Важнейшей предпосылкой повышения эффективности работы угольной отрасли является снижение издержек производства. Решение этой проблемы невозможно без сокращения расходов на крепление и поддержание горных выработок, составляющих 50-70% их общей стоимости.
Программой "Українське вугілля" предусмотрено обеспечить рост добычи угля за счет освоения новых месторождений, вскрытия и подготовки добычных горизонтов, характеризующихся преимущественно увеличением глубины разработки и усложнением геомеханической обстановки. Строительство и сооружение горных выработок в связи с этим потребовало применения более материалоемкой крепи и трудоемких способов крепления, которые в распространенных условиях III-IY категорий устойчивости пород тем не менее не обеспечивают должной сохранности выработок. В настоящее время около 10% поддерживаемых выработок деформированы, не соответствуют требованиям ПБ и требуют ремонта.
Широко применяемая (до 95%) металлическая крепь из специального взаимозаменяемого профиля в сложных горно-геологических и горнотехнических условиях при существующем типовом решении [1] не обеспечивает устойчивости выработок и практически исчерпала свои возможности. Действенным направлением обеспечения устойчивости выработок с этой крепью является использование несущей способности породного массива при своевременном заполнении закрепного пространства твердеющими растворами с заданными сроками твердения и набора прочности, а так же применение в случае необходимости анкерной крепи.
Заполнение материалами закрепного пространства при строительстве подземных сооружений как меры по созданию благоприятных условий для работы охранных конструкций и предотвращения нежелательных свободных деформаций вмещающей среды применяли с незапамятных времен, еще с начала освоения подземного пространства. В угольной промышленности представительный опыт применения металлической крепи с тампонажем закрепного пространства твердеющими растворами имеется на шахтах Западного Донбасса. Ограниченно податливая крепь с заполнением закрепного пространства твердеющими составами по рекомендациям НИИОМШС применена институтами Южгипрошахт и Луганскгипрошахт в проектах строительства и реконструкции 16 шахт.
Для ее более широкого применения институтами НИИОМШС, ДонУГИ и Южгипрошахт разработаны "Унифицированные типовые сечения горных выработок, закрепленных комбинированным арочным креплением из взаимозаменяемого шахтного профиля" в виде альбома вместе с прилагаемым к ним пособием "Технология проведения горных выработок с комбинированным креплением", содержащие конструктивные параметры выработок, основные технические решения по технологии и техническому обеспечению производства работ по возведению крепи.
Сечения горных выработок типизированы для металлических арок типа
КМП-А3 из спецпрофиля в соответствии с ТУ У 12.00185790.078-96 и извещением АП.01.2000 [2], обеспечивающих крепление всех сечений горных выработок, содержащихся в проекте [1].
Заполнение закрепного пространства гидравлическими твердеющими материалами производится за технологической зоной размещения горнопроходческого оборудования после исчерпания конструктивной податливости металлических арок (последовательная схема) или в забое выработки при частичном совмещении с операциями проходческого цикла (совмещенная схема)
При последующем тампонаже параметры комбинированной крепи определяются из условия обеспечения устойчивости выработок до его производства и дальнейшей ее работе с ограничением вертикальной податливости металлических арок до 150 мм. В качестве межрамного ограждения применены железобетонные затяжки с гидроизоляцией поверхности крепи слоем (до 20 мм) набрызгбетона, который так же обеспечивает защиту металла крепи от коррозии и в некоторой степени повышает продольную устойчивость крепи. Тампонажные цементно-песчаные растворы предусмотрены с расплывом по конусу АзНИИ не менее 0,18 м и класса по прочности на сжатие В5.
В совмещенной схеме применены тампонажные растворы и мелкозернистые бетоны повышенной жесткости с осадкой конуса 5-7 см, класса по прочности на сжатие В12,5 и В15 с изменением толщины оболочки закрепного твердеющего материала от 150 до 250 мм в зависимости от заданной грузонесущей способности крепи. Для межрамного ограждения применен гидроизолирующий рулонный материал, обеспечивающий совместную работу металлических арок с закрепным слоем твердеющего материала. Рулонированное гибкое межрамное ограждение работает как вантовая конструкция, оно обладает достаточной несущей способностью для обеспечения взаимодействия деформированной закрепной оболочки и металлических арок при работе комбинированной крепи в податливом режиме.
На участках зон геологических нарушений и при наличии неустойчивых, легко обрушающихся пород в кровле выработки при совмещенной схеме тампонажа для обеспечения безопасных условий в забое и нормального набора прочности твердеющим материалом применено укрепление породного массива опережающей анкерной крепью с патронированным неорганическим монозакрепителем ПМА по ТУ У 12.00174131.151-94 [3]. В качестве опережающей также возможно применение анкерной сталеполимерной крепи в соответствии с требованиями КД 12.01.01.501-98 [4].
Унифицированные типовые сечения горизонтальных и наклонных горных выработок с комбинированным креплением предназначены для применения при проектировании расположенных вне зоны влияния очистных работ околоствольных дворов, главных квершлагов, центральных уклонов и бремсбергов, панельных и участковых бремсбергов и уклонов, участковых штреков и квершлагов с глубиной их заложения до 1500 м в неустойчивых и очень неустойчивых породах III-IY категорий устойчивости по СНиП II-94-80.
Сопоставимые технико-экономические показатели строительства горных выработок с комбинированной арочной крепью и базовой арочной металлической крепью типа КМП-А3 с обычной забутовкой закрепного пространства для выработок среднего сечения в породах IY категории устойчивости, определенные на базе ресурсных элементных сметных норм на горнопроходческие работы [5] и текущих цен на трудовые и материально-технические ресурсы на 2003 г., приведены в таблице 1.
Рис. 1. – График развития трещиноватости во времени в зонах различного типа подготовительных выработок пласта h10; [7],