Предложено новое решение проблемы обеспечения устойчивости выработок за счет искусственного изменения полей напряжений путем сжатия пород приконтурной зоны при саморасширении невзрывчатых разрушающих материалов и проведена проверка его принципиальной возможности. Обеспечение устойчивости подготовительных горных выработок в настоящее время остается одной из самых острых проблем угольной отрасли, актуальной как для передовых предприятий, так и для убыточных шахт с небольшим уровнем добычи. Несмотря на ежегодное увеличение металлоемкости каждого погонного метра выработки и рост затрат на ее поддержание, что связано с ухудшением горно-геологических условий с глубиной, существенного улучшения состояния горных выработок не наблюдается. Это свидетельстует о том, что необходима разработка и внедрение новых концептуальных решений направленных на обеспечение устойчивости горных выработок. Известно, что проведение выработок приводит к перераспределению напряжений в массиве горных пород. С момента проведения выработки можно выделить несколько крупных стадий изменения поля напряжений приконтурных пород, их связывают с образованием вокруг выработки феноменологических зон – упругих деформаций, неупругих деформаций и разрушенных пород. Породы приконтурной зоны с течением времени последовательно проходят эти стадии. Естественно предположить, что история изменения напряженно-деформированного состояния в массиве после проведения выработки оказывает существенное влияние на дальнейшее поведение пород и механизм их деформирования. Перераспределение напряжений вокруг выработки приводит к повышению трещиноватости пород, что сопровождается снижением их несущей способности и увеличением объема, это вызывает рост давления на крепь подготовительных выработок. При этом чем больший объем пород попадает в зону перераспределения напряжений, тем больше требуются усилия чтобы обеспечить устойчивость проводимой выработки. Предположения о естественном затухании скорости деформирования контура выработки, связанном с самоподдержанием пород в пределах зоны разрушенных пород при достижении ею значительных размеров, не подтверждаются практикой ведения горных пород. В ремонтируемых учасковых выработках и ыработках восстанавливаемых по завалу не наблюдается затухание скорости деформирования, а наоборот отмечается интенсификация смещений контура [1, 2]. С этих позиций становится актуальной разработка концепции управления напряженно-деформированным состоянием массива горных пород позволяющей максимально сократить объем пород подверженных разупрочнению и расслоению. В настоящее время известны несколько подходов направленных на предотвращение начальных расслоений пород. Анкерное крепление – позволяет создать укрепленную оболочку вокруг горной выработки, за счет сшивания слоев в единую конструкцию. Однако анкерная крепь устанавливаемая без начального распора вступает в работу после некоторых расслоений пород внутри укрепляемой области, при этом даже после формирования несущей конструкции развитие зоны разрушения может начинаться за контуром заанкерованных пород [3]. Решение этой проблемыможет быть частично достигнуто за счет увеличения длины анкерных стержней. Установка рам крепи с предварительным распором позволяет значительно минимизировать начальные расслоения, однако не обеспечивает контакта рамы с породой по всему контуру в результате чего рама крепи точечно передает сжимающие усилия на массив и точечно воспринимает нагрузку, что снижает эффективность применения способа. Кроме того не обеспечивается сопротивление процессу расслоения пород между рамами крепи. Указанную проблему решают способы крепления с заполнением закрепного пространства путем нагнетания упрочняющих составов [4], или технологии Буллфлекс [5]. Применение указанного способа предотвращения расслоений за счет обеспечения надежного контакта пород с крепью по всей площади выработки сдерживается из-за многооперационности, необходимости применения специального оборудования, сложности реализации технологии и ее высокой стоимости. Применение способов основанных на упрочнении горных пород нагнетанием вяжущих составов [6] не позволяет управлять напряженно деформированным состоянием породного массива, и может применяться в уже дезинтегрированном приконтурном массиве горных пород, при развитой системе трещин, что не позволяет сдерживать образование и развитие вокруг выработки зон неупругих деформаций и разрушенных пород. Известно, что породы вмещающие выработки находятся в условиях неравнокомпонентного объемного поля сжимающих напряжений. Причем соотношение компонент напряжений различно для разных точек массива, и изменяется во времени что значительно усложняет возможность их учета при анализе напряженно деформированного состояния пород. В настоящее время экспериментальными работами однозначно доказано, что, при увеличении промежуточного напряжения пород происходит рост их прочности [7, 8]. Согласно исследованиям [8], при промежуточном напряжении, равном 5 106 107 Па прочность их повышается в 1,5–2 раза. Зависимость прочности аргиллитов в объемном напряженном состоянии от промежуточного напряжения приведенная в работе [8] представлена на (рис. 1).

Техническая реализация предложенной идеи осуществляется следующим образом (рис. 2): на этапе проведения выработки после установки рам основного крепления 1 в приконтурные породы 2 бурят шпуры 3, в которые помещают твердеющий саморасширяющийся в процессе гидратации состав 4 в качестве которого может применяться невзрывчатый разрушающий материал (НРМ). Саморасширение материала приводит к повышению давления на стенки шпура, и на породный массив соответственно. Это приводит к искусственному изменению поля напряжений, в частности компоненты 3 , в пределах зоны влияния 5 НРМ, что приближает напряженное состояние пород к исходному природному полю напряжений, повышает несущую способность пород и приводит к сдерживанию образования и развития вокруг выработки зоны разрушенных пород. При этом НРМ целесообразно помещать в шпур не по всей длине шпура, а только в его донную часть, с оставлением приконтурной части шпура незаполенной на величину не менее зоны условно-мгновенного разрушения пород. Таким образом рамы основной крепи воспринимают нагрузку от разуплотнения пород в несжатой зоне и создают отпор смещениям пород в полость выработки. Оценка эффективности изложенного способа управления НДС массива пород проводилась путем математического моделирования методом конечных элементов, реализованного в програмном комплексе ANSYS. Задача решалась в объемной постановке в масштабе 1:1. Решение проводилось пошагово, с учетом сложившегося напряженного сотояния на предыдущем шаге нагружения. Моделировалась выработка прямоугольного (1 модель) и арочного (2 модель) сечения проводимая в изотропном упруго пластическом массиве представленном алевролитом с пределом прочности на одноосное сжатие 40 МПа, расположенная на глубине 500 м. Для размещения НРМ в кровлю выработки бурились шпуры диаметром 0,043 м и глубиной 2,5 м. Давление саморасширения НРМ принимали равным 15 МПа, что вполне может быть достигнуто при использовании НРВ-80 в шпуровом заряде при допустимых относительных деформациях материала 15-20 % [10]. Исходные данные для моделирования были взяты из кадастра физических свойств горных пород для условий Донецко-Макеевского угленосного района.

На основании анализа результатов шахтных наблюдений и моделирования в работе выделяется 3 типа деформации пород в зависимости от соотношений предела прочности и напряжений в массиве. Первый тип деформаций пород возникает при напряжениях на контуре выработки 1 при одноосном сжатии меньше предела длительной прочности пород . При этом в массиве образуется зона упруго-вязких деформаций, и деформирование происходит без нарушения сплошности пород. Второй тип деформаций наблюдается при напряжениях на контуре, превышающих предел длительной прочности, но меньше мгновенной прочности пород 0 . Деформации ползучести приводят к образованию микротрещин и разрушению породы в некоторой зоне вокруг выработки. Дальнейшее развитие микротрещиноватости, связанное с длительной прочностью породы, приводит к образованию зоны длительного разрушения пород. Третий тип деформаций имеет место при напряжениях 1 выше мгновенной прочности 0 . Разрушение пород может начинаться вслед за проведением выработки. Зону, в которой породы разрушаются при достижении максимума напряжений, называют зоной условно-мгновенного разрушения пород. Анализ распределения напряжений показывает, что при традиционном способе крепления выработки прямоугольного сечения (рис. 4, 5) в углах образуются участки концентрации напряжений, в боках выработки зона сжатия, а в кровле образуется зона пониженных напряжений максимум которых находится посредине пролета выработки. Таким образом, в кровле выработки происходит прогиб слоев, возможно их расслоение и разрушение от растягивающих напряжений, при развитии этого процесса вглубь массива, произойдет развитие вокруг выработки зоны разрушенных пород. Размер зоны разгрузки в кровлю выработки составляет 1,2 ширины выработки. При сжатии приконтурных пород за счет саморасширения НРМ в шпуре с давлением 15 МПа и расстоянием между шпурами 0,5 м, в области эффективной работы НРМ отсутствует зона пониженных напряжений, следовательно, разрушение в этой области развиваться не будет. Зона пониженных напряжений развивается за контуром сжатой области, при этом размер разгруженной области сокращается на 16 %. Такие же выводы можно сделать анализируя картины распределения напряжений по теории прочности Мора. В этом случае зона растяжений в кровле вообще не наблюдается, зато четко видны границы зоны сжатия. Предельные напряжения за границей сжатой области не наблюдаются. На контуре выработки имеет место понижение напряжений, но их область заканчивается на границе сжатой зоны. Таким образом нагружение рамы крепи происходит за счет разупрочнения пород в пределах зоны разгрузки пород между контуром выработки и сжатой зоной, такие нагрузки вполне могут быть выдержаны современной металлической податливой крепью. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы. Для обеспечения устойчивости горных выработок в современных горно-геологических условиях необходимы разработка и внедрение принципиально новых решений направленных на управление напряженно-деформированным состоянием породного массива. Предложен концептуальный подход обеспечения устойчивости выработок за счет искусственного изменения вокруг них полей напряжений путем сжатия пород при саморасширении НРМ. Принципиальная возможность изложенного подхода подтверждается проведенным моделированием методом конечных элементов. Для получения качественных характеристик способа, и обоснования его параметров необходимы детальные исследования направленные на изучение особенностей работы способа в зависимости от горно-геологических условий его применения.
1. Зубов В.П. Влияние подрывок на пучение пород в подготовительных выработках / Зубов В.П., Чернышков Л.Н., Лазченко К.Н. // Уголь Украины. – 1985. – № 7. – С. 15–16.
2. Негрей С.Г. – Обоснование параметров механического отпора породам почвы выемочных выработок при отработке лав обратным ходом друк. Дис. канд. техн. наук: 05.15.02. – Донецк, 2007. – 296 с.
3. Сахно И.Г. Исследование особенностей деформирования породного массива, вмещающего выработку, закрепленную анкерной крепью / Сахно И.Г., Новиков А.О. // Вісті Донецького гірничого інституту – Донецьк. – № 1 – 2007. С. 82–88.
4. Маттен В. Заполнение закрепного пространства штреков природным ангидритом / В. Маттен, И. Зеегер, Х. Цильэссен. – Глюкауф. – 1980. – № 14. – С. 15–20.
5. Брайт Ф. Заполнение пустот за рамами штрековой крепи методом Буллфлекс / Брайт Ф., Крае Ю. – Глюкауф. – 1980. – № 13 С. 12–17.
6. Брайт Ф. Заполнение пустот за рамами штрековой крепи методом Буллфлекс / Брайт Ф., Крае Ю. – Глюкауф. – 1980. – № 13 С. 12–17.