Геомеханічні основи управління зоною зруйнованих порід навколо виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах

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 контура 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 контура 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 контура 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 контура 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