» » Анализ способов повышения устойчивости горных выработок

Анализ способов повышения устойчивости горных выработок

07.08.2016

Обзор научных учреждений Украины и ведущих исследователей в области горного давления

Разработкой, апробированием и внедрением в производство эффективных технологических схем и способов разработки рудного сырья в Украине занимается ряд научно-исследовательских, проектно-конструкторских и высших учебных заведений. Выполнение фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ в Украине осуществляет Институт геотехнической механики имени Н.С. Полякова Национальной академии наук Украины (г. Днепропетровск), Научно-исследовательский горнорудный институт Государственного ВУЗа «Криворожский национальный университет» и Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт промышленной технологии» Министерства энергетики и угольной промышленности Украины (г. Желтые Воды). Кроме указанных НИИ подобные работы выполняют Государственный ВУЗ «Криворожский национальный университет» и Государственный ВУЗ «Национальный горный университет» (г. Днепропетровск) Министерства образования и науки Украины.
Этим вопросам посвящены работы А.Ф. Булата, А.Н. Зорина, В.В. Виноградова, Т.А. Паламарчук в Институте геотехнической механики им. Н.С. Полякова HAH Украины; М.М. Протодьяконова, А.Н. Динника, А.В. Савостьянова, С.Г. Борисенко, А.И. Зильбермана, В.И. Бондаренко, П.И. Пономаренко, Г.А. Симановича, Л.Н. Ширина, В.И. Бузило, И.А. Ковалевской, В.Я. Кириченко, Ю.М. Халимендика - в Государственном ВУЗ «Национальный горный университет»; Г.М. Малахова, Ю.П. Капленко, В.Ф. Лавриненко, Б.Н. Андреева, Е.И. Логачева, В.А. Калиниченко - в Государственном ВУЗ «Криворожский национальный университет»; А.Г. Каткова, И.С. Зицера, B.C. Нигматуллина, В.П. Волощенко, В.В. Цариковского, Г.К. Хижняка, А.П. Григорьева, В.Д. Запорожца, В.И. Никонца - в Научно-исследовательском горнорудном институте Государственного ВУЗ «Криворожский национальный университет»; Ю.И. Котика, В.И. Голика, В.И. Ляшенко - в Государственном предприятии «УкрНИПИИпромтехнологии» и многими другими.
Анализ отечественных разработок по способам повышения устойчивости горных выработок

Институт геотехнической механики имени Н.С. Полякова HAH Украины

ИГТМ им. Н.С. Полякова HAH Украины остается единственным в Украине академическим учреждением горного профиля, основным направлением деятельности которого является геомеханика и геотехника освоения и сохранения недр. В начале 90-х гг. XX столетия ученые А.Н. Зорин, Ю.М. Халимендик, В.Г. Колесников, в результате обобщения результатов фундаментальных исследований и открытий в различных аспектах горной науки сделали вывод, что на больших глубинах в приконтурной области выработки образуются кольцеобразные чередующиеся зоны разрушенных, сильно нарушенных и раздробленных пород. Явление зональной дезинтеграции горных пород вокруг выработок установлено по результатам электро- и радиометрических замеров, ультразвуковым просвечиванием и визуальными наблюдениями, которые подтвердили наличие нескольких последовательно расположенных друг за другом зон, характеризующихся различным напряженно-деформированным состоянием. При относительной нагрузке, равной (1,0-1,2)γН/Rcaic, в глубине массива возникает одна зона сильно раздробленных пород, а при повышенной нагрузке до (2,0-2,7)γН/Rсж - две зоны. Параметры этих зон зависят от показателей прочности, хрупкости и строения пород, величины относительного поля напряжений. Форма этих зон принята круглой без учета изменений разности между вертикальными и горизонтальными напряжениями на разных глубинах, что не позволяет определить их форму и другие параметры энергетического состояния.
В 2002 г. А.Ф. Булатом и В.В. Виноградовым в рамках программы «Анкер» проведены работы по исследованию опорного крепления анкерами высокой несущей способности с основами технологии проектирования, сооружения, приемки и мониторинга горных выработок. В результате установки системы анкеров с высокой несущей способностью по периметру выработки образуется опорно-анкерное перекрытие арочной формы, которое препятствует формированию приконтурной зоны самопроизвольного разрушения массива. Армированное анкерами перекрытие накрывают «искусственным высокопрочным монолитом» большую часть непосредственной кровли выработки, а используемый принцип поддержания это противодействие анкерной крепи разрушению массива.
В 2002 г. Т.А. Паламарчук разработала теоретические основы геофизического контроля и прогнозной диагностики состояния геомеханических систем с учетом их структурной неоднородности и синергетических процессов. На основе исследований геомеханических процессов в окрестности горных выработок обоснован механизм возникновения синергетических эффектов, которые происходят в результате воздействия горно-геологических и техногенных факторов как переход массива из одного квазистационарного равновесного состояния в другое. Геомеханические процессы, сопровождающие этот переход, носят волновой затухающий характер. Наиболее вероятное направление высвобождения внутренней энергии определялось с помощью фазового подхода, позволяющего по акустическим параметрам среды, ее плотности и изменению фазы упругих волн оценивать разность действующих в массиве компонент напряжений в соответствии с принципом противодействия.
В 2005 г. А.Ф. Булат и В.И. Дырда представили основы теории фракталов и ее приложение в геомеханике. При рассмотрении разных подходов к построению моделей разрушения, которые позволяют объяснить степенной закон распределения по размерам, мультифрактальность распределения трещин и других дефектов, получают качественно подобные результаты, отражающие связь фрактальности с автомодельностью. Установлено, что величина фрактальной размерности поверхности образующихся трещин служит критерием стадии разрушения. Она близка к трем при объемном образовании дефектов в начальной стадии разрушения и приближается к двум по мере образования микротрещин и окончательного разрушения твердого тела. Использование этой закономерности может служить основой для разработки диагностических критериев разрушения массива.
Начиная с 2004 г. Ю.М. Халимендиком выполнен значительный объем работ по исследованию состояния вмещающего массива пород и устойчивости горных выработок на примере шахт ПАО «ДТЭК». Одним из последних результатов был обоснован выбор параметров канатной анкерной крепи, в основу которого положен принцип своевременного закрепления вероятных зон нарушенных пород кровли к устойчивой части массива. Анализ вертикальных деформаций толщи породы из-за перемещающегося опорного давления указывает на наличие двух участков сжатий и растяжений. Максимальные деформации растяжения сосредоточены в интервале 1-2 м, сжатия - в интервале 8-10 м. Точка смены знака деформаций по всем сериям наблюдений зафиксирована на высоте 7 м. Границу между зонами растяжения и сжатия можно принять за нейтральную ось и считать ее благоприятной для закрепления канатных анкеров. Для оценки влияния очистных работ установлена зависимость ширины зоны техногенных трещин L от глубины ведения горных работ HL= 0,03//+1,8, м.
Государственное высшее учебное заведение «Национальный горный университет»

Государственный ВУЗ «НГУ» Министерства образования и науки Украины выполняет научные исследования по приоритетным направлениям развития науки и техники в Украине. С 1970 г. под руководством С.Г. Борисенко установлено, что способ поддержания налегающих пород не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние потолочин. Авторы объясняют это уравновешиванием повышающих (давление массива сухой закладки) и понижающих (поддержание пород висячего бока) факторов влияния на уровень напряженности потолочин. Установлено также, что применение технологии с обрушением налегающей толщи пород вслед за очистными работами приводит к снижению тангенциальных напряжений в потолочинах и висячем боку очистных камер в 1,5-2,0 раза. Полученные результаты отображают качественную картину процесса изменения напряженно-деформированного состояния, так как авторами приравнивались физико-механические свойства руд и вмещающих пород.
В 70-х гг. XX столетия исследователи А.И. Зильберман, Ю.Н. Бабец, В.И. Бондаренко, П.И. Пономаренко, Л.В. Новикова и другие выполняли комплексные исследования по совершенствованию технологии разработки марганцевых руд. Интерес представляют результаты исследований, связанные с креплением сопряжений штреков с лавами механизированных комплексов типа ОКП. Ограничивающим фактором является величина раздвижки секций крепи комплекса ОКП, при котором форма зон неупругих деформаций, формирующихся вокруг штреков, изменяется от эллиптической до трапециевидной. Это позволило разработать и применить патроны постоянного сопротивления, которые способны противодействовать нагружению за счет истекания парафина через отверстия диаметром 180-250 кН.
В 1989 г. В.И. Бондаренко теоретически установил и экспериментально подтвердил закономерности процессов формирования закрепленных зон плывунных пород вокруг горных выработок при электрохимическом, физико-химическом термохимическом воздействии на них в зависимости от состава, состояния пород и технологических режимов закрепления. Установлены зависимости изменения размеров защитного слоя от прочностных свойств закрепленных пород, характеристики процесса электрохимического закрепления пород в управляемом режиме и зон сдвижения пород надрудной толщи, которые противодействуют прорыву плывуна в подготовительную выработку.
В 1991 г. П.И. Пономаренко создал теоретические основы заложения капитальных выработок относительно марганцеворудного пласта с учетом структурно-механической неоднородности, а именно путем моделирование совместного деформирования бетонного крепления и глинистой породы, которое приводит к снижению сжимающих радиальных и тангенциальных напряжений во внутреннем породном контуре в 2-2,5 раза. Это позволило определить рациональные места заложения и размеры крепи - породной оболочки. Разработан метод расчета по определению передовой выработки по отношению к основной с формированием вокруг последней зоны неупругих деформаций. Также обоснованы и разработаны конструкции штрековых крепей, отличающиеся различной несущей способностью и режимами нагружения вне и в зоне влияния очистных работ. Разработана методика определения плотности установки крепи усиления на основе новых способов проведения, охраны и крепления горных выработок, разгружающих контур выработки компенсационными полостями по принципу противодействия нагрузок на крепь.
В 1992 году Г.А. Симанович установил закономерности влияния регулируемой деформационно-силовой характеристики на параметры состояния массива в окрестности горной выработки, и на этой основе созданы методы управления режимами взаимодействия системы «массив - крепь» по принципу противодействия. Сама же система в определенных горно-геологических условиях характеризуется тем, что часть объема породного массива в зоне упругих деформаций выводится из предельного равновесия достаточно малыми воздействиями и при потере устойчивости существенно изменяет величину и характер распределения нагрузки на крепь. В условиях устойчивого предельного состояния части объема пород в зоне неупругих деформаций образуется свод предельного равновесия, на размеры и форму которого оказывают значительное влияние величина и характер распределения реакции крепи по контуру выработки.
В 1994 г. Л.Н. Ширин на основе анализа трехмерного напряженного состояния массива горных пород очистной выработки и исследования совместного деформирования системы «взрываемый забой - механизированная пневматическая крепь - боковые породы» установил, что рациональные режимы взаимодействия крепи с нарушенными взрывом боковыми породами создают эластичные пневмосиловые модули, обеспечивающие щадящий контакт и сейсмовзрывоустойчивость конструкции. Получена аналитическая зависимость радиуса зон разрушенных пород в призабойной части очистной выработки от глубины разработки, угла падения рудного тела, шага установки и отпора пневматической крепи, которые работают по принципу противодействия.
В 1997 г. В.И. Бузило, опираясь на исследованные размеры областей предельного напряженного состояния пород, предложил рациональную схему проведения выработки-станции метро между двух тоннелей, закрепленных анкернопневматическим креплением. Определены параметры противодействия пневматического крепления (0,01-0,3 МПа) и участки выработок наибольшей загруженности для условий станций Киевского и Санкт-Петербургского метрополитенов. Разработана конструкция и параметры установки анкерно-пневматического крепления кровли и забоя выработки в слабых породах и техническая документация для создания агрегата АМШ с пневматическим креплением и опалубкой для различных сооружений.
В 2004 г. И.А. Ковалевская установила закономерности влияния пространственной неоднородности геометрических, механических и силовых параметров подсистемы «упрочненные породы - крепь» на ее напряженно-деформированное состояние. Алгоритм оптимизации режимов взаимодействия системы «массив -упрочненные породы - крепь» учитывает пространственный характер периодических изменений ее геометрических, механических и силовых параметров. Обоснованы параметры активного противодействия комбинированных крепей и твердеющих смесей, обеспечивающие их равнопрочность и максимально возможную пространственную адаптацию к характеру проявлений горного давления. Это снизило затраты на крепление и поддержание 1 м выработок на 30% и повысило безопасные условия труда.
В 2012 г. В.Я. Кириченко обосновал требования к параметрам рабочих характеристик арочных крепей, предельной несущей способности и ее рабочего сопротивления (противодействия), которое было повышено более чем в 2 раза. Необходимая конструктивная податливость определяется значениями допустимых смещений пород, обеспечивающих эксплуатационное состояние выработки. Установлено, что вслед за волнообразным изменением напряженного состояния пород в упругом режиме деформации на удалении порядка 0,5 длины лавы наблюдается явление образования перемещающихся нарушенных зон, сопровождающееся периодическим расщеплением и смыканием породной толщи на структурные блочно-слоистые элементы с выделением сжато-разуплотненных зон. С приближением к очистному забою протяженность этих зон снижается, а степень разрушения увеличивается. Устойчивость выработок достигается соответствующим усилением крепи за счет резервирования запаса прочности.
Государственное высшее учебное заведение «Криворожский национальный университет»

Исследователи университета выполняют научные работы по актуальным направлениям развития экономики Украины: усовершенствование технологии добычи руд подземным и открытым способами и др. Начиная с середины 50-х гг. XX столетия вопросами установления целесообразной последовательности отработки залежей в шахтных полях занимались Г.М. Малахов, В.Ф. Лавриненко, И.А. Кучерявенко и др. Авторами производился учет влияния выработанного пространства при создании новых технологических схем отработки запасов железных руд Криворожского бассейна, сосредоточенных в сближенных залежах. Однако решение узких задач по совершенствованию технологии очистных работ не позволило установить закономерности формирования полей напряжений как вокруг очистных, так выработанных пространств шахты. Применение камерных систем разработки рекомендовано при отсутствии обрушений (уравновешивании) пород висячего бока до земной поверхности. При наличии обрушения отработку залежей параллельного простирания следует осуществлять системами подэтажного обрушения руды и налегающих пород. При мощности промежуточных толщ менее 35 м очистные работы рекомендовано вести системами подэтажного обрушения с опережением по залежи параллельного простирания, равным половине высоты этажа.
Следующим этапом совершенствования технологии отработки рудных запасов является установление рациональной последовательности отработки залежей по простиранию пород в пределах отрабатываемого этажа, раскрытой в работах Г.М. Малахова, Г.Т. Фаустова, П.А. Абашина, И.И. Золотарева, Н.И. Старикова и др. Анализ результатов исследований показал, что первоочередную отработку залежей основного простирания следует производить на участках под породными перемычками со стороны висячего бока. Являясь естественными целиками, они снижают уровень напряженности пород прилегающих камер путем уравновешивания нагрузки и способствуют увеличению их размеров. Также наиболее приемлемым, с точки зрения геомеханики, является проведение горных работ от центра шахтного поля к его флангам, а по падению месторождения - от висячего бока к лежачему.
Проведенные Ю.П. Капленко в 1970-80 гг. исследования по управлению напряженным состоянием горных пород и параметрами отбойки, раскрыли тесную взаимосвязь между динамическими напряжениями взрывной волны, и статическими, действующими в массиве на момент взрыва. Сопутствующее взрыву обрушение массива, выше линии расположения скважин, исследовалось при отбойке руды на шахте «Им. Кирова», которые показали снижение удельного расхода взрывчатых веществ до 70 г/т при отбойке массива руды горизонтальными слоями. Вертикальное расположение скважин на шахте «Октябрьская» также сопровождалось снижением сопротивления отрыву, которое происходило за счет содействия горного давления отбиваемым слоям руды.
Детальные исследования напряженно-деформированного состояния массива вмещающих пород и влияние его на конструктивные элементы камерных систем разработки с середины 70-х гг. XX столетия проводились В.Ф. Лавриненко и В.И. Лысак. Изучено изменение параметров, характеризующих напряженность массива в зоне разгрузки, окружающей очистные камеры с увеличением глубины горных работ. Разработанная методика по определению параметров конструктивных элементов камерных систем разработки учитывает основные и дополнительные напряжения, возникающие в породах вокруг очистных камер, которые уравновешиваются в массиве руды междукамерных целиков и потолочин. Влияние очистного пространства рассматривалось как основное напряжение, создаваемое весом подработанных пород, а выработанного пространства - как дополнительное напряжение от веса обрушенных пород. Результаты исследований позволяют определить эффективную глубину применения камерных систем разработки и рациональные параметры конструктивных элементов при отработке крутопадающих залежей.
В 2006 г. Б.Н. Андреев выполнил обоснование технологии и параметров взрывной отбойки при подземной добыче руд в условиях техногенеза недр. Определены технологические параметры отбойки слоев руды скважинными зарядами, соответствующие оптимальным значениям требуемого уровня их насыщения энергией взрыва. При этом установлено, что минимизация затрат энергии взрыва обеспечивается при их толщине, составляющей 35-38% глубины зоны разгрузки в приконтурном массиве очистной камеры. С учетом этого разработана методика расчета параметров буровзрывных работ, основанная на дискретизации энергетического поля взрыва и позволяющая устанавливать оптимальный уровень затрат энергии взрыва на отбойку каждого слоя руды. Используемый принцип содействия обеспечивает снижение расхода взрывчатого вещества и объемов глубокого бурения до 25%. Автором изучался вопрос прикладного использования зон разгрузки и концентрации напряжений, формирующихся вокруг различных горных выработок (открытых, комбинированных, подземных) и разных техногенных образований (отвалы, карьеры, отстойники) без изучения физики формирования и параметров этих зон.
В 2006 г. Е.И Логачев разработал технологию подземной отработки залежей сопутствующего минерального сырья в условиях сближенного залегания с железными рудами Криворожского бассейна. Доказано, что для обеспечения плановых потерь руды в блоке необходимо формировать дополнительные выпускные выработки, подсекающие плоскость лежачего бока и удаленные друг от друга по падению на 5-7 м в зависимости от физико-механических свойств обрушенной руды, высоты столба сыпучей среды над ними и угла падения залежи. Разработаны конструкции систем разработки, позволяющие вести отработку залежей сопутствующего минерального сырья в условиях локализации смещения вышележащих горных пород в проектных границах зон сдвижения и обрушения, сформированных при извлечении запасов железных руд. Автор изучал вопрос возможности отработки тальковых сланцев в разгруженных областях массива, примыкающих к очистным и выработанным пространствам без исследования параметров зон различного уровня напряженности и деформирования горных пород.
В 2008 г. В.А. Калиниченко разработал единый концептуальный подход, основанный на принципах обоснования параметров выпуска обрушенной руды на контакте с массивами пустых пород и твердеющей закладки. Установлено, что при куполообразной кровле «пионер-камер» лежачего бока область распространения и абсолютная величина растягивающих напряжений в потолочине уменьшается с увеличением кривизны купола и увеличением угла наклона плоскости потолочины. При формировании криволинейной боковой поверхности искусственного массива закладки наблюдается снижение величины растягивающих напряжений или их полное отсутствие по принципу уравновешивания напряжений с формой обнажения. Технология выпуска отбитой руды на контакте с уплотненными взрывом пустыми породами и одновременным взрывным формированием бокового контакта «руда-порода» в форме, приближенной к форме образующей эллипсоид выпуска отбитой руды, обеспечивает улучшение качества добываемой руды на 0,9%. Автором определены следственные причины, формирующие эллипсоидные фигуры фигур выпуска руды, потолочин и искусственных целиков, а первопричина этих форм, вызванная параметрами зонального структурирования массива вокруг камер, остается неисследованной.
Научно-исследовательский горнорудный институт Государственного высшего учебного заведения «Криворожский национальный университет»

Научно-исследовательский горнорудный институт Государственного ВУЗа «КНУ» с 1993 г. является главным по добыче всех видов горнорудного сырья в Украине. Условия залегания рудных тел на глубине более 1000 м, характеризующиеся уникальным разнообразием физико-механических свойств руд и вмещающих пород, обусловили проявление всех форм горного давления. Под руководством А.Г. Каткова в 1984 г. велись исследования в двух направлениях - применение новых видов крепи и совершенствование схем подготовки блоков. Ежегодно на шахтах юга Кривбасса выводилось из строя до 900 тыс. т подготовленных к отработке запасов. Для вовлечения их в очистные работы требовалось перекреплять 3,0-4,0 тыс. м или вновь проходить порядка 2,0-3,0 тыс. м подэтажных выработок. Развитие заколообразования во времени увеличило опасность травматизма. Возникла необходимость приближения крепей к забою выработок на расстоянии менее 3 м после взрыва и порядка 1,0-1,5 м до взрыва. В свою очередь это привело к возрастанию динамических нагрузок взрыва на крепи и снижению сроков их службы.
Выполненный прогноз И.С. Зицером, Е.П. Чистяковым, В.Т. Бескровным и А.Д. Беланом в 1986 г. показал бесперспективность широкого применения рамных металлических податливых крепей. Альтернативой были предложены крепи упрочняющего типа анкерные, армирующие и вовлекающие в работу приконтурный массив, противодействуя его разрушению. Высокий уровень напряженного состояния ненарушенного массива на глубинах 1000-1500 м не исключает проявления смещений породного контура, закрепленного анкерной крепью, и развития заколообразования во времени. После затухания смещений в долгосрочных выработках наносился набрызг-бетон. При этом средние скорости проведения выработок на ЧАО «ЗЖРК» превышают 100 м в месяц с применением современного самоходного оборудования, отставание крепи от забоя достигает 10 м - установка анкеров, до 20-40 м - навеска сетки и набрызг-бетон. При этом места заложения и виды крепления этажных и подэтажных выработок применялись без учета влияния очистного пространства камер, что приводит к их перекреплению и к проведения новых - обгонных выработок.
Начиная с первого этапа исследований и освоения технологии отработки Южно-Белозерского месторождения, которые были начаты еще в 60-е годы прошлого столетия В.К. Шендриком, когда параметры камер были увеличены с 15 до 30 м по ширине, с 40 до 100-140 м по высоте при 60 м длины. Сегодня отработка месторождения осуществляется сдвоенными этажами высотой более 100 м, что позволило снизить объем работ по подготовке днищ камер в 2,5 раза и в 2 раза снизить количество ортов-заездов. С увеличением глубины работ до 940 м, начиная с 80-х годов прошлого столетия, исследования B.C. Нигматуллина были направлены на корректировку методов расчета параметров камер и размеров зон их влияния по принципу уравновешивания. При этом учет зон влияния очистного пространства камер на параметры крепления подготовительных и нарезных выработок, а также буровзрывные работы в первичных и вторичных очистных камерах не производился.
Принятые по аналогии с традиционными технологиями отработки месторождений системами с обрушением налегающих пород методы экстраполяции зависимостей расчетных параметров с увеличением глубины работ на практике отработки Южно-Белозерского месторождения с закладкой выработанного пространства не подтвердились. В процессе формирования ее как горного массива выделяются стадии набора прочности и изменения деформационных характеристик. На основе шахтных исследований в 2000 - 2006 годах в методику расчета параметров зон неупругих деформаций и влияния камер были внесены дополнения, которые позволили принимать более устойчивые и уравновешенные геометрические параметры камер до горизонта 940 м. Благодаря разработкам В.П. Волощенко В.К. Шендрика, A.Н. Малого, Е.П. Чистякова, В.М Статкевича, Л.Г. Настобурко, Г.Д. Корнева технологии успешно достигли рентабельности порядка 30%. Предложенная форма очистных камер, которые проектировались для вибровыпуска руды, не нашло применения ниже горизонта 840 м в связи с масштабным использованием самоходной погрузочной техники и проблемами, связанными с поддержанием нарезных выработок в высоких наклонных днищах.
Применительно к камерным системам разработки в начале 90-х годов прошлого столетия на основании лабораторных и промышленных исследований, проведенных В.В. Цариковским, В.В. Саковичем, П.П. Кишкиным, М.А. Коваленко, была установлена взаимосвязь радиуса кривизны и предельного пролета обнажения сводообразных потолочин по принципу устранения. Для повышения устойчивости наклонных и горизонтальных рудных обнажений разработаны сводообразные и шатровые формы потолочин, располагающихся горизонтально и наклонно. Выбор рациональной формы потолочины производится инженерно-техническими работниками шахт, опираясь на производственный опыт. Однако отсутствие критерия оптимальности для широкого спектра разработанных форм потолочин является основной причиной снижения устойчивости обнажений при наличии достаточного объема технологических схем ведения очистных работ.
Выполнены исследования Г.К. Хижняком, В.К. Плехановым, Н.М. Сенниковым по изысканию резервов сокращения объемов и стоимости горно-капитальных работ при вскрытии и разработке новых горизонтов шахт Кривбасса. Предложена технология отработки ранее законсервированных запасов руды в лежачем боку залежи «Пужмерки-Магнетитовая» на шахте «Им. Ленина». Продолжались работы по контролю за самообрушением налегающих пород, уравновешиванием устойчивости обнажений и локализацией выработанного пространства в увязке с горными работами на шахте «Им. Орджоникидзе» реализованные B.В. Цариковским, А.П. Григорьевым, Е.П. Яценко, В.В. Саковичем и В.Д. Запорожцем. Выбор траекторий заложения и способов крепления подготовительных выработок, а также определение параметров конструктивных элементов камерных систем разработки осуществлялись без учета интенсивного влияния выработанного пространства шахт и способствовали снижению безопасности горных работ, повышению себестоимости добычи руды и снижению темпов отработки запасов в охранном целике на шахте «Им. Ленина».
В 1992-1993 гг. исследователи А.П. Григорьев, Е.И. Яценко, Н.Г. Григорец, В.В. Цариковский и В.В. Сакович разработали технологию совместной добычи различных типов железных руд и нерудного сырья подземным способом, обеспечивающую снижение удельных затрат на вскрытие, подготовку и отработку запасов. В процессе решения поставленной задачи было установлено, что на шахте «Гвардейская» и шахтах РУ «Им. Кирова» резерв подъемных возможностей достигает 2 млн т/год. В этой связи с целью снижения удельных затрат на подготовку запасов горизонтов и реализацию указанных резервов было рекомендовано наряду с добычей богатых руд приступить к подготовке производств к добыче 4,0-4,3 млн т бедных железных руд и амфиболитов на шахте «Гвардейская» и 6,5-7,0 млн т бедных железных руд и гранитов на шахтах РУ «Им. Кирова». Отсутствие учета трещиноватости в массиве не позволило внедрить данную технологию, что в свою очередь было учтено при создании технологии разработки джеспилитов, которые являются разновидностью железистых кварцитов.
В 1998 г. была выполнена работа применительно к горно-геологическим условиям шахты «Новая» совместного предприятия «ВостГОК-Ашурст» (ныне ООО «Восток-Руда», г. Желтые Воды), целью которой было разработать технологию подземной добычи железных руд с учетом опыта шахт Кривбасса. В процессе проведения исследований было выполнено геомеханическое (В.В. Цариковский, В.В. Сакович) и технологическое (А.П. Григорьев, Е.И. Яценко, С.Д. Мячин) обоснование крупномасштабной технологии добычи железистых кварцитов. Впервые для условий шахты «Новая» были рекомендованы очистные камеры высотой 200 м и объемом 280-300 тыс. м3, а также фронтально-бесцеликовая технология отработки запасов. Учитывая отсутствие опыта добычи руд крупномасштабными технологиями у инженерно-технических работников шахты, в работе предусмотрены меры контроля за состоянием выработанных пространств, В.Д. Запорожцем и А.Ф. Мигуль предложены способы их локализации. Ввиду снижения спроса на бедные железные руды разработанные технологические решения не нашли широкого применения на практике.
Для решения задачи повышения качества марганцевой руды в Украине была разработана и испытана на шахте № 8 бесцеликовая селективная технология отработки с оставлением породы в выработанном пространстве. Новая технология бесцеликовой отработки участков пласта мощностью 0,75-1,4 м полосами со складированием породы в выработанном пространстве предназначена для отработки запасов охранных целиков и под населенными пунктами. В.И. Никонцом, А.Н. Запольским, А.Н. Ивденко разработана металлическая инвентарная крепь, технология и средства бесшпурового возведения анкерной крепи в подготовительных выработках забивного типа и механизмы для ее возведения.
Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт промышленной технологии»

Государственное предприятие «Украинский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт промышленной технологии» Министерства энергетики и угольной промышленности Украины (УкрНИПИИпромтехнологии, г. Желтые Воды) был создан для научного и проектно-изыскательского сопровождения объектов атомной промышленности. Институт осуществляет деятельность по следующим направлениям: комплексные изыскания и проектирование объектов атомной промышленности, предприятий по добыче и переработке золота, редкоземельных металлов и других полезных ископаемых.
Практикой отработки урановых месторождений, локализованных в скальных массивах, авторами В.И. Голиком и В.И. Ляшенко в 1992-2004 гг. показано, что устойчивость массива обеспечивается при условии достаточной механической прочности нижнего ряда заклинивающихся структурных блоков, пригруженного массивом пород в пределах свода естественного равновесия. В последующем определено, что сохранение земной поверхности от разрушения обеспечивается уравновешиванием уровня напряжений в разнопрочных участках, взаимной увязкой выемки руды во времени, пространстве и степени ее подготовленности к добыче и на этой основе предложены новые природоохранные и ресурсосберегающие технологии и технические средства, которые дали положительные результаты при подземной разработке урановых месторождений России, Казахстана и Украины.
Авторами разработана шкала оценки состояния горных массивов по параметрам устойчивости обнажений и вероятности их деформаций в зависимости от изменения интенсивности акустической эмиссии при взрывном нагружении массива, его напряженно-деформированного состояния и уровня звукоактивности пород, которая позволяет провести оценку устойчивости обнажений отработанных камер при различных условиях их формирования и сроков образования пустот. Состояние устойчивости горных массивов, имеющих интенсивность акустической эмиссии, оценивается как стабильно устойчивое - до 9, устойчивое -9-13; нестабильно устойчивое - 13-17; неустойчивое (критическое) - 17-32 и обрушение - более 32 имп./мин. Установление зависимости между природными и технологическими факторами позволяет уточнить нормативы вскрытых, подготовленных и готовых к отработке запасов руд по геомеханическим процессам на основе математических и графоаналитических методов с достижением экономической эффективности за счет повышения оперативности и надежности управления горными работами. Для урановых месторождений Украины величина коэффициента опережения запасов руды, подготовленных и относительно готовых к отработке, находится в пределах 4,0-5,7 и зависит от порядка подготовки, нарезки и отработки рудных тел, состояния искусственных массивов и содержания полезного компонента в руде.
Для оценки напряженного состояния массива автором применялись комплексные методы исследования, включающие анализ с использованием основ теории упругости и пластичности, натурные наблюдения в шахтных условиях за влиянием пустот отработанных камер на устойчивость горного массива и обнажений в блоках, которые широко практикуются в Украине и за рубежом. Натурные наблюдения в шахтных условиях включали визуальную оценку состояния обнажений камер, замеры интенсивности акустической эмиссии, оценку напряженно-деформированного состояния горного массива по результатам сейсмоакустического мониторинга и профилирования, сейсмометрических замеров. Обнаженные пролеты устойчивы, когда на один метр наблюдательной скважины приходится не более трех трещин, причем средний прирост суммарной мощности составляет не более 4 мм/м. При этом в кровле выработки бурят не менее трех скважин глубиной 3-12 м из расчета 100 м2 обнажения на одну скважину. Для сильнотрещиноватых горных массивов приходится не менее 20 м2 обнажения на 1 м скважины, средней трещиноватости - 30 м2 и слабой трещиноватости - 50 м2. Функциональная взаимосвязь между величиной напряжений массива и количеством упругих импульсов разрушения в минуту, характеризующая его структурные и прочностные свойства, которые описываются степенной зависимостью вида у = ахв, позволяет с вероятностью 0,8 контролировать устойчивые параметры обнажений, которые соответствуют значения в пределах 0-13, переходные - 13-17, неустойчивые - более 17 имп./мин. Также установлены особенности проявления горного давления в скальных массивах сложного строения, обусловленные интенсивностью разрывных структур (акустическая жесткость от 0,11 до 0,18 МПа/с, коэффициент удароопасности - 0,98). Определены условия проявления остаточной несущей способности нарушенных пород и перевода геоматериалов в режим объемного сжатия (в зоне нарушенных пород коэффициент ослабления снижается до 0,04-0,15 с первоначальной величины 0,25-0,35). В таких условиях горизонтальные напряжения в массиве до 5 раз могут превышать вертикальные, что подтверждает интенсивную тектонику месторождений.
Устойчивость выработок в неоднородных скальных породах прочностью 50-150 МПа на глубинах до 600 м зависит от положения выработок относительно элементов структурной нарушенности и возможности создания надежных конструкций. Использование при погашении выработанного пространства несущих конструкций из отдельностей пород размерами более 0,2 м и механической прочностью более 50 МПа позволяет обнажать кровлю без обрушения при пролетах обнажений до 50 м. Помимо положения очистной выработки относительно доминирующей трещиноватости (кливажа) одним из факторов, которые влияют на устойчивость как конструктивных элементов, так и отбиваемых слоев руды, является напряженно-деформированное состояние. Детальные исследования с помощью теоретических, лабораторных и промышленных исследований выполнено Д.В. Мальцевым. Установлено, что с развитием очистных работ, от центра камер к их границам по простиранию залежи, линия наименьшего сопротивления зарядов изменяется по степенной зависимости и достигает своего экстремума у границ камеры, что позволяет уменьшить затраты на ведение очистных работ до 20%. С изменением глубины заложения буровых выработок и увеличением расстояния от геометрического центра очистных камер к их границам расстояние между эксплуатационными скважинами в веерах изменяется по логарифмической зависимости и достигает максимальных значений у центра камер. Учет этих закономерностей обеспечивает снижение затрат на буровзрывные работы до 15%.
Анализ принципов управления массивом, нарушенным выработками

В результате выполнения анализа отечественных разработок по способам поддержания выработок, как прикладной компоненты предмета исследования, установлено, что современные научные и, соответственно, производственные представления, на которых базируется большинство украинских технологий крепления и поддержания горных выработок, основываются на двух основных принципах (табл. 1.5). Первый - противодействие крепей разрушению вмещающего массива за счет изменения их видов, параметров установки и условий эксплуатации, с обеспечением при этом эффективного отпора крепежной системы (17 научных разработок - составляет 53%). Второй - уравновешивание устойчивости массива с параметрами горных выработок путем изменения их размеров и/или формы, с достижением максимальной устойчивости контуров обнажений (13 разработок - 38%). Если принцип противодействия в основном используется для подержания подготовительных выработок, то принцип уравновешивания - для повышения устойчивости очистных камер. Оба принципа не позволяют использовать энергию горного давления, а только обеспечивают снижение затрат на крепление и поддержание за счет оптимизации технологических параметров.
Анализ способов повышения устойчивости горных выработок

Выполненный анализ позволил также выявить 2 новых принципа, позволяющих использовать энергию горного давления. Это принцип содействия, заложенный Ю.П. Капленко и Б.Н. Андреевым в технологиях отбойки слоев руды, которые находятся в областях интенсивного деформирования или зонах разгрузки напряжений, а также принцип устранения, используемый B.C. Нигматуллиным в порядке нахождения рациональных мест заложения подготовительных выработок относительно очистных камер. Под принципом содействия понимается использование энергии горного давления, которая за счет выполняемой работы по разупрочнению массива содействует технологии разрушения горных пород при производстве подготовительных и очистных работ, и приводит к экономии энергии взрыва во время отбойки. Под принципом перенесения понимается нахождение места заложения подготовительных или очистных выработок относительно выработанного или очистного пространства с пониженным потенциалом горного давления, что приводит к снижению металлоемкости крепей и увеличению размеров очистных камер.