемых по Правилам безопасности зазоров между транспортными средствами и крепью, а также при нарушениях эксплуатационного режима, оговоренных в Правилах технической эксплуатации. Степень деформации поперечного сечения выработки к моменту начала ремонта изменяется от 12 до 85%. Как показали исследования, выполненные в ДонНТУ, своевременное выполнение ремонта выработок существенно влияет на геомеханическое состояние вмещающего массива и определяет последующую устойчивость выработок. Таким образом, новая концепция поддержания горных выработок заключается в следующем. Параметры крепи выработки необходимо определять дифференцированно по ее длине, с учетом срока службы отдельных участков выработки и стадии реализации геомеханических процессов во вмещающем массиве.
Применение способов охраны должно носить предупредительный характер, но при этом необходимо учитывать соответствие срока окупаемости затрат на их реализацию сроку службы выработки, продолжительность технического эффекта данного способа и на какой стадии развития геомеханических процессов во вмещающем массиве, его наиболее эффективно применять. Перекрепление в выработке необходимо производить не при отсутствии зазоров между транспортными средствами и крепью, а с учетом послеремонтного развития геомеханических процессов во вмещающем выработку массиве во времени. То есть, степень деформации контура выработки к моменту перекрепления, а, следовательно, и параметры ЗРП вокруг выработки, должны обеспечивать максимальную несущую способность системы «крепь - вмещающий массив» после ремонта. Внедрение данной концепции позволит существенно сократить материальные и трудовые затраты на поддержание горных выработок и повысить их устойчивость.