Анотація до роботи:

Касьян М.М. Геомеханічні основи управління зоною зруйнованих порід навколо виробок для забезпечення їх стійкості на великих глибинах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02 – підземна розробка родовищ корисних копалин. – Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2002.

Дисертація присвячена проблемі підвищення стійкості гірничих виробок в умовах утворення зони зруйнованих порід. У роботі розвинутий напрямок гірничої геомеханіки, заснований на управлінні геомеханічними процесами всередині зони зруйнованих порід за рахунок використання нового підходу до застосування технічних способів та засобів, забезпечуючих зростання вантажонесучої здібності зруйнованих порід навколо підтримуючих виробок. Виявлено нові закономірності деформаційних процесів всередині зони зруйнованих порід при переміщенні фронта руйнування в глибину масива. Установлені особливості та закономірності поведінки порід всередині ЗЗП в процесі її формування і розвитку дозволили розробити нові способи охорони виробок засновані на підвищенні несучої спроможності зруйнованих порід навколо підтримуючих виробок. Шахтні випробування розроблених способів показали, що їх застосування дозволяє зменшити зміщення порідного контуру виробок в 1,8 раза, а швидкості зміщення з 2–5 мм/добу до 0–0,1 мм/добу.

В дисертації дано теоретичне узагальнення і запропоновано нове рішення актуальної наукової проблеми, що полягає в розробці геомеханічних основ управління станом зруйнованих порід навколо виробок на базі вперше встановлених закономірностей деформаційних процесів, що відбуваються всередині зони зруйнованих порід під дією рухливого фронту руйнування, які визначають характер взаємодії породного масиву з кріпленням виробок. Це дозволило обґрунтувати і розробити ряд нових, технологічних і маловитратних способів охорони виробок, заснованих на нетрадиційному використанні ін’єкційного укріплення порід і анкерних систем.

1. Розроблено новий метод обробки і подання результатів натурних спостережень по глибинних станціях за зміщенням порід навколо виробок, який відрізняється тим, що зміщення реперів розглядається як дискретний процес і їхня величина визначається за періоди між попереднім і поточним замірами по всьому ланцюгу установки. Це дозволяє простежити динаміку деформування порід всередині ЗЗП в період її формування.

2. Вперше експериментально встановлені особливості механізму формування ЗЗП навколо виробок, що полягають в утворенні і переміщенні від фронту руйнування порід до контура виробок хвиль знакозмінних деформацій зруйнованого масиву, які зумовлюють характер його взаємодії з кріпленням.

3. Вперше встановлено ефект фокусування тиску на кріплення в процесі передачі навантаження від фронту руйнування порід до контура виробки. При цьому величина коефіцієнта передачі навантаження залежить від розміру ЗЗП, величини її породних фрагментів і рівня навантаження на її зовнішньому кордоні. Зміна співвідношення радіусу зони до радіусу виробки від 1 до 2 призводить до збільшення коефіцієнта передачі навантаження до 2-2,5. Найбільше його значення спостерігається при відношенні розміру породних фрагментів до радіусу виробки 0,2-0,4. При подальшому збільшенні означених співвідношень коефіцієнт передачі навантаження зменшується.

4. Розроблено аналітико-експериментальний метод визначення розмірів ЗЗП за часом, що базується на положеннях механіки крихкого руйнування з використанням принципу лінійного накопичування пошкодженності, що відрізняється покроковим рішенням задачі з урахуванням впливу коефіцієнта структурного послаблення міцності порід в масиві на параметри функції суцільності. Отримана залежність величини ЗЗП від гірничогеологічних чинників і часу підтримання виробки, що дозволяє на стадії проектування або поточного планування прогнозувати стан виробки і приймати адекватні технічні рішення.

5. З урахуванням встановлених особливостей і закономірностей деформаційних процесів в ЗЗП була розроблена нова концепція забезпечення стійкості виробок за рахунок підвищення вантажонесучої спроможності зруйнованих порід, основні положення якої зводяться до наступного:

вміщуючий виробку масив відразу після його оголення необхідно включати в роботу системи кріплення-навколишні породи за рахунок використання додаткових технологічних та технічних засобів;

підвищений опір навколишнім породам, що зміщуються необхідно забезпечувати не тільки шляхом збільшення щільності кріплення, а і за рахунок застосування додаткових технічних засобів, що мають малу матеріалоємність і високі силові характеристики (податливі анкери, кріплення підсилення та ін.). При цьому додаткове підвищення опору створюється на дільницях з найбільшим проявом гірничого тиску;

для створення вантажонесучої оболонки навколо виробки із зруйнованих порід та анкерів, останні необхідно розташовувати не в радіальному напрямку, а просторово, що забезпечує зв’язок між окремими фрагментами зруйнованих порід по всіх напрямках (радіальному, тангенціальному і вздовж осі виробки) і створює максимальні перешкоди їхньому зміщенню в порожнину виробки;

для підвищення стійкості виробок в умовах утворення навколо них ЗЗП необхідно в повній мірі використовувати природну здатність зруйнованих порід набувати несучу спроможність за рахунок штучного створення умов для самозаклинювання порідних фрагментів.

6. Шахтні іспити способу підвищення опору масиву на контурі виробки із застосуванням податливого анкерного кріплення показали, що зміщення порід зменшилися в 1,8 рази. Економічна ефективність на 1 м виробки склала 114,6 крб. (в цінах 1988 р.).

7. Використання і впровадження способу локального укріплення порід на шахті STARIC 2 (Чехія) дозволило зменшити швидкість зміщення порід з 2-5 мм/добу до 0-0,1 мм/добу при зменшенні витрат зв’язуючого матеріалу в 3-4 рази і забезпечити тривкий стан виробки.

8. Шахтні випробування способу нагнітання розчину, що зміцнює з використанням процесу вакуумування показали, що при цьому поряд зі створенням спрямованого фільтраційного потоку забезпечується збільшення об’єму заповнення порожнини зруйнованого породного масиву в 1,9 рази.

Основні наукові положення і прикладні результати роботи опубліковані в наступних періодичних виданнях:

1. Касьян Н.Н., Петренко Ю.А., Клюев А.П. Об учете структурного ослабления породного массива вокруг выработки при решении реологических задач// Монография «Геотехнология на рубеже XXI века» – Донецк: ДонНТУ, 2001. – Том 1. – С. 74–81.

2. Перспективы и основные направления совершенствования технологии применения анкерных систем для обеспечения устойчивости выработок глубоких шахт / Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, А.И. Москаленко, Р.Н. Кравчук // Изв. Донецкого горного института. – Донецк: ДонНТУ. – №1, 2001. – С.53–54.

3. Касьян Н.Н., Дрипан П.С. Совершенствование способов закрепления анкерных систем для поддержания горных выработок // Изв. Донецкого горного института. – Донецк: ДонНТУ. – №1, 1999. – С.91–93.

4. О применении анкерных крепей и систем для поддержания выработок глубоких шахт / М.П. Зборщик, А.П. Клюев, Н.Н.Касьян, П.С.Дрипан //Уголь Украины. – 1999. – №10. – С. 24–27.

5. Касьян Н.Н. Геомеханические аспекты управления разрушенными породами в окрестности поддерживаемых выработок: Сборник научных трудов.– Алчевск.– 1999.– С.96-99.

6. Касьян Н.Н. Оценка влияния различных факторов на величину зоны разрушенных пород вокруг выработок // Известия Донецкого горного института.– 1997.– №1(5).– С.63–67.

7. Касьян Н.Н. Повышение эффективности применения анкерной крепи для поддержания выработок глубоких шахт //Известия Донецкого горного института.– 1996.– №2(4).– С.53–55.

8. Касьян Н.Н., Клюев А.П., Лысенко В.И. Влияние анкерной крепи на геомеханические процессы в массиве пород вокруг поддерживаемых выработок //Известия Донецкого горного института. – 1996.– №1(3).– С.57–60.

9. М.П.Зборщик, Н.Н.Касьян, А.П.Клюев, Р.И.Азаматов. Геомеханические процессы в зоне разрушенных пород в окрестности поддерживаемых выработок // Уголь Украины. – 1996.– №4.– С.7–9.

10. Касьян Н.Н., Костоманов А.И., Мороз О.К. Механизм пучения почвы горных выработок в условиях хрупкого разрушения пород // Известия вузов. Горный журнал. – 1996.– №1.– С.4–9.

11. Бондаренко Ю.В., Касьян Н.Н., Худолей О.Г. Эффект фокусирования напряжений при нагружении сыпучей среды в замкнутом объеме // Известия Донецкого горного института. – 1995.– №1.– С.28–30.

12. Опытно-промышленные испытания способа определения проницаемости массива горных пород / Н.Н. Касьян, О.Г. Худолей, В.И. Лысенко, Р.И. Азаматов //Глюкауф. – 1995.– №5/6.– С.43–44.

13. Определение критериев подобия при моделировании распространения скрепляющих растворов в горном массиве / Н.Н. Касьян, И.С. Костюк, Ю.В. Фомин, О.Г. Худолей // Физика и техника высоких давлений. – 1995.– №1.– С.71-73.

14. Касьян Н.Н., Худолей О.Г., Лысенко В.И. Шахтные испытания нового способа упрочнения горного массива //Уголь Украины.– 1995.– №2.– С.15-18.

15. Способ охраны полевых наклонных выработок глубоких шахт /Д.В.Дорохов, Н.Н. Касьян, О.Г. Худолей, О.Н. Русаков // Известия вузов. Горный журнал. – 1994. – №3. – С.63-66.

16. Опыт применения податливых анкеров в сочетании с арочной крепью / К.Ф. Сапицкий, Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, В.И. Лысенко // Уголь Украины.– 1991. – №2.– С.5-6.

17. Касьян Н.Н., Клюев А.П., Сивохин В.И. Системная установка анкерно-рамной крепи в подготовительных выработках // Известия вузов. Горный журнал. – 1991.– №3.– С.50-54.

18. Касьян Н.Н., Клюев А.П., Сивохин В.И. Применение анкерно-рамной крепи в выработках, поддерживаемых в зоне влияния очистных работ //Разработка месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – 1991. – №90. – С.56-60.

19. Технологические схемы поэтапного поддержания капитальных горных выработок на основе разгрузки породного массива от повышенных напряжений. РД.12.18.096–90. – Минуглепром СССР. – Донецк–Харьков: ВНИИОМШС, 1991. – С.58-65 /К.В. Кошелев, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, В.И. Полтавец, О.К. Кошелев, В.В. Тарасьев, Н.В. Игнатович, И.Г. Косков, В.П. Друцко, Б.В. Алферов, А.Ю. Шевцов, Ю.С. Шаповал, И.И. Бурма.

20. Касьян Н.Н., Костоманов А.И. Способ определения масштаба времени при моделировании процессов разрушения //Разраб. месторождений полезн. ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – 1985.– №72.– С.62-64.

Додаткові публікації

21. Касьян Н.Н. Метод оценки характера деформационных процессов в массиве пород вокруг выработки// Известия Донецкого горного института. – 1997.– №1(5).– С.93–96.

22. Схема работы анкерной податливой крепи/ Н.Н.Касьян, А.П.Клюев, О.Г.Худолей, В.И.Лысенко// Известия Донецкого горного института.– 1996.– №1(3).– С.26–29.

23. Бондаренко Ю.В., Касьян Н.Н, Худолей О.Г. Аналитическая интерпретация эффекта фокусирования давления в сыпучей среде при ее нагружении в замкнутом объеме // Известия вузов. Горный журнал. – 1996.– №1.– С.9–11.

24. Деклараційний патент України № 35169А Е21 Д13/02 Спосіб кріплення гірничої виробки. М.П. Зборщик, М.М. Касьян, А.П. Клюєв, Р.І. Азаматов. Опуб. 15.03.2001, бюл. №2.

25. Деклараційний патент України № 38093А Е21 Д13/02 Спосіб охорони виробки. М.П. Зборщик, А.П. Клюєв, М.М. Касьян, І.А. Скідан. Опуб. 15.05.2001, бюл. №4.

26. Деклараційний патент України № 38094А Е21 Д13/02 Спосіб підвищення стійкості гірничих виробок. М.М. Касьян, А.П. Клюєв, Р.І. Азаматов. Опуб. 15.05.2001, бюл. №4.

27. Деклараційний патент України № 38226А Е21 Д13/02 Спосіб зміцнювання гірничого масиву. М.М. Касьян, А.П. Клюєв, О.Г. Худолей, Р.І. Азаматов. Опуб. 15.05.2001, бюл. №4.

28. А.с. № 1558100 СССР, МКИ⁵ Е21 Д21/00 Анкерная крепь. А.П. Клюев, Н.Н. Касьян, И.С. Костюк, В.И. Лысенко. Публикации ограничены.

29. А.с. № 1559175 СССР, МКИ⁵ Е21 Д11/00, 13/02. Способ крепления горной выработки. Н.Н. Касьян, А.П. Клюев, Ю.В. Фомин, В.Н. Чураков. Опуб. 23.04.90, бюл. №15.

30. А.с. № 1481419 СССР, МКИ5 Е21 Д13/02. Способ охраны выработок. Н.Н.Касьян, А.Ф.Морозов, О.Ю.Кузьмич, Е.И.Кольчик. Опуб. 23.05.89, бюл. №19.

31. А.с. № 973852 СССР, МКИ5 Е21 Д13/02. Способ упрочнения пород. М.П. Зборщик, Н.Н. Касьян, Е.И. Кольчик, А.Ф. Морозов. Опуб. 15.11.82, бюл. №42.

32. А.с. № 174 7708 СССР, МКИ5 Е21 Д13/02. Способ упрочнения пород. А.О. Новиков, Н.Н. Касьян, А.П. Клюев и др. Опуб. 15.07.92, бюл. №26.

33. А.с. № 754922 СССР, МКИ5 Е21 Д13/02. Способ нагнетания раствора в горный массив. К.В. Кошелев, А.Н. Куракалов, Н.Н. Касьян и др. Публикации ограничены.

34. Geomechaniczne zasady iniekcyjnego wzmacniania gуrotworu wokol wyrobisk gorniczych na duzych glebokosciach. M.P. Zborszczyk, K.F. Sapicki, N.N. Kasjan ta dr. /Miedzynarodowa Konferencja II SZKOA GEOMECHANIKI, Gliwice, 1995. – С.417.

35. Совершенствование способов закрепления анкерной крепи / М.П. Зборщик, А.П. Клюев, Н.Н. Касьян, П.С. Дрипан //Miedzynarodowa Konferencja IV Szkoіa Geotechniki, Gliwice–Ustron, Poland, 18–22 pazdrienik, 1999. – С.99-103.

36. A.Klujev, N.Kasian, O.Moroz. Geomechanicko zdфvodnenie ubony svornikovej vysture pri zvacseni stability porubovych chodieb. /Zbornik referatov z medzinazodnej konferencie "Geotechnika", Czech Republic, Ostrava, 1996.– C.212-214.

37. N.Kasian, O.Moroz, G.Chydolej. Vysledky zkoumani injektazi pomoci zpevnujicich malt do okolnich hornin s pouzitim usmerneho vakuovani /Geotechnika–97 zaklad modernych technologil vystavby Zbornik Podbancke, Slovenska Republic, 1997. – С. 139-140.

38. Зборщик М.П. Касьян Н.Н., Клюев А.П. Новые способы возведения анкерных и усиливающих крепей для обеспечения безопасности работ и устойчивости выработок. Сб. докл. научн.-техн. конф. «Охрана труда в подземных и открытых шахтах и рудниках». Болгария, Варна, 1998. Т.1.– С. 185-188.

39. Касьян Н.Н. Особенности механизма деформирования пород вокруг горных выработок в условиях глубоких шахт /Материалы 8 международной конференции «Geotechnika–98», Gliwice–Ustron, 1998. – С. 57–62.

40. Оценка влияния схем расположения анкерной крепи на грузонесущую способность разрушенных пород окружающих выработку / А.П. Клюев, Н.Н. Касьян, В.Д. Иващенко, О.К. Мороз //Miedzynarodowa Konferencja V Jubileuszowa «Szkoіa Geomechaniki», Gliwice–Ustron, Poland, 2001. – С.181-185.

В публікаціях, виконаних в співавторстві, дисертанту належить наступне:

теоретична постановка і нове рішення задач, пов'язаних з оцінкою впливу зони зруйнованих порід на стан виробок [1, 2-4, 10, 11];

аналіз і наукова інтерпретація результатів досліджень впливу анкерного кріплення на стан виробок [8, 17, 18, 22, 35, 36, 38, 40];

аналіз і наукова інтерпретація результатів дослідження геомеханічних процесів в породному масиві навколо виробок [9, 15, 19, 20];

теоретичне оформлення і практична реалізація нових технологічних рішень в промислових умовах [12-14, 16, 34, 37];

– теоретичне оформлення і розробка нових технічних рішень для підвищення стійкості гірничих виробок [24-33].