Вісник НАН України. 2014. №1. С. 74–79.
https://doi.org/10.15407/visn2014.01.074

БУЛАТ АНАТОЛІЙ ФЕДОРОВИЧ - академік НАН України,
академік-секретар Відділення механіки НАН України,
директор Інституту геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова 

ПЕРЕДОВІ ТЕХНОЛОГІЇ КРІПЛЕННЯ ГІРНИЧИХ ВИРОБОК ВУГІЛЬНИХ ШАХТ УКРАЇНИ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України
13 листопада 2013 року

Показано переваги технології опорно-анкерного кріплення гірничих виробок, розробленої в Інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України. Запропоновано концепцію керування стійкістю виробок за допомогою конструкції з породно-анкерних елементів з високим запасом міцності. Проведено апробування та масштабне впровадження нової технології на вугільних шахтах України.
Ключові слова: гірнича виробка, анкер, рамне кріплення, полімерний закріплювач.

Гірничі виробки вугільних шахт, на відміну від багатьох інших підземних споруд, є певною мірою унікальними. Передусім тому, що споруджуються вони у незрівнянно складніших геологічних умовах, на глибинах, що сягають 1500 м. Гірський тиск на таких глибинах величезний – до 40 МПа. Довжина виробок у межах однієї лише шахти в середньому дорівнює 70 км. Якщо врахувати, що в Україні працює 160 шахт, то загальна довжина виробок становить 11 тис. км. До того ж для забезпечення безперервності процесів видобутку вугілля постійно проводяться нові виробки – до 450 км за рік. У підсумку підземні гірничі виробки утворюють складну розгалужену мережу, яка постійно змінюється в часі та просторі і якою безперестанно переміщуються підземні машини і робітники, транспортуються гірські породи й вугілля, рухається повітря тощо. Ось чому такими важливими й необхідними є нові, передові технології, у тому числі й для кріплення гірничих виробок, питома вага яких становить від 30 до 40% загального обсягу робіт з видобутку вугілля і які здатні протистояти всім негативним чинникам, а найголовніше, гарантувати безпеку проведення гірничих робіт. Сьогодні вартість кріплення 1 погонного метра виробки коливається від 4 до 10 тис. грн. При цьому безповоротно втрачається 250–400 кг металу. У всіх вугледобувних країнах світу найбільшого поширення набула технологія кріплення виробок за допомогою металевого рамного кріплення. Для її реалізації застосовують спеціальні сталеві прокатні профілі, з яких практично вручну і споруджують кріплення. Профіль кріплення встановлюють через кожні 0,5–1,25 м перпендикулярно до осі виробки, яка в перерізі може мати або прямокутну, або аркову форму.Однак зі збільшенням глибини розробки зростає і гірський тиск на кріплення. Щоб протистояти силам гірського тиску, виробляли все потужніші і, відповідно, більш металомісткі номери профілів. Провідні фахівці створили прекрасні зразки кріплення, які до певного часу успішно вирішували всі проблеми щодо кріплення виробок. Піком успіху став 1976 рік, коли було досягнуто найвищого показника з видобутку вугілля – понад 200 млн т. Після цього почався спад, зумовлений численними негативними факторами, зокрема зниженням ефективності технології кріплення гірничих виробок. Найбільш тривожним і небезпечним було те, що, незважаючи навіть на все вищу вартість, традиційна технологія рамного кріплення в багатьох випадках уже не гарантувала необхідної надійності й безпеки гірничих робіт. Під дією гірського тиску деформувалися кріплення, руйнувалися гірничі виробки, що потребувало їх перекріплення. Відповідно, зростала собівартість вугілля. Такі самі проблеми були добре відомі й зарубіжним фахівцям, які також шукали вихід із цієї складної ситуації. Тому наприкінці 90-х років минулого століття у світовій гірничодобувній промисловості почали використовувати технологію анкерного кріплення гірничих виробок. Технологія анкерного кріплення принципово відрізнялася від традиційної, оскільки в її реалізації функції металевого кріплення виконували гірські породи самої виробки, підсилення яких здійснювали анкерами. Визнаним лідером у цьому напрямі була Велика Британія, гірничі виробки вугільних шахт якої вже в той час майже на 90% були закріплені анкерним кріпленням.

В Україні в 1996 р. Міністерство вугільної промисловості затвердило галузеву програму зі створення вітчизняної технології анкерного кріплення гірничих виробок, а її виконання було доручено Інституту геотехнічної механіки НАН України. Утім, задовго до початку виконання Програми Інститут уже мав у своєму доробку унікальні результати фундаментальних досліджень процесів руйнування гірських порід, які було спрямовано на оцінювання можливості використання енергії гірського масиву для створення принципово нових технологій [1–8]. Ми встановили невідомі раніше закономірності зміни механізмів позамежового деформування і руйнування гранично напружених гірських порід, які виявляються на контурі виробок під дією гірського тиску і різних керуючих впливів. Визначено найефективніші методи і засоби керування станом вуглепородного масиву, що дозволяють або активувати, або заблокувати процес руйнування. Встановлені закономірності було зареєстровано як наукові відкриття. До речі, в галузі геомеханіки це були перші фундаментальні наукові результати, що здобули такий статус. Диплом за № 337 видано Держкомітетом СРСР у справах винаходів і відкриттів у 1989 р. Отже, саме ці фундаментальні закономірності й було покладено в основу створення нових технологій, що ґрунтуються на використанні енергії гірського масиву, в тому числі й технології анкерного кріплення. У результаті вже через два роки було розроблено, випробувано й у встановленому порядку введено в дію нормативні документи Мінвуглепрому України, які регламентували умови застосування і вимоги до технології анкерного кріплення, її елементів та устаткування, технічних способів індикації безпечного стану виробок, проектування та спорудження виробок з анкерним кріпленням [9, 10]. Паралельно з проведенням наукових досліджень у м. Макіївка під патронатом фахівців Мінвуглепрому та за безпосередньої участі вчених ІГТМ НАН України було побудовано і в 1998 р. введено в експлуатацію завод з виготовлення анкерів і ампул з хімічним складом для закріплення анкерів у масиві. Завод «Карбо та кріплення» успішно працює й сьогодні. Водночас спільно з фахівцями Інституту чорної металургії НАН України було відпрацьовано і розроблено технічні умови для технології виробництва прокату для анкерних штанг.

Отже, за неповні два роки було створено необхідну наукову і виробничу базу для промислової реалізації технології анкерного кріплення. Це дало змогу вже в 1999 р. розпочати широкомасштабні промислові випробування британського варіанта цієї технології. В наступні роки її було впроваджено на 15 вугільних шахтах. Як приклад можна навести шахту «Павлоградська» об’єднання «ДТЕК Павлоградвугілля», на якій було повністю реалізовано британську технологію анкерного кріплення збірного штреку на ділянці завдовжки 750 м. Цю виробку підтримували в експлуатаційному стані понад 2,5 року без жодного ремонту. При цьому виробка, споруджена паралельно, але з традиційним рамним кріпленням, зазнала всіх характерних для шахт України бід: наднормативна втрата перерізу виробки, здимання ґрунту до 600 мм, що призвело до необхідності ще до пуску лави здійснити підривання ґрунту по всій довжині виробки і т.ін. Такі результати в Україні було отримано вперше, вони були новими, позитивними і значущими, але при цьому – типовими для зарубіжних шахт, які вже застосовували британську технологію кріплення виробок. Однак добре відомо, що геологія вугільних родовищ України значно відрізняється від інших вугільних родовищ світу і, на жаль, не в кращий бік. Тому британська технологія мала у нас досить обмежену сферу застосування. Потрібен був український варіант технології.Повний текст