Анотація до роботи:

Петренко Ю.А. «Геомеханічні основи збереження стійкості виробок глибоких шахт на різних етапах їх експлуатації» – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.02 – «Підземна розробка родовищ корисних копалини» ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, Донецьк, 2008.

Дисертація присвячена проблемі збереження стійкості виробок глибоких шахт на різних етапах їх експлуатації.

Забезпечення стійкості гірничих виробок шляхом використання несучої здатності вміщуючих порід є одним з найбільш економічних і технологічно простих методів.

Автором обґрунтована нова концепція забезпечення стійкості гірничих виробок, заснована на обліку особливостей протікання геомеханічних процесів у масиві порід, що вміщує виробки, на різних етапах їх підтримки. Розроблений аналітико-експериментальний метод прогнозу розмірів зони непружних деформацій за часом.

Встановлені особливості і закономірності поведінки системи «кріплення-масив» при зміні геомеханічного стану вміщуючого виробки масиву на різних етапах їх експлуатації Запропонована нова концепція застосування анкерного кріплення, в якій анкера розглядаються не як несуча конструкція кріплення, а як елемент, що змінює структурно-механічні параметри масиву, що вміщує виробку, і перешкоджає його руйнуванню. Розроблені новий спосіб підтримки виробок «кріплення-охорона» і технологія перекріплювання гірничих виробок.

Приведені результати впровадження розроблених способів і рекомендацій.

У дисертації дане теоретичне узагальнення і вирішена актуальна науково-технічна проблема, що полягає в розробці геомеханічних основ забезпечення стійкості підтримуваних виробок глибоких шахт на основі вперше встановлених і експериментально підтверджених особливостей і закономірностей поведінки системи «кріплення-масив», при зміні геомеханічного стану масиву, що вміщує виробку, на різних етапах їх підтримки. Це дозволило обґрунтувати і розробити ряд нових технологічно простих і мало витратних способів забезпечення стійкості виробок, заснованих на використанні несучої здатності порідного масиву.

1. Розроблений аналітико-експериментальний метод розрахунку розмірів зони крихкого руйнування і пластичних деформацій, що базується на положеннях механіки крихкого руйнування порідного масиву і теорії граничної рівноваги. Як критерій розділення ЗНД на області крихкого руйнування і пластичних деформацій прийняте співвідношення між діючими в масиві напругами і межами миттєвої і тривалої міцності порід на стиснення.

Розрахунок розмірів зони крихкого руйнування проводився з урахуванням руху фронту руйнування від контуру виробки углиб масиву за часом і перерозподілу напруг на межі фронту.

Одержані аналітичні залежності дозволяють вирішити приватні завдання про особливості деформації масиву, що вміщує виробку, на різних етапах її існування та обґрунтовано приймати способи забезпечення її стійкості.

2. Вперше встановлено, що міжрамна огорожа (затяжка) бере участь в процесі формування навантаження на кріплення при кроці установки кріплення 0,5 м і більше. При цьому встановлено, що механізм формування навантаження на систему «кріплення - міжрамна огорожа» в процесі утворення навколо виробки зони зруйнованих порід, полягає в наступному. У початковий період формування навколо виробки ЗЗП (розмір ЗЗП не перевищує кроку установки кріплення) і відсутності деформації затяжки, остання тільки перерозподіляє навантаження від зсувів контуру виробки на рами кріплення. При подальшому зростанні ЗЗП углиб масиву і прогині затяжки унаслідок зсувів порід в порожнину виробки, між рамами, уздовж виробки, починають утворюватися склепіння природної рівноваги. Прогин затяжки можна розглядати як реалізацію зсувів контуру виробки на деяку величину за рахунок податливості кріплення, що знижує навантаження на рами. Після завершення утворення в міжрамному просторі склепінь природної рівноваги, затяжка сприймає навантаження тільки від ваги породи у межах цих склепінь. А так, як ці склепіння спираються на рами кріплення, то при подальшому зростанні зони зруйнованих порід навколо виробки, навантаження ними перерозподіляється тільки на рами кріплення і не передається на затяжку. Встановлений механізм дозволяє обґрунтувати вимоги до міжрамних огорож, що полягають в наступному.

Податливість затяжки повинна забезпечувати можливість утворення склепінь природної рівноваги усередині ЗЗП в міжрамному просторі без її руйнування. Несуча здатність затяжки повинна прийматися такою, щоб витримувати навантаження від ваги порід у межах склепіння природної рівноваги.

3. Уточнений і вперше експериментально підтверджений механізм формування навантаження на кріплення за часом, який полягає в тому, що в першому періоді, тривалістю до одного року, навантаження на кріплення формується за рахунок зсувів контуру виробки в процесі утворення навколо неї зони зруйнованих порід. Після утворення навколо виробки ЗЗП (II період), в результаті реалізації геомеханічних процесів усередині неї, навантаження на кріплення надає вага порід, що, в межах ЗЗП, відокремилися від приконтурного масиву. Для оцінки параметрів обвалень, в межах ЗЗП, вперше запропоновано використовувати графіки зміни прискорень зсувів глибинних реперів. Точка на графіку, де прискорення змінює знак «плюс» на «мінус», характеризує глибину обвалення і час його реалізації. Глибина обвалення порід, може бути прийнята рівною розрахунковому розміру ЗЗП (відхилення не перевищує 25%).

4. Встановлені особливості деформації виробки при порушенні рівноважного стану в системі «кріплення-масив», яке пов'язано з перекріплюванням, що полягає в наступному. Якщо до моменту перекріплювання виробки, зона крихкого руйнування навколо неї не закінчила своє формування, то до 80% зсувів контуру виробки після перекріплювання відбувається за рахунок подальшого руйнування порід в межах цієї зони, а решта частини – за рахунок збільшення розмірів ЗНД; якщо ж до моменту перекріплення зона крихкого руйнування сформувалася повністю, то до 80% зсувів контуру виробки після перекріплення відбувається за рахунок збільшення розмірів ЗНД. В процесі деформації порід, що вміщують перекріплювану виробку можна виділити два періоди. Перший – тривалістю 45-65 діб, характеризується нерівномірністю і підвищеною інтенсивністю зсувів порід (швидкість зсувів порід покрівлі зростає в 5-16 разів, а боків – 2-8 разів, в порівнянні з середніми швидкостями до перекріплювання). Тривалість цього періоду скорочується після кожного подальшого перекріплювання.

Особливістю другого періоду є зсуви контуру виробки з невеликою швидкістю. Одержані аналітичні залежності для визначення зсувів контуру виробки після перекріплювання і оцінки впливу випуску породи при перекріплюванні на їх подальшу стійкість.

5. З урахуванням встановлених особливостей і закономірностей поведінки системи «кріплення-масив» при зміні геомеханічного стану масиву, що вміщує виробки, на різних етапах їх експлуатації розроблені новий спосіб підтримки виробок «кріплення-охорона» і технологія перекріплювання гірничих виробок.

Суть способу «кріплення-охорона» полягає в утворенні навколо виробки, на заданому видаленні від її контуру, зони знижених напруг шляхом підривання камуфлетних зарядів ВВ в трубчастих анкерах. Енергія вибуху при цьому, витрачається на утворення зони розвантаження і розвальцьовування анкерів в шпурах. Не порушений приконтурний масив, посилений анкерами, виконує роль кріплення.

Нова технологія перекріплювання гірничих виробок забезпечує збереження рівноважного стану системи «кріплення-масив» і попереджає зайвий випуск породи при розширенні виробок. Суть цієї технології полягає в тому, що за допомогою технічних засобів, в зоні можливого обвалення порід, за межами проектного контуру відновленої виробки створюється розпір, сприяючий за рахунок збільшення сил тертя між порідними фрагментами забезпеченню ефекту їх самопідтримки.

6. Запропонована нова концепція застосування анкерного кріплення, яка полягає в тому, що анкера розглядаються не як несуча конструкція кріплення, а як елемент, що змінює структурно-механічні параметри масиву, що вміщує виробку, і перешкоджає його руйнуванню.

7. На підставі результатів виконаних досліджень, розроблені і затверджені Мінвуглепромом СРСР «Тимчасова інструкція по застосуванню способу підтримки гірничих виробок «кріплення-охорона»» (РД 12.18.072-88) і «Технологічні схеми поетапної підтримки капітальних гірничих виробок на основі розвантаження порідного масиву від підвищених напруг» (РД 12.18.096-90).

Впровадження результатів роботи дозволило одержати економічний ефект у розмірі 13986 (у цінах 1987 роки) і 424594 грн.

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

1. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. Охрана и ремонт горных выработок. – М.: Недра, 1990. – 218 с.

2. Поддержание и проветривание выработок глубоких шахт / С.С. Гребенкин, Ю.Ф. Булгаков, Н.Н. Касьян, Ю.А. Петренко, А.В. Агафонов, М.А. Ильяшов, С.Д. Керкез, С.Н. Смоланов, В.Д. Рябичев, В.А. Трофимов, С.Е. Топчий. – Донецк: «Каштан», 2005. – 256 с.

3. Кошелев В.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. О состоянии и ремонте выработок на шахтах Донецко-Макеевского района // Уголь Украины. – 1984. – № 8. – С. 13-14.

4. Кошелев К.В., Ланда А.И., Петренко Ю.А. Деформирование подготовительных выработок в зонах геологических нарушений //Уголь. – 1982.–№10. – С.16-17.

5. Кошелев К.В., Ланда А.И., Петренко Ю.А. Оценка трещиноватости пород вокруг выработок сооружаемых в зонах геологических нарушений //Разраб. месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – К.: Техника, 1983. –№66. – С.57-60.

6. Кошелев К.В., Олейников А.А., Петренко Ю.А., Куракалов А.Н. Влияние взрывощелевой разгрузки на процесс образования зоны неупругих деформаций вокруг выработки //Разраб. месторождений полезных ископаемых: Респ. межвед. науч.-техн. сб. – К.: Техника, 1984. –№9 – С.13-16.

7. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О. Геомеханические параметры поддержания горнах выработок //Шахтное строительство. –1986.–№3.–С. 11-14.

8. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Тарасьев В.В., Игнатович Н.В. Новый способ поддержания горных выработок // Шахтное строительство. – 1987. - № 6. – С. 8-9.

9. Кошелев К.В., Новиков А.О., Петренко Ю.А. Геомеханические параметры ремонта горнах выработок // Уголь. – 1987. - № 7. – С. 20-22.

10. Способ упрочнения пород: А.с. 1747708 СССР, МКИ Е 21 11/00 / Касьян Н.Н., Клюев А.П., Новиков А.О., Петренко Ю.А. – №4707070/03; Заявл. 15.06.89; Опубл. 15.07.92, Бюл. №26. – 3 с.

11. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В. Совершенствование способов поддержания горных выработок с учетом различных этапов их существования // Известия Донецкого горного института, 1996. - №2. – С. 97-99.

12. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В. Обоснование своевременности применения способов охраны при поэтапном поддержании горных выработок // Известия Донецкого горного института. – 1998. - № 1. – С. 90-94.

13. Петренко Ю.А., Захаренко А.В., Захаренко С.В. Исследование механизма затухания эффекта локальной разгрузки пород почвы // Известия Донецкого горного института. – 1999. - № 2. – С. 90-94.

14. Петренко Ю.А., Захаренко А.В., Захаренко С.В. Шахтные исследования продолжительности эффекта локальной разгрузки породного массива // Известия Донецкого горного института. – 2000. - № 1. – С. 12-14.

15. Петренко Ю.А., Ковальчук И.С., Новиков А.О. Направление повышения работоспособности металлической арочной податливой крепи // Геотехнологии на рубеже ХХІ века. Монография в 3-х томах. Том 2. ДонГТУ-ДУНПГО, 2001. – С. 8-11

16. Касьян Н.Н., Петренко Ю.А., Клюев А.П. Об учете структурного ослабления породного массива вокруг выработки при решении реологических задач // Геотехнологии на рубеже ХХІ века. Монография в 3-х томах. Том 1. ДонГТУ-ДУНПГО, 2001. – С. 74-81.

17. Касьян Н.Н., Клюев А.П., Петренко Ю.А. Перспективные способы повышения грузонесущей способности разрушенных пород вокруг поддерживаемых выработок // Известия Донецкого горного института. – 2002. - № 2. – С. 48-51.

18. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н., Новиков А.О. Новая концепция поддержания горных выработок на основе учета особенностей протекания геомеханических процессов во времени. Науч. техн. сб. «Разработка рудных месторождений». Вып. 87. – Криворожский техн. унив., 2004. С. 30-31.

19. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н., Новиков А.О., Сахно И.Г. Новый подход к расчету параметров анкерной крепи // Сб. науч. тр. «Физико-технические проблемы горного производства», вып. 7. – ИФГП НАН Украины, 2004. – С. 167-172.

20. Петренко Ю.А. Роль межрамных ограждений в механизме формирования нагрузки на рамные крепи // Проблеми гірського тиску. Збірник наукових праць № 13. – ДонНТУ, 2005. – С. 121-135.

21. Касьян Н.Н., Новиков А.О., Петренко Ю.А., Овчаренко Н.А. Разработка технологий ведения ремонтных работ, обеспечивающих устойчивость выработок в послеремонтный период // Известия Донецкого горного института. – 2005. - № 1. – С. 72-77.

22. Новиков А.О., Петренко Ю.А., Шестопалов И.И., Шажко Я.В. Исследование влияния схем анкерования горных пород на структурно-механические свойства вмещающего массива // Геотехнологии и управление производством XXI века. Монография в 2-х томах. Том 1. ДонНТУ-ДУНПГО, 2006. – С. 4-10.

23. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Овчаренко Н.А. Оценка влияния выпуска породы при перекреплении выработок на их последующую устойчивость // Новые технические решения при строительстве выработок, тампонаже и закреплении горных пород. Монография. – Донецк: «Норд-пресс», 2006 – С. 218-221.

Додаткові публікації

24. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Тарасьев В.В., Игнатович Н.В. Совершенствование способов поддержания горных выработок в глубоких угольных шахтах //Тр. всесоюзн. научно-технич. совещания «Научно-технические проблемы ускорения строительства новых горизонтов, проведение горных выработок в условиях глубоких шахт» – Донецк: ЦБНТИ Минуглепрома УССР, 1985. – С. 27-30.

25. Временная инструкция по применению способа поддержания горных выработок «крепь-охрана»: РД 12.18.072-88: утв. Минуглепром СССР 26.09.88. – Донецк-Харьков, 1988. – 39 с. / К.В. Кошелев, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, А.А. Олейников, В.В. Тарасьев, И.Г. Косков, В.П. Друцко.

26. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Тарасьев В.В. Способы поддержания горных выработок на основе регулирования геомеханического состояния вмещающего массива // Тр. всесоюзн. научно-технич. совещания «Пути улучшения состояния горных выработок» – М: ЦНИЭИуголь, 1989. – С. 21-23.

27. 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. – 80 с. /К.В. Кошелев, Ю.А. Петренко, А.О. Новиков, В.И. Полтавец, И.Г. Косков, В.П. Друцко.

28. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В. О состоянии поддерживаемых горных выработок по ГХК «ДонУГОЛЬ» // Известия Донецкого горного института, 1998. - №1. – С. 73-74.

29. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В. Оценка продолжительности эффекта локальной разгрузки пород почвы выработок для обеспечения их длительной устойчивости // Материалы междунар. конференции «Перспективы развития горных технологий в начале третьего тысячелетия» – Алчевск: ДГМИ, 1999. – С. 83-87.

30. Кошелев К.В., Петренко Ю.А., Новиков А.О., Захаренко А.В. Перспективные способы поддержания горных выработок на основе использования несущей способности породного массива // Геотехнологии на рубеже ХХІ века. Монография в 3-х томах. ДонГТУ-ДУНПГО, 2001. – С. 4-6.

31. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н., Новиков А.О. Новые представления о работе анкерной крепи // Сб. научн. трудов международной научно-техн. конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» – Донецк: УкрНИМИ, 2005. – Т.2.

32. Петренко Ю.А., Гребенкин С.С., Касьян Н.Н. Об особенностях формирования нагрузки на крепь в условиях глубоких шахт // Материалы международной конференции «Форум горняков 2005» – Днепропетровск, НГУ. – 2005. – Том. 3. – С. 233-239.

33. Петренко Ю.А., Гребенкин С.С. Механизм формирования нагрузки на межрамное ограждение //Материалы международной конференции «Форум горняков 2005». – Днепропетровск, НГУ. – 2005. – Том. 2. – С. 37-47.

34. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н., Новиков А.О. Исследование особенностей формирования нагрузки на рамные крепи горных выработок // Вісник Криворізького технічного університету –2005. – №8. – С. 34-36.

35. Касьян Н.Н., Новиков А.О., Петренко Ю.А., Овчаренко Н.А. Разработка технологий ведения ремонтных работ, обеспечивающих устойчивость выработок в послеремотный период // Горный информационно-аналитический бюллетень, М.: МГГУ, 2005. – №5. – С. 201-205.

36. Петренко Ю.А., Новиков А.О., Овчаренко Н.А. Оценка влияния выпуска породы при перекреплении выработок на их последующую устойчивость //Материалы научно-практ. конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» – Антрацит, 2006. – С. 193-197.

37. Петренко Ю.А., Гребенкин С.С., Касьян Н.Н., Новиков А.О. Способ сохранения устойчивости выработок на основе активного управления напряженно-деформированным состоянием вмещающего массива («крепь – охрана») // Материалы научно-практ. конференции «Проблемы подземного строительства и направления развития тампонажа и закрепления горных пород» – Антрацит, 2006. – С. 197-201.

38. Плетнев В.А., Касьян Н.Н., Петренко Ю.А., Новиков А.О., Сахно И.Г. Результаты внедрения анкерных систем для поддержания горных выработок на шахте «Добропольская» // Геотехнологии и управление производством XXI века. Монография в 2-х томах. Том 1. ДонНТУ-ДУНПГО, 2006. – С. 39-44.

39. Касьян Н.Н., Петренко Ю.А., Новиков А.О., Овчаренко Н.А. // О геомеханических аспектах влияния ремонта выработок на их последующую устойчивость // ХІI Migdzynarodowe Sympozium «Geotechnika-Geotechnics, 2006», Materialy Naukowe, Gliwice-Ustrow, 2006. – С. 435-454.

40. Петренко Ю.А., Касьян Н.Н., Новиков А.О., Гладкий С.Ю. // Исследование влияния схем анкерования массива на устойчивость выработок // ХІI Migdzynarodowe Sympozium «Geotechnika-Geotechnics, 2006», Materialy Naukowe, Gliwice-Ustrow, 2006. – С. 455-467.

41. Петренко Ю.А. Влияние выпуска породы при расширении выработок на их последующую устойчивость // Сб. научн. тр. 2-й международной научно-практ. конф. «Геотехнологии и управление производством XXI века». – ДонНТУ-ДУНПГО, 2007. – С. 5-8.

У публікаціях, виконаних в співавторстві, дисертанту належить наступне:

[1] – розділи “Основи геомеханічного стану порідного масиву і його вплив на стійкість виробок”, “Способи охорони гірничих виробок”;

[2] – розділи “Метод прогнозу розмірів зони зруйнованих порід”, “Ремонт гірничих виробок”;

[3, 15, 27] – аналіз стану гірничих виробок і чинників, що впливають на їх стійкість;

[4, 5, 6] – аналіз і наукова інтерпретація результатів досліджень;

[7, 9, 12, 16, 28, 35] – постановка і теоретичне рішення задач;

[8, 10, 36] – ідея і наукове обґрунтування способу охорони;

[11, 23, 24, 25, 26, 29] – теоретичне оформлення і розробка нових технічних рішень для забезпечення стійкості гірничих виробок;

[13, 14] – постановка завдання і аналіз результатів досліджень;

[18, 19, 30] – нова концепція застосування анкерного крыплення;

[21, 34, 38] – ідея нової технології, аналіз результатів експериментальних досліджень;

[17, 22, 31, 32, 33, 39] – організація, проведення і наукова інтерпретація результатів експериментальних досліджень;

[37] – розробка рекомендацій і організація впровадження.